CN112344840B - 一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于位移检测技术领域，具体涉及一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置，包括下层基板部分、上层基板部分，所述上层基板部分设置在下层基板部分的上方，所述下层基板部分与上层基板部分相互平行，所述所述下层基板部分与上层基板部分之间无接触；所述下层基板部分包括下层基座、回折蛇形线圈，所述回折蛇形线圈固定在下层基座上。本发明提出的微位移检测装置，采用了隧道磁阻效应检测位移变化，同时通过合理的空间布局产生两路幅值、频率相同，相位相差90°的信号，并引入了细分电路对信号进行处理。具有检测灵敏度高、抗干扰能力强等优点。本发明用于微位移的测量。

Description

一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置
技术领域
本发明属于位移检测技术领域，具体涉及一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置。
背景技术
高精度微位移测量技术已成为现代工业测量技术的重要发展方向和测量领域内的研究热点。目前，常用的微位移检测方式包括压阻式、电容式、压电式、纳米光栅式和隧道效应式等。压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，高掺杂硅形成的压敏器件对温度有较强的依赖性，其由压敏器件组成的电桥检测电路会因温度变化引起灵敏度漂移。电容式精度的提高依赖于电容面积的增大，但由于器件的微小型化，其精度因有效电容面积的缩小而难以提高。压电效应传感器灵敏度易漂移，需经常校正，归零慢，不宜连续测试。纳米光栅式检测精度较高，但对环境要求严格，工艺加工难度大，且所需要的光源体积较大难以集成。
磁隧道结(MTJs)的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，而通常两铁磁层的矫顽力不同，因此反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。若两层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,这种状态的隧穿电流比较小。这一物理效应正是基于电子在绝缘层的隧穿效应，称为隧道磁阻效应。基于隧道磁阻效应的微位移检测装置具有检测精度高、便于微型集成等优势。
对微位移的测量通常是依靠检测电信号的变化，对于输出电信号处理和分析能影响到检测装置的整体工作精度，对于外部的噪声干扰，很大程度上需要经过电路的处理进行滤除，目前的隧道磁阻位移检测以单路信号处理为主，其对噪声的抑制能力有限。
发明内容
针对上述传统的微位移测量对噪声的抑制能力有限技术问题，本发明提供了一种结构简单、灵敏度高、制作成本低、便于调试的基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置，包括下层基板部分、上层基板部分，所述上层基板部分设置在下层基板部分的上方，所述下层基板部分与上层基板部分相互平行，所述下层基板部分与上层基板部分之间无接触；
所述下层基板部分包括下层基座、回折蛇形线圈，所述回折蛇形线圈固定在下层基座上；
所述上层基板部分包括上层基座、第一隧道磁阻结桥接结构、第二隧道磁阻结桥接结构、细分处理模块、信号传输线，所述第一隧道磁阻结桥接结构、第二隧道磁阻结桥接结构均固定在上层基座上，所述第一隧道磁阻结桥接结构、第二隧道磁阻结桥接结构均通过信号传输线与细分处理模块连接。
所述回折蛇形线圈采用回折型结构，所述回折蛇形线圈包括线圈部分、空隙部分，所述线圈部分与空隙部分交错排列在下层基座上。
所述第一隧道磁阻结桥接结构设置在线圈部分的正上方，所述第二隧道磁阻结桥接结构设置在空隙部分的正上方。
所述细分处理模块包括整流模块、反正切变换模块、模数转换模块，所述整流模块通过信号传输线分别与第一隧道磁阻结桥接结构、第二隧道磁阻结桥接结构连接，所述整流模块连接有反正切变换模块，所述反正切变换模块连接有模数转换模块。
所述第一隧道磁阻结桥接结构、第二隧道磁阻结桥接结构均包括有第一磁阻桥路、第二磁阻桥路、电源，所述第一磁阻桥路、第二磁阻桥路之间并联连接，所述第一磁阻桥路包括第一正相关磁阻结、第一负相关磁阻结，所述第一正相关磁阻结与第一负相关磁阻结串联连接，所述第二磁阻桥路包括第二正相关磁阻结、第二负相关磁阻结，所述第二正相关磁阻结与第二负相关磁阻结串联连接，所述电源并联连接在第一磁阻桥路和第二磁阻桥路的两端。
所述第一隧道磁阻结桥接结构、第二隧道磁阻结桥接结构中输出电压的计算方法为：
R11＝R0-K·B1
R12＝R0+K·B1
R21＝R0-K·B2
R22＝R0+K·B2
Figure GDA0003396668110000031
Figure GDA0003396668110000032
得出输出电压
Figure GDA0003396668110000033
所述R11为第一正相关磁阻结的电阻，所述R12为第一负相关磁阻结的电阻，所述R21为第二正相关磁阻结的电阻，所述R22为第二负相关磁阻结的电阻，所述K为磁阻结电阻与磁场强度的相关系数，所述B0为静磁场，所述A为调制深度，所述D为回折蛇形线圈的间距，所述d为第一隧道磁阻结桥接结构与第二隧道磁阻结桥接结构的间距，所述R0为初始阻值，所述B1为第一正相关磁阻结、第一负相关磁阻结的感应磁场强度，所述B2为第二正相关磁阻结、第二负相关磁阻结的感应磁场强度，所述x为位移的距离，所述Va为第一磁阻桥路的输出电压，所述Vb为第二磁阻桥路输出的电压，所述V0为电源电压。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
1、本发明提出的微位移检测装置，采用了隧道磁阻效应检测位移变化，同时通过合理的空间布局产生两路幅值、频率相同，相位相差90°的信号，并引入了细分电路对信号进行处理。具有检测灵敏度高、抗干扰能力强等优点；
2、本发明提出的微位移检测装置采用隧道磁阻效应检测原理，并且利用回折蛇形线圈产生高变化率磁场，极大地提高了检测精度。同时，磁场强度与外加电流相关，能够自主调节。具有结构简单、灵敏度高、制作成本低、便于调试等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明上层基板部分的结构示意图；
图3为本发明回折蛇形线圈及其磁场强度示意图；
图4为本发明细分处理模块的结构示意图；
图5为本发明细分处理模块的原理图；
图6为本发明隧道磁阻结桥接结构的电路原理图；
图7为本发明细分处理模块接收信号示意图。
其中：1为下层基板部分，2为上层基板部分，101为下层基座，102为回折蛇形线圈，201为上层基座，202为第一隧道磁阻结桥接结构，203为第二隧道磁阻结桥接结构，204为细分处理模块，205为信号传输线，1021为线圈部分，1022为空隙部分，2041为整流模块，2042为反正切变换模块，2043为模数转换模块，2021为第一磁阻桥路，2022为第二磁阻桥路，2023为电源，TMR11为第一正相关磁阻结，TMR12为第一负相关磁阻结，TMR21为第二正相关磁阻结，TMR22为第二负相关磁阻结。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置，如图1、图2所示，包括下层基板部分1、上层基板部分2，上层基板部分2设置在下层基板部分1的上方，下层基板部分1与上层基板部分2相互平行，下层基板部分1与上层基板部分2之间无接触；下层基板部分1包括下层基座101、回折蛇形线圈102，回折蛇形线圈102固定在下层基座101上；上层基板部分2包括上层基座201、第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203、细分处理模块204、信号传输线205，第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203均固定在上层基座201上，第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203均通过信号传输线205与细分处理模块204连接。外界发生向右发生微小的位移，即上层基板部分2相对下层基板部分1向右偏移，而下层基板部分1上的回折蛇形线圈102产生的高变化率磁场在工作时稳定不变，上层基板部分2的偏移导致固定在上面的第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203感应到得磁场发生相应偏移，通过第二隧道磁阻结桥接结构203超前于第一隧道磁阻结桥接结构202输出能判断位移的方向是向右。而磁阻桥路对于磁场强度的变化极为敏感，故其阻值发生明显变化，反映在电路中就是其输出信号发生明显变化。将这两路信号通过信号传输线205传输给细分处理模块204进行处理，通过细分能提高对电信号的分辨率，进一步提高对微位移的灵敏度，同时还能抑制外部环境造成的干扰信号。最后通过解算得出外界输入的位移量的大小和方向，完成测量。
进一步，如图3所示，回折蛇形线圈102采用回折型结构，回折蛇形线圈102包括线圈部分1021、空隙部分1022，线圈部分1021与空隙部分1022交错排列在下层基座101上。当给线圈部分1021通上电流，由安培右手螺旋定则可知，曲折回绕的线圈部分1021会产生很明显的磁场变化，在一定高度对其进行检测时能得到其磁场强度近似于图3中所示的正弦信号，产生的磁场具有高变化率、可调节的特点。
进一步，优选的，第一隧道磁阻结桥接结构202设置在线圈部分1021的正上方，第二隧道磁阻结桥接结构203设置在空隙部分1022的正上方，第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203位置根据下方回折蛇形线圈102生成磁场位置合理的排布，使其能产生幅值、频率相同相位相差90°的两路信号。如图7所示为第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203产生的两路输出信号，其幅值大小、频率相同，相位相差90°。通过上层基板部分2的信号传输线205传给细分处理模块204进行处理，其横坐标代表位移的时间，纵坐标表示输出信号的大小，最后通过解算得出外界输入的位移量的大小和方向，完成测量。根据两路信号相位的相对超前和滞后的关系作为位移方向判断依据，通过对两路信号的高倍细分，能大大提高解算位移幅值的精度，同时避免了环境噪声所带来的误差。
进一步，如图4所示，细分处理模块204包括整流模块2041、反正切变换模块2042、模数转换模块2043，整流模块2041通过信号传输线205分别与第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203连接，整流模块2041连接有反正切变换模块2042，反正切变换模块2042连接有模数转换模块2043。如图5所示，细分处理模块204先对第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203产生的两路信号通过整流模块2041进行全波整流，消除其直流分量并将信号负半周翻转，再通过反正切变换模块2042对整流后的信号进行反正切变换，经过反正切变换可以在不引入误差的同时提升输出信号的对比度并实现高倍数的细分插值，最后，将高对比度的模拟信号通过模数转换模块2043将其变换成易于计量的数字信号。
进一步，如图6所示，第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203均包括有第一磁阻桥路2021、第二磁阻桥路2022、电源2023，第一磁阻桥路2021、第二磁阻桥路2022之间并联连接，第一磁阻桥2021路包括第一正相关磁阻结TMR11、第一负相关磁阻结TMR12，第一正相关磁阻结TMR11与第一负相关磁阻结TMR12串联连接，第二磁阻桥路2022包括第二正相关磁阻结TMR21、第二负相关磁阻结TMR22，第二正相关磁阻结TMR21与第二负相关磁阻结TMR22串联连接，电源2023并联连接在第一磁阻桥路2021和第二磁阻桥路2022的两端。
进一步，第一隧道磁阻结桥接结构、第二隧道磁阻结桥接结构中输出电压的计算方法为：
R11＝R0-K·B1
R12＝R0+K·B1
R21＝R0-K·B2
R22＝R0+K·B2
Figure GDA0003396668110000081
Figure GDA0003396668110000082
得出输出电压
Figure GDA0003396668110000083
其中：R11为第一正相关磁阻结的电阻，R12为第一负相关磁阻结的电阻，R21为第二正相关磁阻结的电阻，R22为第二负相关磁阻结的电阻，K为磁阻结电阻与磁场强度的相关系数，B0为静磁场，A为调制深度，D为回折蛇形线圈的间距，d为第一隧道磁阻结桥接结构与第二隧道磁阻结桥接结构的间距，R0为初始阻值，B1为第一正相关磁阻结、第一负相关磁阻结的感应磁场强度，B2为第二正相关磁阻结、第二负相关磁阻结的感应磁场强度，x为位移的距离，Va为第一磁阻桥路的输出电压，Vb为第二磁阻桥路输出的电压，V0为电源电压。
本发明的工作流程为：外界发生向右发生微小的位移，即上层基板部分2相对下层基板部分1向右偏移，而下层基板部分1上的回折蛇形线圈102产生的高变化率磁场在工作时稳定不变，上层基板部分2的偏移导致固定在上面的第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203感应到得磁场发生相应偏移，通过第二隧道磁阻结桥接结构203超前于第一隧道磁阻结桥接结构202输出能判断位移的方向是向右。而磁阻桥路对于磁场强度的变化极为敏感，故其阻值发生明显变化，反映在电路中就是其输出信号发生明显变化。而将第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203分别布置在回折蛇形线圈102上方对应的线圈部分1021正中间和空隙部分1022正中间能使两磁阻结桥路产生的信号相位正好相差90°，将这两路信号通过信号传输线205传输给细分处理模块204进行处理，细分处理模块204先对第一隧道磁阻结桥接结构202、第二隧道磁阻结桥接结构203产生的两路信号通过整流模块2041进行全波整流，消除其直流分量并将信号负半周翻转，再通过反正切变换模块2042对整流后的信号进行反正切变换，经过反正切变换可以在不引入误差的同时提升输出信号的对比度并实现高倍数的细分插值，最后，将高对比度的模拟信号通过模数转换模块2043将其变换成易于计量的数字信号。通过细分能提高对电信号的分辨率，进一步提高对微位移的灵敏度，同时还能抑制外部环境造成的干扰信号。最后通过解算得出外界输入的位移量的大小和方向，完成测量。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置，其特征在于：包括下层基板部分(1)、上层基板部分(2)，所述上层基板部分(2)设置在下层基板部分(1)的上方，所述下层基板部分(1)与上层基板部分(2)相互平行，所述下层基板部分(1)与上层基板部分(2)之间无接触；
所述下层基板部分(1)包括下层基座(101)、回折蛇形线圈(102)，所述回折蛇形线圈(102)固定在下层基座(101)上；
所述上层基板部分(2)包括上层基座(201)、第一隧道磁阻结桥接结构(202)、第二隧道磁阻结桥接结构(203)、细分处理模块(204)、信号传输线(205)，所述第一隧道磁阻结桥接结构(202)、第二隧道磁阻结桥接结构(203)均固定在上层基座(201)上，所述第一隧道磁阻结桥接结构(202)、第二隧道磁阻结桥接结构(203)均通过信号传输线(205)与细分处理模块(204)连接；
所述回折蛇形线圈(102)采用回折型结构，所述回折蛇形线圈(102)包括线圈部分(1021)、空隙部分(1022)，所述线圈部分(1021)与空隙部分(1022)交错排列在下层基座(101)上；所述第一隧道磁阻结桥接结构(202)设置在线圈部分(1021)的正上方，所述第二隧道磁阻结桥接结构(203)设置在空隙部分(1022)的正上方。
2.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置，其特征在于：所述细分处理模块(204)包括整流模块(2041)、反正切变换模块(2042)、模数转换模块(2043)，所述整流模块(2041)通过信号传输线(205)分别与第一隧道磁阻结桥接结构(202)、第二隧道磁阻结桥接结构(203)连接，所述整流模块(2041)连接有反正切变换模块(2042)，所述反正切变换模块(2042)连接有模数转换模块(2043)。
3.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置，其特征在于：所述第一隧道磁阻结桥接结构(202)、第二隧道磁阻结桥接结构(203)均包括有第一磁阻桥路(2021)、第二磁阻桥路(2022)、电源(2023)，所述第一磁阻桥路(2021)、第二磁阻桥路(2022)之间并联连接，所述第一磁阻桥路(2021) 包括第一正相关磁阻结(TMR11)、第一负相关磁阻结(TMR12)，所述第一正相关磁阻结(TMR11)与第一负相关磁阻结(TMR12)串联连接，所述第二磁阻桥路(2022)包括第二正相关磁阻结(TMR21)、第二负相关磁阻结(TMR22)，所述第二正相关磁阻结(TMR21)与第二负相关磁阻结(TMR22)串联连接，所述电源(2023)并联连接在第一磁阻桥路(2021)和第二磁阻桥路(2022)的两端。
4.根据权利要求3所述的一种基于隧道磁阻效应的高灵敏微位移检测装置，其特征在于：所述第一隧道磁阻结桥接结构、第二隧道磁阻结桥接结构中输出电压的计算方法为：
R11＝R0-K·B1
R12＝R0+K·B1
R21＝R0-K·B2
R22＝R0+K·B2
Figure FDA0003426160670000021
Figure FDA0003426160670000022
得出输出电压
Figure FDA0003426160670000023
所述R11为第一正相关磁阻结的电阻，所述R12为第一负相关磁阻结的电阻，所述R21为第二正相关磁阻结的电阻，所述R22为第二负相关磁阻结的电阻，所述K为磁阻结电阻与磁场强度的相关系数，所述B0为静磁场，所述A为调制深度，所述D为回折蛇形线圈的间距，所述d为第一隧道磁阻结桥接结构与第二隧道磁阻结桥接结构的间距，所述R0为初始阻值，所述B1为第一正相关磁阻结、第一负相关磁阻结的感应磁场强度，所述B2为第二正相关磁阻结、第二负相关磁阻结的感应磁场强度，所述x为位移的距离，所述Va为第一磁阻桥路的输出电压，所述Vb为第二磁阻桥路输出的电压，所述V0为电源电压。
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