一种磁阻传感器温度补偿方法与流程

本发明涉及传感器设计领域，尤其是一种磁阻传感器温度补偿方法。

背景技术：

磁阻传感器被广泛应用于数据储存领域(计算机硬盘、MRAM)，电流的测量领域，位置测量，物体的移动和速度，角度及角速度等的测量领域。

磁阻传感器本体有多层膜结构、自旋阀结构、隧道结结构等。随着磁场测量需求的增加，磁阻磁场传感器越来越多的吸引了科研工作者的注意力，在磁阻传感器的诸多性质中，温度依赖性一直为人所热切关注。现有减小温度漂移的方法是将磁传感芯片内部电阻以惠斯通全桥形式配置，但实验证明，惠斯通全桥配置下的磁传感芯片的温度漂移仍然不可忽略。

实验用磁阻传感器电桥芯片温度特性如图1所示。芯片传感曲线随温度变化如1所示，从传感曲线可知，其灵敏度和磁电阻变化率随温度升高而降低。芯片0～±400e线性范围的灵敏度和零漂随温度变化如图2所示。

在-40～80℃范围内，磁阻芯片灵敏度随温度升高而降低，近似线性关系。以芯片在20℃的传感特性为基准，灵敏度变化温度系数约为770PPM/K，即芯片灵敏度每度变化0.077％，在-40～80℃范围内灵敏度最大可能变化9.24％。芯片零漂随温度升高而近似线性升高，以20℃时为基准，零漂变化温度系数约为59PPM/K。由于芯片内部桥臂电阻使用性能非常相近对称的电阻，其零漂变化很小。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种磁阻传感器温度补偿方法，其在现有的磁阻传感器的放大电路或者磁阻传感器供电电源部分进行特殊设计，达到在特殊高精度应用场合下，对磁阻传感器的温度特性进行补偿，以取得更高的精度。

本发明采用的技术方案如下：

进一步的，一种磁阻传感器温度补偿方法包括：

步骤1：磁传感器件单位电源电压下的灵敏度可表示为式1：

S₁(T)＝S_T0(1+a(T-T₀)) (1)

式中，T为温度，T₀为参考温度，S_T0为温度T₀时的灵敏度，a为传感器灵敏度的温度变化系数；

在实际传感应用中，必须为传感器件配备电源及信号调理电路，此时整体磁传感器的灵敏度为式2：

S(T)＝pV_SS_T0(1+a(T-T₀)) (2)

式中，S为整体磁阻传感器灵敏度，p为后端处理电路放大倍数，Vs为磁传感器件供电电压；

步骤2：由于在p或Vs中引入了温度变化项，式2延伸出2种形式，进行磁传感器的非侵入式温度补偿方程式为公式(3)和公式(4)：

S(T)＝pV_SS_T0(1+a(T-T₀))(1+b(T-T₀)) (3)

式中，b为通过温度调节电路的温度变化系数，(1+b(T-T₀))为从p或Vs剥离出的温度变化项；假设传感器工作温度范围为T₁～T₂，其中T₁＜T₀＜T₂；

其中，对于式(3)，通过优化b，使得S(T)在[T₁，T₂]内变化最小；因此，目标关系式变为：

通常情况下，传感器的温度变化系数|a|＜0.1％/0C，因此1+aT₂＞0；

根据公式(5)得到温度漂移量最小时的b值，使得S(T)最小；

其中，对于式(4)，只需要令b＝a即可，此时通过零极点消除，就可完全消除温度的影响，使得S(T)最小；

步骤3：磁传感器的非侵入式温度补偿方法是第一种和或第二种，第一种是根据温度变化实时改变磁传感芯片两端供电电压Vs来减小温度漂移量，进行温度补偿；第二种是根据温度变化实时改变磁传感芯片后端信号调理电路放大倍数p来减小温度漂移量，进行温度补偿。

进一步的，步骤2中对于式(3)，通过优化b，具体步骤包括：

步骤21：通过优化b，使得S(T)在[T₁，T₂]内变化最小；因此，目标关系式变为：

通常情况下，传感器的温度变化系数|a|＜0.1％/℃，因此1+aT₂＞0；

步骤22：下面分情况讨论：

第一种情况，当即时：max(f(T))＝f(T₁)，min(f(T))＝f(T₂)，有：

当时，目标值最小为：

第二种情况，当即时：有：

当时，目标值最小为：

第三种情况，当即时，有：

当时，目标值最小为：

第四种情况，当即时：max(f(T))＝f(T₂)，min(f(T))＝f(T₁)，有：

当时，目标值最小为：

综合上述4种情况，可知

时，温漂最小，且为

进一步的，步骤3当改变磁传感芯片两端供电电压Vs来减小温漂时，具体步骤是：

步骤301：针对公式(3)，给磁阻传感芯片两端供电电压的前端电源电路包括供电电压为V₁的普通电源、温度变化为V₂+k(T-T₀)的正温敏电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及反馈电阻；其中k单位是伏/摄氏度；普通电源通过第一电阻给放大器正相输入端供电，同时正温敏电源通过第二电阻给放大器正相输入端供电，放大器正相输入端通过第三电阻接地；放大器负向输入端通过反馈电阻与放大器输出端连接，放大器输出端作为前端电源电路输出端为磁阻传感芯片供电；前端电源电路输出端电压V：

式中，第一电阻、第二电阻、第三电阻及反馈电阻阻值分别对应为R1、R2、R3、R4；第一电阻、第二电阻、第三电阻及反馈电阻为普通电阻，V₁为普通电源，V₂为变化率为正k的正温敏电源；

步骤302：因为公式(7)中k(T-T₀)为温敏部分，与温度变化有关，同时公式3中1+b(T-T₀)也是在公式(2)基础上，引入的温度变化项；因此可以通过调节R₁和R₂，令式中：即可使得温度漂移量最小，且为

进一步的，步骤3中，当改变磁传感芯片两端供电电压Vs来减小温度漂移量，进行温度补偿时，具体步骤是：

步骤311：针对公式(3)，给磁阻传感芯片两端供电电压的前端电源电路包括供电电压为V₁的普通电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及反馈电阻，其中反馈电阻为阻值是R₄+k(T-T₀)的PTC电阻；普通电源通过第一电阻给放大器正相输入端供电，放大器正相输入端通过第二电阻接地；同时放大器负向输入端通过第三电阻接地，放大器负向输入端通过反馈电阻与放大器输出端连接；其中k单位是伏/摄氏度；放大器输出端作为前端电源电路输出端为磁阻传感芯片供电；前端电源电路输出端电压V：

式中，第一电阻、第二电阻、第三电阻及反馈电阻阻值分别对应为R1、R2、R3、R4；第一电阻、第二电阻、第三电阻为普通电阻，V₁为普通电源电压值，反馈电阻是变化率为正k为正温度系数电阻；

步骤312：因为公式(8)中k(T-T₀)为温敏部分，与温度变化有关，同时公式3中1+b(T-T₀)也是在公式(2)基础上，引入的温度变化项；因此通过调节R₃和R₄，令式中：即可使得温度漂移量最小，且为

进一步的，步骤3中，当改变磁传感芯片两端供电电压Vs来减小温度漂移量，进行温度补偿时，具体步骤是：

步骤321：针对公式(4)，给磁阻传感芯片两端供电电压的前端电源电路包括供电电压为V₁的普通电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及反馈电阻；普通电源通过第一电阻给放大器正相输入端供电，放大器正相输入端通过第二电阻接地；同时放大器负向输入端通过第三电阻接地，放大器负向输入端通过反馈电阻与放大器输出端连接；其中k单位是伏/摄氏度；放大器输出端作为前端电源电路输出端为磁阻传感芯片供电；前端电源电路输出端电压V：

式中，第一电阻、第二电阻、第三电阻及反馈电阻阻值分别对应为R1、R2、R3、R4；第二电阻、第三电阻及反馈电阻为普通电阻，V₁为普通电源电压值，第一电阻是变化率为-k为负温度系数电阻；

步骤322：因为公式(9)中k(T-T₀)为温敏部分，与温度变化有关，同时公式(4)中1+b(T-T₀)也是在公式(2)基础上，引入的温度变化项；通过调节R₁、R₂令：即可使得温度漂移量最小，且为0。

进一步的，所述步骤3中第二种磁传感器非侵入式温度补偿方法是根据温度变化实时改变磁传感芯片后端信号调理电路放大倍数p来减小温度漂移量，进行温度补偿具体是：

步骤331：信号调理电路是标准三运放仪表放大器电路，后端信号调理电路放大倍数：

当第一电阻和第三电阻为PTC电阻，当参考公式(3)选择PTC电阻参数，可完成减小温度漂移量，进行温度补偿；

步骤332：第一电阻阻值为R1，R₁＝R₀(1+k(T-R₀))，R₀为温度T₀时第二电阻阻值，k为温度变化系数，将R₁＝R₀(1+k(T-T₀))带入公式(10)，可得：

则根据公式(3)的原则，从公式(11)可知，时，即Δ_min最小，温度漂移量最小，进行温度补偿；

因此通过调节R₀、R_g、K三个参数中任意一个参数、两个参数或三个参数，使其满足，则使得温度漂移量最小，实现温度补偿；

步骤333：第三电阻阻值为R₃：R₃＝R₀(1+k(T-T₀))其中，R₀为温度T₀时电阻，k为温度变化系数，将R₃＝R₀(1+k(T-T₀))带入公式(10)，可得：

则根据公式(3)的原则，从公式(12)可知，需要时，即Δ_min最小，温度漂移量最小，进行温度补偿；因此调节中k即可使得温度漂移量最小，进行温度补偿。

进一步的，所述步骤3中第二种磁传感器非侵入式温度补偿方法是根据温度变化实时改变磁传感芯片后端信号调理电路放大倍数p来减小温度漂移量，进行温度补偿具体是：

步骤341：后端信号调理电路放大倍数：

步骤342：当增益电阻器和第二电阻为NTC电阻，参考公式(4)选择NTC电阻参数，即可完成减小温度漂移量，进行温度补偿；

步骤343：第二电阻阻值为R₂的具体参数选择为：R₂＝R₀(1+k(T-T₀))，由于R₂出现在公式(8)的分母位置，则根据公式(4)的原则，需要b＝a，即可消除温度偏移量，则将R₂＝R₀(1+k(T-T₀))带入公式(10)，

其中，R₀为温度T₀时电阻，k为温度变化系数，从式(13)可知，只需k＝a即可消除温度偏移量影响。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

因为磁传感器信号必须要经过信号放大电路，本发明就在采用标准三运放放大电路基础上，不增加额外的电路结构，只是将标注三运放当大电路中温度补偿运放放大电路中增益电阻器R_g与第三级运算放大器两输入端电阻用NTC电阻替代时，或者将温度补偿运放放大器的第三级运算放大器增益电阻和第三级运算放大器接地电阻用PTC电阻替代。即补偿只需将正常电阻更换为温敏电阻，参数调节只需在原电路上更换为合适的电阻即可，通过调理信号处理的放大倍数，进行温度补偿几乎不增加成本，同时其补偿效果非常明显，补偿后灵敏度温度变化系数仅为原来的7.7％。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是磁阻芯片温度特性中传感曲线随温度变化图。

图2是磁阻芯片温度特性中温漂随温度变化图。

图3是针对公式(3)，磁阻传感器前端供电电压部分第一种补偿电路结构示意图。

图4是针对公式(3)磁阻传感器前端供电电压部分第二种补偿电路结构示意图。

图5是针对公式(4)磁阻传感器前端供电电压部分第二种补偿电路结构示意图。

图6是磁阻传感器后端调理电路温度补偿电路结构示意图。

图7是磁阻传感器第二种补偿电路温度补偿效果图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

1、本发明相关说明：

图6，信号调理电路是标准三运放仪表放大器电路；包括第一级运算放大器A1、第二级运算放大器A₂和第三级运算放大器A₃以及增益电阻器、第一电阻、第二电阻、第三电阻。增益电阻器串联在第一运算放大器A₁和第二运算放大器A₂之间。第一电阻跨接在第一级运算放大器A反相输入端与第一级运算放大器A₁输出端之间，第一电阻跨接在第二级运算放大器A₂反向输入端与第二级运算放大器A₂输出端之间。第一级运算放大器输出端与第三级运算放大器反向输入端之间串接第二电阻；第二级运算放大器输出端与第三级运算放大器正相输入端之间串接第二电阻；第三电阻R跨接在第三运算放大器A₃反向输入端与第三级运算放大器输出端之间；第三级运算放大器正向输入端通过第三电阻接地。第一电阻、第二电阻、第三电阻、增益电阻器阻值分别对应为R₁、R₂、R₃、R_g。

温度补偿运放放大电路指的是标准三运放仪表放大器；电路中增益电阻器R_g与第三级运算放大器两输入端连接的第二电阻是NTC电阻；或者第一电阻R1、温度补偿运放放大器的第三级运算放大器第三电阻R₃和第三级运算放大器接地的第三电阻R₃是PTC电阻。

工作过程：

实验中发现，和修改磁传感芯片内部结构以减小温度漂移相比，采用外部后端电路补偿的方式具有非侵入式、高可靠性、易实现等优点。实验表明，采用本节所提出的外部温度补偿策略可以有效减小温度漂移(温漂缩小43.5倍)且实验和理论具有高度一致性。

一种基于温敏电源的磁阻传感器温度补偿方法包括：

步骤1：磁传感器件单位电源电压下的灵敏度可表示为式1：

S₁(T)＝S_T0(1+a(T-T₀)) (1) 式中，T为温度，T₀为参考温度，S_T0为温度T₀时的灵敏度，a为传感器灵敏度的温度变化系数；

在实际传感应用中，必须为传感器件配备电源及信号调理电路，此时整体磁传感器的灵敏度为式2：

S(T)＝pV_SS_T0(1+a(T-T₀)) (2)

式中，S为整体磁阻传感器灵敏度，p为后端处理电路放大倍数，Vs为磁传感器件供电电压；步骤2：由于在p或Vs中引入了温度变化项，式2延伸出2种形式，进行磁传感器的非侵入式温度补偿方程式为公式(3)和公式(4)：

S(T)＝pV_SS_T0(1+a(T-T₀))(1+b(T-T₀))(3)

式中，b为通过温度调节电路的温度变化系数，(1+b(T-T₀))为从p或Vs剥离出的温度变化项；假设传感器工作温度范围为T₁～T₂，其中T₁＜T₀＜T₂；

其中，对于式(3)，通过优化b，使得S(T)在[T₁，T₂]内变化最小；因此，目标关系式变为：

通常情况下，传感器的温度变化系数|a|＜0.1％/℃，因此1+aT₂＞0；

步骤32：下面分情况讨论：

第一种情况，当即时：

max(f(T))＝f(T₁)，min(f(T))＝f(T₂)，有：

当时，目标值最小为：

第二种情况，当即时：有：

当时，目标值最小为：

第三种情况，当即时，有：

当时，目标值最小为：

第四种情况，当即时：

max(f(T))＝f(T₂)，min(f(T))＝f(T₁)，有：

当时，目标值最小为：

综合上述4种情况，可知

时，温漂最小，且为

通常情况下，传感器的温度变化系数|a|＜0.1％/℃，因此1+aT₂＞0；

根据公式(5)得到温度漂移量最小时的b值，使得S(T)最小；

其中，对于式(4)，只需要令b＝a即可，此时通过零极点消除，就可完全消除温度的影响，使得S(T)最小；

步骤3：磁传感器的非侵入式温度补偿方法是第一种或者第二种，第一种是根据温度变化实时改变磁传感芯片两端供电电压Vs来减小温度漂移量，进行温度补偿；第二种是根据温度变化实时改变磁传感芯片后端信号调理电路放大倍数p来减小温度漂移量，进行温度补偿。

1、前端电源电路包括三种补偿方法：

1)第一种补偿方式：(如图3所示)；

步骤2中当改变磁传感芯片两端供电电压Vs来减小温漂时，具体步骤是：

步骤201：针对公式(3)，给磁阻传感芯片两端供电电压的前端电源电路包括供电电压为V₁的普通电源、温度变化为V₂+k(T-T₀)的正温敏电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及反馈电阻；其中k单位是伏/摄氏度；普通电源通过第一电阻给放大器正相输入端供电，同时正温敏电源通过第二电阻给放大器正相输入端供电，放大器正相输入端通过第三电阻接地；放大器负向输入端通过反馈电阻与放大器输出端连接，放大器输出端作为前端电源电路输出端为磁阻传感芯片供电；前端电源电路输出端电压V：

式中，第一电阻、第二电阻、第三电阻及反馈电阻阻值分别对应为R₁、R₂、R₃、R₄；第一电阻、第二电阻、第三电阻及反馈电阻为普通电阻，V₁为普通电源电压值，V₂为变化率为正k的正温敏电源电压值；

步骤202：因为公式(7)中k(T-T₀)为温敏部分，与温度变化有关，同时公式3中1+b(T-T₀)也是在公式(2)基础上，引入的温度变化项；因此可以通过调节R₁和R₂，令式中：即可使得温度漂移量最小，且为

第二种补偿情况：(如图4所示)

步骤2中当改变磁传感芯片两端供电电压Vs来减小温漂时，具体步骤是：

步骤211：针对公式(3)，给磁阻传感芯片两端供电电压的前端电源电路包括供电电压为V₁的普通电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及反馈电阻，其中反馈电阻为阻值是R₄+k(T-T0)的PTC电阻；普通电源通过第一电阻给放大器正相输入端供电，放大器正相输入端通过第二电阻接地；同时放大器负向输入端通过第三电阻接地，放大器负向输入端通过反馈电阻与放大器输出端连接；其中k单位是伏/摄氏度；放大器输出端作为前端电源电路输出端为磁阻传感芯片供电；前端电源电路输出端电压V：

式中，第一电阻、第二电阻、第三电阻及反馈电阻阻值分别对应为R₁、R₂、R₃、R₄；第一电阻、第二电阻、第三电阻为普通电阻，V₁为普通电源电压值，第四电阻是变化率为正k为正温度系数电阻；

步骤212：因为公式(8)中k(T-T₀)为温敏部分，与温度变化有关，同时公式3中1+b(T-T₀)也是在公式(2)基础上，引入的温度变化项；因此通过调节R₃和R₄，令式中：即可使得温度漂移量最小，且为

第三种补偿方法：(如图5所示)

步骤2中当改变磁传感芯片两端供电电压Vs来减小温漂时，具体步骤是：

步骤211：针对公式(4)，给磁阻传感芯片两端供电电压的前端电源电路包括供电电压为V₁的普通电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻以及反馈电阻；普通电源通过第一电阻给放大器正相输入端供电，放大器正相输入端通过第二电阻接地；同时放大器负向输入端通过第三电阻接地，放大器负向输入端通过反馈电阻与放大器输出端连接；其中k单位是伏/摄氏度；放大器输出端作为前端电源电路输出端为磁阻传感芯片供电；前端电源电路输出端电压V：

式中，第一电阻、第二电阻、第三电阻及反馈电阻阻值分别对应为R₁、R₂、R₃、R₄；第二电阻、第三电阻及反馈电阻为普通电阻，V₁为普通电源电压值，第一电阻是变化率为-k(T-T₀)为负温度系数电阻；

步骤212：因为公式(9)中k(T-T₀)为温敏部分，与温度变化有关，同时公式(4)中1+b(T-T₀)也是在公式(2)基础上，引入的温度变化项；通过调节R₁、R₂令：即可使得温度漂移量最小，且为0。

2、针对后端信号调理的温度补偿方法，如图6所示：

该电路调理倍数为：

当R₁和R₃为PTC电阻，当参考公式(3)选择PTC电阻参数，可完成减小温度漂移量，进行温度补偿；

1)第一电阻阻值为R₁，R₁＝R₀(1+k(T-T₀))，R₀为温度T₀时第二电阻阻值电阻，k为温度变化系数，将R₁＝R₀(1+k(T-T₀))带入公式(10)，可得：

则根据公式(3)的原则，从公式(11)可知，时，即Δ_min最小，温度漂移量最小，进行温度补偿；

因此通过调节R0、R_g、K三个参数中任意一一个参数、两个参数或三个参数，使其满足，则使得温度漂移量最小，实现温度补偿；

2)第三电阻阻值为R₃：R₃＝R₀(1+k(T-T₀))其中，R₀为温度T₀时第二电阻阻值电阻，k为温度变化系数，将R₃＝R₀(1+k(T-T₀))带入公式(10)，可得：

则根据公式(3)的原则，从公式(12)可知，需要时，即Δ_min最小，温度漂移量最小，进行温度补偿；因此调节中k即可使得温度漂移量最小，进行温度补偿。

2)后端信号调理电路放大倍数p来温度漂移量，进行温度补偿的温度补偿方法具体是：步骤341：后端信号调理电路放大倍数：

步骤342：当增益电阻器和第二电阻选择NTC电阻，参考公式(4)选择NTC电阻参数，即可完成减小温度漂移量，进行温度补偿；

步骤332：第二电阻阻值为R₂的具体参数选择为：R₂＝R₀(1+k(T-T₀))，则由于R₂出现在公式(8)的分母位置，根据公式(4)的原则，需要b＝a，即可消除温度偏移量，则将R₂＝R₀(1+k(T-T₀))带入公式(10)，

其中，R₀为温度T₀时第二电阻阻值电阻，k为温度变化系数，从式(13)可知，只需k＝a即可消除温度偏移量影响，因此调节第二电阻的阻值R₂＝R₀(1+a(T-T₀))，即可消除温度漂移量，进行温度补偿。

补偿效果如图7所示，图中一系列四方形数据形成的直线为补偿前磁阻传感器灵敏度隋温度变化数据点；图中一系列三角符号顶角朝上形成的直线为电源端补偿后时，磁阻传感器灵敏度随温度变化数据点，图中一系列三角符号顶角朝下形成的直线为温度补偿运放放大电路补偿后，磁阻传感器灵敏度随温度变化数据点。

图7中可看出，理论曲线和实验数据点基本一致，采用随温度改变磁传感芯片供电电压方法进行温度补偿可以有效减小灵敏度温度漂移(灵敏度温度漂移缩小为补偿前的六分之一)。

图7中，在高温(温度高于40摄氏度)下，灵敏度的补偿后实验曲线和理论曲线有一定的偏离，且偏离程度随温度的升高而增大。此实验说明：1.灵敏度随温度变化非常小，不能忽略位置偏差引起的灵敏度的轻微变化；2.理论计算和实验结果可以非常好的吻合；

3.通过改变磁传感芯片供电电压来补偿灵敏度温度变化具有可行性。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。