[发明专利]改型惠斯通半桥电路及传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感电路，具体涉及一种惠斯通半桥电路的改进，以及采用该电路的传感器，用于微弱信号场精密检测。

背景技术

传感器技术广泛应用于交通、航天航空、金融、工业、生物医学、及智能手机、平板电脑、数码相机、互动游戏等各个领域。

随着传感器应用领域的迅速发展，迫切需要提高传感器检测微弱信号场的能力、检测的稳定性和降低成本, 而抑制噪声等外界干扰是提高上述性能指标的关键因素。

惠斯通电桥是一种常见的传感器电路，检测信号对电阻施加影响，例如根据检测对象采用磁敏电阻、压敏电阻、热敏电阻等，改变电桥中的电阻阻值，以此检测信号。通常使用抑制噪声的方法为采用传统的惠斯通半桥或全桥电路,然而传统的惠斯通电桥电路要求电桥各个电阻的阻值完全一致。 但在现实中, 一旦由于批量生产工艺重复性问题以及在有偏置场时造成电阻阻值不完全相同时，其抑制噪声能力将大打折扣。就目前工业界大规模生产水平，就算要百分百实现电阻阻值的不对称性小于+/-1%都具有一定挑战性。 因此，往往还必须借助于各种信号滤波电路去滤除具有特定频率的噪声。

图1示意了一种使用传统的惠斯通半桥电路的传感器示意图。如图1所示，在基板1上，由两个电阻与导线组成了惠斯通半桥电路，其中，一个电阻5的阻值为R1，另一个电阻4的阻值为R2。两个电阻间经第一导线6构成电连接，电阻5的另一端设有第二导线2，电阻4的另一端设有第三导线3。

两个电阻的阻值分别为，

R1=R0-Rw+R1s+R1n                                (1)

R2=R0+Rw+R2s+R2n                                (2)

其中零场电阻R0为零场时的电阻R1和R2的平均电阻值；不对称性电阻Rw为零场时电阻R1与R2阻值之差的二分之一；电阻不对称性定义为Rw/R0，通常远小于1；信号电阻R1s与R2s分别为电阻R1与R2因信号场所导致的电阻值的变化；噪声电阻R1n与R2n分别为R1与R2因噪声所导致的电阻值的变化。 

在检测局部信号场时，来自外界的噪声场梯度远小于被检测的信号场梯度。当电阻R1与R2间距远小于噪声场变化距离时，可以近似表达噪声电阻为 R1n=R2n=Rn。

在对半桥电路施加偏置电压Vin时,输出电压Vout为

Vout=Vin×R2/(R1+R2)

= 0.5Vin×[1+(Rw-(R1s- R2s)/2)/[R0+(R1s+R2s)/2+Rn]] (3)

在无信号输入时, 噪声所导致的输出电压变化Vn为

Vn=0.5Vin×[1+(Rw/R0)/(1+(Rn/R0)]                 (4)

当有偏置场时, 噪声导致的输出电压变化Vn为

Vn=0.5Vin×[1+(Rwb/Rb)/(1+(Rn/Rb)]                (5)

其中, 偏置电阻Rb=R0+dRb，dRb为偏置场所导致的电阻值的变化；Rwb=Rw+dRwb，dRwb为在偏置场下R1与R2的电阻值差值的二分之一。在恒定偏置场下，Rwb/Rb=Rw/R0；在梯度偏置场下，通常Rwb/Rb>Rw/R0。

显然,两个半桥电阻阻值的不对称性Rw导致了输出信号中的噪声响应，降低该不对称性(Rw/R0)有助于抑制噪声。然而，减小电阻不一致性受到生产工艺和装配能力的限制。

施加偏置磁场可激励磁信号而大幅提高信号强度，有利于提高信噪比。但是，非恒定的梯度偏置磁场会大幅增加电阻不对称性(Rw/R0)。 此外，尽管可以采用大偏置场有利于通过(Rw/Rb)降低不对称性， 偏置场大小受到不能过量偏置而导致磁阻饱和的限制。

因此，单靠传统半桥的一阶项[(Rw/R0)/(1+(Rn/Rb)]来衰减噪声的效果有限。 

图2示意了噪声对一个使用传统的惠斯通半桥电路的磁传感器输出信号的影响。其设置为，磁阻为磁阻率200%的隧道磁阻，两个隧道磁阻的磁场敏感方向相同，其零场电阻的不对称性为+/-1%，无外加偏置场，一个恒定的点信号磁场源由传感器上方近距离先经过R1再经过R2，信号磁场所产生的最大电阻变化为零场电阻的0.002%，并在半桥电路上方用一个通过三角函数电流导线所产生的磁场来模拟环境噪声干扰。