pT级MI传感器的噪声研究

我们研究了在CMOS脉冲传感器电路中非晶丝磁阻元件的噪声，发现低噪声磁阻传感器的平均电流偏置效应。为了提高信噪比，我们比较了单核磁头和多核磁头。我们发现在20~500Hz范围内四核磁头磁阻传感器的本底噪声低于1pT每根号Hz。这个实验结果对于设计基于非晶丝和CMOS脉冲电路相结合的高信噪比磁阻传感器是非常有用的。pT级分辨率的微磁阻传感器最近研制成功【1-5参考文献】。高灵敏度线性微磁场传感器利用耦合线圈中张力退火的非晶丝的脉冲磁阻效应，结合CMOS集成多谐振荡器电路。此外，据报道细的非晶丝在高频激励下阻抗表现出很大的变化。下一代大规模生产的MI传感器的目标是pT分辨率的磁场传感器，这有利于检测生物磁场信号。在以前的文章中，我们试图利用pT级的MI传感器来测量生物磁场信号在没有磁屏蔽的条件下。我们证实利用MI传感器测量的小细胞组织中的正磁场与组织中的电压电势有密切的联系。在现在的研究中，非晶丝MI敏感元件在高频激励下的噪声是因为脉冲电流。我们阐明了在CMOS脉冲电路中低噪声MI传感器操作中的平均电流偏置效应。MI传感器信噪比随着耦合线圈中核的增加而提高。结果表明非晶丝中的磁通噪声可以通过采用多核磁头MI传感器系统降低。时间导数R-C电路产生一个持续时间短的方波脉冲电压从方波电压脉冲，与R-C电路邻近的CMOS反相器将电压脉冲转换为正尖锐电流脉冲。因此，一串宽度为τ间隔时间为T的脉冲电流被应用到作为载体的非晶丝上。由于脉冲电流的上升时间段，趋肤效应发生在非晶丝上。强力退火使磁化发生在圆周方向的表面层。对于这种类型的磁场结构，假如没有外加磁场拾波线圈的感应电压是0，并且它随着外磁场线性增加。信号调理电路用来检测感应电压的地一个峰值，得出的结果是电路的𝐸𝑜𝑢𝑡和𝐻𝑒𝑥成比例。图3是MI传感器EOUT和Hex特性曲线。在几乎没有磁滞特性的情况下，可以获得非常高的磁场探测灵敏度大约6.8*10`4V/T和很好的线性度。通常，在低噪声MI传感器作业中消除产生于磁畴壁运动的巴克豪森噪声是非常重要的。利用平均电流偏压法来消除spikenoise（尖峰噪声）。50mA的峰值脉冲电流提供给非晶丝在CMOS反相器中。平均（或时间平均）偏置电流𝐼𝑎𝑣=50（τ/T）,Iav可以在非晶丝表面产生一个圆周平均磁场Hav𝐻𝑎𝑣=𝐼𝑎𝑣/2𝜋𝑎，a是非晶丝的半径。在之前的文章中，张力退火的非晶丝的圆周矫顽力是20A/m（0.25Oe）。为了产生平均圆周磁场大于21A/m占空比高于0.04是必须的。图5输出噪声在不同的平均电流流过非晶丝的情况下的时间序列。传感器被放置在屏蔽筒中。我们利用一个截止频率为500Hz的低通滤波器来滤除脉冲发生器的振动噪声。在平均电流是1.2mA时，一个大的尖峰噪声频繁地出现。当平均电流大于3.2mA时，尖峰噪声得到有效的抑制。这个效应可能是因为抑制了非晶丝中磁畴壁的运动。研制的多核MI传感器探头如图6。耦合线圈由四条非晶丝绕制。在没有线圈的情况下，探头的长宽分别为10mm、0.8mm。利用仪表放大器(A=10000)对Eout进行放大,笔记本电脑对采样数据进行分析。AD转换系统的采样率和分辨率是1ms、14位。在频率范20Hz~500Hz四核MI传感器的本底噪声小于1pT/根号Hz。在相对高的频率范围，如图中的虚线所示，本底噪声大约是700fT/根号Hz。DICUSSION[文献11]指出MI敏感元件的固有磁场噪声谱密度在单磁畴结构的简化模型可以表示为：β=√2𝛼𝑘𝐵𝑇𝛾𝑀0𝜋𝑎2𝑙𝛼是磁性阻尼常数，𝑘𝐵是玻尔兹曼常数。𝛾是旋磁比，𝑀0是饱和磁化强度，a和l是非晶丝的直径和长度。我们利用典型的Co基非晶丝来估计β的值。在1Hz带宽，1cm长度非晶丝测量噪声，得出β的值大约是10fT在室温下。（L.G.C.Melo,D.Menard,A.Yelon,L.Ding,S.Saez,andC.Dolabdjian,“Optimizationofthemagneticnoiseandsensitivityofgiantmagnetoimpedancesensors,,J.Appl.Phys.vol.103,pp.033903-1-03303-6,2008.）非晶丝的缺陷可能是磁畴壁的pinningsites，因此传感器的噪声等级会大于10Ft.为了减小磁通噪声，我们提出了基于低噪声MI传感器的多核MI探头。考虑到磁通噪声是类似于每个线圈中非晶丝畴壁运动的一种随机现象，耦合线圈中总得感应噪声电压与√𝑛𝑤成比例，𝑛𝑤是非晶丝的总数量。另一方面基于外磁场𝐻𝑒𝑥的感应电压与𝑛𝑤成比例。因此，MI传感器的信噪比与√𝑛𝑤成比例。实验中的电子噪声𝑒𝑐评估是2.2μVrms。根据噪声模型，传感器的输出电压噪声𝑒𝑠𝑛如下：𝑒𝑠𝑛=(𝑒𝑐2+𝑆2𝐵𝑚𝑛2)12⁄S是磁场灵敏度，𝐵𝑚𝑛是传感器探头的输出磁噪声。当电子噪声充分小于S𝐵𝑚𝑛时，𝐵𝑛和𝐵𝑚𝑛相等。我们研究在CMOS脉冲传感器电路中非晶丝MI敏感元件的噪声。相比单核探头的MI传感器的最低噪声电平，得出多核MI传感器的信噪比比单核探头的好。我们最新的研究结果显示，在频率范围从20Hz到500Hz四核探头MI传感器的本底噪声小于1pT每根号Hz