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基于巨磁阻抗效应的新型高灵敏度磁敏传感器[1]

工艺?技术?应用

基于巨磁阻抗效应的新型高灵敏度磁敏传感器

陈世元1, 2,张亮2 ,李德仁2,卢志超2 ,滕功清1

(1. 北京信息科技大学基础部,北京 100085;

2. 安泰科技股份有限公司研发中心,北京 100089)

摘要:结合材料学与微电子学,利用信号的调制与解调技术,设计制作出一种基于非晶材料巨磁阻抗效应的新型高灵敏度磁敏传感器。该传感器尺寸小,为28mm×15mm×4mm;灵敏度高,达到6.5mV/ μT;非线性度小于0.78% F.S。文中介绍了非晶丝的特性、传感器的电路设计和实验数据分析。

关键词:磁传感器;非晶丝;巨磁阻抗;灵敏度

中图分类号:TP212.13 文献标识码:B 文章编号:1001-3830(2007)03-0046-04

A New Kind of High Sensitivity Magnetic Sensor Based

on the Effect of Giant Magneto-Impedance

CHEN Shi-yuan1,2 , ZHANG Liang2, LI De-ren2, LU Zhi-chao2, TENG Gong-qing1

1. Department of Basis Science, Beijing Information Technology University, Beijing 100085, China;

2. R&D Center, Advanced Technology & Materials Co, Ltd, Beijing 100089, China

Abstract:Combining the material science and microelectronics, using the technology of signal modulation and demodulation, a new kind of high sensitivity magnetic sensor based on the effect of giant magneto-impedance was designed. The sensor features a small size of 28mm×15mm×4mm, high sensitivityof 6.5mV/μT, and non-linearity of less than 0.78% F.S. At last, the characteristic of amorphous wire, circuit design of sensor and data analysis of experiment were presented.

Key words: magnetic sensor; amorphous wire; giant magneto-impedance; sensitivity

1 引言

随着信息技术和计算机控制技术的发展,现代先进智能测量技术及控制系统、电子通信设备、工业测试设备以及军事应用领域中,都需要新型的高性能磁传感器,同时对磁敏传感器的尺寸、灵敏度、热稳定性以及功耗等提出了越来越高的要求。自从1992年Mohri等人[1]在Co基非晶丝中发现巨磁阻抗效应(giant magneto-impedance effect,GMI)以来,很快又在Fe基纳米晶带材以及其它多种材料中发现了巨磁阻抗效应,为研制高灵敏度磁传感器开辟了新的途径。不过目前GMI效应的研究多停留在材料研究方面, 结合材料学与微电子学制成

收稿日期:2006-09-11 修回日期:2006-11-21

基金项目:国家“十五”863计划纳米材料与微机电系统专项课题(2002AA30260)。

作者通信:Tel: 010-******** E-mail: afei2000@https://www.doczj.com/doc/0c1958867.html, 传感器的研究报道较少。本文着眼于GMI效应的应用方面,利用非晶丝GMI效应和电磁感应原理,设计制作出一种新型磁敏传感器,灵敏度达到6.5mV/μT,功耗为0.25W,非线性度为0.78% F.S,在弱磁场测量领域有着广泛的应用前景。

2 非晶材料特性

巨磁阻抗效应是指非晶材料通以高频电流时,材料两端的阻抗随外磁场变化而发生非常灵敏的变化的现象。图1是GMI基本测量电路。I ac是交流驱动电流,R是检测驱动电流的标准电阻,e w是样品两端的感应电压。H ex是外加磁场[2~4]。

图1 GMI基本测量电路

R

非晶丝样品

e w

H ex

本设计利用CoFeNbSiB 合金非晶丝作为敏感元件。用图1所示的测量方法测量此种材料的GMI 特性,得到的结果如图2所示,其中Z 0为非晶丝在零磁场下的阻抗, Z x 为某一磁场下阻抗,ΔZ =Z x -Z 0。从图中可以看出,当磁场在

0~0.2mT 变化时,阻抗变化率随磁场增高而迅速增大,阻抗变化率最大为15%,本设计就是利用此段特性;当磁场高于0.3mT 时,阻抗变化率随磁场增大而缓慢减小。

3 传感器电路设计

3.1 设计思路

从实用制作角度出发,直接在非晶丝两端获取电压信号不易实现,利用外围绕线的方式可以方便的将磁场信号转化为电压信号,易制作,易小型化。根据GMI 效应的产生条件,选择脉冲激励不连续供电可以降低功耗,设计一脉冲信号产生电路,输出到非晶丝两端,实现高频激励。在高频激励下,非晶丝阻抗随外界磁场变化而发生非常灵敏的变化,即实现由阻抗的大小反应外界磁场的强弱;非晶丝外面绕有线圈,构成敏感元件,非晶丝本身具有阻抗,在脉冲激励的作用下便产生相应频率的高频电流,根据电磁感应原理,外部线圈产生相应频率的感生电动势,大小与非晶丝阻抗变化率成正比,由于GMI 效应,非晶丝阻抗发生明显的变化,线圈两端的感生电动势便随之改变,在阻抗变化率达到最大值之前,感生电动势与磁场成正比,相当于高频电压信号的幅度被外部磁场所调制,形成调幅波。接下来利用包络检波的方法检出调幅信号的包络线,以实现解调。解调后输出电压的强弱反映了磁场强度大小,实现了对磁场的测量。

3.2 具体电路设计

图3为传感器的电路图,其电路具体分为以下

图3 传感器总电路

几部分:

(1)激励产生电路

本设计对脉冲信号的频率稳定性要求较高,故选用石英晶体作为振荡源。与普通的RC 移相振荡器相比,晶体振荡器的频率稳定性很高。

CMOS 非门与负反馈偏置电阻R 1构成反相放大电路,石英晶体与C 1、C 2构成Π正反馈支路,在其固有谐振频率的附近,石英晶体自身呈感性,此电感与电容C 1、C 2构成谐振回路,形成移相反馈网络反馈到放大电路的输入端形成振荡,便产生脉冲电压信号。

(2)敏感元件

如图4所示,将CoFeNbSiB 非晶合金丝1用胶水固定在绝缘陶瓷管2内,绝缘陶瓷管上绕有两层互不相连的铜导电线圈(初级线圈3、次级线圈

4)。其中非晶丝直径为0.6mm ,长度为7mm ;绝缘陶瓷管内径为1mm ,长度为5mm ;铜导电线圈直径为0.1mm ,初级线圈25匝,次级20匝。非晶丝两端加上脉冲激励,由于非晶丝的GMI 效应,当外磁场在0~0.2mT 变化时,其阻抗随外磁场而发生非常灵敏的变化,同时因电磁感应的作用,初级线圈会产生相应的感生电动势。

为了便于实际应用,在次级线圈加电流以产生

0.1mT 的偏置磁场,通过该磁场来抵消部分外磁场,以调整零点磁场位置,实现传感器在正负磁场下的线性输出。

(3)整流电路

μ0H /mT

图2 CoFeNbSiB 合金非晶丝的GMI 特性

(ΔZ /Z )/%

H x

图4 敏感元件的制作示意图

激励

电路敏感元件

整流 电路

滤波 电路

放大 电路

调幅信号的检波通常有两种方法,包括包络检波(非相干解调)和同步检波(相干解调)。本设计对电路板尺寸有严格要求,因此选用包络检波。选用正向起始电压较低、耐高频的肖特基二极管[5],组成全桥平均值检波电路。

(4)滤波电路

检波后信号含有较强高次谐波和噪声,需要对其滤波。由于电路板尺寸受到严格限制,本设计采用一阶低通滤波电路,将高频信号衰减,且削弱高次谐波和噪声的干扰,完成对磁场信号的解调。同时通过调节RC的大小来减小惰性失真和控制滤波电路的截止频率[6]。

(5)放大电路

信号经过低通滤波器后,增益很小,带负载的能力也很差,加负载后截止频率和增益都将改变,因此需将RC无源网络与集成运放相连组成一阶有源低通滤波器。由于集成运放的输入电阻很大,对RC网络影响很小,使原电路的输出电阻减小,大大增强了电路的带负载能力,同时通过R4、R5引入一个深度的负反馈,实现信号的放大[6]。

3.3 电路板制作

利用电路制图工具绘制成PCB印制电路板,选用SMD贴片元件焊接并调试,测量其功耗为0.25W。图5为传感器外观,尺寸大小为:28mm ×15mm×4mm。

图5 传感器外观

4 实验结果

4.1 传感器在匀变磁场下的输出特性

把传感器放入Helmholtz线圈内,线圈加直流电流,通过改变输入电流的大小来改变磁场强弱, 室温下利用KEITHLEY 2001数字万用表测量传感器输出电压,得出传感器输出与被测磁场的关系曲线,如图6所示,可计算出此传感器灵敏度为6.5mV /μT,非线性度小于0.78% F.S。

4.2 传感器频率特性

为了给出传感器在交变磁场下的输出变化曲线,将高频信号发生器产生的高频信号经过功率放大器放大后加到Helmholtz线圈两端,以产生交变磁场,利用Lake Shore的Model 480磁通计测量磁通,进而计算出磁通密度。通过改变信号频率和放大器的增益来改变磁场频率和磁通密度,使得磁通密度保持在 0.1mT。在此环境下测量,在交变磁场的作用下传感器输出特性曲线如图7所示,可以看出传感器在400Hz以下的交变磁场可以正常工作,频率在400Hz以上时,传感器输出峰-峰值有所衰减,这一现象与低通滤波器截止频率的选择有关,为实现稳定输出,本设计选择了很低的截止频率。

图7 传感器输出随磁场频率的变化

4.3 传感器的温度稳定性

利用高低温交变湿热恒温恒湿箱为实验环境,测量传感器的温度特性。结果发现传感器的输出电压随着环境温度的升高而增大,增大幅度小于1mV/℃,此种变化源于非晶丝和电子元件的温度特性,传感器输出随温度的变化如图8所示。

μ0H/mT

图6 传感器输出与被测磁场的对应曲线输

/

V

f/Hz

o

u

t

p

u

t

c

h

a

n

g

e

/

d

B

1000

5 结束语

利用非晶丝GMI 效应设计制作一种新型磁敏传感器,用于低频弱磁场的检测,并对传感器的输出特性、频率特性和温度稳定性作了初步的研究。为实现对磁场的精确测量,需要进一步提高传感器的稳定性、可靠性、重复性,这一部分的研究正在进行中。

本设计可改装成数字开关式传感器,用做磁性

开关和转速的测量。展望未来,利用集成电路技术,将所有电路集成到一块芯片上大规模生产后,价格

将和普通功率晶体管相近,会具有较强的竞争力,因此有着良好的应用前景。

参考文献:

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华大学出版社, 2005.

作者简介:陈世元(1982-),男,辽宁铁岭人,硕士研

究生,研究方向为新型磁敏传感器开发。

(上接42页)

表3数据说明,以矿物或废渣为原料,利用直接法完全可以制备出主要磁性能指标达到日本

TDK 公司PC30、超过国内某公司同类产品的锰锌软磁铁氧体材料。而且以不同槽次共沉淀粉的混合料所得铁氧体产品的磁性能优于单槽产品的磁性能,其原因可能是不同槽次的共沉淀粉中主金属的含量相互调配,使产品中铁、锰和锌的实际配方更接近理论配方,从而提高产品的磁性能。

6 结论

(1)在500t/a 的工业规模下,用直接法制备了质量达到日本TDK 公司PC30的锰锌软磁铁氧体产品,且主要磁性能测试结果超过国内某公司同类产品的技术指标。

(2)直接法制备锰锌软磁铁氧体材料,具有原料廉价、来源广泛等优势,因此该方法具有很大的实际应用价值。

(3)多槽共沉粉混合使用,有利于互调配比,提高锰锌软磁铁氧体产品的磁性能。

参考文献:

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基础理论及工艺研究[D]. 湖南长沙: 中南大学, 2004.

作者简介:彭长宏,男,博士,中南大学教授,研究方

向为冶金环保和直接法制备软磁功能材料。

T /℃

o u t p u t v o l t a g e /V

图8 传感器输出随温度的变化

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