南京理工大学本科科研训练开题报告基于非晶材料的磁通门传感器设计

南 京 理 工 大 学
本科生科研训练开题报告

学 生 姓 名： XXX 学 号： XXX
XXX XXX
XXX XXX
专 业： 测控技术与仪器
设计(论文)题目： 基于非晶材料的磁通门传感器设计
指 导 教 师: XXX
2012 年 5 月 2 日
本科生科研训练开题报告
基于非晶材料的磁通门传感器设计
文献综述
一、研究背景
早在 2000 多年前，我们的祖先就利用物质的磁性发明了用于航海和测绘等
方面的指南针。随着社会的进步，磁场测量技术作为研究与磁现象相关的物理过
程的重要手段，逐渐发展成一门综合的技术科学。其广泛应用于地磁观测、地震
预报、空间磁场测量、地质勘探等地球物理领域，而且在探矿、考古、飞行器姿
态控制系统、惯性导航系统等工业、军事、生物及医学领域应用广泛。
与此同时，磁场测量技术与不同领域的学科结合形成一些其他学科，如磁场
测量在化学中的应用形成了磁化学；磁场测量在地质中的应用形成磁法勘探学；
磁场测量在探伤中的应用形成磁探伤学；磁场测量在医学中的应用形成磁法医疗
学。尤其重要的是，磁场测量仪器广泛应用于大型物理实验仪器、高能加速器、
离子束加工装置、热核聚变装置、宇航等重大工程中。
在直流或缓变的弱磁场检测中，磁通门传感器具有宽的线性范围、较高的分
辨力
和较高的灵敏度等特性，因而得到了广泛的应用。近年来，集成电路工艺和
微机电系统（Micro-electro Mechanical Systems）技术的迅猛发展，推动了磁
通门传感器由传统的结构型向固化型的转变。半导体固态传感器由于其性能优
异、体积小、重量轻且成本低廉等优点，在国防及民用领域得到了非常广泛的应
用。为适应地磁测量、空间探测、卫星姿态控制等测控领域的需要，微型磁通门
传感器已经引起了人们极大的关注。
研究和发展操作简单、稳定性好、精度高、成本低廉的磁测仪器有着十分深
远的意义。磁场测量技术涉及的原理广、测量范围也有所不同。与其他磁测仪器
相比，磁通门磁力计灵敏度高，制作成本低，可以测量单分量磁场及空间矢量场，
并且有较大的测量范围；与核磁共振地磁仪相比，磁通门磁力计有较好的稳定性；
与光纤地磁仪相比，磁通门磁力计对被测磁场更敏感，而且对振动和热量带来的
磁场变化不敏感。
二、国内外研究情况
磁通门传感器是德国人在二十世纪三十年代首次发明的。长期以来，磁通门
一直
是一种变压器式的结构(由铁心、线圈和骨架组成)。但近年来，微型磁通门的理
论及
技术有了飞速的发展。1990 年Thomas Seitz研制出第一个微型磁通门传感器，
它的铁
心是溅射到硅片上的软磁材料。利用光刻成型，尺寸大约为 2×4mm2。它的测量
线圈
是用单层金属铝线做成的螺线管，激励线圈是用先进的厚膜技术制作在陶瓷基片
上
的。随后日本的S.Kawahito等人研制出了微型螺线管磁通门。自此以后，微型
磁通门成了磁传感器研究的焦点，出现了各式各样的微型磁通门，有的做在硅片
上，有的则印刷在电路板上。在几十年的发展过程中，磁通门衍生出多个应用分
支如磁通门罗盘计、三轴磁通门、数字磁通门、快速傅里叶变换式磁通门及电流
输出型磁通门等。
目前，国内外的磁通门产品大部分为偶次谐波型。国外的磁通门技术起步较
早，其产品也有着很高的研制水平。比如英国 Bartington 公司生产的
Mag-03RC，分辨力为 1nT；加拿大生产的 FM-100B, 分辨力为 0.4nT；日产
MB-162, 分辨力达到 0.1nT。我国在磁通门技术上与国外的发展水平存在着很大
的差距，但进步很大，已有多家研究机构研制出一些可以使用的磁通门产品。如
中国科学院地球物理研究所研制的CTM-302 三分量磁通门磁力计、中国科学院空
间与应用研究中心的 SDM 型自动补偿数字显示磁力计、中国地震局地球物理研
究所研制的 DCM-1 型数字地磁脉动观测系统、上海金磁科技有限公司的 μMag
系列手持式磁通门磁力计、北京航勘仪器厂的FVM-400、北京地质仪器厂的
CGM-02D 等。
磁通门作为弱磁测量的重要手段，其发展方向主要集中在以下几个方面：
1. 提高传感器的分辨力和灵敏度；
2. 提高测量精度及测量范围；
3. 提高分辨力、带宽与精度的综合水平；
4. 实现磁通门检测原理创新；
5. 研制微型化、元件化的磁通门器具；
6. 开发数字化、智能化的磁通门装置。
三、课题研究的目的及意义
传统磁通门传感器灵敏度受磁通门探头噪声制约，对磁芯的要求较为苛刻。
受现代制作工艺及材料发展水平的限制，传统磁通门的发展缓慢。要提高磁通门
的分辨力、精度和带宽等性能指标，除了改进制作工艺，提高制作技术水平、改
进探头结构外，还必须从磁通门原理入手研究新的检测机制。
本课题的目的在于探究迟滞时间差检测原理，完成新型磁通门的制作及磁
测装置的设计，最终实现直流或缓变弱磁场的测量。受现代工艺水平的制约，现
有磁通门可以承受约 1000 倍的噪声，然而继续提高抗噪声能力较为困难。应用
迟滞时间差原理设计的磁测装置可以使输出信号不受探头参数的影响和奇次谐
波噪声的干扰，且调理电路简单，易于装置的微型化和集成化。
目前，国内外正在大力研制基于微机电系统（MEMS）技术的磁传感器。其中，
研究较多的是谐振式磁敏传感器，其主要优点是不需要磁敏感材料而是依据洛伦
兹力原理，但其理论分辨力只达到 100nT。清华大学精密仪器实验室采用MEMS技
术对传统磁通门进行微型化处理后，使磁通门的体积降到 100mm3的量级。但其仍
然采用传统的检测方法及类似传统的探头结构，实际上限制了传感器的进一步微
型化。此次课题所研究的迟滞时间差检测法更易于微型化设计，可以方便地将磁
通门及其调理电路集成为一个功能器件。并且有望突破加工技术壁垒，实现三维
微型磁通门的加工及设计。
四、小结
总之，项目的成果可广泛应用于日后各项建设中。此次通过迟滞时间差检测
机理，系统地建立了迟滞时间差型磁通门的数学模型，并依此机理完成新型磁通
门实体的制作，最终实现高灵敏度、高分辨力的磁测装置的设计。根据电磁场理
论建立迟滞时间差型磁通门传感器模型，并推导迟滞时间差同励磁场及待测磁场
的关系以及灵敏度同励磁幅度和频率的关系。以迟滞时间差为检测对象，采用高
导磁率、高矩形比的钴基非晶合金为磁敏感材料，运用PCB工艺，制作完成一种
单磁芯探头结构的新型磁通门传感器。以迟滞时间差型磁通门实体为磁探头，项
目完成便携式弱磁测量装置的设计，并实现-4×104nT～+4×104nT弱磁场的标定，
其分辨力达到 60nT。同传统磁通门相比，传感器的探头结构得到很大的简化，
体积有效地减小，易于微型化；检测电路简单，磁测装置的体积也大为减小，易
于便携式测量；数据处理简单，测量周期短；在传感器的体积和功耗同时降低的
情况下，可以使灵敏度和分辨力等性能指标达到理想。
本科生科研训练开题报告
本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段
课题主要研究迟滞时间差原理及利用该原理实现弱磁场测量系统样机的研
制。通过 ANSYS仿真及实验证明原理的可行性，通过实验分析各参数（励磁、结
构、磁芯及线圈等参数）对测量结果的影响。利用多层 PCB 工艺完成磁通门实
体的制作，设计励磁信号发生器及检测与调理电路，实现磁测装置系统的组建。
最终利用迟滞时间差型磁通门实现对直流及低频弱磁场的测量。根据现有的磁性
材料、实验条件及课题组目前的工作成果，预期实现指标如下表。
传感器性能
测量范围 -4×104 nT～+4×104 nT
分辨力 10nT
灵敏度 1μs/nT
传感器功耗 ≤5mW
传感器带宽 600Hz

本科生科研训练开题报告
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：
2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
指导教师：
年 月 日

所在专业审查意见：
负责人：
年 月 日