基于非晶合金非對稱巨磁阻抗效應(yīng)的磁傳感器設(shè)計*

蔣顏瑋,房建成,王三勝,黃學(xué)功

1.北京航空航天大學(xué)新型慣性儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,功能材料與器件研究室,北京 100191;2.防化研究院,北京 102205;3.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,南京 210094

近來,軟磁非晶合金在磁傳感器領(lǐng)域的潛在應(yīng)用引起了人們的廣泛興趣[1]。特別是在地磁導(dǎo)航應(yīng)用中,需要一種高靈敏度和快速響應(yīng)的磁傳感器[2-3]。在各種磁傳感器中最常見的磁通門傳感器具有較高的靈敏度和較低的噪聲,然而體積大、功耗高和響應(yīng)速度慢的缺點限制了其在地磁導(dǎo)航中的應(yīng)用。其它類型的磁傳感器,例如霍爾傳感器、巨磁阻(GMR)傳感器等,存在著熱穩(wěn)定性不高、靈敏度低的不足,而且通常需要較強的偏置場[4]。因此,研制可用于地磁導(dǎo)航的高性能的新型磁傳感器有著十分重要的意義。

1994年,一種被稱為巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)的磁現(xiàn)象在 Co基非晶合金絲材中被人們發(fā)現(xiàn)[5],即非晶絲在交變電流激發(fā)下,其阻抗值隨沿絲軸方向施加的外磁場的變化而發(fā)生顯著變化。由于 GMI效應(yīng)在室溫下磁阻抗效應(yīng)顯著和低外磁場下的高靈敏度,使其在磁傳感和測量領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛能。自此以后,針對 Co基非晶和納米晶等軟磁材料的 GMI效應(yīng),在傳感器應(yīng)用方面已經(jīng)開展了許多研究工作[6-10]。

GMI效應(yīng)盡管有很好的應(yīng)用前景,但仍存在一定的問題[11]。由于 GMI的基本特性是非線性的,而且其形狀將會使在零場附近的工作出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。由于阻抗變化與外場在零場呈對稱性,故在零場附近不敏感,靈敏度較低。

非對稱巨磁阻抗(Asymmetric giantmagneto-impedance,簡稱 AGMI)效應(yīng)[12-13]由于能改善 GMI傳感器在零場附近的特性,提高線性度和獲得高靈敏度,而引起了廣泛的關(guān)注。非對稱巨磁阻抗效應(yīng)已經(jīng)成為目前研究的熱點,利用 GMI效應(yīng)的非對稱特性可以實現(xiàn) GMI傳感器在零場附近具有高的線性度和靈敏度,滿足微弱磁場檢測的需求。為此,本文以非晶合金為敏感材料,設(shè)計了一種基于非對稱巨磁阻抗效應(yīng)的磁傳感器,并對傳感器基本性能進(jìn)行了測試。

1 敏感材料的選擇及性能

我們選用 CoFeNiSiB非晶合金薄帶作為敏感材料(Hitachi Metals Ltd.提供),實驗樣品長 2 cm,寬1mm,厚約 25μm。首先測量了 CoFeNiSiB非晶合金薄帶的 X射線衍射曲線(X-Ray Diffraction,簡稱XRD),測試結(jié)果如圖 1所示。

圖1 CoFeNiSiB非晶合金薄帶的XRD曲線

從圖 1的 XRD曲線可以看出,該材料表現(xiàn)出典型的非晶態(tài)特征,沒有晶化峰出現(xiàn)。非晶合金的軟磁性能是作為 GMI磁傳感器敏感材料的關(guān)鍵因素之一。如圖 2所示,通過測量實驗樣品的 M-H磁滯回線,我們得到了樣品的飽和磁化強度 Ms和矯頑力 Hc,分別為 64.7 emu/g和 0.18 Oe。從圖 2和測量數(shù)據(jù)可知,CoFeNiSiB非晶合金薄帶表現(xiàn)出較好的軟磁性能,適用于 AGMI敏感元件的制作。

圖2 CoFeNiSiB非晶合金薄帶的M-H磁滯回線

為了得到顯著的 AGMI效應(yīng),我們對其進(jìn)行磁場退火。將實驗樣品放置于磁場退火爐內(nèi),升溫至360℃后開始恒溫 6 h,同時沿薄帶縱向方向施加2Oe磁場,直至降溫至室溫。阻抗及其變化率的測量采用 HP4294A阻抗分析儀進(jìn)行,交流幅值大小為10mA。阻抗變化率由下式計算得到,

式中,Z(Hex)是在外加磁場 Hex時對應(yīng)的阻抗;Z(Hmax)是在最大外磁場 Hmax時對應(yīng)的阻抗。在這里,Hmax=40 Oe。

相應(yīng)的磁場靈敏度表示為：

式中,ΔH為最大阻抗變化率下降一半時對應(yīng)的磁場寬度。處理后得到的樣品,經(jīng) HP4294A阻抗分析儀測試后得到的 AGMI效應(yīng)曲線如圖 3所示。

圖3 磁場退火CoFeNiSiB非晶合金薄帶的 AGMI效應(yīng)

圖3給出了磁場退火 CoFeNiSiB非晶合金薄帶在 0.1 MHz和 0.5 MHz頻率下的 AGMI效應(yīng)阻抗變化率的情況。在這兩個頻率下的線性磁場靈敏度分別達(dá)到 106%/Oe和 276%/Oe。從圖中也可以看出,0.5MHz下的曲線斜率最大。因此,選取 0.5MHz作為敏感元件的激勵頻率,即傳感器的工作頻率。值得注意的是,在空氣中進(jìn)行弱磁場退火后,該樣品AGMI效應(yīng)的磁場靈敏度高于未處理樣品 GMI效應(yīng)的最大磁場靈敏度,并且頻率相對較低。這表明,空氣中磁場退火對 GMI效應(yīng)及相關(guān)特性的影響較大。研究表明,在真空中進(jìn)行磁場退火后的 Co基非晶合金薄帶沒有表現(xiàn)出 AGMI效應(yīng)[14],而在空氣中進(jìn)行磁場退火的樣品卻獲得了 AGMI效應(yīng)。因此,這種在空氣中弱磁場退火的樣品中觀察到的 AGMI效應(yīng),或者稱為 GMI閥,可以歸因于樣品表面形成的結(jié)晶層[15]。由于在非晶合金薄帶內(nèi)部非晶軟磁層和樣品表面晶化硬磁層之間的相互作用,這種類型的熱處理會使得非晶合金薄帶的磁滯回線產(chǎn)生不對稱性。當(dāng)非晶合金薄帶在空氣中弱磁場退火后,非晶合金薄帶表層形成的結(jié)晶層內(nèi)產(chǎn)生了硬磁相,導(dǎo)致有效表面單向各向異性的形成。正是由于表面單向各向異性對非晶帶橫向疇壁位移的影響使得非晶合金薄帶產(chǎn)生了如圖 3所示的 AGMI效應(yīng)。

由于非晶合金薄帶表面單向各向異性的大小取決于退火磁場的大小,因此 AGMI效應(yīng)及其磁場靈敏度取決于在空氣中退火磁場的大小和相對外磁場的方向。實驗表明,退火磁場的方向同外磁場相同時,對應(yīng)的 AGMI效應(yīng)曲線峰值增大,而相反一側(cè)的峰值減小,甚至消失(頻率低于 1 MHz時)。

2 AGMI磁傳感器設(shè)計

以 CoFeNiSiB非晶合金薄帶為敏感元件,配以相關(guān)的激勵和檢測電路,實現(xiàn)對外界磁場的檢測。具體傳感器結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖4 非晶合金 AGMI磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

該傳感器主要由傳感器探頭和傳感器電路兩部分組成。傳感器探頭由非晶合金薄帶和纏繞在外部的線圈組成,非晶合金薄帶安裝在聚四氟乙烯圓筒形骨架內(nèi),線圈采用直徑 0.1 mm的漆包線在骨架外部繞成。傳感器電路由激勵電路和檢測電路組成,激勵電路由正弦波振蕩電路和電壓電流轉(zhuǎn)換器(U/I)組成,用來提供給非晶合金薄帶的激勵電流。檢測電路由前置放大器、相敏檢波器、低通濾波器和差分放大器組成,將敏感元件兩端感應(yīng)的交流電壓信號最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鬏敵觥?/p>

工作原理如下：首先振蕩電路產(chǎn)生正弦波激勵信號,激勵頻率為 0.5 MHz。該信號經(jīng) U/I轉(zhuǎn)換器后產(chǎn)生同頻率的交流電流進(jìn)入非晶合金薄帶敏感元件,由于 AGMI效應(yīng)引起非晶合金薄帶的阻抗發(fā)生變化,在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)交流電壓信號,信號的幅值隨著外磁場的變化而變化。該信號通常很小經(jīng)前置放大后,進(jìn)入乘法器型相敏檢波電路。乘法器的另一路信號由振蕩電路提供,該乘法器充當(dāng)鎖定放大器的功能,能夠產(chǎn)生兩倍于振蕩電路頻率的信號,其中伴有直流信號。該直流信號正比于敏感元件的阻抗變化。從乘法器輸出的信號進(jìn)入到低通濾波器后,可獲得直流電壓輸出。最后經(jīng)增益放大和調(diào)零獲得最終反映被測磁場信號的直流電壓 Vo。將反饋回路上的開關(guān)閉合后,前向通道的直流輸出電壓Vo經(jīng)反饋電阻被轉(zhuǎn)換成直流電流信號,流入傳感器探頭內(nèi)的反饋線圈,產(chǎn)生的反饋磁場沿著非晶合金薄帶縱向用來抵消被測外磁場,構(gòu)成對磁場的閉環(huán)檢測。

3 傳感器性能測試

3.1 開環(huán)測試

傳感器電源由直流穩(wěn)壓電源提供,標(biāo)準(zhǔn)磁場由亥姆霍茲線圈提供。測試中,將圖 4中所示的開關(guān)斷開,就構(gòu)成了開環(huán)測試。測試過程如下：將傳感器放入亥姆霍茲線圈中心位置,并使傳感器探頭軸向與亥姆霍茲線圈軸向平行,在磁場 1 Oe范圍內(nèi)進(jìn)行傳感器靈敏度測試,輸出電壓由數(shù)字萬用表讀出。不斷改變亥姆霍茲線圈電流大小,同時記下對應(yīng)的傳感器輸出電壓值。所有測量均在室溫下進(jìn)行。

圖5給出了所設(shè)計的 AGMI磁傳感器在開環(huán)條件下對被測磁場的輸出電壓響應(yīng)曲線。響應(yīng)曲線在零磁場附近約 ±0.5 Oe的磁場范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的線性度,在此范圍的靈敏度可達(dá) 10 V/Oe。經(jīng)數(shù)據(jù)處理和計算,相應(yīng)的性能指標(biāo)列于表 1。

圖5 AGMI磁傳感器開環(huán)電壓響應(yīng)測試曲線

表1 AGMI磁傳感器開環(huán)測試性能

3.2 閉環(huán)測試

盡管 AGMI磁傳感器在開環(huán)條件下表現(xiàn)了較高的靈敏度,但是由于線性度和穩(wěn)定性等問題會最終影響傳感器的性能[16-17]。同時,測量范圍也相對較小。為了改善傳感器的有關(guān)性能,采用負(fù)反饋技術(shù),如果將圖 4所示反饋回路中的開關(guān)閉合,就構(gòu)成了負(fù)反饋閉環(huán)傳感器系統(tǒng)。傳感器輸出電壓經(jīng)反饋電阻轉(zhuǎn)換為電流,通過繞在敏感元件上的反饋線圈產(chǎn)生與被測磁場反向的反饋磁場,用來抵消被測磁場,使敏感元件始終工作在靈敏的線性區(qū)域。圖 6為帶有負(fù)反饋的傳感器系統(tǒng)示意圖[16]。

圖6 負(fù)反饋傳感器系統(tǒng)方框示意圖

設(shè)反饋電阻為Rf,反饋線圈匝數(shù)是 N,反饋線圈長度是 l,線圈中的電流為 I,則反饋線圈中的磁場可表示為,

根據(jù)負(fù)反饋方框示意圖,反向傳遞函數(shù) S可表示為,

將式(3)代入式(4)中,

換算成高斯單位制表示,

從圖 6中可以得到下列關(guān)系,

從式(7)中可以看出,當(dāng) AS?1時,Vo可以近似表示為,

從式(8)中可以看出,閉環(huán)負(fù)反饋傳感器系統(tǒng)的輸出電壓 Vo近似與被測外磁場H成正比關(guān)系,僅取決于比例系數(shù) 1/S。由于 S僅取決于參數(shù) N,l和Rf,AGMI磁傳感器的線性度和穩(wěn)定性會得到改善。圖 7為實施負(fù)反饋后傳感器輸出電壓與被測磁場之間的關(guān)系。相應(yīng)的性能指標(biāo)列于表 2。

表2 AGMI磁傳感器閉環(huán)測試性能

圖7 AGMI磁傳感器閉環(huán)電壓響應(yīng)測試曲線

顯然,經(jīng)過負(fù)反饋測試后,傳感器盡管靈敏度下降了,但換來的是線性度、測量范圍的提高,綜合性能更好。本文中,匝數(shù) N=150,l=1.7cm,Rf=47Ω,根據(jù)式(5)計算得到 S=2.4 Oe/V。可以看出,由于滿足式(8)中 AS?1的條件(A=10 V/Oe),閉環(huán)測試得到的 0.45 V/Oe的靈敏度與式(8)所表示的靈敏度 1/S相比是比較吻合的。

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于非晶合金非對稱巨磁阻抗效應(yīng)的磁傳感器,具有較高的靈敏度和線性度。敏感材料為 CoFeNiSiB非晶合金薄帶,具有較好的軟磁性能。在空氣中進(jìn)行弱磁場退火后,產(chǎn)生了明顯的 AGMI效應(yīng),其最大磁場靈敏度在 0.5 MHz的驅(qū)動頻率下達(dá)到了約 276%/Oe。以此非晶合金薄帶為敏感元件,外部繞有反饋線圈,配以正弦激勵電路和相敏檢波電路,設(shè)計了 AGMI磁傳感器,實現(xiàn)了對外界磁場的開環(huán)、閉環(huán)檢測。測試結(jié)果表明,開環(huán)條件下,該傳感器表現(xiàn)出較高的靈敏度,為 10 V/Oe;在閉環(huán)條件下,盡管靈敏度下降至 0.45 V/Oe,但卻表現(xiàn)出更好的線性度和更寬的測量范圍。該傳感器可以用來檢測地磁場的分量,采用類似的方法,可設(shè)計出三分量磁傳感器,實現(xiàn)對總地磁場的檢測,在地磁導(dǎo)航領(lǐng)域中有著較好的應(yīng)用前景。

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