低溫漂巨磁阻抗磁敏開關的設計*

蔡 晶，鄭金菊，柳 淵，何 佳，周初凱

(浙江師范大學信息電子技術研究所，浙江金華321004)

磁敏開關是利用磁場強度的不同來控制開關的導通與關斷，其常應用于轉速檢測與控制、安全報警裝置、紡織控制系統、汽車點火器和無觸點開關等領域［1］。目前，市場上應用最為廣泛的磁敏開關是霍爾開關，但是霍爾開關在工作時開關的工作點和釋放點所需的外加磁場都很強，其靈敏度也不盡如人意。

自從1992年Mohri［2］等人在Co基非晶絲中發現巨磁阻抗效應以來，研究者陸續在Fe基非晶金屬材料(例如玻璃包裹非晶絲、薄膜和非晶薄帶等磁性材料)中均發現了較為明顯的巨磁阻抗效應［3］。在室溫和弱磁場下就可以實現較大的阻抗變化，有著磁場靈敏度高、材料尺寸小、工作磁場低等特點［4－5］。

本文著眼于溫度和應力退火后的Fe基合金薄帶具有的寬平臺和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，結合磁電轉換電路，設計了一款新型的開關式磁敏傳感器。

1 巨磁阻抗效應及材料特性

巨磁阻抗效應GMI(Giant Magneto Impedance)是指磁性導體在交流電通過時其交流阻抗隨著外加直流磁場的變化而發生顯著變化的效應。現在通常用巨磁阻抗比來衡量巨磁阻抗效應的大小，巨磁阻抗比的定義如下:

式(1)中Z(H)為在任意外磁場下所測得的阻抗值，Z(Hmax)為實驗中所加外磁場最大時測得的阻抗值［6］，并且采用縱向驅動的方式［7－8］來實現材料的GMI效應。

實驗中采用合金材料成分為FeCuNbSiB(各原子百分比為73.5∶1 ∶3 ∶13.5 ∶9)，用單輥快淬法制成寬度為0.34 mm±0.01 mm，厚度為40 μm±1 μm 的合金薄帶。截取長度為2 cm的Fe基合金薄帶在540℃氮氣保護和17.8 MPa拉應力下退火1 h，待冷卻后，用HP4294A型阻抗分析儀測量Fe基納米晶薄帶的巨磁阻抗，其外磁場由Hemholtz線圈提供。

圖1是驅動頻率為400 kHz下的Fe基納米晶薄帶的GMI測量結果，從中可以看出:Fe基納米晶薄帶的巨磁阻抗比在近零磁場附近達到最大值約為1 000%;當磁場在±500 A/m之內以及在±1 000 A/m之外變化很小，只在 500 A/m～1 000 A/m(－500 A/m～－1 000 A/m)有一個跳變，這種巨磁阻抗比曲線的“平臺”與磁敏開關輸出的高低電平狀態非常相似。

2.1 磁電轉換電路

本設計參照LC型磁電轉換電路［9］，在其基礎上進行了一定的改進，提高了電路輸出的穩定性。圖2中磁敏傳感部分所示的電路主要有兩部分組成，一部分是與經典的考畢茲振蕩電路類似的，由三極管、電容和電感等組成的三點式振蕩電路，另一部分是RC低通濾波電路。在電路中的磁敏元件部分，如圖3所示，為自繞的一定內徑和匝數的線圈，內置納米晶薄帶，而這正好解決了磁敏材料和電路板焊接比較困難的問題。其中線圈由直徑為0.08 mm的漆包線繞制而成，內徑為1.62 mm、長度為18 mm、匝數為200匝，其中內置Fe基合金薄帶。Hex為外加磁場，其方向平行于Fe基合金薄帶軸向。

圖1 Fe基納米晶帶的巨磁阻抗特性

2 磁敏開關電路設計

開關電路由磁電轉換電路、溫度補償電路和電壓比較電路組成，具體電路原理圖如圖2所示。

2.2 溫度補償部分

通過對LC型磁電轉換電路的分析［8］，可以看出該電路的重復性好，無遲滯，但由于電子元器件的溫漂較大，使得該電路的溫度穩定型較差，為此實驗中設計了對稱補償電路來解決整個傳感電路的溫漂問題［10－12］。

圖2 磁敏開關電路

圖3 敏感元件示意圖

圖2溫度補償部分所示的電路主要有兩部分組成:一部分是一個與磁電轉換電路參數基本相同的對稱型LC振蕩電路，不同的是LC型磁電轉換電路中帶有自繞的電感線圈內置退火后的Fe基合金薄帶，而LC型振蕩電路中只接入固定電感，電路的輸出幅值不會隨著磁場的變化而發生變化;另一部分是差分放大電路。此部分電路的基本工作原理是:含有內置Fe基合金薄帶電感線圈的LC型磁電轉換電路的輸出電壓與外磁場的變化有關，不包含Fe基合金薄帶的振蕩電路的輸出電壓與磁場無關，將這兩個輸出電壓作為差模信號接入差分放大電路，從而使最后的輸出電壓信號受到磁場的調制，并呈現出高低電平狀態。此外，由于除電感外兩個LC型振蕩電路的其它電路元件參數基本一致，當環境溫度改變時，兩個電路輸出電壓的變化也將基本一致，當把這兩個輸出電壓信號相減后，它們的差只與外磁場有關，而基本不受環境溫度的影響，并且差分放大電路中的集成運算放大器為低溫漂型，從而環境溫度改變時，開關的工作點變化較小，實現了低溫漂型磁敏開關的研制。

2.3 電壓比較電路

由于磁電轉換后經過電路輸出的波形如圖5所示，此電信號不是很規則，還要經過整形電路加以處理，得到規則脈沖電路。本文采用集成定時器555制成一個整形電路。

3 開關電路分析

3.1 實驗環境

為了測試磁敏開關在不同的環境溫度下，開關的工作點的變化情況，實驗中將把電路放在能產生最高溫度為120℃左右的恒溫裝置中測量，并且在裝置外圍裝上能產生恒定磁場的亥姆霍茲線圈。由于自制的恒溫裝置較為簡易，測量范圍受到限制只能從室溫到120℃。

3.2 實驗結果

傳感器的基本特性分為靜態特性和動態特性，限于條件只討論靜態特性。通常用來衡量它的重要指標包括溫漂、重復性和遲滯性等。

圖4中A曲線是LC型磁電轉換電路的工作點與溫度的關系，B曲線是本文所設計的低溫漂對稱電路的工作點與溫度的關系。

圖4 兩種不同開關電路的工作點隨溫度變化曲線

可以明顯的看出，LC磁電轉換電路與低溫漂對稱電路相比，LC磁電轉換電路開關的工作點隨溫度的變化明顯要比對稱電路的大的多。可以用式(2)算出兩種開關的溫度漂移量的百分比:LC型磁電轉換電路的偏移量百分比是:189.4℅，低溫漂對稱電路的偏移量百分比是33.2℅。所以要采用對稱電路來抑制溫漂，從而實現低溫漂型磁敏開關的研制。

其中ymax為所測溫度為115℃時，開關點所需磁場，ymin為所測溫度10℃時，開關點所需磁場，Δt為兩者的溫度差，即為105℃。

圖5是低溫漂對稱電路兩組重復性數據測量結果(環境溫度為10℃)，C，D兩曲線是外加磁場從小增大(正行程)時，電路輸出電壓變化的情況。通過式(3)算出重復值:

圖5 低溫漂對稱電路隨磁場變化的重復性曲線

圖6中C、E兩曲線是低溫漂對稱電路兩組遲滯性分析數據測量結果，C曲線是外加磁場從小增大(正行程)時，電路輸出電壓變化的情況;E曲線是外加磁場從大增小(負行程)時，電路輸出電壓變化的情況。通過式(4)算出遲滯值:

圖6 低溫漂對稱電路隨磁場變化的遲滯性曲線

從上述兩組圖像可以看出，本文所設計的磁敏傳感器重復性好，遲滯誤差小。

4 結論

根據上述理論和實驗結果表明:(1)溫度和拉應力退火后的 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄帶具有寬平臺和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，將這種特性應用到磁敏開關中是合理且可行的;(2)采用LC振蕩電路驅動，該傳感電路設計簡單、重復性好(±2.3%)、遲滯誤差小(4.15%);(3)傳感電路采用對稱差動設計，改善了整個傳感器的溫漂特性(33．2%)，提高了其穩定性。

［1］ 胡光偉，劉澤文，侯智昊，等．一種低驅動電壓的 SP4 T RF MEMS 開關［J］．傳感技術學報，2008，4(21):656－659．

［2］ Mohri K，Kohsawa T，Kawashima K，et al．Magnetoinductive Effect(M I Effect)in Amorphous Wires［［J］．IEEE Transactions on Magnetics，1992，28(5):31－50．

［3］ Mohri K，Uchiyama T，Panina L V．Recent Advances of Micro-Magnetic Sensors and Sensing Application［J］．Sensor and Actualor A:Physical，1997，59:1－8．

［4］ Panina L，Mohri K，Bushida K，et al．Giant-Magneto-Impedance and Magneto Inductive Effects in Amorphous Alloys［J］．J Appl Phys，1994，76(10):6198－6203．

［5］ Gu B X，Hua Z H．Preference Orientation and Magnetic Properties of CoxFe3－xO4Nanocrystalline Thin Films on Quartz Substrate［J］．J Magn Magn Mater，2006，299(2):392－396．

［6］ 方允樟，鄭金菊，施方也，等．Fe基合金應力退火感生磁各向異性機理的 AFM 研究［J］．中國科學，2008，38(3):428－441．

［7］ Thang P D，Rijnders G，Blank．D H．A Stress-Induced Magnetic Anisotropy of CoFe2O4Thin Films Using Pulsed Laser Deposition［J］．J Magn Magn Mater，2007，310(2):2621－2623．

［8］ Alves F，Abi Rached L，Moutoussamy J，et al．Trilayer GMI Sensors Based on Fast Stress-Annealing of FeSiBCuNb Ribbons［J］．Sensors and Actuators A:Physical，2008，142:459－463．

［9］ 鄭金菊，余水寶，孫笑琴．一種新型的磁敏傳感器［J］．儀器儀表學報，2005，26(8):308－309．

［10］蔣顏瑋，房建成，盛蔚，等．軟磁納米晶絲巨磁阻抗效應傳感器研究進展與應用［J］．電子器件，2008，31(4):1124－1129．

［11］李欣，張清，阮建中，等．不同長度敏感元件的兩種巨磁阻抗傳感器傳感性能研究［J］．傳感技術學報，2008，7(21):1147－1150．

［12］ Michal Malatek，Pavel Ripka，Ludek Kraus．Temperature Offset Drift of GMI Sensors［J］．Scrhors and Actualor A:Physical，2008，147:415－418．