寬線性GMI磁傳感器的研制*

周初凱, 鄭金菊, 金林楓, 楊 光， 王紅洲, 趙 靜

(浙江師范大學 信息電子技術研究所， 浙江 金華 321004)

0 引 言

早在1935年,巨磁阻抗(GMI)效應[1]就被俄羅斯人Harrison發現，但由于當時的材料和應用領域的限制，并沒有引起廣泛的關注。1994年,日本名古屋大學的Mohri K教授等人[2]采用旋轉水中紡絲法[3]，噴制成直徑為125 μm的近零、負磁致伸縮系數非晶絲，在該材料上觀察到了GMI效應并進行應用研究，這一現象才受到人們的特別重視。GMI效應具有靈敏度高、反應快、利于微型化等優點，可廣泛應用于交通運輸、生物醫療、自動控制、安全生產、國防等各行業的磁場、位移、扭矩、計數、測速、無損探傷等方面[4]的檢測。

1 寬線性GMI效應非晶薄帶

對于非晶薄帶的制作本文采用的是單輥快淬法[5]，所制備的非晶合金薄帶[6]成分是Fe76Si7.6B9.5P5C1.9，用該方法制備成寬為0．38 mm，厚為25 μm的合金薄帶；然后再對該樣品在540 ℃空氣中進行退火[7]處理，退火后的樣品分別放入用0.08mm的漆包線繞制而成的空心線圈(匝數為100匝，長度為10.1 mm，內徑為0.56 mm)中，用HP4294A阻抗儀[8]縱向驅動的方式測量薄帶的阻抗，驅動頻率為470 kHz，其實驗結果如圖1所示。

圖1 470 ℃溫度退火樣品的GMI比曲線

由圖1可知，所制備的樣品具有寬線性區間，在-800～+800 A/m的區間有較好的線性度。

2 GMI磁傳感器電路的設計

傳感器的結構如圖2所示。

圖2 傳感器結構框圖

2．1 傳感器敏感元件的制作

傳感器敏感元件是整個電路的核心，主要由電感線圈、直流偏置線圈以及非晶合金薄帶組成，其示意圖如圖3所示。采用直徑為0．08 mm的漆包線雙股并排繞制成直徑為2 mm、長度為15 mm的2個線圈，分別為電感線圈和直流偏置線圈。

圖3 電感線圈與偏置線圈的制作與Fe基非晶帶的放置方法

2．2 主體電路的制作

如圖4所示，對于主體電路的設計主要分為四部分：1)交流信號發生電路，因為在470 kHz的驅動頻率下，FeSiBPC非晶薄帶有著良好的線性區間, 所以，信號發生電路的頻率也設置為470 kHz，如圖4所示。采用多諧振蕩電路[9]作為激勵信號發生電路,輸出頻率設為470 kHz的穩定方波, 其高電平為5.2 V,低電平為0.33 V。2)電感線圈與直流偏置電路,如圖4所示 ，其中線圈“2”為電感線圈, 兩端直接與470 kHz交流激勵信號相連, 另外一個線圈“3”為偏置線圈,其兩端加直流電壓,產生磁場強度為Hex=460 A/m的直流偏置磁場。內置FeSiBPC非晶帶“1”，Hex為沿著Fe基非晶帶方向并穿過該薄帶的磁場強度。3)檢波電路, 本文設計的檢波電路是采用二極管包絡檢波電路, 選用正向導通電壓低、耐高頻的肖特基二極管,與電容、電阻組成峰值檢波電路, 最后得到輸出直流電壓。4)調零放大電路,利用集成運放[10]構成差分放大電路,通過調節運放同相端的電位器RV1,使得在外加磁場為0時，偏置磁場Hex=460 A/m時輸出電壓為0 V。這樣不但可以從輸出電壓的大小判斷磁場的大小, 而且可以從電壓輸出的正負來判斷磁場的方向。

圖4 脈沖波驅動的GMI磁傳感器電路原理圖

3 GMI磁傳感器性能測試

該傳感器中敏感元件的直流偏置磁場為320 A/m，將電路中的敏感元件放置在亥姆霍茲線圈的中心處，然后通過調節直流電壓源的輸出電流的大小來控制亥姆霍茲線圈中產生的穩定磁場的大小。在測量裝置中進行反復測量，然后對所測量的數據進行分析。當外加磁場為0時，脈沖波信號幅值為5 V，頻率為470 kHz，檢波電路輸出為直流電壓，其大小為1．544 V，調零放大電路輸出為0．067 V。

圖5為傳感器的重復性數據測量結果，A,B兩曲線是外加磁場從-2 325．51 A/m增大到2 325．51 A/m時，傳感器輸出電壓變化時的情況，有數據分析計算可以得到傳感器的重復性最大誤差為0．94 %。

圖6為遲滯性數據測量結果，其中A曲線是外磁場從-2 325．51A/m增大到2 325．51A/m所測的數據，而B曲線則是外磁場為2 325．51～-2 325．51 A/m所測得數據，由公式(1)計算可得GMI傳感器遲滯性數據的最大偏差為0．96 %，可見該GMI磁敏傳感器基本上無遲滯。

圖5 GMI傳感器的重復性數據分析圖

圖6 GMI傳感器的遲滯性數據分析圖

(1)

通過對圖5中A曲線變化情況分析，可以發現當外磁場從-279．06 A/m增大到279．06 A/m時，輸出線性度最好，且靈敏度最高。如圖7所示，D曲線為上述磁場范圍內的數據進行線性擬合結果，由計算可知，線性最大偏差為1．48 %，靈敏度為12．65 mV/A·m-1。

圖7 GMI傳感器的線性度與靈敏度數據分析圖

4 結 論

本文針對具有GMI效應的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金薄帶在磁傳感器中的應用，研究了退火溫度對Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金薄帶的GMI效應的影響，可知540℃空氣中退火后Fe基非晶薄帶GMI材料具有寬線性、高靈敏度。用Fe基非晶薄帶作為敏感元件設計制作了GMI磁傳感器并對其性能進行測試，結果表明：傳感器線性度好且靈敏度高，線性最大偏差為1．48 %，靈敏度為12．65 mV/A·m-1。

參考文獻:

[1] Mohri K，Uchiyama T，Panina L V．Recent advances of micro-magnetic sensors and sensing application[J]．Sensors and Actuators A，1997，59(1/2/3)：1-8．

[2] Mohri K，Kohsawa T，Kawashima K，et a1．Magneto-inductive effect(MI efect)in amorphous wires[J]．IEEE Trans Magn，1992，28(5)：3150-3152．

[3] Ohnaka I，Fukusako T，Matui T．Preparation of amorphous wire-s[J]．J Jpn Inst Met,1981，45：751-762．

[4] 蔣顏瑋，房建成，盛 蔚，等．軟磁非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．

[5] 安建軍， 云翠花， 嚴 彪． 單輥快淬Cu-Be合金的顯微組織及時效性能[J]．特種鑄造及有色合金，2008，28(7)：567-570.

[6] Francoeur，Bruno1 Couture,Pierre．Continuous-annealing method for producing a flexible curved soft magnetic amorphous alloy ri-bbon[J]．Journal of Applied Physics，2012，111(7)：07A309．

[7] Ku Meei-Yuh，Hu Michael H，Wang Ming-Jaan．Simulated annealing based parallel genetic algorithm for facility layout prob-lem[J]．International Journal of Production Research，2011，49(6)：1801-1812.

[8] 葉慧群，呂葆華，葉方敏，等．退火對FeCo基磁環巨磁阻抗效應的影響[J]．磁性材料及器件，2011，42(2)：25-36．

[9] 王 濤,石林鎖,陳新社,等．多諧振蕩器在濕度測量中的應用[J].傳感器技術，2003，22(9)：72-77．

[10] 邊曉娜,趙立志.基于藍牙和傳感器技術的油含水率測量系統[J].傳感器與微系統,2008,27(8):81-83.