高靈敏巨磁阻抗小型磁傳感器研制

黃敬暉， 郝　潔， 張延松， 唐家耘， 錢坤明， 丁　昂

(中國(guó)兵器科學(xué)研究院 寧波分院，浙江 寧波 315000)

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高靈敏巨磁阻抗小型磁傳感器研制

黃敬暉， 郝潔， 張延松， 唐家耘， 錢坤明， 丁昂

(中國(guó)兵器科學(xué)研究院 寧波分院，浙江 寧波 315000)

利用單輥快淬法制備了CoFeNiSiB非晶薄帶，經(jīng)過400 A/mm2電流密度、20 ms脈沖間隔條件下的脈沖退火后具有較好的弱磁場(chǎng)靈敏性能。以該帶材為磁敏材料，基于縱向驅(qū)動(dòng)方式研制了一種巨磁阻抗(GMI)磁傳感器，該磁傳感器尺寸小、靈敏度高、頻率響應(yīng)好，±0.05 mT弱磁場(chǎng)范圍內(nèi)靈敏度可達(dá)到44.15 V/mT，在高靈敏度小型磁傳感器領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

巨磁阻抗； 磁傳感器； 鈷基非晶條帶； 靈敏度

0　引　言

巨磁阻抗(giant magneto-impedance,GMI)效應(yīng)是指磁敏材料交流阻抗值隨外加直流磁場(chǎng)顯著變化的現(xiàn)象，其起因普遍通過經(jīng)典電磁理論及趨膚效應(yīng)加以解釋[1～4]。自1992 年,日本名古屋大學(xué)的 Mohri K等人[5]首先在 Co 基非晶絲中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗效應(yīng)以來，其在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi)能夠靈敏地響應(yīng)磁場(chǎng)微小變化的特性引起了廣泛的關(guān)注。基于巨磁阻抗效應(yīng)的磁傳感器能夠集高靈敏、快響應(yīng)、微尺寸等優(yōu)點(diǎn)于一身，因而在工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋探測(cè)、生物、醫(yī)療、導(dǎo)航、車輛船舶等領(lǐng)域都具有較大的應(yīng)用潛力[6～10]。

本文以Co基非晶薄帶為磁敏材料，設(shè)計(jì)并研制了一種微型磁傳感器，性能測(cè)試結(jié)果表明：其在地磁場(chǎng)范圍內(nèi)具有較高的靈敏度和較好的頻率響應(yīng)特性。

1　磁敏材料制備及其巨磁阻抗性能測(cè)試

所選用的磁敏材料為CoFeNiSiB非晶薄帶，采用高頻感應(yīng)加熱法熔煉母合金，并用單輥快淬法噴制而成，再對(duì)其進(jìn)行400 A/mm2電流密度、20 ms脈沖間隔條件下的脈沖退火處理，最終得到寬為1 mm、厚為20 μm的非晶薄帶樣品，如圖1所示。

圖1　非晶薄帶樣品Fig 1　Amorphous ribbon sample

磁敏材料的GMI性能基于縱向驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行測(cè)試[11～12]，如圖2所示。截取長(zhǎng)度為12 mm的非晶薄帶，將其置于由漆包線繞制而成的空心線圈中(線圈的長(zhǎng)度為10 mm、匝數(shù)為40)；利用正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為5 mA、頻率為66 kHz的激勵(lì)電流，通入空心線圈，并沿條帶軸向施加-0.5～+0.5 mT變化的外磁場(chǎng)；最后從連接在帶身線圈上的阻抗分析儀觀察到阻抗值的相應(yīng)變化，阻抗值測(cè)試曲線如圖3所示。

圖2　縱向驅(qū)動(dòng)GMI效應(yīng)測(cè)試方法Fig 2　Test methods of vertically driven GMI effect

圖3　磁敏材料阻抗值變化曲線Fig 3　Impedance change curve of magnetic sensitive material

由圖3可知，所制備的磁敏材料樣品其阻抗變化曲線呈梯形結(jié)構(gòu)，不同于常見的單峰結(jié)構(gòu)[13]，這可能與材料的長(zhǎng)度有關(guān)。從圖形上看，材料的阻抗值在-1.5～-2.5 mT及0.2～0.3 mT范圍內(nèi)變化較大，即具有較好的弱磁場(chǎng)靈敏特性。

2　小型化磁傳感器設(shè)計(jì)與制作

2.1敏感元件的制作

基于縱向驅(qū)動(dòng)方式的敏感元件既包含非晶薄帶本身，還包括纏繞在其周身的感應(yīng)線圈。根據(jù)小型化器件的設(shè)計(jì)要求，首先進(jìn)行元件骨架的制作，利用CAD繪圖軟件設(shè)計(jì)長(zhǎng)×寬×高為13 mm×4 mm×3 mm的骨架模型(如圖4所示)，并開模制作成件；再將非晶薄帶嵌入放置在骨架軸向的槽中，并涂上硅橡膠使其固定；最后采用直徑為0.1 mm的漆包線沿骨架軸體內(nèi)外分別繞制兩層線圈，其中內(nèi)圈為感應(yīng)線圈，外層為偏置線圈，匝數(shù)同為40。圖4所示為敏感元件示意圖。

圖4　敏感元件骨架模型及其成品Fig 4　Skeleton model and product of sensitive component

2.2磁傳感器電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)傳感器的整機(jī)電路如圖5所示，總共包含6個(gè)模塊：

1)信號(hào)激勵(lì)電路:信號(hào)幅值由電阻R2調(diào)節(jié)，根據(jù)前述材料性能測(cè)試結(jié)果，將振蕩信號(hào)的頻率確定為66 kHz，幅值為5 mA。

2)偏置電路:偏置電路主要用于調(diào)節(jié)器件對(duì)外磁場(chǎng)的靈敏工作區(qū)間，出于小尺寸的要求，采用偏置線圈的方式來產(chǎn)生所需的偏置磁場(chǎng)。在偏置線圈長(zhǎng)度及匝數(shù)固定的前提下，調(diào)節(jié)Rd1阻值為176 Ω，得到所需的偏置磁場(chǎng)約0.25 mT。

3)前置放大電路:主要用于對(duì)微弱磁敏信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，選定放大器的增益A=15。

4)包絡(luò)檢波電路:包絡(luò)檢波電路主要用于解調(diào)磁敏元件兩端的電壓調(diào)幅信號(hào)，采用以肖特基二極管為主要元件的檢波電路，其具有較高的檢波效率和良好的頻率特性。

5)低通濾波電路:出于對(duì)磁傳感器小型化及低功耗的設(shè)計(jì)要求，采用無源低通濾波電路來濾除夾雜在磁敏直流信號(hào)中的高頻信號(hào)，其截止頻率由R7和C13的數(shù)值共同決定。

6)差分放大電路:差分放大電路主要用于調(diào)節(jié)磁傳感器的零點(diǎn)，并對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行二級(jí)放大。

圖5　傳感器整機(jī)電路圖Fig 5　Circuity diagram of sensor

2.3磁傳感器樣機(jī)制作

各電子元件盡可能選用最小封裝，最后將磁敏感元件整合到電路板中，制作完成后的小型磁傳感器樣機(jī)如圖6所示，尺寸為17 mm×19 mm×5 mm。

圖6　小型磁傳感器樣機(jī)Fig 6　Small prototype of magnetic sensor

3　磁傳感器性能測(cè)試

根據(jù)應(yīng)用需求，將研制完成的磁傳感器樣機(jī)進(jìn)行地磁場(chǎng)范圍內(nèi)的靈敏度標(biāo)定及動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)頻率響應(yīng)測(cè)試。

3.1靈敏度標(biāo)定

通過控制偏置磁場(chǎng)的大小，將磁傳感器的靈敏工作區(qū)間調(diào)節(jié)至±0.05 mT(即地磁場(chǎng)范圍)，在該范圍內(nèi)，分別進(jìn)行正、反行程的數(shù)據(jù)測(cè)試，外磁場(chǎng)間隔為0.01 mT。

根據(jù)的數(shù)據(jù)作出傳感器輸出性能曲線如圖7所示。采用最佳直線的方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合方程為

Y=44 154.545X+275.909

(1)

圖7　磁傳感器性能輸出曲線及其擬合曲線Fig 7　Output curve of magnetic sensor performance and its fitting curve

根據(jù)擬合結(jié)果可知，器件在地磁場(chǎng)范圍內(nèi)的靈敏度約為44.15 V/mT。

3.2頻率響應(yīng)測(cè)試

將磁傳感器放置于赫姆霍茲線圈中，并為線圈通以交流電產(chǎn)生交流磁場(chǎng)。通過改變交流磁場(chǎng)的頻率，分別取值50，250，500，800Hz，測(cè)得相應(yīng)的磁傳感器輸出電壓曲線如圖8所示。

圖8　不同頻率下輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線Fig 8　Corresponding response curves of input signal at different frequency

從圖8可以看到，在磁場(chǎng)頻率在250 Hz以內(nèi)范圍時(shí)，器件均能很好響應(yīng)，且輸出信號(hào)的幅值并無衰減；當(dāng)磁場(chǎng)頻率加大至500 Hz甚至800 Hz時(shí)，器件雖仍能響應(yīng)，但且輸出信號(hào)的幅值出現(xiàn)不同程度的衰減，即響應(yīng)性能下降。規(guī)定輸出信號(hào)幅值衰減至正常幅值75 %時(shí)的磁場(chǎng)頻率為器件響應(yīng)截止頻率，測(cè)得傳感器樣機(jī)的響應(yīng)截止頻率達(dá)到380 Hz，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間為2.63 ms。

4　結(jié)束語

本文研究了CoFeNiSiB非晶薄帶經(jīng)脈沖熱處理后的GMI性能，并以其為磁敏材料，研制了具有高靈敏度和高頻率響應(yīng)的小型化GMI磁傳感器，器件尺寸僅17 mm×19 mm×5 mm。器件性能測(cè)試結(jié)果表明：在地磁場(chǎng)范圍內(nèi)，該磁傳感器的靈敏度達(dá)到44.15 V/mT，頻率響應(yīng)時(shí)間為2.63 ms，在高靈敏度小型磁傳感器領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

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Research and fabrication of high sensitivity GMI miniaturized magnetic sensor

HUANG Jing-hui, HAO Jie, ZHANG Yan-song, TANG Jia-yun, QIAN Kun-ming, DING Ang

(Ningbo Branch,Chinese Academy of Ordnance Science,Ningbo 315000,China)

CoFeNiSiB amorphous ribbons prepared by single-roll rapid quenching had high sensitivity in weak magnetic filed after pulse annealing with current density of 400 A/mm2and pulse separation of 20 ms.The ribbons are used as magnetic sensitive materials to produce a kind of giant magnetic impedance(GMI)magnetic sensors based on longitudinal drive mode.The magnetic senors are characterized by small size,high sensitivity,and good frequency response,and their sensitivity can reach 44.15 V/mT in weak magnetic field of ±0.05 mT,it has a great potential application for high sensitivity miniaturized magnetic sensors.

giant magneto-impedance(GMI); magnetic sensor; co-based amorphous ribbon; sensitivity

2015—11—04

TP 212.1

B

1000—9787(2016)08—0084—03

黃敬暉(1988-)，男，浙江寧波人，碩士，助理研究員，主要從事磁性材料與其器件應(yīng)用的研究。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0084—03