基于 Fe基非晶薄帶的寬線性 GM I傳感器＊

金林楓, 鄭金菊, 蔡 晶

(浙江師范大學數理與信息工程學院,浙江金華 321004)

0 引 言

隨著信息技術和計算機控制技術的不斷發展,在現代先進智能測量技術及控制系統、電子通信設備、工業測試設備以及軍事應用領域中,都需要新型的高性能磁敏傳感器.自從 1992年日本名古屋大學的Mohri等[1]首先在 Co基非晶絲中觀察到在幾個 Oe磁場下材料的阻抗變化△Z/Z高達 50%,比金屬多層膜 Fe/Cu或 Cu/Ag在低溫、高場下觀察到的巨磁阻抗效應高 1個數量級以后,此現象因而被稱為巨磁阻抗效應[2](G M I:giantmagneto-i mpedance effect).

研究者還發現,如果適當控制鐵基納米微晶材料的磁結構,同樣可觀察到顯著的巨磁阻抗效應,并且在熱穩定性和性價比上優于 Co基非晶,具有很強的競爭力.本文利用 Fe76Si7.6B9.5P5C1.9(以下簡稱為FeSiBPC)非晶合金薄帶的寬線性 G M I效應研制了一種傳感器,它在磁傳感器及磁羅盤儀上有著十分誘人的前景[3-4].

1 Fe基合金薄帶的 G M I特性

利用單輥快淬法將熔融態合金溶液制成薄帶,截取長度約為 1.5 cm的薄帶 (寬約為 0.38 mm,厚約為 25μm),將其放在 470℃下空氣中自由退火 1 h,經冷卻后,利用 HP4294A阻抗分析儀測量得出巨磁阻抗曲線.圖 1為巨磁阻抗 (G M I)測量示意圖,其中亥姆霍茲線圈由直徑為 0.29 mm的漆包線繞制 650匝而成,提供外加直流磁場,阻抗分析儀可以提供頻率為 40 Hz～2 MHz,電流為 10 mA的驅動信號.

阻抗比定義如下:

式 (1)中:Z(Hex),Z(Hmax)分別為在任意外加磁場和最大外加磁場下的阻抗值.

圖 1 G M I測量系統示意圖

圖 2 FeSiBPC合金薄帶的 G M I特性

利用指南針將亥姆霍磁線圈放置與地磁場相互垂直的位置,測試線圈則放在亥姆霍磁線圈的中央且與其產生的直流磁場平行,整個測試過程都在屏蔽室中進行.測量發現,在驅動頻率為 350 kHz時FeSiBPC薄帶有著良好的線性區間.圖 2為驅動頻率 350 kHz時的 FeSiBPC的巨磁阻抗比隨外磁場的變化曲線.由圖 2可知,FeSiBPC合金薄帶的最大巨磁阻抗比在零磁場附近時達到最大值 680%.當磁場在 23.260～930.203 A/m范圍內變化時,巨磁阻抗比隨外加磁場增大而減小并且呈線性變化關系,而在高于 930.203 A/m時磁阻抗比隨磁場增大而變化緩慢.

2 傳感器電路的設計

2.1 設計思想

從傳感器的靈敏度上考慮,電路的設計采用了巨磁阻抗縱向驅動方式[5].設計一個交流驅動信號直接加到內置 Fe基非晶帶電感線圈兩端,當外磁場發生變化時,由于 Fe基非晶帶巨磁阻抗效應,電感線圈兩端的阻抗隨著變化,其兩端的輸出交流電壓幅值也隨著改變,再經包絡檢波電路檢波后輸出直流信號,最后經調零放大電路使得輸出電壓能夠反映磁場強度的大小以及磁場的方向[6-7],傳感器電路的工作原理如圖 3所示.

2.2 具體電路的設計

1)激勵產生電路.因驅動頻率為 350 kHz時 FeSiBPC薄帶有著良好的線性區間,故設計輸出交變信號的頻率也為 350 kHz.如圖 3所示,激勵電路采用 555芯片和外圍的電阻電容組成一個多諧振蕩器,輸出頻率為 350 kHz穩定的方波,其高電平為 5.2 V,低電平為 0.33 V.

圖 3 磁敏傳感器電路原理圖

圖 4 電感線圈與偏置線圈的制作及 Fe基非晶帶的放置方法

2)電感線圈與偏置線圈的制作.電感線圈與偏置線圈的制作如圖 4所示,采用直徑為 0.08 mm的漆包線雙股并排繞制,此時可以得到 2個電感線圈.其中線圈“2”作為電感線圈,兩端直接與 350 kHz交流激勵信號相連,另外一個線圈“3”作為偏置線圈,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.線圈的內徑為 0.57 mm,匝數都為60匝,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.本設計采用的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,最后輸出直流電壓.

4)調零放大電路.利用集成運放構成差分放大電路,通過調節運放同相端的電位器 RV3,使得在外加磁場為 0、偏置磁場 Hex=460 A/m時輸出電壓為 0 V.這樣就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.

3 實驗結果

傳感器的靜態特性反映的是當信號為定值或變化緩慢時,系統的輸出 (Vout)與輸入 (Hex)的關系.通常用來恒量它的重要指標包括靈敏度、線性度、重復性、遲滯性等.

實驗中,外加直流磁場由直流電源與亥姆霍茲線圈產生,測量時將磁敏傳感器的電感線圈放在亥姆霍茲線圈的中央,要求與亥姆霍茲線圈產生的勻強磁場平行且與地磁場垂直 (減弱地磁場的影響).通過調節直流穩流源,使通過亥姆霍茲線圈的電流從 0～350 mA變化 (外加磁場從 0～1 627.85 A/m變化),再改變電流的方向,使電流從 -350 mA～0變化 (外加磁場從 -1 627.855 A/m～0變化),傳感器的輸出電壓用 GDM8145數字萬用表測量.為了測得傳感器的靜態特性,實測時外加磁場由負的最大磁場到正的最大磁場,再從正的最大磁場到負的最大磁場,并進行重復多次測量,測量結果如圖 5和圖 6所示.

圖 5 重復性數據分析

圖 6 遲滯性數據分析

圖 7 線性度和靈敏度分析

圖 5為重復性測量結果,a,b兩曲線是外加磁場從-1 627.85～1 627.85 A/m時,傳感器輸出電壓變化時的情況,可以看出 2組數據基本重疊,計算可得重復性數據的最大偏差為 0.62%.圖 6為遲滯性數據測量結果,其中a曲線是外磁場從 -1 627.85～1 627.85 A/m所測的數據;而 c曲線則是外磁場從1 627.85～-1 627.85 A/m所測得的數據,計算遲滯性數據的最大偏差為 0.56%,可見傳感器基本無遲滯.通過對圖 5中 a曲線的變化情況分析發現,當外磁場在 -651.14～325.57 A/m時,傳感器的輸出線性度最好且靈敏度最高.如圖 7所示,d曲線為對上述磁場范圍內的數據進行線性擬合的結果,計算可知線性最大偏差為0.78%,靈敏度為3.49 mV/(A·m-1).

4 結 論

實驗結果表明:用 Fe基非晶薄帶作為敏感元件設計的磁敏傳感器,具有重復性好、靈敏度高、基本不存在遲滯現象的優點,尤其是線性范圍廣 (-651.14～325.57 A/m)并且在弱磁場作用下仍然可以保持良好的線性度.該傳感器動態響應好,可以用于磁場測量、位移檢測和磁羅盤儀等方面,在測量及控制領域有著廣泛的應用.

[1]Mohri K,Kohzawa T,Kawashima K,et al.Magnetoinductive effect(M I effect)in amorphouswires[J].IEEE TransMagn,1992,28(5):3150-3152.

[2]鮑丙豪,李長生,王元慶.非晶絲磁電阻抗效應新型磁場傳感器[J].儀表技術與傳感器,2008(9):3-5.

[3]Mohri K,Uchiyama T,Panina L V.Recent advances ofmicro magnetic sensors and sensing application[J].Scrhors and Actualor A:Physical,1997,59(1/3)59:1-8.

[4]Zhao Zhana,Li Yaoming,Cheng Jin,et al.Current sensor utilizing giantmagneto-impedance effect in amorphous ribbon toroidal core and CMOS invertermultivibrator[J].Sensors and ActuatorsA:Physical,2007,137(1):64-67.

[5]楊介信,楊燮龍,陳國,等.一種新型的縱向驅動巨磁致阻抗效應[J].科學通報,1998,43(10):1051-1053.

[6]陳世元,張亮,李德仁,等.基于巨磁阻抗效應的新型高靈敏度磁敏傳感器[J].磁性材料及器件,2007(3):46-49.

[7]Ripka P,PlatilA,Kaspar P,et al.Per malloy G M I sensor[J].Journal ofMagnetism andMagneticMaterials,2003,254/255:633-635.