金林枫, 郑金菊, 蔡 晶

(浙江师范大学数理与信息工程学院,浙江金华 321004)

0 引 言

随着信息技术和计算机控制技术的不断发展,在现代先进智能测量技术及控制系统、电子通信设备、工业测试设备以及军事应用领域中,都需要新型的高性能磁敏传感器.自从 1992年日本名古屋大学的Mohri等[1]首先在 Co基非晶丝中观察到在几个 Oe磁场下材料的阻抗变化△Z/Z高达 50%,比金属多层膜 Fe/Cu或 Cu/Ag在低温、高场下观察到的巨磁阻抗效应高 1个数量级以后,此现象因而被称为巨磁阻抗效应[2](G M I:giantmagneto-i mpedance effect).

研究者还发现,如果适当控制铁基纳米微晶材料的磁结构,同样可观察到显著的巨磁阻抗效应,并且在热稳定性和性价比上优于 Co基非晶,具有很强的竞争力.本文利用 Fe76Si7.6B9.5P5C1.9(以下简称为FeSiBPC)非晶合金薄带的宽线性 G M I效应研制了一种传感器,它在磁传感器及磁罗盘仪上有着十分诱人的前景[3-4].

1 Fe基合金薄带的 G M I特性

利用单辊快淬法将熔融态合金溶液制成薄带,截取长度约为 1.5 cm的薄带 (宽约为 0.38 mm,厚约为 25μm),将其放在 470℃下空气中自由退火 1 h,经冷却后,利用 HP4294A阻抗分析仪测量得出巨磁阻抗曲线.图 1为巨磁阻抗 (G M I)测量示意图,其中亥姆霍兹线圈由直径为 0.29 mm的漆包线绕制 650匝而成,提供外加直流磁场,阻抗分析仪可以提供频率为 40 Hz～2 MHz,电流为 10 mA的驱动信号.

阻抗比定义如下:

式 (1)中:Z(Hex),Z(Hmax)分别为在任意外加磁场和最大外加磁场下的阻抗值.

图 1 G M I测量系统示意图

图 2 FeSiBPC合金薄带的 G M I特性

利用指南针将亥姆霍磁线圈放置与地磁场相互垂直的位置,测试线圈则放在亥姆霍磁线圈的中央且与其产生的直流磁场平行,整个测试过程都在屏蔽室中进行.测量发现,在驱动频率为 350 kHz时FeSiBPC薄带有着良好的线性区间.图 2为驱动频率 350 kHz时的 FeSiBPC的巨磁阻抗比随外磁场的变化曲线.由图 2可知,FeSiBPC合金薄带的最大巨磁阻抗比在零磁场附近时达到最大值 680%.当磁场在 23.260～930.203 A/m范围内变化时,巨磁阻抗比随外加磁场增大而减小并且呈线性变化关系,而在高于 930.203 A/m时磁阻抗比随磁场增大而变化缓慢.

2 传感器电路的设计

2.1 设计思想

从传感器的灵敏度上考虑,电路的设计采用了巨磁阻抗纵向驱动方式[5].设计一个交流驱动信号直接加到内置 Fe基非晶带电感线圈两端,当外磁场发生变化时,由于 Fe基非晶带巨磁阻抗效应,电感线圈两端的阻抗随着变化,其两端的输出交流电压幅值也随着改变,再经包络检波电路检波后输出直流信号,最后经调零放大电路使得输出电压能够反映磁场强度的大小以及磁场的方向[6-7],传感器电路的工作原理如图 3所示.

2.2 具体电路的设计

1)激励产生电路.因驱动频率为 350 kHz时 FeSiBPC薄带有着良好的线性区间,故设计输出交变信号的频率也为 350 kHz.如图 3所示,激励电路采用 555芯片和外围的电阻电容组成一个多谐振荡器,输出频率为 350 kHz稳定的方波,其高电平为 5.2 V,低电平为 0.33 V.

图 3 磁敏传感器电路原理图

图 4 电感线圈与偏置线圈的制作及 Fe基非晶带的放置方法

2)电感线圈与偏置线圈的制作.电感线圈与偏置线圈的制作如图 4所示,采用直径为 0.08 mm的漆包线双股并排绕制,此时可以得到 2个电感线圈.其中线圈“2”作为电感线圈,两端直接与 350 kHz交流激励信号相连,另外一个线圈“3”作为偏置线圈,其两端加直流电压,产生磁场强度为 Hex=460 A/m的直流偏置磁场.线圈的内径为 0.57 mm,匝数都为60匝,内置 FeSiBPC非晶带“1”.Hex为沿着 Fe基非晶带方向并穿过该薄带的磁场强度.

3)检波电路.本设计采用的二极管包络检波电路,选用正向导通电压低、耐高频的肖特基二极管,与电容、电阻组成峰值检波电路,最后输出直流电压.

4)调零放大电路.利用集成运放构成差分放大电路,通过调节运放同相端的电位器 RV3,使得在外加磁场为 0、偏置磁场 Hex=460 A/m时输出电压为 0 V.这样就不但可以从输出电压的大小判断磁场的大小,而且可以从电压输出的正负来判断磁场的方向.

3 实验结果

传感器的静态特性反映的是当信号为定值或变化缓慢时,系统的输出 (Vout)与输入 (Hex)的关系.通常用来恒量它的重要指标包括灵敏度、线性度、重复性、迟滞性等.

实验中,外加直流磁场由直流电源与亥姆霍兹线圈产生,测量时将磁敏传感器的电感线圈放在亥姆霍兹线圈的中央,要求与亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场平行且与地磁场垂直 (减弱地磁场的影响).通过调节直流稳流源,使通过亥姆霍兹线圈的电流从 0～350 mA变化 (外加磁场从 0～1 627.85 A/m变化),再改变电流的方向,使电流从 -350 mA～0变化 (外加磁场从 -1 627.855 A/m～0变化),传感器的输出电压用 GDM8145数字万用表测量.为了测得传感器的静态特性,实测时外加磁场由负的最大磁场到正的最大磁场,再从正的最大磁场到负的最大磁场,并进行重复多次测量,测量结果如图 5和图 6所示.

图 5 重复性数据分析

图 6 迟滞性数据分析

图 7 线性度和灵敏度分析

图 5为重复性测量结果,a,b两曲线是外加磁场从-1 627.85～1 627.85 A/m时,传感器输出电压变化时的情况,可以看出 2组数据基本重叠,计算可得重复性数据的最大偏差为 0.62%.图 6为迟滞性数据测量结果,其中a曲线是外磁场从 -1 627.85～1 627.85 A/m所测的数据;而 c曲线则是外磁场从1 627.85～-1 627.85 A/m所测得的数据,计算迟滞性数据的最大偏差为 0.56%,可见传感器基本无迟滞.通过对图 5中 a曲线的变化情况分析发现,当外磁场在 -651.14～325.57 A/m时,传感器的输出线性度最好且灵敏度最高.如图 7所示,d曲线为对上述磁场范围内的数据进行线性拟合的结果,计算可知线性最大偏差为0.78%,灵敏度为3.49 mV/(A·m-1).

4 结 论

实验结果表明:用 Fe基非晶薄带作为敏感元件设计的磁敏传感器,具有重复性好、灵敏度高、基本不存在迟滞现象的优点,尤其是线性范围广 (-651.14～325.57 A/m)并且在弱磁场作用下仍然可以保持良好的线性度.该传感器动态响应好,可以用于磁场测量、位移检测和磁罗盘仪等方面,在测量及控制领域有着广泛的应用.

[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]鲍丙豪,李长生,王元庆.非晶丝磁电阻抗效应新型磁场传感器[J].仪表技术与传感器,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]杨介信,杨燮龙,陈国,等.一种新型的纵向驱动巨磁致阻抗效应[J].科学通报,1998,43(10):1051-1053.

[6]陈世元,张亮,李德仁,等.基于巨磁阻抗效应的新型高灵敏度磁敏传感器[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.