一种新型高灵敏磁敏传感器的设计

一种新型高灵敏磁敏传感器的设计

1巨磁阻抗效应随着信息技术和计算机控制技术的发展，现代先进智能测量技术和控制系统、电子通信设备、工业试验设备和军事应用需要越来越多的高性能磁传感器。同时，它对磁敏传感器的尺寸、灵敏度、稳定性和功耗提出了更高的要求。自从1992年Mohri等人在Co基非晶丝中发现巨磁阻抗效应(giantmagneto-impedanceeffect,GMI)以来,很快又在Fe基纳米晶带材以及其它多种材料中发现了巨磁阻抗效应,为研制高灵敏度磁传感器开辟了新的途径。不过目前GMI效应的研究多停留在材料研究方面,结合材料学与微电子学制成传感器的研究报道较少。本文着眼于GMI效应的应用方面,利用非晶丝GMI效应和电磁感应原理,设计制作出一种新型磁敏传感器,灵敏度达到6.5mV/μT,功耗为0.25W,非线性度为0.78%F.S,在弱磁场测量领域有着广泛的应用前景。2gmi特性测试巨磁阻抗效应是指非晶材料通以高频电流时,材料两端的阻抗随外磁场变化而发生非常灵敏的变化的现象。图1是GMI基本测量电路。Iac是交流驱动电流,R是检测驱动电流的标准电阻,ew是样品两端的感应电压。Hex是外加磁场[2~4]。本设计利用CoFeNbSiB合金非晶丝作为敏感元件。用图1所示的测量方法测量此种材料的GMI特性,得到的结果如图2所示,其中Z0为非晶丝在零磁场下的阻抗,Zx为某一磁场下阻抗,ΔZ=Zx-Z0。从图中可以看出,当磁场在0~0.2mT变化时,阻抗变化率随磁场增高而迅速增大,阻抗变化率最大为15%,本设计就是利用此段特性;当磁场高于0.3mT时,阻抗变化率随磁场增大而缓慢减小。3传感器电路设计3.1高频激励非晶丝从实用制作角度出发,直接在非晶丝两端获取电压信号不易实现,利用外围绕线的方式可以方便的将磁场信号转化为电压信号,易制作,易小型化。根据GMI效应的产生条件,选择脉冲激励不连续供电可以降低功耗,设计一脉冲信号产生电路,输出到非晶丝两端,实现高频激励。在高频激励下,非晶丝阻抗随外界磁场变化而发生非常灵敏的变化,即实现由阻抗的大小反应外界磁场的强弱;非晶丝外面绕有线圈,构成敏感元件,非晶丝本身具有阻抗,在脉冲激励的作用下便产生相应频率的高频电流,根据电磁感应原理,外部线圈产生相应频率的感生电动势,大小与非晶丝阻抗变化率成正比,由于GMI效应,非晶丝阻抗发生明显的变化,线圈两端的感生电动势便随之改变,在阻抗变化率达到最大值之前,感生电动势与磁场成正比,相当于高频电压信号的幅度被外部磁场所调制,形成调幅波。接下来利用包络检波的方法检出调幅信号的包络线,以实现解调。解调后输出电压的强弱反映了磁场强度大小,实现了对磁场的测量。3.2cofennsib非晶合金丝的制备图3为传感器的电路图,其电路具体分为以下几部分:(1)激励产生电路本设计对脉冲信号的频率稳定性要求较高,故选用石英晶体作为振荡源。与普通的RC移相振荡器相比,晶体振荡器的频率稳定性很高。CMOS非门与负反馈偏置电阻R1构成反相放大电路,石英晶体与C1、C2构成Π正反馈支路,在其固有谐振频率的附近,石英晶体自身呈感性,此电感与电容C1、C2构成谐振回路,形成移相反馈网络反馈到放大电路的输入端形成振荡,便产生脉冲电压信号。(2)敏感元件如图4所示,将CoFeNbSiB非晶合金丝1用胶水固定在绝缘陶瓷管2内,绝缘陶瓷管上绕有两层互不相连的铜导电线圈(初级线圈3、次级线圈4)。其中非晶丝直径为0.6mm,长度为7mm;绝缘陶瓷管内径为1mm,长度为5mm;铜导电线圈直径为0.1mm,初级线圈25匝,次级20匝。非晶丝两端加上脉冲激励,由于非晶丝的GMI效应,当外磁场在0~0.2mT变化时,其阻抗随外磁场而发生非常灵敏的变化,同时因电磁感应的作用,初级线圈会产生相应的感生电动势。为了便于实际应用,在次级线圈加电流以产生0.1mT的偏置磁场,通过该磁场来抵消部分外磁场,以调整零点磁场位置,实现传感器在正负磁场下的线性输出。(3)整流电路调幅信号的检波通常有两种方法,包括包络检波(非相干解调)和同步检波(相干解调)。本设计对电路板尺寸有严格要求,因此选用包络检波。选用正向起始电压较低、耐高频的肖特基二极管,组成全桥平均值检波电路。(4)滤波电路检波后信号含有较强高次谐波和噪声,需要对其滤波。由于电路板尺寸受到严格限制,本设计采用一阶低通滤波电路,将高频信号衰减,且削弱高次谐波和噪声的干扰,完成对磁场信号的解调。同时通过调节RC的大小来减小惰性失真和控制滤波电路的截止频率。(5)放大电路信号经过低通滤波器后,增益很小,带负载的能力也很差,加负载后截止频率和增益都将改变,因此需将RC无源网络与集成运放相连组成一阶有源低通滤波器。由于集成运放的输入电阻很大,对RC网络影响很小,使原电路的输出电阻减小,大大增强了电路的带负载能力,同时通过R4、R5引入一个深度的负反馈,实现信号的放大。3.3smd胶片精度测量利用电路制图工具绘制成PCB印制电路板,选用SMD贴片元件焊接并调试,测量其功耗为0.25W。图5为传感器外观,尺寸大小为:28mm×15mm×4mm。4结果4.1数字根据传感器输出电压结果,根据其所测原理计算,将传感器输出与被测磁场-背景图2或5.把传感器放入Helmholtz线圈内,线圈加直流电流,通过改变输入电流的大小来改变磁场强弱,室温下利用KEITHLEY2001数字万用表测量传感器输出电压,得出传感器输出与被测磁场的关系曲线,如图6所示,可计算出此传感器灵敏度为6.5mV/μT,非线性度小于0.78%F.S。4.2磁通密度的测量为了给出传感器在交变磁场下的输出变化曲线,将高频信号发生器产生的高频信号经过功率放大器放大后加到Helmholtz线圈两端,以产生交变磁场,利用LakeShore的Model480磁通计测量磁通,进而计算出磁通密度。通过改变信号频率和放大器的增益来改变磁场频率和磁通密度,使得磁通密度保持在±0.1mT。在此环境下测量,在交变磁场的作用下传感器输出特性曲线如图7所示,可以看出传感器在400Hz以下的交变磁场可以正常工作,频率在400Hz以上时,传感器输出峰-峰值有所衰减,这一现象与低通滤波器截止频率的选择有关,为实现稳定输出,本设计选择了很低的截止频率。4.3温度特性分析利用高低温交变湿热恒温恒湿箱为实验环境,测量传感器的温度特性。结果发现传感器的输出电压随着环境温度的升高而增大,增大幅度小于1mV/℃,此种变化源于非晶丝和电子元件的温度特性,传感器输出随温度的变化如图8所示。5传感器稳定性研究利用非晶丝GMI效应设计制作一种新型磁敏传感器,用于低频弱磁场的检测,并对传感器的输出特性、频率特性和温度稳定性作了初步的研究