巨磁阻抗效应磁敏开关的研制讲解

1、摘要 1Abstract: 21引言 22磁敏传感器的概述 42.1 磁敏传感器的定义 42.2 磁敏材料的概述 42.2.1 巨磁阻抗效应 42.2.2 FeCuNbSiB材料 53 GMI磁敏开关电路设计 63.1 电路设计原理 63.2 巨磁阻抗效应磁电转换电路 63.3 低温漂对称电路 93.3.1 对称电路 93.3.2 低温漂型集成运算放大器OP07简介 113.4 整形电路 123.5 GMI磁敏开关总电路图 134 GMI磁敏开关性能测试 134.1 磁敏特性 134.1.1 磁敏性能测试装置 144.1.2 简单LC振荡电路的磁敏特性 154.1.3 低温漂对称电路的磁敏特性

2、 164.2 温度特性 184.2.1 温度性能测试装置 184.2.2 元器件的工作温度 194.2.3 简单LC电路的温度特性 194.2.4 低温漂对称电路的温度特性 20结束语 21参考文献 22附录 24巨磁阻抗效应磁敏开关的研制职业技术教育学院应用电子技术教育专业姓名：罗明珠指导教师：郑金菊（副教授）摘要：本文将利用温度和应力退火后的 Fe基合金薄带具有宽平台和陡峻下降沿的巨磁 阻抗特性，以及其在高温环境下上述特性仍不变的特点，通过结合磁电转换电路和温度补偿电路实现环境温度改变时，开关的工作点和释放点变化小的低温漂磁敏开关的研究。根据 Fe基合金薄带的巨磁阻抗特性，设计一款电路简单

3、、重复性好，无迟滞的LC型磁电转换电路。应用差分放大电路的特征，使它们的温漂相互抵消设计温度补偿电路的原理，实验中采用两个参数完全相同的对称的LC型磁电转换电路和差分放大电路设计GMI磁敏开关电路，设计变温时简易测量装置和挑选低温漂型的电子元器件。重点对GMI磁敏开关进行性能测试，分简单-LC振荡电路以及低温漂对称电路的性能分析表，并进行整理、分析。实验结果 表明：本文所设计的磁敏开关的重复性好，迟滞性小，温漂低。关键词：磁敏开关；巨磁阻抗效应；磁敏特性；温度特性Development of Magnetic Switch Based OnGiant Magnetic ImpedanceMin

4、gzhu luo Director： Jinju Zheng(Zhejia ng Normal Un iversityNo.07440111)Abstract: The paper will apply the temperature and stress ann ealed Fe-based alloy ribb on has wide platform and steep falli ng edge gia nt magn eto-impeda nee characteristics, as well as in high temperature environment, the char

5、acteristics rema in un cha nged, and the n comb ine with magn etoelectricity converting circuit and temperature compe nsatio n circuit, fin ally desig n a low temperature drift GMI (gia nt magn eto-impeda nee) magn etic switch which operat ing point and releas ing point will cha nge little whe n it

6、works at differe nt temperature. The LC type magn etoelectricity converting circuit is developed by the gia nt magn eto-impeda nee characteristics of the ten sile stress ann ealed Fe-based alloy ribb ons. This circuit has simple, good repeatability and no hysteresis. Then, Application of features, d

7、ifferential amplifying circuit, the experiment will apply two LC type magn etoelectricity converting circuit of ide ntical parameters and differential amplifier circuit to design GMI magnetic switch circuit. Besides, the experiment needs to desig n simple measuri ng in strume nt at Variable temperat

8、ure and select low temperature drift electro nic comp onen ts. Focus on performa nee of magn etic susceptibility switch GMI separately static test, dynamic, and simple - LC oscillating circuit and low temperature drift symmetric circuit performance analysis tables. And collation analysis. The experi

9、mental results show that the magn etic susceptibility switch low-temperature bleach ing hysteresis repeatability, sexual small, switch with the in flue nce of the temperature of small.KEY WORDS : Mag netic switch; Gia nt mag neto-impeda nce effect;Mag netic susceptibility characteristics; Temperatur

10、e characteristic1引言信息技术是建立在信息获取、信息传输、信息处理三大基础之上的技术，与 其相对应的就是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系 统的感官、神经和大脑，其中最重要的应属传感器技术。 传感器是将能够感受到 的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的 部分；转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适用 于传输和测量的电信号的部分。传感器的种类繁多，目前常用的有温度传感器、压力传感器、磁敏传感器、 光电传感器、湿度传感器和红外传感器等，

11、 其中磁敏传感器在磁场检测、自动控 制、位移测量和无损探伤等领域应用最为广泛。简单来说，磁敏传感器就是指能 够接受磁信号，并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。磁敏传感器是 伴随测量磁场的仪器进步而逐渐发展起来的， 在众多的测量磁场的方法中，大都 是将磁信号变成电信号。随着科学技术的进步与发展，磁敏传感器的种类也越来 越多，主要有：霍尔效应传感器、磁阻传感器、巨磁阻效应传感器、超导量子干 涉传感器和巨磁阻抗效应传感器。巨磁阻抗效应传感器是利用近年来在非晶材料 中发现的新型的巨磁阻抗效应而设计的传感器，由于其具有灵敏度高、尺寸小、 响应速度快和功耗低等优点，使得其非常具有研究和应用价值。磁

12、敏开关是磁敏传感器具体应用的一种， 简单来讲，磁敏开关是利用磁场强 度的不同来控制开关的导通与关断。由于磁敏开关具有体积小、功耗低和价格低 廉等优点，使得它在转速检测与控制、安全报警装置、纺织控制系统、汽车点火 器和无触点开关等领域应用非常广泛。在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感 器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的 磁敏元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能 优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。1988 年铁基纳米微晶材料的问世，在材料研究、生产工艺以及

13、应用开发等各方面，都得 到了快速发展。铁基纳米微晶是一种新型的纳米磁敏材料，有巨磁阻(GMR)或巨 磁阻抗效应(GMI),用它组成的器件具有灵敏度高、体积小、响应快以及非接触 等特点与传统的霍尔和磁电阻传感器相比具有灵敏度高、温度稳定性好、工作温度范围宽、使用寿命长等优点，从而可以在很多领域内替代原有的传感器，使产 品的自动化控制系统提高到一个新的水平。因此利用铁基纳米微晶材料的磁敏特性研制磁敏传感器无疑是具有要的现实意义和广泛的应用前景。2磁敏传感器的概述设计基于巨磁阻抗效应的磁敏开关，必然需要对磁敏传感的认识和对巨磁阻抗效应的理论进行一定的研究。我们需要知道采用何种组分制备非晶材料以及采

14、用哪些方法对非晶材料进行处理，从而提高非晶材料的巨磁阻抗效应。此外，应用不同的驱动方式时对实现巨磁阻抗效应有何影响。本章将针对这一系列的问题进行详细的阐述和分析。2.1 磁敏传感器的定义磁敏传感器是一种把磁学物理量转变成电信号的期间， 广泛应用于自动控制、 信息传递、电磁测量等领域。它是传感器产品的一个重要组成部分。 与半导体和 电介质传感器相比，磁敏传感器具有磁场检测灵敏度高，可靠性高等优点。2.2 磁敏材料的概述2.2.1 巨磁阻抗效应当一个小的交流电通过一个软铁磁导体时，导体的交流复阻抗会随着磁场的变化而发生很大的变化，这就是所谓的巨磁阻抗效应。阻抗(Z)与外加磁场(H)的相对变化用Z/

15、Z% =100% Z(H) -Z(Hmax)(2-1)Z(Hmax)表示，这就是巨磁阻抗效应的定义，也就是通常用这个公式来衡量巨磁阻抗效应 的大小，这里Hmax通常是足以使阻抗饱和的外磁场。实际上，Hmax的值可由给定 的实验设备得到。许多研究者在公式2-1中使Hmax=0,虽然这样定义可能不恰当， 因为Z(0)的值取决于材料的剩磁状态。图 2-1是实验中所用的巨磁阻抗测量电 路，其中亥姆霍兹线圈是由直径为 0.29mm的漆包线绕制650匝而成。亥姆霍兹线圈驱动磁场11HP42942A 型阻抗分析仪图2-1巨磁阻抗测量装置2.2.2 FeCuNbSiB 材料FeCuNbSiB系的Fin eme

16、t合金是由大部分的晶化相(70%和少量的非晶界 面构成。晶化相直径为1020nm,其中基本是具有DO3超点阵有序结构的a -Fe(Si)相；界面相是富有Cu Nb元素的非晶结构微晶化处理是获得良好磁性能的最关键工艺之一，磁粉芯的电感L先随微晶化温度升高而增大，到500C左右开始下降，品质因数 Q值则先随微晶化温度升 高而下降，到500C左右开始上升。处理温度低时，磁粉芯的非晶组织微晶化不 充分，纳米晶组织不明显；到 500C左右时形成纳米晶组织，性能达到最佳，再 升高温度晶粒继续长大，逐渐失去纳米晶组织特征。研究表明该合金的最佳微晶 化温度为500C左右。原始非晶态Fe73. 5CuN b3S

17、ii3. 5B9条带是用单辊快淬法制得，112mm宽,25卩 m厚。将长度为4cm的条带在氮气保护下，温度在550C ,退火40 min即可制成 Fe基纳米晶；样品用丫4Q型X射线衍仪检测纳米微晶；再用4294A阻抗仪测量其 巨磁阻抗效应。退火温度为540C时可得到Fe基合金薄带最大的巨磁阻抗比，所 以应力退火实验中将采用540C和183Mpa应力对Fe基合金薄带进行应力退火处 理，然后用HP4294型阻抗分析仪测量应力退火后的Fe基薄带的巨磁阻抗。测量 时采用的驱动频率为600KHz实验中先对铸态样品的巨磁阻抗进行测量，其实验结果如下：图2-5 183MPa退火后的Fe基合金薄带的 GMI曲

18、线及其对应的电路输出电压曲线 分析以上图后，我们可以看出温度应力退火后的Fe基合金薄带的巨磁阻抗比曲线与电路输出电压和磁场的关系曲线能对应，这与理论分析的结果一致。从曲线中可以看出，电路的输出电压有明显的高低电平两种状态。3 GMI磁敏开关电路设计3.1 电路设计原理应用差分放大电路的特性，使它们的温漂相互抵消设计温度补偿电路的原理， 巨磁阻抗效应磁敏开关电路将采用两个参数完全相同的对称的LC型磁电转换电路接在差分放大电路的两个输入端，其中一个LC型磁电转换电路包含一个自绕的电感线圈，而另一个则没有，电感线圈中内置Fe基合金薄带的LC型磁电转换 电路的输出电压与外磁场的变化有关。且输出电压与磁

19、场的关系曲线与上述一 致，呈现出高低电平状态；不包含 Fe基合金薄带的磁电转换电路的输出电压与 磁场无关。把这两个信号作为差模信号接入差分放大电路，从而使最后的输出电压信号受到磁场的调制，并呈现出高低电平状态。此外，由于两个LC型磁电转换电路的参数完全一致，当环境温度改变时，两个电路输出电压的变化基本一致， 当把这两个输出电压信号相减后， 它们的差只与外磁场有关，而基本不受环境温 度的影响，并且差分放大电路中的集成运算放大器为低温漂型和Fe基合金薄带具有的宽平台和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性在高温环境时仍不变的特点，从而实现具有温度补偿特性低温漂的 GMI磁敏开关电路的设计。3.2 巨磁阻抗效应磁

20、电转换电路巨磁阻抗效应的发现者K.Mohri最先设计了一个经典的GMI磁电转换电路， 通常称之为考毕兹（colpitts）振荡电路，电路示意图如下：图3-1所示，Vcc为直流稳压电源，C1和C2均为反馈电容，Vout为电路的输出 直流电压。电路工作的基本原理是：非晶丝连接在三极管的基极和集电极之间， 相当于一个电感元件。利用具有巨磁阻抗效应的非晶丝的电感量L和反馈电容C1和C2来使电路起振，从而在P点产生正弦波信号，最后由RC整流电路将正 弦波信号整成直流电压后输出。考毕兹振荡电路的振荡频率表示如下：(3-1)式中：Ri为电路自身存在的内阻，L为非晶丝的电感量，r为非晶丝的直流 电阻，非晶丝的

21、阻抗值表示为Z =r j2二fL。这个电路的优点是：电路设计非常 简单，功耗小；电路的灵敏度比较高，约为 10%/0e100%/0e；电路能分辨的最 小磁场也比较小，约为10Oe。国内针对这种研究比较多的学者有华东师范大学的杨燮龙，浙江师范大学的方允樟，郑金菊等人。郑金菊研制的 LC型磁电转换电路示意图分别如下所示：-Lei图3-3 LC型磁电转换电路图3-3所示的电路主要有两部分组成，一部分是由电容和电感等组成的电容三点 式振荡电路，另一部分是RC低通滤波电路。电路的工作原理与经典的考毕兹振 荡电路基本相同，所不同的是采用纵向驱动来实现非晶丝或带的巨磁阻抗效应， 即在电路中的电感部分为自绕的

22、一定内径和匝数的线圈（内置非晶丝或带），即自绕磁敏传感头。线圈内径为2.75mm,直径为0.07mm的线圈绕200匝（见图3-4.）图3-4自绕磁敏传感头而这正好解决了非晶材料和电路板焊接比较困难的问题（因为在实验中所采用的非晶材料组成成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，而常用的电路板主要成分为 Cu，因此 用普通的焊接方法很难焊接成功）。该电路的基本工作原理是：当电容三点式振 荡电路的线圈中没有加入非晶材料时，振荡电路满足振荡条件，能产生振荡信号 且信号的幅度也很大，然后经过RC低通滤波电路后电路输出的直流电压平均 值达到几伏。当线圈中放入非晶材料而未外加磁场时，电路的涡流损耗大

23、，导致电感线圈的Q值低，输出电压迅速减小，甚至导致振荡电路无法起振。当加上外加磁场时，非晶材料在磁场作用下开始显示其巨磁阻抗效应 ，涡流损耗减小，电 感线圈的Q值升高。此后，随外加磁场的逐渐增强，电路的输出电压随之逐渐增 大；但当外加磁场增强到一定程度后，非晶材料达到磁饱和的状态，这是电路输 出直流电压随磁场强度的增强变化趋缓，最后趋于不变。电路的振荡频率表示 为：C1C2C1 c2(3-2)其中L为自绕的电感线圈与非晶材料的等效电感量。通过对上述GMI磁电转换电路的分析和研究，以及要采用这个电路设计磁敏 开关的特点，实验中采用的电路为 LC型磁电转换电路，具体电路示意图如下所 示：电路中的电

24、子元器件的具体参数为： Rb=33，3= C2=100pF Re=510Q， R=100, C=500pF三极管型号为9013,二极管型号为IN4007，L1为自绕的 电感线圈，线圈的内径为2.75mm直径为0.07mm的线圈绕200匝而成3.3 低温漂对称电路3.3.1对称电路本文研究的GMI磁敏开关电路就是可以实现温度补偿的磁电转换电路。温度 补偿电路，简单来说，是指设计的电路满足环境温度改变时其输出特性保持不变 或者变化比较小，即抑制电路温度漂移。现有技术中，一般采用如下的方法抑制温度漂移：第一是在电路中引入直流负反馈；第二是采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化；第三是采用

25、特性相同的管子，使它们的温漂相互 抵消，构成温度补偿电路，本实验正是采用此种方法。实验中的温度补偿电路即 是GMI磁敏开关的电路。通过对LC型磁电转换电路的分析，可以看出该电路的重复性好，迟滞小，但其温度稳定型较差，为此实验中会在此电路的基础上进行温度补偿电路的设 计，基本电路示意图如下：图3-6低温漂对称电路上图所示的电路主要有两部分组成：一部分是两个参数完全相同的对称的LC型磁电转换电路，不同的是其中一个 LC型磁电转换电路中自绕的电感线圈内置 Fe 基合金薄带，而另一个LC型磁电转换电路中只接入固定电感并且内置退火后的 Fe基合金薄带，即电路的频率不随着磁场的变化而发生变化；另一部分是差

26、分 放大电路。电路的基本工作原理是：电感线圈中内置退火后的Fe基合金薄带的LC型磁电转换电路的输出电压与外磁场的变化有关，且输出电压与磁场的关系 曲线与上述一致，呈现出高低电平状态；不包含Fe基合金薄带磁电转换电路的输出电压与磁场无关。把这两个信号作为差模信号接入差分放大电路，从而使最后的输出电压信号受到磁场的调制，并呈现出高低电平状态。此外，由于两个 LC型磁电转换电路的参数完全一致，当环境温度改变时，两个电路输出电压的 变化基本一致，当把这两个输出电压信号相减后，它们的差只与外磁场有关，而基本不受环境温度的影响，并且差分放大电路中的集成运算放大器为低温漂型， 从而最后实现环境温度改变时，开

27、关的工作点和释放点变化较小低温漂的磁敏开 关的研制。差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路的基本单元电路，由典型的工作点稳定电路演变而来的，其主要的作用有两个：第一，对共模输入信号的抑制作用。当两个输入信号为大小相等，方向相同的信号时，由于电路的对称性和共模 的负反馈作用，输出共模信号很小。双端输出时，输出共模信号近似为零；第二, 对差模信号的放大作用。当两个输入信号为大小相等，方向相反的信号时，由于电路的对称性，两个输出端有大小相等、方向相反的差模信号输出。双端输出时， 输出差模信号等于两边输出电压之和，即该电路对差模信号有较大的放大能力。 当在电路对称的条件下，差分放大电路具有很强的抑制零

28、点漂移及抑制噪声干扰 的能力。目前差分放大电路除了应用三极管进行对称电路的设计外，最常用的是用集 成运算放大器进行电路的设计。集成运算放大器可分为如下几类： 通用型运算放 大器、高阻型运算放大器、低温漂型运算放大器、高速型运算放大器、低功耗型 运算放大器、高压大功率型运算放大器。本实验中选用低温漂型运算放大器OP07 3.3.2 低温漂型集成运算放大器OP07简介实验中选用的是低温漂型集成运算放大器 OP07 OP07芯片是一种低噪声、 非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输出失调电压（最 大为25卩V）,所以OP07在很多应用场合不需要的额外的调零措施。 OP07同时具

29、 有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。图5-2为OP07的管脚图：Offset Null 1Enverting InputNon-inyertig InputVcc-8165Offset Null 2OutputN.C.如图所示，OP07共有八个引脚，其中1和8为调零端，2为反向输入端，3为正向输入端，4为接地端，5为空，6为输出端，7接电源。OP07的电源电压为土22V,电压飘移最大为0.5卩V/C,工作稳定性高最大2卩V/Mo nth，工作温度范围为-40-105 C。3.4 整形电路把磁电转

30、换电路的输出整形成高低电平，使之具有开关特性；整形电路采用555定时器构成的施密特触发器。555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相 结合的一种双极型中规模集成器件。 外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的 单稳电路。态电路的组成和波形如图6-3所示。当电源接通后，Vcc通过电阻R向电容C 充电，待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时，RS触发器置0,即输出Vo为低电平， 同时电容C通过三极管T放电。当触发端的外接输入信号电压 Vi v 1/3Vcc时， RS触发器置1,即输出Vo为高电平，同时，三极管T截止。电源Vcc再次通过R 向C充电。输出电压维持高电平的时间取决于RC的充电时间，当t=t

31、 w时，电容上的充电电压为；上、2Vc =Vcc 1 - e a = Vcc(3-3) 1000pF。值得注意的是：t的重复周期必须大于tw,才能保证放一个正倒置脉冲起作用 由上式可知，单稳态电路的暂态时间与 VCC无关。因此用555定时器组成的单稳8电路可以作为精密定时器C71nF452r V qDCCVGT ROT H376bR13155|VCCU2图3-8单稳态电路的电路图和波形图3.5 GMI磁敏开关总电路图L1B82412A1103K000C11 1nF(FJ1C21nF+12VJ3VCC 1GND亠J22N1711R31N4007R20R11N4007R10L2C40R1B8241

32、2A1103K0001nFR6C31nFC71nFR/0R-U2VCC87526555R9R80R1D5LED-RED2N1711C51nFD41N4007R12R110R1C61nFD31N4007根据上一章节中测量Fe基合金薄带的巨磁阻抗比曲线时所采用的驱动频率 为600KHz电容三点式振荡电路的振荡频率也约为 600KHz电路中的电子元器 件的具体参数为：Rb=33, L2=100卩 H, 3= C2=100pF Re=510Q , R=100 ,C=500pF三极管型号为9013,二极管型号为IN4007, L1为自绕的电感线圈， 线圈的内径为2.75mm直径为0.07mm的线圈绕20

33、0匝而成4 GMI磁敏开关性能测试电路中的电子元器件参数确定后，接着进行电路图的绘制以及电路板的制 作，然后把电路和Fe基合金薄带结合起来进行整体调试，最后应用实验装置进 行电路的输出电压和磁场的关系的测量。本章节具体分析GMI磁敏传感器的静态 性能和温度性能，静态性能主要分为简单电路-LC振荡电路的静态性能和低温漂 对称电路的静态性能。同样温度性能主要分为简单电路 -LC振荡电路的温度性能 和低温漂对称电路的温度性能。通过大量实验数据分析其性能。4.1 磁敏特性传感器的静态特性即磁敏特性，是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入 关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含

34、有时间 变量。衡量静态特性的重要指标有灵敏度、线性度、迟滞性和重复性等。本文主要讨论迟滞性和重复性。 传感器在输入量由小到大（正行程）及输入 量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不等， 这个差 值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值Hmax与满量程输出值YFS之比称为迟滞误差，用丫 H表示，即丫 h= Hmax/YFs x 100%（4-1）产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和4机械另部件的缺陷所造成的。迟滞误差又称为回查或变差。重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量

35、程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差S计算，也可用正反行程中最大重复差值厶Rmax计算，即丫 R = + （23） S / Yfsx 100%或 丫 r = + Rmax/ YfsX 100%（4-2）4.1.1磁敏性能测试装置这里采用磁场描绘仪来产生一个可变的磁场强度，用它作用于电路，通过调节磁场强度来达到改变输出电压的目的。具体的测试实验框图如图4-1所示。（a）磁场部分框图（b）电路部分框图图4-1静态性能测试实验框图图（a）是产生磁场的电路框图，电源1、直流毫安表和磁场描绘仪的型号分别是WY-30V2/直流稳压电源、C31/1-mA型和2E-1

36、、规格R=10cm三台仪器是 串联在一起的，通过调节可调电源1输出电压，在直流毫安表上反映出输出电流 的大小，最终是改变磁场描绘仪产生的的磁场强度。 磁场描绘仪又称亥姆霍兹线 圈，它是由直径为0.29mm的漆包线绕650匝而成的。电流和磁场强度之间的换算公式是: 24 1I5丿uNIR(4-3 )这里 u0 =4二 x 10 H/m, N=650匝，R=10cm图（b）是电路部分框图，电源2和数字存储示波器的型号分别是 WYD-4稳压电源和 Tektro nix TDS2012 TWO CHANNEL DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPE 100MHz 1GS/S测试时将电

37、路上的自绕线圈与亥姆霍兹线圈垂直放置，由于中间位置磁场强度最大且为均强磁场，因此还要放在最中间的位置。如图4-2所示。电派1红-宜流i图4-2自绕线圈与亥姆霍兹线圈的放置图4.1.2 简单LC振荡电路的磁敏特性实验中，通过调节电源输出电压，使流过亥姆霍兹线圈的电流从 0到700mA之间变化（外加直流磁场从0到2092.95A/m之间变化），并在室温下利用GDM8145数字万用表测量结合不同晶带的电路输出电压。实验中将选取退火应力大小为图4-3 LC振荡电路随磁场变化的重复性曲线图4-3是两组重复性数据测量结果（环境温度为20C）,具体数据见附录1.T1T3两曲线是外加磁场从小增大（正行程）时，

38、电路输出电压变化的情况，通过 计算式算出重复值：丫 R = + S /YFs X 100%(4-4)= 2 X 0.036/1.036 X 100% = 5.9 %两组数据曲线完全重叠，说明该电路的重复性比较好。Hex (A/m)图4-4 LC振荡电路随磁场变化的迟滞性曲线图4-4 T1, T2两曲线是外加磁场从小增大又从大到小(正反行程)时，电路输 出电压变化的情况，具体数据见附录2。通过计算式算出迟滞值：丫 H = Hmax/YFs X 100%=0.036/1.036X 100 %(4-5)=3.475%两组数据曲线几乎重叠，说明该电路迟滞非常小。4.1.3 低温漂对称电路的磁敏特性通过

39、4.1.2节的LC振荡电路的磁敏特性分析，当环境温度变化的时候，该 电路的输出特性明显不稳定，其主要原因是：电路中的的三极管的特性随温度的 变化而发生大的变化，也就是常说的温度漂移，所以实验中仅仅只用这个电路来 设计低温漂的磁敏开关是不可行的，而是要设计具有温度补偿功能的电路。在实验中，对低温漂对称电路的输出电压随外加磁场的变化进行了多次的测 量，具体数据见附件1,为了进一步分析其迟滞性和重复性，实验中将选取退火 应力大小为183Mpa的Fe基合金薄带为代表进行详细的分析测量的实验结果如 图所示：Hex (A/m)图4-5低温对称电路随磁场变化的重复性曲线图4-5是两组重复性数据测量结果（环境

40、温度为 20C） , T1、T2两曲线是外加 磁场从小增大（正行程）时，电路输出电压变化的情况，具体数据见附录3。通过计算式算出重复值：丫 R = + S /YFs X 100%= 0.015/0.650 X 100%（4-6）= 2.3 %两组数据曲线完全重叠，说明该电路的重复性非常好。Hex (A/m)图4-6低温对称电路随磁场变化的迟滞性曲线图4-6 T3 , T4两曲线是外加磁场从大增小（正反行程）时，电路输出电压变化的情况，具体数据见附录4。通过计算式算出迟滞值：丫 H = Hmax/YFs X 100%=0.027/0.650 X 100 %=4.15%（4-7）两组数据曲线几乎重

41、叠，说明该电路迟滞非常小。4.2 温度特性温度特性指标主要是指GMI磁敏传感器的开关特性与温度的关系，即将温度 测试装置达到不同温度（40C100C ）时，磁敏开关的工作点和释放点与温度 的关系及影响，即温度漂移，传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。最常见的漂移是温度漂移， 即周围环境温度变化而引起输出的变化， 温度漂移主要表现为温度零点漂移和温 度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境色温度偏移离标准环境温度（一般为20C）时的输出值变化量与温度变化量之比（Z ）来

42、表示，即Z=y i y 20 /t（4-8）式中：At工作环境温度t偏离标准环境温度t20之差，即t = t t 20 ；y i传感器在环境温度t时的输出；y 2 0 传感器在环境温度t 2 0时的输出。4.2.1温度性能测试装置为了测试磁敏开关在不同的环境温度下，开关的工作点和释放点的变化情况，实验中产生高温的装置（125 C左右）和磁场要结合起来，为此设计的加热测 量装置如下图：图4-7温度特性测试装置图中所示的简易高温测量装置示意图主要可以分为两部分：一部分是用来产生均匀磁场的亥姆霍兹线圈，其磁场大小随外加电流的大小变化而变化；另一部分是用来产生高温的装置，考虑到铜的导热性非常好，该装置

43、主要是用薄铜片来制作。 实验中为了让这个装置可以放在亥姆霍兹线圈的中央位置，先是裁剪一个与亥姆霍兹中央区域大小一致的薄铜片，并且在薄铜片的两端放置两个电烙铁，然后再 用薄铜片制作成一个无盖的正方体（用来放置磁敏开关）放在薄铜片的中心位置， 最后用石棉把薄铜片全部盖住。实验过程中，电烙铁通电以后，由于薄铜片的良 好导热性以及石棉的保温功能，就可以在较短时间内产生比较高的温度。从而达到实验的要求和目的。实验中需要注意的是，薄铜片的中心位置也要是亥姆霍兹 线圈的中心位置，因为亥姆霍兹线圈的中心位置处磁场最强。磁敏开关的电路原理图设计成功后，下一步要进行电子元器件和具体参数的 选择。选择电子元器件时要

44、满足电子元器件受温度的影响尽量小，设计具体参数要使LC型磁电转换电路的振荡频率为600KHz左右和差分放大电路的放大倍数为 10倍左右。422 元器件的工作温度表4-1工作温度下元器件的参数选择元器件工作温度元器件工作温度电阻-20 C-130 C二极管-20 C-130 C电容（磁片）-20 C-130 C三极管-20 C-130 C电感-20 C-130 COp07-60 C-150 C555-20 C-130 CPCBa（树脂）v=150C漆包线v =155C中性硅酮密封胶v=200C4.2.3 简单LC电路的温度特性本节着重分析两种开关电路（简单 LC振荡电路和低温漂对称电路）随着温

45、度变化时的电压输出关系的比较，得出低温漂对称电路的优势。实验中将选取退火应力大小为的Fe基合金薄带为代表对LC振荡电路以及低温漂对称电路的性能 进行测试。具体实验数据见附录 2,实验测量结果如下，具体数据见附录 5.4.03.50500100015002000Hex (A/m)图4-7 LC振荡电路随电压变化的电压输出曲线图4-7为LC振荡电路随电压变化的电压输出曲线，当温箱装置将设置温度范围为(100C 90C 80C 60r 70r 50r 40r)时该电路的电压输出情况， 可以 看出，温度不同时的各组曲线上下波动有些大，说明该电路的温漂有些大。4.2.4 低温漂对称电路的温度特性0.6

46、-Vu 0.40.2d ed ed ed ed ed e0.0 4r05001000Hex (A/m)15002000图4-8低温漂对称电路随电压变化的电压输出曲线图4-8为低温漂对称电路随电压变化的电压输出曲线，从上图看，当电压温度变化从110C到40C时，与LC振荡电路相比，该电路的各组曲线上下波动明显减 小，说明低温漂对称电路的温漂抑制比简单LC振荡电路要好。具体数据见附录T(C)图4-9两种不同开关电路的开关点与温度的关系曲线图4-9是两种不同开关电路的开关点与温度的关系曲线，图中danhuilu曲线是简单LC振荡电路的工作点与释放点与温度的关系， buchangdi曲线是GMI磁敏

47、开关的工作点与释放点与温度的关系， 可以明显的看出，简单LC振荡电路与GMI 磁敏开关相比，不同温度下开关的工作点与释放点变化明显要大的多。 可以用计 算值算出两种开关的温度漂移量得百分比：简单LC振荡电路的偏移量百分比是：189.4 % ，低温漂对称电路的偏移量百分比是 33.2 %。所以要采用对称电路 来抑制温漂，从而实现开关功能。结束语本文围绕如何减弱磁敏开关的开关点和释放点受温度的影响开展实验研究。首先介绍利用巨磁阻抗效应设计低温漂的磁敏开关的原理，其次，应用温度应力退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄带设计磁电转换电路和温度补偿电路，实现低温漂的GMI磁敏开关的设计

48、；最后，对磁敏开关电路进行性能测试，并利用大 量数据分析其优越性。实验研究的主要结论如下：根据温度应力退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄带的巨磁阻抗特性，设计一款电路简单、重复性好，无迟滞的LC型磁电转换电路，并在此电路的基础上结合差分放大电路实现温度补偿电路的设计，从而研制出GMI磁敏开关。该开关重复性好，无迟滞，开关的工作点和释放点受温度影响小。在这次毕业设计中，学到了很多不曾学过的东西，在各方面知识和能力都有 很大的提高。使我学会了如何更好地利用一些资源和工具如图书馆及一些软件查 阅资料。遇到一些原理性不懂的时候就要去有针对性地查找资料或者请教知道老 师和其他同学，然后加

49、以吸收利用，提高了自己的应用能力，扩充了自己的知识储备，同时提高了动手能力。在做毕业设计过程中也充分认识到自己所学的不足， 这些都激励着我更努力的学习，能力有限，但努力无限。在这，我要特别感谢我的导师郑金菊老师，她耐心地指导我，让我学到很多的知识。也特别感谢我的师姐蔡晶在毕业设计过程中给我的真诚帮助。参考文献1 章吉良，周勇，戴旭涵等微传感器原理、技术及应用M.上海：上海交通大学出版社， 2005: 1.2 毛赣如,姚素英,曲宏伟.新型半导体集成磁敏传感器的研究J.电子测量与仪器学报,1996,10(4) :19-23.3 Kraus L. GMI modeling and material

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