【《三轴GMI磁传感器研究的国内外文献综述》4500字】

三轴GMI磁传感器研究的国内外文献综述目前国内外对于三轴GMI磁传感器的研究还处于初步探索阶段。本文通过调研国内外主流三轴磁传感器（非GMI）、单轴GMI磁传感器以及三轴GMI磁传感的研究现状来对本文的磁传感器设计提供借鉴与理论支撑。1三轴磁传感器的研究现状（非GMI）本节调研了目前国内外的主流三轴矢量磁传感器，通过调研其他的三轴非GMI磁传感器如霍尔元件、磁通门、AMR传感器等，能够对三轴GMI传感器的设计起到一定的指导意义。在霍尔元件传感器的研究中，兰州大学宋新昌[26]对基于磁集中器的三轴霍尔磁传感器进行了仿真，磁集中器四周的四个薄片是霍尔元件。集磁器将来自与Z轴方向的磁场导入到X、Y平面内，将四个霍尔元件的输出信号通过模拟电路进行信号调理，不同霍尔元件的输出电压可以相加或相减，从而实现一个三轴霍尔传感器的功能。仿真表明通过这种结构设计可以测量三分量磁场。苏州大学的孙凯利等人将磁通集中器与霍尔传感器结合在一起，研制了一种三轴霍尔元件传感器[27]，也是通过将Z轴方向的磁场转移到X、Y平面上实现三分量磁场的测量。在磁通门传感器的研究中，成都理工大学的高嵩设计了闭环结构的三轴磁通门传感器[28]，如图1.2所示，闭环式三轴磁通门传感器由三轴磁通门探头和磁通门电路组成，磁通门探头包括绕有激励线圈的磁芯、检测线圈和反馈线圈，磁通门电路包括激励电路、信号处理电路和反馈环节，经过反馈电路施加到反馈线圈产生一个与环境磁场反向的反馈磁场，抵消环境磁场的轴向分量，使得磁芯工作在零磁场状态，以提高三轴磁通门传感器的线性度与稳定性。图1.2成都理工大学的高嵩团队设计的闭环式三轴磁通门传感器系统原理框图[28]台北科技大学的卢致诚等人使用集磁器设计了一个三轴磁通门传感器[29]，上方是集磁器，在集磁器下方放置有十字形的磁芯，磁芯底部由方形的激励线圈和四个感应线圈组成。集磁器将Z轴方向的磁场转移到X、Y平面，从而实现平面三轴磁场测量。该磁通门传感器的X轴与Y轴灵敏度分别为122.4V/T，噪声水平为0.11nT/Hz@1Hz；Z轴的灵敏度为11.6V/T，噪声水平为6.29nT/Hz@1Hz。Astrid-2卫星磁通门传感器由瑞典皇家理工学院研制[30]，传感器每个轴都包含各自的16位定点DSP数字信号处理器，取代传统的模拟式处理电路，在传感器信号经过输入放大器之后，直接被采样并在DSP内进行处理，并添加了反馈环节。该传感器功耗2W，测量范围±61865nT，分辨率为0.1nT。在AMR传感器的研究中，加拿大航天局(CSA)为外太空辐射带喷射、运输、加速(ORBITALS)研究任务设计了一个磁通门传感器模型[31]，其用途是在地球辐射带的恶劣环境下，测量低频磁场，其系统所在环境的磁性特性以及静态背景磁场。这个传感器相对传统传感器有两项关键改进：传感器直接数字化、模拟式温度补偿以及反馈部分的数字化。电子科技大学的唐晓莉[32]提出一种基于三轴各向异性磁阻传感器的无线车位检测系统的设计与实现，原理图如图1.3所示。它是结合三轴AMR传感器和紫蜂（ZigBee）无线传感器网络技术，通过提高停车场中车位判定的准确度来提升车位的利用效率，从而来解决停车难的问题。图1.3电子科技大学的唐晓莉等人设计的AMR传感器挤结构框图[32]美新MMC5883MA三轴地磁传感器（AMR）能够实现±8高斯量程16bits工作模式下±0.2%FSR线性度、0.2%FS磁滞、0.2%FSR重复性[33]。其出色的性能为软硬件的抗干扰修正提供更为快速的算法，带来更为精确及快速的方向定位。MMC5883MA采用超小型LGA封装(3mm×3mm×1mm)，工作电压为2.16V~3.6V，可在-40℃~+85℃之间正常工作。MMC5883MA拥有极低的功耗，在每秒采集7个数据时仅为20μA，且噪音极小，仅为0.4mGs，这使得它成为无人机和工业级应用市场的理想选择。MC5883MA实现了单芯片信号处理，并集成了I2C400kHz快速数字接口，可以直接与微处理器连接。通过对其他三轴磁传感器的调研中可以看到，目前在三轴磁传感器设计中用的最多的方法是将三个探头相互两两正交的固定起来，再分别由后端的检测电路对探头的原始信号做处理，从而达到三维磁场探测的目的。2单轴GMI磁传感器的研究现状自从GMI效应被K.Mohri教授发现以来，国内外很多学者从激励部分、检波电路以及探头结构各个方面进行了设计和优化，并成功应用到了传感器领域[34]。1.激励部分的改进日本名古屋大学的Mohri教授团队，是最早在Co基非晶丝中发现GMI效应并将其成功应用于GMI磁传感器和电流传感器的研制。其在适用于GMI传感器的多谐振荡器方面做了深入的研究，提出并实现了多种振荡器的方案，包括Colpitts振荡器、FET共振多谐振荡器和CMOSIC多谐振荡器等[35]；为了进一步优化GMI传感器激励源的设计，使得高频交流激励信号在频率、幅度和相位调节上具有更强的灵活性，法国Asfour等人[36]提出通过直接数字频率合成器(DirectDigitalSynthesizer,DDS)取代传统的多谐振荡器，作为GMI传感器敏感元件的激励源；江苏信息职业技术学院的蒋峰和江苏大学的鲍丙豪等研究了激励电流频率和幅值对非晶带巨磁阻抗效应的影响，研究表明，激励电流的幅值增加，可以提高效应变化率最大值，但磁场灵敏度却在激励幅值为7mA时达到最大值[37]；2.检波电路的优化法国格勒诺布尔大学Asfour团队一直致力于研究GMI磁传感器，他们团队就该方向发表了一系列文章，Asfour团队主要针对GMI磁传感器的后端信号处理电路的设计进行了大量研究，从最开始的二极管峰值检波电路[38]，到后面的数字解调电路[39]；捷克共和国Kraus等人[40]研究反向不对称的GMI效应，以锁定放大器为检波电路的核心，一路作为非晶薄带的激励，通过绕在其外部的拾波线圈采集电压信号，作为传感器探头的输出，另一路作为参考信号，分别连接到锁定放大器的输入端和参考端。后接积分电路，通过电阻R将反馈电流加载到拾波线圈，构成负反馈回路。Asfour团队在最新发表的GMI传感器中的文献中提到了“磁微分”[41]，“磁微分”技术的优点在于GMI磁传感器探头避免使用偏置线圈，保证绝对零点，同时还研究弯曲应力和温度对GMI磁传感器的影响[42-44]；法国诺曼底大学的Dufay团队[45]研究出了低噪声的GMI传感器，该传感器的噪声可以达到15pT/Hz@1Hz；罗马尼亚的Chiriac教授团队设计了单轴GMI磁传感器用于生物检测[46,47]；韩国安东国立大学的SeokSooYoon等[48]设计了一种带负反馈的不对称巨磁阻抗效应磁场传感器，该传感器在抑制磁滞和温度漂移方面具有良好表现灵敏度可以达到0.27×104V/T；此外，西班牙、英国罗切斯特学院等都对单轴GMI磁传感器的检波电路有一定的研究[49,50]。3.探头结构的设计法国的F.Alves选用了一种Fe/Cu/Fe多层膜结构的铁基纳米晶带作为传感器探头，该晶带的阻抗变化率可以达到400%[51]；西班牙巴伦Hector等设计并实现了一种基于巨磁阻抗效应的磁场传感器，该传感器采用双丝结构，在正负130A/m的磁场范围内灵敏度为0.5mV/nT[52]；国内国防科技大学潘仲明教授团队[53]报道了一个高灵敏度的GMI传感器，该GMI传感器的灵敏度可以达到3.9mV/nT；哈尔滨工业大学的马广程教授指导硕士生主要针对地磁测量进行了GMI磁传感器的设计[54]；吉林大学的韩冰对GMI磁传感器的研究主要在材料的选择、制备等方面[55]；北京航空航天大学的蒋颜玮也对GMI磁传感器的敏感材料做了研究[56]，取得一定成果；江苏大学鲍丙豪教授对GMI磁传感器的研究比较集中在材料的制备、工艺、处理、特性等方面[57]；南京航空航天大学的吕维维设计了一个高精度的GMI磁强计[58]；上海交通大学利用线圈与GMI传感器集成设计了一种新型可分离生物分析物检测系统[59]；电子科技大学曹柏泉设计了一款埋入式非对角巨磁阻抗电流传感器[60]；上海大学对GMI传感器应用于生物检测方面进行了调研与总结[61]。华东师范大学的袁立、杨夔龙等研究了电流退火对钴基非晶丝巨磁阻抗效应的影响，结果表明，随着退火电流密度和外加应力的增大，非晶丝的阻抗变化对外加磁场的灵敏度先增大后减小[62]；华东师范大学的张庚华、程金科等研究了在化学镀方法制备非晶丝的过程中镀液的PH值对复合结构丝的巨磁阻抗效应的影响[63]。通过对单轴GMI磁传感器的文献调研，我们可以把单轴GMI传感器的结构分为3个部分，敏感元件、激励部分和峰值检测电路，其结构框图如图1.4所示。其中振荡发生器与电压电流转换器共同构成激励部分，负责为敏感元件提供交变的激励电流；偏置线圈负责为GMI敏感元件施加偏置磁场，使其工作在线性区；峰值检测电路来检测在GMI元件探头上得到的响应电压。图1.4GMI磁传感器结构框图表1.2对上述单轴GMI磁传感器性能的优化方法进行了简单对比总结。表1.2单轴GMI传感器设计方法对比优化GMI传感器性能的手段研究团队主要设计思路主要优点与特色激励部分Mohri团队[35]多谐振荡器提高电路的稳定性，大大降低功耗Asfour团队[36]DDS激励输出信号的频率、幅度和相位精度高，可软件编程控制，调节灵活蒋峰团队[37]改变激励电流提高GMI效应的变化率表1.2（续）单轴GMI传感器设计方法对比优化GMI传感器性能的手段研究团队主要设计思路主要优点与特色峰值检测电路Asfour团队[38,39]二极管峰值检波避免二极管导通阈值的影响数字解调电路软件控制，噪声仅与AD量化有关Kraus团队[40]锁定放大器高信噪比，噪声水平低Asfour团队[41]“磁微分”技术避免使用偏置线圈，进一步减小传感器的尺寸SeokSooYoon团队[48]引入负反馈在抑制磁滞和温漂方面具有良好表现GMI元件探头F.Alves团队[51]Fe/Cu/Fe多层膜结构极大提高了材料的阻抗变化率韩冰团队[55]阵列式探头改善温漂，不但能测大小，还能测方向张庚华团队[63]化学镀制备非晶丝提升材料的灵敏度3三轴GMI磁传感器的研究现状国内外对于GMI磁传感器的研究大都限于单轴，对于三轴GMI磁传感器的文献报道比较少，相关文献调研如下：C.M.Cai团队用非晶丝设计了一个三轴GMI磁传感器[64]，探头是由三个单轴相互正交而成的三轴探头，再分别由后端的三路检测电路采集三轴各自的响应电压值。如图1.5所示为三轴GMI磁传感器结构框图。磁场测量范围为±4Gs，灵敏度超过170mV/Gs，输出电压线性度为2.3%FS。图1.5C.M.Cai团队设计的三轴GMI磁传感器结构框图[64]日本爱知钢铁(AichiSteel)公司研制了一款三轴电子罗盘AMI306R，包括三个MI传感器和IC控制器，三个MI传感器组成三轴磁传感器，用于探测地磁场的三维磁分量[65]。AMI306R传感器的电路框图如图1.6所示。该传感器的分辨力为0.16nT，噪声为0.4nT/√Hz@1Hz，方位精度为±1°，测量范围±1.2mT。图1.6日本AichiSteel公司制备AMI306R传感器电路框图[65]国防科技大学潘仲明教授指导的硕士生陈敏设计了一款三轴GMI磁传感器[66]。三轴GMI磁传感器的原理框图如图1.7所示，该磁传感器由三对差动式非晶丝GMI磁敏探头、三个AMR磁敏探头、三轴亥姆霍兹线圈和激励信号及信号处理电路组成。按一定方式组成GMI-AMR磁传感器，可以提升磁传感器的量程及分辨力。图1.7国防科技大学陈敏等人设计的三轴GMI磁传感器原理框图[66]北京理工大学的邓甲昊教授的博士生韩超设计了一个三维GMI磁传感器[67]，该传感器的探头结构组成如图1.8所示，是由三个单轴的GMI传感器探头两两正交组成。通过后端电路处理实现三维磁场的探测。图1.8北京理工大学韩超等人设计的三维GMI传感器探头结构组成图[67]综上所述，近年来研究学者针对三轴GMI传感器的设计进行了多方面的探索，它们的主要设计思路，传感器的性能指标以及优缺点各有不同，此处将本文所调研的三轴GMI传感器做了简单对比，如表1.3所示。表1.3三轴GMI传感器性能对比研究团队主要设计思路测量范围（Gs）灵敏度（V/Gs）优缺点C.MCai团队[64]三轴探头正交，由后端信号处理电路分别检测±40.17适用于三轴磁场的测量，但无法保证三轴探头的正交性且灵敏度较低邓甲昊团队[67]±1.510有效实现