【《三轴GMI磁传感器的需求与总体设计方案分析》4100字】

三轴GMI磁传感器的需求与总体设计方案分析目录TOC\o"1-3"\h\u104671.1GMI效应的磁传感原理 110081.2GMI磁传感器敏感元件磁性能测试 3111281.2.1激励电流频率对GMI效应的影响 4257981.2.2激励电流幅值对GMI效应的影响 5233841.2.3偏置磁场对GMI效应的影响 6147511.3三轴GMI磁传感器总体设计方案 8巨磁阻抗（GMI）效应是指软磁材料的阻抗随磁场变化而发生明显变化的现象。对于GMI效应研究中，提高磁传感器件材料性能是重点之一，本章阐明GMI效应的物理机理及其磁性能和电性能对材料性能的表征原理，通过实验探究本文所使用的GMI敏感材料的最佳激励电流幅值、频率以及偏置磁场，为后面调理电路的设计提出设计需求以及总体设计方案。1.1GMI效应的磁传感原理1.软磁材料阻抗的定义在电动力学理论中，软磁材料的阻抗被定义为(1.1)其中Iac代表穿过敏感材料的高频交变电流，Vac代表敏感材料之间的电压响应值。图1.1为敏感材料阻抗定义的原理图。图1.1材料阻抗定义的原理图值得注意的是，公式(1.1)的阻抗定义式是对于均匀导体而言，不适用于非均匀导体。一般在计算长度为L，截面积为q的软磁材料，其阻抗表达式为(1.2)其中Ez和jz分别表示软磁材料径向的电场强度和电流密度，Rdc为元件的等效电阻，S表示敏感材料的表面积，而q<jz>q表示穿过截面q的电流密度的平均值。进一步考虑材料外部的阻抗张量值，表达式也可以表示为(1.3)其中ρ代表敏感元件的电导率，q和l分别代表元件的横截面积和径向长度，hZ和hϕ分别代表元件径向和圆周方向的磁场强度。可以看到，铁磁材料的阻抗值是交变电场和磁场相互叠加作用下的结果。公式(1.2)中的电流密度jz和公式(1.3)中的磁场强度h的计算是求解材料阻抗表达式的基础，这些参数的计算需要通过运用连介质中的电动力学理论，并求解材料中的Maxwell方程以获得其中电磁场的分布来解得。1.磁阻抗的调制机理根据前文软磁材料阻抗的定义，进一步分析其磁阻抗的调制机理如下：以矩形非晶薄带为例，激励信号电流于长度方向加载在材料两端，而外磁场方向与激励电流方向平行，且材料各处所处磁场均相同，因此抽象出GMI效应的物理模型如图1.2所示。图1.2矩形非晶薄带物理模型图1.2中，激励电流为I(t)，外磁场为Hex，材料的长度为l，宽度为w，厚度为d，分别与坐标轴的X轴、Y轴、Z轴方向平行。此处研究材料沿激励电流方向的阻抗，即X轴方向的阻抗。学者们通过在经典电磁学框架下的Maxwell方程联立，计算通以正弦交变电流I=Iacexp(-jωt)激励情况下样品中电场和磁场的分布情况，进而求得单层软磁薄带的阻抗表达式为(1.4)式中，Rdc为直流电阻，d为薄带厚度的一半，coth(x)为双曲余切函数，k=(1+i)/δ，δ为薄带的趋肤深度（高频交流电通过导体时，由于趋肤效应，电流在导体内部的分布并不均匀，而是会趋于导体表面，电流集中部分的厚度称为趋肤深度[22]），趋肤深度的计算公式如下：(1.5)式中，δ为趋肤深度，ω为激励电流的频率，σ和μϕ分别为薄带的电导率和横向磁导率，此处使用SI(国际)单位制。至此，结合式(1.4)和式(1.5)，对软磁材料阻抗的调制机理可以被解释如下：由于外加磁场发生改变，继而导致软磁材料的横向磁导率发生变化，从而改变导体的趋肤深度，趋肤深度的改变也就直接影响了导体阻抗的变化。1.2GMI磁传感器敏感元件磁性能测试当前适合用作研究的软磁材料种类繁多，根据构成元素的不同，我们可以把它们分为Fe基、Co基和FeNi基三类。其中Co基非晶软磁材料因为其具有饱和磁化强度较低、磁导率高、矫顽力小的特点，在GMI效应磁传感器的研究领域具有很好的应用价值。本论文中使用的GMI软磁材料为德国VAC公司的VITROVAC6025Z非晶薄带，实物图如图1.3所示，对应的相关磁性能参数如表1.1所示。图1.36025Z非晶薄带实物图表1.1VITROVAC6025Z磁性能参数项目性能参数饱和磁感应强度Bs0.58T(25℃)最大磁导率μmax500×103矫顽力Hc19A/cm(25℃)磁致伸缩系数λs<0.2×106双极磁通密度ΔBss1.15T(25℃)居里温度Tc240℃以上所阐述的为GMI软磁材料的静态性能，是GMI元件的固有属性。而GMI元件的动态磁性能，不仅受限于元件的固有属性，同时也和元件本身的大小尺寸、激励条件、激励电流频率等因素有关。表征GMI动态性能的2个及其重要的参数是阻抗变化率和灵敏度。一般而言，在特定的磁场作用下，GMI元件的阻抗相对变化率，被定义为该磁场下的GMI变化率，其表达式为(1.6)其中Z(H)表示磁场强度为H的GMI元件当前的阻抗值，Z(Hmax)表示外加的磁场变化最大时元件的阻抗值，这一数值也被称为GMI效应的基准值。在设计GMI效应的磁传感器中，另外一个表征元件GMI效应的重要参数是传感器灵敏度，其定义是元件的阻抗值对外磁场的导数，表达式为(1.7)其中H代表外加磁场的大小，Z(H)表示元件对应的阻抗值。可以看到，GMI元件的灵敏度并不固定，会随着外加磁场的变化而变化。1.2.1激励电流频率对GMI效应的影响通过公式(1.2)与(1.3)可以看到，激励电流的频率对材料的阻抗变化率起决定性的影响，为了研究二者的关系，我们进行了相关的实验探究。通过采用罗德&施瓦茨公司的网络分析仪(VNA)测试GMI元件的阻抗变化曲线。将敏感材料与网络分析仪连接起来，网络分析仪与电脑相连，利用编写好的GMI自动测试系统控制网络分析仪来进行测试。在磁场Hex[-20,20]Gs范围内，激励频率从500KHz一直增加到50MHz，不同激励频率下，测得的6025Z非晶薄带的阻抗值随外加磁场的变化关系曲线如图1.4所示。图1.46025Z非晶薄带阻抗值随外加磁场变化关系曲线因为材料在不同激励频率时的的阻抗值变化很大，且起点并不一致，所以Z-H曲线无法直观地看出材料在不同激励频率下GMI效应的强弱，所以我们一般采用元件的阻抗相对变化值随外加磁场变化的曲线来衡量GMI效应的强弱。利用公式(1.6)可以确定材料的相对阻抗变化率，结果如图1.5所示。图1.56025Z非晶薄带阻抗变化率与外磁场关系曲线由图1.5可知，随着外磁场的改变，GMI元件的阻抗变化率发生了显著的变化，且阻抗变化率的最大值和激励频率的大小有关。在500KHz~50MHz频段范围内，随着激励频率升高，材料的阻抗变化率的最大值总体上呈现出先增大后减小的趋势，在频率f=15MHz时取得最大值(ΔZ/Z)max=221%，但过高的激励频率会给后续调理电路的设计带来不小的难度，而5M激励下的GMI效应也能到达210%，综合考虑，确定GMI元件最佳激励频率为5MHz。1.2.2激励电流幅值对GMI效应的影响激励信号的幅值与GMI传感器敏感元件的GMI效应密切相关，GMI传感器敏感元件在没有达到磁饱和条件之前，趋肤效应的深度随激励信号幅值的增大而增大，GMI传感器敏感元件探测磁场的灵敏度也随之增高。由于GMI传感器敏感元件的GMI效应受激励信号的幅值影响很大，激励信号的幅值不同会导致磁场灵敏度的差异和非线性，所以对于激励信号幅值的选取研究意义重大。在蒋峰[57]等人研究频率对GMI效应的影响的同时，也做了同一激励频率下，不同激励电流幅值对GMI效应影响的实验。实验中激励电流的频率被固定在1.1MHz，在此频率下先后对同一GMI传感器敏感元件作用幅值为7mA、14mA、16mA和18mA的激励电流，并进行了GMI效应的测试，得到了如图1.6所示的结果。图1.6蒋峰研究不同幅值的激励电流与Co66.3Fe3.7Si12B18非晶带材的GMI效应关系[57]通过上述研究，我们对本文所使用的Co基6025Z非晶薄带的最佳激励电流幅值进行了实验探究。固定网络分析仪的激励频率为5MHz，图1.7为6025Z非晶薄带GMI效应最大值随电流幅值的变化关系。图1.76025Z非晶薄带阻抗变化率最大值与激励电流幅值的关系从图中可以看出，GMI效应的最大值在5~30mA范围内随电流幅值的增大而呈现处先增大后减小的关系，由此确定GMI元件的最佳激励电流幅值为20mA。1.2.3偏置磁场对GMI效应的影响由图1.4可知，GMI元件的阻抗变化并非一个定值，它随外磁场的变化而变化。在零磁场附近Hex[-125,125]μT范围内，GMI元件的阻抗几乎不随外磁场而变化，这一区域也被称为GMI元件的“死区”，若外界待测磁场处于这一磁场范围内则会极大地影响传感器的灵敏度。由此可见，利用6025Z非晶薄带搭建的GMI磁传感器的输出灵敏度与磁场大小关联较大，为了使其在外磁场为零时处于材料阻抗变化最大处，我们需要为材料施加一个“偏置磁场”，将材料的阻抗变化曲线从死区中搬离出来。图1.4中Z-H曲线的斜率能够反映材料的灵敏度高低，所以偏置磁场大小选取不同，制备出来的传感器灵敏度也随之不同。前面我们已经确定材料的最佳激励频率为5MHz，由此选取图1.4中激励频率为5MHz的Z-H曲线做一阶微分，得到的灵敏度曲线如图1.8所示，纵轴数值的大小也就代表材料Z-H曲线斜率大小，直接放映材料的灵敏度高低，数值越大，灵敏度越高。图1.8可以为选择多大的偏置磁场提供指导。图1.8GMI元件灵敏度曲线从图1.8可以看出，GMI元件的灵敏度随磁场的增加呈现出先增加后减小，最后趋向于0的变化。接下来用电流源给偏置线圈通电从而产生不同大小的偏置磁场，激励频率固定为5MHz，激励电流幅值设置为20mA，实验测得的Z-H曲线如图1.9所示。图1.9不同偏置磁场下的阻抗变化曲线从图1.9可以看到，不同偏置磁场下材料的阻抗变化曲线的形状几乎没有变化，只是会随着偏置磁场的大小发生向左或向右的偏移，通过比较不同偏置磁场下零磁场处的材料灵敏度最大值，可以确定GMI元件的最佳偏置磁场为1.25Gs。三轴GMI磁传感器总体设计方案通过上一节关于GMI元件的磁性能分析，我们确定了元件的激励信号的最佳频率、幅值以及偏置磁场的大小，针对上述需求给出了三轴GMI磁传感器的调理电路总体设计框图，如图1.10所示。调理电路主要包括激励电路、V-I转换电路、前置放大电路、锁相放大器、差分放大电路以及AD转换电路。图1.10三轴GMI磁传感器总体设计框图激励电路产生5MHz的交变电压信号，通过V-I转换电路转换成频率相同的交变电流，来给相互正交的三轴GMI磁敏感元件提供激励，此时三轴GMI磁敏感元件的阻抗值会随着外加磁场的变化而发生变化，材料两端的响应电压也随之发生变化。交流电压的幅值大小体现出敏感元件内部阻抗值的大小，进而实现对外磁场大小的传感。前置放大电路一方面是抬高电路的输入阻抗，另一方面是将响应电压信号进行前级放大。放大后的响应电压接入由“乘法器”和“低通滤波器”构成的锁相放大器电路，此时的响应电压信号是包含外磁场信息的5MHz正弦波，通过乘法器后转换为10MHz的正弦信号以及直流分量，再接入低通滤波电路将10MHz信号滤除，只保留直流分量，