一種新型高靈敏磁敏傳感器的設(shè)計(jì)

一種新型高靈敏磁敏傳感器的設(shè)計(jì)

1巨磁阻抗效應(yīng)隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代先進(jìn)智能測(cè)量技術(shù)和控制系統(tǒng)、電子通信設(shè)備、工業(yè)試驗(yàn)設(shè)備和軍事應(yīng)用需要越來越多的高性能磁傳感器。同時(shí)，它對(duì)磁敏傳感器的尺寸、靈敏度、穩(wěn)定性和功耗提出了更高的要求。自從1992年Mohri等人在Co基非晶絲中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)(giantmagneto-impedanceeffect,GMI)以來,很快又在Fe基納米晶帶材以及其它多種材料中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗效應(yīng),為研制高靈敏度磁傳感器開辟了新的途徑。不過目前GMI效應(yīng)的研究多停留在材料研究方面,結(jié)合材料學(xué)與微電子學(xué)制成傳感器的研究報(bào)道較少。本文著眼于GMI效應(yīng)的應(yīng)用方面,利用非晶絲GMI效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理,設(shè)計(jì)制作出一種新型磁敏傳感器,靈敏度達(dá)到6.5mV/μT,功耗為0.25W,非線性度為0.78%F.S,在弱磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。2gmi特性測(cè)試巨磁阻抗效應(yīng)是指非晶材料通以高頻電流時(shí),材料兩端的阻抗隨外磁場(chǎng)變化而發(fā)生非常靈敏的變化的現(xiàn)象。圖1是GMI基本測(cè)量電路。Iac是交流驅(qū)動(dòng)電流,R是檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電流的標(biāo)準(zhǔn)電阻,ew是樣品兩端的感應(yīng)電壓。Hex是外加磁場(chǎng)[2~4]。本設(shè)計(jì)利用CoFeNbSiB合金非晶絲作為敏感元件。用圖1所示的測(cè)量方法測(cè)量此種材料的GMI特性,得到的結(jié)果如圖2所示,其中Z0為非晶絲在零磁場(chǎng)下的阻抗,Zx為某一磁場(chǎng)下阻抗,ΔZ=Zx-Z0。從圖中可以看出,當(dāng)磁場(chǎng)在0~0.2mT變化時(shí),阻抗變化率隨磁場(chǎng)增高而迅速增大,阻抗變化率最大為15%,本設(shè)計(jì)就是利用此段特性;當(dāng)磁場(chǎng)高于0.3mT時(shí),阻抗變化率隨磁場(chǎng)增大而緩慢減小。3傳感器電路設(shè)計(jì)3.1高頻激勵(lì)非晶絲從實(shí)用制作角度出發(fā),直接在非晶絲兩端獲取電壓信號(hào)不易實(shí)現(xiàn),利用外圍繞線的方式可以方便的將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),易制作,易小型化。根據(jù)GMI效應(yīng)的產(chǎn)生條件,選擇脈沖激勵(lì)不連續(xù)供電可以降低功耗,設(shè)計(jì)一脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路,輸出到非晶絲兩端,實(shí)現(xiàn)高頻激勵(lì)。在高頻激勵(lì)下,非晶絲阻抗隨外界磁場(chǎng)變化而發(fā)生非常靈敏的變化,即實(shí)現(xiàn)由阻抗的大小反應(yīng)外界磁場(chǎng)的強(qiáng)弱;非晶絲外面繞有線圈,構(gòu)成敏感元件,非晶絲本身具有阻抗,在脈沖激勵(lì)的作用下便產(chǎn)生相應(yīng)頻率的高頻電流,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,外部線圈產(chǎn)生相應(yīng)頻率的感生電動(dòng)勢(shì),大小與非晶絲阻抗變化率成正比,由于GMI效應(yīng),非晶絲阻抗發(fā)生明顯的變化,線圈兩端的感生電動(dòng)勢(shì)便隨之改變,在阻抗變化率達(dá)到最大值之前,感生電動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)成正比,相當(dāng)于高頻電壓信號(hào)的幅度被外部磁場(chǎng)所調(diào)制,形成調(diào)幅波。接下來利用包絡(luò)檢波的方法檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線,以實(shí)現(xiàn)解調(diào)。解調(diào)后輸出電壓的強(qiáng)弱反映了磁場(chǎng)強(qiáng)度大小,實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量。3.2cofennsib非晶合金絲的制備圖3為傳感器的電路圖,其電路具體分為以下幾部分:(1)激勵(lì)產(chǎn)生電路本設(shè)計(jì)對(duì)脈沖信號(hào)的頻率穩(wěn)定性要求較高,故選用石英晶體作為振蕩源。與普通的RC移相振蕩器相比,晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定性很高。CMOS非門與負(fù)反饋偏置電阻R1構(gòu)成反相放大電路,石英晶體與C1、C2構(gòu)成Π正反饋支路,在其固有諧振頻率的附近,石英晶體自身呈感性,此電感與電容C1、C2構(gòu)成諧振回路,形成移相反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到放大電路的輸入端形成振蕩,便產(chǎn)生脈沖電壓信號(hào)。(2)敏感元件如圖4所示,將CoFeNbSiB非晶合金絲1用膠水固定在絕緣陶瓷管2內(nèi),絕緣陶瓷管上繞有兩層互不相連的銅導(dǎo)電線圈(初級(jí)線圈3、次級(jí)線圈4)。其中非晶絲直徑為0.6mm,長(zhǎng)度為7mm;絕緣陶瓷管內(nèi)徑為1mm,長(zhǎng)度為5mm;銅導(dǎo)電線圈直徑為0.1mm,初級(jí)線圈25匝,次級(jí)20匝。非晶絲兩端加上脈沖激勵(lì),由于非晶絲的GMI效應(yīng),當(dāng)外磁場(chǎng)在0~0.2mT變化時(shí),其阻抗隨外磁場(chǎng)而發(fā)生非常靈敏的變化,同時(shí)因電磁感應(yīng)的作用,初級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感生電動(dòng)勢(shì)。為了便于實(shí)際應(yīng)用,在次級(jí)線圈加電流以產(chǎn)生0.1mT的偏置磁場(chǎng),通過該磁場(chǎng)來抵消部分外磁場(chǎng),以調(diào)整零點(diǎn)磁場(chǎng)位置,實(shí)現(xiàn)傳感器在正負(fù)磁場(chǎng)下的線性輸出。(3)整流電路調(diào)幅信號(hào)的檢波通常有兩種方法,包括包絡(luò)檢波(非相干解調(diào))和同步檢波(相干解調(diào))。本設(shè)計(jì)對(duì)電路板尺寸有嚴(yán)格要求,因此選用包絡(luò)檢波。選用正向起始電壓較低、耐高頻的肖特基二極管,組成全橋平均值檢波電路。(4)濾波電路檢波后信號(hào)含有較強(qiáng)高次諧波和噪聲,需要對(duì)其濾波。由于電路板尺寸受到嚴(yán)格限制,本設(shè)計(jì)采用一階低通濾波電路,將高頻信號(hào)衰減,且削弱高次諧波和噪聲的干擾,完成對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的解調(diào)。同時(shí)通過調(diào)節(jié)RC的大小來減小惰性失真和控制濾波電路的截止頻率。(5)放大電路信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后,增益很小,帶負(fù)載的能力也很差,加負(fù)載后截止頻率和增益都將改變,因此需將RC無源網(wǎng)絡(luò)與集成運(yùn)放相連組成一階有源低通濾波器。由于集成運(yùn)放的輸入電阻很大,對(duì)RC網(wǎng)絡(luò)影響很小,使原電路的輸出電阻減小,大大增強(qiáng)了電路的帶負(fù)載能力,同時(shí)通過R4、R5引入一個(gè)深度的負(fù)反饋,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。3.3smd膠片精度測(cè)量利用電路制圖工具繪制成PCB印制電路板,選用SMD貼片元件焊接并調(diào)試,測(cè)量其功耗為0.25W。圖5為傳感器外觀,尺寸大小為:28mm×15mm×4mm。4結(jié)果4.1數(shù)字根據(jù)傳感器輸出電壓結(jié)果,根據(jù)其所測(cè)原理計(jì)算,將傳感器輸出與被測(cè)磁場(chǎng)-背景圖2或5.把傳感器放入Helmholtz線圈內(nèi),線圈加直流電流,通過改變輸入電流的大小來改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱,室溫下利用KEITHLEY2001數(shù)字萬用表測(cè)量傳感器輸出電壓,得出傳感器輸出與被測(cè)磁場(chǎng)的關(guān)系曲線,如圖6所示,可計(jì)算出此傳感器靈敏度為6.5mV/μT,非線性度小于0.78%F.S。4.2磁通密度的測(cè)量為了給出傳感器在交變磁場(chǎng)下的輸出變化曲線,將高頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后加到Helmholtz線圈兩端,以產(chǎn)生交變磁場(chǎng),利用LakeShore的Model480磁通計(jì)測(cè)量磁通,進(jìn)而計(jì)算出磁通密度。通過改變信號(hào)頻率和放大器的增益來改變磁場(chǎng)頻率和磁通密度,使得磁通密度保持在±0.1mT。在此環(huán)境下測(cè)量,在交變磁場(chǎng)的作用下傳感器輸出特性曲線如圖7所示,可以看出傳感器在400Hz以下的交變磁場(chǎng)可以正常工作,頻率在400Hz以上時(shí),傳感器輸出峰-峰值有所衰減,這一現(xiàn)象與低通濾波器截止頻率的選擇有關(guān),為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出,本設(shè)計(jì)選擇了很低的截止頻率。4.3溫度特性分析利用高低溫交變濕熱恒溫恒濕箱為實(shí)驗(yàn)環(huán)境,測(cè)量傳感器的溫度特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳感器的輸出電壓隨著環(huán)境溫度的升高而增大,增大幅度小于1mV/℃,此種變化源于非晶絲和電子元件的溫度特性,傳感器輸出隨溫度的變化如圖8所示。5傳感器穩(wěn)定性研究利用非晶絲GMI效應(yīng)設(shè)計(jì)制作一種新型磁敏傳感器,用于低頻弱磁場(chǎng)的檢測(cè),并對(duì)傳感器的輸出特性、頻率特性和溫度穩(wěn)定性作了初步的研究