基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计*

蒋颜玮,房建成,王三胜,黄学功

1.北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,功能材料与器件研究室,北京 100191;2.防化研究院,北京 102205;3.南京理工大学机械工程学院,南京 210094

近来,软磁非晶合金在磁传感器领域的潜在应用引起了人们的广泛兴趣[1]。特别是在地磁导航应用中,需要一种高灵敏度和快速响应的磁传感器[2-3]。在各种磁传感器中最常见的磁通门传感器具有较高的灵敏度和较低的噪声,然而体积大、功耗高和响应速度慢的缺点限制了其在地磁导航中的应用。其它类型的磁传感器,例如霍尔传感器、巨磁阻(GMR)传感器等,存在着热稳定性不高、灵敏度低的不足,而且通常需要较强的偏置场[4]。因此,研制可用于地磁导航的高性能的新型磁传感器有着十分重要的意义。

1994年,一种被称为巨磁阻抗效应(GMI)的磁现象在 Co基非晶合金丝材中被人们发现[5],即非晶丝在交变电流激发下,其阻抗值随沿丝轴方向施加的外磁场的变化而发生显著变化。由于 GMI效应在室温下磁阻抗效应显著和低外磁场下的高灵敏度,使其在磁传感和测量领域中具有巨大的应用潜能。自此以后,针对 Co基非晶和纳米晶等软磁材料的 GMI效应,在传感器应用方面已经开展了许多研究工作[6-10]。

GMI效应尽管有很好的应用前景,但仍存在一定的问题[11]。由于 GMI的基本特性是非线性的,而且其形状将会使在零场附近的工作出现严重的问题。由于阻抗变化与外场在零场呈对称性,故在零场附近不敏感,灵敏度较低。

非对称巨磁阻抗(Asymmetric giantmagneto-impedance,简称 AGMI)效应[12-13]由于能改善 GMI传感器在零场附近的特性,提高线性度和获得高灵敏度,而引起了广泛的关注。非对称巨磁阻抗效应已经成为目前研究的热点,利用 GMI效应的非对称特性可以实现 GMI传感器在零场附近具有高的线性度和灵敏度,满足微弱磁场检测的需求。为此,本文以非晶合金为敏感材料,设计了一种基于非对称巨磁阻抗效应的磁传感器,并对传感器基本性能进行了测试。

1 敏感材料的选择及性能

我们选用 CoFeNiSiB非晶合金薄带作为敏感材料(Hitachi Metals Ltd.提供),实验样品长 2 cm,宽1mm,厚约 25μm。首先测量了 CoFeNiSiB非晶合金薄带的 X射线衍射曲线(X-Ray Diffraction,简称XRD),测试结果如图 1所示。

图1 CoFeNiSiB非晶合金薄带的XRD曲线

从图 1的 XRD曲线可以看出,该材料表现出典型的非晶态特征,没有晶化峰出现。非晶合金的软磁性能是作为 GMI磁传感器敏感材料的关键因素之一。如图 2所示,通过测量实验样品的 M-H磁滞回线,我们得到了样品的饱和磁化强度 Ms和矫顽力 Hc,分别为 64.7 emu/g和 0.18 Oe。从图 2和测量数据可知,CoFeNiSiB非晶合金薄带表现出较好的软磁性能,适用于 AGMI敏感元件的制作。

图2 CoFeNiSiB非晶合金薄带的M-H磁滞回线

为了得到显著的 AGMI效应,我们对其进行磁场退火。将实验样品放置于磁场退火炉内,升温至360℃后开始恒温 6 h,同时沿薄带纵向方向施加2Oe磁场,直至降温至室温。阻抗及其变化率的测量采用 HP4294A阻抗分析仪进行,交流幅值大小为10mA。阻抗变化率由下式计算得到,

式中,Z(Hex)是在外加磁场 Hex时对应的阻抗;Z(Hmax)是在最大外磁场 Hmax时对应的阻抗。在这里,Hmax=40 Oe。

相应的磁场灵敏度表示为：

式中,ΔH为最大阻抗变化率下降一半时对应的磁场宽度。处理后得到的样品,经 HP4294A阻抗分析仪测试后得到的 AGMI效应曲线如图 3所示。

图3 磁场退火CoFeNiSiB非晶合金薄带的 AGMI效应

图3给出了磁场退火 CoFeNiSiB非晶合金薄带在 0.1 MHz和 0.5 MHz频率下的 AGMI效应阻抗变化率的情况。在这两个频率下的线性磁场灵敏度分别达到 106%/Oe和 276%/Oe。从图中也可以看出,0.5MHz下的曲线斜率最大。因此,选取 0.5MHz作为敏感元件的激励频率,即传感器的工作频率。值得注意的是,在空气中进行弱磁场退火后,该样品AGMI效应的磁场灵敏度高于未处理样品 GMI效应的最大磁场灵敏度,并且频率相对较低。这表明,空气中磁场退火对 GMI效应及相关特性的影响较大。研究表明,在真空中进行磁场退火后的 Co基非晶合金薄带没有表现出 AGMI效应[14],而在空气中进行磁场退火的样品却获得了 AGMI效应。因此,这种在空气中弱磁场退火的样品中观察到的 AGMI效应,或者称为 GMI阀,可以归因于样品表面形成的结晶层[15]。由于在非晶合金薄带内部非晶软磁层和样品表面晶化硬磁层之间的相互作用,这种类型的热处理会使得非晶合金薄带的磁滞回线产生不对称性。当非晶合金薄带在空气中弱磁场退火后,非晶合金薄带表层形成的结晶层内产生了硬磁相,导致有效表面单向各向异性的形成。正是由于表面单向各向异性对非晶带横向畴壁位移的影响使得非晶合金薄带产生了如图 3所示的 AGMI效应。

由于非晶合金薄带表面单向各向异性的大小取决于退火磁场的大小,因此 AGMI效应及其磁场灵敏度取决于在空气中退火磁场的大小和相对外磁场的方向。实验表明,退火磁场的方向同外磁场相同时,对应的 AGMI效应曲线峰值增大,而相反一侧的峰值减小,甚至消失(频率低于 1 MHz时)。

2 AGMI磁传感器设计

以 CoFeNiSiB非晶合金薄带为敏感元件,配以相关的激励和检测电路,实现对外界磁场的检测。具体传感器结构如图 4所示。

图4 非晶合金 AGMI磁传感器结构示意图

该传感器主要由传感器探头和传感器电路两部分组成。传感器探头由非晶合金薄带和缠绕在外部的线圈组成,非晶合金薄带安装在聚四氟乙烯圆筒形骨架内,线圈采用直径 0.1 mm的漆包线在骨架外部绕成。传感器电路由激励电路和检测电路组成,激励电路由正弦波振荡电路和电压电流转换器(U/I)组成,用来提供给非晶合金薄带的激励电流。检测电路由前置放大器、相敏检波器、低通滤波器和差分放大器组成,将敏感元件两端感应的交流电压信号最终转变为直流输出。

工作原理如下：首先振荡电路产生正弦波激励信号,激励频率为 0.5 MHz。该信号经 U/I转换器后产生同频率的交流电流进入非晶合金薄带敏感元件,由于 AGMI效应引起非晶合金薄带的阻抗发生变化,在其两端产生感应交流电压信号,信号的幅值随着外磁场的变化而变化。该信号通常很小经前置放大后,进入乘法器型相敏检波电路。乘法器的另一路信号由振荡电路提供,该乘法器充当锁定放大器的功能,能够产生两倍于振荡电路频率的信号,其中伴有直流信号。该直流信号正比于敏感元件的阻抗变化。从乘法器输出的信号进入到低通滤波器后,可获得直流电压输出。最后经增益放大和调零获得最终反映被测磁场信号的直流电压 Vo。将反馈回路上的开关闭合后,前向通道的直流输出电压Vo经反馈电阻被转换成直流电流信号,流入传感器探头内的反馈线圈,产生的反馈磁场沿着非晶合金薄带纵向用来抵消被测外磁场,构成对磁场的闭环检测。

3 传感器性能测试

3.1 开环测试

传感器电源由直流稳压电源提供,标准磁场由亥姆霍兹线圈提供。测试中,将图 4中所示的开关断开,就构成了开环测试。测试过程如下：将传感器放入亥姆霍兹线圈中心位置,并使传感器探头轴向与亥姆霍兹线圈轴向平行,在磁场 1 Oe范围内进行传感器灵敏度测试,输出电压由数字万用表读出。不断改变亥姆霍兹线圈电流大小,同时记下对应的传感器输出电压值。所有测量均在室温下进行。

图5给出了所设计的 AGMI磁传感器在开环条件下对被测磁场的输出电压响应曲线。响应曲线在零磁场附近约 ±0.5 Oe的磁场范围内表现出较好的线性度,在此范围的灵敏度可达 10 V/Oe。经数据处理和计算,相应的性能指标列于表 1。

图5 AGMI磁传感器开环电压响应测试曲线

表1 AGMI磁传感器开环测试性能

3.2 闭环测试

尽管 AGMI磁传感器在开环条件下表现了较高的灵敏度,但是由于线性度和稳定性等问题会最终影响传感器的性能[16-17]。同时,测量范围也相对较小。为了改善传感器的有关性能,采用负反馈技术,如果将图 4所示反馈回路中的开关闭合,就构成了负反馈闭环传感器系统。传感器输出电压经反馈电阻转换为电流,通过绕在敏感元件上的反馈线圈产生与被测磁场反向的反馈磁场,用来抵消被测磁场,使敏感元件始终工作在灵敏的线性区域。图 6为带有负反馈的传感器系统示意图[16]。

图6 负反馈传感器系统方框示意图

设反馈电阻为Rf,反馈线圈匝数是 N,反馈线圈长度是 l,线圈中的电流为 I,则反馈线圈中的磁场可表示为,

根据负反馈方框示意图,反向传递函数 S可表示为,

将式(3)代入式(4)中,

换算成高斯单位制表示,

从图 6中可以得到下列关系,

从式(7)中可以看出,当 AS≫1时,Vo可以近似表示为,

从式(8)中可以看出,闭环负反馈传感器系统的输出电压 Vo近似与被测外磁场H成正比关系,仅取决于比例系数 1/S。由于 S仅取决于参数 N,l和Rf,AGMI磁传感器的线性度和稳定性会得到改善。图 7为实施负反馈后传感器输出电压与被测磁场之间的关系。相应的性能指标列于表 2。

表2 AGMI磁传感器闭环测试性能

图7 AGMI磁传感器闭环电压响应测试曲线

显然,经过负反馈测试后,传感器尽管灵敏度下降了,但换来的是线性度、测量范围的提高,综合性能更好。本文中,匝数 N=150,l=1.7cm,Rf=47Ω,根据式(5)计算得到 S=2.4 Oe/V。可以看出,由于满足式(8)中 AS≫1的条件(A=10 V/Oe),闭环测试得到的 0.45 V/Oe的灵敏度与式(8)所表示的灵敏度 1/S相比是比较吻合的。

4 结论

本文介绍了一种基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器,具有较高的灵敏度和线性度。敏感材料为 CoFeNiSiB非晶合金薄带,具有较好的软磁性能。在空气中进行弱磁场退火后,产生了明显的 AGMI效应,其最大磁场灵敏度在 0.5 MHz的驱动频率下达到了约 276%/Oe。以此非晶合金薄带为敏感元件,外部绕有反馈线圈,配以正弦激励电路和相敏检波电路,设计了 AGMI磁传感器,实现了对外界磁场的开环、闭环检测。测试结果表明,开环条件下,该传感器表现出较高的灵敏度,为 10 V/Oe;在闭环条件下,尽管灵敏度下降至 0.45 V/Oe,但却表现出更好的线性度和更宽的测量范围。该传感器可以用来检测地磁场的分量,采用类似的方法,可设计出三分量磁传感器,实现对总地磁场的检测,在地磁导航领域中有着较好的应用前景。

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