一种新型巨磁阻抗磁敏开关的设计*

蔡 晶， 郑金菊， 柳 渊， 何 佳， 周初凯

(浙江师范大学 数理与信息工程学院,浙江 金华 321004)

一种新型巨磁阻抗磁敏开关的设计*

蔡 晶， 郑金菊， 柳 渊， 何 佳， 周初凯

(浙江师范大学 数理与信息工程学院,浙江 金华 321004)

利用540 ℃和17.8 MPa退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶合金薄带具有宽平台和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性研制了一款新型磁敏开关,并介绍了磁敏材料的GMI特性及磁敏开关的电路设计原理.实验结果表明：该磁敏开关的重复性好(2.06%)，迟滞误差小(2.71%).

磁敏开关；巨磁阻抗效应；Fe基合金薄带；LC谐振回路

0 引 言

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，常应用于转速的检测与控制、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[1-2].目前，市场上应用最为广泛的磁敏开关是霍尔开关，但是霍尔开关在工作时其工作点和释放点所需的外加磁场都很强.

自从1992年Mohri等[3]在Co基非晶丝中发现巨磁阻抗效应以来，研究者陆续在Fe基非晶金属材料(如玻璃包裹非晶丝、薄膜和非晶纳米晶薄带等磁性材料)中发现了较为明显的巨磁阻抗效应[4].该效应具有灵敏度高、反应快、利于微型化，可广泛应用于交通运输、生物医疗、自动控制、安全生产、国防等各行业，还可以用于磁场、位移、扭矩、计数、测速、无损伤等方面[5-6].

本文基于温度和应力退火后的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，结合磁电转换电路，设计了一款新型的开关式磁敏传感器.

1 巨磁阻抗效应及纳米晶材料特性

巨磁阻抗效应(Giant Magneto Impedance，GMI)是指磁性导体在交流电通过时其交流阻抗随着外加直流磁场的变化而发生显著变化的效应.现在通常用巨磁阻抗比来衡量巨磁阻抗效应的大小，巨磁阻抗比的定义如下：

式(1)中:Z(H)为在任意外磁场下所测得的阻抗值，Z(Hmax)为实验中所加外磁场最大时测得的阻抗值[6]，并且采用纵向驱动的方式[7-8]来实现材料的GMI效应.

图1 Fe基纳米晶薄带的巨磁阻抗特性

实验采用非晶材料成分为FeCuNbSiB(各原子质量百分比为73.5∶1∶3∶13.5∶9)，用单辊快淬法制成宽度为(0.34±0.01) mm，厚度为(40±1) μm的合金薄带.截取长度为2 cm的Fe基非晶薄带在540 ℃氮气保护下加不同应力退火1 h，待冷却后，用HP4294A型阻抗分析仪测量Fe基合金薄带的巨磁阻抗.

图1是Fe基纳米晶薄带的GMI测量结果，从中可以看出：Fe基合金薄带的巨磁阻抗比在零磁场附近达到最大值约为900%；当磁场在±500 A/m之内及在±1 000 A/m之外时变化很小，只在500～1 000 A/m(-500～-1 000 A/m)有一个跳变，这种巨磁阻抗比曲线的“平台” 与磁敏开关输出的高低电平状态非常相似.

2 磁敏开关电路设计

开关电路由磁电转换电路[9-10]和调零放大电路组成，电路原理如图2所示.

图2 磁敏开关电路

2.1磁电转换电路

本设计参照LC型磁电转换电路，在其基础上进行了一定的改进，提高了电路输出的稳定性.图2中磁敏传感部分所示的电路是与经典的考毕兹振荡电路类似，由三极管、电容和电感等组成的三端式磁敏振荡电路.电路中的磁敏元件为自绕的一定内径和匝数的线圈，内置Fe基合金薄带，如图3所示，其中:线圈由直径为0.08 mm的漆包线绕制而成，内径为1.62 mm,长度为18 mm,匝数为200匝，Hex为外加磁场，其方向平行于Fe基合金薄带轴向.

图3 敏感元件示意图

2.2滤波电路

磁敏振荡电路的输出是频率为几百kHz的信号，不利于后续电路的处理，故采用了简单的RC低通电路，取出直流量，由于该电路的带负载能力差，因此,又在其后加了一个电压跟随器.

2.3调零放大电路

在外加磁场为0～1 800 A/m时，滤波电路的输出电压为2.7～3.7 V，压差大约为1.01 V，这不便于后续电路对此信号的识别与提取.因此，在其后续上又添加了一个调零放大电路.该电路利用集成运放构成差分放大电路,通过调节运放同相端的电位器RV1，使得在外加磁场为0～500 A/m时输出电压基本在0 V左右.再经过同相放大后，该信号就可以直接被后续电路所识别.

3 开关电路分析

3.1实验环境

实验中，外加直流磁场由直流电源与亥姆霍兹线圈产生，测量时将磁敏传感器的电感线圈放在亥姆霍兹线圈的中央，要求与亥姆霍兹线圈产生的匀强磁场平行且与地磁场垂直(减弱地磁场的影响).

3.2实验结果

传感器的基本特性分为静态特性和动态特性，限于条件只讨论静态特性.传感器的静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系，通常用来衡量它的重要指标,包括重复性、迟滞性等.

图4 磁敏开关电路随磁场变化的重复性曲线

图4是2组重复性数据测量结果(环境温度为10 ℃)，a,b曲线都是外加磁场从小增大(正行程)时，开关电路输出电压变化的情况.通过下式算出重复值：

式(2)中：δR为重复值；ΔRmax为正反行程中最大重复值差；YFS是满量程输出值.

图5是2组迟滞性数据测量结果(环境温度为10 ℃).a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；c曲线是外加磁场从大变小(反行程)时电路输出电压变化的情况.通过下式算出迟滞值:

图5 磁敏开关电路随磁场变化的迟滞性曲线

式(3)中：δH是迟滞值；ΔHmax是迟滞最大值.

从上述2组图像可以看出，本文所设计的磁敏开关重复性好，基本无迟滞.

4 结 论

根据温度应力退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄带的巨磁阻抗特性以及相应电路的设计，研制新型的开关式磁敏传感器.该传感电路重复性好，基本无迟滞.由此可见，该传感器将在转速检测与控制、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具有广泛的应用前景.

[1]胡光伟,刘泽文,侯智昊,等.一种低驱动电压的SP4T RF MEMS 开关[J].传感技术学报,2008,4(21):656-659.

[2]Phan M H，Peng Huaxin.Giant magneto-impedance materials:Fundamentals and applications[J].Progress in Materials Science,2008,53(2):323-420.

[3]Mohri K,Kohsawa T,Kawashima K,et al.Magneto-inductive effect(MI effect) in amorphous wires[J].IEEE Trans Magn,1992,28(5):3150-3152.

[4]Mohri K,Uchiyama T,Panina L V.Recent advances of micro-magnetic sensors and sensing application[J].Sensors and Actuators A,1997,59(1/2/3):1-8.

[5]Panina L V,Mohri K,Bushida K,et al.Giant-magneto-impedance and magneto inductive effects in amorphous alloys[J].J Appl Phys,1994,76(10):6198-6203.

[6]Alves F,Abi Rached L,Moutoussamy J,et al.Trilayer GMI sensors based on fast stress-annealing of FeSiBCuNb ribbons[J].Sensors and Actuators A:Physical,2008,142(2):459-463.

[7]方允樟,郑金菊,施方也,等.Fe基合金应力退火感生磁各向异性机理的AFM研究[J].中国科学:E辑 技术科学,2008,38(3):428-441.

[8]Thang P D,Rijnders G,Blank D H.A Stress-induced magnetic anisotropy of CoFe2O4thin films using pulsed laser deposition[J].J Magn Magn Mater,2007,310(2):2621-2623.

[9]Alves F,Bensalah A D.New 1D-2D magnetic sensors for applied electro-magnetic engineering[J].J Mater Proc Tech,2007,181(1/2/3):194-198.

[10]郑金菊,余水宝,孙笑琴.一种新型的磁敏传感器[J].仪器仪表学报,2005,26(8):308-309.

(责任编辑 杜利民)

Anewkindofmagneticswitchbasedonthegiant-magneto-impedance

CAI Jing, ZHENG Jinju, LIU Yuan, HE Jia, ZHOU Chukai

(CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

A new kind of magnetic switch was developed based on the giant-magneto-impedance effect (GMI) of Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9amorphous ribbon annealed under the stress of 17.8 MPa and at 540 ℃, which had wide platform and steep decline of the GMI characteristics.The GMI characteristics of magnetic materials and the design principle of magnetic switch were introduced. In addition, the magnetic characteristic of the magnetic switch had been measured. The results showed that the sensor had good repeatability(2.06%) and almost no hysteresis(2.71%).

magnetic switch; giant magneto-impedance effect; Fe-based alloy ribbon; LC resonant circuit

TP212.13

B

1001-5051(2013)01-0079-04

2012-03-20

国家自然科学基金资助项目(50871104 )；浙江省大学生科技创新活动计划项目(2010R404025)

蔡 晶(1987-),女,浙江绍兴人,硕士研究生.研究方向:新型磁敏传感器.

郑金菊.E-mail: zjj@zjnu.cn