宽线性GMI磁传感器的研制*

周初凯, 郑金菊, 金林枫, 杨 光， 王红洲, 赵 静

(浙江师范大学 信息电子技术研究所， 浙江 金华 321004)

0 引 言

早在1935年,巨磁阻抗(GMI)效应[1]就被俄罗斯人Harrison发现，但由于当时的材料和应用领域的限制，并没有引起广泛的关注。1994年,日本名古屋大学的Mohri K教授等人[2]采用旋转水中纺丝法[3]，喷制成直径为125 μm的近零、负磁致伸缩系数非晶丝，在该材料上观察到了GMI效应并进行应用研究，这一现象才受到人们的特别重视。GMI效应具有灵敏度高、反应快、利于微型化等优点，可广泛应用于交通运输、生物医疗、自动控制、安全生产、国防等各行业的磁场、位移、扭矩、计数、测速、无损探伤等方面[4]的检测。

1 宽线性GMI效应非晶薄带

对于非晶薄带的制作本文采用的是单辊快淬法[5]，所制备的非晶合金薄带[6]成分是Fe76Si7.6B9.5P5C1.9，用该方法制备成宽为0．38 mm，厚为25 μm的合金薄带；然后再对该样品在540 ℃空气中进行退火[7]处理，退火后的样品分别放入用0.08mm的漆包线绕制而成的空心线圈(匝数为100匝，长度为10.1 mm，内径为0.56 mm)中，用HP4294A阻抗仪[8]纵向驱动的方式测量薄带的阻抗，驱动频率为470 kHz，其实验结果如图1所示。

图1 470 ℃温度退火样品的GMI比曲线

由图1可知，所制备的样品具有宽线性区间，在-800～+800 A/m的区间有较好的线性度。

2 GMI磁传感器电路的设计

传感器的结构如图2所示。

图2 传感器结构框图

2．1 传感器敏感元件的制作

传感器敏感元件是整个电路的核心，主要由电感线圈、直流偏置线圈以及非晶合金薄带组成，其示意图如图3所示。采用直径为0．08 mm的漆包线双股并排绕制成直径为2 mm、长度为15 mm的2个线圈，分别为电感线圈和直流偏置线圈。

图3 电感线圈与偏置线圈的制作与Fe基非晶带的放置方法

2．2 主体电路的制作

如图4所示，对于主体电路的设计主要分为四部分：1)交流信号发生电路，因为在470 kHz的驱动频率下，FeSiBPC非晶薄带有着良好的线性区间, 所以，信号发生电路的频率也设置为470 kHz，如图4所示。采用多谐振荡电路[9]作为激励信号发生电路,输出频率设为470 kHz的稳定方波, 其高电平为5.2 V,低电平为0.33 V。2)电感线圈与直流偏置电路,如图4所示 ，其中线圈“2”为电感线圈, 两端直接与470 kHz交流激励信号相连, 另外一个线圈“3”为偏置线圈,其两端加直流电压,产生磁场强度为Hex=460 A/m的直流偏置磁场。内置FeSiBPC非晶带“1”，Hex为沿着Fe基非晶带方向并穿过该薄带的磁场强度。3)检波电路, 本文设计的检波电路是采用二极管包络检波电路, 选用正向导通电压低、耐高频的肖特基二极管,与电容、电阻组成峰值检波电路, 最后得到输出直流电压。4)调零放大电路,利用集成运放[10]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时，偏置磁场Hex=460 A/m时输出电压为0 V。这样不但可以从输出电压的大小判断磁场的大小, 而且可以从电压输出的正负来判断磁场的方向。

图4 脉冲波驱动的GMI磁传感器电路原理图

3 GMI磁传感器性能测试

该传感器中敏感元件的直流偏置磁场为320 A/m，将电路中的敏感元件放置在亥姆霍兹线圈的中心处，然后通过调节直流电压源的输出电流的大小来控制亥姆霍兹线圈中产生的稳定磁场的大小。在测量装置中进行反复测量，然后对所测量的数据进行分析。当外加磁场为0时，脉冲波信号幅值为5 V，频率为470 kHz，检波电路输出为直流电压，其大小为1．544 V，调零放大电路输出为0．067 V。

图5为传感器的重复性数据测量结果，A,B两曲线是外加磁场从-2 325．51 A/m增大到2 325．51 A/m时，传感器输出电压变化时的情况，有数据分析计算可以得到传感器的重复性最大误差为0．94 %。

图6为迟滞性数据测量结果，其中A曲线是外磁场从-2 325．51A/m增大到2 325．51A/m所测的数据，而B曲线则是外磁场为2 325．51～-2 325．51 A/m所测得数据，由公式(1)计算可得GMI传感器迟滞性数据的最大偏差为0．96 %，可见该GMI磁敏传感器基本上无迟滞。

图5 GMI传感器的重复性数据分析图

图6 GMI传感器的迟滞性数据分析图

(1)

通过对图5中A曲线变化情况分析，可以发现当外磁场从-279．06 A/m增大到279．06 A/m时，输出线性度最好，且灵敏度最高。如图7所示，D曲线为上述磁场范围内的数据进行线性拟合结果，由计算可知，线性最大偏差为1．48 %，灵敏度为12．65 mV/A·m-1。

图7 GMI传感器的线性度与灵敏度数据分析图

4 结 论

本文针对具有GMI效应的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金薄带在磁传感器中的应用，研究了退火温度对Fe76Si7.6B9.5P5C1.9合金薄带的GMI效应的影响，可知540℃空气中退火后Fe基非晶薄带GMI材料具有宽线性、高灵敏度。用Fe基非晶薄带作为敏感元件设计制作了GMI磁传感器并对其性能进行测试，结果表明：传感器线性度好且灵敏度高，线性最大偏差为1．48 %，灵敏度为12．65 mV/A·m-1。

参考文献:

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[2] Mohri K，Kohsawa T，Kawashima K，et a1．Magneto-inductive effect(MI efect)in amorphous wires[J]．IEEE Trans Magn，1992，28(5)：3150-3152．

[3] Ohnaka I，Fukusako T，Matui T．Preparation of amorphous wire-s[J]．J Jpn Inst Met,1981，45：751-762．

[4] 蒋颜玮，房建成，盛 蔚，等．软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用[J]．电子器件，2008，31(4)：1124-1129．

[5] 安建军， 云翠花， 严 彪． 单辊快淬Cu-Be合金的显微组织及时效性能[J]．特种铸造及有色合金，2008，28(7)：567-570.

[6] Francoeur，Bruno1 Couture,Pierre．Continuous-annealing method for producing a flexible curved soft magnetic amorphous alloy ri-bbon[J]．Journal of Applied Physics，2012，111(7)：07A309．

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[9] 王 涛,石林锁,陈新社,等．多谐振荡器在湿度测量中的应用[J].传感器技术，2003，22(9)：72-77．

[10] 边晓娜,赵立志.基于蓝牙和传感器技术的油含水率测量系统[J].传感器与微系统,2008,27(8):81-83.