正交激励与直流偏置的钴基非晶带弱磁传感器

丁 一，陈 哲，鲍丙豪

(江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013)



正交激励与直流偏置的钴基非晶带弱磁传感器

丁 一，陈 哲，鲍丙豪

(江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013)

通过纵横向正交激励与直流偏置的方式使脉冲电流退火钴基非晶带产生非对称巨磁阻抗(AGMI)效应,与仅使用横向激励方式相比，提高了单边GMI效应，包括：线性量程、阻抗磁灵敏度和最大阻抗变化率。在研究正交激励与直流偏置方式下非晶带特性的基础上，设计了钴基非晶带AGMI效应弱磁传感器并对传感器进行试验标定及数据分析，所得传感器性能指标：量程为-1．0～1．0 Oe，灵敏度为1．670 4 V/Oe，线性度为1．78%FS。

正交激励；直流偏置；钴基非晶带；非对称巨磁阻抗效应；弱磁传感器

0 引言

1992年，K．Mohri等[1]报导通有交变电流的非晶丝的电感随外磁场而变化的现象，称之为磁电感效应。该报导引起了各国学者的关注，经研究发现非晶丝在高频电流激励下，其电阻和电抗均随外磁场变化而显著变化，称为巨磁阻抗(GMI)效应。

利用该效应能制成体积小、灵敏度高、响应快、稳定性高、功耗低、对弱磁场敏感的新型高性能微型磁传感器，在交通运输、航空航天、医疗仪器、工业测试、军事国防等领域具有广阔的应用前景。2010年，日本研制出新型纳特斯拉传感器“MI-CB-1DH”，能检测出1/50000的地磁场变化，用于铁磁类微小异物检测。2011年又开发了一种应用于手机的智能电子罗盘“AMI603”，它将3轴MI传感器、3轴加速度计和电路集成在一块芯片中。而国内对GMI效应的研究也有一定进展，主要集中在非晶丝(带)和多层膜GMI效应研究及磁传感器的研究上[2],但大多处于实验室试验阶段，尚无商业化产品。

1 实验

一般来说，在非晶材料的易磁化方向施加激励磁场能产生较显著的阻抗变化[3]。钴基非晶材料具有横向磁畴结构，故实验首先探究了在横向激励方式下，激励电流的频率及幅值与GMI效应的关系，并选择最优的激励频率与幅值；在最优激励电流的基础上，探究在正交激励与直流偏置方式下的GMI效应。

1．1 实验原理

钴基非晶带样品为经脉冲电流退火的材料，材料尺寸为20 mm×1．3 mm×40 μm．实验采用四端点法连接，如图1所示。

图1 实验原理图

YB3020 DDS数字合成函数信号发生器产生激励信号，V/I转换电路是为了将电压激励转换成电流激励，示波器DPO4032用于检测非晶带两端的电压值从而得到阻抗值。外磁场由亥姆霍兹线圈产生，并与地磁场垂直，以减小地磁场对测量结果的影响。图2(a)～图2(c)分别表示对非晶材料的横向激励、正交激励、正交激励与直流偏置。在正交激励方式下，激励电流先流入线圈，再流入非晶带。

(a)

(b)

(c)图2 非晶带激励方式

1．2 性能表征方法

采用两种方法来分析处理实验数据，特征量如式(1)和式(2)所示。阻抗值随外界磁场的相对变化定义为阻抗变化率GMI(ZH)。

在非晶带两端电压值随外磁场变化的曲线线性区域内，阻抗值与磁场变化值的比率定义为阻抗磁灵敏度。

(1)

式中:Z0、V0分别为外磁场为0时非晶带的阻抗值和两端的电压峰峰值；ZH、VH分别为外磁场为H时非晶带的阻抗值和两端的电压峰峰值。

(2)

式中：Q为阻抗磁灵敏度，Ω·Oe-1(1 Oe=79.578 A/m)；HS为非晶带两端电压值随外磁场变化的曲线线性区域起点所对应的磁场；ZHS、VHS分别是外磁场为HS时非晶带的阻抗值和两端的电压峰峰值；I为流过非晶带电流的峰峰值。

1．3 实验结果

1．3．1 GMI效应与激励电流频率的关系

图3为横向激励方式下，非晶带在不同激励电流频率，激励电流幅值均为10 mA下，GMI(ZH)随H变化的曲线。表1为横向激励方式下，激励电流幅值为10 mA，非晶带的最大阻抗变化率、阻抗磁灵敏度与激励电流频率的关系。从图3中可以看出，GMI(ZH) 随H变化的曲线呈现出对称的双峰现象，且不同的频率下，曲线差异很大。从表1的数据分析中可知，在所测的频率范围内，最大阻抗变化率随频率的增加，呈现出先增大后减小的趋势，在5 MHz时出现最大值；而阻抗磁灵敏度随频率的增加而单调增大。综合这两个特征量，激励频率可以选择在4～8 MHz之间，考虑到在高频下，材料内部会产生涡流效应且随着频率的增加而增强，强烈的涡流效应会使材料内部产生热量，影响材料性能的稳定性，故选择4 MHz频率激励。

图3 不同激励频率下阻抗变化率随外磁场变化的曲线图

1．3．2 GMI效应与激励电流幅值的关系

表2为横向激励方式下，激励电流频率为4 MHz，非晶带的最大阻抗变化率、阻抗磁灵敏度与激励电流幅值的关系。从表2中可以得出，在所测的电流幅值内，最大阻抗变化率为先增大后减小，但变化幅度不大，在10 mA时达到最大值；同时，阻抗磁灵敏度也在10 mA时达到最大值，故选择激励电流幅值为10 mA。

表1 不同激励电流频率的特征量

表2 不同激励电流幅值的特征量

1．3．3 正交激励方式下的GMI效应

正交激励方式所选择的激励电流的频率和幅值为横向激励方式下的最优选择，即4 MHz和10 mA。这样保证了非晶带在横向上有较显著的GMI效应，还可通过改变绕于非晶带上的线圈匝数来改变纵向激励场的大小。图4为非晶带绕有线圈匝数分别为10匝、30匝、50匝，GMI(ZH)随H变化的曲线。从图4中看出，GMI(ZH)随H变化曲线呈现出较对称的双峰现象，在外磁场为正一侧的0．3 Oe附近产生了GMI(ZH)随H增大而减小的过程。表3为对实验数据特征量分析的结果，在所测的匝数范围内，最大阻抗变化率与阻抗磁灵敏度均随着线圈匝数增加而单调增加，线性区域的范围也有所增加。

1．3．4 正交激励与直流偏置方式下的GMI效应

图5为线圈匝数为50匝，不同大小的偏置直流下GMI(ZH)随H变化的曲线。从图5中可以看出，GMI(ZH)随H变化曲线呈现非对称的双峰现象，即非对称巨磁阻抗效应[4]。对峰值较高一侧的数据进行分析如表4所示，在所测电流范围内，最大阻抗变化率极大提高，40 mA时达到855．22%；阻抗磁灵敏度在10 mA时达到所测范围的最大值，接着随着偏置直流的增大缓慢减小；线性区域得到进一步扩大，零磁场处的灵敏度得到提高。

表3 正交激励下的特征量

图5 正交激励与直流偏置下阻抗变化率随外磁场变化的曲线

电流/mA两峰值差/%线性区域/Oe阻抗磁灵敏度/(Ω·Oe-1)最大阻抗变化率/%10183.770～2.12.561576.0220124.220～2.22.511641.5730139.010～2.22.443535.9240679.970～2.42.395855.22

非晶带在正交激励与直流偏置的方式下，其阻抗性能得到极大提高。利用AGMI效应将有利于提高传感器的量程及灵敏度[5-6]。因此，所设计的传感器的敏感元件采用正交激励与直流偏置的方式，偏置直流为10 mA，线圈匝数为50匝，激励电流频率和幅值分别为4 MHz和10 mA。

2 GMI传感器电路设计及测试

2．1 传感器电路设计

传感器信号检测电路原理图如图6所示，检测电路包括激励信号发生电路、自动增益控制(AGC)稳幅电路、V/I转换电路、前置放大电路、检波整流电路、低通滤波电路、差动放大电路和偏置磁钢。

图6 传感器电路原理图

激励信号发生电路采用含晶振的科耳皮兹振荡电路产生高频的正弦波电压信号[7]，该信号经过AGC稳幅电路后能将信号的幅值稳定在1 V。利用以上两个电路能产生频率稳定、幅值稳定的正弦波电压信号，为传感器的稳定性提供了保障。V/I转换电路由双运放组成将电压信号转换为电流信号，为非晶带提供一个幅值恒定的激励电流信号，同时也实现了阻抗变换的功能。非晶带两端的电压信号非常微弱，需要经过放大后才能与后续电路匹配，在该传感器中进行了2级放大。检波整流电路首先对前一级输出信号进行检波，再经过整流得到一个直流信号，但是该直流信号仍然存在一些高频噪声信号，所以在进入差动放大电路前加了无源的低通滤波电路。在外磁场为0的情况下，非晶带两端也存在一个电压值，传感器也有一个电压信号输出，通过调节差动放大电路可以使得外磁场为0时，传感器输出电压也为0。偏置磁钢的作用是提供偏置磁场，调节电路的工作点，保证电路工作在线性区域内，并可以实现正负磁场的测量。

2．2 电路测试结果

调节偏置磁钢的位置，使传感器工作在线性区域内，并调节差动放大电路，在外磁场0时传感器输出也为0。利用亥姆霍兹线圈对传感器进行测试和标定，得到的实验结果如图7所示，电压输出曲线在±1．0 Oe范围内具有较好的线性度。

对线性区域内的数据进行最小二乘法拟合，拟合方程为

Vout=1.670 4H+0.030 8

(3)

式中：H为磁场强度，Oe；Vout为输出电压，V。

3 结论

在对钴基非晶带GMI效应的研究和分析基础上，得出了最优的激励电流频率、幅值、线圈匝数和非晶带偏置电流，从而设计了以钴基非晶带为敏感元件，采用正交激励与直流偏置方式驱动的弱磁传感器。该传感器在信号处理电路总增益为65的情况下，灵敏度为1．670 4 V/Oe，线性度为1．78%FS，达到了弱磁场测量的要求。

图7 试验曲线及拟合曲线

[1] MOHRI K,KOHZAWA T,KAWASHIMA K,et al．Magneto-inductive effect(MI effect) in amorphous wires．IEEE Transactions on Magnetics,1992,28(5):3150-3152．

[2] 蒋颜玮，房建成，盛蔚，等．巨磁阻抗磁传感器的研究进展．仪表技术与传感器，2008(5):1-6．

[3] 黄敬晖，丁昂，张延松，等．不同驱动方式下钴基非晶条带的巨磁阻抗效应．磁性材料及器件，2013,44(4):9-13．

[4] PANINA L V．Asymmetrical giant magneto-impedance(AGMI) in amorphous wires．Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2002,249:278-287．

[5] KOLLU P,JIN L,KIM K W,et al．One-dimensional AGMI sensor with Co66Fe4Si15B15ribbon as sensing element．Applied Physics A-Materials Science & Processing,2008,90:533-536．

[6] WU C P,DENG J H,SUN J,et al．A design of linear AGMI sensor and its application for tank target detection．The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments,Beijing,2009．

[7] 稻叶保．振荡电路的设计与应用．何希才，尤克，译．北京：科学出版社，2004:122-148．

Weak Magnetic Sensor Based on Orthogonal Excitation and DCBias with Co-based Amorphous Ribbon

DING Yi,CHEN Zhe,BAO Bing-hao

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The Co-based amorphous ribbon annealed by pulse current was made to have asymmetrical giant magneto-impedance(AGMI) effect by orthogonal excitation and DC bias．Compared with lateral excitation,orthogonal excitation and DC bias greatly increased GMI effect,including the linear range,impedance sensitivity and the maximum of impedance vary ratio．In the research on the characteristic of the amorphous ribbon,a Co-based amorphous ribbon weak magnetic sensor based on AGMI effect was designed．The output of the sensor was experimentally calibrated and analyzed．The results show that in the magnetic field from -1．0 Oe to 1．0 Oe,the sensitivity is 1．670 4 V/Oe and the linearity is 1．78%FS．

orthogonal excitation;DC bias;Co-based amorphous ribbon;asymmetric giant magneto-impedance effect;weak magnetic sensor

江苏大学学生科研立项项目(12A350)

2014-03-21 收修改稿日期：2014-10-10

TP212

A

1002-1841(2015)03-0010-03

丁一(1988—)，硕士研究生，主要从事新型传感器及测控仪器的研究。E-mail:dingyi1988@163．com