高灵敏巨磁阻抗小型磁传感器研制

黄敬晖， 郝　洁， 张延松， 唐家耘， 钱坤明， 丁　昂

(中国兵器科学研究院 宁波分院，浙江 宁波 315000)



高灵敏巨磁阻抗小型磁传感器研制

黄敬晖， 郝洁， 张延松， 唐家耘， 钱坤明， 丁昂

(中国兵器科学研究院 宁波分院，浙江 宁波 315000)

利用单辊快淬法制备了CoFeNiSiB非晶薄带，经过400 A/mm2电流密度、20 ms脉冲间隔条件下的脉冲退火后具有较好的弱磁场灵敏性能。以该带材为磁敏材料，基于纵向驱动方式研制了一种巨磁阻抗(GMI)磁传感器，该磁传感器尺寸小、灵敏度高、频率响应好，±0.05 mT弱磁场范围内灵敏度可达到44.15 V/mT，在高灵敏度小型磁传感器领域具有较大的应用潜力。

巨磁阻抗； 磁传感器； 钴基非晶条带； 灵敏度

0　引　言

巨磁阻抗(giant magneto-impedance,GMI)效应是指磁敏材料交流阻抗值随外加直流磁场显著变化的现象，其起因普遍通过经典电磁理论及趋肤效应加以解释[1～4]。自1992 年,日本名古屋大学的 Mohri K等人[5]首先在 Co 基非晶丝中发现了巨磁阻抗效应以来，其在弱磁场范围内能够灵敏地响应磁场微小变化的特性引起了广泛的关注。基于巨磁阻抗效应的磁传感器能够集高灵敏、快响应、微尺寸等优点于一身，因而在工业自动化、环境监测、海洋探测、生物、医疗、导航、车辆船舶等领域都具有较大的应用潜力[6～10]。

本文以Co基非晶薄带为磁敏材料，设计并研制了一种微型磁传感器，性能测试结果表明：其在地磁场范围内具有较高的灵敏度和较好的频率响应特性。

1　磁敏材料制备及其巨磁阻抗性能测试

所选用的磁敏材料为CoFeNiSiB非晶薄带，采用高频感应加热法熔炼母合金，并用单辊快淬法喷制而成，再对其进行400 A/mm2电流密度、20 ms脉冲间隔条件下的脉冲退火处理，最终得到宽为1 mm、厚为20 μm的非晶薄带样品，如图1所示。

图1　非晶薄带样品Fig 1　Amorphous ribbon sample

磁敏材料的GMI性能基于纵向驱动方式进行测试[11～12]，如图2所示。截取长度为12 mm的非晶薄带，将其置于由漆包线绕制而成的空心线圈中(线圈的长度为10 mm、匝数为40)；利用正弦信号发生器产生幅值为5 mA、频率为66 kHz的激励电流，通入空心线圈，并沿条带轴向施加-0.5～+0.5 mT变化的外磁场；最后从连接在带身线圈上的阻抗分析仪观察到阻抗值的相应变化，阻抗值测试曲线如图3所示。

图2　纵向驱动GMI效应测试方法Fig 2　Test methods of vertically driven GMI effect

图3　磁敏材料阻抗值变化曲线Fig 3　Impedance change curve of magnetic sensitive material

由图3可知，所制备的磁敏材料样品其阻抗变化曲线呈梯形结构，不同于常见的单峰结构[13]，这可能与材料的长度有关。从图形上看，材料的阻抗值在-1.5～-2.5 mT及0.2～0.3 mT范围内变化较大，即具有较好的弱磁场灵敏特性。

2　小型化磁传感器设计与制作

2.1敏感元件的制作

基于纵向驱动方式的敏感元件既包含非晶薄带本身，还包括缠绕在其周身的感应线圈。根据小型化器件的设计要求，首先进行元件骨架的制作，利用CAD绘图软件设计长×宽×高为13 mm×4 mm×3 mm的骨架模型(如图4所示)，并开模制作成件；再将非晶薄带嵌入放置在骨架轴向的槽中，并涂上硅橡胶使其固定；最后采用直径为0.1 mm的漆包线沿骨架轴体内外分别绕制两层线圈，其中内圈为感应线圈，外层为偏置线圈，匝数同为40。图4所示为敏感元件示意图。

图4　敏感元件骨架模型及其成品Fig 4　Skeleton model and product of sensitive component

2.2磁传感器电路设计

设计传感器的整机电路如图5所示，总共包含6个模块：

1)信号激励电路:信号幅值由电阻R2调节，根据前述材料性能测试结果，将振荡信号的频率确定为66 kHz，幅值为5 mA。

2)偏置电路:偏置电路主要用于调节器件对外磁场的灵敏工作区间，出于小尺寸的要求，采用偏置线圈的方式来产生所需的偏置磁场。在偏置线圈长度及匝数固定的前提下，调节Rd1阻值为176 Ω，得到所需的偏置磁场约0.25 mT。

3)前置放大电路:主要用于对微弱磁敏信号进行一级放大。经实验测量，选定放大器的增益A=15。

4)包络检波电路:包络检波电路主要用于解调磁敏元件两端的电压调幅信号，采用以肖特基二极管为主要元件的检波电路，其具有较高的检波效率和良好的频率特性。

5)低通滤波电路:出于对磁传感器小型化及低功耗的设计要求，采用无源低通滤波电路来滤除夹杂在磁敏直流信号中的高频信号，其截止频率由R7和C13的数值共同决定。

6)差分放大电路:差分放大电路主要用于调节磁传感器的零点，并对电压信号进行二级放大。

图5　传感器整机电路图Fig 5　Circuity diagram of sensor

2.3磁传感器样机制作

各电子元件尽可能选用最小封装，最后将磁敏感元件整合到电路板中，制作完成后的小型磁传感器样机如图6所示，尺寸为17 mm×19 mm×5 mm。

图6　小型磁传感器样机Fig 6　Small prototype of magnetic sensor

3　磁传感器性能测试

根据应用需求，将研制完成的磁传感器样机进行地磁场范围内的灵敏度标定及动态磁场频率响应测试。

3.1灵敏度标定

通过控制偏置磁场的大小，将磁传感器的灵敏工作区间调节至±0.05 mT(即地磁场范围)，在该范围内，分别进行正、反行程的数据测试，外磁场间隔为0.01 mT。

根据的数据作出传感器输出性能曲线如图7所示。采用最佳直线的方法对测量数据进行拟合，拟合方程为

Y=44 154.545X+275.909

(1)

图7　磁传感器性能输出曲线及其拟合曲线Fig 7　Output curve of magnetic sensor performance and its fitting curve

根据拟合结果可知，器件在地磁场范围内的灵敏度约为44.15 V/mT。

3.2频率响应测试

将磁传感器放置于赫姆霍兹线圈中，并为线圈通以交流电产生交流磁场。通过改变交流磁场的频率，分别取值50，250，500，800Hz，测得相应的磁传感器输出电压曲线如图8所示。

图8　不同频率下输入信号对应的响应曲线Fig 8　Corresponding response curves of input signal at different frequency

从图8可以看到，在磁场频率在250 Hz以内范围时，器件均能很好响应，且输出信号的幅值并无衰减；当磁场频率加大至500 Hz甚至800 Hz时，器件虽仍能响应，但且输出信号的幅值出现不同程度的衰减，即响应性能下降。规定输出信号幅值衰减至正常幅值75 %时的磁场频率为器件响应截止频率，测得传感器样机的响应截止频率达到380 Hz，对应的响应时间为2.63 ms。

4　结束语

本文研究了CoFeNiSiB非晶薄带经脉冲热处理后的GMI性能，并以其为磁敏材料，研制了具有高灵敏度和高频率响应的小型化GMI磁传感器，器件尺寸仅17 mm×19 mm×5 mm。器件性能测试结果表明：在地磁场范围内，该磁传感器的灵敏度达到44.15 V/mT，频率响应时间为2.63 ms，在高灵敏度小型磁传感器领域具有较大的应用潜力。

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Research and fabrication of high sensitivity GMI miniaturized magnetic sensor

HUANG Jing-hui, HAO Jie, ZHANG Yan-song, TANG Jia-yun, QIAN Kun-ming, DING Ang

(Ningbo Branch,Chinese Academy of Ordnance Science,Ningbo 315000,China)

CoFeNiSiB amorphous ribbons prepared by single-roll rapid quenching had high sensitivity in weak magnetic filed after pulse annealing with current density of 400 A/mm2and pulse separation of 20 ms.The ribbons are used as magnetic sensitive materials to produce a kind of giant magnetic impedance(GMI)magnetic sensors based on longitudinal drive mode.The magnetic senors are characterized by small size,high sensitivity,and good frequency response,and their sensitivity can reach 44.15 V/mT in weak magnetic field of ±0.05 mT,it has a great potential application for high sensitivity miniaturized magnetic sensors.

giant magneto-impedance(GMI); magnetic sensor; co-based amorphous ribbon; sensitivity

2015—11—04

TP 212.1

B

1000—9787(2016)08—0084—03

黄敬晖(1988-)，男，浙江宁波人，硕士，助理研究员，主要从事磁性材料与其器件应用的研究。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0084—03