基于V/I转换电路与锁相放大器的磁阻抗测量系统*

樊天麒，刘　岩，雷　冲*，周　勇

（1.上海交通大学，上海200240；2.电子信息与电气工程学院，上海200240；3.薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海200240）

基于V/I转换电路与锁相放大器的磁阻抗测量系统*

樊天麒1，2，3，刘岩1，2，3，雷冲1，2，3*，周勇1，2，3

（1.上海交通大学，上海200240；2.电子信息与电气工程学院，上海200240；3.薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海200240）

为了实现GMI传感器的低成本及便携式应用，一种新型的GMI传感器检测系统被提出并研究，新型GMI传感器检测系统由信号源、V/I转换电路及锁相放大器构成。在1 MHz到10 MHz的激励信号频率范围内，利用新型检测系统对NiFe/Cu/NiFe三明治结构的GMI传感器进行了测量，并且与惠普公司4194A型阻抗分析仪在相同条件下的测量结果进行了比对分析，在频率为6 MHz时比较结果显示该系统的误差范围小于1.5%。

磁传感器；巨磁阻抗；磁探测；V/I转换锁相放大

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.022

在现代信息化时代，磁传感器在航空航天，汽车工业、自动化，磁存储、电力电子技术，生物医学等方面有着至关重要的角色［1］。随着电子产品的日新月异，人们对传感器的要求向微型化，迅速响应和高灵敏度等方面转移。在磁传感器方面，霍尔传感器、磁通门传感器的性能已经渐渐不能达到人们对传感器的要求。1992年，日本Mohri等人首先在非晶丝中发现了巨磁阻抗GMI（Giant Magneto Impedance）效应，并制成GMI传感器。GMI效应会使软磁材料在高频交流电流的激励下，交流阻抗随环境磁场的变化而呈现明显的变化。相比于之前提及的霍尔传感器和磁通门传感器来说，GMI传感器在尺寸，灵敏度等性能上得到显著提升，整体性能更加优异［2-3］。

GMI传感器现阶段仍然处于研究阶段［4］，在科研实验中，对GMI传感器性能的测量主要是采用阻抗分析仪进行观察分析器件的阻抗变化率。阻抗分析仪精度较高［5］，操作方便，但是价格昂贵，不方便携带，这给GMI的研究和GMI传感器的实际应用提出了挑战性的问题。中国南京理工大学利用信号发生器、检波、滤波、放大等结构完成了对传感器电路搭建，但是其检测精度及范围存在一定局限。因此，十分有必要采用新的测量方法完成对GMI传感器的测量与标定，为GMI的研究提供便利。

本文提出一种新的GMI传感器测量方案，即通过锁相放大器配合V/I转换电路，并与传统的阻抗分析仪的测量方法得出的结果进行对比，得出本方案既降低测量成本，提高抗干扰能力，又能快速准确的得出输出结果。

1　实验检测系统及环境

1.1检测系统

利用阻抗分析仪的检测系统如图1所示。

图1　基于阻抗分析仪的检测系统

实验所用阻抗分析仪为惠普公司的4194A型阻抗分析仪。在传感器的电极两端焊接铜丝，并与阻抗分析仪输入端相连。调整阻抗分析仪的输入频率，并记录GMI传感器的阻抗变化，得出变化率曲线。

V/I转换电路与锁相放大其的检测系统如图2所示。检测系统是由GMI传感器、交流信号源、V/I转换电路锁相放大器构成。传感器的电极与PCB电路板相连，GMI传感器的激励利用交流V/I转换电路将交流电压信号转换为恒定交流电流信号，用来驱动GMI传感器。GMI传感器输出信号利用Stanford的SR844锁相放大器进行信号提取。测量环境是由100匝含有磁芯的线圈提供外加磁场，同时将线圈、传感器放入制作的磁屏蔽桶中间用来减少地磁场等环境磁场对传感器带来的影响。

图2　基于V/I转换电路和锁相放大器的检测系统

激励电路的主要部分由、信号发生器、锁相放大器构成。本文中，V/I转换电路所使用的芯片为美国ADI公司生产的ADA4891芯片，此款芯片是一款CMOS工艺的高速放大器，成本较低，同时性能满足测量需要。使用Tektronix公司的AFG3022信号发生器，在本文实验中，需要提供可调的1 MHz到10 MHz信号，信号输入给V/I转换电路，使V/I转换电路输出恒定的10 mA的交流电流，激励GMI传感器，利用SR844锁相放大器进行信号提取，记录GMI传感器对不同磁场场强的输出电压值，通过计算得到GMI传感器的阻抗变化率。

V/I转换电路电路示意图如图3所示。

图3　V/I转换电路电路示意图

电路中，R1=R2=R3=R4，分析电路可得，

所以得到，输出电流iO为：

由上式可知，输入一个交流电压信号，电路向GMI传感器提供的交流电流信号只与所给电压信号的幅值和电路中的电位器RO相关，与电路的输出负载无关。在电路的输出负载中，除了GMI传感器外，还添加了一个定值电阻R=5Ω，利用示波器测量和观测负载电压大小，确保在正确的输出电流下记录GMI传感器电压数据。

由此可知，当在用此V/I转换电路驱动GMI传感器时，传感器工作时的电压变化就与传感器的阻抗变化呈线性关系，阻抗变化值可以直接由传感器的电压值观测，方便得到阻抗变化率。

本文应用美国斯坦福公司SR844型锁相放大器，将GMI传感器工作时的输出电压传入给锁相放大器，由于此款锁相放大器的满量程精度值可以达到100 nV，所以可以非常精确的得到GMI传感器的电压变化，从而可以精确的计算出阻抗的变化值。实验中所用传感器如图4所示。

图4　NiFe/Cu/NiFe三明治结构GMI传感器

此传感器利用MEMS技术制成，为NiFe/Cu/NiFe的三明治结构。其中间的夹层为导电层，材料为Cu；上表面和底层是NiFe材料构成的磁性层。导电层的Cu会延伸出磁性层外面形成电极，用于连接外部电路。传感器的尺寸结构为长5 mm，宽为4.34 mm，线宽0.16 mm，一共10匝［6-7］。

1.2磁场环境

在测量传感器时考虑到地磁场的影响，测量中将GMI传感器放置为东西方向，并且将传感器放入磁屏蔽桶中进行测量。桶的前后盖板使用2 cm厚的铝制钢板制作，盖板内侧均匀贴六层FeNi薄膜，将一个盖板的边沿打小孔，方便信号线的链接、传感器放置在屏蔽筒中间，以确保标定的系数准确。利用这个方法，在实验中可以保证磁场大小在20 nT以下，起到了良好的磁屏蔽效果。

实验过程中利用含有磁芯的螺线管为传感器添加磁场，测量时将传感器紧贴螺线管。使用磁强计对磁场进行标定，螺线管所产生磁场与所加电流关系如图5所示。

图5　螺线管产生磁场与所加电流关系

2　实验内容

实验中使用不同测量方式对GMI传感器进行测量。第1种方式利用阻抗分析仪，由于阻抗分析仪测量阻抗较为准确，所以可以作为GMI传感器的标定设备；第2种是利用V/I转换电路配合锁相放大器进行GMI传感器的测量，最后将两种测量结果进行比较，评估第2种方法是否满足GMI传感器的测量精度要求。

2.1利用阻抗分析仪标定

利用阻抗分析仪将GMI传感器对磁场的响应进行标定。从1 MHz电流频率开始，每间隔1 MHz标定一次，到10 MHz结束，观察不同频率的激励电流下GMI传感器对磁场的响应变化。

图6表示了利用阻抗分析仪对此传感器的阻抗变化率曲线。

图6　利用阻抗分析仪得到的GMI不同频率阻抗变化曲线

图6中横坐标为磁场强度H，纵坐标为GMI传感器阻抗变化率（Z-Z0）/Z0。其中Z0为GMI传感器初始阻抗值，Z为不同磁场强度下的阻抗值。由图6可知，GMI的变化率随着磁场的增加表现出先增加后减小的现象。这个现象可以通过磁旋模型来加以解释［8-9］：随着磁场的增加，对GMI效应产生影响的旋转磁导率随着外磁场的增加呈现先增加后减小的变化，当磁场场强达到一个特定的值叫做异性场强，即HK时，GMI传感器的变化率达到最大值［10］。

当改变GMI传感器的工作频率时，可以得到传感器的GMI效应随着频率的增加也呈现增加后减小的现象。这是因为此GMI效应主要是由施加给GMI传感器的外磁场变化而引起趋肤效应的剧烈变化引起的［11-12］。

2.2利用V/I转换电路配合锁相放大器的检测系统

在相同条件下，利用V/I转换电路配合锁相放大器的检测系统对GMI传感器进行测量，图7为在此检测系统下的得到的GMI阻抗变化率曲线。

图7　利用V/I转换电路和锁相放大器得到的GMI不同频率阻抗变化曲线

图7中横坐标为磁场强度H，纵坐标为GMI传感器的电压变化值（U-U0）/U0。其中U0为GMI传感器在不加外加磁场时的电压值，U为不同磁场下GMI传感器的电压值。

根据在两个不同检测系统的差值进行分析，将取得最大变化率时，即6 MHz下测得的GMI传感器变化率的差值进行比较，利用阻抗分析仪得出的变化率减去V/I传感器和锁相测得的变化率，结果如表1。

表1　两种系统在6 MHz下结果的差值

由表1可以得出，用此检测系统对GMI传感器进行测量同样可以很好的GMI传感器的性能结果。从差值表可以看到，用此系统对GMI传感器进行测量与用阻抗分析仪进行的标定结果相差非常小。

因此可以认为，利用V/I转换电路配合锁相放大器搭建的系统可以较为准确的测量GMI器件的性能。

3　结论

本文基于对GMI传感器的测量为目的，搭建出一种新型的由V/I转换电路和锁相放大器构成的检测系统，并进行GMI传感器的测量。通过实验对比，可以认为利用此种方法可以在一定精度要求下快速准确的测量GMI传感器性能，为GMI传感器的测量提供便利。

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樊天麒（1990-），男，辽宁人，上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士研究生，研究方向为GMI传感器及其电路设计；

雷冲（1978-），男，湖北人，上海交通大学电子信息与电气工程学院助理研究员，博士。研究领域为微弱磁场检测技术、磁性微纳电子器件、高精度磁强计，和生物检测微系统；

周勇（1964-），男，山东人，上海交通大学电子信息与电气工程学院教授，博士生导师。研究领域为MEMS、X射线光刻技术、微致动器、GMI传感器和磁性芯片相变薄膜的相变存储器，和生物医学应用BioDevice。

Magnetic Impedance Measurement System Based on V/I Conversion Circuit and Lock-in Amplifier*

FAN Tianqi1，2，3，LIU Yan1，2，3，YANG Zhen1，2，3，LEI Chong1，2，3*，ZHOU Yong1，2，3
（1.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai 200240，China；3.Key Laboratory for Thin Film and Microfabrication of Ministry of Education，Shanghai 200240，China）

In order to realize the low cost and portable application of GMI sensor，a new type of GMI sensor detection system is proposed and studied.The novel GMI sensor detection system consists of a signal source，a V/I conversion circuit and a lock-in amplifier.In the range of 1 MHz to 10 MHz excitation signal frequency range，the new test system of NiFe/Cu/NiFe sandwich structure GMI sensor were measured，and with the HP 4194A impedance analyzer measurements under the same conditions results are analysis and comparison.The comparison results show that the error range of the system is less than 1.5%when the frequency is 6 MHz.

magnetic sensor；grant magneto impedance；magnetic detection；V/I converter；phase-locked amplifier

TP393

A

1004-1699（2016）10-1602-04

项目来源：中国国家自然科学基金项目（61273065）；国家科技支撑计划项目（2012BAK08B05）；上海市自然科学基金项目（13ZR1420800）；上海交通大学Agri-X基金项目（AgriX2015005）；上海交通大学航天先进技术联合研究中心技术创新项目（USCAST2015-2）；航天支撑技术基金项目（15GFZ-JJ02-05）

2016-03-16修改日期：2016-06-14