基于LaCaBaMnO材料磁电阻效应的温度与磁强测量仪的设计*

褚若波,卢 宇,2*

(1.福建师范大学物理与能源学院,福州 350117;2.福建师范大学协和学院,福州 350117)

随着新材料新工艺、物联网技术和智能机器人技术的快速发展,智能设备越来越小型化,人们对现有的传感器技术提出更多、更高的要求,希望传感器设备可以采集得到更多的信息,这是传统传感器无法做到的。传统的传感器一般只能测量一种类型的物理量。例如,热电偶温度传感器只能测量环境中的温度,而不能测量其他类型的环境物理量;特斯拉计也只能测量环境中的磁场大小。而随着科学技术的不断进步,一批具有特殊性质的材料被开发出来,例如钙钛矿氧化物,其是一类具有庞磁电阻效应CMR(Colossal Magnetoresistance)的材料,具有传统材料无法比拟的磁电阻变化率[1]。Brown P等设计了用于空间科学用的小型化各向异性磁阻传感器(AMR),其测量范围为50 000 nT,测量精度很高,但可测量磁强范围偏小[2]。特别地,研究表明钙钛矿锰氧化物材料的磁电阻能对温度和磁场强度变化产生响应,并且在居里温度附近是线性响应的[3]。使用钙钛矿锰氧化物材料制造的薄膜传感器可用于强弱磁场的测量也可以用于温度的测量,且其具有体积小、可靠性好、响应时间短等特点,能在恶劣的环境下正常工作。通过改变材料中的钙、钡的组元成分可以制备居里转变温度不同的磁电阻材料,这种特性产生的有益效果是可以根据不同的测量要求与分辨率要求进而制备不同的磁电阻材料[4]。本文根据陈水源等所报道的方法制备了La2/3(Ca0.6Ba0.4)1/3MnO3多晶材料,并详细地阐述了利用这种磁阻材料作为传感器件而开发的温度与磁场测量仪的设计方案[5]。

1 测量原理

磁电阻材料的特性是当磁场增大时,材料的电阻率会减小从而产生磁电阻效应,大多数金属材料的磁电阻会随着磁场增强而增大,但变化率较小,并不适合用作磁敏感器件。只有具有庞磁电阻效应的材料的薄膜结构才适合用作磁敏感器件。进一步地,为了保证测量精度,要选择庞磁电阻材料变化率较大且为近似线性变化的区间作为所设计的测量仪的测量区间。La2/3(Ca0.6Ba0.4)1/3MnO3就是一类具有庞磁电阻效应(CMR)的材料,它具有传统材料无法比拟的磁电阻变化率,且该材料在居里温度附近是呈线性响应的。磁电阻的变化率MR值定义如下:MR=|[ρ(H)-ρ(0)]/ρ(0)|×100%,ρ(0)、ρ(H)分别表示外加磁场为0和H时的电阻率。影响磁电阻大小的因素除了外加磁场强度还有磁电阻所处的环境温度,即MR(H,T)=|[ρ(H,T)-ρ(0,T)]/ρ(0,T)|×100%。因为La2/3(Ca0.6Ba0.4)1/3MnO3材料的磁电阻的居里温度在室温附近且在居里温度附近的磁电阻变化率是线性响应,因此在居里温度附近区间,如果能够得到磁阻元件所处环境的磁场强度与温度,磁电阻的值便可以确定。反之,也可以用来确定磁场强弱和温度大小[6-7]。

2 传感器件的制备与测试

2.1 磁阻传感器件的制备

通过溶胶凝胶法制得La2/3(Ca0.6Ba0.4)1/3MnO3粉末,将粉末样品放入鼓风箱干燥,再放入马弗炉中400 ℃预烧6 h,去除有机物。然后进行充分研磨,用压片机将粉末样品压成圆片状。将圆片状样品置于高温箱式电阻炉中排胶、成相,使其具有较好的致密结构并具有一定机械强度。用5号砂纸对成相完整的样品研磨成方块状靶材,得到长宽高的尺寸大约是7.00 mm×4.00 mm×0.75 mm(误差:±0.02 mm)。所制得的块体实物如图1(a)和图1(b)所示。使用脉冲沉积法将所述的靶材块体沉积在尺寸为3 mm×5 mm的矩形石英衬底上,设置内衬底的温度为700 ℃、激光强度为280 mJ、频率3 Hz、沉积时间为90 min后,保温20 min冷却至室温,制得沉积厚度约为500 nm的磁阻薄膜。再使用与磁阻薄膜相一致的镀膜参数在矩形磁阻薄膜上对称地镀上铜电极,薄膜结构如图1(c)所示。为了使薄膜元件能处于一个干净不受污染的环境,可以使用EVA树脂对薄膜元件进行封装,用金属对夹片探针与样品进行电气连接,得到的磁电阻元件如图1(d)所示。

图1 磁阻传感器件

2.2 磁阻材料晶体结构分析

图2给出了La2/3(Ca0.6Ba0.4)1/3MnO3材料的X射线衍射谱。从X射线衍射谱图可以发现制备的样品具有较好的结晶,没有明显的杂峰,在室温下形成了多晶立方结构。

图2 样品的X射线衍射图

图3 磁电阻在不同磁场强度下随温度增加的变化曲线图

2.3 磁阻薄膜的磁电阻特性分析

传感器件的磁特性分析利用Quantum Design公司的VersaLab物理性能综合测试系统对薄膜的磁特性进行测量,测量其在温度与磁场环境下的变化规律。

图3给出了磁阻薄膜元件在温度为145 K～350 K的范围内,磁场0.0 T、1.0 T、2.0 T和3.0 T下,通过恒定电流后的磁电阻响应,外加磁场方向与样品中电流方向垂直。从图3可以看出,在磁电阻峰值(即居里温度Tc)附近有较大的MR值,且在265 K～310 K范围下,磁电阻与温度近似成线性关系。

图4给出了磁阻薄膜元件在磁强0～3.0 T范围内环境温度为265 K、270 K、275 K、280 K、285 K、290 K和295 K下,通过恒定电流后的磁电阻变化曲线。由图4可以看出,在0～3.0 T范围内磁场越强,磁电阻越小,也近似成线性关系,且温度越低磁电阻越大。

图4 磁电阻在不同温度下随磁场强度变化曲线图

3 温度与磁强测量仪的外围电路设计

温度与磁强测量仪的系统组成框图如图5所示。选用C8051F350作为主控芯片,该芯片内部有一个全差分24位Sigma-Delta AD转换器(ADC),该ADC具有在片校准功能,同时还包含一个可编程增益放大器,最大增益可达128倍[8]。温度传感器PT100产生电压信号经过调理电路转换成单片机ADC可采集范围,通过ADC运算转换成温度值。液晶显示模块LCD12832用来显示磁场强度,温度等信息。电池及恒压电路为测量仪提供稳定的电压。由上一小节图3、图4可知,磁阻传感器的变化区间是12.0 kΩ～28.0 kΩ,设计的硬件电路系统的设计目标的温度分辨率0.5 K,磁强测量的分辨率为10 Oe,则磁阻的分辨率必须达到0.5 Ω,因此仪器测量电阻的相对误差必须小于0.02%。因此,如果单片机的ADC的有效采集位数可以达到16 bit,使用比例法在满足测量要求的情况下较易于实现。

图5 系统组成框图

3.1 微控器与AD转换电路设计

单片机C8051F350自带24 bit ADC和内置了最大放大部数为128倍的PGA。通过查询芯片数据手册可以知道,如果考虑到ADC的RMS噪声,在PGA的放大倍数为128倍和输出字速率为10 Hz的情况下,ADC实际的有效位实际只有14.72 bit[9]。因为测量仪对测量的实时性并无太高要求,所以可以使用过采样来获得更高的分辨率。其公式为:fos=4wfs,其中w是希望增加的分辨率位数,fs是初始采样频率,fos是过采样频率。因此把初始采样频率的12倍作为过采样频率,这样由过采样公式可知,其分辨率就增加了log12/log4=1.79 bit的分辨率,因此ADC的有效位就有16.51 bit,达到设计的精度要求。

单片机的ADC与传感元件的连接如图6所示,基准电阻R0与传感元件RX先组成串联结构,再与稳压电源联接,基准电阻的两端与单片机的Vref+、Vref-管脚相连接。用R0上的压降VR0作为ADC的Vref,则RX上的压降为Vin,基准电阻R0的阻值已知,因此RX=R0×(Vin/VR0)。

图6 磁阻传感器RX与单片机的连接

图7 温度采集调理电路

3.2 温度传感器放大电路

常用的温度传感器有热电阻、热电偶、热敏电阻和数字式集成温度传感器等多种[10]。热电阻的测量精度高,性能稳定,使用方便,测量范围宽。因此选用以铂热电阻PT100为温度传感器,测量范围为-20 ℃～100 ℃,标称的测量分辨率为±0.1 ℃。采用高精度低失调电压的精度集成运放OP07构成的恒流源电路,基准电压2.4 V由可控精密稳压源TL431提供。由图7的温度采集电路可知,恒流源的电流I=2.4 V/2.4 kΩ=1.0 mA。该电流源的性能会受电阻R1的温度稳定性和精度的影响,因此R1应选择稳定性好的精密电阻[11-12]。因为温度测量的范围是-20 ℃～100 ℃,PT100电阻对应的电阻值为80.3 Ω～138.5 Ω,由恒流源电路可知,PT100温度传感器对应的输出电压为80.3 mV～138.5 mV,单片机的采集电压范围为0～3.3 V。因此可以采用运放电路将PT100的输出电压放大10倍,再用ADC进行电压采集。

3.3 软件的设计

因为磁电阻与外加磁场和所在环境温度在室温附近都近似于线性响应,因此本文使用分段式线性最小二乘法用于磁场、温度与磁阻的线性拟合。如图4所示,在环境温度为295 K,磁场为0～5 000 Oe区间内,进行线性拟合,得到关系式为H(R)=a(T)R+b(T),其中系数a=-6.02×10-5和b=18.83,线性相关系数R2=0.965。以每5 000 Oe对测量曲线进行线性拟合得到系数a和b组成的系数表,将此系数表存储于外部芯片EEPROM中,单片机只要测得温度,便可以根据温度参数从外部EEPROM芯片中读取对应的系数a和b。对于温度测量,则当磁阻元件无外加磁场时,由图4的数据可知,在环境温度区间为265 K～310 K进行线性拟合,得到的系数a=-0.186 0和系数b=70.79,线性相关系数R2=0.996。

测量仪测量磁强的流程如图8所示。测量仪通电初始化后,通过键盘输入基准电阻的阻值,该阻值的选取与需要测量磁场的精度和大小有关,单片机先对所处测量环境温度的读取,然后再进行磁电阻的读取,最后将结果显示在屏幕上,如果温度或是磁电阻测量失败,则也会将测量失败的错误信息显示于屏幕中。

图8 磁强测量流程图

4 实验分析与讨论

温度测量对比实验中,将恒温油槽作为温度场,无外加磁场环境下,记录温度测量原始数据。实验中测取了0～40 ℃温度段共400组数据,每隔0.1 ℃为一个温度采样点,同一温度点连续采样10次,对每个采样点进行数字滤波处理,剔除10个数据中最大值和最小值,该温度采样点的最终采样值取剩下8个数据的平均值(保留一位小数),表1为测得的部分数据。实验表明,磁阻传感元件的温度测量绝对误差值小于0.5 ℃。

表1 温度测量的部分数据 单位:℃

图9 磁强测量结果对比图

磁强测量对比实验中,通过与一台由南京大学恒通电子仪器厂生产的GS-208型数字式特斯拉计(综合测量相对误差为0.1%,对一个磁场梯度测量十次,剔除10个数据中最大值和最小值,取剩下8个数据的平均值,并将此值作为默认真实的磁场强度值)与本测量仪进行对比实验,将磁强探头置于线圈的匀强磁场区域,调节磁场的线圈电流,使磁场在0～1.6 T的范围变化,每次按照200 mT的幅度进行递增。其中测试序号为1至8的测试温度为室温(298 K),测试序号为9至16的测试温度为(318 K)。测量磁场强度的对比实验分析,如表2和图9所示。该测量仪的相对误差小于0.3%、线性度为:±0.23%,测量范围:磁强0～1 600 mT,温度0～40 ℃。

传感器输出特性大都为非线性,且常受各种环境参数影响,故存在多种误差。这些误差主要有:(1)接触电阻误差,主要是铜电极与磁阻薄膜之间的接触电阻。这一电阻的存在将使测得的样品电阻率比实际的大。(2)仪器误差,主要来自电路设计中的电气特性误差和单片机的内部存在误差。(3)温度传感器的误差,由于使用了较为简易的温度采集调理电路,使得PT100的测量分辨率为0.5 ℃。综上所述,对于误差的修正,可以考虑使用查表法、最小二乘法等一般算法[13]或者人工智能算法[14],如遗传算法[15]、微粒群算法等进行修正[16]。

表2 磁强测量实验数据

5 结论

本文详细地介绍了通过制备一种具有钙钛矿结构的La2/3(Ca0.6Ba0.4)1/3MnO3多晶磁电阻薄膜器件,并根据该传感器件的磁电阻特性设计了一台温度与磁强测量仪,既可以测量磁强也可以测量温度。磁阻传感器件呈现出良好的稳定特性,具有广泛的应用前景。