基于 Fe基非晶薄帶的寬線(xiàn)性 GM I傳感器＊

金林楓, 鄭金菊, 蔡 晶

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江金華 321004)

0 引 言

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,在現(xiàn)代先進(jìn)智能測(cè)量技術(shù)及控制系統(tǒng)、電子通信設(shè)備、工業(yè)測(cè)試設(shè)備以及軍事應(yīng)用領(lǐng)域中,都需要新型的高性能磁敏傳感器.自從 1992年日本名古屋大學(xué)的Mohri等[1]首先在 Co基非晶絲中觀察到在幾個(gè) Oe磁場(chǎng)下材料的阻抗變化△Z/Z高達(dá) 50%,比金屬多層膜 Fe/Cu或 Cu/Ag在低溫、高場(chǎng)下觀察到的巨磁阻抗效應(yīng)高 1個(gè)數(shù)量級(jí)以后,此現(xiàn)象因而被稱(chēng)為巨磁阻抗效應(yīng)[2](G M I:giantmagneto-i mpedance effect).

研究者還發(fā)現(xiàn),如果適當(dāng)控制鐵基納米微晶材料的磁結(jié)構(gòu),同樣可觀察到顯著的巨磁阻抗效應(yīng),并且在熱穩(wěn)定性和性?xún)r(jià)比上優(yōu)于 Co基非晶,具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力.本文利用 Fe76Si7.6B9.5P5C1.9(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為FeSiBPC)非晶合金薄帶的寬線(xiàn)性 G M I效應(yīng)研制了一種傳感器,它在磁傳感器及磁羅盤(pán)儀上有著十分誘人的前景[3-4].

1 Fe基合金薄帶的 G M I特性

利用單輥快淬法將熔融態(tài)合金溶液制成薄帶,截取長(zhǎng)度約為 1.5 cm的薄帶 (寬約為 0.38 mm,厚約為 25μm),將其放在 470℃下空氣中自由退火 1 h,經(jīng)冷卻后,利用 HP4294A阻抗分析儀測(cè)量得出巨磁阻抗曲線(xiàn).圖 1為巨磁阻抗 (G M I)測(cè)量示意圖,其中亥姆霍茲線(xiàn)圈由直徑為 0.29 mm的漆包線(xiàn)繞制 650匝而成,提供外加直流磁場(chǎng),阻抗分析儀可以提供頻率為 40 Hz～2 MHz,電流為 10 mA的驅(qū)動(dòng)信號(hào).

阻抗比定義如下:

式 (1)中:Z(Hex),Z(Hmax)分別為在任意外加磁場(chǎng)和最大外加磁場(chǎng)下的阻抗值.

圖 1 G M I測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖 2 FeSiBPC合金薄帶的 G M I特性

利用指南針將亥姆霍磁線(xiàn)圈放置與地磁場(chǎng)相互垂直的位置,測(cè)試線(xiàn)圈則放在亥姆霍磁線(xiàn)圈的中央且與其產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)平行,整個(gè)測(cè)試過(guò)程都在屏蔽室中進(jìn)行.測(cè)量發(fā)現(xiàn),在驅(qū)動(dòng)頻率為 350 kHz時(shí)FeSiBPC薄帶有著良好的線(xiàn)性區(qū)間.圖 2為驅(qū)動(dòng)頻率 350 kHz時(shí)的 FeSiBPC的巨磁阻抗比隨外磁場(chǎng)的變化曲線(xiàn).由圖 2可知,FeSiBPC合金薄帶的最大巨磁阻抗比在零磁場(chǎng)附近時(shí)達(dá)到最大值 680%.當(dāng)磁場(chǎng)在 23.260～930.203 A/m范圍內(nèi)變化時(shí),巨磁阻抗比隨外加磁場(chǎng)增大而減小并且呈線(xiàn)性變化關(guān)系,而在高于 930.203 A/m時(shí)磁阻抗比隨磁場(chǎng)增大而變化緩慢.

2 傳感器電路的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

從傳感器的靈敏度上考慮,電路的設(shè)計(jì)采用了巨磁阻抗縱向驅(qū)動(dòng)方式[5].設(shè)計(jì)一個(gè)交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接加到內(nèi)置 Fe基非晶帶電感線(xiàn)圈兩端,當(dāng)外磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),由于 Fe基非晶帶巨磁阻抗效應(yīng),電感線(xiàn)圈兩端的阻抗隨著變化,其兩端的輸出交流電壓幅值也隨著改變,再經(jīng)包絡(luò)檢波電路檢波后輸出直流信號(hào),最后經(jīng)調(diào)零放大電路使得輸出電壓能夠反映磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小以及磁場(chǎng)的方向[6-7],傳感器電路的工作原理如圖 3所示.

2.2 具體電路的設(shè)計(jì)

1)激勵(lì)產(chǎn)生電路.因驅(qū)動(dòng)頻率為 350 kHz時(shí) FeSiBPC薄帶有著良好的線(xiàn)性區(qū)間,故設(shè)計(jì)輸出交變信號(hào)的頻率也為 350 kHz.如圖 3所示,激勵(lì)電路采用 555芯片和外圍的電阻電容組成一個(gè)多諧振蕩器,輸出頻率為 350 kHz穩(wěn)定的方波,其高電平為 5.2 V,低電平為 0.33 V.

圖 3 磁敏傳感器電路原理圖

圖 4 電感線(xiàn)圈與偏置線(xiàn)圈的制作及 Fe基非晶帶的放置方法

2)電感線(xiàn)圈與偏置線(xiàn)圈的制作.電感線(xiàn)圈與偏置線(xiàn)圈的制作如圖 4所示,采用直徑為 0.08 mm的漆包線(xiàn)雙股并排繞制,此時(shí)可以得到 2個(gè)電感線(xiàn)圈.其中線(xiàn)圈“2”作為電感線(xiàn)圈,兩端直接與 350 kHz交流激勵(lì)信號(hào)相連,另外一個(gè)線(xiàn)圈“3”作為偏置線(xiàn)圈,其兩端加直流電壓,產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度為 Hex=460 A/m的直流偏置磁場(chǎng).線(xiàn)圈的內(nèi)徑為 0.57 mm,匝數(shù)都為60匝,內(nèi)置 FeSiBPC非晶帶“1”.Hex為沿著 Fe基非晶帶方向并穿過(guò)該薄帶的磁場(chǎng)強(qiáng)度.

3)檢波電路.本設(shè)計(jì)采用的二極管包絡(luò)檢波電路,選用正向?qū)妷旱?、耐高頻的肖特基二極管,與電容、電阻組成峰值檢波電路,最后輸出直流電壓.

4)調(diào)零放大電路.利用集成運(yùn)放構(gòu)成差分放大電路,通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)放同相端的電位器 RV3,使得在外加磁場(chǎng)為 0、偏置磁場(chǎng) Hex=460 A/m時(shí)輸出電壓為 0 V.這樣就不但可以從輸出電壓的大小判斷磁場(chǎng)的大小,而且可以從電壓輸出的正負(fù)來(lái)判斷磁場(chǎng)的方向.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳感器的靜態(tài)特性反映的是當(dāng)信號(hào)為定值或變化緩慢時(shí),系統(tǒng)的輸出 (Vout)與輸入 (Hex)的關(guān)系.通常用來(lái)恒量它的重要指標(biāo)包括靈敏度、線(xiàn)性度、重復(fù)性、遲滯性等.

實(shí)驗(yàn)中,外加直流磁場(chǎng)由直流電源與亥姆霍茲線(xiàn)圈產(chǎn)生,測(cè)量時(shí)將磁敏傳感器的電感線(xiàn)圈放在亥姆霍茲線(xiàn)圈的中央,要求與亥姆霍茲線(xiàn)圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)平行且與地磁場(chǎng)垂直 (減弱地磁場(chǎng)的影響).通過(guò)調(diào)節(jié)直流穩(wěn)流源,使通過(guò)亥姆霍茲線(xiàn)圈的電流從 0～350 mA變化 (外加磁場(chǎng)從 0～1 627.85 A/m變化),再改變電流的方向,使電流從 -350 mA～0變化 (外加磁場(chǎng)從 -1 627.855 A/m～0變化),傳感器的輸出電壓用 GDM8145數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量.為了測(cè)得傳感器的靜態(tài)特性,實(shí)測(cè)時(shí)外加磁場(chǎng)由負(fù)的最大磁場(chǎng)到正的最大磁場(chǎng),再?gòu)恼淖畲蟠艌?chǎng)到負(fù)的最大磁場(chǎng),并進(jìn)行重復(fù)多次測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖 5和圖 6所示.

圖 5 重復(fù)性數(shù)據(jù)分析

圖 6 遲滯性數(shù)據(jù)分析

圖 7 線(xiàn)性度和靈敏度分析

圖 5為重復(fù)性測(cè)量結(jié)果,a,b兩曲線(xiàn)是外加磁場(chǎng)從-1 627.85～1 627.85 A/m時(shí),傳感器輸出電壓變化時(shí)的情況,可以看出 2組數(shù)據(jù)基本重疊,計(jì)算可得重復(fù)性數(shù)據(jù)的最大偏差為 0.62%.圖 6為遲滯性數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果,其中a曲線(xiàn)是外磁場(chǎng)從 -1 627.85～1 627.85 A/m所測(cè)的數(shù)據(jù);而 c曲線(xiàn)則是外磁場(chǎng)從1 627.85～-1 627.85 A/m所測(cè)得的數(shù)據(jù),計(jì)算遲滯性數(shù)據(jù)的最大偏差為 0.56%,可見(jiàn)傳感器基本無(wú)遲滯.通過(guò)對(duì)圖 5中 a曲線(xiàn)的變化情況分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)外磁場(chǎng)在 -651.14～325.57 A/m時(shí),傳感器的輸出線(xiàn)性度最好且靈敏度最高.如圖 7所示,d曲線(xiàn)為對(duì)上述磁場(chǎng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合的結(jié)果,計(jì)算可知線(xiàn)性最大偏差為0.78%,靈敏度為3.49 mV/(A·m-1).

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:用 Fe基非晶薄帶作為敏感元件設(shè)計(jì)的磁敏傳感器,具有重復(fù)性好、靈敏度高、基本不存在遲滯現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn),尤其是線(xiàn)性范圍廣 (-651.14～325.57 A/m)并且在弱磁場(chǎng)作用下仍然可以保持良好的線(xiàn)性度.該傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,可以用于磁場(chǎng)測(cè)量、位移檢測(cè)和磁羅盤(pán)儀等方面,在測(cè)量及控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.

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