基于V/I轉(zhuǎn)換電路與鎖相放大器的磁阻抗測量系統(tǒng)*

樊天麒，劉　巖，雷　沖*，周　勇

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；3.薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

基于V/I轉(zhuǎn)換電路與鎖相放大器的磁阻抗測量系統(tǒng)*

樊天麒1，2，3，劉巖1，2，3，雷沖1，2，3*，周勇1，2，3

（1.上海交通大學(xué)，上海200240；2.電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；3.薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

為了實(shí)現(xiàn)GMI傳感器的低成本及便攜式應(yīng)用，一種新型的GMI傳感器檢測系統(tǒng)被提出并研究，新型GMI傳感器檢測系統(tǒng)由信號(hào)源、V/I轉(zhuǎn)換電路及鎖相放大器構(gòu)成。在1 MHz到10 MHz的激勵(lì)信號(hào)頻率范圍內(nèi)，利用新型檢測系統(tǒng)對(duì)NiFe/Cu/NiFe三明治結(jié)構(gòu)的GMI傳感器進(jìn)行了測量，并且與惠普公司4194A型阻抗分析儀在相同條件下的測量結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析，在頻率為6 MHz時(shí)比較結(jié)果顯示該系統(tǒng)的誤差范圍小于1.5%。

磁傳感器；巨磁阻抗；磁探測；V/I轉(zhuǎn)換鎖相放大

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

在現(xiàn)代信息化時(shí)代，磁傳感器在航空航天，汽車工業(yè)、自動(dòng)化，磁存儲(chǔ)、電力電子技術(shù)，生物醫(yī)學(xué)等方面有著至關(guān)重要的角色［1］。隨著電子產(chǎn)品的日新月異，人們對(duì)傳感器的要求向微型化，迅速響應(yīng)和高靈敏度等方面轉(zhuǎn)移。在磁傳感器方面，霍爾傳感器、磁通門傳感器的性能已經(jīng)漸漸不能達(dá)到人們對(duì)傳感器的要求。1992年，日本Mohri等人首先在非晶絲中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗GMI（Giant Magneto Impedance）效應(yīng)，并制成GMI傳感器。GMI效應(yīng)會(huì)使軟磁材料在高頻交流電流的激勵(lì)下，交流阻抗隨環(huán)境磁場的變化而呈現(xiàn)明顯的變化。相比于之前提及的霍爾傳感器和磁通門傳感器來說，GMI傳感器在尺寸，靈敏度等性能上得到顯著提升，整體性能更加優(yōu)異［2-3］。

GMI傳感器現(xiàn)階段仍然處于研究階段［4］，在科研實(shí)驗(yàn)中，對(duì)GMI傳感器性能的測量主要是采用阻抗分析儀進(jìn)行觀察分析器件的阻抗變化率。阻抗分析儀精度較高［5］，操作方便，但是價(jià)格昂貴，不方便攜帶，這給GMI的研究和GMI傳感器的實(shí)際應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)性的問題。中國南京理工大學(xué)利用信號(hào)發(fā)生器、檢波、濾波、放大等結(jié)構(gòu)完成了對(duì)傳感器電路搭建，但是其檢測精度及范圍存在一定局限。因此，十分有必要采用新的測量方法完成對(duì)GMI傳感器的測量與標(biāo)定，為GMI的研究提供便利。

本文提出一種新的GMI傳感器測量方案，即通過鎖相放大器配合V/I轉(zhuǎn)換電路，并與傳統(tǒng)的阻抗分析儀的測量方法得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出本方案既降低測量成本，提高抗干擾能力，又能快速準(zhǔn)確的得出輸出結(jié)果。

1　實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)及環(huán)境

1.1檢測系統(tǒng)

利用阻抗分析儀的檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　基于阻抗分析儀的檢測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)所用阻抗分析儀為惠普公司的4194A型阻抗分析儀。在傳感器的電極兩端焊接銅絲，并與阻抗分析儀輸入端相連。調(diào)整阻抗分析儀的輸入頻率，并記錄GMI傳感器的阻抗變化，得出變化率曲線。

V/I轉(zhuǎn)換電路與鎖相放大其的檢測系統(tǒng)如圖2所示。檢測系統(tǒng)是由GMI傳感器、交流信號(hào)源、V/I轉(zhuǎn)換電路鎖相放大器構(gòu)成。傳感器的電極與PCB電路板相連，GMI傳感器的激勵(lì)利用交流V/I轉(zhuǎn)換電路將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為恒定交流電流信號(hào)，用來驅(qū)動(dòng)GMI傳感器。GMI傳感器輸出信號(hào)利用Stanford的SR844鎖相放大器進(jìn)行信號(hào)提取。測量環(huán)境是由100匝含有磁芯的線圈提供外加磁場，同時(shí)將線圈、傳感器放入制作的磁屏蔽桶中間用來減少地磁場等環(huán)境磁場對(duì)傳感器帶來的影響。

圖2　基于V/I轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大器的檢測系統(tǒng)

激勵(lì)電路的主要部分由、信號(hào)發(fā)生器、鎖相放大器構(gòu)成。本文中，V/I轉(zhuǎn)換電路所使用的芯片為美國ADI公司生產(chǎn)的ADA4891芯片，此款芯片是一款CMOS工藝的高速放大器，成本較低，同時(shí)性能滿足測量需要。使用Tektronix公司的AFG3022信號(hào)發(fā)生器，在本文實(shí)驗(yàn)中，需要提供可調(diào)的1 MHz到10 MHz信號(hào)，信號(hào)輸入給V/I轉(zhuǎn)換電路，使V/I轉(zhuǎn)換電路輸出恒定的10 mA的交流電流，激勵(lì)GMI傳感器，利用SR844鎖相放大器進(jìn)行信號(hào)提取，記錄GMI傳感器對(duì)不同磁場場強(qiáng)的輸出電壓值，通過計(jì)算得到GMI傳感器的阻抗變化率。

V/I轉(zhuǎn)換電路電路示意圖如圖3所示。

圖3　V/I轉(zhuǎn)換電路電路示意圖

電路中，R1=R2=R3=R4，分析電路可得，

所以得到，輸出電流iO為：

由上式可知，輸入一個(gè)交流電壓信號(hào)，電路向GMI傳感器提供的交流電流信號(hào)只與所給電壓信號(hào)的幅值和電路中的電位器RO相關(guān)，與電路的輸出負(fù)載無關(guān)。在電路的輸出負(fù)載中，除了GMI傳感器外，還添加了一個(gè)定值電阻R=5Ω，利用示波器測量和觀測負(fù)載電壓大小，確保在正確的輸出電流下記錄GMI傳感器電壓數(shù)據(jù)。

由此可知，當(dāng)在用此V/I轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)GMI傳感器時(shí)，傳感器工作時(shí)的電壓變化就與傳感器的阻抗變化呈線性關(guān)系，阻抗變化值可以直接由傳感器的電壓值觀測，方便得到阻抗變化率。

本文應(yīng)用美國斯坦福公司SR844型鎖相放大器，將GMI傳感器工作時(shí)的輸出電壓傳入給鎖相放大器，由于此款鎖相放大器的滿量程精度值可以達(dá)到100 nV，所以可以非常精確的得到GMI傳感器的電壓變化，從而可以精確的計(jì)算出阻抗的變化值。實(shí)驗(yàn)中所用傳感器如圖4所示。

圖4　NiFe/Cu/NiFe三明治結(jié)構(gòu)GMI傳感器

此傳感器利用MEMS技術(shù)制成，為NiFe/Cu/NiFe的三明治結(jié)構(gòu)。其中間的夾層為導(dǎo)電層，材料為Cu；上表面和底層是NiFe材料構(gòu)成的磁性層。導(dǎo)電層的Cu會(huì)延伸出磁性層外面形成電極，用于連接外部電路。傳感器的尺寸結(jié)構(gòu)為長5 mm，寬為4.34 mm，線寬0.16 mm，一共10匝［6-7］。

1.2磁場環(huán)境

在測量傳感器時(shí)考慮到地磁場的影響，測量中將GMI傳感器放置為東西方向，并且將傳感器放入磁屏蔽桶中進(jìn)行測量。桶的前后蓋板使用2 cm厚的鋁制鋼板制作，蓋板內(nèi)側(cè)均勻貼六層FeNi薄膜，將一個(gè)蓋板的邊沿打小孔，方便信號(hào)線的鏈接、傳感器放置在屏蔽筒中間，以確保標(biāo)定的系數(shù)準(zhǔn)確。利用這個(gè)方法，在實(shí)驗(yàn)中可以保證磁場大小在20 nT以下，起到了良好的磁屏蔽效果。

實(shí)驗(yàn)過程中利用含有磁芯的螺線管為傳感器添加磁場，測量時(shí)將傳感器緊貼螺線管。使用磁強(qiáng)計(jì)對(duì)磁場進(jìn)行標(biāo)定，螺線管所產(chǎn)生磁場與所加電流關(guān)系如圖5所示。

圖5　螺線管產(chǎn)生磁場與所加電流關(guān)系

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)中使用不同測量方式對(duì)GMI傳感器進(jìn)行測量。第1種方式利用阻抗分析儀，由于阻抗分析儀測量阻抗較為準(zhǔn)確，所以可以作為GMI傳感器的標(biāo)定設(shè)備；第2種是利用V/I轉(zhuǎn)換電路配合鎖相放大器進(jìn)行GMI傳感器的測量，最后將兩種測量結(jié)果進(jìn)行比較，評(píng)估第2種方法是否滿足GMI傳感器的測量精度要求。

2.1利用阻抗分析儀標(biāo)定

利用阻抗分析儀將GMI傳感器對(duì)磁場的響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定。從1 MHz電流頻率開始，每間隔1 MHz標(biāo)定一次，到10 MHz結(jié)束，觀察不同頻率的激勵(lì)電流下GMI傳感器對(duì)磁場的響應(yīng)變化。

圖6表示了利用阻抗分析儀對(duì)此傳感器的阻抗變化率曲線。

圖6　利用阻抗分析儀得到的GMI不同頻率阻抗變化曲線

圖6中橫坐標(biāo)為磁場強(qiáng)度H，縱坐標(biāo)為GMI傳感器阻抗變化率（Z-Z0）/Z0。其中Z0為GMI傳感器初始阻抗值，Z為不同磁場強(qiáng)度下的阻抗值。由圖6可知，GMI的變化率隨著磁場的增加表現(xiàn)出先增加后減小的現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象可以通過磁旋模型來加以解釋［8-9］：隨著磁場的增加，對(duì)GMI效應(yīng)產(chǎn)生影響的旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)率隨著外磁場的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化，當(dāng)磁場場強(qiáng)達(dá)到一個(gè)特定的值叫做異性場強(qiáng)，即HK時(shí)，GMI傳感器的變化率達(dá)到最大值［10］。

當(dāng)改變GMI傳感器的工作頻率時(shí)，可以得到傳感器的GMI效應(yīng)隨著頻率的增加也呈現(xiàn)增加后減小的現(xiàn)象。這是因?yàn)榇薌MI效應(yīng)主要是由施加給GMI傳感器的外磁場變化而引起趨膚效應(yīng)的劇烈變化引起的［11-12］。

2.2利用V/I轉(zhuǎn)換電路配合鎖相放大器的檢測系統(tǒng)

在相同條件下，利用V/I轉(zhuǎn)換電路配合鎖相放大器的檢測系統(tǒng)對(duì)GMI傳感器進(jìn)行測量，圖7為在此檢測系統(tǒng)下的得到的GMI阻抗變化率曲線。

圖7　利用V/I轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大器得到的GMI不同頻率阻抗變化曲線

圖7中橫坐標(biāo)為磁場強(qiáng)度H，縱坐標(biāo)為GMI傳感器的電壓變化值（U-U0）/U0。其中U0為GMI傳感器在不加外加磁場時(shí)的電壓值，U為不同磁場下GMI傳感器的電壓值。

根據(jù)在兩個(gè)不同檢測系統(tǒng)的差值進(jìn)行分析，將取得最大變化率時(shí)，即6 MHz下測得的GMI傳感器變化率的差值進(jìn)行比較，利用阻抗分析儀得出的變化率減去V/I傳感器和鎖相測得的變化率，結(jié)果如表1。

表1　兩種系統(tǒng)在6 MHz下結(jié)果的差值

由表1可以得出，用此檢測系統(tǒng)對(duì)GMI傳感器進(jìn)行測量同樣可以很好的GMI傳感器的性能結(jié)果。從差值表可以看到，用此系統(tǒng)對(duì)GMI傳感器進(jìn)行測量與用阻抗分析儀進(jìn)行的標(biāo)定結(jié)果相差非常小。

因此可以認(rèn)為，利用V/I轉(zhuǎn)換電路配合鎖相放大器搭建的系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確的測量GMI器件的性能。

3　結(jié)論

本文基于對(duì)GMI傳感器的測量為目的，搭建出一種新型的由V/I轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大器構(gòu)成的檢測系統(tǒng)，并進(jìn)行GMI傳感器的測量。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以認(rèn)為利用此種方法可以在一定精度要求下快速準(zhǔn)確的測量GMI傳感器性能，為GMI傳感器的測量提供便利。

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樊天麒（1990-），男，遼寧人，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)镚MI傳感器及其電路設(shè)計(jì)；

雷沖（1978-），男，湖北人，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院助理研究員，博士。研究領(lǐng)域?yàn)槲⑷醮艌鰴z測技術(shù)、磁性微納電子器件、高精度磁強(qiáng)計(jì)，和生物檢測微系統(tǒng)；

周勇（1964-），男，山東人，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域?yàn)镸EMS、X射線光刻技術(shù)、微致動(dòng)器、GMI傳感器和磁性芯片相變薄膜的相變存儲(chǔ)器，和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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

項(xiàng)目來源：中國國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61273065）；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAK08B05）；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（13ZR1420800）；上海交通大學(xué)Agri-X基金項(xiàng)目（AgriX2015005）；上海交通大學(xué)航天先進(jìn)技術(shù)聯(lián)合研究中心技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（USCAST2015-2）；航天支撐技術(shù)基金項(xiàng)目（15GFZ-JJ02-05）

2016-03-16修改日期：2016-06-14