蔣顏瑋,房建成,王三勝,黃學(xué)功

1.北京航空航天大學(xué)新型慣性?xún)x表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,功能材料與器件研究室,北京 100191;2.防化研究院,北京 102205;3.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094

近來(lái),軟磁非晶合金在磁傳感器領(lǐng)域的潛在應(yīng)用引起了人們的廣泛興趣[1]。特別是在地磁導(dǎo)航應(yīng)用中,需要一種高靈敏度和快速響應(yīng)的磁傳感器[2-3]。在各種磁傳感器中最常見(jiàn)的磁通門(mén)傳感器具有較高的靈敏度和較低的噪聲,然而體積大、功耗高和響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)限制了其在地磁導(dǎo)航中的應(yīng)用。其它類(lèi)型的磁傳感器,例如霍爾傳感器、巨磁阻(GMR)傳感器等,存在著熱穩(wěn)定性不高、靈敏度低的不足,而且通常需要較強(qiáng)的偏置場(chǎng)[4]。因此,研制可用于地磁導(dǎo)航的高性能的新型磁傳感器有著十分重要的意義。

1994年,一種被稱(chēng)為巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)的磁現(xiàn)象在 Co基非晶合金絲材中被人們發(fā)現(xiàn)[5],即非晶絲在交變電流激發(fā)下,其阻抗值隨沿絲軸方向施加的外磁場(chǎng)的變化而發(fā)生顯著變化。由于 GMI效應(yīng)在室溫下磁阻抗效應(yīng)顯著和低外磁場(chǎng)下的高靈敏度,使其在磁傳感和測(cè)量領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛能。自此以后,針對(duì) Co基非晶和納米晶等軟磁材料的 GMI效應(yīng),在傳感器應(yīng)用方面已經(jīng)開(kāi)展了許多研究工作[6-10]。

GMI效應(yīng)盡管有很好的應(yīng)用前景,但仍存在一定的問(wèn)題[11]。由于 GMI的基本特性是非線(xiàn)性的,而且其形狀將會(huì)使在零場(chǎng)附近的工作出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題。由于阻抗變化與外場(chǎng)在零場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)性,故在零場(chǎng)附近不敏感,靈敏度較低。

非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗(Asymmetric giantmagneto-impedance,簡(jiǎn)稱(chēng) AGMI)效應(yīng)[12-13]由于能改善 GMI傳感器在零場(chǎng)附近的特性,提高線(xiàn)性度和獲得高靈敏度,而引起了廣泛的關(guān)注。非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗效應(yīng)已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn),利用 GMI效應(yīng)的非對(duì)稱(chēng)特性可以實(shí)現(xiàn) GMI傳感器在零場(chǎng)附近具有高的線(xiàn)性度和靈敏度,滿(mǎn)足微弱磁場(chǎng)檢測(cè)的需求。為此,本文以非晶合金為敏感材料,設(shè)計(jì)了一種基于非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗效應(yīng)的磁傳感器,并對(duì)傳感器基本性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 敏感材料的選擇及性能

我們選用 CoFeNiSiB非晶合金薄帶作為敏感材料(Hitachi Metals Ltd.提供),實(shí)驗(yàn)樣品長(zhǎng) 2 cm,寬1mm,厚約 25μm。首先測(cè)量了 CoFeNiSiB非晶合金薄帶的 X射線(xiàn)衍射曲線(xiàn)(X-Ray Diffraction,簡(jiǎn)稱(chēng)XRD),測(cè)試結(jié)果如圖 1所示。

圖1 CoFeNiSiB非晶合金薄帶的XRD曲線(xiàn)

從圖 1的 XRD曲線(xiàn)可以看出,該材料表現(xiàn)出典型的非晶態(tài)特征,沒(méi)有晶化峰出現(xiàn)。非晶合金的軟磁性能是作為 GMI磁傳感器敏感材料的關(guān)鍵因素之一。如圖 2所示,通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)樣品的 M-H磁滯回線(xiàn),我們得到了樣品的飽和磁化強(qiáng)度 Ms和矯頑力 Hc,分別為 64.7 emu/g和 0.18 Oe。從圖 2和測(cè)量數(shù)據(jù)可知,CoFeNiSiB非晶合金薄帶表現(xiàn)出較好的軟磁性能,適用于 AGMI敏感元件的制作。

圖2 CoFeNiSiB非晶合金薄帶的M-H磁滯回線(xiàn)

為了得到顯著的 AGMI效應(yīng),我們對(duì)其進(jìn)行磁場(chǎng)退火。將實(shí)驗(yàn)樣品放置于磁場(chǎng)退火爐內(nèi),升溫至360℃后開(kāi)始恒溫 6 h,同時(shí)沿薄帶縱向方向施加2Oe磁場(chǎng),直至降溫至室溫。阻抗及其變化率的測(cè)量采用 HP4294A阻抗分析儀進(jìn)行,交流幅值大小為10mA。阻抗變化率由下式計(jì)算得到,

式中,Z(Hex)是在外加磁場(chǎng) Hex時(shí)對(duì)應(yīng)的阻抗;Z(Hmax)是在最大外磁場(chǎng) Hmax時(shí)對(duì)應(yīng)的阻抗。在這里,Hmax=40 Oe。

相應(yīng)的磁場(chǎng)靈敏度表示為：

式中,ΔH為最大阻抗變化率下降一半時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)寬度。處理后得到的樣品,經(jīng) HP4294A阻抗分析儀測(cè)試后得到的 AGMI效應(yīng)曲線(xiàn)如圖 3所示。

圖3 磁場(chǎng)退火CoFeNiSiB非晶合金薄帶的 AGMI效應(yīng)

圖3給出了磁場(chǎng)退火 CoFeNiSiB非晶合金薄帶在 0.1 MHz和 0.5 MHz頻率下的 AGMI效應(yīng)阻抗變化率的情況。在這兩個(gè)頻率下的線(xiàn)性磁場(chǎng)靈敏度分別達(dá)到 106%/Oe和 276%/Oe。從圖中也可以看出,0.5MHz下的曲線(xiàn)斜率最大。因此,選取 0.5MHz作為敏感元件的激勵(lì)頻率,即傳感器的工作頻率。值得注意的是,在空氣中進(jìn)行弱磁場(chǎng)退火后,該樣品AGMI效應(yīng)的磁場(chǎng)靈敏度高于未處理樣品 GMI效應(yīng)的最大磁場(chǎng)靈敏度,并且頻率相對(duì)較低。這表明,空氣中磁場(chǎng)退火對(duì) GMI效應(yīng)及相關(guān)特性的影響較大。研究表明,在真空中進(jìn)行磁場(chǎng)退火后的 Co基非晶合金薄帶沒(méi)有表現(xiàn)出 AGMI效應(yīng)[14],而在空氣中進(jìn)行磁場(chǎng)退火的樣品卻獲得了 AGMI效應(yīng)。因此,這種在空氣中弱磁場(chǎng)退火的樣品中觀察到的 AGMI效應(yīng),或者稱(chēng)為 GMI閥,可以歸因于樣品表面形成的結(jié)晶層[15]。由于在非晶合金薄帶內(nèi)部非晶軟磁層和樣品表面晶化硬磁層之間的相互作用,這種類(lèi)型的熱處理會(huì)使得非晶合金薄帶的磁滯回線(xiàn)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)非晶合金薄帶在空氣中弱磁場(chǎng)退火后,非晶合金薄帶表層形成的結(jié)晶層內(nèi)產(chǎn)生了硬磁相,導(dǎo)致有效表面單向各向異性的形成。正是由于表面單向各向異性對(duì)非晶帶橫向疇壁位移的影響使得非晶合金薄帶產(chǎn)生了如圖 3所示的 AGMI效應(yīng)。

由于非晶合金薄帶表面單向各向異性的大小取決于退火磁場(chǎng)的大小,因此 AGMI效應(yīng)及其磁場(chǎng)靈敏度取決于在空氣中退火磁場(chǎng)的大小和相對(duì)外磁場(chǎng)的方向。實(shí)驗(yàn)表明,退火磁場(chǎng)的方向同外磁場(chǎng)相同時(shí),對(duì)應(yīng)的 AGMI效應(yīng)曲線(xiàn)峰值增大,而相反一側(cè)的峰值減小,甚至消失(頻率低于 1 MHz時(shí))。

2 AGMI磁傳感器設(shè)計(jì)

以 CoFeNiSiB非晶合金薄帶為敏感元件,配以相關(guān)的激勵(lì)和檢測(cè)電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)外界磁場(chǎng)的檢測(cè)。具體傳感器結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖4 非晶合金 AGMI磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

該傳感器主要由傳感器探頭和傳感器電路兩部分組成。傳感器探頭由非晶合金薄帶和纏繞在外部的線(xiàn)圈組成,非晶合金薄帶安裝在聚四氟乙烯圓筒形骨架內(nèi),線(xiàn)圈采用直徑 0.1 mm的漆包線(xiàn)在骨架外部繞成。傳感器電路由激勵(lì)電路和檢測(cè)電路組成,激勵(lì)電路由正弦波振蕩電路和電壓電流轉(zhuǎn)換器(U/I)組成,用來(lái)提供給非晶合金薄帶的激勵(lì)電流。檢測(cè)電路由前置放大器、相敏檢波器、低通濾波器和差分放大器組成,將敏感元件兩端感應(yīng)的交流電壓信號(hào)最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鬏敵觥?/p>

工作原理如下：首先振蕩電路產(chǎn)生正弦波激勵(lì)信號(hào),激勵(lì)頻率為 0.5 MHz。該信號(hào)經(jīng) U/I轉(zhuǎn)換器后產(chǎn)生同頻率的交流電流進(jìn)入非晶合金薄帶敏感元件,由于 AGMI效應(yīng)引起非晶合金薄帶的阻抗發(fā)生變化,在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)交流電壓信號(hào),信號(hào)的幅值隨著外磁場(chǎng)的變化而變化。該信號(hào)通常很小經(jīng)前置放大后,進(jìn)入乘法器型相敏檢波電路。乘法器的另一路信號(hào)由振蕩電路提供,該乘法器充當(dāng)鎖定放大器的功能,能夠產(chǎn)生兩倍于振蕩電路頻率的信號(hào),其中伴有直流信號(hào)。該直流信號(hào)正比于敏感元件的阻抗變化。從乘法器輸出的信號(hào)進(jìn)入到低通濾波器后,可獲得直流電壓輸出。最后經(jīng)增益放大和調(diào)零獲得最終反映被測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)的直流電壓 Vo。將反饋回路上的開(kāi)關(guān)閉合后,前向通道的直流輸出電壓Vo經(jīng)反饋電阻被轉(zhuǎn)換成直流電流信號(hào),流入傳感器探頭內(nèi)的反饋線(xiàn)圈,產(chǎn)生的反饋磁場(chǎng)沿著非晶合金薄帶縱向用來(lái)抵消被測(cè)外磁場(chǎng),構(gòu)成對(duì)磁場(chǎng)的閉環(huán)檢測(cè)。

3 傳感器性能測(cè)試

3.1 開(kāi)環(huán)測(cè)試

傳感器電源由直流穩(wěn)壓電源提供,標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)由亥姆霍茲線(xiàn)圈提供。測(cè)試中,將圖 4中所示的開(kāi)關(guān)斷開(kāi),就構(gòu)成了開(kāi)環(huán)測(cè)試。測(cè)試過(guò)程如下：將傳感器放入亥姆霍茲線(xiàn)圈中心位置,并使傳感器探頭軸向與亥姆霍茲線(xiàn)圈軸向平行,在磁場(chǎng) 1 Oe范圍內(nèi)進(jìn)行傳感器靈敏度測(cè)試,輸出電壓由數(shù)字萬(wàn)用表讀出。不斷改變亥姆霍茲線(xiàn)圈電流大小,同時(shí)記下對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓值。所有測(cè)量均在室溫下進(jìn)行。

圖5給出了所設(shè)計(jì)的 AGMI磁傳感器在開(kāi)環(huán)條件下對(duì)被測(cè)磁場(chǎng)的輸出電壓響應(yīng)曲線(xiàn)。響應(yīng)曲線(xiàn)在零磁場(chǎng)附近約 ±0.5 Oe的磁場(chǎng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的線(xiàn)性度,在此范圍的靈敏度可達(dá) 10 V/Oe。經(jīng)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,相應(yīng)的性能指標(biāo)列于表 1。

圖5 AGMI磁傳感器開(kāi)環(huán)電壓響應(yīng)測(cè)試曲線(xiàn)

表1 AGMI磁傳感器開(kāi)環(huán)測(cè)試性能

3.2 閉環(huán)測(cè)試

盡管 AGMI磁傳感器在開(kāi)環(huán)條件下表現(xiàn)了較高的靈敏度,但是由于線(xiàn)性度和穩(wěn)定性等問(wèn)題會(huì)最終影響傳感器的性能[16-17]。同時(shí),測(cè)量范圍也相對(duì)較小。為了改善傳感器的有關(guān)性能,采用負(fù)反饋技術(shù),如果將圖 4所示反饋回路中的開(kāi)關(guān)閉合,就構(gòu)成了負(fù)反饋閉環(huán)傳感器系統(tǒng)。傳感器輸出電壓經(jīng)反饋電阻轉(zhuǎn)換為電流,通過(guò)繞在敏感元件上的反饋線(xiàn)圈產(chǎn)生與被測(cè)磁場(chǎng)反向的反饋磁場(chǎng),用來(lái)抵消被測(cè)磁場(chǎng),使敏感元件始終工作在靈敏的線(xiàn)性區(qū)域。圖 6為帶有負(fù)反饋的傳感器系統(tǒng)示意圖[16]。

圖6 負(fù)反饋傳感器系統(tǒng)方框示意圖

設(shè)反饋電阻為Rf,反饋線(xiàn)圈匝數(shù)是 N,反饋線(xiàn)圈長(zhǎng)度是 l,線(xiàn)圈中的電流為 I,則反饋線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)可表示為,

根據(jù)負(fù)反饋方框示意圖,反向傳遞函數(shù) S可表示為,

將式(3)代入式(4)中,

換算成高斯單位制表示,

從圖 6中可以得到下列關(guān)系,

從式(7)中可以看出,當(dāng) AS?1時(shí),Vo可以近似表示為,

從式(8)中可以看出,閉環(huán)負(fù)反饋傳感器系統(tǒng)的輸出電壓 Vo近似與被測(cè)外磁場(chǎng)H成正比關(guān)系,僅取決于比例系數(shù) 1/S。由于 S僅取決于參數(shù) N,l和Rf,AGMI磁傳感器的線(xiàn)性度和穩(wěn)定性會(huì)得到改善。圖 7為實(shí)施負(fù)反饋后傳感器輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)之間的關(guān)系。相應(yīng)的性能指標(biāo)列于表 2。

表2 AGMI磁傳感器閉環(huán)測(cè)試性能

圖7 AGMI磁傳感器閉環(huán)電壓響應(yīng)測(cè)試曲線(xiàn)

顯然,經(jīng)過(guò)負(fù)反饋測(cè)試后,傳感器盡管靈敏度下降了,但換來(lái)的是線(xiàn)性度、測(cè)量范圍的提高,綜合性能更好。本文中,匝數(shù) N=150,l=1.7cm,Rf=47Ω,根據(jù)式(5)計(jì)算得到 S=2.4 Oe/V?？梢钥闯?由于滿(mǎn)足式(8)中 AS?1的條件(A=10 V/Oe),閉環(huán)測(cè)試得到的 0.45 V/Oe的靈敏度與式(8)所表示的靈敏度 1/S相比是比較吻合的。

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于非晶合金非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗效應(yīng)的磁傳感器,具有較高的靈敏度和線(xiàn)性度。敏感材料為 CoFeNiSiB非晶合金薄帶,具有較好的軟磁性能。在空氣中進(jìn)行弱磁場(chǎng)退火后,產(chǎn)生了明顯的 AGMI效應(yīng),其最大磁場(chǎng)靈敏度在 0.5 MHz的驅(qū)動(dòng)頻率下達(dá)到了約 276%/Oe。以此非晶合金薄帶為敏感元件,外部繞有反饋線(xiàn)圈,配以正弦激勵(lì)電路和相敏檢波電路,設(shè)計(jì)了 AGMI磁傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界磁場(chǎng)的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明,開(kāi)環(huán)條件下,該傳感器表現(xiàn)出較高的靈敏度,為 10 V/Oe;在閉環(huán)條件下,盡管靈敏度下降至 0.45 V/Oe,但卻表現(xiàn)出更好的線(xiàn)性度和更寬的測(cè)量范圍。該傳感器可以用來(lái)檢測(cè)地磁場(chǎng)的分量,采用類(lèi)似的方法,可設(shè)計(jì)出三分量磁傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)總地磁場(chǎng)的檢測(cè),在地磁導(dǎo)航領(lǐng)域中有著較好的應(yīng)用前景。

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