基于非晶合金非對稱巨磁阻抗效應的磁傳感器設計*

蔣顏瑋,房建成,王三勝,黃學功

1.北京航空航天大學新型慣性儀表與導航系統技術國防重點學科實驗室,功能材料與器件研究室,北京 100191;2.防化研究院,北京 102205;3.南京理工大學機械工程學院,南京 210094

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

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

GMI效應盡管有很好的應用前景,但仍存在一定的問題[11]。由于 GMI的基本特性是非線性的,而且其形狀將會使在零場附近的工作出現嚴重的問題。由于阻抗變化與外場在零場呈對稱性,故在零場附近不敏感,靈敏度較低。

非對稱巨磁阻抗(Asymmetric giantmagneto-impedance,簡稱 AGMI)效應[12-13]由于能改善 GMI傳感器在零場附近的特性,提高線性度和獲得高靈敏度,而引起了廣泛的關注。非對稱巨磁阻抗效應已經成為目前研究的熱點,利用 GMI效應的非對稱特性可以實現 GMI傳感器在零場附近具有高的線性度和靈敏度,滿足微弱磁場檢測的需求。為此,本文以非晶合金為敏感材料,設計了一種基于非對稱巨磁阻抗效應的磁傳感器,并對傳感器基本性能進行了測試。

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),實驗樣品長 2 cm,寬1mm,厚約 25μm。首先測量了 CoFeNiSiB非晶合金薄帶的 X射線衍射曲線(X-Ray Diffraction,簡稱XRD),測試結果如圖 1所示。

圖1 CoFeNiSiB非晶合金薄帶的XRD曲線

從圖 1的 XRD曲線可以看出,該材料表現出典型的非晶態特征,沒有晶化峰出現。非晶合金的軟磁性能是作為 GMI磁傳感器敏感材料的關鍵因素之一。如圖 2所示,通過測量實驗樣品的 M-H磁滯回線,我們得到了樣品的飽和磁化強度 Ms和矯頑力 Hc,分別為 64.7 emu/g和 0.18 Oe。從圖 2和測量數據可知,CoFeNiSiB非晶合金薄帶表現出較好的軟磁性能,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

為了得到顯著的 AGMI效應,我們對其進行磁場退火。將實驗樣品放置于磁場退火爐內,升溫至360℃后開始恒溫 6 h,同時沿薄帶縱向方向施加2Oe磁場,直至降溫至室溫。阻抗及其變化率的測量采用 HP4294A阻抗分析儀進行,交流幅值大小為10mA。阻抗變化率由下式計算得到,

式中,Z(Hex)是在外加磁場 Hex時對應的阻抗;Z(Hmax)是在最大外磁場 Hmax時對應的阻抗。在這里,Hmax=40 Oe。

相應的磁場靈敏度表示為：

式中,ΔH為最大阻抗變化率下降一半時對應的磁場寬度。處理后得到的樣品,經 HP4294A阻抗分析儀測試后得到的 AGMI效應曲線如圖 3所示。

圖3 磁場退火CoFeNiSiB非晶合金薄帶的 AGMI效應

圖3給出了磁場退火 CoFeNiSiB非晶合金薄帶在 0.1 MHz和 0.5 MHz頻率下的 AGMI效應阻抗變化率的情況。在這兩個頻率下的線性磁場靈敏度分別達到 106%/Oe和 276%/Oe。從圖中也可以看出,0.5MHz下的曲線斜率最大。因此,選取 0.5MHz作為敏感元件的激勵頻率,即傳感器的工作頻率。值得注意的是,在空氣中進行弱磁場退火后,該樣品AGMI效應的磁場靈敏度高于未處理樣品 GMI效應的最大磁場靈敏度,并且頻率相對較低。這表明,空氣中磁場退火對 GMI效應及相關特性的影響較大。研究表明,在真空中進行磁場退火后的 Co基非晶合金薄帶沒有表現出 AGMI效應[14],而在空氣中進行磁場退火的樣品卻獲得了 AGMI效應。因此,這種在空氣中弱磁場退火的樣品中觀察到的 AGMI效應,或者稱為 GMI閥,可以歸因于樣品表面形成的結晶層[15]。由于在非晶合金薄帶內部非晶軟磁層和樣品表面晶化硬磁層之間的相互作用,這種類型的熱處理會使得非晶合金薄帶的磁滯回線產生不對稱性。當非晶合金薄帶在空氣中弱磁場退火后,非晶合金薄帶表層形成的結晶層內產生了硬磁相,導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非晶帶橫向疇壁位移的影響使得非晶合金薄帶產生了如圖 3所示的 AGMI效應。

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的大小,因此 AGMI效應及其磁場靈敏度取決于在空氣中退火磁場的大小和相對外磁場的方向。實驗表明,退火磁場的方向同外磁場相同時,對應的 AGMI效應曲線峰值增大,而相反一側的峰值減小,甚至消失(頻率低于 1 MHz時)。

2 AGMI磁傳感器設計

以 CoFeNiSiB非晶合金薄帶為敏感元件,配以相關的激勵和檢測電路,實現對外界磁場的檢測。具體傳感器結構如圖 4所示。

圖4 非晶合金 AGMI磁傳感器結構示意圖

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圈組成,非晶合金薄帶安裝在聚四氟乙烯圓筒形骨架內,線圈采用直徑 0.1 mm的漆包線在骨架外部繞成。傳感器電路由激勵電路和檢測電路組成,激勵電路由正弦波振蕩電路和電壓電流轉換器(U/I)組成,用來提供給非晶合金薄帶的激勵電流。檢測電路由前置放大器、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的交流電壓信號最終轉變為直流輸出。

工作原理如下：首先振蕩電路產生正弦波激勵信號,激勵頻率為 0.5 MHz。該信號經 U/I轉換器后產生同頻率的交流電流進入非晶合金薄帶敏感元件,由于 AGMI效應引起非晶合金薄帶的阻抗發生變化,在其兩端產生感應交流電壓信號,信號的幅值隨著外磁場的變化而變化。該信號通常很小經前置放大后,進入乘法器型相敏檢波電路。乘法器的另一路信號由振蕩電路提供,該乘法器充當鎖定放大器的功能,能夠產生兩倍于振蕩電路頻率的信號,其中伴有直流信號。該直流信號正比于敏感元件的阻抗變化。從乘法器輸出的信號進入到低通濾波器后,可獲得直流電壓輸出。最后經增益放大和調零獲得最終反映被測磁場信號的直流電壓 Vo。將反饋回路上的開關閉合后,前向通道的直流輸出電壓Vo經反饋電阻被轉換成直流電流信號,流入傳感器探頭內的反饋線圈,產生的反饋磁場沿著非晶合金薄帶縱向用來抵消被測外磁場,構成對磁場的閉環檢測。

3 傳感器性能測試

3.1 開環測試

傳感器電源由直流穩壓電源提供,標準磁場由亥姆霍茲線圈提供。測試中,將圖 4中所示的開關斷開,就構成了開環測試。測試過程如下：將傳感器放入亥姆霍茲線圈中心位置,并使傳感器探頭軸向與亥姆霍茲線圈軸向平行,在磁場 1 Oe范圍內進行傳感器靈敏度測試,輸出電壓由數字萬用表讀出。不斷改變亥姆霍茲線圈電流大小,同時記下對應的傳感器輸出電壓值。所有測量均在室溫下進行。

圖5給出了所設計的 AGMI磁傳感器在開環條件下對被測磁場的輸出電壓響應曲線。響應曲線在零磁場附近約 ±0.5 Oe的磁場范圍內表現出較好的線性度,在此范圍的靈敏度可達 10 V/Oe。經數據處理和計算,相應的性能指標列于表 1。

圖5 AGMI磁傳感器開環電壓響應測試曲線

表1 AGMI磁傳感器開環測試性能

3.2 閉環測試

盡管 AGMI磁傳感器在開環條件下表現了較高的靈敏度,但是由于線性度和穩定性等問題會最終影響傳感器的性能[16-17]。同時,測量范圍也相對較小。為了改善傳感器的有關性能,采用負反饋技術,如果將圖 4所示反饋回路中的開關閉合,就構成了負反饋閉環傳感器系統。傳感器輸出電壓經反饋電阻轉換為電流,通過繞在敏感元件上的反饋線圈產生與被測磁場反向的反饋磁場,用來抵消被測磁場,使敏感元件始終工作在靈敏的線性區域。圖 6為帶有負反饋的傳感器系統示意圖[16]。

圖6 負反饋傳感器系統方框示意圖

設反饋電阻為Rf,反饋線圈匝數是 N,反饋線圈長度是 l,線圈中的電流為 I,則反饋線圈中的磁場可表示為,

根據負反饋方框示意圖,反向傳遞函數 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中可以得到下列關系,

從式(7)中可以看出,當 AS?1時,Vo可以近似表示為,

從式(8)中可以看出,閉環負反饋傳感器系統的輸出電壓 Vo近似與被測外磁場H成正比關系,僅取決于比例系數 1/S。由于 S僅取決于參數 N,l和Rf,AGMI磁傳感器的線性度和穩定性會得到改善。圖 7為實施負反饋后傳感器輸出電壓與被測磁場之間的關系。相應的性能指標列于表 2。

表2 AGMI磁傳感器閉環測試性能

圖7 AGMI磁傳感器閉環電壓響應測試曲線

顯然,經過負反饋測試后,傳感器盡管靈敏度下降了,但換來的是線性度、測量范圍的提高,綜合性能更好。本文中,匝數 N=150,l=1.7cm,Rf=47Ω,根據式(5)計算得到 S=2.4 Oe/V。可以看出,由于滿足式(8)中 AS?1的條件(A=10 V/Oe),閉環測試得到的 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 結論

本文介紹了一種基于非晶合金非對稱巨磁阻抗效應的磁傳感器,具有較高的靈敏度和線性度。敏感材料為 CoFeNiSiB非晶合金薄帶,具有較好的軟磁性能。在空氣中進行弱磁場退火后,產生了明顯的 AGMI效應,其最大磁場靈敏度在 0.5 MHz的驅動頻率下達到了約 276%/Oe。以此非晶合金薄帶為敏感元件,外部繞有反饋線圈,配以正弦激勵電路和相敏檢波電路,設計了 AGMI磁傳感器,實現了對外界磁場的開環、閉環檢測。測試結果表明,開環條件下,該傳感器表現出較高的靈敏度,為 10 V/Oe;在閉環條件下,盡管靈敏度下降至 0.45 V/Oe,但卻表現出更好的線性度和更寬的測量范圍。該傳感器可以用來檢測地磁場的分量,采用類似的方法,可設計出三分量磁傳感器,實現對總地磁場的檢測,在地磁導航領域中有著較好的應用前景。

[1]Ripka P.Magnetic Sensors and Magnetometers[M].Boston：Artech House Publishers,2001.

[2]Huang X G,Fang J C,Guo L,et al.The Study of High Precision Assistant Navigation System with Micro-magnetic Sensors[C]//Wang Cheng,Zhong Shan,Wei Jiaolong,eds Proc of the 2nd International Conference on Space Information Technology(ICSIT).Bellingham Wash：SPIE,2007,6795：67952S-1-5.

[3]Jiang YW,Fang JC,HuangX G,etal.Design of GMIMicro-Magnetic Sensor and its Application for Geomagnetic Navigation[C]//Gao Huijun Proc of the 2nd International Symposium on Systems and Control in Aerospace and Astronautics(ISSCAA).Piscataway,NJ：IEEE,2008,1-6.

[4]Rheem Y W,Kim C G,Kim C O,et al.Current Sensor Application of Asymmetric Giant Magnetoimpedance in Amorphous Materials[J].Sens Actuators A,2003,106：19-21.

[5]Panina L V,Mohri K.Magneto-Impedance Effect in Amorphous Wires[J].Appl Phys Lett,1994,65(9)：1189-1191.

[6]Kanno T,Mohri K,Yagi T,etal.Amorphous Wire MIMicro Sensor Using C-MOS IC Multivibrator[J].IEEE Trans Magn,1997,33(5)：3358-3360.

[7]Zhao Z,Li Y M,Cheng J,et al.Current Sensor Utilizing Giant Magneto-Impedance Effect in Amorphous Ribbon Toroidal Core and CMOS Inverter Multivibrator[J].Sens Actuators A,2007,137：64-67.

[8]Yu G L,Bu X Z,Xiang C,et al.Design ofa GMI Magnetic Sensor Based on Longitudinal Excitation[J].Sens Actuators A,2010,161：72-77.

[9]陳先中,李蕓蕓,侯慶文,等.基于巨磁阻抗效應的微磁傳感器研制[J].傳感技術學報,2007,20(12)：2575-2578.

[10]李欣,張清,阮建中,等.不同長度敏感元件的兩種巨磁阻抗傳感器傳感性能研究[J].傳感技術學報,2008,21(7)：1147-1150.

[11]蔣顏瑋,房建成,盛蔚,等.軟磁非晶絲巨磁阻抗效應傳感器研究進展及應用[J].電子器件,2008,31(4)：1124-1129.

[12]Garcia C,Gonzalez J,Chizhik A.Asymmetrical Mmagneto-Impedance Effect in Fe-Rich Amorphous Wires[J].JAppl Phys,2004,95(11)：6756-6758.

[13]鐘智勇,石玉,劉穎力.巨磁阻抗效應的非對稱特性[J].功能材料,2004,增刊,35：513-516.

[14]Kim CG,Jang K J,Kim H C,et al.Asymmetric Giant Magnetoimpedance in Field-Annealed Co-Based Amorphous Ribbon[J].J Appl Phys,1999,85(8)：5447-5449.

[15]Jang K J,Kim C G,Yoon S S,et al.Effect of Annealing Field on Asymmetric Giant Magnetoimpedance Profile in Co-Based Amorphous Ribbon[J].JMagn Magn Mater,2000,215-216：488-491.

[16]Yoon SS,Kollu P,K im D Y,et al.Magnetic Sensor System Using Asymmetric Giant Magnetoimpedance Head[J].IEEE Trans Magn,2009,45(6)：2727-2729.

[17]Malátek M,Ripka P,Kraus L.Temperature Offset Drift of GMI Sensors[J].Sens Actuators A,2008,147：415-418.