一種新型巨磁阻抗磁敏開關的設計*

蔡 晶， 鄭金菊， 柳 淵， 何 佳， 周初凱

(浙江師范大學 數理與信息工程學院,浙江 金華 321004)

一種新型巨磁阻抗磁敏開關的設計*

蔡 晶， 鄭金菊， 柳 淵， 何 佳， 周初凱

(浙江師范大學 數理與信息工程學院,浙江 金華 321004)

利用540 ℃和17.8 MPa退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶合金薄帶具有寬平臺和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性研制了一款新型磁敏開關,并介紹了磁敏材料的GMI特性及磁敏開關的電路設計原理.實驗結果表明：該磁敏開關的重復性好(2.06%)，遲滯誤差小(2.71%).

磁敏開關；巨磁阻抗效應；Fe基合金薄帶；LC諧振回路

0 引 言

磁敏開關是利用磁場強度的不同來控制開關的導通與關斷，常應用于轉速的檢測與控制、安全報警裝置、紡織控制系統、汽車點火器和無觸點開關等領域[1-2].目前，市場上應用最為廣泛的磁敏開關是霍爾開關，但是霍爾開關在工作時其工作點和釋放點所需的外加磁場都很強.

自從1992年Mohri等[3]在Co基非晶絲中發現巨磁阻抗效應以來，研究者陸續在Fe基非晶金屬材料(如玻璃包裹非晶絲、薄膜和非晶納米晶薄帶等磁性材料)中發現了較為明顯的巨磁阻抗效應[4].該效應具有靈敏度高、反應快、利于微型化，可廣泛應用于交通運輸、生物醫療、自動控制、安全生產、國防等各行業，還可以用于磁場、位移、扭矩、計數、測速、無損傷等方面[5-6].

本文基于溫度和應力退火后的Fe基合金薄帶具有的寬平臺和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，結合磁電轉換電路，設計了一款新型的開關式磁敏傳感器.

1 巨磁阻抗效應及納米晶材料特性

巨磁阻抗效應(Giant Magneto Impedance，GMI)是指磁性導體在交流電通過時其交流阻抗隨著外加直流磁場的變化而發生顯著變化的效應.現在通常用巨磁阻抗比來衡量巨磁阻抗效應的大小，巨磁阻抗比的定義如下：

式(1)中:Z(H)為在任意外磁場下所測得的阻抗值，Z(Hmax)為實驗中所加外磁場最大時測得的阻抗值[6]，并且采用縱向驅動的方式[7-8]來實現材料的GMI效應.

圖1 Fe基納米晶薄帶的巨磁阻抗特性

實驗采用非晶材料成分為FeCuNbSiB(各原子質量百分比為73.5∶1∶3∶13.5∶9)，用單輥快淬法制成寬度為(0.34±0.01) mm，厚度為(40±1) μm的合金薄帶.截取長度為2 cm的Fe基非晶薄帶在540 ℃氮氣保護下加不同應力退火1 h，待冷卻后，用HP4294A型阻抗分析儀測量Fe基合金薄帶的巨磁阻抗.

圖1是Fe基納米晶薄帶的GMI測量結果，從中可以看出：Fe基合金薄帶的巨磁阻抗比在零磁場附近達到最大值約為900%；當磁場在±500 A/m之內及在±1 000 A/m之外時變化很小，只在500～1 000 A/m(-500～-1 000 A/m)有一個跳變，這種巨磁阻抗比曲線的“平臺” 與磁敏開關輸出的高低電平狀態非常相似.

2 磁敏開關電路設計

開關電路由磁電轉換電路[9-10]和調零放大電路組成，電路原理如圖2所示.

圖2 磁敏開關電路

2.1磁電轉換電路

本設計參照LC型磁電轉換電路，在其基礎上進行了一定的改進，提高了電路輸出的穩定性.圖2中磁敏傳感部分所示的電路是與經典的考畢茲振蕩電路類似，由三極管、電容和電感等組成的三端式磁敏振蕩電路.電路中的磁敏元件為自繞的一定內徑和匝數的線圈，內置Fe基合金薄帶，如圖3所示，其中:線圈由直徑為0.08 mm的漆包線繞制而成，內徑為1.62 mm,長度為18 mm,匝數為200匝，Hex為外加磁場，其方向平行于Fe基合金薄帶軸向.

圖3 敏感元件示意圖

2.2濾波電路

磁敏振蕩電路的輸出是頻率為幾百kHz的信號，不利于后續電路的處理，故采用了簡單的RC低通電路，取出直流量，由于該電路的帶負載能力差，因此,又在其后加了一個電壓跟隨器.

2.3調零放大電路

在外加磁場為0～1 800 A/m時，濾波電路的輸出電壓為2.7～3.7 V，壓差大約為1.01 V，這不便于后續電路對此信號的識別與提取.因此，在其后續上又添加了一個調零放大電路.該電路利用集成運放構成差分放大電路,通過調節運放同相端的電位器RV1，使得在外加磁場為0～500 A/m時輸出電壓基本在0 V左右.再經過同相放大后，該信號就可以直接被后續電路所識別.

3 開關電路分析

3.1實驗環境

實驗中，外加直流磁場由直流電源與亥姆霍茲線圈產生，測量時將磁敏傳感器的電感線圈放在亥姆霍茲線圈的中央，要求與亥姆霍茲線圈產生的勻強磁場平行且與地磁場垂直(減弱地磁場的影響).

3.2實驗結果

傳感器的基本特性分為靜態特性和動態特性，限于條件只討論靜態特性.傳感器的靜態特性是指檢測系統的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統的輸出與輸入之間的關系，通常用來衡量它的重要指標,包括重復性、遲滯性等.

圖4 磁敏開關電路隨磁場變化的重復性曲線

圖4是2組重復性數據測量結果(環境溫度為10 ℃)，a,b曲線都是外加磁場從小增大(正行程)時，開關電路輸出電壓變化的情況.通過下式算出重復值：

式(2)中：δR為重復值；ΔRmax為正反行程中最大重復值差；YFS是滿量程輸出值.

圖5是2組遲滯性數據測量結果(環境溫度為10 ℃).a曲線是外加磁場從小增大(正行程)時電路輸出電壓變化的情況；c曲線是外加磁場從大變小(反行程)時電路輸出電壓變化的情況.通過下式算出遲滯值:

圖5 磁敏開關電路隨磁場變化的遲滯性曲線

式(3)中：δH是遲滯值；ΔHmax是遲滯最大值.

從上述2組圖像可以看出，本文所設計的磁敏開關重復性好，基本無遲滯.

4 結 論

根據溫度應力退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄帶的巨磁阻抗特性以及相應電路的設計，研制新型的開關式磁敏傳感器.該傳感電路重復性好，基本無遲滯.由此可見，該傳感器將在轉速檢測與控制、安全報警裝置、紡織控制系統、汽車點火器和無觸點開關等領域具有廣泛的應用前景.

[1]胡光偉,劉澤文,侯智昊,等.一種低驅動電壓的SP4T RF MEMS 開關[J].傳感技術學報,2008,4(21):656-659.

[2]Phan M H，Peng Huaxin.Giant magneto-impedance materials:Fundamentals and applications[J].Progress in Materials Science,2008,53(2):323-420.

[3]Mohri K,Kohsawa T,Kawashima K,et al.Magneto-inductive effect(MI effect) in amorphous wires[J].IEEE Trans Magn,1992,28(5):3150-3152.

[4]Mohri K,Uchiyama T,Panina L V.Recent advances of micro-magnetic sensors and sensing application[J].Sensors and Actuators A,1997,59(1/2/3):1-8.

[5]Panina L V,Mohri K,Bushida K,et al.Giant-magneto-impedance and magneto inductive effects in amorphous alloys[J].J Appl Phys,1994,76(10):6198-6203.

[6]Alves F,Abi Rached L,Moutoussamy J,et al.Trilayer GMI sensors based on fast stress-annealing of FeSiBCuNb ribbons[J].Sensors and Actuators A:Physical,2008,142(2):459-463.

[7]方允樟,鄭金菊,施方也,等.Fe基合金應力退火感生磁各向異性機理的AFM研究[J].中國科學:E輯 技術科學,2008,38(3):428-441.

[8]Thang P D,Rijnders G,Blank D H.A Stress-induced magnetic anisotropy of CoFe2O4thin films using pulsed laser deposition[J].J Magn Magn Mater,2007,310(2):2621-2623.

[9]Alves F,Bensalah A D.New 1D-2D magnetic sensors for applied electro-magnetic engineering[J].J Mater Proc Tech,2007,181(1/2/3):194-198.

[10]鄭金菊,余水寶,孫笑琴.一種新型的磁敏傳感器[J].儀器儀表學報,2005,26(8):308-309.

(責任編輯 杜利民)

Anewkindofmagneticswitchbasedonthegiant-magneto-impedance

CAI Jing, ZHENG Jinju, LIU Yuan, HE Jia, ZHOU Chukai

(CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

A new kind of magnetic switch was developed based on the giant-magneto-impedance effect (GMI) of Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9amorphous ribbon annealed under the stress of 17.8 MPa and at 540 ℃, which had wide platform and steep decline of the GMI characteristics.The GMI characteristics of magnetic materials and the design principle of magnetic switch were introduced. In addition, the magnetic characteristic of the magnetic switch had been measured. The results showed that the sensor had good repeatability(2.06%) and almost no hysteresis(2.71%).

magnetic switch; giant magneto-impedance effect; Fe-based alloy ribbon; LC resonant circuit

TP212.13

B

1001-5051(2013)01-0079-04

2012-03-20

國家自然科學基金資助項目(50871104 )；浙江省大學生科技創新活動計劃項目(2010R404025)

蔡 晶(1987-),女,浙江紹興人,碩士研究生.研究方向:新型磁敏傳感器.

鄭金菊.E-mail: zjj@zjnu.cn