Fe3O4/PDMS復合材料磁電容微弱信號檢測電路的設計*

關　洋，張曉明，2*，沈丹丹，呂憶玲，王天宇

（1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

Fe3O4/PDMS復合材料磁電容微弱信號檢測電路的設計*

關洋1，張曉明1，2*，沈丹丹1，呂憶玲1，王天宇1

（1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

針對Fe3O4/PDMS復合材料磁電容信號變化微弱，檢測困難的問題，設計了一種基于充放電法的微小電容檢測電路。詳細論述了組成該電路的脈沖激勵模塊、C-V轉換模塊、信號調理模塊及載波調解模塊的原理及功能，同時搭建硬件平臺對復合材料磁電容進行實驗驗證。通過對Fe3O4/PDMS納米復合材料磁電容平行板結構進行測試實驗，結果表明：在pF級范圍內進行測試，檢測電路的輸出線性度較好，電路的標度因數與理論值相差較小。測試電路具有響應快速、外部電路簡單、易于集成、穩定好、成本低等優點。

Fe3O4/PDMS復合材料；充放電法；脈沖激勵模塊；C-V轉換模塊；信號調理模塊；載波調解模塊

微型磁傳感器以其微小尺度性、可集成制造性、低功耗特性、高可靠性以等優點順應了磁傳感器的發展趨勢，是弱磁場傳感器技術發展和研究的熱點［1］?，F階段較高精度的微型磁傳感器主要為AMR、GMR和TMR等磁阻傳感器，該類傳感器是通過磁場作用下材料阻值變化來敏感磁場的，但磁敏材料的電阻值受溫度變化影響，限制了其在寬溫度范圍環境中的應用，同時磁敏材料的磁滯特性會導致傳感器在高頻變化磁場中零點和靈敏度參數產生漂移［2］。本文中提出的Fe3O4/PDMS是一種納米復合材料。

在納米顆粒中，一般含有鐵、鈷、鎳元素的納米顆粒具有一定的軟磁特性，如Fe、Co、Ni單質納米顆粒、含有單一元素或多種元素的氧化物納米顆粒等。現階段針對Fe3O4納米顆粒的制備、特性以及應用的研究最為廣泛，主要由于Fe3O4納米顆粒的制備方法簡單并且具有良好的軟磁特性。另外，塊狀的Fe3O4材料具有較高的居里溫度（850 K），即在溫度高于850 K時，該材料具有超順磁特性；聚二甲基硅烷（PDMS）是一種有機硅高分子化合物，通常稱之為有機硅。PDMS具有惰性、無毒、不易燃以及光學透明的特性，能夠應用于隱形眼鏡、醫療設備彈性體等領域。PDMS材料能夠廣泛應用的另一個原因是其具有一定的流變特性，即在液體狀態下該材料具有很好的流動性，易于注入成形模具中。該特性使得其被廣泛應用于微流體系統的設計研究。通常在100 kPa～3 MPa之間，具有很好的彈性形變，在較小的應力下能產生較大的壓應變，從而能夠使其復合材料在較小的環境磁場下產生較大的材料厚度形變量，產生較大的磁電容效應。

項目來源：國家自然科學基金項目（51375463）

收稿日期：2015-07-14修改日期：2015-08-10

磁電容效應是指在外部磁場的作用下材料的電容或介電常數發生變化的一種現象［3］。磁電容效應的應用范圍較廣，其在磁場探測、智能濾波、多態記憶元以及磁場控制的壓電傳感器中都具有重要的應用價值。該效應是繼磁電阻效應之后又一研究熱點［4］。

通過對Fe3O4/PDMS復合材料磁電容的特性分析可以得到復合材料電容隨環境磁場及時間的變化公式如下所示。

其中C0為磁場強度為零時納米顆粒的電容值，M為材料顆粒磁化強度，μ0為真空磁導率，Φ為材料中納米顆粒的體積分數，Δ為顆粒間距離的變化量，E 為PDMS材料的彈性模量；δ為零磁場環境下材料厚度方向上顆粒間平均距離［5］。

由上述公式可知Fe3O4/PDMS復合材料磁電容在不同磁場環境下的電容值變化很小，外部施加幾百赫茲頻率的變化磁場，其電容變化在pF級，又存在電容結構及其連接導線之間的寄生電容的影響，這對電容信號的檢測電路提出了非常高的要求［6］。近幾年，微小電容檢測電路被廣泛研究。一般微小電容檢測電路都有一個對被測電容進行充放電的過程，將電容量轉化為電壓、電流等非電容量［7］。本文設計了一種基于充放電法的微小電容檢測電路。通過測試Fe3O4/PDMS納米復合材料磁電容平行板，可以得出該電路能夠檢測出微小電容的變化，具有響應快速、電路結構簡單、成本低的優點。

1　電容檢測原理

當前比較流行的幾種電容檢測電路包括諧振電路、橋式電路、脈沖調頻電路、運算放大電路、充放電式電路和開關電容檢測電路等。其中充放電式電路的原理是利用不同容值的電容充放電時間不同的特點來進行電容檢測，本文所設計的電路就是利用充放電法來進行微小電容的檢測［8］。將一定頻率和幅值的交變信號加載到待測電容兩端，從而使得待測電容兩端的充電過程和放電過程會隨著電容值的不同而不同。經過對電容兩端的輸出信號進行濾波處理就可得到與電容值相關電壓信號。利用充放電法設計的檢測系統具有電路簡單、信號獲取速度較快、外部電路簡單、成本低等優點。同時這種方法可以用于差分電容的檢測。如圖1為5 V電壓充電時，不同電容值兩端的電壓差的仿真圖。圖中可以看出當兩端電容不同時其充電差值最大值不相同。

圖1　充電過程仿真

2　硬件電路設計

該電路是基于充放電原理來進行微小電容的檢測，其主要包括脈沖激勵模塊、C-V轉換模塊、信號調理模塊以及電源模塊，其原理框圖如圖2所示。

圖2　電路原理框圖

脈沖激勵模塊為C-V轉化電路提供高頻載波。C-V轉換電路將電容信號轉化為差分的電壓信號。信號調理模塊將差分信號放大并升壓到采集系統可采集范圍內。最后將高頻載波信號進行濾波分離，提取有用信號。整個過程中使用了兩個REFl95芯片作為檢測電路的穩壓芯片，為各個模塊提供電源支持［9］。

2.1脈沖激勵模塊

該模塊主要是為充放電模塊提供高頻載波信號，其主要是采用基于施密特觸發器的多諧振蕩器來產生高頻矩形波信號。在選擇激勵脈沖信號頻率時需要考慮以下3點：（1）激勵脈沖頻率要遠遠大于載體轉動頻率；（2）激勵脈沖頻率應避免產生自激振蕩頻率；（3）激勵脈沖周期的選擇。本文選擇集成施密特觸發器來設計激勵脈沖產生電路，其原理圖如圖3所示。該電路只需調節電阻和電容即可實現不同頻率的激勵信號。

圖3　施密特觸發器構成的多諧振蕩器電路

對于Fe3O4/PDMS納米復合材料磁電容而言，當外界磁場在幾百赫茲頻率變化時才會產生磁電容效應［10］。同時考慮到精密儀表放大器的增益帶寬在放大10倍～100倍時為800 kHz～120 kHz，因此將載波信號選為50 kHz［11］。

該電路的主要原理是，系統剛上電時電容C1電壓為零，V1為低電平，此時由于V0處為高電平，施密特觸發器反向輸出高電平。當電容C1通過R1充電時，V1端的電壓會不斷的增大，當電壓增大到施密特觸發器的高電平閾值時，施密特觸發器的反向端會輸出低電平。這樣會使V0端的電壓被拉低，V0就會變為低電平，由于V0變成低電平，電容C1會通過R1回路進行放電，在放電的過程中，當電壓值達到低電平的閾值時，施密特觸發器反向端輸出高電平，又使得V0重新變為高電平。因為電容的充放電時間非常快，使得上述過程在非常短的時間內進行不斷重復，進而輸出方波信號。所以實際使用時，整個模擬電路單獨使用REFl95芯片作為穩壓芯片［12］。主要是因為在上述過程中，反向器的輸出端電壓和輸入端V0的電壓總是相反的，導致電源上的紋波信號和電路的電流會很大。因此需要單獨使用穩壓芯片。圖4是載波產生模塊的電路原理圖。對載波信號發生模塊進行Multisim仿真，結果如圖5所示。

圖4　載波信號的電路原理圖

圖5　載波信號模塊仿真圖

從仿真結果可以看出該電路脈沖信號的幅值為5 V，周期為20 μs，頻率約為50 kHz。符合電路的設計要求。

2.2C-V轉換模塊

該模塊是由電阻、電容及二極管組成的，其具體工作原理是當激勵脈沖為高電平時，此時通過電阻給待測電容充電；由于在充電過程與放電過程中的輸出電壓大小相同符號相反，為了防止濾波后電路的輸出發生混淆，采取在電路的電阻兩端各加入一個二極管的方法，該二極管的作用是加快電容放電，但保留電容的充電過程。所以當激勵脈沖為低電平時，此時待測電容中的電量通過二極管釋放，然后將這兩個信號差分放大后即可測得。其原理圖如圖6所示。

圖6　C-V轉化電路

2.3信號調理模塊

信號調理模塊的主要功能是對磁電容的輸出信號進行差分放大。當信號經過C-V轉換后，由于輸出信號比較微弱，所以就需要對信號進行放大。然后再通過濾波將高頻載波信號去除，獲得解調后的信號。其原理圖如圖7所示。由于現行的A/D轉化芯片一般只能轉化正向電壓，因此經調理放大后的電壓信號必須是正向電壓。為了避免電容差帶來的負向電壓，設計了一種帶升壓的差分放大電路，同時采用高精度的儀表放大器來保證放大精度。該電路選用AD8224作為放大電路的核心。AD8224是一款可單電源供電的雙通道儀表放大器，體積較小。作為差分放大器，其共模抑制比大于86 dB。查詢AD8224的芯片資料發現，當G=10時輸出的幅頻特性比較穩定。通過仿真發現，當電容值在±3 PF內變化時，最大輸出是±160 mV，將放大倍數調節到10倍時能夠滿足輸出盡量最大化且不飽和。

圖7　帶差分放大的調理模塊

圖8是放大電路的仿真圖。仿真時，載入波形是頻率為64 kHz，幅值為±160 mV的正弦波形。輸出時電壓零點被升壓到2.5 V，且幅值達到±1.63 V。與理論輸出差值為0.03 V，達到了設計的指標要求。

圖8　信號放大multisim仿真

2.4載波解調模塊

放大電路的輸出只是將波形按比例放大并且升壓，波形中含有載波信號，通過濾波可以從調制信號中提取出磁電容結構的輸出信號。本文選用Fe3O4/PDMS納米復合材料磁電容平行板結構作為實驗對象，其設計的工作頻率在10 Hz～60 Hz，脈沖激勵模塊的載波頻率設計為64 kHz，所以本文通過設計低通濾波器對信號進行濾波處理。在C-V轉化的過程中，會產生很多諧波的干擾，同時為了減小系統的噪聲，因此在實際使用時將濾波器的截止頻率盡量靠近工作頻率，以濾去不必要的雜波信號。那么本小節要設計的濾波器的截止頻率應當在60 Hz到64 kHz之間。一階有源低通濾波電路的設計原理圖如圖9所示。該電路是由電阻、電容和放大器組成。通過RC組成的無源濾波進行信號濾波。放大器和反饋電阻構成電壓增益跟隨。

圖9　一階有源低通濾波器原理圖

3　實驗驗證

為了分析Fe3O4/PDMS復合材料在零磁場環境下的自身介電特性，我們針對包含200 nm顆粒具有不同體積分數的磁電容樣本（#1～#5，#7）在零磁場環境中進行不同頻率下樣本的相對介電常數（κ′）與相對損耗系數（κ″）的響應特性測試，其測試結果如圖10所示?？梢钥闯?，零場下納米復合材料的相對介電常數與介電損耗隨電場頻率的增大而減小，在電場頻率大于200 kHz情況下，相對介電常數與介電損耗因子隨電場頻率的變化趨向穩定，同時純PDMS復合材料的介電特性不隨磁場的變化而變化。

本文實驗對象選用納米復合材料磁電容平行板結構，當選用的被測電容結構附近存在一塊導體并且在被測電容結構兩端施加測量激勵信號時，電容結構與導體間會出現一定的電勢差。這樣會產生寄生電容，該電容致使測量信號泄漏至導體中［6］。寄生電容會使電容測量結果產生一定的誤差，因此，在測量過程中應該去除寄生電容對測量結果的影響。Fe3O4/PDMS納米復合材料樣本如圖11所示。

圖10　相對介電常數（κ′）與介電損耗（κ″）的頻率響應特性

圖11　Fe3O4/PDMS納米復合材料樣本

實驗產生的寄生電容主要是由未屏蔽的高低電平測量端口連線之間產生的，其消除方式是將測試端口連線換為屏蔽線，其外部屏蔽層連接到電路外部電位。這樣即可消除寄生電容對測量結果的影響。磁電容平行板實物如圖12所示。

圖12　磁電容平行板實物圖

本文通過使用磁電容結構進行檢測電路的標定和檢測電路的功能測試，通過計算得到的電容檢測電路的標定因數，將其與理論值進行對比來驗證電容檢測電路的正確性。表1是檢測電路對使用不同容值的磁電容的測試結果。

表1　測試結果

圖13是將實驗測得的電容差值和電壓值進行線性擬合后的結果。可以得出擬合參數：k=2.04 V/pF，U0=2.52 V。

圖13　測試結果直線擬合圖

根據上述輸出結果可知，動態電容檢測電路的輸出線性度較好，電路的標度因數k=2.042 V/pF，理論計算得到的k值為2 V/pF，考慮到噪聲、寄生電容的影響，會造成一定的誤差。檢測電路的輸出零點U0=2.52 V，與理論值2.5 V相差不大，因此所設計的動態電容檢測電路的輸出特性較好，與理論設計結果相吻合。

4　結論

本文詳細論述了適用于納米復合材料磁電容微弱信號的檢測電路的設計，包括對脈沖激勵模塊、CV轉換模塊及信號調理模塊的原理分析和功能介紹。并制作磁電容平行板結構對電路進行測試，測試結果表明：本文設計的檢測電路能夠檢測到磁電容容值的微弱變化，通過計算對比可知：電路的標度因數精度較高、線性度較好，具有響應快速、外部電路簡單、易于集成、穩定好、成本低的優點。滿足微小電容檢測電路的要求，具有廣闊的應用前景。

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關洋（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為地磁導航系統，guanyang97@ 126.com；

張曉明（1976-），男，山西省新絳縣人，博士，副教授，碩士生導師，現在中北大學“儀器科學與動態測試冶教育部重點實驗室工作，主要研究方向為動態測試及組合導航，zxm_auto@nuc.edu.cn。

Design of Weak Signal Detection Circuit for Magnetic Capacitance of Fe3O4/PDMS Composite Material*

GUAN Yang1，ZHANG Xiaoming1，2*，SHEN Dandan1，Lü Yiling1，WANG Tianyu1
（1.North University of China Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measuremen（tNorth University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

In view of the problem that it is weak to change and difficult to detect the magnetic capacitance signal of Fe3O4/PDMS Composites.A micro capacitance detection circuit has been designed based on the charging and discharging method.The circuit is composed of a pulse excitation module，a C-V conversion module，a signal conditioning module and a carrier mediated module.The hardware design of the circuit and experimental verification are discussed in detail.The results show that in the range of pF，the output linearity of the detection circuit is good，it is smaller difference between circuit scale factor and the theoretical value.The test circuit has the advantages of fast response，simple external circuit，easy integration，good stability and low cost.

Fe3O4/PDMS Composites，charge-discharge method；pulse excitation module；a C-V conversion module；a signal conditioning module；carrier mediated module

TP206

A

1005-9490（2016）03-0680-06

EEACC：723010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.035