專利名稱：非晶絲磁阻抗傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
非晶絲磁阻抗傳感器
技術(shù)領(lǐng) 域本實用新型屬于弱磁場測量技術(shù)領(lǐng)域，本實用新型涉及一種磁場傳感器，具體涉 及一種非晶絲磁阻抗(Magneto Impedance，簡寫為MI)傳感器。
背景技術(shù)：
磁場測量在生產(chǎn)科研各領(lǐng)域是一個重要問題。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，在國 防、汽車電子、機器人技術(shù)、生物工程、自動化控制等領(lǐng)域需要一些微型或小型的、高性能、 高靈敏度且響應(yīng)速度快的磁場傳感器來檢測相關(guān)參數(shù)，例如磁場信息、轉(zhuǎn)速、位移等等。目 前，常規(guī)的磁場傳感器有霍爾效應(yīng)(Hall)磁場傳感器、各向異性磁電阻(AMR)磁場傳感 器、巨磁電阻(GMR)磁場傳感器、磁通門(Fluxgate)傳感器等等。但是，上述磁場傳感器 都有一定的缺陷。例如，霍爾效應(yīng)磁場傳感器雖然是目前應(yīng)用最為廣泛的磁場傳感器，但其 輸出信號變化小，靈敏度低，測量磁場時還有一定的磁場方向各向異性，適用于中強磁場測 量；各向異性磁電阻(AMR)磁場傳感器的磁阻變化率大小只有2%-4%，其磁場靈敏度小于 1% /0e，制造設(shè)備復雜；巨磁電阻(GMR)傳感器的磁阻變化率雖然可以達到80%以上，可 獲得較高信號輸出，但其磁場靈敏度仍然較低；磁通門傳感器對線圈繞制的要求特別精確， 信號處理要求較高。而且上述傳感器的電路太過復雜，成本較高。在較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域 中，尤其在智能交通、水陸交通流量監(jiān)測、車型與船型檢測、車輛間隔與車速檢測、車位及泊 位檢測與引導等通過探測磁場擾動的變化實現(xiàn)報警與信息監(jiān)控的場合、公共安全防范、隱 蔽性周界的建立、航空、航天、航海領(lǐng)域等場合下，上述磁場傳感器由于磁場探測分辨率低、 探測距離近、響應(yīng)速度慢、體積大、功耗高、溫度穩(wěn)定性差、方向性差、布線繁瑣、或維護困難 而不能滿足實際應(yīng)用對微弱磁場快速測定的要求。磁阻抗效應(yīng)是1992年在非晶絲中發(fā)現(xiàn)的。磁阻抗效應(yīng)(Magneto-Impedance，簡 稱MI)是指材料在高頻交變電流的激勵下，交流阻抗隨外加磁場強度的變化而迅速變化的 現(xiàn)象。利用磁阻抗效應(yīng)的高敏感性，即在微小的磁場變化下就會產(chǎn)生很大的交流阻抗變化， 通過探測材料的阻抗變化可以得知外界磁場的微弱變化，進而得出所需的檢測信息。高精度、高性能的傳感器制備要以質(zhì)量優(yōu)異、性能卓越的傳感器材料為基礎(chǔ)，非晶 態(tài)材料是目前發(fā)現(xiàn)的微磁敏感性能最好的材料之一，在磁阻抗傳感器的應(yīng)用中具有得天獨 厚的優(yōu)勢。隨著新型軟磁材料——非晶合金的開發(fā)成功，促進了磁阻抗傳感器的大發(fā)展，為 各種磁阻抗傳感器的微小型、輕量化、高性能化提供了基礎(chǔ)條件。非晶絲磁阻抗傳感器的工作原理是利用非晶絲的磁阻抗效應(yīng)，通過對非晶絲施 以一定頻率的激勵，使非晶絲成為磁阻抗變化的載體。當外部磁場發(fā)生變化時，非晶絲的磁 阻抗也隨之變化，繞在非晶絲上的信號采樣線圈隨即感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號。由此，該電壓 信號就與此時外部磁場的強弱形成了明確的對應(yīng)關(guān)系。通過測量此電壓信號，就可以測量 外部磁場的強弱和大小。但是，目前已有的利用非晶絲磁阻抗技術(shù)的磁阻抗傳感器存在許多問題，例如，使 用脈沖信號作為激勵信號，這種信號對電路存在沖擊，噪音大，可選激勵信號波形種類有限。而且，現(xiàn)有技術(shù)的非晶絲磁阻抗傳感器通過對纏繞在非晶絲上的線圈通電而對非晶絲施加偏置磁場，這種偏置磁場會對測量磁場產(chǎn)生影響，由于這種偏置磁場施加于非晶絲的 軸向，會阻止環(huán)形磁疇的圓周方向磁化，在一定程度上阻礙了磁場測量靈敏度的提高，削弱 了非晶絲的磁阻抗效應(yīng)。此外，為了對采樣信號進行放大，通常會在信號處理電路中設(shè)置放 大電路，這不僅增加了電路的復雜性和傳感器的成本，而且放大效果也不理想。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明人根據(jù)非晶絲磁阻抗效應(yīng)，通過采用改善非晶 絲磁阻抗傳感器的結(jié)構(gòu)、改進非晶絲磁阻抗傳感器的激勵方法、設(shè)計施加于非晶絲上的直 流偏置電壓電路、設(shè)計增強有效信號的并聯(lián)諧振電路、改進提高測量線性度的負反饋電路 等技術(shù)手段，發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)簡單、探測距離遠、分辨精度高、響應(yīng)快速、體積微小、溫度穩(wěn) 定范圍大、低能耗、智能化、布線簡單、維護簡單的非晶絲磁阻抗傳感器。本實用新型的第一個目的是提供了一種非晶絲磁阻抗傳感器，包括非晶絲；信 號采樣線圈，纏繞在非晶絲上，用于檢測外部磁場信息；激勵電路，用于直接向非晶絲提供 激勵信號；和信號采集與處理電路，采集信號采樣線圈輸出的電壓信號并對其進行處理，從 而輸出直流電壓信號，其中，還包括直流偏置電壓電路，直接與非晶絲連接，用于給非晶絲 提供直流偏置電壓，從而增強環(huán)形磁疇在圓周方向上的磁化，使得圓周磁導率增加，而且也 使得非晶絲環(huán)形磁疇的指向趨于一致。通過采取直流偏置電壓電路的方法能夠顯著增強非 晶絲的磁阻抗效應(yīng)，大大提高磁場測量的靈敏度，從而能夠感測到更微弱的磁場變化。而且，直流偏置電壓電路由第一電感(Li)和第一電阻(Rl)串聯(lián)組成。繞制在非 晶絲上的線圈還包括負反饋線圈，負反饋線圈的一端接地，另一端串聯(lián)第二電感(L2)和可 調(diào)電阻(Wl)，與信號采集與處理電路的輸出端聯(lián)接，從而共同構(gòu)成負反饋回路。本實用新型的第二個目的是激勵信號包括方波信號、正弦波信號、鋸齒波信號或 電噪聲信號。激勵電路包括可編程振蕩器，可編程振蕩器與非晶絲之間通過第二電阻(R2) 相聯(lián)接。本實用新型的第三個目的是該非晶絲磁阻抗傳感器還包括并聯(lián)諧振電路由電容 (Cl)與信號采樣線圈并聯(lián)組成，不僅可以選擇出有效電壓信號，還可以對所選的有效電壓 信號進行放大。本實用新型提供的非晶絲磁阻抗傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、探測距離遠、分辨精度高、 響應(yīng)快速、體積微小、溫度穩(wěn)定范圍大、低能耗、智能化、布線簡單、維護簡單的優(yōu)點，可以用 于智能交通、水陸交通流量監(jiān)測、車型與船型檢測、車輛間隔與車速檢測、車位及泊位檢測 與引導等通過探測磁場擾動的變化實現(xiàn)報警與信息監(jiān)控的場合、公共安全防范、隱蔽性周 界的建立、航空、航天、航海領(lǐng)域等場合。

圖1是非晶絲表面的磁疇結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是非晶絲材料的磁化曲線；圖3是非晶絲磁阻抗效應(yīng)原理圖；圖4是本實用新型的非晶絲磁阻抗傳感器在不同激勵信號下的輸出電壓與測量磁場的關(guān)系；圖5是本實用新型的非晶絲磁阻抗傳感器的一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖6是本實用新型的非晶絲磁阻抗傳感器的另一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖7是本實用 新型的非晶絲磁阻抗傳感器的又一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖；；圖8是本實用新型的非晶絲磁阻抗傳感器的優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)框具體實施方式
非晶態(tài)材料是一種結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)晶態(tài)材料的新型材料，其結(jié)構(gòu)上的顯著特征是 原子排列短程有序而長程無序，即非晶態(tài)材料的是原子排列只在原子的最近鄰距離和次近 鄰距離的范圍內(nèi)有一定的有序性，而在次近鄰距離以外的范圍內(nèi)無序。非晶材料的原子排 列可以認為是雜亂無章的，而傳統(tǒng)的晶態(tài)材料總是存在晶粒，存在原子排列的有序性。原子 排列的有序性會造成結(jié)構(gòu)和性能的各向異性，而原子的無序排列則會造成結(jié)構(gòu)和性能的各 向同性。同時，由于非晶態(tài)材料沒有晶界等缺陷，亦不會產(chǎn)生對性能的不良影響，因此非晶 態(tài)合金具有許多晶態(tài)合金所不可比擬的優(yōu)異性能，如優(yōu)異的磁性能、高的耐蝕性、耐磨性、 高強度、高硬度等。非晶態(tài)材料根據(jù)其形態(tài)不同，可分為塊體非晶，非晶絲，非晶帶，非晶膜，非晶粉 等。形態(tài)的不同造成其具有不同的性能和應(yīng)用。塊體非晶一般追求其較高的力學性能而用 作結(jié)構(gòu)材料；非晶帶材則是非晶材料中最早被制備出來的一種形態(tài)，已經(jīng)在變壓器鐵芯等 方面等獲得廣泛的應(yīng)用。非晶膜是指在材料的三維尺度上有一維十分微小的非晶態(tài)材料， 其厚度要比非晶帶小，在性能上，由于其尺寸上的微型化，且常常是納米量級，再加上其非 晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，因而不僅具有一些納米材料所具有的效應(yīng)，并且具有優(yōu)良的非晶態(tài)合金材料 性能，如MI效應(yīng)等，可以用來制作多種傳感器。由于磁結(jié)構(gòu)的不同，使得絲狀、帶狀和薄膜 狀的非晶合金材料在利用MI效應(yīng)時既有相似性，但也有很大的不同之處。本實用新型的磁阻抗傳感器的非晶態(tài)材料采用非晶絲的原因在于，非晶絲在磁 阻抗傳感器上的應(yīng)用具有得天獨厚的優(yōu)勢，非晶膜所具有的磁阻抗效應(yīng)(MI)在非晶絲中 也存在，利用非晶絲制備磁阻抗傳感器同樣可以實現(xiàn)靈敏度高、尺寸微小、響應(yīng)速度快等優(yōu) 點。非晶絲的各向同性和不存在晶界等缺陷的特征使其在磁性能方面具有很高的磁導率、 很低的矯頑力和損耗、良好的高頻性能等，可以做電子變壓器、磁頭，傳感器等，尤其是Co 基非晶絲材料，是迄今為止人們發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)異的軟磁材料和磁阻抗效應(yīng)材料之一。非晶絲 的絲狀立體結(jié)構(gòu)，對軸向外磁場非常敏感，對其他方向的外磁場不敏感，擁有良好的探測方 向性。非晶絲用于MI磁阻抗傳感器的物理原理為，非晶絲材料由于其非晶結(jié)構(gòu)的各向 同性，不存在對疇壁運動造成阻力的組織上的不均勻性，不存在晶界等會對磁性造成不良 影響的各種缺陷，且磁致伸縮系數(shù)入3趨近于零(λ3 = -1X10—0，因此具有優(yōu)良的軟磁性 能，具有較小的矯頑力，較大的磁導率。由于非晶絲在急冷制備過程中絲的表面和中心區(qū)有 不同的冷卻速率，表面層受到圓周方向(或軸向)的壓縮力，而中心區(qū)域受到的是張力，由 于磁致伸縮效應(yīng)引起圓周磁各向異性，使表面層磁矩沿圓周方向或軸向排列，而退磁場能 使磁矩選擇沿圓周方向排列方式，絲的中心和外層形成不同的磁疇結(jié)構(gòu)，因而絲的表面具 有圓周方向的各向異性，形成環(huán)狀磁疇。中心區(qū)域的磁化強度方向沿著細絲的軸向，其疇結(jié)構(gòu)如竹筒形。當非晶絲中通以交流電時，由于趨膚效應(yīng)，電荷將貼近絲的外層傳導，外層的 周向易磁化性能對其磁敏感起決定性的影響，在絲的周圍產(chǎn)生周向交變磁場H0，外層磁疇 在禮作用下很容易通過疇壁運動發(fā)生周向磁化過程。在絲的表面形成了竹節(jié)狀的磁疇結(jié) 構(gòu)，如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)的外層易磁化方向為周向，且呈左旋和右旋交替，中心部分易磁 化方向為軸向。若再沿絲軸向方向施加外磁場Hex，則磁疇將在H0和Hex的共同作用下運 動。由于Hex的強度較小，且絲的軸向是難磁化方向，故不會使絲的電阻率發(fā)生明顯變化， 但施加的微弱軸向外磁場對絲的周向磁化過程卻有很大的影響，顯著改變了圓周磁導率的 值，并在導體的交流阻抗值上反映出來，從而導致MI效應(yīng)的產(chǎn)生。圖2是非晶絲材料的磁 化曲線，其中M表示非晶絲的磁化強度，H表示外界磁場。非晶絲中MI效應(yīng)的理論公式描述如下MI效應(yīng)的來源是與材料在交變電流激發(fā) 下的趨膚效應(yīng)密切相關(guān)的。對于絲狀導體，其阻抗可表示為
權(quán)利要求1.一種非晶絲磁阻抗傳感器，包括非晶絲；信號采樣線圈，纏繞在非晶絲上，用于檢測外部磁場信息；激勵電路，用于直接向非晶絲提供激勵信號；和信號采集與處理電路，采集信號采樣線圈輸出的電壓信號并對其進行處理，從而輸出 直流電壓信號，其特征在于，還包括直流偏置電壓電路，直接與非晶絲連接，用于給非晶絲提供直流偏 置電壓，從而增強環(huán)形磁疇在圓周方向上的磁化，使得圓周磁導率增加，而且也使得非晶絲 環(huán)形磁疇的指向趨于一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于直流偏置電壓電路由第一 電感(Li)和第一電阻(Rl)串聯(lián)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于激勵信號包括方波信 號、正弦波信號、鋸齒波信號或電噪聲信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于激勵電路包括可編程振蕩 器，可編程振蕩器與非晶絲之間通過第二電阻(R2)相聯(lián)接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于激勵電路包括可編程振蕩 器，可編程振蕩器與非晶絲之間通過第二電阻(R2)相聯(lián)接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于激勵電路包括可編程振蕩 器，可編程振蕩器與非晶絲之間通過第二電阻(R2)相聯(lián)接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于繞制在非晶絲上的線圈還 包括負反饋線圈，負反饋線圈的一端接地，另一端串聯(lián)第二電感(L2)和可調(diào)電阻(W1)，與 信號采集與處理電路的輸出端聯(lián)接，從而共同構(gòu)成負反饋回路。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于繞制在非晶絲上的線圈 還包括負反饋線圈，負反饋線圈的一端接地，另一端串聯(lián)第二電感(L2)和可調(diào)電阻(W1)， 與信號采集與處理電路的輸出端聯(lián)接，從而共同構(gòu)成負反饋回路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于還包括并聯(lián)諧振電路由電 容(Cl)與信號采樣線圈并聯(lián)組成，不僅可以選擇出有效電壓信號，還可以對所選的有效電 壓信號進行放大。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的非晶絲磁阻抗傳感器，其特征在于還包括并聯(lián)諧振電路由 電容(Cl)與信號采樣線圈并聯(lián)組成，不僅可以選擇出有效電壓信號，還可以對所選的有效 電壓信號進行放大。
專利摘要本實用新型提供了一種非晶絲磁阻抗傳感器，包括非晶絲；信號采樣線圈，纏繞在非晶絲上，用于檢測外部磁場信息；激勵電路，用于直接向非晶絲提供激勵信號；和信號采集與處理電路，采集信號采樣線圈輸出的電壓信號并對其進行處理，從而輸出直流電壓信號，其中，還包括直流偏置電壓電路，直接與非晶絲連接，用于給非晶絲提供直流偏置電壓，從而增強環(huán)形磁疇在圓周方向上的磁化，使得圓周磁導率增加，而且也使得非晶絲環(huán)形磁疇的指向趨于一致。通過采取直流偏置電壓電路的方法能夠顯著增強非晶絲的磁阻抗效應(yīng)，大大提高磁場測量的靈敏度，從而能夠感測到更微弱的磁場變化。
文檔編號G01R33/02GK201876532SQ20102027618
公開日2011年6月22日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者韓喜萍 申請人:石家莊吉納科技有限公司