專利名稱：一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及磁測量電子領(lǐng)域，具體的說，是通過一種通過相位檢測電路檢測交流信號的相位隨外界磁場的變化，實(shí)現(xiàn)對外界磁場強(qiáng)度的測量傳感器。
背景技術(shù)：
[0002]磁傳感器在生物磁測量、地磁導(dǎo)航以及地球勘探等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對國防建設(shè)和民營生產(chǎn)都起著巨大的作用。用來實(shí)現(xiàn)磁傳感器的原理有很多，例如霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)、巨磁阻抗效應(yīng)、核進(jìn)動、超導(dǎo)量子干涉儀、磁彈性效應(yīng)等，然而達(dá)到高精度的很少。超導(dǎo)量子干涉儀可以達(dá)到很高的探測精度，但是制作和使用均比較復(fù)雜，而價(jià)格昂貴。相對來說，巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)磁傳感器據(jù)有很高的研究價(jià)值。不僅探測精度高，現(xiàn)在美國、日本等已研制出GMI磁傳感器，其精度已達(dá)到nT(10-9T)量級；而且易于集成化，使用和制作相對簡單。[0003]自1994年日本科學(xué)家Mohri等人發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)以來，對巨磁阻抗效應(yīng)的研究有了很大的發(fā)展， 包括磁敏感器件的材料選用、后處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及激勵(lì)方式。材料包括 CoSiB、CoFeSiB、FeNi等。后處理方式包括磁場退火、應(yīng)力退火和電流退火等,通過退火處理可以改善材料的巨磁阻抗性能，例如提高材料的磁場靈敏度。GMI磁敏感器件具有多種結(jié)構(gòu)，包括絲狀結(jié)構(gòu)、帶狀結(jié)構(gòu)、單層膜結(jié)構(gòu)、多層膜結(jié)構(gòu)等，其中多層膜中的三明治結(jié)構(gòu)可以明顯提高阻抗變化率。激勵(lì)方式包括正弦信號激勵(lì)和脈沖激勵(lì)。[0004]巨磁阻抗效應(yīng)是指非晶磁敏感器件在交流電流激勵(lì)下，其阻抗隨外界磁場強(qiáng)度的變化而發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。磁敏感器件的阻抗可以表示為 Z=R+jcoL=|Z|cos Θ+j|z|sin Θ。R為阻抗的實(shí)部，joL為阻抗的虛部，Z標(biāo)志阻抗的幅值，Θ表示阻抗的相位角。當(dāng)外界磁場強(qiáng)度變化時(shí)，|Z|和Θ均會發(fā)生相應(yīng)的變化。目前， 絕大多數(shù)GMI磁傳感器是通過測量阻抗幅值|Z|的變化來測定外界磁場，通常工作頻率在幾MHz。測試表明，在較低頻率下(例如IOOkHz)阻抗的相位角Θ就有顯著地變化。因此， 通過測量相位角Θ也可以實(shí)現(xiàn)對磁場的測量，而且可以降低傳感器的工作頻率，且有望取得更高的探測精度。而通過測量阻抗相位角Θ的變化來測定外界磁場變化的GMI磁傳感器目前還未發(fā)現(xiàn)。實(shí)用新型內(nèi)容[0005]本實(shí)用新型對基于阻抗相位檢測的GMI磁傳感器進(jìn)行了研究，磁傳感器主要包括包括GMI磁敏感元件、交流電壓源、放大器、第一比較器、第二比較器、與邏輯門、積分器、差分放大器電路。其中，所述交流電壓源與GMI磁敏感元件間串聯(lián)，GMI磁敏感元件一端接地； 放大器正輸入端與負(fù)輸入端分別與GMI磁敏感元件兩端相連；放大器的負(fù)輸入端還通過電阻R2連接放大器輸出端；交流電壓源與第一比較器正輸入端相連，第一比較器負(fù)輸入端接地；放大器的輸出端與第二比較器的正輸入端相連，第二比較器的負(fù)輸入端與電阻R3、R4 相連，電阻R3接地、電阻R4接5V電壓；第一比較器與第二比較器的輸出端均與與邏輯門電路輸入端相連；與邏輯門電路與積分器相連；積分器與差分放大器相連。[0006]所述交流電壓源輸出交流電壓信號為GMI磁敏感元件提供可調(diào)的交流激勵(lì)；放大 器對GMI磁敏感兀件輸出的交流電壓信號進(jìn)行放大；第一比較器將交流電壓源的輸出信號 Sig2整形為矩形波信號u2 ;第二比較器將放大器放大后的交流電壓信號Sigl通過整形為 矩形波信號Ul ;與邏輯門將矩形波信號Ul和矩形波信號u2進(jìn)行計(jì)算，得到另一路矩形波 信號u3 ;積分器用來將矩形波信號u3進(jìn)行積分運(yùn)算，得到電壓信號Ul ;差分放大器用來將 電壓信號Ul進(jìn)行差分放大，得到與外界磁場相對應(yīng)的電壓信號W。[0007]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于[0008]1、本實(shí)用新型磁傳感器采用測量阻抗相位變化的方式，可以降低磁傳感器的工作 頻率，有可能達(dá)到更聞的靈敏度；[0009]2、本實(shí)用新型磁傳感器使用的是集成電路，便于以后的集成化；[0010]3、本實(shí)用新型磁傳感器采用與邏輯門處理矩形波信號，相對于采用異或邏輯門的 方式，降低了計(jì)算得到的信號的頻率。


[0011]圖1為本實(shí)用新型磁傳感器電路原理示意圖；[0012]圖2為本實(shí)用新型磁傳感器實(shí)驗(yàn)中測得的CoFeSiB非晶帶阻抗相位在不同頻率下 的變化量；[0013]圖3為本實(shí)用新型磁傳感器傳感器的時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
[0014]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。[0015]本實(shí)用新型一種基于相位檢測的GMI磁傳感器，包括GMI磁敏感元件、交流電壓 源、放大器、第一比較器、第二比較器、與邏輯門、積分器、差分放大器。其中，GMI磁敏感元 件采用CoFeSiB非晶材料，一端接地。[0016]所述交流電壓源通過電容Cl與GMI磁敏感元件間串聯(lián)，通過交流電壓源輸出的交 流電壓信號經(jīng)電容Cl輸入到GMI磁敏感元件，為GMI磁敏感元件提供可調(diào)的交流激勵(lì)；電 容Cl用于隔直流，起到保護(hù)交流電壓源的目的；如圖2所示，為在不同激勵(lì)頻率下，測得的 GMI磁敏感元件阻抗相位角的變化量。測量是使用亥姆霍茲線圈和HP4294A精密阻抗分析 儀完成，亥姆霍茲線圈提供外界磁場條件，將磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度由OGs增加到lOGs。測量時(shí) HP4294A交流電流設(shè)置為10mA。從圖2中可以看出，當(dāng)激勵(lì)頻率在120kHz附近時(shí)，阻抗相 位角變化量最大。而基于阻抗幅值變化率測量方式的傳感器工作頻率一般在十幾MHz，對于 不同的GMI磁敏感元件，所對應(yīng)的最佳激勵(lì)頻率是不同的，因此需要通過阻抗測量找出最 佳的激勵(lì)頻率，可使磁傳感器獲得較好的靈敏度。對于本發(fā)明中CoFeSiB磁敏感元件來說， 當(dāng)交流激勵(lì)頻率在120kHz時(shí)，阻抗相位角變化量最大。[0017]由于GMI磁敏感元件在幾百kHz頻率范圍內(nèi)阻抗幅值較小，因此其輸出的交流電 壓信號較為微弱，為了便于后續(xù)電路進(jìn)行處理，需使用放大器進(jìn)行放大。所述放大器正輸 入端與負(fù)輸入端分別通過電阻R5、R1與GMI磁敏感元件兩端相連。R5與Rl用于放大器與 GMI磁敏感元件間的阻抗匹配。令通過放大器放大后的GMI磁敏感元件輸出信號為Sigl，，作為測量信號；其交流成分的相位角為Θ1。放大器的負(fù)輸入端通過電阻R2連接放大器輸出端，電阻R2用來調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)。[0018]上述交流電壓源與放大器分別連接第一比較器與第二比較器。其中，交流電壓源與第一比較器正輸入端相連，第一比較器負(fù)輸入端接地，由此交流電壓源的輸出信號Sig2 作為參考信號輸入到第一比較器中，其交流成分的相位角為Θ 2，經(jīng)第一比較器整形為矩形波信號u2,作為參考矩形波信號。放大器的輸出端與第二比較器的正輸入端相連,第二比較器的負(fù)輸入端與電阻R3、R4相連，電阻R3接地、電阻R4接5V電壓，由此經(jīng)放大器放大后的交流電壓信號Sigl通過第二比較器整形為矩形波信號ul，作為測量矩形波信號。上述R3、 R4為第二比較器的負(fù)輸入端提供一個(gè)定值電壓，用于消除GMI磁敏感元件輸出的交流電壓信號中的直流分量。[0019]在上述第一比較器與第二比較器對交流電壓信號Sig2、Sigl進(jìn)行整形前，GMI磁敏感元件輸出的交流電壓信號與交流電壓源輸出交流電壓信號頻率相同，具有一定的相位差，記為Λ Θ ;經(jīng)第一比較器與第二比較器整形后，矩形波信號u2和矩形波信號ul具有同樣的頻率，相位差同為Λ Θ。[0020]上述第一比較器與第二比較器的輸出端均與與邏輯門輸入端相連，由于矩形波信號u2和矩形波信號ul均為由“O”和“I”組成的序列，則通過與邏輯門對矩形波信號u2和矩形波信號ul進(jìn)行運(yùn)算處理，得到另一路矩形波信號u3，發(fā)送到積分器，其占空比與Λ Θ 成正比。矩形波信號u3頻率不變，占空比隨外界磁場強(qiáng)度的增加而增加。[0021]與邏輯門與積分器相連，通過積分器對接收到的矩形波信號U3進(jìn)行積分運(yùn)算，得到電壓信號U1，發(fā)送到差分放大器；U1的大小由矩形波信號u3的占空比決定，矩形波信號 u3的占空比越大，電壓信號Ul越大。積分器與差分放大器相連，通過差分放大器對接收到的電壓信號U I進(jìn)行差分放大，得到與外界磁場相對應(yīng)的電壓信號UO ;同時(shí)，差分放大電路還起到調(diào)零的作用。[0023]為了實(shí)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)，進(jìn)一步提高磁傳感器的靈敏度，本發(fā)明中還增加一個(gè)與 GMI磁敏感元件并聯(lián)的直流電流源，由此通過直流電流源為流經(jīng)GMI磁敏感元件的交流電流中疊加一個(gè)恒定的直流分量。適當(dāng)調(diào)整直流分量的大小，可以有效地提高傳感器的靈敏度；本實(shí)用新型中直流電流選取20mA。[0024]由此通過本實(shí)用新型磁傳感器進(jìn)行磁場測量，當(dāng)外界磁場變化時(shí)，GMI磁敏感元件的阻抗相位角會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化；由于交流電壓源輸出信號的相位角不發(fā)生變化，因此，相位差Λ Θ也隨之發(fā)生變化。導(dǎo)致矩形波信號u3的占空比發(fā)生變化，最終導(dǎo)致電壓信號UO的大小隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，由此UO的大小反映了測量方向上磁場強(qiáng)度的大小。如圖3所示，為出了傳感器的時(shí) 序圖，可看出當(dāng)施加外磁場時(shí)，Sigl信號的相位角發(fā)生變化， Sigl波形相對于Sig2波形發(fā)生平移，導(dǎo)致矩形波信號u I相對于矩形波信號u2發(fā)生平移， 矩形波信號u3的占空比也會隨之發(fā)生相應(yīng)變化。矩形波信號u3占空比的變化反應(yīng)了外界磁場的變化。
權(quán)利要求1.一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器，其特征在于包括GMI磁敏感元件、交流電壓源、放大器、第一比較器、第二比較器、與邏輯門、積分器、差分放大器電路； 其中，所述交流電壓源與GMI磁敏感元件間串聯(lián)，GMI磁敏感元件一端接地；放大器正輸入端與負(fù)輸入端分別與GMI磁敏感元件兩端相連；放大器的負(fù)輸入端還通過電阻R2連接放大器輸出端； 上述交流電壓源與第一比較器正輸入端相連，第一比較器負(fù)輸入端接地；放大器的輸出端與第二比較器的正輸入端相連，第二比較器的負(fù)輸入端與電阻R3、R4相連，電阻R3接地、電阻R4接5V電壓； 第一比較器與第二比較器的輸出端均與與邏輯門電路輸入端相連；與邏輯門電路與積分器相連；積分器與差分放大器相連。
2.如權(quán)利要求1所述一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器，其特征在于所述交流電壓源輸出交流電壓信號為GMI磁敏感元件提供可調(diào)的交流激勵(lì)；放大器對GMI磁敏感元件輸出的交流電壓信號進(jìn)行放大；第一比較器將交流電壓源的輸出信號Sig2整形為矩形波信號u2 ;第二比較器將放大器放大后的交流電壓信號Sigl通過整形為矩形波信號Ul ；與邏輯門將矩形波信號Ul和矩形波信號u2進(jìn)行計(jì)算，得到另一路矩形波信號u3 ;積分器用來將矩形波信號u3進(jìn)行積分運(yùn)算，得到電壓信號Ul ;差分放大器用來將電壓信號Ul進(jìn)行差分放大，得到與外界磁場相對應(yīng)的電壓信號U0。
3.如權(quán)利要求2所述一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器，其特征在于所述GMI磁敏 感元件為CoFeSiB非晶材料，交流電壓源輸出為CoFeSiB非晶材料提供的交流激勵(lì)頻率為120kHz ;直流電流源為流經(jīng)CoFeSiB非晶材料的交流電流中疊加20mA的直流分量，。
4.如權(quán)利要求1所述一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器，其特征在于所述GMI磁敏 感元件采用CoFeSiB非晶材料。
5.如權(quán)利要求1所述一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器，其特征在于所述交流電壓源與GMI磁敏感元件間還串聯(lián)有電容Cl。
6.如權(quán)利要求1所述一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器，其特征在于所述放大器正輸入端與負(fù)輸入端分別通過電阻R5、Rl與GMI磁敏感元件兩端相連。
7.如權(quán)利要求1所述一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器，其特征在于還包括與GMI 磁敏感元件并聯(lián)的直流電流源。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于相位檢測的巨磁阻抗磁傳感器，包括GMI磁敏感元件、交流電壓源、放大器、第一、第二比較器、與邏輯門、積分器、差分放大器。其中，交流電壓源為GMI磁敏感元件提供可調(diào)的交流激勵(lì)；放大器用來對GMI磁敏感元件輸出的交流電壓信號進(jìn)行放大；第一、第二比較器分別將交流電壓源輸出的交流電壓信號與放大器放大后的交流電壓信號整形為矩形波信號；與邏輯門用來對兩路矩形波信號進(jìn)行計(jì)算，得到另一路矩形波信號，并通過積分器對其進(jìn)行積分運(yùn)算，得到電壓信號；差分放大器用來將電壓信號進(jìn)行差分放大，得到與外界磁場相對應(yīng)的電壓信號。本實(shí)用新型采用測量阻抗相位變化的方式，可以降低磁傳感器的工作頻率，達(dá)到更高的靈敏度。
文檔編號G01R25/00GK202837524SQ20122047823
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者王三勝, 褚向華 申請人:北京航空航天大學(xué)