專利名稱：巨磁阻抗磁場(chǎng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巨磁阻抗(GMI)磁場(chǎng)測(cè)量傳感器。
背景技術(shù)：
磁場(chǎng)測(cè)量在生產(chǎn)科研各領(lǐng)域是一個(gè)重要問(wèn)題，現(xiàn)在有很多的新技術(shù)和新材料都應(yīng)用到磁場(chǎng)測(cè)量的裝置上。最常用的磁場(chǎng)傳感器有霍爾(Hell)傳感器，磁通門(mén)傳感器，振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)線圈等，但這些傳感器都有一定的缺陷?；魻柶骷敵鲂盘?hào)變化小，測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)還有一定的磁場(chǎng)方向各向異性，適用于中強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量；磁通門(mén)和檢測(cè)線圈測(cè)磁場(chǎng)，對(duì)線圈繞制特別精確，信號(hào)處理要求較高；而且上述傳感器的電路太過(guò)復(fù)雜，成本較高。
與本發(fā)明相近的現(xiàn)有技術(shù)是刊登在《Sensors and Actuators A 59(1997)1-8》上的題目為“Recent advances of micro magnetic sensors and sensing application”的文章。公開(kāi)的傳感器由退火的CoFeSiB或CoSiB或CoFeMoSiB材料的非晶絲或非晶帶、以該非晶絲(帶)為分壓元件的科比茨(Colpitts)振蕩電路、整流電路、放大電路等構(gòu)成。
背景技術(shù)：
的科比茨振蕩電路如圖1中所示。圖1中V表示直流電源，Rm為非晶絲，Hex為外加磁場(chǎng)，C1，C2為反饋電容，Eout為輸出電壓。當(dāng)電路起振時(shí)，有高頻交流信號(hào)通過(guò)Rm，其上的電壓信號(hào)為Ef，振蕩頻率f；f=1C2+(1+rR0)1C1/2πL]]>其中，R0為電路固有的輸入電阻；L為Rm的電感量，r為Rm的直流電阻，Rm的阻抗值Z＝r+2πjfL，在電路中非晶絲Rm連接在晶體管的基極和集電極之間，作分壓元件存在。當(dāng)有外磁場(chǎng)Hex作用于Rm時(shí)，Rm的阻抗值Z將發(fā)生變化，其中，r和L都要變化，這樣振蕩頻率f也會(huì)變化，但非晶材料的阻抗值Z變化，即，巨磁阻抗變化率(簡(jiǎn)寫(xiě)為GMI率)是外場(chǎng)Hex和驅(qū)動(dòng)電流頻率f的函數(shù)，當(dāng)二者都變化時(shí)，無(wú)法保證非晶材料的阻抗值Z變化(GMI率)是有規(guī)律的。
背景技術(shù)：
中所提電路，R(30Ω～300Ω)，Re(3Ω～30Ω)，驅(qū)動(dòng)電流頻率f為高頻(15MHz～400MHz)，與其它元件相耦合產(chǎn)生較大的噪聲。
背景技術(shù)：
有較高的靈敏度，達(dá)到10～100％/Oe，最小分辨磁場(chǎng)為10-6Oe，但測(cè)量范圍在5Oe以下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于非晶軟磁條帶所具有的巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)，設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)傳感器，很好的解決了巨磁阻抗變化率與被檢測(cè)磁場(chǎng)一一對(duì)應(yīng)、噪聲低、擴(kuò)大測(cè)量范圍的問(wèn)題；并且使本發(fā)明結(jié)構(gòu)小巧，方便實(shí)用。
巨磁阻抗磁場(chǎng)傳感器原理是，電路中在非晶帶加載高頻的交流信號(hào)，非晶帶兩端會(huì)有相應(yīng)的高頻電壓信號(hào)；當(dāng)外加磁場(chǎng)作用于非晶帶上時(shí)，非晶帶的交流阻抗會(huì)發(fā)生變化，相應(yīng)兩端的電壓也會(huì)變化，可用此高頻電壓信號(hào)變化來(lái)反映磁場(chǎng)變化。
本發(fā)明由非晶帶，科比茨振蕩電路，前置放大器，整流電路和調(diào)零輸出放大器構(gòu)成；前置放大器輸入端接非晶帶兩端，前置放大器放大的信號(hào)由輸出端接整流電路，整流電路將高頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為二倍交流信號(hào)峰值的直流信號(hào)，再接調(diào)零輸出放大器；整個(gè)傳感器用非鐵磁性金屬殼屏蔽；所說(shuō)的科比茨振蕩電路是由截止頻率為3～60MHz的晶體管構(gòu)成，基極與直流電源Vcc間和基極與地間的兩個(gè)分壓電阻阻值相等；頻率為1～20MHz的晶體振蕩器(晶振)和起振電容串接在基極與地之間；所說(shuō)的非晶帶是含鋯的鐵基或/和含鋯的鈷基材料的，其一端接地，另一端與負(fù)載電阻串聯(lián)后連接晶體管的發(fā)射極，非晶帶作射極負(fù)載的一部分存在。
本發(fā)明的非晶帶是不用退火處理的，具有單峰的巨磁阻抗變化率(GMI率)隨磁場(chǎng)變化曲線，靈敏度最好大于1％/Oe。比如采用CoZrB、FeZrB、FeCoZrB等材料的非晶帶。
晶體振蕩器(晶振)的頻率范圍最好在1～12MHz，最佳頻率范圍是2～5MHz?？梢允褂檬⒕д瘛?br> 本發(fā)明由于在科比茨電路中引入了晶體振蕩器(晶振)使電路穩(wěn)頻振蕩；由于采取穩(wěn)定晶體管基極靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)，兩個(gè)分壓電阻相等，工作時(shí)晶體管射極直流電壓量穩(wěn)定；由于采用含鋯的鐵基或/和含鋯的鈷基材料的不退火的非晶帶，并作為射極負(fù)載的一部分，具有單峰的巨磁阻抗變化率(GMI率)隨磁場(chǎng)變化曲線，使裝置測(cè)量范圍變大，可以測(cè)量2～50Oe的弱磁場(chǎng)。本發(fā)明電子線路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊小巧、經(jīng)濟(jì)方便實(shí)用，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)科研各領(lǐng)域磁場(chǎng)測(cè)量。


圖1背景技術(shù)的GMI磁場(chǎng)傳感器電路圖。
圖2本發(fā)明的GMI磁場(chǎng)傳感器電路圖。
圖3本發(fā)明的Co72Zr8B20非晶帶的GMI率隨磁場(chǎng)變化曲線。
圖4本發(fā)明的非晶帶上的電壓信號(hào)(a)和經(jīng)前置放大器放大信號(hào)(b)。
圖5本發(fā)明的電壓隨磁場(chǎng)變化輸出曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合

本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和工作方式實(shí)施例1圖2中，1為科比茨(Colpitts)振蕩電路，2為前置放大器，3為整流電路，4為調(diào)零輸出放大器，5為非晶帶，6為晶振，7為反饋電容C1，8為反饋電容C2，9為晶體管，10為起振電容C3，11為高頻運(yùn)算放大器，12為兩個(gè)整流二極管，14為運(yùn)算放大器，16為兩個(gè)阻值相等的分壓電阻，17為可變電阻器，18為射極限流電阻，19為濾波電容，20為穩(wěn)壓電容。
科比茨振蕩電路1的供電電壓Vcc可以為12V，采取穩(wěn)定晶體管9基極靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)，由于兩個(gè)分壓電阻16阻值相等，則晶體管9極基靜態(tài)工作電壓為6V，晶體管9射極靜態(tài)工作電壓穩(wěn)定在5.3V左右；非晶帶5采用CoZrB或FeZrB或FeCoZrB材料的，作為射極負(fù)載的一部分和射極限流電阻18接入電路，非晶帶5直流電阻約3Ω，射極限流電阻18為390Ω；科比茨振蕩電路1穩(wěn)頻振蕩，振蕩頻率為晶振6的頻率3.5795MHz；調(diào)節(jié)反饋電容C1和反饋電容C2，使射極輸出穩(wěn)定的正弦信號(hào)；非晶帶5由于有較大的交流阻抗而兩端產(chǎn)生一定的交流電壓信號(hào)，參見(jiàn)圖4(a)；此信號(hào)在經(jīng)主要由高頻運(yùn)算放大器11構(gòu)成的前置放大器2放大，參見(jiàn)圖4(b)，放大后的交流信號(hào)連接到主要由兩個(gè)整流二極管12構(gòu)成的整流電路3，將高頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為二倍交流信號(hào)峰值的直流信號(hào)；這個(gè)直流電壓信號(hào)再接入主要由運(yùn)算放大器14構(gòu)成的調(diào)零輸出放大器4輸入端，在無(wú)外磁場(chǎng)的情況下，穩(wěn)定后調(diào)節(jié)可變電阻器17使運(yùn)算放大器14的正輸入端電壓與負(fù)輸入端電壓相等，則調(diào)零輸出放大器4輸出的電壓值為0。
當(dāng)有外加磁場(chǎng)作用于非晶帶5上時(shí)，非晶帶5的交流阻抗值會(huì)發(fā)生變化，參見(jiàn)圖3，圖3中ΔZ/Z為巨磁阻抗變化率(GMI率)，ΔZ/Z＝(Z(H)-Z(Hsat))/Z(Hsat)×100％，其中，Z(H)為在任意磁場(chǎng)下非晶帶5的交流阻抗值，Z(Hsat)為非晶帶5磁化至飽和后交流阻抗值。非晶帶5上的交流電壓信號(hào)幅值也會(huì)隨交流阻抗的變化而變化(交流電壓信號(hào)的頻率不變化)，所以，此信號(hào)在經(jīng)前置放大器2和整流電路3輸出到調(diào)零輸出放大器4，輸入端的信號(hào)與原來(lái)的信號(hào)的差便會(huì)放大輸出，該信號(hào)差與非晶帶5接受的外磁場(chǎng)大小有對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而測(cè)得了信號(hào)差的大小便測(cè)得了外磁場(chǎng)的大小。
如果將調(diào)零輸出放大器4輸入端的信號(hào)與原來(lái)的信號(hào)的差再接A/D轉(zhuǎn)換及微處理器進(jìn)行磁場(chǎng)值的數(shù)字顯示，可達(dá)到直接顯示磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的功能。
實(shí)施例2給出各部分電路元件數(shù)據(jù)的一個(gè)實(shí)施方式。
圖2中的科比茨振蕩電路1，非晶帶5為厚10um～40um，寬1mm～2mm，長(zhǎng)60mm～200mm，具有巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)，且靈敏度大于1％/Oe，可以采用Co72Zr8B20非晶帶；晶體管9使用2SC1815型號(hào)的高頻晶體管，其截止頻率fr大于晶振6頻率5倍。晶振6的頻率為1MHz以上，起振電容C3為15pF～10nF均可起振。兩個(gè)分壓電阻16可以選用10kΩ；射極限流電阻18為390Ω；反饋電容C1為1000pF～2200pF，反饋電容C2為60pF～200pF，且反饋電容C1與反饋電容C2的比值在2到25之間。科比茨振蕩電路的振蕩頻率即是晶振6的頻率。
圖2中的前置放大器2，應(yīng)選用增益帶寬積GBP為晶振(6)頻率5倍以上，失調(diào)電壓4mV以下的高頻運(yùn)放。高頻運(yùn)算放大器11可選用LM318圖2中的整流電路3中，整流二極管12選用肖特基二極管。
圖2中的調(diào)零輸出放大器4中，運(yùn)算放大器14可選用op-07。
用本實(shí)施例的裝置檢測(cè)的輸出電壓與非晶帶5上施加的被測(cè)磁場(chǎng)的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。按圖5所示的電壓隨磁場(chǎng)變化輸出曲線，磁場(chǎng)沿非晶帶正方向和反方向的電壓輸出曲線在2～50Oe的范圍內(nèi)重合，說(shuō)明本發(fā)明可在量程內(nèi)無(wú)差別準(zhǔn)確測(cè)量正反方向的磁場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種巨磁阻抗磁場(chǎng)傳感器，由非晶帶(5)，科比茨振蕩電路(1)，前置放大器(2)，整流電路(3)和調(diào)零輸出放大器(4)構(gòu)成；前置放大器(2)輸入端接非晶帶兩端，前置放大器(2)放大的信號(hào)由輸出端接整流電路(3)，整流電路(3)將高頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為二倍交流信號(hào)峰值的直流信號(hào)，再接調(diào)零輸出放大器(4)；整個(gè)傳感器用非鐵磁性金屬殼屏蔽；其特征是，所說(shuō)的科比茨振蕩電路(1)是由截止頻率為3～60MHz的晶體管構(gòu)成，基極與直流電源Vcc間和基極與地間的兩個(gè)分壓電阻(16)阻值相等；頻率為1～20MHz的晶體振蕩器(6)和起振電容(10)串接在基極與地之間；所說(shuō)的非晶帶(5)是含鋯的鐵基或/和含鋯的鈷基材料的，其一端接地，另一端與負(fù)載電阻(18)串聯(lián)后連接晶體管(9)的發(fā)射極。
2.按照權(quán)利要求1所述的巨磁阻抗磁場(chǎng)傳感器，其特征是，所說(shuō)的非晶帶(5)是CoZrB或FeZrB或FeCoZrB材料的；所說(shuō)的晶體振蕩器(6)的頻率范圍是2～5MHz。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的巨磁阻抗磁場(chǎng)傳感器，其特征是，所說(shuō)的非晶帶(5)是Co72Zr8B20材料的；所說(shuō)的晶體振蕩器(6)的頻率是3.5795MHz。
全文摘要
本發(fā)明的巨磁阻抗磁場(chǎng)傳感器屬于弱磁場(chǎng)測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域。由非晶帶5，科比茨振蕩電路1，前置放大器2，整流電路3和調(diào)零輸出放大器4構(gòu)成；所說(shuō)的科比茨振蕩電路1是由截止頻率為3～60MHz的晶體管構(gòu)成，基極與直流電源V
文檔編號(hào)H01L43/08GK1794003SQ20051001725
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月2日
發(fā)明者張濤, 韓冰, 李明, 任歡, 湯新巖 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)珠海學(xué)院