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(shí)用新型屬于弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，本實(shí)用新型涉及一種磁場(chǎng)傳感器，具體涉 及一種非晶絲磁阻抗(Magneto Impedance，簡(jiǎn)寫為MI)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)重要問題。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，在國 防、汽車電子、機(jī)器人技術(shù)、生物工程、自動(dòng)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(chǎng)傳感器來檢測(cè)相關(guān)參數(shù)，例如磁場(chǎng)信息、轉(zhuǎn)速、位移等等。目 前，常規(guī)的磁場(chǎng)傳感器有霍爾效應(yīng)(Hall)磁場(chǎng)傳感器、各向異性磁電阻(AMR)磁場(chǎng)傳感 器、巨磁電阻(GMR)磁場(chǎng)傳感器、磁通門(Fluxgate)傳感器等等。但是，上述磁場(chǎng)傳感器 都有一定的缺陷。例如，霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)傳感器雖然是目前應(yīng)用最為廣泛的磁場(chǎng)傳感器，但其 輸出信號(hào)變化小，靈敏度低，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；各向異性磁電阻(AMR)磁場(chǎng)傳感器的磁阻變化率大小只有2%-4%，其磁場(chǎng)靈敏度小于 1% /0e，制造設(shè)備復(fù)雜；巨磁電阻(GMR)傳感器的磁阻變化率雖然可以達(dá)到80%以上，可 獲得較高信號(hào)輸出，但其磁場(chǎng)靈敏度仍然較低；磁通門傳感器對(duì)線圈繞制的要求特別精確， 信號(hào)處理要求較高。而且上述傳感器的電路太過復(fù)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(cè)、車型與船型檢測(cè)、車輛間隔與車速檢測(cè)、車位及泊 位檢測(cè)與引導(dǎo)等通過探測(cè)磁場(chǎng)擾動(dòng)的變化實(shí)現(xiàn)報(bào)警與信息監(jiān)控的場(chǎng)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(chǎng)合下，上述磁場(chǎng)傳感器由于磁場(chǎng)探測(cè)分辨率低、 探測(cè)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(hù)困難 而不能滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)微弱磁場(chǎng)快速測(cè)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(jiǎn) 稱MI)是指材料在高頻交變電流的激勵(lì)下，交流阻抗隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)變化下就會(huì)產(chǎn)生很大的交流阻抗變化， 通過探測(cè)材料的阻抗變化可以得知外界磁場(chǎng)的微弱變化，進(jìn)而得出所需的檢測(cè)信息。高精度、高性能的傳感器制備要以質(zhì)量?jī)?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(dú) 厚的優(yōu)勢(shì)。隨著新型軟磁材料——非晶合金的開發(fā)成功，促進(jìn)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(duì)非晶絲施 以一定頻率的激勵(lì)，使非晶絲成為磁阻抗變化的載體。當(dāng)外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，非晶絲的磁 阻抗也隨之變化，繞在非晶絲上的信號(hào)采樣線圈隨即感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號(hào)。由此，該電壓 信號(hào)就與此時(shí)外部磁場(chǎng)的強(qiáng)弱形成了明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過測(cè)量此電壓信號(hào)，就可以測(cè)量 外部磁場(chǎng)的強(qiáng)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(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，這種信號(hào)對(duì)電路存在沖擊，噪音大，可選激勵(lì)信號(hào)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(duì)纏繞在非晶絲上的線圈通電而對(duì)非晶絲施加偏置磁場(chǎng)，這種偏置磁場(chǎng)會(huì)對(duì)測(cè)量磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，由于這種偏置磁場(chǎng)施加于非晶絲的 軸向，會(huì)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(chǎng)測(cè)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(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行放大，通常會(huì)在信號(hào)處理電路中設(shè)置放 大電路，這不僅增加了電路的復(fù)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(jìn)非晶絲磁阻抗傳感器的激勵(lì)方法、設(shè)計(jì)施加于非晶絲上的直 流偏置電壓電路、設(shè)計(jì)增強(qiáng)有效信號(hào)的并聯(lián)諧振電路、改進(jìn)提高測(cè)量線性度的負(fù)反饋電路 等技術(shù)手段，發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探測(cè)距離遠(yuǎn)、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(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單的非晶絲磁阻抗傳感器。本實(shí)用新型的第一個(gè)目的是提供了一種非晶絲磁阻抗傳感器，包括非晶絲；信 號(hào)采樣線圈，纏繞在非晶絲上，用于檢測(cè)外部磁場(chǎng)信息；激勵(lì)電路，用于直接向非晶絲提供 激勵(lì)信號(hào)；和信號(hào)采集與處理電路，采集信號(hào)采樣線圈輸出的電壓信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，從 而輸出直流電壓信號(hào)，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(qiáng)環(huán)形磁疇在圓周方向上的磁化，使得圓周磁導(dǎo)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(qiáng)非 晶絲的磁阻抗效應(yīng)，大大提高磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度，從而能夠感測(cè)到更微弱的磁場(chǎng)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(fù)反饋線圈，負(fù)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(hào)采集與處理電路的輸出端聯(lián)接，從而共同構(gòu)成負(fù)反饋回路。本實(shí)用新型的第二個(gè)目的是激勵(lì)信號(hào)包括方波信號(hào)、正弦波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)或 電噪聲信號(hào)。激勵(lì)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(shí)用新型的第三個(gè)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(hào)采樣線圈并聯(lián)組成，不僅可以選擇出有效電壓信號(hào)，還可以對(duì)所選的有效電壓 信號(hào)進(jìn)行放大。本實(shí)用新型提供的非晶絲磁阻抗傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、探測(cè)距離遠(yuǎn)、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(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以用 于智能交通、水陸交通流量監(jiān)測(cè)、車型與船型檢測(cè)、車輛間隔與車速檢測(cè)、車位及泊位檢測(cè) 與引導(dǎo)等通過探測(cè)磁場(chǎng)擾動(dòng)的變化實(shí)現(xiàn)報(bào)警與信息監(jiān)控的場(chǎng)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(chǎng)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(shí)用新型的非晶絲磁阻抗傳感器在不同激勵(lì)信號(hào)下的輸出電壓與測(cè)量磁場(chǎng)的關(guān)系；圖5是本實(shí)用新型的非晶絲磁阻抗傳感器的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖6是本實(shí)用新型的非晶絲磁阻抗傳感器的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖7是本實(shí)用 新型的非晶絲磁阻抗傳感器的又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；；圖8是本實(shí)用新型的非晶絲磁阻抗傳感器的優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框具體實(shí)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(rèn)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(huì)造成結(jié)構(gòu)和性能的各向異性，而原子的無序排列則會(huì)造成結(jié)構(gòu)和性能的各 向同性。同時(shí)，由于非晶態(tài)材料沒有晶界等缺陷，亦不會(huì)產(chǎn)生對(duì)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(qiáng)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(xué)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(jí)，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(shí)既有相似性，但也有很大的不同之處。本實(shí)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)靈敏度高、尺寸微小、響應(yīng)速度快等優(yōu) 點(diǎn)。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(dǎo)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(duì)軸向外磁場(chǎng)非常敏感，對(duì)其他方向的外磁場(chǎng)不敏感，擁有良好的探測(cè)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(duì)疇壁運(yùn)動(dòng)造成阻力的組織上的不均勻性，不存在晶界等會(huì)對(duì)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(dǎo)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(chǎng)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(qiáng)度方向沿著細(xì)絲的軸向，其疇結(jié)構(gòu)如竹筒形。當(dāng)非晶絲中通以交流電時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，電荷將貼近絲的外層傳導(dǎo)，外層的 周向易磁化性能對(duì)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(chǎng)H0，外層磁疇 在禮作用下很容易通過疇壁運(yùn)動(dòng)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?yàn)橹芟?，且呈左旋和右旋交替，中心部分易?化方向?yàn)檩S向。若再沿絲軸向方向施加外磁場(chǎng)Hex，則磁疇將在H0和Hex的共同作用下運(yùn) 動(dòng)。由于Hex的強(qiáng)度較小，且絲的軸向是難磁化方向，故不會(huì)使絲的電阻率發(fā)生明顯變化， 但施加的微弱軸向外磁場(chǎng)對(duì)絲的周向磁化過程卻有很大的影響，顯著改變了圓周磁導(dǎo)率的 值，并在導(dǎo)體的交流阻抗值上反映出來，從而導(dǎo)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(qiáng)度，H表示外界磁場(chǎng)。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(duì)于絲狀導(dǎo)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(hào)采樣線圈，纏繞在非晶絲上，用于檢測(cè)外部磁場(chǎng)信息；激勵(lì)電路，用于直接向非晶絲提供激勵(lì)信號(hào)；和信號(hào)采集與處理電路，采集信號(hào)采樣線圈輸出的電壓信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，從而輸出 直流電壓信號(hào)，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(qiáng)環(huán)形磁疇在圓周方向上的磁化，使得圓周磁導(dǎo)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(lì)信號(hào)包括方波信 號(hào)、正弦波信號(hào)、鋸齒波信號(hào)或電噪聲信號(hào)。
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(lì)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(lì)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(lì)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(fù)反饋線圈，負(fù)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(hào)采集與處理電路的輸出端聯(lián)接，從而共同構(gòu)成負(fù)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(fù)反饋線圈，負(fù)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(hào)采集與處理電路的輸出端聯(lián)接，從而共同構(gòu)成負(fù)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(hào)采樣線圈并聯(lián)組成，不僅可以選擇出有效電壓信號(hào)，還可以對(duì)所選的有效電 壓信號(hào)進(jìn)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(hào)采樣線圈并聯(lián)組成，不僅可以選擇出有效電壓信號(hào)，還可以對(duì)所選的有效 電壓信號(hào)進(jìn)行放大。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種非晶絲磁阻抗傳感器，包括非晶絲；信號(hào)采樣線圈，纏繞在非晶絲上，用于檢測(cè)外部磁場(chǎng)信息；激勵(lì)電路，用于直接向非晶絲提供激勵(lì)信號(hào)；和信號(hào)采集與處理電路，采集信號(hào)采樣線圈輸出的電壓信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，從而輸出直流電壓信號(hào)，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(qiáng)環(huán)形磁疇在圓周方向上的磁化，使得圓周磁導(dǎo)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(qiáng)非晶絲的磁阻抗效應(yīng)，大大提高磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度，從而能夠感測(cè)到更微弱的磁場(chǎng)變化。
文檔編號(hào)G01R33/02GK201876532SQ20102027618
公開日2011年6月22日 申請(qǐng)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(qǐng)人:石家莊吉納科技有限公司