基于co基非晶丝的巨磁阻抗传感器的研究

基于co基非晶丝的巨磁阻抗传感器的研究

科技进步和工业生产的进步促进了传感器的开发方向如微型化、高灵敏度、快速响应和高稳定性。相对于其它传感器,磁敏传感器以安全、非接触、可靠性高等突出的优点,被广泛用于特殊条件下的弱信号探测。在实际应用中,制作高性价比、低维护费用的磁敏传感器将会扩大其适用范围,为科技发展提供更大的帮助;因此在提高传感器灵敏度的前提下减小磁敏传感器的尺寸、降低成本成为传感器研制中的关键环节。在磁敏传感器中,利用磁阻抗效应(MI)制成的传感器具有体积小、灵敏度高等优点,一直是研究热点。MI效应的起源是用经典电磁理论来解释的,和趋肤深度有关。根据驱动和拾取信号的方式,可以将这类传感器分为四种,即传统GMI传感器,纵向驱动GMI传感器,非对角GMI传感器,线圈驱动GMI传感器。MI传感器系列,按照图1不同端点总结在表1中。对于GMI传感器,用较小的交流电流驱动敏感元件时,得到的输出电压正比于样品的阻抗值,属于线性元件;当敏感元件工作在较高幅值的电流下时,由于敏感元件被驱动场磁化饱和,样品两端或拾取线圈两端会产生非线性的电压输出。另外,由于阻抗是张量形式,有对角和非对角分量。当驱动电流作用在①和②两端时,阻抗的对角分量的变化表现为敏感元件两端信号的变化,而阻抗的非对角分量的变化表现为线圈两端信号的变化。本文比较了驱动信号施加在①和②两端的传统GMI传感器和非对角GMI传感器输出信号的变化规律,研究了敏感元件的长度对这两种传感器的输出特性的影响,并利用一个模型来解释MI曲线的变化规律。实验中,传统GMI传感器用较小的交流电流驱动,输出信号从样品两端取得,表示的是交流环向磁导率的变化规律。而非对角GMI传感器用较大的交流电流驱动,并在线圈两端即③和④端并联电容形成LC共振,使共振频率为驱动频率的两倍,输出二次谐波信号,即得到样品交流纵向磁导率的变化规律,此时它随外磁场的变化十分灵敏。这两种传感器在测量弱磁场信号时,利用的都是零磁场附近的一段线性区域。这段区域中,输出信号随磁场的变化是线性的,表现出较大的灵敏度和较好的线性度。1传感器输出电压的测量实验中采用的敏感元件是直径为23μm的Co68.2Fe4.3Si12.5B15玻璃包裹丝,样品的长度分别为5mm、10mm、20mm。测量传统GMI传感器的输出信号时,采用直接测量敏感元件的方式。改变敏感元件的长度,用一台精确的阻抗分析仪(HP4294A)测量阻抗随外磁场的变化规律。由于样品工作在恒定幅值的较小驱动电流下,阻抗值和样品两端的输出电压信号成正比,即阻抗的变化可用样品两端的电压变化来表示。测量非对角GMI传感器的输出信号时,将敏感元件放置在由直径为40μm的漆包线绕成的线圈中,并连接在函数发生器上。固定线圈匝数为200匝,根据敏感元件的长度,改变线圈层数以保证线圈长度和敏感元件的长度近似相同,避免磁化过程中磁敏元件感应不一致的现象发生。实验中,5mm、10mm和20mm的敏感元件对应的线圈分别为4层、2层、和1层。在线圈的两端并联一个合适的电容,形成LC共振,并使传感器输出二次谐波信号。在外磁场的作用下,传感器的输出电压由示波器输出。当外磁场增大到一定程度时,材料磁化饱和,输出信号最小,就用相对于最大磁场的输出电压变化量来表示传感器的输出性能,由以下公式定义:ΔVV%=V(H)−V(Hmax)V(Hmax)×100%(1)ΔVV%=V(Η)-V(Ηmax)V(Ηmax)×100%(1)其中,V(H)和V(Hmax)分别是某个外磁场下的电压值和最大测量磁场下的电压值。纵向直流外加磁场均由亥姆赫兹线圈提供。2不同长度敏感元件对传感器输出信号的影响对于传统GMI传感器,实际测量得到的是敏感元件的阻抗值随外磁场的变化规律。图2表示的是一定驱动频率下不同长度敏感元件两端的电压变化量随外磁场的变化情况。如图所示,对于具有环向磁结构的玻璃包裹丝,输出信号随着外磁场的变化呈现先增大后减小的趋势。从插图中可以看出,在磁场为0~80Am-1的范围内,电压比迅速增大,磁场继续增大时电压比开始逐渐下降,达到1200Am-1后,材料磁化饱和,输出信号基本不变化。再者,随着长度的减小,电压比略有增大,而灵敏度逐渐减小,从20mm的82.54×10-2%/A·m-1减小为5mm的58.95×10-2%/A·m-1。可以看出,随着敏感元件长度的减小,灵敏度略有降低,在传感器的小型化过程中长度是一个重要的影响因素。然而非对角GMI传感器的输出电压变化情况有所不同。图3是驱动频率为1MHz时,不同长度敏感元件的输出曲线,可以看出最初输出信号随着外磁场增大而增大,在一定外磁场下达到最大值。当外磁场进一步增大时,输出信号逐渐减小直至材料磁化饱和,输出信号保持不变。从传感器线圈拾取的输出信号是,Vout=−dϕdt=−d(NAμ(t)Hext(t))dt=−NA(Hextdμ(t)dt+μdHext(t)dt)(2)Vout=-dϕdt=-d(ΝAμ(t)Ηext(t))dt=-ΝA(Ηextdμ(t)dt+μdΗext(t)dt)(2)其中,ϕ和A分别是线圈的磁通量和横截面积,μ(t)和Hext分别是纵向交流磁导率和直流外磁场,N是拾取线圈的匝数。从公式(2)中可以看出非对角GMI传感器的输出信号表示的是交流纵向磁导率的变化,与交流环向磁导率也有显著的关系。即使纵向外磁场为零时,由于交流环向磁场的变化,线圈中也会有较小信号输出。另外,从图3中还可以看出,随着敏感元件长度的减小,传感器的输出信号也逐渐减小,而且变化幅度很大,这说明退磁场的影响十分显著。考虑退磁场的影响,将退磁因子引入公式(2),得到,Vout=NAμ0H01−D[1+D(μ(t)−1)]2dμ(t)dt(3)Vout=ΝAμ0Η01-D[1+D(μ(t)-1)]2dμ(t)dt(3)其中,D是退磁因子。随着长度的减小,退磁场增大,D也增大。通过简单的计算可以推导出输出信号随着D的增大而减小。但灵敏度从20mm的10.77%/Am-1增加到5mm的15.82%/Am-1,和传统GMI传感器相比,在探测弱磁场方面表现出很大的潜力。另一方面,从图2的插图和图3均可以看出,随着敏感元件长度的减小,峰位对应的磁场有减小的趋势。可以用如下简单的模型来解释在磁化过程中随着长度的减小各向异性场的变化趋势,如图4所示。假设初始条件下各向异性场为Hk,与退磁场合成后的矢量和为Hp。由于退磁场HD的大小随着样品长度的减小而增大,随着长度的减小,各向异性场的和矢量Hp略有减小并向丝的环向方向转动,用H′p表示。这表明在退磁场的影响下,各向异性场向环向转动,使环向磁导率增加,传统GMI传感器测量得到的输出信号随之增加,而纵向磁导率及其变化率降低,则非对角GMI传感器的输出信号随之减小。通过以上讨论,可以看出敏感元件的长度对两种传感器的输出信号都有影响。其中,非对角GMI传感器随长度的变化很显著,而传统GMI传感器随长度的变化不大。当使用相同长度敏感元件时,在同一驱动频率下比较这两种传感器的输出信号,得到图5所示的曲线。其中,非对角GMI传感器输出电压的变化量较大,在0~50Am-1磁场范围内表现出很高的灵敏度。在较大驱动电流的作用下,敏感元件已经环向磁化饱和,此时由于磁矩转动输出曲线出现双峰。相对地,传统GMI传感器在相同磁场范围内变化很小,再将该传感器的输出曲线和图2中5mm的敏感元件的曲线进行比较,频率较大时传感器在0~50Am-1磁场范围内的灵敏度高。这说明对于传统GMI传感器,所用的驱动电流比较小,材料没有环向磁化饱和,磁化过程既有畴壁移动也有磁矩转动。当驱动频率较低时,磁化过程主要得益于畴壁移动的贡献,曲线的双峰不明显;而在高频下,由于畴壁移动的作用逐渐减弱,磁化过程主要得益于磁矩转动,因此会有明显的双峰出现。所以,低频下传统GMI传感器的低场灵敏度就大大降低。另外,从实际应用的角度来比较这两种MI传感器,传统GMI传感器可能产生磁滞,但具有驱动电流小,可降低能耗的优点。而对于非对角GMI传感器,由于输出信号是二次谐波信号,测量中没有磁滞,精确度和灵敏度都高,但使用的驱动电流相对较大,增大了能耗。在制作微型传感器的过程中,由于非对角GMI传感器采用的是非对角方式,信号从绕在敏感元件上的线圈得到,不仅减少了元件和后级信号处理电路的相互干扰,而且可以利用LC共振技术,得到更高的灵敏度。同时,线圈本身可以加以直流电流产生偏磁场,使敏感元件工作在最敏感区域,用以测量弱磁场。3小和频率对于小和频率的影响通过比较