專利名稱：一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器
背景技術(shù)：
本實(shí)用新型涉及磁傳感器領(lǐng)域，是一種基于巨磁阻抗效應(yīng)(GMI)的相位響應(yīng)的弱磁測(cè)量裝置，具體來(lái)說(shuō)，是一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器。
背景技術(shù)：
弱磁探測(cè)技術(shù)在軍事、資源勘探、科學(xué)研究等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，尤其是軍事領(lǐng)域的需求推動(dòng)弱磁探測(cè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前弱磁探測(cè)中常用的弱磁測(cè)量?jī)x器主要有磁通門(mén)傳感器、霍爾元件和超導(dǎo)量子干涉儀等，但分別存在響應(yīng)速度低、溫度穩(wěn)定性差及價(jià)格昂貴等主要問(wèn)題，不能完全滿足現(xiàn)有信息技術(shù)發(fā)展對(duì)傳感器的要求。而基于非晶絲GMI效應(yīng)的傳感器在室溫下就可以得到相當(dāng)大的磁阻抗效應(yīng)，并且具有高靈敏度、快速響應(yīng)、無(wú)磁滯、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在GMI效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)的二十幾年來(lái)得到極大的重視。 目前，巨磁阻抗磁傳感器的研究主要集中在三個(gè)方面磁傳感器電路的改進(jìn)。日本的K. Mohri最先發(fā)現(xiàn)GMI效應(yīng)，并最先設(shè)計(jì)了科比茨(Colpitts)振蕩電路，該電路在GMI傳感器的開(kāi)發(fā)與研究中被廣泛使用。GMI變化率主要是外磁場(chǎng)Hex和驅(qū)動(dòng)電流頻率f的函數(shù)，但當(dāng)兩者都變化時(shí)，無(wú)法保證非經(jīng)材料的阻抗值Z變化是有規(guī)律的，而且振蕩頻率f為高頻(15 400MHz)時(shí)，與其他元件相耦合產(chǎn)生較大的噪聲，測(cè)量范圍小。而后Mohri又設(shè)計(jì)以脈沖電流代替高頻電流驅(qū)動(dòng)GMI傳感器并且加入負(fù)反饋，從而改善了電壓輸出特性、頻率特性和消除磁滯現(xiàn)象。利用該電路組成的GMI磁傳感器，靈敏度可達(dá)200mV/0e。國(guó)內(nèi)江蘇大學(xué)鮑丙豪等人采用窄脈沖電流的激勵(lì)方式改進(jìn)傳感器，增大了可檢測(cè)的線性磁場(chǎng)范圍，提高了靈敏度。磁敏感元件I的性能的提高和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這一部分又有三個(gè)方向，一是設(shè)計(jì)Co基非晶絲或者非晶帶的結(jié)構(gòu)，如吉林大學(xué)的韓冰等人設(shè)計(jì)的陣列式和螺旋式雙探頭結(jié)構(gòu)；二是提高磁敏感元件I的性能，主要是研究退火、偏置磁場(chǎng)、偏置電流和外加應(yīng)力等因素對(duì)非晶材料性能的影響，都不同程度的提高了 GMI材料的阻抗比。三是GMI薄膜的設(shè)計(jì)，日本的Yahukami 等人利用敏感兀件 I [CoNbZrCO. 5 μ m)/Cr (IOcm) /CoNbZr (O. 5 μ m) : 5mm 長(zhǎng)，50 μ m寬]設(shè)計(jì)了一種高頻載波型磁傳感器，將磁傳感器的分辨率提高到IOpT左右。巴西伯南布哥州聯(lián)邦大學(xué)從事相關(guān)方面研究的E Costa Silva等人考慮了非晶材料的阻抗相位隨微弱磁場(chǎng)變化響應(yīng)的特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大概IOOKHz時(shí)就有很明顯的相位變化，降低了 GMI效應(yīng)對(duì)激勵(lì)頻率的要求，為GMI磁傳感器的研究提出了一個(gè)新的思路。目前，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)研究。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型在對(duì)GMI效應(yīng)相位響應(yīng)的研究基礎(chǔ)上，提供一種磁傳感器，具備GMI效應(yīng)幅值響應(yīng)的可微型化、快速響應(yīng)、無(wú)磁滯的優(yōu)勢(shì)外，將激勵(lì)頻率降低了 Γ2個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)具有提高GMI磁傳感器靈敏度的潛力，對(duì)于弱磁測(cè)量領(lǐng)域的研究具
有重大意義。本實(shí)用新型一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器，包括敏感元件、信號(hào)發(fā)生器、穩(wěn)流電路、前置放大器、移相器、相位測(cè)量器、低通濾波器、差分放大器以及參考電壓源；其中，信號(hào)發(fā)生器用來(lái)向移相器與穩(wěn)流電路輸出正弦信號(hào)；穩(wěn)流電路用來(lái)對(duì)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)幅值進(jìn)行調(diào)制，得到輸出頻率、幅值穩(wěn)定的交流電流輸出至敏感元件；前置放大器用來(lái)對(duì)敏感元件兩端輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)放大后的敏感元件兩端輸出電壓信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)；移相器用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)相位，作為基準(zhǔn)信號(hào)，使基準(zhǔn)信號(hào)與測(cè)試信號(hào)間的相位差始終穩(wěn)定在相位測(cè)量信號(hào)的線性工作區(qū)間；相位測(cè)量器對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，向低通濾波器輸出反映兩路信號(hào)相位差的直流電壓信號(hào)；低通濾波器用來(lái)消除相位測(cè)量電路輸出的直流電壓信號(hào)的噪聲；參考電壓源用來(lái)向差分放大器提供穩(wěn)定的參考電壓；差分放大器采用為高精度低噪聲放大器，將參考電壓與經(jīng)低通濾波器輸出的消除噪聲后的直流電壓信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算并進(jìn)行放大，得到磁傳感器的輸出電壓信號(hào)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于I、本實(shí)用新型磁傳感器利用GMI效應(yīng)的相位效應(yīng)制成，使磁傳感器能夠探測(cè)微弱直流磁場(chǎng)；2、本實(shí)用新型磁傳感器激勵(lì)磁場(chǎng)相對(duì)于GMI幅值響應(yīng)的傳感器降低了 Γ2個(gè)數(shù)量級(jí)；3、本實(shí)用新型磁傳感器具備GMI效應(yīng)幅值響應(yīng)的可微型化、快速響應(yīng)且無(wú)磁滯；4、本實(shí)用新型磁傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定性好，并且其靈敏度還有很大的提高空間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁場(chǎng)的快速準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)于弱磁測(cè)量領(lǐng)域的研究具有重大意義。

圖I是本實(shí)用新型的電路原理圖。圖2是H-P (磁場(chǎng)-相位)轉(zhuǎn)化曲線。圖中I-敏感元件 2-信號(hào)發(fā)生器 3-穩(wěn)流電路 4-前置放大器5-移相器 6-相位測(cè)量器 7-低通濾波器8-差分放大器9-參考電壓源
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步說(shuō)明。本實(shí)用新型是一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器，包括敏感元件I、信號(hào)發(fā)生器2、穩(wěn)流電路3、前置放大器4、移相器5、相位測(cè)量器6、低通濾波器7、差分放大器8以及參考電壓源9，如圖I所示，信號(hào)發(fā)生器2的輸出端分別與穩(wěn)流電路3、移相器5的輸入端相連；穩(wěn)流電路3的輸出端與前置放大器4的輸入端相連；前置放大器4、移相器5的輸出端均與相位測(cè)量器6的輸入端相連。相位測(cè)量器6的輸出端與低通濾波器7的輸入端相連；低通濾波器7的輸出端與差分放大器8的輸入端相連；差分放大器8的輸入端還與參考電壓源9的輸出端相連。所述敏感元件I接地，采用磁場(chǎng)退火的熱處理方式進(jìn)行處理后的鈷基非晶絲，敏感元件I 一端接地，另一端與穩(wěn)流電路3的輸出端以及前置放大器4的輸入端相連。[0023]上述信號(hào)發(fā)生器2用來(lái)向移相器5與穩(wěn)流電路3兩路輸出激勵(lì)頻率在IOKHz 20MHz范圍內(nèi)可調(diào)的穩(wěn)定正弦信號(hào)。穩(wěn)流電路3用來(lái)對(duì)信號(hào)發(fā)生器2輸出的正弦信號(hào)幅值進(jìn)行調(diào)制，得到輸出頻率、幅值穩(wěn)定的交流電流，實(shí)現(xiàn)回路中的電流控制，為敏感元件I提供穩(wěn)定的電流激勵(lì)。穩(wěn)流電路3將穩(wěn)定的交流電流輸出至敏感元件I。前置放大器用來(lái)對(duì)敏感元件I兩端輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)放大后的敏感元件I兩端輸出電壓信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)輸出至相位測(cè)量器6中。移相器5用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器2輸出的正弦信號(hào)相位，作為基準(zhǔn)信號(hào)，輸出至相位測(cè)量器6中。通過(guò)移相器5使基準(zhǔn)信號(hào)與測(cè)試信號(hào)間的相位差始終穩(wěn)定在相位測(cè)量信號(hào)的線性工作區(qū)間。
相位測(cè)量器6采用單片集成芯片對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，直接向低通濾波器7輸出反映兩路信號(hào)相位差的直流電壓信號(hào)。低通濾波器7為RC有源巴特沃思低通濾波器7，用來(lái)消除相位測(cè)量電路輸出的直流電壓信號(hào)的噪聲，并輸出至差分放大器8，低通濾波器7使直流電壓信號(hào)更加穩(wěn)定。參考電壓源9用來(lái)向差分放大器8提供穩(wěn)定的參考電壓。差分放大器8采用為高精度低噪聲放大器，將參考電壓與經(jīng)低通濾波器7輸出的消除噪聲后的直流電壓信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算并進(jìn)行放大，最終得到磁傳感器的輸出電壓信號(hào)Vwt。當(dāng)外部磁場(chǎng)為零時(shí)，通過(guò)差分放大器8進(jìn)行差分運(yùn)算后得到的磁傳感器輸出電壓信號(hào)Vout為零。當(dāng)外部磁場(chǎng)不為零時(shí)，通過(guò)差分放大器8進(jìn)行差分運(yùn)算后得到的磁傳感器輸出電壓信號(hào)Vrat即為外部磁場(chǎng)的電壓信號(hào)。由此通過(guò)本實(shí)用新型磁傳感器，在外磁場(chǎng)變化造成敏感元件I阻抗變化時(shí)，可保證敏感元件I兩端的電壓和通過(guò)的電流恒定，實(shí)現(xiàn)了用電壓信息反映敏感元件I的阻抗變化信息，而非晶絲的阻抗變化信息又反映了磁場(chǎng)的變化信息，即可通過(guò)輸出電壓來(lái)間接反映加在敏感元件I外部磁場(chǎng)的大小。將本實(shí)用新型磁傳感器放在由亥姆赫茲線圈提供的均勻磁場(chǎng)中，保證敏感元件I的軸向與磁場(chǎng)方向平行。通過(guò)改變磁場(chǎng)大小測(cè)得電路的輸出電壓值，如圖2所示，對(duì)線性段顯著的區(qū)間進(jìn)行擬合，得出電路的最大靈敏度為1.0° /Oe。
權(quán)利要求1.一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器，其特征在于包括敏感兀件、信號(hào)發(fā)生器、穩(wěn)流電路、前置放大器、移相器、相位測(cè)量器、低通濾波器、差分放大器以及參考電壓源； 其中，信號(hào)發(fā)生器用來(lái)向移相器與穩(wěn)流電路輸出正弦信號(hào)； 穩(wěn)流電路用來(lái)對(duì)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)幅值進(jìn)行調(diào)制，得到輸出頻率、幅值穩(wěn)定的交流電流輸出至敏感元件； 前置放大器用來(lái)對(duì)敏感元件兩端輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)放大后的敏感元件兩端輸出電壓信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)； 移相器用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)相位，作為基準(zhǔn)信號(hào)，使基準(zhǔn)信號(hào)與測(cè)試信號(hào)間的相位差始終穩(wěn)定在相位測(cè)量信號(hào)的線性工作區(qū)間； 相位測(cè)量器對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，向低通濾波器輸出反映兩路信號(hào)相位差的直流電壓信號(hào)； 低通濾波器用來(lái)消除相位測(cè)量電路輸出的直流電壓信號(hào)的噪聲； 參考電壓源用來(lái)向差分放大器提供穩(wěn)定的參考電壓； 差分放大器采用為高精度低噪聲放大器，將參考電壓與經(jīng)低通濾波器輸出的消除噪聲后的直流電壓信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算并進(jìn)行放大，得到磁傳感器的輸出電壓信號(hào)。
2.如權(quán)利要求I所述一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器，其特征在于所述敏感兀件為鉆基非晶絲。
3.如權(quán)利要求2所述一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器，其特征在于所述鈷基非晶絲經(jīng)磁場(chǎng)退火的熱處理方式進(jìn)行處理。
4.如權(quán)利要求I所述一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器，其特征在于所述相位測(cè)量芯片采用單片集成芯片進(jìn)行測(cè)量。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于巨磁阻抗相位響應(yīng)的磁傳感器，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器向移相器與穩(wěn)流電路輸出正弦信號(hào)；其中，穩(wěn)流電路對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到穩(wěn)定的交流電流提供給敏感元件；通過(guò)前置放大器對(duì)敏感元件輸出電壓信號(hào)放大，作為測(cè)試信號(hào)；移相器對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，作為基準(zhǔn)信號(hào)；通過(guò)相位測(cè)量器對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)試信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，向輸出反映基準(zhǔn)信號(hào)與測(cè)試信號(hào)相位差的直流電壓信號(hào)，輸出至低通濾波器消除噪聲，并輸出至差分放大器；差分放大器根據(jù)參考電壓源提供的參考電壓與直流電壓信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算并進(jìn)行放大，得到磁傳感器的輸出電壓信號(hào)。本實(shí)用新型磁傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的快速準(zhǔn)確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R33/09GK202614920SQ201220320578
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者王三勝, 寧曉帥 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)