专利名称：非晶丝磁阻抗传感器的制作方法
技术领域：
非晶丝磁阻抗传感器
技术领 域本实用新型属于弱磁场测量技术领域，本实用新型涉及一种磁场传感器，具体涉 及一种非晶丝磁阻抗(Magneto Impedance，简写为MI)传感器。
背景技术：
磁场测量在生产科研各领域是一个重要问题。随着微电子技术的迅速发展，在国 防、汽车电子、机器人技术、生物工程、自动化控制等领域需要一些微型或小型的、高性能、 高灵敏度且响应速度快的磁场传感器来检测相关参数，例如磁场信息、转速、位移等等。目 前，常规的磁场传感器有霍尔效应(Hall)磁场传感器、各向异性磁电阻(AMR)磁场传感 器、巨磁电阻(GMR)磁场传感器、磁通门(Fluxgate)传感器等等。但是，上述磁场传感器 都有一定的缺陷。例如，霍尔效应磁场传感器虽然是目前应用最为广泛的磁场传感器，但其 输出信号变化小，灵敏度低，测量磁场时还有一定的磁场方向各向异性，适用于中强磁场测 量；各向异性磁电阻(AMR)磁场传感器的磁阻变化率大小只有2%-4%，其磁场灵敏度小于 1% /0e，制造设备复杂；巨磁电阻(GMR)传感器的磁阻变化率虽然可以达到80%以上，可 获得较高信号输出，但其磁场灵敏度仍然较低；磁通门传感器对线圈绕制的要求特别精确， 信号处理要求较高。而且上述传感器的电路太过复杂，成本较高。在较高要求的应用领域 中，尤其在智能交通、水陆交通流量监测、车型与船型检测、车辆间隔与车速检测、车位及泊 位检测与引导等通过探测磁场扰动的变化实现报警与信息监控的场合、公共安全防范、隐 蔽性周界的建立、航空、航天、航海领域等场合下，上述磁场传感器由于磁场探测分辨率低、 探测距离近、响应速度慢、体积大、功耗高、温度稳定性差、方向性差、布线繁琐、或维护困难 而不能满足实际应用对微弱磁场快速测定的要求。磁阻抗效应是1992年在非晶丝中发现的。磁阻抗效应(Magneto-Impedance，简 称MI)是指材料在高频交变电流的激励下，交流阻抗随外加磁场强度的变化而迅速变化的 现象。利用磁阻抗效应的高敏感性，即在微小的磁场变化下就会产生很大的交流阻抗变化， 通过探测材料的阻抗变化可以得知外界磁场的微弱变化，进而得出所需的检测信息。高精度、高性能的传感器制备要以质量优异、性能卓越的传感器材料为基础，非晶 态材料是目前发现的微磁敏感性能最好的材料之一，在磁阻抗传感器的应用中具有得天独 厚的优势。随着新型软磁材料——非晶合金的开发成功，促进了磁阻抗传感器的大发展，为 各种磁阻抗传感器的微小型、轻量化、高性能化提供了基础条件。非晶丝磁阻抗传感器的工作原理是利用非晶丝的磁阻抗效应，通过对非晶丝施 以一定频率的激励，使非晶丝成为磁阻抗变化的载体。当外部磁场发生变化时，非晶丝的磁 阻抗也随之变化，绕在非晶丝上的信号采样线圈随即感应出相应的电压信号。由此，该电压 信号就与此时外部磁场的强弱形成了明确的对应关系。通过测量此电压信号，就可以测量 外部磁场的强弱和大小。但是，目前已有的利用非晶丝磁阻抗技术的磁阻抗传感器存在许多问题，例如，使 用脉冲信号作为激励信号，这种信号对电路存在冲击，噪音大，可选激励信号波形种类有限。而且，现有技术的非晶丝磁阻抗传感器通过对缠绕在非晶丝上的线圈通电而对非晶丝施加偏置磁场，这种偏置磁场会对测量磁场产生影响，由于这种偏置磁场施加于非晶丝的 轴向，会阻止环形磁畴的圆周方向磁化，在一定程度上阻碍了磁场测量灵敏度的提高，削弱 了非晶丝的磁阻抗效应。此外，为了对采样信号进行放大，通常会在信号处理电路中设置放 大电路，这不仅增加了电路的复杂性和传感器的成本，而且放大效果也不理想。
发明内容为了克服现有技术的不足，本发明人根据非晶丝磁阻抗效应，通过采用改善非晶 丝磁阻抗传感器的结构、改进非晶丝磁阻抗传感器的激励方法、设计施加于非晶丝上的直 流偏置电压电路、设计增强有效信号的并联谐振电路、改进提高测量线性度的负反馈电路 等技术手段，发明了一种结构简单、探测距离远、分辨精度高、响应快速、体积微小、温度稳 定范围大、低能耗、智能化、布线简单、维护简单的非晶丝磁阻抗传感器。本实用新型的第一个目的是提供了一种非晶丝磁阻抗传感器，包括非晶丝；信 号采样线圈，缠绕在非晶丝上，用于检测外部磁场信息；激励电路，用于直接向非晶丝提供 激励信号；和信号采集与处理电路，采集信号采样线圈输出的电压信号并对其进行处理，从 而输出直流电压信号，其中，还包括直流偏置电压电路，直接与非晶丝连接，用于给非晶丝 提供直流偏置电压，从而增强环形磁畴在圆周方向上的磁化，使得圆周磁导率增加，而且也 使得非晶丝环形磁畴的指向趋于一致。通过采取直流偏置电压电路的方法能够显著增强非 晶丝的磁阻抗效应，大大提高磁场测量的灵敏度，从而能够感测到更微弱的磁场变化。而且，直流偏置电压电路由第一电感(Li)和第一电阻(Rl)串联组成。绕制在非 晶丝上的线圈还包括负反馈线圈，负反馈线圈的一端接地，另一端串联第二电感(L2)和可 调电阻(Wl)，与信号采集与处理电路的输出端联接，从而共同构成负反馈回路。本实用新型的第二个目的是激励信号包括方波信号、正弦波信号、锯齿波信号或 电噪声信号。激励电路包括可编程振荡器，可编程振荡器与非晶丝之间通过第二电阻(R2) 相联接。本实用新型的第三个目的是该非晶丝磁阻抗传感器还包括并联谐振电路由电容 (Cl)与信号采样线圈并联组成，不仅可以选择出有效电压信号，还可以对所选的有效电压 信号进行放大。本实用新型提供的非晶丝磁阻抗传感器具有结构简单、探测距离远、分辨精度高、 响应快速、体积微小、温度稳定范围大、低能耗、智能化、布线简单、维护简单的优点，可以用 于智能交通、水陆交通流量监测、车型与船型检测、车辆间隔与车速检测、车位及泊位检测 与引导等通过探测磁场扰动的变化实现报警与信息监控的场合、公共安全防范、隐蔽性周 界的建立、航空、航天、航海领域等场合。

图1是非晶丝表面的磁畴结构原理图；图2是非晶丝材料的磁化曲线；图3是非晶丝磁阻抗效应原理图；图4是本实用新型的非晶丝磁阻抗传感器在不同激励信号下的输出电压与测量磁场的关系；图5是本实用新型的非晶丝磁阻抗传感器的一个实施例的结构框图；图6是本实用新型的非晶丝磁阻抗传感器的另一个实施例的结构框图；图7是本实用 新型的非晶丝磁阻抗传感器的又一个实施例的结构框图；；图8是本实用新型的非晶丝磁阻抗传感器的优选实施例的结构框具体实施方式
非晶态材料是一种结构不同于传统晶态材料的新型材料，其结构上的显著特征是 原子排列短程有序而长程无序，即非晶态材料的是原子排列只在原子的最近邻距离和次近 邻距离的范围内有一定的有序性，而在次近邻距离以外的范围内无序。非晶材料的原子排 列可以认为是杂乱无章的，而传统的晶态材料总是存在晶粒，存在原子排列的有序性。原子 排列的有序性会造成结构和性能的各向异性，而原子的无序排列则会造成结构和性能的各 向同性。同时，由于非晶态材料没有晶界等缺陷，亦不会产生对性能的不良影响，因此非晶 态合金具有许多晶态合金所不可比拟的优异性能，如优异的磁性能、高的耐蚀性、耐磨性、 高强度、高硬度等。非晶态材料根据其形态不同，可分为块体非晶，非晶丝，非晶带，非晶膜，非晶粉 等。形态的不同造成其具有不同的性能和应用。块体非晶一般追求其较高的力学性能而用 作结构材料；非晶带材则是非晶材料中最早被制备出来的一种形态，已经在变压器铁芯等 方面等获得广泛的应用。非晶膜是指在材料的三维尺度上有一维十分微小的非晶态材料， 其厚度要比非晶带小，在性能上，由于其尺寸上的微型化，且常常是纳米量级，再加上其非 晶态的结构，因而不仅具有一些纳米材料所具有的效应，并且具有优良的非晶态合金材料 性能，如MI效应等，可以用来制作多种传感器。由于磁结构的不同，使得丝状、带状和薄膜 状的非晶合金材料在利用MI效应时既有相似性，但也有很大的不同之处。本实用新型的磁阻抗传感器的非晶态材料采用非晶丝的原因在于，非晶丝在磁 阻抗传感器上的应用具有得天独厚的优势，非晶膜所具有的磁阻抗效应(MI)在非晶丝中 也存在，利用非晶丝制备磁阻抗传感器同样可以实现灵敏度高、尺寸微小、响应速度快等优 点。非晶丝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导率、 很低的矫顽力和损耗、良好的高频性能等，可以做电子变压器、磁头，传感器等，尤其是Co 基非晶丝材料，是迄今为止人们发现的最优异的软磁材料和磁阻抗效应材料之一。非晶丝 的丝状立体结构，对轴向外磁场非常敏感，对其他方向的外磁场不敏感，拥有良好的探测方 向性。非晶丝用于MI磁阻抗传感器的物理原理为，非晶丝材料由于其非晶结构的各向 同性，不存在对畴壁运动造成阻力的组织上的不均勻性，不存在晶界等会对磁性造成不良 影响的各种缺陷，且磁致伸缩系数入3趋近于零(λ3 = -1X10—0，因此具有优良的软磁性 能，具有较小的矫顽力，较大的磁导率。由于非晶丝在急冷制备过程中丝的表面和中心区有 不同的冷却速率，表面层受到圆周方向(或轴向)的压缩力，而中心区域受到的是张力，由 于磁致伸缩效应引起圆周磁各向异性，使表面层磁矩沿圆周方向或轴向排列，而退磁场能 使磁矩选择沿圆周方向排列方式，丝的中心和外层形成不同的磁畴结构，因而丝的表面具 有圆周方向的各向异性，形成环状磁畴。中心区域的磁化强度方向沿着细丝的轴向，其畴结构如竹筒形。当非晶丝中通以交流电时，由于趋肤效应，电荷将贴近丝的外层传导，外层的 周向易磁化性能对其磁敏感起决定性的影响，在丝的周围产生周向交变磁场H0，外层磁畴 在礼作用下很容易通过畴壁运动发生周向磁化过程。在丝的表面形成了竹节状的磁畴结 构，如图1所示，这种结构的外层易磁化方向为周向，且呈左旋和右旋交替，中心部分易磁 化方向为轴向。若再沿丝轴向方向施加外磁场Hex，则磁畴将在H0和Hex的共同作用下运 动。由于Hex的强度较小，且丝的轴向是难磁化方向，故不会使丝的电阻率发生明显变化， 但施加的微弱轴向外磁场对丝的周向磁化过程却有很大的影响，显著改变了圆周磁导率的 值，并在导体的交流阻抗值上反映出来，从而导致MI效应的产生。图2是非晶丝材料的磁 化曲线，其中M表示非晶丝的磁化强度，H表示外界磁场。非晶丝中MI效应的理论公式描述如下MI效应的来源是与材料在交变电流激发 下的趋肤效应密切相关的。对于丝状导体，其阻抗可表示为
权利要求1.一种非晶丝磁阻抗传感器，包括非晶丝；信号采样线圈，缠绕在非晶丝上，用于检测外部磁场信息；激励电路，用于直接向非晶丝提供激励信号；和信号采集与处理电路，采集信号采样线圈输出的电压信号并对其进行处理，从而输出 直流电压信号，其特征在于，还包括直流偏置电压电路，直接与非晶丝连接，用于给非晶丝提供直流偏 置电压，从而增强环形磁畴在圆周方向上的磁化，使得圆周磁导率增加，而且也使得非晶丝 环形磁畴的指向趋于一致。
2.根据权利要求1所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于直流偏置电压电路由第一 电感(Li)和第一电阻(Rl)串联组成。
3.根据权利要求1或2所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于激励信号包括方波信 号、正弦波信号、锯齿波信号或电噪声信号。
4.根据权利要求1所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于激励电路包括可编程振荡 器，可编程振荡器与非晶丝之间通过第二电阻(R2)相联接。
5.根据权利要求2所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于激励电路包括可编程振荡 器，可编程振荡器与非晶丝之间通过第二电阻(R2)相联接。
6.根据权利要求3所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于激励电路包括可编程振荡 器，可编程振荡器与非晶丝之间通过第二电阻(R2)相联接。
7.根据权利要求1所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于绕制在非晶丝上的线圈还 包括负反馈线圈，负反馈线圈的一端接地，另一端串联第二电感(L2)和可调电阻(W1)，与 信号采集与处理电路的输出端联接，从而共同构成负反馈回路。
8.根据权利要求6所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于绕制在非晶丝上的线圈 还包括负反馈线圈，负反馈线圈的一端接地，另一端串联第二电感(L2)和可调电阻(W1)， 与信号采集与处理电路的输出端联接，从而共同构成负反馈回路。
9.根据权利要求1所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于还包括并联谐振电路由电 容(Cl)与信号采样线圈并联组成，不仅可以选择出有效电压信号，还可以对所选的有效电 压信号进行放大。
10.根据权利要求8所述的非晶丝磁阻抗传感器，其特征在于还包括并联谐振电路由 电容(Cl)与信号采样线圈并联组成，不仅可以选择出有效电压信号，还可以对所选的有效 电压信号进行放大。
专利摘要本实用新型提供了一种非晶丝磁阻抗传感器，包括非晶丝；信号采样线圈，缠绕在非晶丝上，用于检测外部磁场信息；激励电路，用于直接向非晶丝提供激励信号；和信号采集与处理电路，采集信号采样线圈输出的电压信号并对其进行处理，从而输出直流电压信号，其中，还包括直流偏置电压电路，直接与非晶丝连接，用于给非晶丝提供直流偏置电压，从而增强环形磁畴在圆周方向上的磁化，使得圆周磁导率增加，而且也使得非晶丝环形磁畴的指向趋于一致。通过采取直流偏置电压电路的方法能够显著增强非晶丝的磁阻抗效应，大大提高磁场测量的灵敏度，从而能够感测到更微弱的磁场变化。
文档编号G01R33/02GK201876532SQ20102027618
公开日2011年6月22日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者韩喜萍 申请人:石家庄吉纳科技有限公司