国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态.pdf

所需积分/C币:45 2019-09-20 10:59:47 3.56MB .PDF
44
收藏 收藏
举报

国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态.pdf,基于非晶态合金材料巨磁阻抗(GMI)效应和非对称巨磁阻抗(AGMI)效应磁传感器是近20年来磁传感器技术领域的研究热点之一。一些国外学者认为非晶态合金材料适合于制作能同时满足分辨力高、响应速度快、功耗低等要求的微磁传感器。然而,迄今为止,国外研发的绝大多数高分辨力GMI磁传感器仍停留在原理样机阶段,其主要技术指标甚至低于商品化各向异性磁阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)磁传感器。简要叙述了非晶态合金材料的GMI效应和退火处理对GMI效应的影响,重点介绍了国外研发的各种不同类型的基于非晶丝(带)的GMI磁探头、模拟信号检测电路及其参考性能指标,并探讨了研发高灵敏度GMI磁传感器的关键技术。
第4期 潘仲明等:国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态 783 元件温度稳定性差,在工作过程中存在剩磁效应,其分辨输出信号V。当激励频率为∫=200~300MHz时,GMI 力指标能否进一步提高尚存疑问45。 磁传感器的分辨力为1nT,频率响应为20~30MHz,最 高工作温度为180℃,功耗不超过10mW。 3各类GMI磁传感器的结构与电路 检波电路 R 根据图3所示的GMI元件一非晶丝(带)的激励与 GMI SBD 信号拾取方式,可将GMI磁传感器分为横向激励、纵向 元件 激励、非对角激励、线圈激励等4种类型,如表1所 C2= R 示。其中,横向激励(激励电流产生圆周方向磁场)是指 GMI元件端口①-②既作为高频电流驱动端口又作为信 R 号输出端口,而线圈端口③-④则用于施加直流偏置磁 场;纵向激励(激励电流产生轴向磁场)是指线圈端口 ③-④既作为高频电流驱动端口又作为信号输出端口 图4科比茨振荡器及检波电路 而GMI元件则作为线圈磁芯(类似于磁通门传感器);非 Fig 4 Colpitts oscillator and detection circuit 对角激励是指GMI元件端口①-②作为高频电流驱动 with gmi element 端口,而线圈端口③-④则作为信号输出端口;线圈激励 是指线圈端口③-④作为高频电流驱动端口(通常先激 1997年,日本爱知钢铁公司决定研发基于CMOS集 励线圈后激励CM元件),而GM元件端口①-②则作成电路的GM磁传感器以促进微型GM磁传感器芯片 为信号输出端口。鉴于国际上大多采用横向激励和非对的大规模生产,迄今为止,该公司已有几十种以上此类商 角激励方式,重点介绍这两种主流激励方式中典型的磁品问世。其中,最有代表性的产品是KamT等人设 探头结构和电路原理。 计的带有偏置磁场线圈和反馈线圈的GMI磁传感器,如 GMI元件 图5所示(注:原文无虚线框电路)。该电路的工作原理 是CMOS芯片的两个反相器Q1、Q2和电阻R、电容C构 成多谐振荡器,振荡周期T由时间常数τ=RC确定;电 阻R、电容C和反相器Q3构成微分整形电路,用于调 ①线圈 整多谐振荡器输出方波的占空比;Q3输出周期性窄脉冲 图3GMI元件的驱动端口和信号拾取端口 序列用于激励GMI元件一经退火处理的 CoFesiB非晶 Fig 3 The driving port and signal pick 丝;SBD、电容C和等效电阻Rn(R1+R2)构成峰值包络 up port of GMI element 检测电路,用于检测GMI元件在外磁场H。作用下的输 出量;运算放大器A1、A2和电阻R(i=1,2,…,7)分别 表1不同类型的GMI磁传感器 构成差动放大器和同相放大器;电位器VR1用于调节零 Table 1 Different types of gmi magnetic sensors 位,电位器VR2用于调节反馈线圈的磁场;偏置线圈用于 类 驱动电流端口 输出信号端口 设置GMI元件的静态工作点。在此,引入反馈回路是为 横向激励方式 ①-②端口 ①-②端口 了抑制GMI元件的磁滞现象、改善GMI磁传感器的线性 非对角激励方式 ①-②端口 ③-④端口 度,其代价是降低了GMI磁传感器的灵敏度 纵向激励方式 ③-④端口 ③-④端口 2011年西班牙纳瓦拉公立大学 Olivera jJ等人采 线圈激励方式 ③-④端口 ①-②端口 用 CoFesiB玻璃包裹非晶丝(长度15mm,外径40μm,内 芯直径24μm)研发了GMI磁传感器,参见图5(包含虚 3.1横向激励方式 线框电路),并详尽分析了该GMI磁传感器的工作机理。 1995年,日本名古屋工业科学研究院 Mohri k等 在 Olive j设计的电路中,直流电压源为V。=5V;多谐振 人2设计了基于 CoFeSiB非晶丝(长度1m,直径荡器的周期为T=250m的方波(频率/=4MH);该方 30μm)的GMI磁传感器3。其中,GM磁探头是由 波经过微分整形电路(R=26.5k,C4=2.2pF)后生成 GMI元件、科比茨振荡器和肖特基二极管( schottky 宽度为r=60ns的窄脉冲(等效频率为∫=16MHz);虚 barrier diode,sBD)检波电路组成的,如图4所示。该电线框电路(C∥VR)用于调节脉冲电流的峰峰值l和直 路利用感性GM元件的电感量L和外接电容C1C2在P流电平 点产生谐振,利用SBD检波电路将振荡信号。变成直流 图6所示为GMI元件的激励电压V(t)和激励电流 784 仪器仪表学报 第38卷 VR R R H R5 VR SBD R3 A2 GMI Q 件 74HC04 题 RG 图5基于CMOS多谐振荡器的GM磁传感器23 Fig 5 GMI magnetic sensor based on CMos multivibrator I(1)+l的波形,脉冲电流(1)的峰峰值为l=10mA。 通过调节R(或者C4)可使等效频率∫在15~50MHz 范围内变化。若要消除偏置电流Ⅰ对输出的影响,可在 SBD之前串联一个电容 10 岛·正弦激励电流 8B口 l(%) Ⅰ=10mA o =2 m4 0.290% 9010量 30 外部直流磁场/Oe 等效频率: f=16 MHz 图7三种不同激励条件下GMI元件的阻抗变化曲线 Fig. 7 The GMI impedance changing curves unde 0.15 0.30 时间/s three different excitation conditions 图6CMOS多谐振荡器及微分整形电路的输出波形 ig. 6 The output waveforms of the CMOS 图7中还展示了GM元件在正弦信号(f=16MHz, multivibrator and differential shaping circuit lp=10mA,l=0)激励下的GMI特性曲线。当0< H<2Oe时,不论是脉冲电流还是正弦型电流激励, 图7所示为GM元件在脉冲电流激励下(f/=GM特性曲线均具有良好的线性度,但在脉冲电流激励 16MHz,ln=10mA),阻抗变化率△Z/z与外加磁场H下CM元件的灵敏度为34%/Oe,而在正弦型电流激励 (GM磁探头朝零地磁场方向,H由偏置线圈产生)的关下GM元件的灵敏度仅为16%0e。当偏置电流ll=2 系特性曲线。在此,阻抗变化率(也即GM效应)定义mA时,在脉冲电流激励下GM元件出现了非对称现象 为 (AGMI效应)——负方向磁场的GMI效应较小(左右相 ()z=2/zV 差的最大值约为Z=14%),其灵敏度达到50%/0e。 de. max 100% Z(H (1)为了改善GMI磁传感器的线性度、抑制磁滞现象,最有 式中:H-=200e(10e=1Gaus=103n);阻抗值Z效的方法是采用电磁负反馈。反馈磁场H大小与GM 是通过测量施加在GM元件的交流电压V和交变电流磁传感器的输出Vm(见图7)成正比,其方向与外加磁场 l而计算出来的。 H相反(负反馈);GMI磁传感器的灵敏度S与反馈电阻 R成正比关系。 第4期 潘仲明等:国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态 785 迄今为止,国外学者已开发出多种不同形式的基于∫=100k,Ⅴ/转换器输出电流的幅值为Ln=10mA;参 横向驱动的GMI磁传感器。例如,2009年韩国国立安东考电压源用于调节GMI磁传感器的零位;引入负反馈回 大学YonS.S.等人40利用退火处理后、具有AGM效路(开关K闭合)后,增大了GMI磁传感器的线性度和量 应的 CoFeSiB非晶带(l0mmⅹmm×20μm)研发了如程,抑制了GMⅠ元件磁滞和温漂现象,但灵敏度由 图8所示的GMI磁传感器。其中,正弦振荡器的频率为20V/Oe下降到0.27V/Oe。 K 正弦振荡器 波电路 乘法器 低通 偏置电压 未级 滤波器 调节器 放大器 H 转换器 3↑H放大 差分 放大器 参考电压源 非晶带 图8基于锁相放大器(同步检测)的GMI磁传感器 ig. 8 The GMI magnetic sensor based on lock-in amplifier( synchronous detection) 为了进一步提高GMI磁传感器的温度稳定性和抗正/负偏置磁场(H=±400A/m),构成差动式GMI元 干扰能力,可采用双GMI元件构成差分式GMI磁传感件。当正弦信号激励源的频率为∫=14MHz,激励电流 器。2007年西班牙巴伦西亚工业大学 Garcia- Mique H的有效值为/aNs=100μA时,在±130A/m范围内,差 等人艹研发了基于两根玻璃包裹微非晶丝( FeCosiB,动式GMI元件的输入-输出曲线是线性的,其电压灵敏 直径30~50μm)的差动式GMI磁传感器,如图9所度为10mV/(A/m)(或者796.5mV/Oe),最大非线性 示。为了使GMI元件工作在其阻抗特性曲线的线性区度约为0.98%(H2≤130A/m)。 间,利用螺线管线圈对两根平行固定的微非晶丝施加 R R3 R H H R GMI元件 Rg R SBD C C2 R5 SBD GMI元件 H 人人 图9差动式GMI传感器电路原理 Fig 9 The circuit principle diagram of differential GMI sensor 2011年巴西 Pontificia大学 Silva e.C.等人4比较号发生器的频率。 研究了基于幅值检测和相位检测的两种差动式非晶带 GMI磁传感器(见图10)的主要技术指标。其中,CM元「正弦信号Ⅵ转换器峰值「低通 发生器 滤波器 件采用宽度为1.5mm厚度为60m的 CoFeSiB非晶带 GM元件 仪用 (其长度分别采用L=1、3、5、15cm);激励电流为i=la 放大器 +lsin(2πf)。其中,l是V提供的直流偏置电流,用 V/转换器 低通 L检波器」L滤波器 于使非晶带产生AGMI效应;/是正弦信号发生器V提 (a)幅值检测 供的交变电流的幅值(l。=V。/R=15mA);f是正弦信 (a) Amplitude detection 786 仪器仪表学报 第38卷 正弦信号 比较器输出脉冲的相位差为θ=90°,故ⅩOR门和低通滤 发生器 Ⅵ转换器fH 波器的输出为0,选择恰当的参考电压V,使得仪用放大 GM元件 比较器)XO8滤波器仪用7 低通 器的输出为V。=0;当外部磁场H≠0时,两比较器输出 放大器 2Ⅵ转换器 脉冲的相位差是外部磁场H。的函数,即θ=g(H) (b)相位检测n ⅩOR门输出脉冲的宽度与H、成正比,该脉冲信号经低 b)Phase detection 通滤波后通过仪用放大器,使后者的输出V与H成正 图10差动式GMI传感器电路原理图 比。在此,低通滤波器的截止频率∫小于正弦信号源频 Fig 10 The circuit principle diagram of 率∫的百分之一,即∫≤f/100;仪器放大器的增益为K= differential GMi sensors 1000。表2所示为幅值检测与相位检测GMI磁传感器 的灵敏度性能指标,其中,括号内参数表示最佳偏置电流 相位检测的工作原理是当外部磁场H。=0时,两 和最佳激励频率。 表2幅值检测与相位检测AGMI磁传感器的灵敏度 Table 2 Sensitivity of the agmi magnetic sensors based on amplitude detection and phase detection 非晶带长度/cm 相位检测GMI磁传感器灵敏度(PTS) 幅值检测GMI磁传感器灵敏度(MTS) PTS/MTS 69. 36 V/Oe(Idc =80 mA,=100 khz 0.84 V/Oe(Idc =80 mA,=10 MHz) 483.48V/Oe(le=80mA,/=125kHz) 13. 64 V/Oe(Id =80 mA, f =10 MHz) 35.45 550.80V/Oe(l=80mA,f=100kHz) 39. 48 V/Oe(lde =80 mA,=10 MHz) 13.95 15 887.91V/Oe(le=100mA,f=10MHz) 108.95V/Oe(l=80mA,f=10MHz) 从表2可见,基于相位检测的GMI磁传感器的灵敏缠绕方向相反;CMOS多谐振荡器的周期由RC确定(f∫= 度( phase transducer sensitivity,PrS)优于基于幅值检测1MHz),微分电路的上升时间t由时间常数r=R1C1确 的GMI磁传感器的灵敏度( magnitude transducer定(在此,,=5ns);开关K式同步检波器对检测线圈输 sensitivity,MrS)。例如,非晶带长度L≡3cm时,PS′出的第一个脉冲信号进行整形,其输出波形V与外加磁 MTS=35.45倍;前者激励源的最佳频率仅为∫ 场H的关系如图12所示。因SBD温度稳定性不好,故 125kHz,而后者激励源的最佳频率则为∫=10MHz。因而采用高速电子开关K取代SBD。将两路检波器的差分 此,对于微弱磁场信号检测技术,譬如生物磁检测技术,研输出电压V放大100倍,作为GM传感器的末端输出 发基于相位检测的GMI磁传感器具有重要的实用价值。 Vo;同时,引人电流反馈支路/=Ⅴ。R,来激励反馈线圈, 3.2非对角激励方式 以抑制GMI元件的磁滞现象,从而提高GMI磁传感器的 1999日本名古屋大学 Kawajiri N等人4利用线性度。实验结果表明,该AGM磁传感器的线性量程 Unitika Ltd.产的 FecosiB(张力退火,长度2mm,直径在±80M/m(±10e)范围之内,灵敏度为3.3VOe,带 30μm)的非晶丝,研发了如图11所示的差动式GMI磁宽为300Hz,温度稳定性为0.01%FS/°C。 传感器。其中,两个检测线圈(感应线圈)的匝数相等 丿R R=5.1kg,R=3kg2R20092 R3-51kQ,RARS kQ,R2= kQ, =C2=C3=100pF H K >oDo Do-HHD 4HC4066 74AC04 R AD524 A=100 GM元件 图11基于双 FeCoSiB非晶丝的反馈式GMI磁传感器原理 Fig. 11 The principle diagram of the feedback GMI sensor based on two FeCosiB amorphous wires 第4期 潘仲明等:国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态 787 场梯度仪,可采用利用同一多谐振荡器驱动两个GMI元 0.3 件。例如,2012年日本名古屋大学( Uchiyama T)、名古屋 工业科学研究院( Mohri K)、爱知钢铁公司( Honkura y) 0.1 和英国普利茅斯大学( Panina l.V.)等学者联合研发了 基于双 CoFeSiB非晶丝的GMI磁场梯度仪4,如图13 跪塔 所示。其中,磁场梯度仪探头是两根 CoFesiB非晶丝(长 度为1cm,直径为30μm,张力退火)按轴向排列(间距 0.2 为3cm)、每根非晶丝外部均缠绕一个匝数为N=500的 线圈(缠绕方向相同),分别作为检测线圈和参考线圈; 04 555脉冲发生器产生周期为T=2.5μs的方波信号,两路 320-240-160-80080160240320 微分电路整形电路产生脉冲宽度为r=100ns的窄脉冲 H /(Am) 窄脉冲通过电阻R驱动非晶丝,其交流电流峰值为l= 图12在H作用下两个检测线圈的差分输出电压 100mA,直流偏置电流为l。=4mA(见图7);仪用放大 Fig 12 The differential output voltage of two 器AD524和自回零电路构成自回零减法器(检测线圈的 detection coils under external field H 整流输出E减去参考线圈的整流输出E,),AD524的输 出经仪用放大器INA128放大10000倍后,再通过60Hz 磁场梯度仪可消除环境均匀磁场的扰动,适用于检陷波器和通带频率为0.3-100Hz的带通滤波器,形成 测局部的微弱磁场—磁偶极子磁场。为了开发GM磁GM磁场梯度仪的输出V。 。 脉冲 滤波器 发生器 74AC04 LMC555 R 74HC4066 E 仪用 放大器|INA28 R RH GM元件 AD524 REF 自回零 反馈电路 图13基于双 CoFeSiB非晶丝的GM磁场梯度仪原理 Fig 13 The principle diagram of the GMI magnetic field gradiometer based on two CoFeSiB amorphous wires 实验结果表明,该GMⅠ磁场梯度仪的灵敏度为匝数290圈的螺线管线圈上,以此构成GM磁探头。在 1.3V/nT;在0.3~100Hz的频带内对其噪声水平进行频率为f=300kHz、电流有效值为lNs=10mA的正弦波 测试,在2~20Hz频带内的噪声水平约为10pT/Hz2,(偏置电流为lDc=20mA)激励下,非对角激励的GMI元 在20~40Hz频带内的噪声水平约为1pT/Hz2;在40~件具有显著的AGM效应。 100Hz频带内的噪声水平约为100pT/Hz2。由此可见, 在图14所示GMI磁传感器电路原理中,采用运算放 在2~40Hz频带内,该磁场梯度仪的分辨力达到10p'大器、电阻和电容构成的Wien电桥振荡器(正弦信号激 级,故可用于检测脑磁波(如α-β波)。这是迄今为止励源),振荡频率为∫=290kHz;检测线圈Lc与电容C1 业已报导的分辨力最高的GMI磁传感器。 并联,使之产生谐振以增强GMI效应;整流电路采用模 2010年捷克理工大学 Malate m等人采用拟开关同步检波电路,其输出经积分放大后通过电阻R CoFeSiB Cr非晶带硏制了GMI磁传感器,如图14所示。反馈至检测线圈;R,两端的电压经放大后,通过截止频率 在此,先将非晶带(1lcm×1.25mm×16.7μm)在张应为10Hz的二阶低通滤波器形成输出V。在此,将检测 力50MPa、温度390°C条件下进行退火处理,然后将非晶线圈与反馈线圈合并为一,是为了避免两个同轴线圈(检 带固定在PCB长条板上,套入直径为9mm、长度为8cm、测线圈和反馈线圈)产生互感现象。 788 仪器仪表学报 第38卷 水平为70pT/Hz@1Hz,磁探头功耗为75mW。由此 差分 低通 GM元+=同关积分放大器滤波器 可知,该GMI磁传感器的分辨力指标超过了商品化AMR 电路 电路 磁传感器芯片HMC10013。通过改进材料特性和优化 电路设计,其噪声均方根值(0.01~10Hz)可望降至 图14基于Co基非晶带的反馈式AGMI磁传感器原理 210pT,噪声水平可望降至17pT/Hzl@1Hz Fig 14 The principle diagram of the feedback AGMI 2013年法国卡昂大学 Dufay B等人研发了基于 magnetic sensor based on Co-rich amorphous ribbon CoFeSiB非晶丝的GMI磁传感器,如图15所示。其中 非晶丝长度为L=2.5cm,直径为中=100m;检测线圈 实验结果表明,当反馈电阻取R=200Ω、正弦波激直接缠绕在非晶丝上,其长度Lc与非晶丝等长,线圈匝 励电流有效值取l灬=3A、偏置电流取lDc=5mA时,在数约为N=1000。一般而言,检测线圈的匝数N越大, 线性量程±75μT范围之内,该GMI磁传感器的灵敏度磁探头的灵敏度S也就越大;但是N越大,线圈的寄生电 为38mV/μT,非线性误差为0.2%FS,温度漂移为容C也越大,这将降低磁探头的灵敏度S。因此,应当根 67nT/K,噪声均方根值(0.01-~10Hz)为270pT,噪声据具体情况优化设计检测线圈的匝数N R +12V +12V 12V R R Rs 二极管D 正弦波 OP27 励源 H R GMI元件 R4 LR, 图15基于Co基非晶丝的GMI磁传感器 Fig. 15 The gmi magnetic sensor based on Co-rich amorphous wire 在图15中,正弦波激励源的峰值输出电压为 组成检波电路;12V直流电源和分压器(R8=2.2k9 10V,频率为∫=1MHz;R1(7509)起限流作用,使GMI=1kg)用于调节积分器(OP27和C4,C4=10nF)的静 元件的峰值激励电流为=13mA;C1(10nF)起交流耦态工作点;积分器输出V通过反馈电阻R直接接入检 合作用;12Ⅴ直流电源和R2(2.2kΩ)为GMI元件提供测线圈,调整R(3.6kΩ)使GM磁传感器前向增益 l=6mA的偏置电流,使之产生AGM效应;OP37和R3G(V/H)远大于反向增益F=H/V (1009)、R4(5009)组成增益为6倍的同相放大器,对 实验结果表明,在线性量程±100μT范围之内,GMI 检测线圈的输出进行放大;R3(220Ω)起着限流作用;C2磁传感器的灵敏度为0.1VμT,带宽为DC-70kHz;在 (2.2nF)和L(10μH)组成LC谐振电路(谐振频率为∫磁屏蔽环境下,在频率为20Hz、强度为3nT的磁场作用 =1MHz),以增强GMI效应;C3(10nF)起着隔离直流下,GMI磁传感器的噪声水平为30pT/Hz@1Hz,白噪 作用;12V直流电源及其分压器(R6=13.3k9、R2 声水平为1.7pT/Hz2。从噪声水平来看,该GMI磁传 kΩ)为硅二极管D提供0.8Ⅴ的正向偏置电压,以确感器的分辨力指标可能超过了商品化AMR磁传感器芯 保D始终处于导通状态;D和Rn(10k9)、C1(100nF)片HMC10015 放大器 锁相器1 屏蔽室 C AGM 三角波 ;H放大器口锁相器2 发生器 外加 磁场 图16Co基非晶丝的GMI和AGMI特性测试原理 Fig. 16 Characteristic test principle diagram of the GMI and AGMI magnetic sensors based on Co-rich amorphous wire 第4期 潘仲明等:国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态 789 ∫=4MHz (见图17(b))。此外,从图17(a)还可看出,在外部磁场 /=0mA m=0.22mA =0.7mA H=0~±150A/m范围内,横向激励的GMI磁探头的 16F=00.7mA 灵敏度为0.037mV/Am1(l=0.22mA);在外部磁场 H=±50A/m范围内,非对角激励的GMI磁探头的灵 31.4 敏度为0.070mV/Am。 图18所示为基于玻璃包裹非晶丝的GMI磁传感器 的电路原理。其中,高频正弦激励源峰值电流为l= 2mA,频率为∫=4MHz,偏置电流l。=0.7mA。当反馈 1200-800 4008001200 回路开关K断开时,GMI磁传感器的线性量程在±3μT, H/(Am-) (a)GM特性曲线 灵敏度为1500mV/μT;当反馈回路开关K闭合,且取反 (a) The characteristic curve of GMI magnetic sensor 馈电阻R=7509时,GM磁传感器的线性量程在 0.004 ±60μT,灵敏度为75mV/pT;当R,=2009时,CMI磁 f=4 MHz 1=0 mA 传感器的线性量程在±225μT,灵敏度为20mV/μT,温 1=0.22mA 1=0.7mA 0.002}=0/0.7mA 度稳定性为5nT/h,功耗约为0.5W,满量程输出电压为 ±4.5V,动态范围为120dB。 移相器 0.002 放大器锁相器仪用放大器 GMI元件 K 0.004 1200-800 400 8001200 (Am-) 图18基于玻璃包裹非晶丝的GM磁传感器原理 (b)AGMI特性曲线 (b) The characteristic curve of AGMI magnetic sensor Fig 18 The principle block diagram of the GMI magnetic sensor based on glass-coated amorphous wire 图17Co基非晶丝GMI和AGMI特性曲线 Fig 17 The characteristic curves of GMi and Agmi 在坡莫合金制作的磁场屏蔽室内, Gudoshnikoy s等 magnetic sensors based on CoFeNiBSiMo amorphous wire 人利用频谱分析仪(2~1000Hz)对GMI磁传感器的噪 声水平进行测试。用螺线管线圈产生频率为120Hz、幅 2014年俄罗斯科学院 Gudoshnikoy s等人4采用 值为0.5nT的激磁信号,测得该传感器的噪声水平为 CoFesibmo玻璃包裹非晶丝(长度l=10mm,内径r1= 10.7μm,外径n=13.1m)制作了基于非对角激励方1nT/Hz2@1H;当激磁信号的幅值为70nT时,其噪声 水平为为80pT/Hz2@3Hz左右。在3~80Hz频段内 式的GM磁传感器。将非晶丝置于直径为d=0.5m`电子电路的等效磁场噪声幅值谱密度不超过3w 匝数N=85的螺线管线圈之中(漆包线半径为50μm), 在上述文献中,GMI元件的激励频率范围为100kH 从而构成非晶丝磁探头。在磁屏蔽环境下,按图16给出 14MHz,激励电流范围为100μA~100mA,直流偏置范 的电路原理框图分别对磁探头的GMI特性(非晶丝输 围为0~20mA。在实际研究中,一般通过实验测量不同 出)和AGMI特性(检测线圈输出)进行测试,其结果如 材料和规格的GMⅠ元件一非晶丝(带)在不同激励条件 图17所示。 下的特性曲线,从而选取最佳激励频率、激励电流和偏置 在图17中,表示高频激励电流,l。表示直流激励 磁场449。在此,附上本实验室测量的某非晶丝特性曲 电流;图17(a)的纵坐标表示非晶丝轴向阻抗Z与非晶 线以及所选择的最佳激励条件,以供读者参考。所选用 丝静态电阻值R』(36Ω/cm)的比值(将锁相器1输出 的非晶丝长度为10mm,直径为30μm;激励方式为横向 Vcx折算成Z/R);图17(b)的纵坐标表示检测线圈的 高频信号经锁相器2解调后的输出电压VcM。对于激励。 所选择的非晶丝最佳激励条件如下:为了降低电路 向驱动方式,在高频正弦波激励下,施加直流偏置电流 噪声,选择采用正弦波进行激励;激励频率根据图19(a) l=0.7mA对非晶丝输出的GMI特性影响不大(见 选择l1MHz;激励电流结合图19(b)以及功耗考虑选择 图17(a));对于非对角驱动方式,当l=0.7mA时,施15mA;偏置电流根据图19(c)选择5mA,从而最大化 加直流偏置电流l对非对角激励的GM元件的 AGMI MI传感器的线性范围。 特性影响很大;而当l=0时,AGMI特性曲线不稳定 790 仪器仪表学报 第38卷 6 MHZ 从电路设计上提高GMI磁传感器灵敏度的主要途 1.6 ▲8MHz II MHZ 径如下 -13 MHZ -15 MHZ 1)对非晶丝(带)施加最佳偏置直流电流,使其产生 大的AGMI效应 0.8 2)利用电容C与感性GMI元件并联,或者在信号调 理电路的适当位置增设LC谐振电路,以增强GM磁探 0.4 头的GMI效应 3)选择合适的GMI磁探头结构,如差动式结构或梯 100 150 200 度式结构,以抑制GMI磁探头参数的温度漂移和内部噪 外部磁场/μT 声;优化设计GMI磁探头的结构参数一非晶丝(带)、偏 (a)在不同激励频率下的非晶丝特性曲线 (a) The characteristic curves of amorphous wire unde 置线圈、反馈线圈和检测线圈的尺寸; different excitation frequencies 4)优化设计GMI磁探头的激励源(激励电流、激励 -5mA 频率),以增强GMI元件的 GMIAGMI效应,优化设计 -10mA 15 mA GMI磁传感器的信号调理电路,以降低电子电路的噪声 -20mA 水平 5)采用相位检测来取代传统的幅值检测,可以有效 提高GMI传感器的灵敏度 采用窄脉冲周期信号激励源可显著提髙非晶丝 (带)的AGMI效应,但等效频率高于10MHz级的窄脉冲 周期信号会对信号调理电路产生干扰或交流耦合;采用 100 200 正弦型激励源的优缺点则与之相反。 外部磁场/μT (b)在不同激励电流下的非晶丝特性曲线 高速检波电路主要有3种形式:高速模拟开关检波 (b) The characteristic curves of amorphous wire under different excitation currents 电路、SBD检波电路和乘法器检波电路;此外,还有带有 限幅控制的运算放大器(如AD699)检波电路。当选 用窄脉冲周期信号激励源时,通常采用高速模拟开关检 m 5mA 波电路;当选用高频正弦型激励源(10MHz以上)时,通 8mA 常采用带有正电压偏置的SBD检波电路;当选用低频正 弦型激励源时,一般可采用乘法器检波电路或者二级管 检波电路。 鉴于地球磁场是强度为40μT左右的矢量场,且实 验室噪声磁场的幅值达到几十nT级以上,因此,如果不 消除环境均匀磁场的影响,则GMI磁探头指向不同,施 100 200250 加在GMI元件的偏置磁场也不同;如果不消除环境噪声 外部磁场uT (c)在不同直流偏置下的非晶丝特性曲线 磁场的影响,就无法研制出可在非磁场屏蔽条件下使用 (c) The characteristic curves of amorphous wire under different dc bisa 的、分辨力高于10pT级的GMI磁传感器。换言之,只有 图19非晶丝在不同激励条件下的特性曲线 釆用梯度式磁探头结构,或者采用环境噪声抑制技术,才 Fig. 19 The characteristic curves of amorphous 有可能研发出可在实验室环境下使用的、小量程 wire under different excitation conditions (±100nT)、高分辨力(10pT)的GMI磁传感器。 参考文献 4结论 [1 MAHDI A E, PANINA P, MAPPS D. Some new horizons in magnetic sensing High-Tc SQUIDs, gMr 迄今为止,GMI磁传感器的研发仍处于探索阶段,除 and GMI materials[ J]. Sensors and Actuators A 了日本名古屋大学和爱知钢铁公司声称已经研发出分辨 Physical,2003,105(3):271-285 力高达10pT级GMI磁场梯度仪外,业已研发的各种类[2] lenz J, EDELSTEIN A S. Magnetic sensors and their 型GMI磁探头的噪声水平指标大多低于AMR磁传感器 applications [J. IEEE Sensors Journal, 2006, 6(3) 芯片(HMC1001)。 631-649.

...展开详情
试读 13P 国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态.pdf
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
您会向同学/朋友/同事推荐我们的CSDN下载吗?
谢谢参与!您的真实评价是我们改进的动力~
关注 私信
上传资源赚钱or赚积分
最新推荐
国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态.pdf 45积分/C币 立即下载
1/13
国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态.pdf第1页
国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态.pdf第2页
国外巨磁阻抗传感器检测电路技术的发展动态.pdf第3页

试读结束, 可继续读1页

45积分/C币 立即下载 >