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1、不同长度敏感元件的两种巨磁阻抗传感器传感性能研究图文XX第21卷 第7期 2008年7月传感技术学报a佃旺SE J叭mNAL 0F SI粥SOI晤AND ACIARSV01.21No.7 Jul_2008Study of the S吼singPerfo珊ance of Two Kinds of GiantMagnetoimpedance Sensors with Different Element Lengths“LfXi,z1,ZHANGQi,z91,RUAN-厂缸咿鼎D7291,WANG Q聍90缸,z92,yANG崩矿Zo,191,ZHAoZh阴0妇1 r1-DFp口灯删D,Phy5ff

2、s,王gieEring RP阳4玎Cf盯,or JV口加户oo”if5&Ad啦ncPd hsf九l优明f,l矗n衙删o,E矗w口iDn,正h靠chi撇Nor撇f L砌z俚rsi廿,skn昏ki 200062,chi船;旧脚口砌删D,函m妇t删,肠砧吼lm Npm口fiwi妇,鼢讲口i 200062,imAbstmct:A comparative study between conventiorlal giant magnetoimpedance sensor and off-diagonal giant magnetoimpedance sensor using C伊based amorpho

3、us wire as sensing element has been investigated Under the dc external rnagnetic field the output signals of these two sensors have been measured、vith the length of s锄ple varying. The influence of demagnetization field and other factors have been also discussed. The results show that off-diagonal se

4、nsor has some advantages of high sensitivity,which increases a little with the sample length decreasing,and non_hysteresis. It shows great potential for weak magnetic field detec tion,which provides some references for the minimization of magnetic sensors.Key w盯ds:nlagnetic sensor;giant magnetoimped

5、ance effect;demagnetization;minimizationEEAOC:7230;5140不同长度敏感元件的两种巨磁阻抗传感器传感性能研究*李 欣1,张 清1,阮建中1,王清江2,杨燮龙1,赵振杰(攥篇萋奕茎麓柔絮薏糟黻徽醐魂髋帆h埔20006252.华东师范大学化学系,上海200062,摘 要:针对采用co基非晶丝作为敏感元件的传统巨磁阻抗传感器和非对角巨磁阻抗传感器进行比较研究。改变敏感元 件的长度,观察两者在直流外磁场作用下输出信号的变化规律,并讨论退磁场等因素对传感器输出信号的影响。结果显示非 对角巨磁阻抗传感器具有高灵敏度,无磁滞等优点,且灵敏度随样品长度的减小略

6、有增大,在测量弱磁场方面表现出更大的 潜力,为磁敏传感器的小型化提供了一定的参考依据。关键词:磁敏传感器;巨磁阻抗效应;退磁;小型化中图分类号:TP212;1M936文献标识码:A 文章编号:l004.1699(2008071147-咐科学技术和工业生产的不断进步使传感器的研 制向微型化、高灵敏度、快速响应、高稳定性等方向 发展。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

7、为传感 器研制中的关键环节1剖。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中睁8。基金项目:国家自然科学基金资助(20575022,上海科技项目资助(0652衄036 收稿日期:200711一01修改日期:2008一01181148传感技术学报 2008年止1蕊叶 图1M1系列传感器示意图表1Ml传感

8、器系列中的不同驱动和拾取信号方式对于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9。另外,由于 阻抗是张量形式,有对角和非对角分量。当驱动电 流作用在和两端时,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10|。本文比较了驱动信号施加在和两端的传统 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

9、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,并在线圈两端即和端并 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11|。 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实验方法实验中采用的敏感元件是直径为23弘m的 Coes.zFe4.sSil2.s Bls玻璃包裹丝,样

10、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40弘m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、

11、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11。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: g%=幽笔掣100%(1 V“ V(H。“一7其中,V(H和V(H。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结果与讨论对于传统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

12、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O80Am-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1200 Am.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82.5410-2%/Am_1减小 为5mm的58.9510q%/Am。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。-4500-3000.15(o O

13、 150*0磁场/AmJ图2频率为5MHz时,敏感元件长度和传统GMI传感 器输出信号变化量的关系第7期 李欣,张清等:不同长度敏感元件的两种巨磁阻抗传感器传感性能研究 1149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,v.:一堂:一生!盟丝!旦盥!卫:一“ 出 出一M(H。警+P半其中,拳和A分别是线圈的磁通量和横截面积, 岸(和H。分别是纵向交流

14、磁导率和直流外磁场, N是拾取线圈的匝数。磁场/Am“图3驱动频率为1MHz时,敏感元件长度和非对角 GMI传感器输出信号变化量的关系从公式(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11|。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, %2脚。H0田责赫警(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12。

15、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, 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H。,与退磁场 合成后的矢量和为H。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H。略有减小并向丝的环向方向转 动,用H 7。表示。这表明在退磁场的影响下

16、,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。H;Ho H。%图4退磁场产生影响的模型通过以上讨论,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。4503(o150O.150翌.300.450掣50非桷训器卜 、/、图5驱动频率为1MHz时,敏感元件长度均为5mm 的两种传感器输出信号比随外磁场

17、的变化其中,非对角GMI传感器输出电压的变化量 较大,在o50Am-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

18、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。1150传感技术学报 2008年另外,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

19、敏感元件工作在最敏感区域,用以测量弱磁场。3结论通过比较传统GMI传感器和非对角GMI传感器的输出信号随外磁场的变化规律,可以看出在驱动电流的大小和频率一定的情况下,敏感元件的长度改变了退磁场的大小进而影响传感器的输出信号,为更有效地研制微型传感器提供了参考依据。两者相较而言,使用长度为5mm的敏感元件时,非对角GMI传感器以其高灵敏度、无磁滞等特性在小型化方面具有突出的潜力,可更广泛地用于测量生物磁场等特殊条件下的磁场测量。参考文献:1 2 3 张清,李欣,王清江,李小平,赵振杰,新型巨磁阻抗传感器的特性研究J.传感技术学报,2007,20(3,578581.Po访c R S,Flanaga

20、n J A,Besse P八The Future of MagneticSensors口.Sens.Actuators,1996,A56:3955.Mahdi A E,Panina L,Mapps D.S0nle New Horizons in Mag一李欣(1983一,女,在读硕士研究生,现就读于华东师范大学物理系材料物理与化学专业,主要从事磁敏传感器的研究。netic Sensing:High_Tc SQUIDs,GMR and GMI Materials J.skns.Actuators。2003,A105:271.285.4Sasada I.Orthogonal Flu【gate Me

21、chanism(perated、rith dc Biased ExcitationJ.J.Appl.Phys.2002,91:77897791. 5Mohri K,uchiyama T,Panina L v.A Recent Advances of Micro Magnetic Sensors and Sensing ApplicationJ. sens.Actuamrs.A59:卜8.6zhao z J,Bendjaballah F,Yang x L,Yang D P.L0ngitudi nally Driven Magnet伊Impedance Effect in Annealed Fe-

22、based Nanocrystalline Powder Mate rialsJ.J.Magn Magn Ma ter,2002,246:6266.7“xP,zhaoz J,B0hT,seetH L,NeoBH,andKohsJ. Current Driven Magnetic PenTleability Interference Sensor U sillg NiFe/Cu CompositeWire谢th a SignaI Pick-up LC Circuit 口.Phys.Stat.S01,2004,A201:19921995.8Buznikov N A,Antonov A s,Rakh

23、manov A A,Granovsky A B,Kartashov M A,and Perov N&The Frequency Spectrumofa VoltageMeasured in an Amorphous Wire Magnetized in Altemating MagIletic FieldJ. Technical Physical Letters, 200430:168171.9Antonov A S,Buznikov N A,Granovsky A B,Perov N S, Prokoshin A F。Rakhmanov A A。RakkTlanov A L Nonlinea

24、r Magnetoimpedance Effect in Soft Magnetic Amorphous Wires Extracted from MeltJ.Sens.Actuators,2003,A106:208 211.10Maknnovskiy D P,Panina L V,and Mapps D J.Measnre ment of Field-跳pendence Surface I唧edance Tensor in Amou phous AnisotropyJ.J.AppL Phys,2000,87:48044806. 11zhao z J,Li x P,Fan J,seet H L

25、,Qian x B,Ripka P. Comparative Study of the Sensing Perfo如舱nce of 0nhogonal Flu【gate Sensors谢th Different Anlorphous Sensing E1ements J.sens.Actuators,2007,A136:90一94.12Ripka P.Advances in F1u【gate SensorsJ.sens.Actua tors,2003,A106:814.赵振杰(1970一,男,博士,教授,华东师 范大学物理系博士生导师,现从事纳米 巨磁阻抗效应及其应用、穆斯堡尔谱学 方面的研究

26、工作,zjzhaophy.ecnu. 不同长度敏感元件的两种巨磁阻抗传感器传感性能研究作者:李欣 , 张清 , 阮建中 , 王清江 , 杨燮龙 , 赵振杰 , LI Xin, ZHANG Qing, RUAN Jian-zhong , WANG Qing-jiang, YANG Xie-long, ZHAO Zhen-jie作者单位:李欣,张清,阮建中,杨燮龙,赵振杰,LI Xin,ZHANG Qing,RUAN Jian-zhong,YANG Xie-long,ZHAO Zhen-jie(华东师范大学物理系统光电集成与先进装备教育部工程研究中心,上海 ,200062 , 王清江,WANG Q

27、ing-jiang(华东师范大学化学系,上海,200062 刊名:传感技术学报 英文刊名:CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS年,卷(期:2008,21(7被引用次数:2次参考文献(12条1. 张清 . 李欣 . 王清江 . 李小平 . 赵振杰 新型巨磁阻抗传感器的特性研究 期刊论文-传感技术学报 2007(032. Povic R S. Flanagan J A. Besse P A The Future of Magnetic Sensors 19963. Mahdi A E. Panina L. Mapps D Some New Horizon

28、s in Magnetic Sensing:High-To SQUIDs,GMR and GMIMaterials 20034. Sasada I Orthogonal Fluxgate Mechanism Operated with dc Biased Excitation 20025. Mohri K. Uchiyama T. Panina L V A Recent Advances of Micro Magnetic Sensors and Sensing Application6. Zhao Z J. Bendjaballah F. Yang X L. Yang D P Longitu

29、dinally Driven Magneto-Impedance Effect inAnnealed Fe-based Nanocrystalline Powder Materials 20027. Li X P. Zhao Z J. B Oh T. Seet H L Neo B H and Koh S J Current Driven Magnetic PermeabilityInterference Sensor Using NiFe/Cu Composite Wire with a Signal Pick-up LC Circuit 20048. Buznikov N A. Antono

30、v A S. Rakhmanov A A. Granovsky A B,Kartashov M A,Perov N S The FrequencySpectrum of a Voltage Measured in an Amorphous Wire Magnetized in Alternating Magnetic Field 20049. Antonov A S. Buznikov N A. Granovsky A B. Perov N S Prokoshin A F Rakhmanov A A Rakhmanov A L Nonlinear Magnetoimpedance Effect

31、 in Soft Magnetic Amorphous Wires Extracted from Melt 200310. Maknnovskiy D P. Panina L V. Mapps D J Measarement of Field-Dependence Surface Impedance Tensor inAmouphous Anisotropy 200011. Zhao Z J. Li X P. Fan J. Seet H L Qian X B Ripka P Comparative Study of the Sensing Performance ofOrthogonal Fluxgate Sensors with Different Amorphous Sensing Elements 200712. Ripka P Advances in Fluxgate Sensors 2003相似文献(10条1.期刊论文 杨燮龙 . 杨介信 . 戴文恺 . 赵振杰 . 马学鸣 . 俞建国 . 丁永芝 纳米巨磁阻抗效应与磁敏传感器 -半导体学报 2003,24(z1利用纳米微晶巨磁阻抗效应研制的一种新型磁敏传感器已被开发.它与传统的磁通门、霍尔和磁电阻传感器相比具有灵敏度高、温度稳定性好、使用