低溫漂巨磁阻抗磁敏開關(guān)的設(shè)計(jì)*

蔡 晶，鄭金菊，柳 淵，何 佳，周初凱

(浙江師范大學(xué)信息電子技術(shù)研究所，浙江金華321004)

磁敏開關(guān)是利用磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同來(lái)控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，其常應(yīng)用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)與控制、安全報(bào)警裝置、紡織控制系統(tǒng)、汽車點(diǎn)火器和無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)等領(lǐng)域［1］。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的磁敏開關(guān)是霍爾開關(guān)，但是霍爾開關(guān)在工作時(shí)開關(guān)的工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)所需的外加磁場(chǎng)都很強(qiáng)，其靈敏度也不盡如人意。

自從1992年Mohri［2］等人在Co基非晶絲中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)以來(lái)，研究者陸續(xù)在Fe基非晶金屬材料(例如玻璃包裹非晶絲、薄膜和非晶薄帶等磁性材料)中均發(fā)現(xiàn)了較為明顯的巨磁阻抗效應(yīng)［3］。在室溫和弱磁場(chǎng)下就可以實(shí)現(xiàn)較大的阻抗變化，有著磁場(chǎng)靈敏度高、材料尺寸小、工作磁場(chǎng)低等特點(diǎn)［4－5］。

本文著眼于溫度和應(yīng)力退火后的Fe基合金薄帶具有的寬平臺(tái)和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，結(jié)合磁電轉(zhuǎn)換電路，設(shè)計(jì)了一款新型的開關(guān)式磁敏傳感器。

1 巨磁阻抗效應(yīng)及材料特性

巨磁阻抗效應(yīng)GMI(Giant Magneto Impedance)是指磁性導(dǎo)體在交流電通過時(shí)其交流阻抗隨著外加直流磁場(chǎng)的變化而發(fā)生顯著變化的效應(yīng)。現(xiàn)在通常用巨磁阻抗比來(lái)衡量巨磁阻抗效應(yīng)的大小，巨磁阻抗比的定義如下:

式(1)中Z(H)為在任意外磁場(chǎng)下所測(cè)得的阻抗值，Z(Hmax)為實(shí)驗(yàn)中所加外磁場(chǎng)最大時(shí)測(cè)得的阻抗值［6］，并且采用縱向驅(qū)動(dòng)的方式［7－8］來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的GMI效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)中采用合金材料成分為FeCuNbSiB(各原子百分比為73.5∶1 ∶3 ∶13.5 ∶9)，用單輥快淬法制成寬度為0.34 mm±0.01 mm，厚度為40 μm±1 μm 的合金薄帶。截取長(zhǎng)度為2 cm的Fe基合金薄帶在540℃氮?dú)獗Ｗo(hù)和17.8 MPa拉應(yīng)力下退火1 h，待冷卻后，用HP4294A型阻抗分析儀測(cè)量Fe基納米晶薄帶的巨磁阻抗，其外磁場(chǎng)由Hemholtz線圈提供。

圖1是驅(qū)動(dòng)頻率為400 kHz下的Fe基納米晶薄帶的GMI測(cè)量結(jié)果，從中可以看出:Fe基納米晶薄帶的巨磁阻抗比在近零磁場(chǎng)附近達(dá)到最大值約為1 000%;當(dāng)磁場(chǎng)在±500 A/m之內(nèi)以及在±1 000 A/m之外變化很小，只在 500 A/m～1 000 A/m(－500 A/m～－1 000 A/m)有一個(gè)跳變，這種巨磁阻抗比曲線的“平臺(tái)”與磁敏開關(guān)輸出的高低電平狀態(tài)非常相似。

2.1 磁電轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)參照LC型磁電轉(zhuǎn)換電路［9］，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，提高了電路輸出的穩(wěn)定性。圖2中磁敏傳感部分所示的電路主要有兩部分組成，一部分是與經(jīng)典的考畢茲振蕩電路類似的，由三極管、電容和電感等組成的三點(diǎn)式振蕩電路，另一部分是RC低通濾波電路。在電路中的磁敏元件部分，如圖3所示，為自繞的一定內(nèi)徑和匝數(shù)的線圈，內(nèi)置納米晶薄帶，而這正好解決了磁敏材料和電路板焊接比較困難的問題。其中線圈由直徑為0.08 mm的漆包線繞制而成，內(nèi)徑為1.62 mm、長(zhǎng)度為18 mm、匝數(shù)為200匝，其中內(nèi)置Fe基合金薄帶。Hex為外加磁場(chǎng)，其方向平行于Fe基合金薄帶軸向。

圖1 Fe基納米晶帶的巨磁阻抗特性

2 磁敏開關(guān)電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電路由磁電轉(zhuǎn)換電路、溫度補(bǔ)償電路和電壓比較電路組成，具體電路原理圖如圖2所示。

2.2 溫度補(bǔ)償部分

通過對(duì)LC型磁電轉(zhuǎn)換電路的分析［8］，可以看出該電路的重復(fù)性好，無(wú)遲滯，但由于電子元器件的溫漂較大，使得該電路的溫度穩(wěn)定型較差，為此實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了對(duì)稱補(bǔ)償電路來(lái)解決整個(gè)傳感電路的溫漂問題［10－12］。

圖2 磁敏開關(guān)電路

圖3 敏感元件示意圖

圖2溫度補(bǔ)償部分所示的電路主要有兩部分組成:一部分是一個(gè)與磁電轉(zhuǎn)換電路參數(shù)基本相同的對(duì)稱型LC振蕩電路，不同的是LC型磁電轉(zhuǎn)換電路中帶有自繞的電感線圈內(nèi)置退火后的Fe基合金薄帶，而LC型振蕩電路中只接入固定電感，電路的輸出幅值不會(huì)隨著磁場(chǎng)的變化而發(fā)生變化;另一部分是差分放大電路。此部分電路的基本工作原理是:含有內(nèi)置Fe基合金薄帶電感線圈的LC型磁電轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與外磁場(chǎng)的變化有關(guān)，不包含F(xiàn)e基合金薄帶的振蕩電路的輸出電壓與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)，將這兩個(gè)輸出電壓作為差模信號(hào)接入差分放大電路，從而使最后的輸出電壓信號(hào)受到磁場(chǎng)的調(diào)制，并呈現(xiàn)出高低電平狀態(tài)。此外，由于除電感外兩個(gè)LC型振蕩電路的其它電路元件參數(shù)基本一致，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，兩個(gè)電路輸出電壓的變化也將基本一致，當(dāng)把這兩個(gè)輸出電壓信號(hào)相減后，它們的差只與外磁場(chǎng)有關(guān)，而基本不受環(huán)境溫度的影響，并且差分放大電路中的集成運(yùn)算放大器為低溫漂型，從而環(huán)境溫度改變時(shí)，開關(guān)的工作點(diǎn)變化較小，實(shí)現(xiàn)了低溫漂型磁敏開關(guān)的研制。

2.3 電壓比較電路

由于磁電轉(zhuǎn)換后經(jīng)過電路輸出的波形如圖5所示，此電信號(hào)不是很規(guī)則，還要經(jīng)過整形電路加以處理，得到規(guī)則脈沖電路。本文采用集成定時(shí)器555制成一個(gè)整形電路。

3 開關(guān)電路分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了測(cè)試磁敏開關(guān)在不同的環(huán)境溫度下，開關(guān)的工作點(diǎn)的變化情況，實(shí)驗(yàn)中將把電路放在能產(chǎn)生最高溫度為120℃左右的恒溫裝置中測(cè)量，并且在裝置外圍裝上能產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)的亥姆霍茲線圈。由于自制的恒溫裝置較為簡(jiǎn)易，測(cè)量范圍受到限制只能從室溫到120℃。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳感器的基本特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，限于條件只討論靜態(tài)特性。通常用來(lái)衡量它的重要指標(biāo)包括溫漂、重復(fù)性和遲滯性等。

圖4中A曲線是LC型磁電轉(zhuǎn)換電路的工作點(diǎn)與溫度的關(guān)系，B曲線是本文所設(shè)計(jì)的低溫漂對(duì)稱電路的工作點(diǎn)與溫度的關(guān)系。

圖4 兩種不同開關(guān)電路的工作點(diǎn)隨溫度變化曲線

可以明顯的看出，LC磁電轉(zhuǎn)換電路與低溫漂對(duì)稱電路相比，LC磁電轉(zhuǎn)換電路開關(guān)的工作點(diǎn)隨溫度的變化明顯要比對(duì)稱電路的大的多。可以用式(2)算出兩種開關(guān)的溫度漂移量的百分比:LC型磁電轉(zhuǎn)換電路的偏移量百分比是:189.4℅，低溫漂對(duì)稱電路的偏移量百分比是33.2℅。所以要采用對(duì)稱電路來(lái)抑制溫漂，從而實(shí)現(xiàn)低溫漂型磁敏開關(guān)的研制。

其中ymax為所測(cè)溫度為115℃時(shí)，開關(guān)點(diǎn)所需磁場(chǎng)，ymin為所測(cè)溫度10℃時(shí)，開關(guān)點(diǎn)所需磁場(chǎng)，Δt為兩者的溫度差，即為105℃。

圖5是低溫漂對(duì)稱電路兩組重復(fù)性數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果(環(huán)境溫度為10℃)，C，D兩曲線是外加磁場(chǎng)從小增大(正行程)時(shí)，電路輸出電壓變化的情況。通過式(3)算出重復(fù)值:

圖5 低溫漂對(duì)稱電路隨磁場(chǎng)變化的重復(fù)性曲線

圖6中C、E兩曲線是低溫漂對(duì)稱電路兩組遲滯性分析數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，C曲線是外加磁場(chǎng)從小增大(正行程)時(shí)，電路輸出電壓變化的情況;E曲線是外加磁場(chǎng)從大增小(負(fù)行程)時(shí)，電路輸出電壓變化的情況。通過式(4)算出遲滯值:

圖6 低溫漂對(duì)稱電路隨磁場(chǎng)變化的遲滯性曲線

從上述兩組圖像可以看出，本文所設(shè)計(jì)的磁敏傳感器重復(fù)性好，遲滯誤差小。

4 結(jié)論

根據(jù)上述理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)溫度和拉應(yīng)力退火后的 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄帶具有寬平臺(tái)和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，將這種特性應(yīng)用到磁敏開關(guān)中是合理且可行的;(2)采用LC振蕩電路驅(qū)動(dòng)，該傳感電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、重復(fù)性好(±2.3%)、遲滯誤差小(4.15%);(3)傳感電路采用對(duì)稱差動(dòng)設(shè)計(jì)，改善了整個(gè)傳感器的溫漂特性(33．2%)，提高了其穩(wěn)定性。

［1］ 胡光偉，劉澤文，侯智昊，等．一種低驅(qū)動(dòng)電壓的 SP4 T RF MEMS 開關(guān)［J］．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，4(21):656－659．

［2］ Mohri K，Kohsawa T，Kawashima K，et al．Magnetoinductive Effect(M I Effect)in Amorphous Wires［［J］．IEEE Transactions on Magnetics，1992，28(5):31－50．

［3］ Mohri K，Uchiyama T，Panina L V．Recent Advances of Micro-Magnetic Sensors and Sensing Application［J］．Sensor and Actualor A:Physical，1997，59:1－8．

［4］ Panina L，Mohri K，Bushida K，et al．Giant-Magneto-Impedance and Magneto Inductive Effects in Amorphous Alloys［J］．J Appl Phys，1994，76(10):6198－6203．

［5］ Gu B X，Hua Z H．Preference Orientation and Magnetic Properties of CoxFe3－xO4Nanocrystalline Thin Films on Quartz Substrate［J］．J Magn Magn Mater，2006，299(2):392－396．

［6］ 方允樟，鄭金菊，施方也，等．Fe基合金應(yīng)力退火感生磁各向異性機(jī)理的 AFM 研究［J］．中國(guó)科學(xué)，2008，38(3):428－441．

［7］ Thang P D，Rijnders G，Blank．D H．A Stress-Induced Magnetic Anisotropy of CoFe2O4Thin Films Using Pulsed Laser Deposition［J］．J Magn Magn Mater，2007，310(2):2621－2623．

［8］ Alves F，Abi Rached L，Moutoussamy J，et al．Trilayer GMI Sensors Based on Fast Stress-Annealing of FeSiBCuNb Ribbons［J］．Sensors and Actuators A:Physical，2008，142:459－463．

［9］ 鄭金菊，余水寶，孫笑琴．一種新型的磁敏傳感器［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(8):308－309．

［10］蔣顏瑋，房建成，盛蔚，等．軟磁納米晶絲巨磁阻抗效應(yīng)傳感器研究進(jìn)展與應(yīng)用［J］．電子器件，2008，31(4):1124－1129．

［11］李欣，張清，阮建中，等．不同長(zhǎng)度敏感元件的兩種巨磁阻抗傳感器傳感性能研究［J］．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，7(21):1147－1150．

［12］ Michal Malatek，Pavel Ripka，Ludek Kraus．Temperature Offset Drift of GMI Sensors［J］．Scrhors and Actualor A:Physical，2008，147:415－418．