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巨磁阻抗效应的测试电路制作
巨磁阻抗效应的测试电路制作
随着科技的发展,磁场传感器在各个领域取得了突破性的发展。
在当今信息社会中,磁场传感器在信息技术和产业中成为不可或缺的一部分。
如霍尔传感器,磁通门传感器等。
而巨磁阻抗效应(GiantMagnetoImpedanceeffect,GMIeffect)的发现,使更加微型,灵敏度高,响应速度快,成本低,适用范围广的磁场传感器成为可能,开发出更多的新型传感器。
本文分析了非晶材料的巨磁阻抗效应的原理,介绍了影响非晶材料的巨磁阻抗效应的因素,通过Co基非晶带,设计和制作巨磁阻抗效应的测试电路,其中包括信号发生电路,前置放大电路,整流电路和稳压电路。
通过对电路的分析和调试,制作出电路。
分析电路的稳定度特性,频率响应特性,灵敏度特性。
测量材料的GMI效应,非晶带在外磁场变化的磁阻抗变化率MIR%能达到100%,磁场测量范围为0~160Oe。
测试结果表明电路灵敏度高,性能稳定,而且其结构简单,成本低,具有广泛应用前景。
关键词:
巨磁阻抗效应,电路制作,非晶材料,磁场传感器
第一章引言
随着社会的高速发展和科技的迅速进步,在计算机、通信及办公自动化设备渐渐成为人们生活中不可或缺的一部分的时候,对其中的磁场传感器要求更进一步,老旧,性能低,大型的磁场传感器已经不能满足日益增加的需要,而如今的趋势需要体积小,灵敏度高,低功耗,响应速度快的磁场传感器。
表一各种传感器的参数
1988年法国巴黎大学的Fert研究小组Baibich发现,在Fe/Cr相间的三层复合膜电阻中,微弱的磁场的变化会导致电阻大小的急剧变化,称之为巨磁阻抗效应(GiantMagnetoImpedanceeffect,GMIeffect)。
虽然提高了霍尔元件和磁阻元件的灵敏度,而且在数据领域中加以应用,但GMR效应也存在很多的问题,实际应用中对材料的限制很大,而且灵敏度不够高,极大的限制了GMR的实用价值。
自1992年,日本名古屋大学的K.MOHRI教授等在Co基软磁非晶丝的实验处理后,发现在几Oe磁场中材料的阻抗变化能达到50%以上。
这种材料在外加磁场的作用下的交流阻抗,变化灵敏,响应快被称作为巨磁阻抗效应(GiantMagnetoImpedanceeffect,GMIeffect)。
这个新发现与已经发现的巨磁电阻效应相比,材料的阻抗所观察到的变化率要高1个量级。
由于GMI效应具有响应速度快,灵敏度变化高和稳定性好等特点,GMI效应材料在研制灵敏度高、稳定性好、低功耗、微型化的磁敏的传感器中传感器中具有巨大的潜能。
由于GMI效应材料多种多样,及其传统的测试和应用电路普遍都有不同的缺陷,而且各自激励信号的频率和电压都有较大差别。
而对非晶丝的研究大部分集中在钴基和铁基上,其中钴基也是目前为止GMI效应测试最为显著的材料,因为其具有良好的软磁性能,在弱磁场下产生的GMI小应可以满足微型磁场传感器体积小,灵敏度高,性能稳定,低功耗,频带宽,响应速度快的需要。
于是,根据这个要求,我们选用了具有磁致伸缩系数为零的Co基材料。
而本项目通过设计制作频率特性稳定,电路简单的电路,来测试Co基非晶带的GMI效应,并作了系统研究。
第二章巨磁阻抗效应的概述
2.1巨磁阻抗效应的发展
GMI效应的灵感来自于磁感应(MagnetoInductive)的物理现象,这是在1935年被俄罗斯的Harrison发现,即铁线圈被施加了磁场后会导致其感抗变化,但由于当时工艺水平,材料以及应用领域的限制,几十年间并没有被人们关注。
1960年美国Duwez教授发明用快淬工艺制备非晶态合金,制作了数十个微米厚度的薄带,这样的非晶态软磁合金的磁性能非常优越。
1992年,日本名古屋大学的K.MOHRI教授和瑞典的皇家工学院的K.V.RAO合作发现:
在10~120ɥm的CoFeSiB非晶丝两端通上高频电流,非晶丝两端产生的感应电压会随着外加磁场的变化而发生灵敏的变化,这种效应称为巨磁阻抗效应(GiantMagnetoImpedanceeffect,GMIeffect)。
1994年,巴西的Machado等人利用高频电流驱动CoFeSiB非晶丝,结果发现两端的阻抗随外磁场的变化而发生很明显的变化,他们称这个效应为“交流巨磁阻(ACGiantResistance)效应。
同年西班牙的Velazquez,日本的Panina和Beach等人在研究巨磁电感效应和交流巨磁阻效应的时候发现,在实质上两者只是交流阻抗的损耗部分和电感部分在不同的交流频率下随外加磁场变化的结果,是同一物理效应的两个不同方面,在此之后,这两种现象被统一为交流阻抗随外加磁场变化的磁致阻抗效应,低频条件下被称为磁感应效应(MI),高频条件下被称为巨磁阻抗效应(GMI)。
2.2巨磁阻抗效应的简介
2.2.1GMI效应理论基础
GMI效应是指:
在软磁性材料(多为钴基非晶和铁基纳米晶)的丝、带或者膜的两端通以特定频率交流电流I时,随着纵向所加的外磁场H的变化,可以测量到材料阻抗Z(可以通过测量两端感生的交流电压V)发生灵敏变化的现象,如图2.1所示
图2.1GMI基本测量电路
如图2.1所示是GMI基本测量电路,Iac是交流驱动电流,R是检测驱动电流的标准电阻,UW是样品两端的感应电压,Hex是外加磁场。
在外磁场作用下,磁阻抗的变化率(MagnetoImpedance,MIR)公式定义为:
(2.1)
式中,Z(Hext)为在任意外磁场下测得的磁阻抗值;Z(Hmax)为外磁场达到饱和时所测得的磁阻抗值。
GMI效应和GMR效应相比,虽然二者的实用角度相似,但是他们的来源却不相同,GMR的来源是导电电子的自旋相干散射;而GMI这是一种经典电磁效应,它的来源是材料磁导率随外加磁场的变化。
现有的巨磁电阻材料,必须在大于10KOe的磁场中才能观察到很明显的变化。
而具有显著GMI效应的材料,可以在低磁场中观察到快速、灵敏的现象,为制作新型、响应速度快、灵敏的磁场传感器提出了新的思路。
根据经典电动力学可推得,当一交变驱动电流
(2.2)
流过一个半径为a的磁性导电丝时,导电丝的交流阻抗
(2.3)
Z可通过联合求解Maxwell方程和Laudau-Lifshitz运动方程得到。
(2.4)
(2.5)
其中R为复数阻抗Z的实部即电阻分量;X为Z的虚部即电感分量,ω为交变驱动电流的圆频率(ω=2πf),k=1+i/δm。
其中δm是趋肤深度,J0和J1分别是零阶和一阶贝塞尔函数,Rdc为导电丝的直流电阻,Rdc(ka)表示Rdc是ka的函数,ω是交流驱动电流的角平律,σ是导体的电导率,μφ是导电丝材料的沿圆周方向的磁导率。
在较强趋肤效应作用下,阻抗近似的可写为:
(2.6)
由式2.6可以看出,阻抗Z是关于激励电流角频率ω及圆周磁导率μ的函数。
在铁磁材料中,磁导率不但与频率ω有关,还与其它参数有关,比如外加磁场等。
从GMI效应的来源看,他对材料本身并没有特殊的限制,对非常好的软磁材料和导电性能很好的材料就行,这就使人想到非晶材料和超微晶材料。
非晶材料如CoFeSiB和超威晶材料FeCuMoSiB,FeCuNbSiB中都观察到了很好的GMI效应的存在。
目前,大多数研究人员提出的GMI效应理论,主要类容和方向都是通过寻找切向磁导率的近视公式,来代替描述在轴向交流电流的激励下的特定磁场的反应而对其物理本质还是没有深入的了解。
现有的这些GMI效应理论模型,普遍认为是趋肤效应在高频下产生的结果,在特定阶段,特定环境下给出的近似解释,尚未有一个理论能够对所有频率,所有外加磁场均能给出完整,精确机理解释,并且提出完整的理论。
2.2.2GMI效应和驱动电流频率之间的关系
在实验测试的过程中,我们根据GMI效应和驱动电流频率之间有这密切的的关系,可以把GMI效应分为三个不同的阶段。
(1)低频阶段(<10kHz)
低频时,样品材料厚度很薄,远远小于趋肤深度δm,所以趋肤效应不明显,同时外场Hext引起的磁导率变化阻抗Z和实部R的值却无较大变化,但此时却有效地改变样品Z的虚部电感量X,阻抗对磁场的依赖性不高。
实际上,低频下虚部电感量Z正比于样品的自感系数Li,而电感系数正比于起始磁导率μi。
磁场的作用引起了磁导率的降低,使得虚部电感量发生了较大的变化,这种材料电感量在低频情况的显著变化称为磁感应效应。
(2)中频阶段(10kHZ-10MHz)
这是GMI效应最早研究和最集中研究的频段。
当驱动电流频率在10kHz—10MHz这个范围时,外加磁场使有效磁场强烈变化导致显著的趋肤效应,。
由非晶丝的阻抗Z(2.4)和趋肤深度δm(2.5)的公式可知,阻抗值Z的影响因素有丝的圆周磁导率μφ,材料的电导率σ和驱动电流频率f。
当电导率和电流频率一定时,外场磁场造成了圆周磁导率μφ减小,显著地增大了趋肤深度δm,使得阻抗Z的实部R和虚部X都发生改变,这就是显著的GMI效应。
此时若测量样品两端的电压幅值V=ZI,明显观察到电压随磁场变化。
(3)高频阶段(10MHz-1GHz)
当频率更高时,由于铁磁共振现象,在磁化过程中磁矩转动占主要地位,GMI效应主要受动力学特点的影响,因此,更加准确的模型建立在Maxwell方程组合Landau-Lifshitz方程基础上,使理论模型更为精确和复杂。
GMI效应在高直流磁场下的情况,材料的GMI效应和同意样品铁磁共振响应(FMR)是完全等价的,因此金属材料FMR的所有解都可以来描述它的GMI效应,由材料的铁磁共振响应可以估计其GMI效应。
通过研究表明:
GMI的来源是磁导率μ随磁场Hext发生变化。
在不同频段下磁导率的产生机制不同,在低频下主要是磁电感效应,高频是磁化转动控制了整个过程,磁矩转动起着主导作用,因此,低频下观察不到灵敏度最高的上升段GMI效应,这是低频和高频GMI效应的重要区别之一。
为了观察到阻抗变化率大、灵敏度高的上升段的GMI效应特征图形,需要材料的磁导率大,横向各向异性强,另外还需要测量频率合适的材料。
2.3软磁非晶丝、带、膜中的GMI效应
GMI效应首先是在非晶磁性材料中发现的。
总的来讲,人们正研究和探索具有不同的成分、不同的形状、不同类型、不同结构的非晶带、丝、膜材料的GMI效应,尝试从各种不同的角度解释GMI效应的起因、应用条件。
在这之中,磁场退火或应力退火感生的各向异性对GMI效应的影响引起了很多人的关注,阻抗与外场的关系曲线形状受感生各向异性的极大的影响,进而极大地影响了GMI效应的、反应速度、灵敏度和应用范围。
目前,尚没有得到大而灵敏的样品的理想形状的说法,非晶丝、带之间的最基本的差别就在于它们的切向各向异性。
我们在实际应用时是选择丝还是带,要根据具体应用环境来决定。
2.3.1非晶丝
尽管在很多磁场传感器中已开始应用非晶丝中的GMI效应来制作,
非晶丝中的GMI效应已经广泛应用于磁场传感器,但是磁阻抗的许多特点还不是很明了,特别是感生和内禀各向异性的问题,目前还没有合理的解释。
为了系统研究磁弹各向异性对GMI效应和张力对具有正和负磁致伸缩系数的非晶丝的GMI效应的影响,Knobel等人发现外加应力显著地改变了阻抗的场频特性,并指出这些变化可以在考虑一定张力下磁化过程来解释。
2.3.2非晶带
自从GMI效应发现以来,非晶薄带中的GMI效应也得到了广泛的研究,重点不仅研究感生各向异性对GMI效应的影响,而且研究到了其切向GMI效应。
研究发现,切向GMI效应与纵向GMI效应有相同数量级,但对切向GMI效应要考虑其退磁场才能解释观察到的结果,并进行适当的热处理以感生合适的各向异性。
研究薄带GMI效应的材料主要有:
Co基非晶材料:
CoFeSIB,CoFeNiBSi,FeCuMoSiB,FeCuNbSiB和FeZrBCu.
2.3.3非晶膜
现在薄膜器件的要求随着器件的集成化和微型化越来越高,因为薄膜是研究GMI效应的理想材料。
因为薄膜的厚度一般只有1-10个微米,阻抗比较大,导致薄膜产生GMI效应的频率较高,能达到几十MHz甚至几百MHz。
薄膜加工一般采用溅射的方法。
目前对薄膜GMI效应研究较少,材料也不够丰富,主要是研究Fe基软磁合金,所以对薄膜的GMI效应研究不但在理论上有重要意义,而且在也有广大的前景。
2.4GMI效应的应用
GMI传感器直接对磁场敏感,尤其适合于微弱磁场检测。
同时由于其对磁场检测的高灵敏度、高稳定性等优异性能,可用于对多种能够转化为磁场的其他物理量的检测,比如电压,电流、扭矩、位移、质量、角度等。
同时,可用于研制采用不同GMI效应材料的传感器,如电流传感器、生物传感器、地磁导航、自动驾驶传感器和GMI汽车交通监测系统等等。
图2.2巨磁阻抗效应材料传感器的应用
第三章GMI电路
3.1问题的提出
磁场测量在生产、科研、信息、各领域的要求越来越高,现在有非常多的新技术都应用到磁场测量的装置上。
随着巨磁阻抗(GMI)效应被发现,通过反复测量,发现其具有性能稳定,响应速度快、高灵敏度的特点。
这为开发稳定的、灵敏的、结构简单、低成本的磁场传感器需要提供了可能性。
现在GMI效应的传感器在研究和发明上已经取得了很大的进展,已设计出一些具有GMI效应的传感器电路。
其中,GMI效应发现者之一K.Mohri设计了一种经典的磁场传感器电路,如图3.1所示。
图3.1经典的Colpitts振荡电路
电容三点式振荡器,也叫Colpitts振荡器,自激振荡器的一种。
图中的L、C1、C2组成谐振回路,作为晶体管放大器的负载阻抗。
反馈信号从电容器C2两端取得,送回放大器的基极b上,而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连,故将这种电路成为电容三点式振荡器,由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。
因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。
振荡频率:
(3.1),
这里的C就是C1与C2的串联值。
V表示直流电源,MI为非晶丝,C1,C2位反馈电容,Eout为输出电压。
该传感器的核心部分是科比次(Colpitts)振荡电路,利用GMI效应的非晶带的电感量和反馈电容来起振,产生振荡信号,再由整流电路整成直流电压后输出。
其中,R0为电路固有的输入电阻;L为MI的电感量,r为MI的直流电阻,MI的阻抗值
在电路中非晶丝MI连接在晶体管的基级和集电极之间,做分压元件存在。
当有外磁场Hex作用于非晶丝时,非晶丝的阻抗值Z将发生变化,其中,r和L都要变化,这样振荡频率f也会变化。
这种电路的优点是输出波形好、振荡频率可达100兆赫以上。
缺点是调节频率时需同时调C1、C2不方便。
适宜于作固定的振荡器。
基于以上的分析,和根据非晶丝的特性和所选定的工作区间,设计如图3.2所示的电路。
电路由信号发生电路、前置放大电路、整流电路和稳压电路组成。
其中稳压电路为信号发生器和前置放大电路提供一个稳定的直流电压输入。
3.2电路的设计
3.2.1信号发生电路设计
产生激励信号源有下面几种形式:
Colpitts振荡电路,RC振荡电路,有源晶振和集成信号芯片等。
在这四种振荡电路中,除了有源晶振以外,其它三种振荡电路和频率和幅值均依赖于电路中的电容值和电阻值,而电容值随温度的改变会有较大的变化导致振荡频率和幅值的漂移。
因此这三种振荡电路的输出信号频率稳定性低,造成的温漂大,信号质量不好。
有源晶振频率稳定度非常高,信号质量好,而且温度稳定性好。
因为激励电流频率是影响非晶丝巨磁阻抗效应的重要因素之一,传感器的性能随着激励信号的频率稳定度越稳定。
综合考虑各种因素,本文选用有源晶振和Colpitts振荡电路作为信号发生电路的核心元件,采取稳定晶体管Tr电路振荡频率只取决于晶振的频率,调节反馈电容C1,C2,使输出信号为稳定的正弦波信号。
电路的振荡频率随着引入晶振变得稳定,而且电路的适应性很强,通过更换晶振和调节反馈电容C1,C2的比值,可获得稳定的不同的频率值。
本实验中,,起振电容C3为15pf,反馈电容c1,c2分别为2000pf,100pf。
实际使用2SC1815型号的高频晶体管,截止频率fT为80MHz。
在电路工作时,Co基非晶带的阻抗值Z应远远小于限流电阻Re的阻值,使非晶带近似通入恒流源。
同时,为了非晶带两端的电压较大,要求通过条带的电流大,所以实际选用Re为390Ω。
3.2.2前置放大电路
前置放大电路是将Co基非晶带两端的电压信号放大,因测得信号是中高频信号,所以要求前置放大器,最好应选用增益带宽积为晶振频率5倍以上,实际的高频运算放大器选用运放LM318,其具体参数为:
GBP为15MHZ,失调电压4mV,转换速率高达70V/μs,非常适合于作脉冲放大。
为了使电路稳定可靠地工作,几乎所有的LM318N运放手册都推荐如图3.3所示的过冲补偿电路来消除过冲和振铃现象,但却是以损害运放的电压转换速率为代价的。
如果在反馈电阻Rf的两端并上一个小的补偿电容,如图3.4所示,来抵消由于运放输入电容引起的极点,效果就好得多,能在不损害电压转换速率的前提下,有效地消除过冲和振铃。
当然,图3.3所示电路也可在运放的频带范围内有效地放大其它类型的信号,如果只单纯的放大正弦波信号,可不加补偿电容C,电路也能稳定工作。
图3.3图3.4
前置放大器的输出(B点)电压UB,与输入信号UA之间的关系是:
(3.2)
但UB和UA不能严格满足式(3.2)的线性放大关系,因为放大的信号频率属于中频信号。
LM318的开环增益与频率的关系曲线如图3.5所示。
由图3.5可知,随着信号频率越高信号的放大倍数越小,特别是15MHz以上的谐波成分不被放大。
同时LM318还是一个低通滤波器,对主频信号,信号UA中的高频杂波都被滤除,所以放大后的信号UB具有很好的单频性,同时也为后续的整流电路提供了稳定的正弦交流信号。
图3.5LM318的开环增益与频率的关系曲线图
3.2.3整流电路
此整流电路结构很简单,由于整流的信号UB是中高频信号,所以用肖特基二极管,因为其响应速度快,整流电路通过使用整流肖特基(Schottky)二极管IN5817,它作为一种低功耗、超高速半导体器件,能提高转换速率。
其工作原理如图3.6所示。
通过整流电路,电压UD也就一直是整流信号的UB的峰值的2倍。
图3.6整流电路的工作原理图
3.2.4稳压电路
稳压电路实际上我们使用LM7182集成稳压系列来进行稳压,因为三端固定集成稳压电路的使用方便,电子制作中经常采用。
最大输出电流1.5A,用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。
如图3.7所示。
图3.7稳压电路原理图
3.3电路的制作
在完成电路的设计之后,通过AltiumDesigner,制作原理图和PCB电路板,并制作出实物,实物图如下图3.8所示。
图3.8电路实物图
3.4电路的测试
使用阻抗分析仪测试Co基曲折状薄带,改变频率1MHz、2MHz、5MHz、10MHz,测试结果如图,
-H图像比较,如图所示:
(a)(b)
a)阻抗分析仪测试Co基薄带的磁场响应
曲线图;(b)实验测试Co基薄带磁场
曲线图
3.5电路分析
电路的设计何制作方面还存在一些缺陷,如在材料两端产生的信号不是完全的正弦波,存在一些失真,是由于材料的固定不稳,接口不稳定、放大出来的波形失真、可以耦合电容使信号稳定等。
另外通过器件、线路的布局,使之符合抗干扰设计原则可减少一定的影响。
3.6实验结论
本文通过利用Co基的非晶带材料,根据它的GMI效应,结合材料学和微电子学,设计并制作出一种微型的巨磁阻抗效应的测试电路。
通过对电路的输出特性,输入特性的分析,来调整电路的参数,根据材料的频率特性和温度稳定性做了进一步的测量,并得到以下结果:
1非晶带两端的电压随着外磁场的增大而变化,达到一定值之后,变化的幅值逐渐变小,趋于平坦。
2通过在科比次(Colpitts)电路中引入晶振,是非晶带驱动电流的电流频率更加的稳定,使非晶带的阻抗变化只与外加磁场的变化有关。
3在20Oe~50Oe的磁场强度范围内,电路的输出曲线呈线性特性,和传统磁场传感器相比有一定优势。
而阻抗变化率ΔZ/Z能达到100%,变化很明显。
4.电路的适用性强,结构简单,成本小可以使用在不同具有GMI效应的非晶带、丝上,也可以通过调节晶振,改变激励电流的频率,测试不同频率下材料的阻抗随外加磁场的变化,使电路性能达到最佳。
第四章总结和讨论
1.继续关注GMI效应的发展,通过对不同材料的测试,对GMI效应的理论提出更系统的解释。
同时寻找磁性能更加优异的非晶材料,为更先进的磁场传感器的开发提供可能。
2.通过对电路的分析和研究,寻找和调试更合适的电路设计,可以通过DDS信号发生技术来实现信号频率的精确调制。
3使用零磁场屏蔽标定系统(HBS),提供磁场屏蔽,消除噪音干扰,提高实验精度。
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