基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计

第24卷第2期2011年2月传感技术学报CH I N ESE JOURNAL OF SE N S ORS AND ACT UATORSVo.l 24 No .2Feb .2011项目来源:国家863计划项目(2007AA 12Z327)收稿日期:2010-08-09 修改日期:2010-11-02Design ofM agnetic Sensor Based on t he Asy mm etric Giant M agneto impedance Effect i n A m orphous A lloys*JIANG Yan w ei 1,2,FANG J iancheng 1*,WANG Sansheng 1,H U AN G Xuegong31.L aboratory of Func ti on M a te rials and Device ,K e y La boratory of F undam ental S cie n ce forN a ti ona lD e fe n se ofN ov el Inerti a l Inst rumen tand Nav i ga tion Syste m Technol ogy,B eihang Un i versit y,B eiji ng 100191,Ch i na;2.In stit u t e of Che m ic a lD e fe n se ,B eiji ng 102205,China;3.S c h ool of M ec han i ca lE ng i n ee ring,N anji ng Un i v e rsit y of Science and Technol ogy,Nanjing 210094,Ch i naAbst ract :The softm agnetic properties o fCoFe N i S i B a m orphous all o y r i b bon as sensi n g m ateria lw ere m easured and analyzed .By the fi e l d annealing heat treat m ent i n air ,a good asy mm etric g iant m agneto i m pedance effect(AG M I)has been obta i n ed .A sensitive AGM I m agnetic sensor w as deve loped utilizing the fie l d annealed a m or phous ri b bon as sensi n g ele m en,t and the perfor m ance o f the sensor w as tested i n open loop and closed loop cond itions .The re su lts i n dicate that the sensor show s a better sensitiv ity in t h e open loop testing ,and a better li n earity and larger m easure m ent range in the c l o sed loop testing .The desi g ned sensor can be app li e d to detect the geo m agneti c fie l d s ,w hich have good potential app lication i n geo m agnetic nav i g ation .K ey w ords :m agnetic sensor ;asy mm e tric g i a nt m agneto i m pedance effect(AGM I);a m orphous alloys ;field annea li n g ;negative feedbackEEACC :7230;3110 do:i 10.3969/j .issn .1004-1699.2011.02.004基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计*蒋颜玮1,2,房建成1*,王三胜1,黄学功31.北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,功能材料与器件研究室,北京100191;2.防化研究院,北京102205;3.南京理工大学机械工程学院,南京210094摘 要:以CoF e N i S i B 非晶合金薄带为敏感材料,测试分析了其软磁性能,经空气中磁场退火热处理,获得了较好的非对称巨磁阻抗效应(AGM I)。

以磁场退火处理后的非晶合金薄带为敏感元件,设计了AGM I 磁传感器,并对其性能进行了开环和闭环测试。

测试结果表明,开环条件下该传感器表现出较高的灵敏度;闭环条件下则表现出更好的线性度和更宽的测量范围。

该传感器可实现对地磁场的检测,在地磁导航领域中具有较好的应用前景。

关键词:磁传感器;非对称巨磁阻抗效应(AGM I);非晶合金;磁场退火;负反馈中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2011)02-0175-05 近来,软磁非晶合金在磁传感器领域的潜在应用引起了人们的广泛兴趣[1]。

特别是在地磁导航应用中,需要一种高灵敏度和快速响应的磁传感器[2-3]。

在各种磁传感器中最常见的磁通门传感器具有较高的灵敏度和较低的噪声,然而体积大、功耗高和响应速度慢的缺点限制了其在地磁导航中的应用。

其它类型的磁传感器,例如霍尔传感器、巨磁阻(GMR)传感器等,存在着热稳定性不高、灵敏度低的不足,而且通常需要较强的偏置场[4]。

因此,研制可用于地磁导航的高性能的新型磁传感器有着十分重要的意义。

1994年,一种被称为巨磁阻抗效应(GM I)的磁现象在Co 基非晶合金丝材中被人们发现[5],即非晶丝在交变电流激发下,其阻抗值随沿丝轴方向施传 感 技 术 学 报www.chinatransducers .co m第24卷加的外磁场的变化而发生显著变化。

由于GM I 效应在室温下磁阻抗效应显著和低外磁场下的高灵敏度,使其在磁传感和测量领域中具有巨大的应用潜能。

自此以后,针对Co 基非晶和纳米晶等软磁材料的GM I 效应,在传感器应用方面已经开展了许多研究工作[6-10]。

G M I 效应尽管有很好的应用前景,但仍存在一定的问题[11]。

由于GM I 的基本特性是非线性的,而且其形状将会使在零场附近的工作出现严重的问题。

由于阻抗变化与外场在零场呈对称性,故在零场附近不敏感,灵敏度较低。

非对称巨磁阻抗(A sy mm etric g i a n tm agneto i mpedance ,简称AGM I)效应[12-13]由于能改善GM I 传感器在零场附近的特性,提高线性度和获得高灵敏度,而引起了广泛的关注。

非对称巨磁阻抗效应已经成为目前研究的热点,利用G M I 效应的非对称特性可以实现GM I 传感器在零场附近具有高的线性度和灵敏度,满足微弱磁场检测的需求。

为此,本文以非晶合金为敏感材料,设计了一种基于非对称巨磁阻抗效应的磁传感器,并对传感器基本性能进行了测试。

1 敏感材料的选择及性能我们选用C o Fe N iSi B 非晶合金薄带作为敏感材料(H itach iM etals Ltd .提供),实验样品长2c m ,宽1mm,厚约25 m 。

首先测量了CoFe N i S i B 非晶合金薄带的X 射线衍射曲线(X Ray D iffraction ,简称XRD ),测试结果如图1所示。

图1 CoF eN i Si B 非晶合金薄带的XRD 曲线从图1的XRD 曲线可以看出,该材料表现出典型的非晶态特征,没有晶化峰出现。

非晶合金的软磁性能是作为GM I 磁传感器敏感材料的关键因素之一。

如图2所示,通过测量实验样品的M H 磁滞回线,我们得到了样品的饱和磁化强度M s 和矫顽力H c ,分别为64.7e mu /g 和0.18Oe 。

从图2和测量数据可知,CoFe N i S i B 非晶合金薄带表现出较好的软磁性能,适用于AGM I 敏感元件的制作。

图2 CoF eN i Si B 非晶合金薄带的M H 磁滞回线为了得到显著的AGM I 效应,我们对其进行磁场退火。

将实验样品放置于磁场退火炉内,升温至360 后开始恒温6h ,同时沿薄带纵向方向施加2Oe 磁场,直至降温至室温。

阻抗及其变化率的测量采用H P4294A 阻抗分析仪进行,交流幅值大小为10mA 。

阻抗变化率由下式计算得到,Z /Z (%)=Z (H ex )-Z (H m ax )Z (H max )100(1)式中,Z (H ex )是在外加磁场H ex 时对应的阻抗;Z (H max )是在最大外磁场H max 时对应的阻抗。

在这里,H m ax =40Oe 。

相应的磁场灵敏度表示为:=2( Z /Z )max / H (2)式中, H 为最大阻抗变化率下降一半时对应的磁场宽度。

处理后得到的样品,经H P4294A 阻抗分析仪测试后得到的AGM I 效应曲线如图3所示。

图3 磁场退火CoF e N i S i B 非晶合金薄带的AGM I 效应图3给出了磁场退火CoFe N i S i B 非晶合金薄带在0.1MH z 和0.5MH z 频率下的AGM I 效应阻抗变化率的情况。

在这两个频率下的线性磁场灵敏度分别达到106%/Oe 和276%/Oe 。

从图中也可以看出,0.5MH z 下的曲线斜率最大。

因此,选取0.5MH z 作为敏感元件的激励频率,即传感器的工作频率。

值得注意的是,在空气中进行弱磁场退火后,该样品AGM I 效应的磁场灵敏度高于未处理样品GM I 效应的最大磁场灵敏度,并且频率相对较低。

这表明,空176第2期蒋颜玮,房建成等:基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计 气中磁场退火对G M I 效应及相关特性的影响较大。

研究表明,在真空中进行磁场退火后的Co 基非晶合金薄带没有表现出AG M I 效应[14],而在空气中进行磁场退火的样品却获得了AGM I 效应。

因此,这种在空气中弱磁场退火的样品中观察到的AGM I 效应,或者称为GM I 阀,可以归因于样品表面形成的结晶层[15]。

由于在非晶合金薄带内部非晶软磁层和样品表面晶化硬磁层之间的相互作用,这种类型的热处理会使得非晶合金薄带的磁滞回线产生不对称性。