高灵敏度环形磁通门传感器的研究与设计

本文利用有限元分析软件 ANSYS 建立了磁通门有限元计算模型，采用 PSPICE9.0 软件的频谱分析功能获取感应电动势的二次谐波分量，推导出磁通门传感器的灵敏 度。模拟计算的结果将为磁通门传感器的结构设计提供了重要的参考依据。 关键词：磁通门传感器，磁场测量，软磁材料，有限元模型
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Magnetic sensors have been an essential function for numerous applications; precise geophysical instruments, detection of ferromagnetic objects such as weapons and vehicles, and so on. How to detect the magnitude and direction of weak magnetic field (10−11 to 10−4 T) plays an important role in this field. With a resolution of 0.1–10 nT and a high temperature stability（30ppm/℃）, the fluxgate sensors serve for the precise measurement of the magnetic field.
10-10～102 T
磁场测量，位置和速度传感， 电流、电压传感等 弱磁场的绝对测量
磁场测量及位置和速度传感 空间弱磁场的相对测量
均匀磁场精密测量、非均匀场 的点测量
磁场测量及电流、电压传感
超导量子干涉仪 约瑟夫逊超导结的隧
10-14～10-8 T
（SQUID）
道效应
生物弱磁场检测
对于地磁场强度的测量，直到十八世纪才被人们认识，意大利航海家 Columb 发 明了测定转动惯量的方法，并制定了测量水平强度相对值的方法。Gauss 和 Wober 于 1832 年发明了测量地磁水平强度绝对值的磁强计，还设计了一套吊丝式磁偏角和水平 强度磁变仪。1837 年，wober 设计了地磁感应仪，大大提高了测量磁倾角的精度，由 此地磁测量的精度进入了一个新的阶段，即经典法测量阶段，这些经典测量仪器性能 很稳定，有的还延用至今[6]。
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Keywords: fluxgate sensor; measuring magnetic field; soft-magnetic material; finite element model.
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。
16 世纪末，人们开始用磁针来研究测定磁场。1785 年，库仑根据力学原理提出 了利用磁针在磁场中的自由振荡周期来测量地磁场的方法。1831 年，英国科学家法拉 第发现了电磁感应定律，法拉第的发现把磁现象和电现象联系起来，为磁场测量奠定 了理论基础。20 世纪开始，随着新的物理现象的发现，电子技术、半导体技术、材料 科学、激光和光导纤维技术以及核物理工程和宇航工程等尖端技术的迅速发展，人们 对磁场测量的精度、范围、适用环境等要求越来越高。特别是 20 世纪 50 年代以来， 人们有效利用了自然现象的物理定律和物质的物理效应，使磁场测量技术有了很大的 发展。例如 1946 年 Bloch 和 Purcell 的核磁共振现象和 1962 年 Josephson 超导结的隧 道效应提供了利用原子内部常数为基准的绝对测量磁场方法。从原则上看，凡是与磁 场有关的现象都可利用来测量磁场，目前磁场测量的方法不下几十种，本文摘录了已 形成的磁传感器的主要类型[1] [3] [4] [5] ，见表 1.1。
华中科技大学 硕士学位论文 高灵敏度环形磁通门传感器的研究与设计 姓名：干露 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：杨晓非
20080530
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摘要
磁场传感器在精密遥感定位，武器侦查，交通工具探测等方面具有及其有极其广 泛和重要的应用。如何探测微弱磁场，例如 10-11-10-4T，是其中的难点和关键。磁通 门具有极高的分辨率（0.1-10nT）和温度稳定性（30ppm/℃），因此是最具潜力用于探 测微弱磁场的电子器件。
本文对磁通门传感器的国内外相关文献进行了比较深入地调研，重点描述了单芯 型和双芯型磁通门传感器的工作原理，对目前常用的磁通门信号检测方法：如谐波选 择法、脉冲幅值法、脉冲间隔法和脉冲宽度法进行了分析和比较。在此基础上根据弱 磁场测量的特性和要求，设计和制备了环形磁通门传感器。以 VITROVAC 率为 15.625kHz，在开环条件下采用二次 谐波检测的方法进行信号检测。实际测量显示，制备的磁通门样机的灵敏度达到 1.664×104V/T。
The reference papers about fluxgate sensors are studied. the working principle of single core and double core sensors have been stated, and the signal detection methods currently used in the flux-gate technique have been introduced: second harmonic，pulse amplitude，pulse interval and pulse width. Based on characteristics and requirements of weak magnetic field detection, a ring-core fluxgate sensor is designed and fabricated. A metallic ribbon of composition VITROVAC 6025Z is chosen as the magnetic ring-core and 15.625kHz square waveform is used as the excitation frequency. The second-harmonic fluxgate magnetometer has been tested in open-loop. Experimental results show sensitivity is 1.664×104 V/T.
在地磁观测方面，特别是与数据自动处理相关联的地磁观测，磁通门传感器可以 直接测量地磁场的某一分量，因此磁通门传感器在测磁仪器中具有其特殊的位置。
磁通门传感器具有测量范围宽和噪声水平低的优点。对于用于台站观测的磁通门 传感器，通常其动态范围可以达到士 500nT，其频率响应的典型值为 1Hz，噪声水平 典型值为 1nT。对于空间应用测量，磁通门传感器也能满足体积小、重量轻、稳定性 好和可靠性高的要求。目前磁通门传感器仍然是进行磁卫星探测、航空磁测、岩（矿） 石弱磁参数测量、考古和古地磁等各种微磁、弱磁测量的最为理想的仪器之一。
磁场测量技术与不同的学科相结合形成一些边缘学科，如磁场测量在强磁场中的 应用形成强磁场物理学，在化学中的应用形成磁化学，在地质中的应用形成磁法勘探 学，在医学中的应用形成磁法医疗学，在探伤中的应用形成磁探伤学。特别是在人造 卫星、高能加速器、各种低能加速器、受控热核聚变装置、大型物理实验仪器、电子 显微镜、电子束、离子束加工装置、宇航等重大工程中无不涉及到大量的磁场测量仪 器[2]。
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1.2 磁通门传感器的发展及应用
磁通门传感器是利用铁磁体磁化时在饱和区的非线性来测量磁场的装置，当用 软磁材料做成的铁磁体在磁化时，由于磁化的非线性，能调制外场，使得传感器输出 和外场相关、相对调制磁场频率的偶次谐波信号，检测偶次谐波的大小就能得到外场 的大小。
第一台磁通门传感器产生于 20 世纪 30 年代，1936 年 Aschenbrenner 和 Goubou 的实验测量精度达到了 0.3nT，随后在二十世纪四五十年代磁通门技术得到了迅速的 发展。1953 年 Schonstedt 和 Primdahl[7] [8]做成了圆柱形的传感器。1962 年 Geyger 提 出了环形设计方案。迄今已有 100 多种不同类型的磁通门传感器。因其分辨率、频率 响应、动态范围和线性特性都能满足记录地磁场各分量变化的要求，并具有轻便、价 格低廉、安装调试简单和容易实现数字化的特点，所以世界大多数地磁台站都使用磁 通门传感器作为变化磁场的记录仪器，代替了传统的磁变仪。国际上典型的磁通门传 感器有加拿大的 FM200 型和 CANMOS 型磁通门传感器、奥地利的 CHIMAG 型磁通 门传感器、英国的 FLARE 磁通门传感器、美国的 SMALL 磁通门传感器[9]。这些磁通 门传感器代表了该仪器技术的先进水平，它们的基本特点都是低噪声、采样率高、温 度性能良好、数字化等。在我国，早在 20 世纪 80 年代就开始将磁通门传感器应用于 地磁观测的技术研究。中国地震局地球物理研究所已经研制成功了 GM-l 型、GM-2 型单分向模拟记录磁通门传感器和 GM3 型三分向数字记录磁通门传感器[10]。但由于 仪器的长期稳定性、温度特性等还不能满足地磁台站日常观测的基本要求，所以未能 得到广泛应用。因此降低仪器的温度系数、提高仪器的稳定性，降低安装的复杂程度、 减小仪器的体积、提高仪器的自动化程度一直是仪器研制者持续开发与改进的目标。