CN101699309B - 一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头 - Google Patents

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Abstract

一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，属于磁场探测技术领域。其特征在于：该探头采用含有两条重合且长度超过磁性合金丝或带的端部效应临界长度的直导线的双层柔性电路板；两条导线在一端通过过孔短接，另一端通过焊盘引出一根双股导线，以提供传感信号；其中一条导线中间断开一段间隙；将一根磁性合金丝或者一条磁性合金带的中间段通过常温焊接点接入到间隙两侧的两个焊盘上；通过无粘性绝缘薄膜将磁性合金丝或带沿导线方向伸直并贴附在柔性电路板表面，通过粘性绝缘薄膜加以固定，构成整个传感探头。该传感探头在10MHz至30MHz内具有灵敏的巨磁阻抗效应，而且加工后具有一致的测量性能，在应用时抗干扰能力强。

Description

一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头
技术领域
本发明涉及一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，该探头放置在被探测磁场内，其引出线的两端的电气特性随外磁场的变化表现为巨磁阻抗的变化特性。本发明属磁场探测技术领域。
背景技术
非晶或纳米晶合金材料制成的磁性合金丝或磁性合金带在一定的频率范围内的交流阻抗值随外磁场的变化而发生显著变化的现象被称为巨磁阻抗效应。巨磁阻抗效应为研发新型的小体积、高灵敏磁探测器件提供了可能。
在2005年4月的日本名古屋举办的国际磁学业洲会议(INTERMAG Asia2005)上发表了一篇题目为《采用MI传感器的加速度表(Accelerometer UsingMI Sensor)》的文章。在这篇文章中，作者描述了一种巨磁阻抗传感探头，其结构如图1所示。该探头在磁性合金丝的两端引出导线，导线和传感器下方的引线焊盘相连。该传感器还包含一个以磁性合金丝为轴线绕制的、用于产生偏置磁场的微型线圈，其引线焊盘也在传感器的下方。该巨磁阻抗效应传感探头存在易受干扰、尺寸大、灵敏度低的缺点。理论和实验研究表明，在磁性合金丝或带附近的外磁体会对其阻抗特性产生加性的附加阻抗。该设计结构所构成的电流回路所围绕的面积大，容易耦合空间电磁波，影响阻抗测量。同时，加载在合金丝上用于测量阻抗的高频激励电流所产生的磁场也容易辐射到空间中。如果附近有外磁体，则会产生较大的附加阻抗。这将降低阻抗变化率，影响磁场探测的灵敏度。理论和实验还表明，磁性合金丝或带沿轴线方向放置在均匀磁场中时，虽然丝的直径或带的厚度很小，但是其内部磁场分布并不均匀，中间强，向端部逐渐变弱。在内部磁场较弱的位置，单位长度的阻抗随外磁场变化率将较低。已有的传感探头的导线直接连接合金丝两端，即所测阻抗包含丝的两端，所以探测灵敏度低。要提高探测灵敏度，则势必需要增加合金丝的长度与其直径的比例，这将增加探头尺寸。同时，端部效应的存在也使得合金丝的尺寸稍有变化时，其阻抗变化特性将发生较大的改变，探头生产加工时的一致性差。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，用以克服上述已有的巨磁阻抗效应传感探头的不足，降低外磁体和端部效应对传感探头巨磁阻抗效应的影响，能够灵活适应被探测空间的尺寸，具有一致的巨磁阻抗特性，同时提高传感探头探测磁场的灵敏度。
本发明一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，其特征在于：
厚度小于500μm的双层柔性电路板的两个电路层具有两条重合、且长度超过磁性合金丝的端部效应临界长度的直导线；两条导线在一端通过过孔短接，另一端各有一个引线焊盘；两个引线焊盘通过双股导线引出，以提供巨磁阻抗效应的传感电信号；其中一条导线的中央断开一段长度小于待测磁场宽度的间隙，并在间隙两侧具有两个焊盘；将一根平放在所述柔性电路板导线上方且与导线等长的磁性合金丝的中间段，通过常温焊接点接入到两个焊盘上；通过无粘性绝缘薄膜将磁性合金丝沿导线方向伸直并贴附在柔性电路板表面；通过粘性绝缘薄膜固定无粘性绝缘薄膜和磁性合金丝，从而构成整个传感探头。所述的端部效应临界长度是在轴向的静磁场作用下磁性合金丝中间段的内部磁场强度能够达到外加磁场强度的磁性合金丝最小长度，为已知值。此外，上述的一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，也可以采用磁性合金带代替磁性合金丝。在所述柔性电路板表面，垂直于所述间隙的两侧各有两段标线，用于标记磁场的探测点。
本发明提出了一种新的基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，克服了已有传感探头的不足。首先，输入传感探头的电流回路所围绕的面积等于双层柔性电路板上两根导线以及双股导线所包围的面积。由于柔性电路板厚度小，该回路面积也大大减小。由此，电流回路所耦合的空间电磁波较小，所以抗干扰能力好。同时，小的电流回路面积还将有利于减小外磁体对传感探头所产生的附加阻抗，从而提高磁探测的灵敏度。其次，由于磁性合金丝或带沿轴线方向放置在均匀磁场中时，其内部磁场分布存在端部效应，即在端部的内部磁场强度较弱。当合金丝或带的长度大于端部效应临界长度时，其中间段的内部磁场强度趋于和外磁场强度一致。而通过本发明提出的探头结构，由于只有合金丝或带的中间段通过焊接连入阻抗测量回路，所以排除了端部效应的影响，不会因为端部部分在较低的内部磁场下所产生的低阻抗变化率而干扰整个探头的测量灵敏度。同时，本发明探头也不因为合金丝或带的长度和直径的比例不同，而影响探头阻抗特性，所以具有更好的一致性。通过调节中间段的长度可以适应不同的被测磁场空间尺寸。此外，由于采用常温焊接连接焊盘和合金丝或带，避免了高温退火破坏合金丝或带的磁特性。在粘性绝缘薄膜和合金丝或带之间夹入无粘性绝缘薄膜，可以减小用于固定的粘性绝缘薄膜对合金丝或带的应力，从而减小应力对其磁性的影响。
附图说明
图1是已有的巨磁阻抗效应传感探头的结构示意图：其中，1为微型线圈，2为磁性合金丝，3为焊盘。
图2是本发明基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头的结构示意图：其中，1为粘性绝缘薄膜，2为无粘性绝缘薄膜，3为磁性合金丝或带，4为柔性电路板，4-1为电路层1，4-2为电路层2，5为绝缘层，6为过孔，7为常温焊接点，8为导线，9为焊盘，10为双股导线。
图3是本发明实施例所采用的双层柔性电路板的底面电路图。
图4是本发明实施例所采用的双层柔性电路板的正面电路图。
图5是基于本发明实施例的传感探头所实测的阻抗变化率随外磁场强度的变化曲线：图中
Figure G2009102353948D00041
标识的曲线分别代表1.00MHz、3.00MHz、10.00MHz、30.00MHz、100.00MHz频率下的阻抗变化率。
具体实施方式
本发明具体的一个实施例所采用的双层柔性电路板的底面和正面电路图分别如图3和图4所示。该柔性电路板的厚度为130μm、长度为12mm、宽度为6mm。标0的圆盘为过孔，将上下导线在一端连接起来。标1和2的圆盘为两根导线在另一端的焊盘，双股导线与这两个焊盘焊接后引出。标3的圆形孔是为双股导线预留的串线孔。正面电路板上的导线通过长条形焊盘4和5断开，两个焊盘之间的间隙宽度为1mm。在电路板的底面和正面上，垂直于该间隙的两侧都有两段标线，该标线用于标记磁场探测点。直径20μm、长度8mm的Co68.15Fe4.35Si12.5B15磁性合金丝的中间段通过银胶焊接在焊盘4和5之间。在合金丝上覆盖一层10μm厚度、无粘性的聚乙烯绝缘薄膜，其长度和宽度均小于柔性电路板，以在四边留出用于固定的边。而后，采用60μm厚度、尺寸与柔性电路板相同的胶带作为粘性薄膜，覆盖在聚乙烯薄膜之上，通过压紧四边封装整个探头。
由于柔性电路板厚度小，所以该测量传感电路的回路面积小。实验表明，该探头抗外磁场干扰能力强，并且外磁体对该探头所引入的附加阻抗很小。经实验测得，直径20μm的Co68.15Fe4.35Si12.5B15丝的端部效应临界长度约为6mm。所以，本发明实施例连入测量电路中的合金丝的内部磁场能够和外磁场一致，有效抑制了端部弱磁场的影响。银胶焊接和聚乙烯绝缘薄膜避免了温度和应力对合金丝磁性的影响。按照该设计方法制作的多个探头的阻抗随外磁场的变化率具有很好的一致性。该探头所探测的磁场空间尺寸最小可为1mm，能够对小空间内的磁场进行探测。图5是采用本发明实施例制作的一个巨磁阻抗效应传感探头阻抗随外磁场强度Hex的变化率(|Z|/|Zmax|)的实测曲线。依据该曲线，本发明实施例在10M至30MHz的频率范围内具有较高的磁场探测灵敏度。

Claims (3)

1.一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，其特征在于：厚度小于500μm的双层柔性电路板的两个电路层中的每个电路层分别具有一条直导线，两条直导线重合、且长度超过磁性合金丝的端部效应临界长度；两条直导线在一端通过过孔短接，另一端各有一个引线焊盘；两个引线焊盘通过双股导线引出，以提供巨磁阻抗效应的传感电信号；其中一条导线的中央断开一段长度小于待测磁场宽度的间隙，并在间隙两侧具有两个焊盘；将一根平放在所述柔性电路板的中央断开一段间隙的直导线的上方且与直导线等长的磁性合金丝的中间段，通过常温焊接点接入到间隙两侧的两个焊盘上；通过无粘性绝缘薄膜将磁性合金丝沿导线的长度方向伸直并贴附在柔性电路板表面；通过粘性绝缘薄膜固定无粘性绝缘薄膜和磁性合金丝，从而构成整个传感探头；所述的端部效应临界长度是在磁性合金丝的轴向的静磁场作用下磁性合金丝中间段的内部磁场强度能够达到外加磁场强度的磁性合金丝最小长度，为已知值。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，其特征在于：所述磁性合金丝用磁性合金带代替。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性电路板的巨磁阻抗效应传感探头，其特征在于：在所述柔性电路板表面，垂直于所述间隙的两侧各有两段标线，用于标记磁场的探测点。
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