CN102414570B - 超高灵敏度磁阻抗传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供作为磁传感器灵敏度高、测定范围大的MI传感器。本发明的磁阻抗传感器，包括：磁阻抗元件，该磁阻抗元件具有由成为零磁致伸缩的软磁性合金的非晶构成的磁敏丝和在所述磁敏丝的周围经由绝缘物的检测线圈，通过向所述磁敏丝施加高频电流，而检测出根据外部磁场从检测线圈产生的电压；电流供给装置，向所述磁阻抗元件供给高频电流；信号处理电路，对来自检测线圈的输出进行信号处理，所述磁敏丝至少具有在丝的圆周方向进行自旋排列的表面层，所述高频电流具有0.3GHz以上、1.0GHz以下的频率。

Description

超高灵敏度磁阻抗传感器
技术领域
本发明涉及磁灵敏度优良的磁阻抗传感器(以下称为MI传感器)。
背景技术
众所周知，向CoFeSiB系合金的非晶丝流过高频的脉冲电流或正弦波电流时，会产生因表皮效应导致阻抗根据磁场而变化的磁阻抗效应(以下称为MI效应)。存在通过来自非晶丝的两端的阻抗而直接检测出该变化的磁阻抗元件(以下称为MI元件)和通过卷绕于非晶丝的检测线圈而检测出该变化的MI元件。这些利用了MI效应的高灵敏度磁传感器是MI传感器。
该MI传感器目前使用于手机等，但存在若提高传感器的灵敏度则测定范围变小的问题。目前，通过利用反磁场的方法和控制磁敏丝的磁特性的方法这两种方法来进行灵敏度和测定范围的控制。利用反磁场的方法是如下方法：为了提高灵敏度，通过延长磁敏丝而减少长边方向的反磁场。但是，由于反磁场减少，因此测定范围减少。相反，若缩短磁敏丝，则长边方向的反磁场增加而测定范围变大，但灵敏度减小。另一方面，控制磁敏丝的磁特性的方法是如下方法：通过增加磁敏丝的长边方向的磁导率来提高传感器的灵敏度。但是，由此，具有磁饱和现象的由软磁性材料构成的磁敏丝的测定范围必然降低。相反，若降低长边方向的磁导率则测定范围变大，当然灵敏度减少。即，提高灵敏度和加大测定范围是背离的现象，因此不能够兼顾两者。
目前，MI传感器例如日本专利公报3693119号公报所记载的，将脉冲的上升沿时间/下降沿时间进行频率换算时，将成为0.2GHz的脉冲电流施加于磁敏丝，丝径为30μm且长度加长至1.5mm时，存在利用反磁场而实现高灵敏度的情况，但灵敏度为35mV/G，测定范围为0.9kA/m。另外，丝径为30μm且长度缩短至0.6mm时，存在利用反磁场而实现宽的测定范围的情况，但灵敏度为2mV/G，测定范围为3.6kA/m。因此，MI传感器的灵敏度和测定范围具有上述的背离的关系，因此难以同时改善两者，在实际使用中存在限制。
此处，通过进一步使高频电流高频化，来尝试提高灵敏度。根据L.V.Panina等发表的Journal of Magnetism and Magnetic Materials，272-276(2004)，1452-1459中，公开了向非晶丝施加0.5～2.2GHz的正弦波电流，并测定来自非晶丝的两端的阻抗的结果。由此，通过高频化而发现灵敏度的提高，但测定范围显著降低至0.0125A/m(1Oe)，并且，还存在即使高频化测定范围也不宽的问题，不能同时提高灵敏度和测定范围这两方。
专利文献
专利文献1：日本专利公报3693119号公报
非专利文献
非专利文献1：L.V.Panina等によるJournal of Magnetism andMagnetic Materials，272-276(2004)，1452-1459
发明内容
因此，本发明提供小型的、作为磁传感器其灵敏度高、测定范围大的MI传感器。
发明人关于高频电流的频率、波形、检测方式、磁敏丝等进行了各种探讨，结果想到，在使用直接检测自旋的旋转现象的检测线圈的方式中，对于非晶磁敏丝施加比目前高的高频电流，由此，使自旋旋转运动与电流施加一起，均匀且同时、并且激烈地进行旋进运动，从而能够实现高灵敏度化和高测定范围化。并且，具体地说，通过使向非晶丝施加的电流为比现有技术高的规定的频率，并且使输出的方式为检测线圈方式，而完成了本发明。
具体地说，技术方案1所记载的发明的磁阻抗传感器，包括：磁阻抗元件，具有由作为零磁致伸缩的软磁性合金的非晶构成的磁敏丝和在所述磁敏丝的周围经由绝缘物的检测线圈，通过向所述磁敏丝施加高频电流，检测出根据外部磁场从检测线圈产生的电压；电流供给装置，向所述磁阻抗元件供给高频电流；以及信号处理电路，对来自检测线圈的输出进行信号处理，所述磁阻抗传感器的特征在于，所述磁敏丝至少具有在丝的圆周方向进行自旋排列的表面层，所述高频电流具有0.3GHz以上、1.0GHz以下的频率。
通过采用本发明的构成，能得到优良的效果的理由不明确，但从得到的结果如下进行推论。
首先，对于高频电流的频率为0.3以上、1.0GHz的范围内得到优良的灵敏度的理由进行推论。
已知由检测线圈检测的电压与dφ/dt成比例。首先，向磁敏丝施加高频电流时在磁敏丝的圆周方向产生磁场。丝中的自旋从外部磁场的方向向由电流产生的圆周方向磁场的方向旋转。由电流产生的圆周方向磁场(Hφ)的时间变化dHφ/dt越大，即越施加大频率的电流，丝中的自旋的旋转越快。该自旋的旋转速度相当于dφ/dt，因此由检测线圈检测的电压变大，变为高灵敏度。
但是，一般而言，越是高频则表皮深度越浅，因此对因流过表皮的表皮电流而形成的圆周方向磁场进行反应的自旋的绝对量、即φ越小，具有由检测线圈检测的电压dφ/dt越小的作用，因此灵敏度相对于频率显示何种状况是难以预测的。
结果，如后所述使频率从0提高到0.5GHz时，若考虑灵敏度上升，则可认为会有以下所述的磁敏丝内的内部应力作用。
一般而言，磁敏丝中的内部应力相对于径方向在表层部较大，在内部较小。自旋的旋进运动在与被施加的高频电流的频率相应的表皮深度内产生，但在直至某种程度的高频的情况下，表皮深度较厚，因此由于其表皮深度内的内部应力分布的不均匀，此处的各自旋以不同的动作运动。各自旋以不同的动作进行旋进运动时，可认为作为传感器的灵敏度较小。相反，在0.3GHz以上的高频的情况下，表皮深度变薄，内部应力的不均匀减少，因此可认为发现了使自旋旋转运动与电流施加一起均匀且同时、并且激烈地进行旋进运动的现象。
如上所述，虽然机理尚不明确，但作为一种推论，可以说明越提高频率则灵敏度越上升这一点，但实际上频率超过0.5GHz时会遇到峰值，然后减少。这种峰值的存在是预料之外的，可认为这是由自旋共振现象引起的自旋的波化导致的。可认为，由于自旋整体波化，自旋的同时旋转被阻碍，由此失去频率的提高产生的效果，超过1GHz时不能得到充分的灵敏度。
本发明人在此种多个作用交错的预测性困难的现象中，首次发现，在灵敏度中在1GHz附近在频率上存在最优区域。
另一方面，对得到高频电流的频率为0.3以上、1.0GHz的范围内优良的测定范围的理由进行推论。
虽然认为测定范围即使高频化也不改变，但实际上，在相当宽的区域发现了上升。在随后的考虑中，推测为是以下的理由。
例如在磁敏丝中，高频电流越是高频，因表皮效应而流过磁敏丝的电流的表皮深度越浅。表皮深度越浅，则如上所述磁敏丝的表面附近的内部应力的作用越大。可认为这是由于，内部应力越大，则各向异性磁场越大，因此测定范围越大。另外，频率为0.5GHz以上则测定范围的增加基本饱和，可认为是由于，在该频率以上表皮深度非常薄，因此内部应力的变化饱和。
发明效果
技术方案1所记载的发明，作为输出的检测方式采用检测线圈，在由作为零磁致伸缩的软磁性合金的非晶构成的磁敏丝至少具有在丝的圆周方向上自旋排列的表面层的状态下，以频率换算计为0.3GHz以上、1.0GHz以下时，通过施加比现有技术高的频率的高频电流，能够同时提高现有技术的磁阻抗传感器的灵敏度和测定范围。
附图说明
图1是表示本发明的MI元件的正面的概念图。
图2是本发明的MI传感器的电气电路的概念图。
图3是说明根据在本发明的MI元件、MI传感器中使用的脉冲电流的上升沿、下降沿时间求出频率的方法的说明图。
图4是表示本发明的实施例的MI传感器中的传感器输出和施加磁场的关系的图。
图5是表示本发明的实施例的MI传感器中的传感器灵敏度和频率的关系的图。
图6是表示本发明的实施例的MI传感器中的测定范围和频率的关系的图。
具体实施方式
适宜地与现有例比较而说明本发明的实施方式。此外，本发明不限定于下述的实施例。
磁敏丝
本发明的磁敏丝由成为零磁致伸缩的软磁性合金的非晶构成。例如在科罗拉公司(コロナ社)出版的磁传感器理工学的P13中记载了：在(CoFe)80(SiB)20中，Fe/Co为约0.07时，磁致伸缩的绝对值不足10-6，该等级的磁致伸缩为零磁致伸缩。本发明的零磁致伸缩也是该等级。
磁敏丝的组成优选Co-Fe-Si-B系的具有零磁致伸缩的合金。此外，也可以为Co-Mn-Si-B系、Fe-Si系等公知的合金系构成的非晶合金。虽然期望磁敏丝全部为非晶相，但也可以在丝内包含产生均匀的内部应力的少量的析出相。作为析出相，例如存在Fe-B系、Fe-Si系、Co-B系、Co-Si系、Co系合金、Fe系合金、Si-B系化合物等。通过在磁敏丝中使用上述非晶，得到具有在圆周方向上自旋排列的表面层的磁敏丝。
本实施例中具有Co71.2Fe4.8Si11.8B12.2组成(at％)构成的组成，将直径11.6μm的非晶丝作为试样(样品1)。本试样通过改进泰勒法制作。另外，对该试样在520℃的气氛温度下施加200MPa的张力并实施了7秒热处理的非晶丝也作为试样(样品2)。
MI元件
使用图1的概念图说明关于本发明的MI元件2的构成的实施例。
首先，在磁敏丝21的周围经由绝缘物23(未图示)配置检测线圈22，并将它们配置在基板6上。并且，磁敏丝21与用于向其两端施加脉冲电流的电极251连接，检测线圈22与用于检测根据外部磁场变化的电压的电极252连接。设磁敏丝的长度为0.6mm，检测线圈30的匝数为15匝。该构成为一例，在公知的检测线圈型的MI元件构造中也可得到同样的效果。
MI传感器
使用图2说明使用了本发明的MI元件2的MI传感器1的电子电路的实施例。MI传感器1由MI元件2、电流供给装置3、信号处理电路4构成。本实施例中，供给高频电流的电流供给装置使用了脉冲振荡电路31。
传感器的动作如下所述。将由脉冲振荡电路31产生的进行了后述的频率换算后的频率为0.3GHz以上、1.0GHz以下的脉冲电流向MI元件2中的磁敏丝21供给时，在检测线圈22产生与基于自旋的旋转的外部磁场对应的电压，其中该自旋的旋转通过外部磁场和脉冲电流产生的丝圆周方向的磁场的作用而产生。
此处的频率如图3(a)所示，求出脉冲电流波形10中的脉冲的上升沿、或下降沿的时间Δt，将该Δt如图3(b)所示设为相当于波的1/4周期而求出。接着，通过取样时间调整电路41使所述脉冲电流上升后，在规定的时间使模拟开关42作为短时间开关进行接通或断开。由此模拟开关42对与在检测线圈22产生的外部磁场对应的电压进行取样，传递至放大器43。切断脉冲电流时(下降沿时)也可进行同样的处理。该构成为一例，在公知的用检测线圈检测磁敏丝中的磁化变化的类型的MI传感器的电子电路中，也可得到同样的效果。
对本实施例中的MI特性的测定、灵敏度和测定范围的计算方法进行说明。图4是，将样品1的非晶丝组入MI传感器，设置于最大磁场±0.3kA/m、10Hz中，向磁敏丝输入与频率0.3GHz相当的80mA的脉冲电流，测定通过上述传感器对在检测线圈产生的电压信号进行了信号处理后的电压。此外，此处在脉冲的上升沿部进行检测，但也可以在下降沿部检测，还可以在双方检测。测定范围以零磁场为中心设为直线性为1％F.S.以下的磁场。此外，直线性的评价的方法使用JISB0155的号码2623的方法。灵敏度设为测定范围间的输出电压的斜率。
接着，将样品1、2组入MI传感器，将MI传感器设置于最大磁场±12kA/m、10Hz的磁场中，向磁敏丝输入与频率0.3、0.5、0.7、1.0GHz相当的80mA的脉冲电流，并进行同样的测定。此外，作为比较例，将频率设为0.01、0.03、0.1、0.2、1.25、1.5GHz而进行测定。基于测定结果，在图5中表示本发明的MI传感器中的灵敏度和频率的关系。图5(a)是使用了样品1的测定结果，图5(b)是使用了样品2的测定结果。由图5(a)，在根据改进泰勒法制造出的样品1中，灵敏度与现有技术的0.2GHz比较，在频率0.3～1.0GHz的范围内变为1.3～1.7倍，大幅地上升。由图5(b)，在对样品1进行了规定的张力退火后的样品2中，灵敏度与现有技术的0.2GHz比较，在频率0.3～1.0GHz的范围内变为1.5～2.0倍，大幅地上升。根据这些结果，本发明中，能够得到现有技术的以0.2GHz驱动的MI传感器的灵敏度的至少1.3倍以上的灵敏度。为了得到更高的灵敏度，优选频率为0.4GHz以上0.75GHz以下、0.4GHz以上0.7GHz、0.45GHz以上0.65GHz以下、0.45GHz以上0.58GHz以下。
另一方面，图6表示本发明的MI传感器的测定范围和频率的关系。图6(a)是使用了样品1的测定结果，图6(b)是使用了样品2的测定结果。由图6(a)，在根据改进泰勒法制造的样品1中，测定范围与现有技术的0.2GHz比较，在频率0.3～1.0GHz的范围变为1.1～1.5倍，大幅地上升。由图6(b)，在对样品1进行了规定的张力退火后的样品2中，测定范围与现有技术的0.2GHz比较，在频率0.3～1.0GHz的范围变为、1.1～1.5倍，大幅地上升。根据这些结果，在本发明中，能够得到在现有技术的以0.2GHz驱动的MI传感器的测定范围的至少1.1倍以上的灵敏度。为了得到高测定范围，优选频率为0.4GHz以上1GHz以下、0.45GHz以上1GHz、0.50GHz以上1GHz以下。
由图5、图6的结果，可知，在根据改进泰勒法制造的磁敏丝、对其实施了张力退火后的磁敏丝中，也能够根据本发明兼顾高灵敏度化和宽的测定范围化这两方面。
为了在更高的等级兼顾高灵敏度化和宽的测定范围化这两方面，优选频率为0.4GHz以上0.75GHz以下、0.4GHz以上0.7GHz、0.45GHz以上0.65GHz以下、0.45GHz以上0.58GHz以下。
标号说明
1：MI传感器  2：MI元件  21：磁敏丝  22：检测线圈  23：绝缘体  251：磁敏丝用端子  252：检测线圈用端子  3：电流供给装置31：脉冲振荡电路  4：信号处理电路  41：取样时间电路  42：模拟开关  43：放大器  6：基板  10：脉冲电流波形

Claims (1)

1.一种磁阻抗传感器，其特征在于，包括：
磁阻抗元件，具有由作为零磁致伸缩的软磁性合金的非晶构成的磁敏丝和在所述磁敏丝的周围经由绝缘物的检测线圈，通过向所述磁敏丝施加高频电流，检测出根据外部磁场从检测线圈产生的电压；
电流供给装置，向所述磁阻抗元件供给高频电流；以及
信号处理电路，对来自检测线圈的输出进行信号处理，
所述磁阻抗传感器的特征在于，
所述磁敏丝至少具有在丝的圆周方向进行自旋排列的表面层，所述高频电流具有0.3GHz以上、1.0GHz以下的频率。
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