CN102854479A - 一种新型谐振巨磁阻抗效应磁敏感器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型谐振巨磁阻抗效应磁敏感器件。该磁敏感器件通过将谐振效应与巨磁阻抗效应结合起来。将巨磁阻抗效应器件等效为由一个等效电感和一个等效电阻串联组成，再并联一个匹配电容构成LCR并联谐振电路。实验表明，构成谐振结构后可以显著增加原磁敏感器件的巨磁阻抗效应，从而获得更好的磁敏感灵敏度。

Description

一种新型谐振巨磁阻抗效应磁敏感器件

技术领域

本发明涉及磁传感器领域，具体来说，是一种利用谐振结构增强巨磁阻抗效应的磁敏感结构和器件。

背景技术

磁传感器一直在现代技术中承担着重要角色，并广泛应用于工程工业领域，如生物磁测量、地磁导航、地球勘探、高密度磁记录系统、移动电话等。用来实现磁传感器的原理有很多，例如霍尔效应、磁阻效应、巨磁阻效应、巨磁阻抗效应、核进动、超导量子干涉仪、磁弹性效应等。超导量子干涉仪是目前商品化的精度最高的磁传感器，但因造价昂贵，难以小型化，限制了其应用范围。随着先进集成电路技术和商品化电子市场的发展，小型化、低成本、高灵敏度的传感器获得了更多的关注。近年来，巨磁阻抗效应（GMI）磁传感器顺应了这一发展趋势，并且适用于MEMS技术。

人们对GMI磁传感器进行了深入的研究，相继在非晶带、纳晶丝(带)、薄膜、三明治/多层膜结构以及复合结构等材料中均发现了GMI效应，这为GMI效应在传感器的实际应用有了更多的材料选择。对与GMI磁敏感器件的激励方式和信号获取方式也进行了广泛的研究，主要包括正弦波和方波激励研究，偏置磁场、偏置电流等构成的非对称巨磁阻抗效应（AGMI）研究，以及采用阻抗相位测量方式的研究。有报道称，阻抗相位测量方式比传统的阻抗幅值测量更有优势。除此之外，研究表明，采用LC谐振结构可以进一步增强巨磁阻抗效应。商业化非晶丝的阻抗变化率可以达到1200%，据有关报道LC谐振增强的巨磁阻抗磁传感器的阻抗变化率可以达到400000%，约是前者的333倍。这种LC谐振巨磁阻抗器件是采用微加工工艺制出微型线圈，在其内部放入非晶材料，然后与电容并联制成的。这种加工工艺相对复杂，涉及到加工工艺包括涂膜、光刻、电镀等工艺，制备成本较高。

发明内容

本发明通过对谐振结构对巨磁阻抗效应的增强进行了研究，采用商业化的CoFeSiB非晶带和电容制作了谐振巨磁阻抗磁敏感器件，方式简单，且制作成本低。

谐振有两种方式，分别为并联谐振和串联谐振。两种谐振电路均包含电容器件和电感器件。串联谐振电路和并联谐振电路在某些方面有着截然相反的作用。本发明应用的是并联谐振电路。在某一特定的频率，电路的相位为零，整个电路呈纯电阻性，达到谐振状态。电路的品质因子Q越大，谐振峰越尖锐，现象越明显。谐振电路在实际中有着重要的应用，例如在振荡器和滤波器电路中并联谐振电路往往是其中的主要的组成部分。本发明是利用并联谐振电路来提高磁传感器的灵敏度。

本发明将CoFeSiB非晶带等效为由一个电感和一个电阻串联组成，电感用Ls表示，电阻用Rs表示，电容C并联在非晶带的两端。使用阻抗分析仪HP4294A分别测出电感Ls和电阻Rs。Ls和Rs的值与频率有关，因此等效电感和等效电阻更确切的表示符号应为Ls(f)和Rs(f)，其中f为测量频率。在构造谐振电路前，需要首先选择出想要的谐振频率f₀，然后根据公式（1）算出谐振频率为f₀时的匹配电容C的电容值，且应保证

否则公式（1）没有意义。。将该匹配电容C并联在非晶带的两端便可以构成谐振频率为f₀的谐振电路。

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{Ls}\left(f_0\right)\·C}-{\left(\frac{\mathrm{Rs}\left(f_0\right)}{\mathrm{Ls}\left(f_0\right)}\right)}^2}---\left(1\right)$

本发明的优点在于：

1、该谐振结构制作简单，成本低；

2、可以显著改善巨磁阻抗效应；

3、谐振频率可以根据需要来设定。

附图说明

图1为本发明磁敏感器件的结构示意图；

图2为本发明磁敏感器件的阻抗随频率和磁场的变化曲线；

图3A为本发明磁敏感器件的并联谐振电容前的阻抗变化率曲线；

图3B为本发明磁敏感器件的并联谐振电容后的阻抗变化率曲线；

图4为本发明磁敏感器件的理论计算曲线与实际测量曲线的对比图；

图5A为CoFeSiB非晶带的等效电感随频率的变化曲线；

图5B为CoFeSiB非晶带的等效电阻随频率的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种新型谐振巨磁阻抗效应磁敏感器件，将CoFeSiB非晶带等效为由一个电感和一个电阻串联组成，电容C并联在非晶带的两端，组成并联谐振电路。电感和电阻均为频率的函数，因此电感用等效电感Ls(f)表示，电阻用等效电阻Rs(f)表示。下面介绍上述的并联谐振电路的建立方法：

第一步，等效电感Ls(f)和等效电阻Rs(f)分别使用HP4294阻抗分析仪测出，得到等效电感和等效电阻与谐振频率的变化曲线，如图5A和图5B。

第二步，选定一个谐振频率，根据第一步中得到的等效电感与谐振频率的变化曲线、等效电阻与谐振频率的变化曲线，查找出与谐振频率f₀相应的等效电感Ls(f₀)和等效电阻Rs(f₀)；

第三步，根据公式1计算出谐振频率为f₀时，需要的匹配电容C。

一般情况下的谐振频率计算公式为

由于等效电感Ls(f)和等效电阻Rs(f)均是随频率变化的，所以谐振频率的计算公式用公式1表示。

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{Ls}\left(f_0\right)\·C}-{\left(\frac{\mathrm{Rs}\left(f_0\right)}{\mathrm{Ls}\left(f_0\right)}\right)}^2}---\left(1\right)$

对于不同的谐振频率带入公式（1）计算时的等效电感值和等效电阻值是不同的。当施加外界磁场时，等效电感Ls(f)和等效电阻Rs(f)随之发生相应的变化，根据公式（1）可知，谐振频率也将随之改变，谐振频率的改变导致某一频率对应的阻抗发生变化，最终通过测量阻抗的变化实现对外界磁场的测量。

产生谐振所用的匹配电容为商品化的陶瓷电容。在选择电容值时，通过如下方法：

首先根据公式1计算出的电容的计算值选出临近的标称值的电容；

其次，对选出的标称值的电容的实际值进行测量，测量是使用HP4294A阻抗分析仪来完成的；计算测量值与计算值的差值，如果所述的差值X满足5pF≤X≤15pF，将标称值的电容作为匹配电容并联在CoFeSiB非晶带的两端；否则，再次选出与差值X相应标称值的电容与前面选出的标称值的电容进行并联构成新的电容。

再次进行新的电容的电容值的测量，直到测量值接近计算值，即差值X满足5pF≤X≤15pF。由于导线自身的电感、焊接过程等因素会引入一些杂散电容、电感和电阻，所以最终选定的匹配电容值应与计算得到的电容值应有一定的差值，这个差值在10pF附近。将选定的电容并联焊接在CoFeSiB非晶带两端，得到如图1所示的并联谐振结构。最终测得的谐振频率与理论计算的谐振频率有±4%的误差。

图2是本发明磁敏感器件的阻抗随频率和磁场的变化曲线。等效电感Ls和等效电阻Rs不仅是频率的函数，还是外加磁场的函数。因此，当施加外界磁场时谐振频率将发生偏移。从图2中可以看出，随外界磁场强度的增加，谐振频率向高处发生了偏移。由于该谐振结构的品质因子Q值较低，当未施加磁场时谐振现象并不明显。

谐振电路对巨磁阻抗效应的改善效果受电路品质因子Q的影响，Q值有公式2计算得到。

$Q=\frac{2\mathrm{\π}{f}_0{L}_s\left(f_0\right)}{R_s\left(f_0\right)}---\left(2\right)$

随着外界磁场强度的增加，峰值变的愈加突出，谐振现象愈加明显，根据公式（2）可知，这是由于施加外界磁场后，品质因子Q值增大引起的。外界磁场改变了等效电感和等效电阻的值，改变了谐振频率，导致谐振峰值发生平移，引起某一频率对应阻抗发生明显的变化。例如，在45MHz频率附近，阻抗变化率由原来的约100%变为约150%，提高了约1.5倍。

图3A和图3B给出了品质因子对阻抗变化率的改善情况，其中图3A为构成谐振结构前的阻抗变化率曲线，图3B为构成谐振结构后的阻抗变化率曲线。对于谐振电路，可以用品质因子Q表征其性能的好坏。品质因子Q也适用于本发明中的谐振电路。图3A和图3B中所用谐振结构的Q值约为75，Q值由公式（2）算出。构成谐振结构后，阻抗变化率由原来的-86%附近变为最大约-2930%，提高了34倍。图2中所用谐振结构的Q值小于3。对比图2和图3A、图3B中的所用谐振结构可知，对于高的Q值，对阻抗变化率的改善情况越明显。这是因为Q值越大，谐振峰越尖锐，施加磁场后谐振频率发生平移，相应频率对应的阻抗也将产生更巨大的变化。

表1给出了实验过程中测得的数据。

表1

其中，f_o表示目标谐振频率，Rs表示等效电阻，Ls表示等效电感，Cn表示理论上应并联的电容，Cm表示实际并联的电容，f_m表示测得的谐振频率，（f_o-f_m）/f_o表示测得的谐振频率与目标谐振频率的误差。Cm是用HP4294A阻抗分析仪测量得到的，实际并联的电容应与理论计算的电容存在一定的差异。谐振频率是依据相位为0时对应的频率判定的。从表1中可以看出，得到的谐振频率与理论谐振频率的误差约为±4%。

图4是给出了实际测量曲线与理论计算曲线的对比结果。计算使用参考图1中给出的物理模型。计算过程中将图1中的匹配电容C等效为有一个串联电阻、一个串联电容和一个串联电感组成，其中电阻用R_c表示，电容用C_c表示，电感用L_c表示。阻抗幅值|Z |_cal的具体计算公式如公式（3）所示：

${\left|Z\right|}_{\mathrm{cal}}={\left(\frac{[{\left(\mathrm{\ω}{L}_s\right)}^2+{R_s}^2][{(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_c{C}_c)}^2+{\left(\mathrm{\ω}{R}_c{C}_c\right)}^2]}{{[1-{\mathrm{\ω}}^2{C}_c(L_c+L_s)]}^2+{\mathrm{\ω}}^2{C_c}^2{(R_c+R_s)}^2}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

式中，ω=2πf，f为测量点的频率。

图4中是在外界磁场强度为40Gs测得的阻抗随频率变化的曲线和跟据公式（3）计算得到的曲线。测量曲线如图4中曲线A所示，计算得到的曲线如图4中曲线B所示。测量结果与计算结果吻合，说明使用该方法设计的这种谐振巨磁阻抗效应器件是可行的。

Claims (3)

1.一种新型谐振巨磁阻抗效应磁敏感器件，其特征在于：将具有磁阻抗效应的磁敏感器件等效为由一个等效电感和一个等效电阻串联组成，将电容直接连接在磁阻抗效应的磁敏感器件的两端。

2.一种新型谐振巨磁阻抗效应磁敏感器件的设计方法，其特征在于：

第一步，将具有磁阻抗效应的磁敏感器件等效为由一个等效电感和一个等效电阻串联组成，等效电感Ls(f)和等效电阻Rs(f)分别使用阻抗分析仪测出，得到等效电感和等效电阻随频率的变化曲线；

第二步，选定一个谐振频率，根据第一步中得到的等效电感随频率的变化曲线、等效电阻随频率的变化曲线，查找出与谐振频率f₀相应的等效电感Ls(f₀)和等效电阻Rs(f₀)；

第三步，根据公式（1）计算出谐振频率为f₀时，需要的匹配电容C：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{1}{\mathrm{Ls}\left(f_0\right)\·C}-{\left(\frac{\mathrm{Rs}\left(f_0\right)}{\mathrm{Ls}\left(f_0\right)}\right)}^2}---\left(1\right)$

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：所述的匹配电容，首先根据公式1计算值选出标称值的电容；其次，对选出的标称值的电容的实际值进行测量得到测量值，计算测量值与计算值的差值，如果所述的差值X满足5pF≤X≤15pF，将标称值的电容作为匹配电容并联在非晶带的两端；否则，再次选出与差值X相应标称值的电容与前面选出的标称值的电容进行并联构成新的电容；再次进行新的电容的电容值的测量，直到测量值与计算值的差值X满足5pF≤X≤15pF。

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