CN107894577B - 利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器及其应用方法，磁场传感器包括压电材料基底和磁力线聚集单元，压电材料基底连接有驱动电极，磁力线聚集单元包括采用磁致伸缩材料制成的第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器，第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器之间设有间隙且相对间隙左右对称布置，间隙处布置有磁敏感单元；1/f噪声抑制方法实施步骤包括预先确定磁场传感器的低频噪声的拐点频率，通过磁场传感器的驱动电极施加高频交变电压信号，实现间隙内磁场的高频调制，从而达到抑制磁传感器1/f噪声的目的。本发明的磁场传感器结构简单、制备方便、能耗低，其低频噪声抑制方法具有稳定性高、调制效率高、调制频率高的优点。

Description

利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器及其应用方法

技术领域

本发明涉及微弱磁场信号探测领域，是一种利用电场调控微磁性结构磁矩，抑制1/f噪声影响，大幅提升传统磁电阻传感器弱磁探测能力的利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器及其1/f噪声抑制方法。

背景技术

微弱磁场探测不仅广泛用于地质勘探、智能交通、电力电子和生物医学等领域，而且在军事上也有重要应用，如磁目标探测、磁近炸引信、地磁辅助导航以及航空反潜等。现阶段可用于微弱磁场探测的传感器类型很多，其中磁电阻传感器因具有灵敏度高、功耗低、体积小、易批量生产等优点，成为了磁传感器家族中的后起之秀。

虽然磁电阻传感器的输出灵敏度高，但是其输出噪声尤其是低频下的1/f噪声也很高，严重限制了其对静态和低频磁场的探测能力。把低频磁场调制为高频磁场能有效地抑制磁传感器1/f噪声的影响，研究人员先后提出了多种磁调制方法。美国NVE公司的A.Jander等人提出了利用外加磁场对GMR敏感材料或磁力线聚集器进行周期性磁饱和的斩波调制思想，但由于调制效率(即调制后信号幅度与原直流或低频磁场信号幅度之比)过低，磁信号在向高频搬移的过程中损失很大，磁传感器的低频探测水平并没有得到明显改善。之后，又有学者提出采用半导体激光加热方式周期性地改变磁力线聚集器的有效磁导率以调制气隙磁场(即利用温度变化效应，改变聚集器软磁材料的磁导率)，只可惜这种磁调制方式对于聚集器软磁材料的温度敏感性要求过高，且很容易受环境温度波动的影响，因而尚未见直接的实验报道。目前抑制磁场传感器1/f噪声的有效方法是：基于微机械结构的振动，将静态或低频磁场调制到高频进行测量。采用该方法抑制磁场传感器1/f噪声已有一些方案：

1、美国陆军实验室已陆续取得了系列相关专利(专利号：US6670809、US7046002、US7185541、US71955945)，其核心方法是：首先将磁力线聚集器制备在微机械结构上，然后利用静电驱动方式驱动微机械结构从而带动磁力线聚集器高频振动，此时位于磁力线聚集器气隙内的磁电阻敏感单元可探测到一个高频调制后的交变被测磁场。然而，由于调制效率较低，实现结构复杂，所需静电驱动电压通常要50V以上等因素，该方法的可行性和实用性并不高。

2、葡萄牙的INESC的A.Guedes等人提出一种基于静电复合薄膜扭梁的调制方案：在磁电阻敏感单元上方设置一个沉积有软磁材料的复合薄膜扭梁，在静电力驱动下复合薄膜扭梁可以上下扭动，直接调制磁电阻敏感单元所在位置的磁场，虽然该方案使得调制效率得到提升，达到11％，但由于静电扭梁的存在，放置磁电阻敏感单元的空间受限，使得磁电阻敏感单元的体积过小，噪声特性不佳。之后，又提出了一种基于压电双悬臂梁振动的调制方案，但是其调制效率仅有1.59％。

3、国防科技大学提出了采用压电驱动的垂向调制方案(专利号：CN102353913A)：在一悬臂梁上生长高磁导率的软磁膜，软磁膜正对于磁电阻敏感单元所在位置，且具有一定的初始高度，在压电驱动下，悬臂梁带动软磁膜在垂向方向上下振动，使得磁电阻敏感单元所探测的磁场直接被调制为高频交变磁场。该方案大幅提高了调制效率，而且所需的驱动电压也较低。但由于微机械振动的原因，仍然存在易受环境干扰、稳定性不足和调制频率偏低等问题。

综上可见，现有抑制磁场传感器1/f噪声的方法中，通过微机械结构将低频磁场调制到高频进行探测是目前较为有效的方法。然而，此类方法仍然存在微机械结构制备难度较大、稳定性不足、调制频率有待提高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有磁传感器低频噪声抑制方法存在制备困难大、稳定性不足、振动频率低等问题，本发明提供了一种功耗低、结构简单，且能够高效抑制1/f噪声的利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器及其应用方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供一种基于电场调控磁矩的磁场传感器，包括压电材料基底和设于压电材料基底表面上的磁力线聚集单元，所述压电材料基底连接有驱动电极，所述磁力线聚集单元包括采用磁致伸缩材料制成的第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器，所述第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器之间设有间隙且相对间隙左右对称布置，所述间隙处布置有磁敏感单元。

优选地，所述磁敏感单元为由四颗磁电阻传感器R1～R4构成的惠斯通测量电桥，且一组不相邻的磁电阻传感器R1和磁电阻传感器R3作为磁敏感元件布置于间隙中，另一组不相邻的磁电阻传感器R2和磁电阻传感器R4作为参考磁敏感元件布置于第一磁力线聚集器或第二磁力线聚集器的下方。

优选地，所述磁电阻传感器R1～R4均为隧道磁电阻传感器、巨磁电阻传感器或各向异性磁电阻传感器。

优选地，所述第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器为采用磁致伸缩材料生长在压电材料基底上形成的高导磁性膜。

优选地，所述磁致伸缩材料包括CoFeB、CoFe、Ni、NiFe、Ni合金、Fe合金中的至少一种。

优选地，所述驱动电极包括金属底电极、第一金属顶电极和第二金属顶电极，所述金属底电极覆于压电材料基底的底面上，所述第一金属顶电极覆于第一磁力线聚集器的表面上，所述第二金属顶电极覆于第二磁力线聚集器的表面上。

优选地，所述压电材料基底采用铌镁酸铅-钛酸铅、锆钛酸铅、氮化铝中的至少一种制成。

另一方面，本发明还提供一种前述利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器的应用方法，实施步骤包括：

1)预先确定磁场传感器的1/f噪声的拐点频率；

2)通过磁场传感器的驱动电极施加高频交变电压信号V_Esin(2πf_Et)，其中V_E为高频交变电压信号的幅值，f_E为高频交变电压信号的调制频率，t为时间，且其中高频交变电压信号的调制频率f_E大于或等于磁场传感器的1/f噪声的拐点频率，由于逆压电效应使得压电材料基底产生随时间变化的各向异性应力，所述磁力线聚集单元的第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器受所述各向异性应力的作用使其磁各向异性常数K_σ发生同频周期性变化，导致磁力线聚集单元的第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器的磁矩发生周期性变化，表现出磁力线聚集单元的第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器的磁聚集能力发生周期性变化，最终使得间隙内磁敏感单元测量的磁场发生周期性变化，且磁敏感单元的输出检测信号的幅值与被测磁场H具有确定的对应关系；

3)通过锁相技术提取磁敏感单元的输出检测信号的幅值和相位。

本发明利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器具有下述优点：本发明包括压电材料基底和设于压电材料基底表面上的磁力线聚集单元，压电材料基底连接有驱动电极，磁力线聚集单元包括采用磁致伸缩材料制成的第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器，第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器之间设有间隙且相对间隙左右对称布置，间隙处布置有磁敏感单元，压电材料基底和设于压电材料基底表面上的磁力线聚集单元共同形成多铁异质结构，磁力线聚集单元的磁各向异性可被外加电场所调控，具有结构简单、制备方便、能耗低的优点。

本发明利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器的应用方法具有下述优点：本发明基于电场调控磁矩的磁场传感器的低频噪声抑制方法预先确定磁场传感器的1/f噪声的拐点频率，通过磁场传感器的驱动电极施加特定频率的高频交变电压信号，即可由磁敏感单元输出抑制1/f噪声后的磁场敏感信号有效提高了磁场传感器的低频探测能力，相比于现有的噪声抑制手段，具有稳定性高、调制效率高、调制频率高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的俯视结构示意图。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为本发明中磁敏感单元的导线连接示意图。

图4为本发明的磁敏感单元构成电桥的电气示意图。

图5为本发明实施例的间隙磁场信号变量曲线示意图。

图6为本发明实施例低频噪声抑制的原理图。

图例说明：1、压电材料基底；2、磁力线聚集单元；21、第一磁力线聚集器；22、第二磁力线聚集器；23、间隙；3、驱动电极；31、金属底电极；32、第一金属顶电极；33、第二金属顶电极；4、磁敏感单元。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器包括压电材料基底1和设于压电材料基底1表面上的磁力线聚集单元2，压电材料基底1连接有驱动电极3，磁力线聚集单元2包括采用磁致伸缩材料制成的第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22，第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22之间设有间隙23且相对间隙23左右对称布置，间隙23处布置有磁敏感单元4。

压电材料基底1可根据需要采用铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)、和/或锆钛酸铅(PZT)、和/或氮化铝(AlN)制成，此外也可以根据需要采用其他高压电系数的压电材料制成。压电材料基底1、磁力线聚集单元2共同形成多铁异质结构，本实施例中优先地以应力为媒介实现电场对磁各向异性进行调控，但不限于此，此外也可通过电荷媒介、交换偏置等方式实现电场对磁各向异性进行调控。

磁致伸缩效应是铁磁物质(磁性材料)由于磁化状态的改变、其尺寸在各方向发生变化的现象，磁致伸缩材料为具有磁致伸缩效应的材料，其磁致伸缩效应特性可用磁致伸缩系数来描述。本实施例中利用采用磁致伸缩材料制成的第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22，能够将驱动电极3输入的周期性的电压信号导致磁力线聚集单元2的磁各向异性常数发生周期性的变化，导致磁力线聚集单元2的磁矩发生周期性的变化，最终使得磁力线聚集单元2的磁场放大倍数发生周期性的变化，则间隙23内的磁场信号从低频调制到了高频，磁场从低频调制到高频后，大大降低了传感器的输出噪声，磁场调制频率即压电基底驱动电压信号的频率f_E。相比于之前机械调制的调制频率，该调制频率f_E更大，更加能保证调制频率接近或者越过传感器的1/f噪声的拐点频率，避免了机械振动容易受外界干扰的缺点，提高了调制的稳定性。

本实施例中，第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22为采用磁致伸缩材料生长在压电材料基底1上形成的高导磁性膜。磁致伸缩材料可以根据需要采用CoFeB、CoFe、Ni、NiFe、Ni合金、Fe合金中的至少一种材料制成，此外也可以根据需要采用其他高磁导率的磁致伸缩材料。

间隙23用于为磁敏感单元4的放置提供空间，间隙23内的磁场在第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22的作用下实现磁场放大功能。

驱动电极3用于接入压电材料基底1的驱动高频交变电压信号、产生驱动电场。本实施例中，驱动电极3包括金属底电极31、第一金属顶电极32和第二金属顶电极33，金属底电极31覆于压电材料基底1的底面上，第一金属顶电极32覆于第一磁力线聚集器21的表面上，第二金属顶电极33覆于第二磁力线聚集器22的表面上。金属底电极31覆于压电材料基底1的底面上，使得压电材料基底1为底面全固定结构，提高了抗干扰能力，具有稳定性高的优点。本实施例中，金属底电极31、第一金属顶电极32和第二金属顶电极33所用材料优先选择金，需要说明的是，第一金属顶电极32和第二金属顶电极33的设置位置不限于此，只要能与金属底电极31共同作用在压电材料基底1中形成驱动电场即可。

磁敏感单元4用于检测磁场信号，可采用一个或者多个磁电阻传感器。为了提高磁场检测的灵敏度，如图3和图4所示，本实施例中磁敏感单元4为由四颗磁电阻传感器R1～R4构成的惠斯通测量电桥(全桥结构)，且一组不相邻的磁电阻传感器R1和磁电阻传感器R3作为磁敏感元件布置于间隙23中，另一组不相邻的磁电阻传感器R2和磁电阻传感器R4作为参考磁敏感元件布置于第一磁力线聚集器21或第二磁力线聚集器22的下方(不敏感磁场信号)。本实施例中，磁电阻传感器R1～R4均为隧道磁电阻传感器(TMR)，此外也可以个根据需要采用巨磁电阻传感器或各向异性磁电阻传感器。

本实施例中，磁电阻传感器R1～R4电阻值均为R₀。作为参考磁敏感元件的不相邻的磁电阻传感器R2和磁电阻传感器R4由于位于第一磁力线聚集器21或第二磁力线聚集器22的下方，受到磁力线聚集单元2的屏蔽不敏感磁场，故其电阻值为R₀不发生变化。磁电阻传感器R1和磁电阻传感器R3作为磁敏感元件布置于间隙23中敏感磁场，其电阻值变为R₀+△R。△R为敏感磁场引起的电阻值变化量。在电源电压V_c的作用下，四颗磁电阻传感器R1～R4构成的惠斯通测量电桥的输出电压V_o为：

其中，V_o为输出电压，V_c为电源电压，R₀为磁电阻传感器R1～R4原始电阻值，△R为敏感磁场引起的电阻值变化量。

本实施例利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器的应用方法的实施步骤包括：

1)预先确定磁场传感器的1/f噪声的拐点频率；

2)通过磁场传感器的驱动电极3施加高频交变电压信号V_Esin(2πf_Et)，其中V_E为高频交变电压信号的幅值，f_E为高频交变电压信号的调制频率，t为时间，且其中高频交变电压信号的调制频率f_E大于或等于磁场传感器的1/f噪声的拐点频率，由于使得压电材料基底1产生随时间变化的各向异性应力，所述磁力线聚集单元2的第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22受所述各向异性应力的作用使其磁各向异性常数K_σ发生同频周期性变化，导致磁力线聚集单元2的第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22的磁矩发生周期性变化，表现出磁力线聚集单元2的第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22的磁聚集能力发生周期性变化，最终使得间隙23内磁敏感单元4测量的磁场发生周期性变化，且磁敏感单元4的输出检测信号的幅值与被测磁场H具有确定的对应关系；

3)通过锁相技术提取磁敏感单元4的输出检测信号的幅值和相位。

本实施例利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器的应用方法可把直流和低频磁场通过电场的作用调制到高频进行精确测量，以达到抑制磁传感器1/f噪声的目的，提高磁传感器低频测量精度，有效提高了磁场传感器的低频探测能力，相比于现有的噪声抑制手段，本发明具有稳定性高、调制频率高、结构简单、制备方便等优点。通过本实施例利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器的驱动电极3施加高频交变电压信号V_Esin(2πf_Et)获取抑制低频噪声后的磁场敏感信号的机理如下：

S1)通过磁场传感器的驱动电极3施加高频交变电压信号V_Esin(2πf_Et)后，则在压电材料基底1中产生驱动电场E：

E＝E_Esin(2πf_Et)，其中E_E为驱动电场的幅值。

S2)由于压电材料基底1的逆压电效应，在压电材料基底1的应力轴方向(参见图2中的A)产生周期性的应变ε：

ε＝ε_Esin(2πf_Et)，其中ε_E为应变幅值。

S3)第一磁力线聚集器21或第二磁力线聚集器22受界面处压电材料基底1产生的应变ε的影响，产生周期性的应力σ：

σ＝Yε＝Yε_Esin(2πf_Et)，其中Y为磁力线聚集器的杨氏模量。

该应力σ通过逆磁致伸缩效应，改变第一磁力线聚集器21或第二磁力线聚集器22的磁各向异性常数K_σ：

其中，λ为磁力线聚集器的磁致伸缩系数。

由上述过程分析S1)～S3)可知，周期性的电压信号导致磁力线聚集单元2的磁各向异性常数发生周期性的变化，导致磁力线聚集单元2的磁矩发生周期性的变化，最终使得磁力线聚集单元2的磁场放大倍数发生周期性的变化，磁力线聚集单元2包括采用磁致伸缩材料制成的第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22，则间隙23内的磁场信号从低频调制到了高频，如图5所示。图6所示为磁场传感器高频调制抑制低频噪声的原理，本实施例利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器的应用方法将磁场从低频调制到高频后，大大降低了传感器的输出噪声，磁场调制频率即高频交变电压信号的调制频率f_E。相比于之前机械调制的调制频率，该高频交变电压信号的调制频率f_E更大，更加能保证调制频率接近或者越过传感器的低频噪声的拐点频率，并且本实施例基于电场调控磁矩的磁场传感器的低频噪声抑制方法避免了机械振动容易受外界干扰的缺点，提高了调制的稳定性。

向压电材料基底1施加高频交变电压信号后，使得压电基底产生随时间变化的各向异性应力，磁力线聚集单元2受所述各向异性应力的作用其磁各向异性K_s发生同频周期性变化，导致磁力线聚集单元2的磁矩发生周期性变化，表现出磁力线聚集单元2的聚集能力发生周期性变化，最终使得间隙23内的磁敏感单元4测量的磁场发生周期性变化，其输出幅值与被测磁场(H)具有确定的对应关系。输出信号可通过锁相技术进行提取，获得其幅值和相位信息，从而获得所对应测量磁场的大小。本实施例利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器的应用方法通过把直流和低频磁场通过电场的作用调制到高频进行精确测量，以达到抑制磁传感器低频噪声的目的，提高磁传感器低频测量精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器，其特征在于：包括压电材料基底(1)和设于压电材料基底(1)表面上的磁力线聚集单元(2)，所述压电材料基底(1)连接有驱动电极(3)，所述磁力线聚集单元(2)包括采用磁致伸缩材料制成的第一磁力线聚集器(21)和第二磁力线聚集器(22)，所述第一磁力线聚集器(21)和第二磁力线聚集器(22)之间设有间隙(23)且相对间隙(23)左右对称布置，所述间隙(23)处布置有磁敏感单元(4)，所述驱动电极(3)包括金属底电极(31)、第一金属顶电极(32)和第二金属顶电极(33)，所述金属底电极(31)覆于压电材料基底(1)的底面上，所述第一金属顶电极(32)覆于第一磁力线聚集器(21)的表面上，所述第二金属顶电极(33)覆于第二磁力线聚集器(22)的表面上。

2.根据权利要求1所述的利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器，其特征在于：所述磁敏感单元(4)为由四颗磁电阻传感器R1～R4构成的惠斯通测量电桥，且一组不相邻的磁电阻传感器R1和磁电阻传感器R3作为磁敏感元件布置于间隙(23)中，另一组不相邻的磁电阻传感器R2和磁电阻传感器R4作为参考磁敏感元件布置于第一磁力线聚集器(21)或第二磁力线聚集器(22)的下方。

3.根据权利要求2所述的利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器，其特征在于：所述磁电阻传感器R1～R4均为隧道磁电阻传感器、巨磁电阻传感器或各向异性磁电阻传感器。

4.根据权利要求1所述的利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器，其特征在于：所述第一磁力线聚集器(21)和第二磁力线聚集器(22)为采用磁致伸缩材料生长在压电材料基底(1)上形成的高导磁性膜。

5.根据权利要求4所述的利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器，其特征在于：所述磁致伸缩材料包括CoFeB、CoFe、Ni、NiFe、Ni合金、Fe合金中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器，其特征在于：所述压电材料基底(1)采用铌镁酸铅-钛酸铅、锆钛酸铅、氮化铝中的至少一种制成。

7.一种权利要求1～6中任意一项所述的利用电场调控磁矩抑制1/f噪声的弱磁传感器的应用方法，其特征在于实施步骤包括：

1)预先确定磁场传感器的1/f噪声的拐点频率；

2)通过磁场传感器的驱动电极(3)施加高频交变电压信号V_Esin(2πf_Et)，其中V_E为高频交变电压信号的幅值，f_E为高频交变电压信号的调制频率，t为时间，且其中高频交变电压信号的调制频率f_E大于或等于磁场传感器的1/f噪声的拐点频率，由于逆压电效应使得压电材料基底(1)产生随时间变化的各向异性应力，所述磁力线聚集单元(2)的第一磁力线聚集器(21)和第二磁力线聚集器(22)受所述各向异性应力的作用使其磁各向异性常数K_σ发生同频周期性变化，导致磁力线聚集单元(2)的第一磁力线聚集器(21)和第二磁力线聚集器(22)的磁矩发生周期性变化，表现出磁力线聚集单元(2)的第一磁力线聚集器(21)和第二磁力线聚集器(22)的磁聚集能力发生周期性变化，最终使得间隙(23)内磁敏感单元(4)测量的磁场发生周期性变化，且磁敏感单元(4)的输出检测信号的幅值与被测磁场H具有确定的对应关系；

3)通过锁相技术提取磁敏感单元(4)的输出检测信号的幅值和相位。