CN108267698B - 一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法，在磁性功能层的极化端面区域的上或/和下表面，设置增强层；所述增强层和所述磁性功能层的材料相同，或者所述增强层材料的磁导率高于所述磁性功能层材料的磁导率；所述增强层的磁导率与厚度的乘积大于所述磁性功能层的磁导率与厚度的乘积；由于施加磁场引起所述增强层磁极化，让极化场叠加施加场作用到磁性功能层，增强了功能层内部的有效场，有效提高了传感器的磁场传感灵敏度。

Description

一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法
技术领域
本发明涉及磁传感器领域，具体涉及一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法。
背景技术
采用磁性功能材料和其他材料复合，通过多物理场耦合，可以构成多种原理的磁传感器。层状磁性材料和其他材料层经平面微加工工艺形成层叠结构。
具有磁致伸缩性能的磁性材料层和压电材料层层叠，通过磁机电耦合，就会产生磁电效应，是一种磁场传感器；具有高磁导率的软磁材料层和平面线圈叠放在一起，复合结构就形成了电感量随外加磁场变化的磁传感器；非晶磁性材料层和金属导体层形成的三明治结构，具有巨磁阻抗效应，也是一种磁场传感器。
这些采用复合层叠结构的磁传感器的敏感响应，都产生自磁性功能层在磁场中的磁极化。在磁性体内部磁极化产生的场源对施加磁场起到场消减的作用，称为退磁场。当施加场Happ为均匀场时，在磁性体内部沿施加场方向的有效场Heff的大小可以表示为
Heff＝Happ-D(x,y,z)·Heff ⑴
D(x,y,z)称为退磁系数，距离磁极面的距离越近，退磁场越大，反之则越小。以长方体为例，中心点距离极化面最远，所以退磁场最小，有效磁场最大。如图1磁性长方体坐标分布图，其中A，B，C点的坐标分别为(0，0，0)，(-a,0,0)和(a,0,0)；如图2磁性长方体在均匀施加场作用下内部有效磁场分布图；可以看出即使施加场是均匀分布的，由于磁性材料的磁极化，磁性体内部及其周边的场分布不再是均匀的。为了更清楚说明磁性体的磁极化对施加场的影响，如图3磁性长方体XoZ平面的有效磁场矢量图。为了分析方便，一般取沿某个坐标轴方向或者某个坐标平面的退磁系数的平均值作为退磁因子ND，ND＞0，这样有效磁场表示为：
Heff＝Happ-NDHeff ⑵
式⑵清楚看到，磁性材料体内部的有效磁场小于施加磁场。
传感器的灵敏度S定义为输出量x和输入量的变化量之比。对于磁场传感器就是
Figure BDA0001541670100000021
⑶式表明由于退磁场存在，传感灵敏度被降低了：退磁因子越大，灵敏度降低得越多。相同施加场作用下：退磁因子越大，磁性体内部的有效场越弱；退磁因子越小，磁性体内部的有效场越强。
所以减小退磁因子，是提高磁传感器的灵敏度的有效技术途径。退磁因子的大小，完全由磁性层的几何形状和尺寸决定。提高敏感方向的尺寸和其他方向的尺寸比值，可以减小退磁因子，并且比值越大，退磁因子越小。但是，这意味着为了提高灵敏度，器件在敏感方向的尺寸需要不小于，甚至是远不小于其他方向的尺寸，这不利于制作紧凑的微小型敏感器件。
为了克服这个技术弊端，急需一种有效的提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法。
发明内容
为解决磁传感器的灵敏度受限于敏感方向尺寸导致器件尺寸受限的技术问题，本发明的目的在于提供一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法，
在磁性功能层的极化端面区域的上或/和下表面，设置增强层；
所述增强层和所述磁性功能层的材料相同，或者所述增强层材料的磁导率高于所述磁性功能层材料的磁导率；
所述增强层的磁导率与厚度的乘积大于所述磁性功能层的磁导率与厚度的乘积；
所述增强层和所述磁性功能层之间无气隙或者气隙小于所述增强层和所述磁性功能层任意一层的最小厚度。
进一步的，在所述磁性功能层的极化端面区域的同一侧表面，设置两片所述增强层，所述增强层和所述磁性功能层等宽。
进一步的，两片所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面对齐。
进一步的，两片所述增强层长度的和小于所述磁性功能层的长度。
进一步的，两片所述增强层的外侧沿所述磁性功能层的长度方向向外延伸，两片所述增强层的内侧端面互不连接；两片所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面平行。
进一步的，在所述磁性功能层的极化端面区域的上表面和下表面分别设置两片所述增强层，所述增强层和所述磁性功能层等宽，每片所述增强层长度相等且小于所述磁性功能层长度的一半，所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面对齐。
进一步的，在所述磁性功能层的极化端面区域的上表面和下表面分别设置两片所述增强层，所述增强层和所述磁性功能层等宽，同一侧表面的两片所述增强层的外侧沿所述磁性功能层的长度方向向外延伸，两片所述增强层的内侧端面互不连接；两片所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面平行。
由于所述增强层在施加磁场的作用下产生极化，一个极化端面产生的场是向外发散的，而另一个极化端面产生的场方向是向所述增强层体内汇聚的，当所述增强层的极化轴和所述磁性功能层的极化轴方向一致且极化面垂直于所述磁性功能层表面放置时，进入所述磁性功能层的所述增强层极化场和外施加场的方向是一致的,如图4所示，因此增加了作用到所述磁性功能层的磁场，在所述磁性功能层中产生的有效场也会增加，而且这部分增强场是由施加场引起的。为了保证所述增强层的极化场能够作用到所述磁性功能层，所述磁性功能层和所述增强层接触面之间紧密结合，其间无气隙或者气隙尽可能小。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果：
本发明克服磁传感器的灵敏度受限于敏感方向尺寸导致器件尺寸受限的技术弊端，通过设置所述增强层，由于施加磁场引起所述增强层磁极化，让极化场叠加施加场作用到所述磁性功能层，增强了所述磁性功能层内部的有效场，有效提高了传感器的磁场传感灵敏度。
附图说明
图1磁性长方体坐标分布图；
图2磁性长方体在均匀施加场作用下内部有效磁场分布图；
图3磁性长方体XoZ平面的有效磁场矢量图；
图4叠加增强层的功能层磁场分布；
图5实施例一结构示意图；
图6实施例二结构示意图；
图7实施例三结构示意图；
图8实施例四结构示意图；
图9实施例五结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
实施例一
如图5所示，在所述磁性功能层1的上表面叠放等宽度的两片所述增强层2，两片所述增强层2长度相等，且小于所述磁性功能层1长度的一半，所述增强层2的的磁导率和厚度的乘积大于所述磁性功能层1的磁导率和厚度的乘积，两片所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面对齐。所述磁性功能层和所述增强层接触面之间紧密结合，无气隙或者气隙小于所述增强层、功能层的最小厚度。
实施例二
如图6示，在所述磁性功能层的上表面叠放等宽度的两片所述增强层，所述增强层长度不相等，其和小于所述磁性功能层的长度，所述增强层的的磁导率和厚度的乘积大于所述磁性功能层的磁导率和厚度的乘积，两片所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面对齐。所述磁性功能层和所述增强层接触面之间紧密结合，无气隙或者气隙小于所述增强层、所述磁性功能层的最小厚度。
实施例三
如图7所示，在所述磁性功能磁性层的上表面放置两片磁场所述增强层，遮盖功能层的端面区域，两片所述增强层长度相等，所述增强层的的磁导率和厚度的乘积大于所述磁性功能层的磁导率和厚度的乘积，所述增强层极化端面和功能层的极化端面平行，且两片所述增强层的端面互不连接。
实施例四
如图8所示，在所述磁性功能层的上、下表面各叠放等宽度的两片所述增强层，每片所述增强层长度相等，且小于所述磁性功能层的长度的一半，所述增强层的的磁导率和厚度的乘积大于所述磁性功能层的磁导率和厚度的乘积，每片所述增强层的一个极化端面和所述磁性功能层的以及极化端面对齐。所述磁性功能层和增强层接触面之间紧密结合，无气隙或者气隙小于所述增强层、所述磁性功能层的最小厚度。
实施例五
如图9所示，在所述磁性功能磁性层的上、下表面对称设置所述增强层，遮盖功能层的端面区域，每片所述增强层长度相等，所述增强层的的磁导率和厚度的乘积大于所述磁性功能层的磁导率和厚度的乘积，所述增强层极化端面和所述磁性功能层的极化端面平行，且同一平层中的两片所述增强层的端面互不连接，所述磁性功能层和所述增强层接触面之间紧密结合，无气隙或者气隙小于所述增强层、所述磁性功能层的最小厚度。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法，其特征在于：
在磁性功能层的极化端面区域的上或/和下表面，设置增强层；
所述增强层和所述磁性功能层的材料相同，或者所述增强层材料的磁导率高于所述磁性功能层材料的磁导率；
所述增强层的磁导率与厚度的乘积大于所述磁性功能层的磁导率与厚度的乘积；
所述增强层和所述磁性功能层之间无气隙或者气隙小于所述增强层和所述磁性功能层任意一层的最小厚度；
在所述磁性功能层的极化端面区域的同一侧表面，设置两片所述增强层，所述增强层和所述磁性功能层等宽；
两片所述增强层的内侧端面互不连接。
2.根据权利要求1所述的一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法，其特征在于，两片所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面对齐。
3.根据权利要求2所述的一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法，其特征在于，两片所述增强层长度的和小于所述磁性功能层的长度。
4.根据权利要求1所述的一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法，其特征在于，两片所述增强层的外侧沿所述磁性功能层的长度方向向外延伸，两片所述增强层的内侧端面互不连接；两片所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面平行。
5.根据权利要求1所述的一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法，其特征在于，在所述磁性功能层的极化端面区域的上表面和下表面分别设置两片所述增强层，所述增强层和所述磁性功能层等宽，每片所述增强层长度相等且小于所述磁性功能层长度的一半，所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面对齐。
6.根据权利要求1所述的一种提高层叠复合磁传感器灵敏度的方法，其特征在于，在所述磁性功能层的极化端面区域的上表面和下表面分别设置两片所述增强层，所述增强层和所述磁性功能层等宽，同一侧表面的两片所述增强层的外侧沿所述磁性功能层的长度方向向外延伸，两片所述增强层的内侧端面互不连接；两片所述增强层的外侧极化端面和所述磁性功能层的极化端面平行。
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