CN108387784B - 一种磁膜电感传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁膜电感传感器，两层磁性膜之间设置分裂式线圈，所述磁性膜上下完全覆盖所述分裂式线圈；所述分裂式线圈整体为矩形螺旋平面结构，所述分裂式线圈在平行于其矩形长边方向的边均由一条导体组成，所述分裂式线圈在平行于所述矩形短边方向的边均由平行且间隙不为零的若干条导体组成，所述若干条导体的宽度之和等于或者小于所述长边方向的所述一条导体的宽度，所述分裂式线圈的拐角处由所述一条导体和所述若干条导体连接。通过本发明磁性膜对电感的增益提高数倍，有效提高了传感器的灵敏度；并且矩形长边方向的磁场灵敏度大于短边方向的磁场灵敏度，抑制了传感器的轴间串扰。

Description

一种磁膜电感传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种高灵敏度的磁膜电感传感器。
背景技术
磁传感器是用途最广泛的传感器之一，通过磁场测量可以直接或者间接测量很多种物理、化学、生物等参数。平面线圈和软磁材料复合，可以形成电感型磁场传感器，传感的物理机理是被软磁材料覆盖的平面线圈的电感量是软磁材料的磁导率的函数，而材料的磁导率又随着外加磁场变化，因此通过测量线圈电感可以传感磁场。平面线圈结构元器件，结构简单，制作方便，特别适合采用微加工工艺进行大批量生产，不仅仅极大地降低器件的成本，而且可以显著提高器件性能的稳定性和一致性。
被磁性薄膜覆盖的线圈，和线圈放入无限大磁性介质空间的情况不同，它的电感值不是简单和磁性材料的相对磁导率成正比，而是和材料的相对磁导率有较为复杂的函数关系，该函数的参数由膜间间距、磁性膜的几何参数包括厚度、宽度和线圈的导体宽度确定。这些参数确定线圈的电感值随磁性膜磁导率变化程度，即传感器的灵敏度。
另一方面,软磁材料各个方向都能够被磁极化，当软磁材料加工成薄片或者薄膜，平面内两个相互垂直方向都能磁极化，而且平面内的两个方向一般都是易极化方向，极化性能差异不大，因此平面内两个相互垂直方向的磁导率以及变化的特性也差异不大。磁场是矢量场，测量磁场，就要求磁场传感器有方向选择性：单个磁传感器应该只对单轴敏感，对其他轴方向的磁场不敏感。在磁性膜线圈复合电感磁传感器中，由于平面线圈，即使设计成矩形，通过线圈的电流在磁性膜中引起的磁极化也会主要产生在相互垂直的两个方向，因此磁性膜平面内两个相互垂直方向的磁场都能够引起传感响应，这就是磁传感器的轴间交叉串扰敏感。
因此需要合适设计提高磁膜电感传感器的灵敏度并且解决轴间串扰问题。
发明内容
为提高传感器的灵敏度、抑制传感器的轴间串扰问题，本发明提供一种磁膜电感传感器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种磁膜电感传感器，两层磁性膜之间设置分裂式线圈，所述磁性膜上下完全覆盖所述分裂式线圈；
所述分裂式线圈整体为矩形螺旋平面结构，所述分裂式线圈在平行于其矩形长边方向的边均由一条导体组成，所述分裂式线圈在平行于所述矩形短边方向的边均由平行且间隙不为零的若干条导体组成，所述若干条导体的宽度之和等于或者小于所述长边方向的所述一条导体的宽度，所述分裂式线圈的拐角处由所述一条导体和所述若干条导体连接；
所述磁性膜沿所述分裂式线圈的矩形长边方向的长度大于或者等于沿所述矩形短边方向的长度。
进一步的，所述分裂式线圈从所述矩形螺旋中心顺时针或者逆时针螺旋。
进一步的，所述分裂式线圈在平行于所述矩形长边方向的边均由一条导体组成，每条所述导体的宽度相等。
进一步的，所述分裂式线圈在平行于所述矩形短边方向的边均由平行且间隙不为零的若干条导体组成，所述若干条导体的宽度相等。
进一步的，所述分裂式线圈的所述矩形长边方向为传感器的敏感方向。
进一步的，所述分裂式线圈通过溅射、镀膜、印刷和3D打印中的任意一种方式制作。
进一步的，所述磁性膜为矩形，所述磁性膜矩形的长边平行于所述分裂式线圈矩形的长边，所述磁性膜矩形的短边平行于所述分裂式线圈矩形的短边。
进一步的，所述磁性膜为椭圆形，所述磁性膜椭圆长轴平行于所述分裂式线圈矩形的长边，所述磁性膜椭圆短轴平行于所述分裂式线圈矩形的短边。
进一步的，所述磁性膜沿所述分裂式线圈矩形长边方向的长度大于沿所述矩形短边方向的长度。
进一步的，所述磁性膜采用软磁薄膜。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果：
本发明采用分裂式矩形螺旋线圈和磁性膜复合，即用磁性膜上下覆盖矩形螺旋线圈，构成磁膜电感传感器，并且磁性膜沿线圈长度方向尺寸大于或者等于沿线圈宽度方向尺寸，提高了电感随磁性膜磁导率的变化量，由此提高了传感器的灵敏度，并且矩形长边方向的磁场灵敏度大于短边方向的磁场灵敏度，抑制了传感器的轴间串扰。
附图说明
图1为本发明分裂式线圈结构示意图；
图2为磁性膜上下覆盖导体的结构示意图；
图3为不同导体宽度下的导体电感与磁性层磁导率关系曲线图；
图4为导体分裂成不同条数时分裂导体的电感和相对磁导率的关系图。
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。
如图1为本发明分裂式线圈结构示意图，分裂式线圈整体为矩形螺旋平面结构，平行于矩形长边方向的导线均由一条导体组成，每条平行于长边方向导体的宽度为D；平行于矩形短边方向的导线均由平行且间隙不为零的4条导体组成，每条平行于短边方向导体的宽度为d；
4条导体的宽度之和4d小于或者等于长边方向的每条导体的宽度D，分裂式线圈的拐角处由长边方向的一条导体和短边方向的4条导体连接。
如图2为磁性膜上下覆盖导体的结构示意图；
构成矩形线圈的导体分成两部分：长边方向导体和短边方向导体。流过这两个方向导体的电流，在磁性膜中引起和电流垂直方向的磁极化，因此形成磁场传感器时，线圈短边方向导体引起长边方向的传感响应，长边方向导体引起短边方向的传感响应。电感型磁传感器的输出变量是线圈电感量，线圈的总电感，是组成线圈的所有导体的自感和互感之和。所以分析一条导体的电感，就可以得到总的电感量。
如图2中，wc为导体宽度，wm为覆盖的磁性膜沿导体宽度方向的尺寸，取磁性膜厚度和膜间间距相等，均为膜宽度的1/500。
随着导体的宽度不同，导体电感与磁性层磁导率关系曲线如图3所示。其中wc/wm表示导体宽度和覆盖的磁性膜沿导体宽度方向的尺寸之比，导体宽度越窄，在同一磁导率下的电感值越大，而且随磁导率变化的斜率也越大。对于矩形线圈，wc/wm就是短边方向的导体宽度与磁性膜的长度之比。选择矩形的长边方向作为敏感方向，为了抑制退磁场效应，需要使得磁性膜的长度尺寸大于宽度尺寸，一般为宽度的2倍以上。
当一条导体分裂成N(N>1)条时，由于流过每条导体的电流为单条的1/N，所以每条自感为单条导体自感的1/N,但是分裂导体的总电感，还要计算分裂导体之间的互感，由于分裂导体之间的距离非常近，互感系数接近1，所以分裂导体的总电感为单条导体电感的(1/N)*N2＝N倍。分裂导体的电感和相对磁导率的关系如图4所示，这样通过将平面线圈中每匝垂直于敏感方向的导体总宽度保持不变但是分裂成N条，就使得这部分导体变细，磁性膜的磁导率对这部分导体的电感值影响增强，磁性膜对电感的增益提高至少N倍以上，有效提高了传感器的灵敏度。
设计宽度方向的导线宽度是长度方向导线宽度的1/N，那么在长度方向和宽度方向相同量值磁导率下，磁性膜对线圈宽度方向导体的电感增益是对长度方向导体电感增益的N倍，这样整个线圈对沿长度方向的磁场的响应比对沿宽度方向的磁场的响应强N倍，也起到了抑制了传感器的轴间串扰的作用。
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 (10)

1.一种磁膜电感传感器，其特征在于：
两层磁性膜之间设置分裂式线圈，所述磁性膜上下完全覆盖所述分裂式线圈；
所述分裂式线圈整体为矩形螺旋平面结构，所述分裂式线圈在平行于其矩形长边方向的边均由一条导体组成，所述分裂式线圈在平行于其矩形短边方向的边均由平行且间隙不为零的若干条导体组成，所述若干条导体的宽度之和等于或者小于所述长边方向的所述一条导体的宽度，所述分裂式线圈的拐角处由所述一条导体和所述若干条导体连接；
所述磁性膜沿所述分裂式线圈的矩形长边方向的长度大于或者等于沿所述分裂式线圈的矩形短边方向的长度。
2.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述分裂式线圈从所述矩形螺旋中心顺时针或者逆时针螺旋。
3.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述分裂式线圈在平行于所述矩形长边方向的边均由一条导体组成，每条所述导体的宽度相等。
4.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述分裂式线圈在平行于所述矩形短边方向的边均由平行且间隙不为零的若干条导体组成，所述若干条导体的宽度相等。
5.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述分裂式线圈的所述矩形长边方向为传感器的敏感方向。
6.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述分裂式线圈通过溅射、镀膜、印刷和3D打印中的任意一种方式制作。
7.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述磁性膜为矩形，所述磁性膜矩形的长边平行于所述分裂式线圈矩形的长边，所述磁性膜矩形的短边平行于所述分裂式线圈矩形的短边。
8.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述磁性膜为椭圆形，所述磁性膜椭圆长轴平行于所述分裂式线圈矩形的长边，所述磁性膜椭圆短轴平行于所述分裂式线圈矩形的短边。
9.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述磁性膜沿所述分裂式线圈矩形长边方向的长度大于沿所述矩形短边方向的长度。
10.根据权利要求1所述的一种磁膜电感传感器，其特征在于，所述磁性膜采用软磁薄膜。
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