CN109061528A - 一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器 - Google Patents

一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，包括：平面偏置线圈、4段相同的GMI材料和磁环，所述4段相同的GMI材料位于平面偏置线圈的两条相互垂直且经过平面偏置线圈中心的线段上，所述磁环位于GMI材料的上方，磁环中心位于平面偏置线圈中心的正上方，所述平面偏置线圈为圆形或者正N边形，N为大于等于4的偶数。本发明的三轴平面化磁传感器不存在正交误差问题，可以通过MEMS工艺实现，便于微型化，有更高的集成度，更广泛的应用。

Description

一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器
技术领域
本发明属于微弱磁场测量领域，更具体地，涉及一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器。
背景技术
巨磁阻抗(GMI)效应是指在软磁材料中通过中高频交流电流激励的情况下，当外部的低频磁场有微小变化时，将会引起软磁材料交流阻抗的巨大变化。基于GMI效应的磁传感器是近年来磁传感器领域的研究热点之一，相比于其他类型的磁传感器，GMI磁传感器具有高灵敏度、快速响应、高温度稳定性、低迟滞性和低功耗等优点。
国内外研究GMI磁传感器的团队有很多，但大部分只研究单轴GMI磁传感器。有关三轴GMI磁传感器的相关报道非常少，北京理工大学邓甲昊教授团队的韩超博士设计了一种三维GMI磁探测器，主要应用对象为武器系统。但这种三维GMI磁探测器是由三个单轴磁探测器通过两两正交构成，三个单轴传感器的磁敏感轴对应着空间的三个相互正交的方向，分别对单轴方向的磁场进行测量，采用信息融合技术将三轴信息叠加，完成对三维空间的磁场总量的测量。国防科技大学的潘仲明教授团队设计了一种具有磁异常探测和测距功能的微小型三轴磁传感器-磁纳，磁纳是由高分辨力、小量程的GMI磁传感器和商品化的低分辨力、大量程AMR磁传感器按一定的方法复合构成。GMI磁传感器有三对差动式非晶丝磁敏探头用于检测三轴的磁异常量。日本的毛利教授团队在文献《3-AXIS AMORPHOUS WIRETYPE GIANT MAGNETO-IMPEDANCE SENSORS》中设计了一种三轴GMI磁传感器，他也是将三个单轴的微GMI磁传感器探头两两相互正交集成到一起用于检测三维磁场。
综上所述，对于三轴GMI磁传感器的相关研究和报道不是特别多，而且所有报道中所涉及的三轴GMI磁传感器的探头设计都是利用单轴GMI磁传感器探头两两相互正交得到。这种设计存在的问题是在实际制作中，两两相互正交的完全正交性很难得到保证，存在着正交误差，并且体积大，难以通过MEMS工艺实现，不利于微型化和集成。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，由此解决现有技术存在正交误差，并且体积大，难以通过MEMS工艺实现，不利于微型化和集成的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，包括：平面偏置线圈、4段相同的GMI材料和磁环，所述4段相同的GMI材料位于平面偏置线圈的两条相互垂直且经过平面偏置线圈中心的线段上，所述磁环位于GMI材料的上方，磁环中心位于平面偏置线圈中心的正上方，所述平面偏置线圈为圆形或者正N边形，N为大于等于4的偶数。
进一步地，GMI材料为钴基材料或者铁基材料。
进一步地，平面偏置线圈用于在通电流后在具有GMI材料的两条线段上产生大小相等、方向相反的对称偏置磁场。
进一步地，磁环用于将垂直平面偏置线圈外的磁场聚磁到平面偏置线圈内。
进一步地，磁环的磁导率大于100H/m。
进一步地，三轴平面化磁传感器的三轴为x轴、y轴和z轴，x轴包括x+端和x-端，y轴包括y+端和y-端，4段相同的GMI材料分别位于x+端、x-端、y+端和y-端；所述三轴平面化磁传感器用于三轴平面化磁场测量，具体包括：
沿x轴方向施加一个水平面内磁场，在平面偏置线圈产生的对称偏置磁场作用下，经过后端电路处理，x+端GMI材料上的输出电压与水平面内磁场的关系是一条经过原点的第一递减直线，x-端GMI材料上的输出电压与水平面内磁场的关系是一条经过原点的第一递增直线，第一递增直线与第一递减直线的倾斜程度相同；
沿z轴方向施加一个垂直面外磁场，在平面偏置线圈产生的对称偏置磁场作用下，经过后端电路处理，x+端和x-端的GMI材料上的输出电压与垂直面外磁场的关系是两条斜率相同且都经过原点的第二递增直线；
将x+端与x-端的输出电压相加，得到在水平面内磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压和为零，在垂直面外磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压和为第二递增直线对应输出电压的两倍，将x+端与x-端的输出电压相减，得到在水平面内磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压差为第一递增直线或者第一递减直线对应输出电压的两倍，在垂直面外磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压差为零，进而三轴平面化磁传感器通过测量输出电压判断所测磁场是水平面内磁场还是垂直面外磁场，实现三轴平面化磁场测量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)传统三轴GMI磁传感器是利用单轴GMI磁传感器两两相互正交，用以测量三维磁场大小，这在实际制作中，两两相互正交的完全正交性很难得到保证，存在着正交误差这一问题，而本发明是将4段相同的GMI材料位于平面偏置线圈的两条相互垂直且经过平面偏置线圈中心的线段上，实现三轴平面化测量，不存在正交误差问题。
(2)本发明利用平面线圈产生大小相同，方向相反的对称偏置磁场，相比于传统的通过绕线圈产生的偏置磁场更简单方便，并且传统的三轴GMI磁传感器的偏置线圈需要三个，本发明一个平面线圈就能满足需求。
(3)传统三轴GMI磁传感器体积大，难以通过MEMS工艺实现，不利于微型化和集成，本发明的三轴平面化磁传感器可以通过MEMS工艺实现，便于微型化，有更高的集成度，更广泛的应用。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器的3D视图；
图2是本发明实施例1提供的一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器的俯视图；
图3(a)是本发明实施例1提供的沿x方向施加水平面内待测磁场，在0.3A电流产生偏置磁场作用下，x+端钴基材料的V-H曲线；
图3(b)是本发明实施例1提供的沿x方向施加水平面内待测磁场，在0.3A电流产生偏置磁场作用下，x-端钴基材料的V-H曲线；
图4(a)是本发明实施例1提供的沿z方向施加垂直面外待测磁场，在0.3A电流产生偏置磁场作用下，x+端钴基材料的V-H曲线；
图4(b)是本发明实施例1提供的沿z方向施加垂直面外待测磁场，在0.3A电流产生偏置磁场作用下，x-端钴基材料的V-H曲线；
图5(a)是本发明实施例1提供的x+端与x-端的输出电压和与带测磁场的曲线图；
图5(b)是本发明实施例1提供的x+端与x-端的输出电压差与带测磁场的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，包括：平面偏置线圈、4段相同的GMI材料和磁环，所述4段相同的GMI材料位于平面偏置线圈的两条相互垂直且经过平面偏置线圈中心的线段上，所述磁环位于GMI材料的上方，磁环中心位于平面偏置线圈中心的正上方，所述平面偏置线圈为圆形或者正N边形，N为大于等于4的偶数。GMI材料为钴基材料或者铁基材料。平面偏置线圈用于在通电流后在具有GMI材料的两条线段上产生大小相等、方向相反的对称偏置磁场。磁环用于将垂直平面偏置线圈外的磁场聚磁到平面偏置线圈内。磁环的磁导率大于100H/m。
三轴平面化磁传感器的三轴为x轴、y轴和z轴，x轴包括x+端和x-端，y轴包括y+端和y-端，4段相同的GMI材料分别位于x+端、x-端、y+端和y-端；所述三轴平面化磁传感器用于三轴平面化磁场测量，具体包括：
沿x轴方向施加一个水平面内磁场，在平面偏置线圈产生的对称偏置磁场作用下，经过后端电路处理，x+端GMI材料上的输出电压与水平面内磁场的关系是一条经过原点的第一递减直线，x-端GMI材料上的输出电压与水平面内磁场的关系是一条经过原点的第一递增直线，第一递增直线与第一递减直线的倾斜程度相同；
沿z轴方向施加一个垂直面外磁场，在平面偏置线圈产生的对称偏置磁场作用下，经过后端电路处理，x+端和x-端的GMI材料上的输出电压与垂直面外磁场的关系是两条斜率相同且都经过原点的第二递增直线；
将x+端与x-端的输出电压相加，得到在水平面内磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压和为零，在垂直面外磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压和为第二递增直线对应输出电压的两倍，将x+端与x-端的输出电压相减，得到在水平面内磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压差为第一递增直线或者第一递减直线对应输出电压的两倍，在垂直面外磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压差为零，进而三轴平面化磁传感器通过测量输出电压判断所测磁场是水平面内磁场还是垂直面外磁场，实现三轴平面化磁场测量。
实施例1
图1和图2为基于巨磁阻抗(GMI)效应的三轴平面化磁传感器的3D视图和俯视图，其结构特征是最底层的正八边形平面偏置线圈1，在正八边形平面偏置线圈1的两条相互垂直的最长对角线上贴上4段相同的GMI材料2，在正八边形平面偏置线圈1的中心，GMI材料2上面贴上磁环3。正八边形平面偏置线圈1的作用是通电流后在贴GMI材料2的两条对角线上产生大小相等，方向相反的对称偏置磁场，GMI材料2的作用是具有巨磁阻抗(GMI)效应，磁环3的作用是将垂直平面外的磁场聚磁到平面内。图中的平面偏置线圈1是60匝正八边形平面偏置线圈，刻画在PCB板上，线宽为0.254mm，线间距为0.254mm；图中的GMI材料2是长36mm，宽3mm，厚25um的钴基带材VITROVAC 6025，图中的磁环3是外径30mm，内径20mm，高度10mm的高磁导率VITROPERM纳米晶合金磁环。
实施例1中测量包括以下步骤：
1)沿x轴方向施加一个水平面内磁场，在偏置线圈产生的偏置磁场作用下，经过后端电路处理，x+端钴基带材上的输出电压与水平面内磁场的关系是一条经过原点的递减直线，如图3(a)所示，待测磁场范围：±1Oe，V-H曲线指的是经过后端电路处理得到的输出电压与待测磁场关系曲线，x-端GMI材料上的输出电压与水平面内磁场的关系是一条经过原点的递增直线，且倾斜程度与前面递减直线相同，如图3(b)所示。
2)沿z轴方向施加一个垂直面外磁场，在偏置线圈产生的偏置磁场作用下，经过后端电路处理，x+端和x-端的GMI材料上的输出电压与垂直面外磁场的关系是两条斜率相同且都经过原点的递增直线，如图4(a)和图4(b)所示。黑色线表示x+端与x-端的输出电压和与水平面内磁场的关系，灰色线表示x+端与x-端的输出电压和与垂直面外磁场的关系。
3)将x+端与x-端的输出电压相加，可以得到在水平面内磁场下，x+端和x-端钴基带材的输出电压和为零，如图5(a)中黑色线所示(实际测量有一定误差)，在垂直面外磁场下，x+端和x-端钴基带材的输出电压和为原来的两倍，如图5(a)中灰色线所示。将x+端与x-端的输出电压相减，可以得到在水平面内磁场下，x+端和x-端钴基带材的输出电压差为原来的两倍，如图5(b)中黑色线所示，在垂直面外磁场下，x+端和x-端钴基带材的输出电压差为零，如图5(b)中灰色线所示(实际测量有一定误差)。通过这种方式，传感器可以明确区分所测磁场是水平面内磁场还是垂直面外磁场，可以实现三轴平面化测量。
实验测试结果：磁场测量范围：±1Oe，水平面内x轴(y轴)灵敏度：6.818V/Oe，垂直面外z轴灵敏度：0.657V/Oe。四段完全相同的钴基带材标记为x+、x-、y+、y-，沿y方向的两段钴基带材的结果与x方向类似，这里没有再重复给出。本发明发现4段相同的GMI材料位于平面偏置线圈的两条相互垂直且经过平面偏置线圈中心的线段上时，两条相互垂直的线段可以是最长对角线也可以不是，不影响测量效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，其特征在于，包括：平面偏置线圈(1)、4段相同的GMI材料(2)和磁环(3)，所述4段相同的GMI材料(2)位于平面偏置线圈(1)的两条相互垂直且经过平面偏置线圈(1)中心的线段上，所述磁环(3)位于GMI材料(2)的上方，磁环(3)中心位于平面偏置线圈(1)中心的正上方，所述平面偏置线圈(1)为圆形或者正N边形，N为大于等于4的偶数。
2.如权利要求1所述的一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，其特征在于，所述GMI材料(2)为钴基材料或者铁基材料。
3.如权利要求1或2所述的一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，其特征在于，所述平面偏置线圈(1)用于在通电流后在具有GMI材料(2)的两条线段上产生大小相等、方向相反的对称偏置磁场。
4.如权利要求1或2所述的一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，其特征在于，所述磁环(3)用于将垂直平面偏置线圈(1)外的磁场聚磁到平面偏置线圈(1)内。
5.如权利要求1或2所述的一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，其特征在于，所述磁环(3)的磁导率大于100H/m。
6.如权利要求1或2所述的一种基于巨磁阻抗效应的三轴平面化磁传感器，其特征在于，所述三轴平面化磁传感器的三轴为x轴、y轴和z轴，x轴包括x+端和x-端，y轴包括y+端和y-端，4段相同的GMI材料分别位于x+端、x-端、y+端和y-端；所述三轴平面化磁传感器用于三轴平面化磁场测量，具体包括：
沿x轴方向施加一个水平面内磁场，在平面偏置线圈产生的对称偏置磁场作用下，经过后端电路处理，x+端GMI材料上的输出电压与水平面内磁场的关系是一条经过原点的第一递减直线，x-端GMI材料上的输出电压与水平面内磁场的关系是一条经过原点的第一递增直线，第一递增直线与第一递减直线的倾斜程度相同；
沿z轴方向施加一个垂直面外磁场，在平面偏置线圈产生的对称偏置磁场作用下，经过后端电路处理，x+端和x-端的GMI材料上的输出电压与垂直面外磁场的关系是两条斜率相同且都经过原点的第二递增直线；
将x+端与x-端的输出电压相加，得到在水平面内磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压和为零，在垂直面外磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压和为第二递增直线对应输出电压的两倍，将x+端与x-端的输出电压相减，得到在水平面内磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压差为第一递增直线或者第一递减直线对应输出电压的两倍，在垂直面外磁场下，x+端和x-端GMI材料的输出电压差为零，进而三轴平面化磁传感器通过测量输出电压判断所测磁场是水平面内磁场还是垂直面外磁场，实现三轴平面化磁场测量。
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