CN111896896B - 基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器 - Google Patents

基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器，由基于多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜、第一叠层平面线圈、第二叠层平面线圈、压电/超磁致伸缩层合物阵列和压电梁驱动的MEMS可调电容组成，本发明能有效地将最优工作频率降至MHz以下，并突破了软磁材料的磁导率限制，通过外部磁场和随磁场变化的磁力，进一步增大了磁畴运动随磁场变化的灵敏度。通过调节直流电压对压电驱动层的输入，以同时引起GMI磁传感器的磁机和电容电感双谐振，进一步提高了探测灵敏度。

Description

基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器
技术领域
本发明涉及直流磁场传感器，特别是一种基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗(GMI)磁传感器。
背景技术
高分辨率弱磁场传感器对于国防工程、医学、生物学、航天工程和工业等领域有着重要的意义。为了满足实时微弱磁场测量，需要满足分辨率高(<1nT)、响应速度快(>1kHz)、体积小和功率低等指标。目前磁感应传感器的精度最高可以达到10-14T，但制作复杂而且不能测量静态或缓慢变化的磁场。超导量子干涉仪是目前灵敏度最高的磁场测量仪，分辨率极限可以达到10-11Oe，但是必须在液氦温度(4K)以下才能正常工作而且体积庞大，造价昂贵和功耗高。磁共振法在整个测量范围内需要更换不同共振频率的探头，不便于连续测量，而且探头得到的信号较弱，对外界的干扰敏感。磁通门磁力计的精度可以达到10-6Oe，但是其体积较大，响应速度较低和功耗较高。霍尔传感器主要是用于测量较强的磁场(1～106Oe)，而且灵敏度不高。巨磁电阻磁传感器的探测范围主要在0.1～102Oe,但是由于分辨率不够高，磁滞和温度不稳定等缺点导致其也不适合微弱磁场测量。相比之下，自从1992年日本名古屋大学K.Mohri等发现CoFeSiB非晶丝的阻抗随外部直流磁场的增加而急剧变化，基于巨磁阻抗效应的磁传感器凭借其磁场灵敏度高、稳定性好、响应速度快、所需偏置磁场小和体积小等优点成为微弱磁场探测的研究热点。尤其薄膜结构更易于微型化而且与微电子电路集成方面具有明显优势，有利于利用微纳加工技术大规模生产巨磁阻抗效应薄膜磁传感器和与电路系统集成。
基于传统F/M/F(铁磁层/金属层/铁磁层)薄膜结构的巨磁阻抗磁传感器,一方面在低频电流激励下，金属层自身产生的电感较弱。另一方面临界厚度以上的单层矩形薄膜产生了明显的退磁场，同时三明治结构中软磁薄膜间的间隔和薄膜端面的磁极产生了严重的交流磁通泄漏。这造成了巨磁阻抗薄膜磁传感器在低频激励时的灵敏度较低，这导致了大多数薄膜结构的最大阻抗变化仍然出现在MHz频率以上，这对磁性材料带来了严重的磁损耗并明显增加了传感器的电流源造价。因此急需研究新型的传感结构来提高提高铁磁材料的有效磁导率和巨磁阻抗薄膜磁传感器在低频(<1MHz)激励时的磁场测量灵敏度。
发明内容
针对上述现有技术的问题，本发明提出一种基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器，该巨磁阻抗磁传感器基于多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜和对称布置的微型平面线圈构成的叠层三明治结构，压电/超磁致伸缩层合物阵列和压电梁驱动的MEMS可调电容形成的巨磁阻抗磁传感器，有效地将最优工作频率降至MHz以下，并突破了软磁材料的磁导率限制，通过外部磁场和随磁场变化的磁力，进一步增大了磁畴运动随磁场变化的灵敏度。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器，其特点在于由基于多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜、第一叠层平面线圈、第二叠层平面线圈、压电/超磁致伸缩层合物阵列和压电梁驱动的MEMS可调电容组成，所述的第一叠层平面线圈、多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜和第二叠层平面线圈构成对称布置的叠层三明治结构，所述的多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜由[铁磁层/隔离层]n的多层膜构成，n的取值范围约为3-10；所述的第一叠层平面线圈是由两个平面线圈串联而成，第二叠层平面线圈也是由两个平面线圈串联而成，但通过第一叠层平面线圈和第二叠层平面线圈的电流方向是相反的，所述的第一叠层平面线圈的输出端接差分放大器正端，所述的第二叠层平面线圈的输出端接差分放大器负端，两个叠层线圈的输出经所述的差分放大器输出；
所述的三明治结构自下而上依次是在基底上的[铁磁层/隔离层]n梭形软磁薄膜/金属薄膜/绝缘层/一平面线圈/[铁磁层/隔离层]n梭形软磁薄膜/另一平面线圈/绝缘层/金属薄膜/[铁磁层/隔离层]n梭形软磁薄膜构成，所述的平面线圈位于软磁薄膜之间，两个平面线圈串联构成所述的叠层平面线圈，在所述的三明治结构顶层的[铁磁层/隔离层]n梭形软磁薄膜表面设置弹性层，在该弹性层上再对称地布置四个压电/磁致伸缩层合物组成的压电/磁致伸缩层合物阵列，所述的可调电容由压电梁组成的活动电极、电介质和固定金属电极组成，两个可调电容分别与第一叠层平面线圈和第二叠层平面线圈相连组成并联电路，传感器的输入电流一路进入可调电容，另外一路进入叠层平面线圈。
传统巨磁阻抗磁传感器的基本原理是利用外部直流磁场所产生的静磁能调控软磁薄膜的磁畴状态，从而改变软磁薄膜的磁导率和相应的巨磁阻抗效应。
本发明基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器的原理是：
通过在[铁磁层/隔离层]n结构的多层软磁薄膜上沉积弹性层和超磁致伸缩/压电层合物阵列，除了利用被探测直流磁场所产生的静磁能外，还利用超磁致伸缩材料产生的磁力调控软磁薄膜内的磁畴状态，加速了磁畴向外部直流磁场的方向快速翻转，从而实现了磁传感性能的明显提升。具体来讲是本发明采用压电/超磁致伸缩层合物阵列产生谐振状态下的机械应变，然后通过高机械品质因数的弹性层将机械波传播到叠层平面线圈表面的软磁薄膜处叠加，从而增大了传递到平面薄膜电感的磁力。同时本发明传感器在测量系统中引入MEMS可调电容，使测量回路形成LC谐振，从而在相同的电激励频率下同时实现可调谐的磁机和LC双谐振效应，明显提高了巨磁阻抗GMI效应。
本发明的有益技术效果是：
(1)本发明具有多层变截面软磁薄膜的叠层平面线圈结构，一方面线圈间的互感效应极大地增强了低频电流激励时的电感值，另一方面[铁磁层/隔离层]n结构的多层变截面梭形软磁薄膜，减小了退磁场的影响，并利用薄膜间对称布置的平面线圈产生方向相反的交流磁场，从而形成了闭合交流磁路，减小了磁通的泄漏，提高了有效磁导率。
(2)利用压电/超磁致伸缩层合物产生磁力以增强GMI磁传感器的磁场灵敏度，通过在梭形软磁层表面耦合具有高机械品质因数的非磁性变截面弹性层，并在弹性层表面均匀布置压电/超磁致伸缩层合物阵列，利用压电层的电致伸缩引起超磁致伸缩层的机械谐振从而放大磁致伸缩应力，通过高机械品质因数的变截面弹性层减小谐振状态时的损耗并利用变截面实现磁力的放大；
(3)实现了一种可电调谐的磁机和电容电感(LC)双谐振型GMI磁传感器，除了利用超磁致伸缩材料的磁机共振效应提高软磁薄膜的GMI效应外，申请者还考虑在GMI测量系统中引入可调电容使得测量回路形成LC谐振，从而在相同的电激励频率下同时实现磁机和LC的双谐振效应，明显提高了GMI效应。
附图说明
图1本发明GMI磁场传感器结构的俯视图
图2是图1的AA剖面图
图3本发明平面线圈的俯视图。
图中：1—弹性层/[铁磁层/隔离层]n多层膜；2—第二叠层平面线圈(位于多层膜下面)；3—压电/超磁致伸缩层合物(位于弹性层上面)；4—第一叠层平面线圈(位于多层膜下面)；5—压电梁驱动的MEMS可调电容；6—绝缘层；7—金属薄膜；8—基底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1、图2，图1本发明GMI磁场传感器结构的俯视图，图2是本发明GMI磁场传感器结构的AA剖视图，由图可见，本发明基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器，由基于多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜1、第一叠层平面线圈2、第二叠层平面线圈4、压电/超磁致伸缩层合物阵列3和压电梁驱动的MEMS可调电容5组成，所述的第一叠层平面线圈2、多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜1和第二叠层平面线圈4构成对称布置的叠层三明治结构，所述的多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜1由[铁磁层/隔离层]n的多层膜构成，所述的[铁磁层/隔离层]n多层膜是指由n层[铁磁层/隔离层]构成的多层膜，n的取值范围约为3-10；所述的第一叠层平面线圈2是由两个平面线圈串联而成，第二叠层平面线圈4也是由两个平面线圈串联而成，但通过第一叠层平面线圈2和第二叠层平面线圈4的电流方向是相反的，所述的第一叠层平面线圈2的输出端接差分放大器正端，所述的第二叠层平面线圈4的输出端接差分放大器负端，两个叠层线圈的输出经所述的差分放大器输出；
所述的三明治结构自下而上依次是在基底8上的[铁磁层/隔离层]n梭形软磁薄膜1/金属薄膜7/绝缘层6/一平面线圈/[铁磁层/隔离层]n梭形软磁薄膜1/另一平面线圈/绝缘层6/金属薄膜7/[铁磁层/隔离层]n梭形软磁薄膜1构成，所述的平面线圈位于软磁薄膜之间，两个平面线圈串联构成所述的叠层平面线圈，在所述的三明治结构顶层的[铁磁层/隔离层]n梭形软磁薄膜1表面设置弹性层，在该弹性层上再对称地布置四个压电/磁致伸缩层合物组成的压电/磁致伸缩层合物阵列3，所述的可调电容5由压电梁组成的活动电极、电介质和固定金属电极组成，两个可调电容5分别与第一叠层平面线圈2和第二叠层平面线圈4相连组成并联电路，传感器的输入电流一路进入可调电容，另外一路进入叠层平面线圈。
本发明的制备过程如下和效果如下：
首先在基底8上制备基于[纳米晶磁性薄膜/隔离层]n的多层软磁薄膜1结构，然后继续制备基于变截面梭型的多层软磁薄膜和对称布置的平面线圈2、4结构(图1所示)。一方面形成闭合的交流磁通并提高对直流磁通量的汇聚能力，另一方面多层软磁薄膜1/金属层7/绝缘层6/微型平面线圈2/多层软磁薄膜1/微型平面线圈2/绝缘层6/金属层7/多层软磁薄膜1，结构中的线圈间互感增大低频时的电感和最终的阻抗变化。
然后在软磁薄膜1表面沉积弹性层，并对称布置压电层/超磁致伸缩层的层合物阵列3，利用压电层的电致伸缩引起超磁致伸缩层的机械谐振从而放大磁致伸缩应力，通过高机械品质因数的变截面弹性层减小谐振状态时的损耗并利用变截面实现磁力的放大。
在基底8上集成基于压电梁驱动的MEMS可调电容5，在相同的电激励频率下同时实现可调谐的磁机和LC双谐振效应，明显提高了GMI效应。
实验表明，本发明能有效地将最优工作频率降至MHz以下，并突破了软磁材料的磁导率限制，通过外部磁场和随磁场变化的磁力，进一步增大了磁畴运动随磁场变化的灵敏度。此外通过调节直流电压对压电驱动层的输入，以同时引起GMI磁传感器的磁机和电容电感双谐振，进一步提高了探测灵敏度。

Claims (1)

1.一种基于磁机电双谐振式的巨磁阻抗磁传感器，其特征在于由基于多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜(1)、第一叠层平面线圈(2)、第二叠层平面线圈(4)、压电/超磁致伸缩层合物阵列(3)和压电梁驱动的MEMS可调电容(5)组成，所述的第一叠层平面线圈(2）、多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜（1）和第二叠层平面线圈(4)构成对称布置的叠层三明治结构，所述的多层变截面梭型铁基纳米晶软磁薄膜（1）由n层铁磁层/隔离层的多层薄膜构成，n的取值范围为3-10；所述的第一叠层平面线圈（2）是由两个平面线圈串联而成，第二叠层平面线圈（4）也是由两个平面线圈串联而成，但通过第一叠层平面线圈（2）和第二叠层平面线圈（4）的电流方向是相反的，所述的第一叠层平面线圈（2）的输出端接差分放大器正端，所述的第二叠层平面线圈（4）的输出端接差分放大器负端，两个叠层线圈的输出经所述的差分放大器输出；
所述的三明治结构自下而上依次是在基底（8）上的n层铁磁层/隔离层梭形软磁薄膜（1）、金属薄膜（7）、绝缘层（6）、一平面线圈、n层铁磁层/隔离层梭形软磁薄膜（1）、另一平面线圈、绝缘层（6）、金属薄膜（7）、n层铁磁层/隔离层梭形软磁薄膜（1）构成，所述的平面线圈位于软磁薄膜之间，两个平面线圈串联构成所述的叠层平面线圈，在所述的三明治结构顶层的n层铁磁层/隔离层梭形软磁薄膜（1）表面设置弹性层，在该弹性层上再对称地布置四个压电/磁致伸缩层合物组成的压电/磁致伸缩层合物阵列（3），所述的可调电容(5)由压电梁组成的活动电极、电介质和固定金属电极组成，两个可调电容(5)分别与第一叠层平面线圈(2) 和第二叠层平面线圈(4)相连组成并联电路，传感器的输入电流一路进入可调电容，另外一路进入叠层平面线圈。
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