CN113433493A - 磁场强度测量的磁电阻元件及其测量系统 - Google Patents

磁场强度测量的磁电阻元件及其测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磁场强度测量的磁电阻元件及其测量系统。该系统包含磁电阻元件，温度传感器，数模转换单元，微处理单元，双电池模块和显示器。该系统的硬件结构包括探头、手柄和磁场强度测量系统，其中系统组件中包含温度传感器、磁电阻元件、微处理单元、显示器、电源模块，其中电源模块包含内置锂电池、引线、锁相放大器、外置电源。本发明在确保测量精度和易操作性的同时，提高了测试的场景适应性，既能用内置锂电池进行更便携的测试模式，又能在需要提高测量精度的时候切换至交流电测试模式；选用的基于磁电阻材料作为磁电阻元件的核心材料，使这套磁场强度测量工具相比于传统的高斯计能更适于在低温和强磁场的环境中使用。

Description

磁场强度测量的磁电阻元件及其测量系统
技术领域
本发明涉及一种磁场强度测量系统，特别涉及一种磁场强度测量的磁电阻元件及其测量系统，属于测量器械领域。
背景技术
磁电阻效应是指材料在磁场作用下电阻值发生变化的现象。1988年P.格林贝格和A.费尔发现巨磁电阻效应以来，该效应被广泛应用于硬磁盘存储、磁制冷等领域，给信息科学领域带来巨大贡献，取得了很大的社会经济效益，该发现获得2007年诺贝尔物理学奖。
目前探测磁场的技术手段主要有超导量子干涉仪和高斯计。超导量子干涉仪的原理的基于超导约瑟夫森效应和磁通量子化现象，特别适合于高精度弱磁探测，但设备庞大，造价高昂，操作有一定困难，不方便携带；高斯计是基于霍尔效应设计而成的磁感应强度测试仪器，其成本低，体积小，易操作，方便携带，广泛应用于测量直流磁场、交流磁场、辐射磁场、剩磁、地球磁场等场景。根据市售高斯计的霍尔元件的材料特性，高斯计的工作温度范围通常是25-30℃，测量磁场范围通常不高于30kOe；此外，常见的高斯计的探头材料为金属，如铜和铝材料，具有坚固抗摔的优点，但是一方面在磁场环境为强磁场或变化磁场的情况下容易引起探头材料的涡流效应，进而影响与之接触的霍尔传感器元件，影响测试结果，另一方面这类材料的导热性很好，当探头的传感器端伸入低温测试环境时，容易发生手柄端温度影响另一端的温度传感器收集真实环境温度的情况，从而影响磁场测试结果。另外，低温环境探测对探头的热膨胀系数的要求更严格，特别是对于各向异性或变化磁场的测试，需要用热膨胀系数更低的探头材料。因此对于一些更低温、强磁场场景下的磁场强度测量则需要找到更适合的检测方案。
四探针法测量电阻是电阻测量方法中的一种，其优点是可以消除接触电阻对测量的影响，提高测量准确度。它要求样品为长方体，其中测电流的引线接被测样品两端的两个电极，测电压的引线接被测样品中间的两个电极。让电流尽可能贯穿整个被测样品，可使电场分布尽可能平行于被测样品的长轴。通过这种方法，在稳定温度和磁场的条件下，可以准确地获得通过被测样品的电流强度和电压的比值，即电阻。与小型器件中更常用的二引线法测量电阻的方法相比，四探针法使用了单独的电流源和感应电压电路，可以减少测试电路阻抗对被测电阻值的影响。
发明内容
为解决上述磁场探测技术手段中的问题，本发明提供了一种磁场强度测量的磁电阻元件及其测量系统。
本发明的技术解决方案如下：
一方面，本发明提供一种磁电阻元件，其特点在于，由上至下依次包括磁电阻材料、低温胶粘层和SiO2单晶层；所述的磁电阻材料在其磁电阻效应温度范围内满足在10kOe磁场时其磁电阻率值不低于0.1％、磁电阻率与磁场强度具备函数单调性关系；通过四探针电阻测量法获得通过磁电阻材料截面的电流以及电压数据，从而获得中间相邻两电极之间的电阻率数值。
另一方面，本发明还提供一种磁场强度测量系统，由探头和手柄连接而成，以及磁场强度测量系统组件，该组件上述磁电阻元件，以及温度传感器，数模转换单元，微处理单元，电源模块和显示器，所述的磁电阻元件在待测磁场下的电流和电压数据，经由数模转换单元转换为数字信号传输到微处理单元；所述的温度传感器获取温度数据，并经由数模转换单元转换为数字信号传输到微处理单元；所述的微处理单元对电流、电压、温度数据进行运算输出得到磁场强度数据，并在显示模块中显示；所述电源模块，用于给磁电阻元件、温度传感器、显示器、微处理单元、数模转换单元供电。
所述的电源模块由双电源模块构成，第一电源为内置锂电池；第二电源为锁相放大器和外置电源构成。
所述磁电阻元件的电极与导线处用超低温绝缘胶黏剂进行保护。
所述的磁电阻元件和温度传感器均固定在所述的探头的前端，手柄位于探头的后端，微处理单元、显示器、内置锂电池安装于手柄处，引线、锁相放大器、外置电源与手柄连接。
所述磁电阻元件在工作状态下的电源由电源模块提供，数模转换单元和微处理单元共同控制，可以保证所述磁电阻元件工作于恒压或恒流条件下。
磁电阻元件使用磁电阻材料/SiO2单晶双层结构，该双层结构的磁电阻材料与SiO2单晶之间通过GE Varnish低温胶粘结。磁电阻材料位于顶部，通过电极与数模转换单元连接，通过微处理单元控制并获得磁电阻材料的相关电压、电流数据。在已知的磁电阻材料中，并且该材料在其磁电阻效应温度范围内满足在10kOe磁场时其磁电阻率值(MR值)不低于0.1％、磁电阻率与磁场强度具备函数单调性关系，具备上述特性的材料均可构成本发明中磁电阻元件中的顶层磁电阻材料，例如CeSb2，WTe2，W0.98Ta0.02Te2，W0.98Re0.02Te2，W0.98Mo0.02Te2单晶等。
作为本发明的进一步改进，所述磁电阻元件的电极与导线处用超低温绝缘胶黏剂进行保护。所述的低温胶粘层为GE Varnish。
本发明的有益效果如下：
1.本发明的磁电阻元件采用开尔文四探针法测电阻原理，可以消除接触电阻对测量的影响，比传统的伏安法测量更准确，从而能获得更精确的磁场强度数据。
2.本发明结构简单，测试系统的体积相比于另一种利用超导量子干涉仪系统测试磁场的方法，除了更便于携带和进行手持测量外，具有价格更低廉，操作更简单的优势。
3.本发明设置了双电源模块，当选择用内置锂电池模式进行测试时，此时整个测试设备体积与传统高斯计相当，十分便携，可以进行手持测量；当选择锁相放大器和外置电源组成的交流电测试模块进行测试时，测量精度可提升1-2个数量级。可根据具体测试场景和精度要求进行电源模式的选择。
4.GE Varnish低温胶能够在探头两端温度差异巨大而引起的磁电阻材料与SiO2单晶层产生热胀冷缩效应的时候起到缓冲作用。GE Varnish低温胶和SiO2单晶层的组合能够起到保护磁电阻元件材料不易因变温而损坏的作用。
5.本发明的磁电阻元件顶部的有源区的优选的长和宽度在0.1mm～0.2mm范围之内，优选的厚度为30～50μm，在非均匀磁场环境下相比于传统高斯计具有优势。
6.本发明中优选的探头材料为环氧玻璃钢，因其具备强度高、耐腐蚀性好、使用寿命长、价格低廉等优点，还能避免传统的金属探头在强磁场下因涡流效应对测试结果造成的影响，此外，其低热导率、低热膨胀系数、由非磁性元素构成的特点使其更适合于低温和强磁场的测试环境。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明磁场强度测量工具硬件示意图；
图2为用于本发明磁场强度测量系统结构图；
图3为本发明磁电阻元件示意图，示出该元件的基本测量原理。电流电极线连接磁电阻材料两侧，即左数起第1、4电极位置，电压电极线连接磁电阻材料中间两处，即左数起第2、3电极位置。其中对上层磁电阻材料利用四探针法获得通过磁电阻材料截面的电流Is以及第2、3电极之间的电压Ig数据。Rc1、Rc2、Rc3和Rc4分别是第1、2、3和4电极材料的接触电阻。Rg是电压表的电阻。且需满足：Rg>>Rc2，Rg>>Rc3，Rg+Rc2+Rc3>>[Ig(Rc2+Rc3)+IgRg]/(Is-Ig)，Is>>Ig，以确保测量值的精确度。
图4为本发明双电源模块结构图；
图5为本发明实施例一、二中的磁电阻率-磁场强度测试数据，示意了基于磁电阻测量磁场强度的方法。
图6为本发明实施例三、四、五中的磁电阻率-磁场强度测试数据，示意了基于磁电阻测量磁场强度的方法。其中虚线方框提示了实施例三、四、五可适用的磁场范围(0～50kOe)，避免了量子振荡效应(虚线方框外区域)可能引起的测试误差。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
图2是一种磁场强度测量系统，由探头和手柄连接而成，还包括磁场强度测量系统组件，该组件包括磁电阻元件，以及温度传感器，数模转换单元，微处理单元，电源模块和显示器，磁电阻元件在待测磁场下的电流和电压数据，经由数模转换单元转换为数字信号传输到微处理单元；温度传感器获取温度数据，并经由数模转换单元转换为数字信号传输到微处理单元；微处理单元对电流、电压、温度数据进行运算输出得到磁场强度数据，并在显示模块中显示；电源模块，用于给磁电阻元件、温度传感器、显示器、微处理单元、数模转换单元供电。
图3是磁电阻元件的功能概念图。其上层为磁电阻材料，通过GE Varnish低温胶粘结下层的SiO2单晶层，GE Varnish低温胶能够在探头两端温度差异巨大从而引起磁电阻材料与SiO2单晶层发生热胀冷缩效应的时候起到缓冲作用。磁电阻材料的种类应选择已知的磁电阻材料，且该材料在其磁电阻效应温度范围内满足在10kOe磁场时其磁电阻率值不低于0.1％、磁电阻率与磁场强度具备函数单调性关系，具备上述特性的材料均可构成本发明中磁电阻元件中的顶层磁电阻材料。图5和图6中列出的CeSb2，WTe2，W0.98Ta0.02Te2，W0.98Re0.02Te2，W0.98Mo0.02Te2单晶等材料都可作为本发明中磁电阻元件的上层材料使用。通过四探针法获得通过磁电阻材料截面的电流以及电压数据，从而获得图3中第2、3电极之间的电阻率数值。根据磁电阻效应原理，所选磁电阻材料在磁场作用下电阻值发生变化，根据所选材料的磁电阻率、室温电阻，以及测量到的当前温度、磁电阻元件电阻值，就能够得到准确的被探测位置的磁场强度数值。在具体实施测试时，对于实施方案中磁电阻元件的上层磁电阻材料在无磁场下的电阻率要提前查询或通过综合物性测量系统来测试得到。
实施例一：
如图5，在本实施例中，磁电阻材料为CeSb2单晶，电极材料为金。首先查询或通过综合物性测量系统测试得到其磁电阻效应温度范围内的电阻率数据，温度间隔为0.2℃。接着将探头放置到被测区域，在本实施例中，探头上温度传感器温度为9.99K，选择电源模式为内置锂电池模式。在此温度下进行磁电阻元件的电阻率测试。由于内置锂电池模式为直流测量，因此需要正向、反向通电流各测量一次，而后取两次的平均值作为电阻率测量结果。根据测量得出的此时磁场下的电阻率结果，结合此前查询或测量得到的CeSb2单晶在此温度无磁场条件下的电阻率结果，可得到当前温度下磁电阻率为-8.725％。比对如图5所示的磁电阻率与磁场强度关系，可得到磁场强度为35.991kOe。用这种电源模式进行测试，设备便携、操作简单。
实施例二：
如图5，在本实施例中，磁电阻材料为CeSb2单晶，电极材料为铂。首先查询或通过综合物性测量系统测试得到其磁电阻效应温度范围内的电阻率数据，温度间隔为0.1℃。接着将探头放置到被测区域，本实施例中，探头上温度传感器温度为20.01K，选择电源模式为通过锁相放大器连接外置电源。在此温度下进行磁电阻元件的电阻率测试。由于这种模式为交流法测量，选择激发电压为1V-30.9Hz，同时激发线路上串联一个10000欧姆的电阻，使得整体线路可视为恒流测量模式。根据测量得出的此时磁场下的电阻率结果，结合此前查询或测量得到的CeSb2单晶在此温度无磁场条件下的电阻率结果，可得到当前温度下磁电阻率为-2.95733％。比对如图5所示的磁电阻率与磁场强度关系，可得到磁场强度为74.95758kOe。用这种外置电源模式测得的结果的精度比内置锂电池模式更高。
实施例三：
如图6，本实施例中，磁电阻材料为W0.98Mo0.02Te2单晶，电极材料为银。首先查询或通过综合物性测量系统测试得到其磁电阻效应温度范围内的电阻率数据，温度间隔为0.1℃。接着将探头放置到被测区域，本实施例中，探头上温度传感器温度为2.00K，选择电源模式为内置锂电池模式。在此温度下进行磁电阻元件的电阻率测试。由于内置锂电池模式为直流测量，因此需要正向、反向通电流各测量一次，而后取两次的平均值作为电阻率测量结果。根据测量得出的此时磁场下的电阻率结果，结合此前查询或测量得到的W0.98Mo0.02Te2单晶在此温度无磁场条件下的电阻率结果，可得到当前温度下磁电阻率为254.659％。比对如图6所示的磁电阻率与磁场强度关系，可得到磁场强度为31.189kOe。
实施例四：
如图6，在本实施例中，磁电阻材料为WTe2单晶，电极材料为金。首先查询或通过综合物性测量系统测试得到其磁电阻温度范围内的电阻率数据，温度间隔为0.1℃。接着将探头放置到被测区域，本实施例中，探头上温度传感器温度为2.00K，选择电源模式为通过锁相放大器连接外置电源。在此温度下进行磁电阻元件的电阻率测试。由于这种模式为交流法测量，选择激发电压为1.2V-30.9Hz，同时激发线路上串联一个10000欧姆的电阻，使得整体线路可视为恒流测量模式。根据测量得出的此时磁场下的电阻率结果，结合此前查询或测量得到的WTe2单晶在此温度无磁场条件下的电阻率结果，可得到当前温度下磁电阻率为2672.96789％。比对如图6所示的磁电阻率与磁场强度关系，可得到磁场强度为39.60850kOe。
实施例五：
如图6，在本实施例中，磁电阻材料为W0.98Re0.02Te2单晶，电极材料为铂。首先查询或通过综合物性测量系统测试得到其磁电阻温度范围内的电阻率数据，温度间隔为0.3℃。接着将探头放置到被测区域，本实施例中，探头上温度传感器温度为2.00K，选择电源模式为通过锁相放大器连接外置电源。在此温度下进行磁电阻元件的电阻率测试。由于这种模式为交流法测量，选择激发电压为1.1V-30.9Hz，同时激发线路上串联一个11000欧姆的电阻，使得整体线路可视为恒流测量模式。根据测量得出的此时磁场下的电阻率结果，结合此前查询或测量得到的W0.98Re0.02Te2单晶在此温度无磁场条件下的电阻率结果，可得到当前温度下磁电阻率为1969.41804％。比对如图6所示的磁电阻率与磁场强度关系，可得到磁场强度为47.48150kOe。

Claims (7)

1.一种磁电阻元件，其特征在于，由上至下依次包括磁电阻材料、低温胶粘层和SiO2单晶层；所述的磁电阻材料在其磁电阻效应温度范围内满足在10kOe磁场时其磁电阻率值不低于0.1％、磁电阻率与磁场强度具备函数单调性关系；通过四探针电阻测量法获得通过磁电阻材料截面的电流以及电压数据，从而获得中间相邻两电极之间的电阻率数值。
2.根据权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述的磁电阻材料为CeSb2，WTe2，W0.98Ta0.02Te2，W0.98Re0.02Te2，W0.98Mo0.02Te2单晶材料。
3.根据权利要求1所述的磁电阻元件，其特征在于，所述的低温胶粘层为GE Varnish。
4.一种磁场强度测量系统，由探头和手柄连接而成，其特征在于，还包括磁场强度测量系统组件，该组件包括权利要求1或2所述的磁电阻元件，以及温度传感器，数模转换单元，微处理单元，电源模块和显示器，所述的磁电阻元件在待测磁场下的电流和电压数据，经由数模转换单元转换为数字信号传输到微处理单元；所述的温度传感器获取温度数据，并经由数模转换单元转换为数字信号传输到微处理单元；所述的微处理单元对电流、电压、温度数据进行运算输出得到磁场强度数据，并在显示模块中显示；所述电源模块，用于给磁电阻元件、温度传感器、显示器、微处理单元、数模转换单元供电。
5.根据权利要求4所述的磁场强度测量系统，其特征在于，所述的电源模块由双电源模块构成，第一电源为内置锂电池；第二电源为锁相放大器和外置电源构成。
6.根据权利要求4所述的磁场强度测量系统，其特征在于：所述磁电阻元件的电极与导线处用超低温绝缘胶黏剂进行保护。
7.根据权利要求4所述的磁场强度测量系统，其特征在于：所述的磁电阻元件和温度传感器均固定在所述的探头的前端，手柄位于探头的后端，微处理单元、显示器、内置锂电池安装于手柄处，引线、锁相放大器、外置电源与手柄连接。
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