鐵基納米晶合金帶材的磁敏傳感器的研究

所謂軟磁材料，是指抗強性小、易磁和退磁的磁性材料。軟磁合金材料與傳統的磁性材料相比具有許多優異的特性,具有很高的導磁率,可以起到很好的聚集磁力線的作用,所以軟磁材料被廣泛用作導磁材料,例如變壓器、傳感器的鐵芯,磁屏蔽罩,特殊磁路的軛鐵等。國內外對這種新型磁性材料進行了廣泛的研究。Fe基納米晶材料是Yoshizawa等于1988年用非晶化法制備的具有優異的軟磁性能的軟磁材料,其作為一種新型的磁功能材料在傳感器制造領域中得到了廣泛的認可,它是迄今為止發現的對磁場最敏感的一種新型磁敏材料,利用材料的磁敏特性研制的磁敏傳感器具有靈敏度高、體積小、響應快以及非接觸、溫度穩定性好、響應速度快、無磁滯、使用壽命長等特點,是電子測量領域及發展高水平控制系統的關鍵器件之一,它在電機控制工業機器人、醫療電子、自動化等領域可以替代原有的傳感器,使產品的自動化控制系統提高到一個新的水平,因此利用Fe基納米微晶材料研制磁敏傳感器具有很高的商業價值。1fe基納米晶帶材料將熔融態合金溶液經單輥快淬制成寬3mm,平均厚35μm的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金薄帶,X射線衍射圖顯示無尖銳峰值,僅有漫射峰出現,證明材料處于非晶態。非晶帶在N2保護下經540℃等溫退火1h后隨爐冷至室溫,制成Fe基納米晶帶材料。大量研究表明Fe基合金經淬火獲得的非晶態薄帶經過540±10℃,1h退火處理可以得到最佳的磁性能。此時典型尺度為10～15nm的αFe(Si)納米晶鑲嵌在非晶基體上(二相結構)。在540℃退火過程中,非晶材料制備時形成的較大內應力已完全馳豫釋放,只存在非晶基體上沉淀產生納米晶相出現的較弱的內應力。Fe基納米晶合金中的納米晶粒通過晶粒間的非晶相產生強交換耦合作用而使材料的有效磁各向異性〈K〉降低,使材料的Hc∝〈K〉及起始磁化率χi∝1/〈K〉發生變化,得到Hc小,χi大的軟磁材料。2定頻調幅電路磁敏傳感器的結構和原理2.1諧振回路設計方案磁敏傳感器利用Fe基納米晶材料的磁敏特性實現磁電轉換。本設計中磁電轉換電路采用定頻調幅電路,該電路主要由晶體振蕩器和LC諧振回路組成,Fe基納米微晶條帶置于LC諧振回路的電感內部,當電感所處環境的磁通量發生變化時,Fe基納米晶帶產生巨磁阻抗效應,LC諧振回路輸出的正弦波幅度隨之變化,再經過二極管包絡檢波后變為直流信號,直流信號經放大后輸出。該設計方案原理框圖如圖1所示。振蕩器采用6MHz并聯型晶體振蕩器,LC選頻回路中的電感L自繞,在電感的內部放入對磁場有敏感特性的Fe基納米微晶材料,電感線圈由直徑為0.1mm的漆包線繞制而成,它的外徑、內徑、長度和匝數分別為1.32mm、1.02mm、11.46mm和100匝,如圖2所示。2.2交流等效電路并聯諧振型晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相同,只是把晶體置于反饋網絡的振蕩回路中,作為一個感性元件并與其它回路元件一起按照三端電路的基本準則組成三端振蕩器,它的交流等效電路如圖3所示。2.3lc串聯電路的特性并聯諧振回路是指電感線圈L、電容器C與外加信號源相互并聯的振蕩電路,外加信號源為晶體振蕩器。因電容器損耗很小,可認為損耗電阻R集中在電感支路中。LC并聯電路具有阻抗頻率特性和相位頻率特性,如圖4所示。圖4a為LC并聯電路的阻抗頻率特性曲線,簡稱阻頻特性線。它表示當信號頻率f變化時,LC并聯電路的阻抗Z的大小也隨之變化。當f=f0時,LC并聯電路阻抗最大。f0稱LC并聯電路的諧振頻率,又稱電路的固有頻率,當電路的電感L和電容量C固定后,f0固定。圖4b為LC并聯電路的相位頻率特性曲線,簡稱相頻特性線。它顯示了電路兩端電壓和流進并聯電路的電流之間的相位角之差ψ隨著信號頻率f變化的特性。當f=f0時,ψ=0,并聯電路呈純阻性;當f<f0時,ψ>0,并聯電路呈感性;當f>f0時,ψ<0,并聯電路呈容性。阻頻特性和相頻特性統稱為LC并聯電路的頻率特性,它說明了LC并聯電路具有區別不同頻率信號的能力,即具有選頻特性。LC選頻網絡是利用LC并聯諧振回路的諧振選頻特性進行選頻,鐵基納米晶帶放在電感L內部,由它輸出的電壓受到磁場強度的調制。當f=f0時,LC并聯電路阻抗最大且為純電阻,輸出電壓最大。在本電路中,當f=6MHz時,LC回路處于諧振狀態,相對該頻率其電壓輸出幅度最大。3磁敏傳感器的性能測試和分析3.1gmi效應測量的于cm的赫姆霍茲線圈具體測試試驗框圖如圖5所示。其中樣品部分為磁敏振蕩器。試驗中外加磁場由直徑為20cm的赫姆霍茲線圈提供(赫姆霍茲線圈由直徑為0.29mm漆包線繞制650匝而成),該磁場沿東西方向與南北地磁方向垂直,以消除地磁影響,本測量過程使磁敏振蕩器中的自感線圈垂直放置在亥姆霍茲線圈的中部,所有GMI效應測量均在室溫下進行。3.2磁場強度對磁敏特性的影響在試驗中,通過改變磁場的大小,測量了3組R-C輸出直流電壓值,并用origin軟件進行數據處理,見圖6。圖6a和圖6b分別是磁場從小到大的3組和從大到小的3組數據的分析圖。從圖中可以看到在磁場強度逐漸增大的起始階段,輸出直流電壓的增大并不明顯;當磁場強度增大到某一值時,輸出直流電壓迅速增大;磁場強度繼續增大時,輸出直流電壓又緩慢增大并逐漸趨于飽和狀態。3組曲線幾乎重合在一起,說明磁敏材料的磁敏特性比較穩定。圖6c、圖6d和圖6e說明磁敏材料的磁滯特性幾乎不存在。從圖中還能看到磁場強度從0.1mT到0.4mT之間輸出有一個幾乎線性的迅速變化,表明對0.1mT到0.4mT之間弱磁敏感。測試的結果見表1。傳感器特性的重要指標有線性度、靈敏度、遲滯、重復性等。經過測試,可得出傳感器特性的重要指標:1線性從圖6可以看出,在0.1mT﹤B﹤0.4mT之間有很好的線性輸出,因此測量磁場強度有效范圍為0.1mT與0.4mT之間。22敏感計算可知靈敏度為:3延遲磁敏傳感器在正反行程期間其輸出—輸入特性曲線,基本上重合,因此可判斷此磁敏傳感器不存在遲滯現象。4輸出電壓特性從圖6可知,傳感器輸入量按同1方向作從小到大或從大到小連續3次變化時,所得輸出電壓的特性曲線基本一致,可重復性好。由此可見,引入鐵基納米晶材料后,傳感器的線性度、穩定性、遲滯現象、重復性等指標得以改善。3.3抗沖壓及輸出電壓磁敏振蕩器工作電壓為Vcc=15V。當振蕩器線圈中沒有加入非晶形磁體條帶時,因其輸出電壓很大,晶體管E極輸出正弦波的峰-峰值達到5.92V、均方根為2.15V,頻率為6.57MHz,R-C低通輸出直流電壓平均值Vout=4.65V。當線圈中加入磁體條帶、磁場強度為B=0mT時,晶帶不具備產生巨磁阻抗效應的條件,該晶帶的阻抗低、渦流損耗大、導致電感線圈的Q值低,晶體管不能維持LC振蕩回路的振蕩,磁敏振蕩器停振。但實際上由于客觀環境使它還是顯示出一定的阻抗效應,晶體管能正常維持LC振蕩回路的振蕩,于是輸出電壓有一定的減小,晶體管E極輸出正弦波的峰-峰值減小到0.64V、均方根為226mV,頻率為5.68MHz,R-C低通輸出直流電壓平均值Vout=0.944V當0mT﹤B﹤0.1mT時,納米晶磁體條帶在弱磁場作用下開始顯示其巨磁阻抗效應,但尚不明顯,該晶帶的阻抗升高,渦流損耗減小,導致電感的Q值升高,晶體管振蕩,R-C低通輸出電壓隨著磁場強度的逐漸增大而慢慢增大。當0.1mT﹤B﹤0.4mT時,納米晶磁體條帶在較強磁場作用下顯示明顯的巨磁阻抗效應,該晶帶的阻抗急劇升高,電感的Q值明顯增大,磁敏振蕩器強烈振蕩,R-C低通輸出電壓隨著磁場強度的逐漸增大而迅速增大,輸出線性度良好,Vout出現一線性增大,從1.32V增加到4.36V。當0.4mT﹤