蔡 晶， 鄭金菊， 柳 淵， 何 佳， 周初凱

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江 金華 321004)

一種新型巨磁阻抗磁敏開關(guān)的設(shè)計(jì)*

蔡 晶， 鄭金菊， 柳 淵， 何 佳， 周初凱

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,浙江 金華 321004)

利用540 ℃和17.8 MPa退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶合金薄帶具有寬平臺(tái)和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性研制了一款新型磁敏開關(guān),并介紹了磁敏材料的GMI特性及磁敏開關(guān)的電路設(shè)計(jì)原理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該磁敏開關(guān)的重復(fù)性好(2.06%)，遲滯誤差小(2.71%).

磁敏開關(guān)；巨磁阻抗效應(yīng)；Fe基合金薄帶；LC諧振回路

0 引 言

磁敏開關(guān)是利用磁場(chǎng)強(qiáng)度的不同來控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，常應(yīng)用于轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與控制、安全報(bào)警裝置、紡織控制系統(tǒng)、汽車點(diǎn)火器和無觸點(diǎn)開關(guān)等領(lǐng)域[1-2].目前，市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的磁敏開關(guān)是霍爾開關(guān)，但是霍爾開關(guān)在工作時(shí)其工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)所需的外加磁場(chǎng)都很強(qiáng).

自從1992年Mohri等[3]在Co基非晶絲中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)以來，研究者陸續(xù)在Fe基非晶金屬材料(如玻璃包裹非晶絲、薄膜和非晶納米晶薄帶等磁性材料)中發(fā)現(xiàn)了較為明顯的巨磁阻抗效應(yīng)[4].該效應(yīng)具有靈敏度高、反應(yīng)快、利于微型化，可廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、生物醫(yī)療、自動(dòng)控制、安全生產(chǎn)、國(guó)防等各行業(yè)，還可以用于磁場(chǎng)、位移、扭矩、計(jì)數(shù)、測(cè)速、無損傷等方面[5-6].

本文基于溫度和應(yīng)力退火后的Fe基合金薄帶具有的寬平臺(tái)和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，結(jié)合磁電轉(zhuǎn)換電路，設(shè)計(jì)了一款新型的開關(guān)式磁敏傳感器.

1 巨磁阻抗效應(yīng)及納米晶材料特性

巨磁阻抗效應(yīng)(Giant Magneto Impedance，GMI)是指磁性導(dǎo)體在交流電通過時(shí)其交流阻抗隨著外加直流磁場(chǎng)的變化而發(fā)生顯著變化的效應(yīng).現(xiàn)在通常用巨磁阻抗比來衡量巨磁阻抗效應(yīng)的大小，巨磁阻抗比的定義如下：

式(1)中:Z(H)為在任意外磁場(chǎng)下所測(cè)得的阻抗值，Z(Hmax)為實(shí)驗(yàn)中所加外磁場(chǎng)最大時(shí)測(cè)得的阻抗值[6]，并且采用縱向驅(qū)動(dòng)的方式[7-8]來實(shí)現(xiàn)材料的GMI效應(yīng).

圖1 Fe基納米晶薄帶的巨磁阻抗特性

實(shí)驗(yàn)采用非晶材料成分為FeCuNbSiB(各原子質(zhì)量百分比為73.5∶1∶3∶13.5∶9)，用單輥快淬法制成寬度為(0.34±0.01) mm，厚度為(40±1) μm的合金薄帶.截取長(zhǎng)度為2 cm的Fe基非晶薄帶在540 ℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下加不同應(yīng)力退火1 h，待冷卻后，用HP4294A型阻抗分析儀測(cè)量Fe基合金薄帶的巨磁阻抗.

圖1是Fe基納米晶薄帶的GMI測(cè)量結(jié)果，從中可以看出：Fe基合金薄帶的巨磁阻抗比在零磁場(chǎng)附近達(dá)到最大值約為900%；當(dāng)磁場(chǎng)在±500 A/m之內(nèi)及在±1 000 A/m之外時(shí)變化很小，只在500～1 000 A/m(-500～-1 000 A/m)有一個(gè)跳變，這種巨磁阻抗比曲線的“平臺(tái)” 與磁敏開關(guān)輸出的高低電平狀態(tài)非常相似.

2 磁敏開關(guān)電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電路由磁電轉(zhuǎn)換電路[9-10]和調(diào)零放大電路組成，電路原理如圖2所示.

圖2 磁敏開關(guān)電路

2.1磁電轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)參照LC型磁電轉(zhuǎn)換電路，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，提高了電路輸出的穩(wěn)定性.圖2中磁敏傳感部分所示的電路是與經(jīng)典的考畢茲振蕩電路類似，由三極管、電容和電感等組成的三端式磁敏振蕩電路.電路中的磁敏元件為自繞的一定內(nèi)徑和匝數(shù)的線圈，內(nèi)置Fe基合金薄帶，如圖3所示，其中:線圈由直徑為0.08 mm的漆包線繞制而成，內(nèi)徑為1.62 mm,長(zhǎng)度為18 mm,匝數(shù)為200匝，Hex為外加磁場(chǎng)，其方向平行于Fe基合金薄帶軸向.

圖3 敏感元件示意圖

2.2濾波電路

磁敏振蕩電路的輸出是頻率為幾百kHz的信號(hào)，不利于后續(xù)電路的處理，故采用了簡(jiǎn)單的RC低通電路，取出直流量，由于該電路的帶負(fù)載能力差，因此,又在其后加了一個(gè)電壓跟隨器.

2.3調(diào)零放大電路

在外加磁場(chǎng)為0～1 800 A/m時(shí)，濾波電路的輸出電壓為2.7～3.7 V，壓差大約為1.01 V，這不便于后續(xù)電路對(duì)此信號(hào)的識(shí)別與提取.因此，在其后續(xù)上又添加了一個(gè)調(diào)零放大電路.該電路利用集成運(yùn)放構(gòu)成差分放大電路,通過調(diào)節(jié)運(yùn)放同相端的電位器RV1，使得在外加磁場(chǎng)為0～500 A/m時(shí)輸出電壓基本在0 V左右.再經(jīng)過同相放大后，該信號(hào)就可以直接被后續(xù)電路所識(shí)別.

3 開關(guān)電路分析

3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)中，外加直流磁場(chǎng)由直流電源與亥姆霍茲線圈產(chǎn)生，測(cè)量時(shí)將磁敏傳感器的電感線圈放在亥姆霍茲線圈的中央，要求與亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)平行且與地磁場(chǎng)垂直(減弱地磁場(chǎng)的影響).

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳感器的基本特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，限于條件只討論靜態(tài)特性.傳感器的靜態(tài)特性是指檢測(cè)系統(tǒng)的輸入為不隨時(shí)間變化的恒定信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系，通常用來衡量它的重要指標(biāo),包括重復(fù)性、遲滯性等.

圖4 磁敏開關(guān)電路隨磁場(chǎng)變化的重復(fù)性曲線

圖4是2組重復(fù)性數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果(環(huán)境溫度為10 ℃)，a,b曲線都是外加磁場(chǎng)從小增大(正行程)時(shí)，開關(guān)電路輸出電壓變化的情況.通過下式算出重復(fù)值：

式(2)中：δR為重復(fù)值；ΔRmax為正反行程中最大重復(fù)值差；YFS是滿量程輸出值.

圖5是2組遲滯性數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果(環(huán)境溫度為10 ℃).a曲線是外加磁場(chǎng)從小增大(正行程)時(shí)電路輸出電壓變化的情況；c曲線是外加磁場(chǎng)從大變小(反行程)時(shí)電路輸出電壓變化的情況.通過下式算出遲滯值:

圖5 磁敏開關(guān)電路隨磁場(chǎng)變化的遲滯性曲線

式(3)中：δH是遲滯值；ΔHmax是遲滯最大值.

從上述2組圖像可以看出，本文所設(shè)計(jì)的磁敏開關(guān)重復(fù)性好，基本無遲滯.

4 結(jié) 論

根據(jù)溫度應(yīng)力退火后的Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄帶的巨磁阻抗特性以及相應(yīng)電路的設(shè)計(jì)，研制新型的開關(guān)式磁敏傳感器.該傳感電路重復(fù)性好，基本無遲滯.由此可見，該傳感器將在轉(zhuǎn)速檢測(cè)與控制、安全報(bào)警裝置、紡織控制系統(tǒng)、汽車點(diǎn)火器和無觸點(diǎn)開關(guān)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

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(責(zé)任編輯 杜利民)

Anewkindofmagneticswitchbasedonthegiant-magneto-impedance

CAI Jing, ZHENG Jinju, LIU Yuan, HE Jia, ZHOU Chukai

(CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

A new kind of magnetic switch was developed based on the giant-magneto-impedance effect (GMI) of Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9amorphous ribbon annealed under the stress of 17.8 MPa and at 540 ℃, which had wide platform and steep decline of the GMI characteristics.The GMI characteristics of magnetic materials and the design principle of magnetic switch were introduced. In addition, the magnetic characteristic of the magnetic switch had been measured. The results showed that the sensor had good repeatability(2.06%) and almost no hysteresis(2.71%).

magnetic switch; giant magneto-impedance effect; Fe-based alloy ribbon; LC resonant circuit

TP212.13

B

1001-5051(2013)01-0079-04

2012-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50871104 )；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(2010R404025)

蔡 晶(1987-),女,浙江紹興人,碩士研究生.研究方向:新型磁敏傳感器.

鄭金菊.E-mail: zjj@zjnu.cn