關(guān)　洋，張曉明，2*，沈丹丹，呂憶玲，王天宇

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

Fe3O4/PDMS復(fù)合材料磁電容微弱信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)*

關(guān)洋1，張曉明1，2*，沈丹丹1，呂憶玲1，王天宇1

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

針對(duì)Fe3O4/PDMS復(fù)合材料磁電容信號(hào)變化微弱，檢測(cè)困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于充放電法的微小電容檢測(cè)電路。詳細(xì)論述了組成該電路的脈沖激勵(lì)模塊、C-V轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊及載波調(diào)解模塊的原理及功能，同時(shí)搭建硬件平臺(tái)對(duì)復(fù)合材料磁電容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)Fe3O4/PDMS納米復(fù)合材料磁電容平行板結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在pF級(jí)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)電路的輸出線(xiàn)性度較好，電路的標(biāo)度因數(shù)與理論值相差較小。測(cè)試電路具有響應(yīng)快速、外部電路簡(jiǎn)單、易于集成、穩(wěn)定好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

Fe3O4/PDMS復(fù)合材料；充放電法；脈沖激勵(lì)模塊；C-V轉(zhuǎn)換模塊；信號(hào)調(diào)理模塊；載波調(diào)解模塊

微型磁傳感器以其微小尺度性、可集成制造性、低功耗特性、高可靠性以等優(yōu)點(diǎn)順應(yīng)了磁傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，是弱磁場(chǎng)傳感器技術(shù)發(fā)展和研究的熱點(diǎn)［1］?，F(xiàn)階段較高精度的微型磁傳感器主要為AMR、GMR和TMR等磁阻傳感器，該類(lèi)傳感器是通過(guò)磁場(chǎng)作用下材料阻值變化來(lái)敏感磁場(chǎng)的，但磁敏材料的電阻值受溫度變化影響，限制了其在寬溫度范圍環(huán)境中的應(yīng)用，同時(shí)磁敏材料的磁滯特性會(huì)導(dǎo)致傳感器在高頻變化磁場(chǎng)中零點(diǎn)和靈敏度參數(shù)產(chǎn)生漂移［2］。本文中提出的Fe3O4/PDMS是一種納米復(fù)合材料。

在納米顆粒中，一般含有鐵、鈷、鎳元素的納米顆粒具有一定的軟磁特性，如Fe、Co、Ni單質(zhì)納米顆粒、含有單一元素或多種元素的氧化物納米顆粒等?，F(xiàn)階段針對(duì)Fe3O4納米顆粒的制備、特性以及應(yīng)用的研究最為廣泛，主要由于Fe3O4納米顆粒的制備方法簡(jiǎn)單并且具有良好的軟磁特性。另外，塊狀的Fe3O4材料具有較高的居里溫度（850 K），即在溫度高于850 K時(shí)，該材料具有超順磁特性；聚二甲基硅烷（PDMS）是一種有機(jī)硅高分子化合物，通常稱(chēng)之為有機(jī)硅。PDMS具有惰性、無(wú)毒、不易燃以及光學(xué)透明的特性，能夠應(yīng)用于隱形眼鏡、醫(yī)療設(shè)備彈性體等領(lǐng)域。PDMS材料能夠廣泛應(yīng)用的另一個(gè)原因是其具有一定的流變特性，即在液體狀態(tài)下該材料具有很好的流動(dòng)性，易于注入成形模具中。該特性使得其被廣泛應(yīng)用于微流體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。通常在100 kPa～3 MPa之間，具有很好的彈性形變，在較小的應(yīng)力下能產(chǎn)生較大的壓應(yīng)變，從而能夠使其復(fù)合材料在較小的環(huán)境磁場(chǎng)下產(chǎn)生較大的材料厚度形變量，產(chǎn)生較大的磁電容效應(yīng)。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375463）

收稿日期：2015-07-14修改日期：2015-08-10

磁電容效應(yīng)是指在外部磁場(chǎng)的作用下材料的電容或介電常數(shù)發(fā)生變化的一種現(xiàn)象［3］。磁電容效應(yīng)的應(yīng)用范圍較廣，其在磁場(chǎng)探測(cè)、智能濾波、多態(tài)記憶元以及磁場(chǎng)控制的壓電傳感器中都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。該效應(yīng)是繼磁電阻效應(yīng)之后又一研究熱點(diǎn)［4］。

通過(guò)對(duì)Fe3O4/PDMS復(fù)合材料磁電容的特性分析可以得到復(fù)合材料電容隨環(huán)境磁場(chǎng)及時(shí)間的變化公式如下所示。

其中C0為磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)納米顆粒的電容值，M為材料顆粒磁化強(qiáng)度，μ0為真空磁導(dǎo)率，Φ為材料中納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)，Δ為顆粒間距離的變化量，E 為PDMS材料的彈性模量；δ為零磁場(chǎng)環(huán)境下材料厚度方向上顆粒間平均距離［5］。

由上述公式可知Fe3O4/PDMS復(fù)合材料磁電容在不同磁場(chǎng)環(huán)境下的電容值變化很小，外部施加幾百赫茲頻率的變化磁場(chǎng)，其電容變化在pF級(jí)，又存在電容結(jié)構(gòu)及其連接導(dǎo)線(xiàn)之間的寄生電容的影響，這對(duì)電容信號(hào)的檢測(cè)電路提出了非常高的要求［6］。近幾年，微小電容檢測(cè)電路被廣泛研究。一般微小電容檢測(cè)電路都有一個(gè)對(duì)被測(cè)電容進(jìn)行充放電的過(guò)程，將電容量轉(zhuǎn)化為電壓、電流等非電容量［7］。本文設(shè)計(jì)了一種基于充放電法的微小電容檢測(cè)電路。通過(guò)測(cè)試Fe3O4/PDMS納米復(fù)合材料磁電容平行板，可以得出該電路能夠檢測(cè)出微小電容的變化，具有響應(yīng)快速、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1　電容檢測(cè)原理

當(dāng)前比較流行的幾種電容檢測(cè)電路包括諧振電路、橋式電路、脈沖調(diào)頻電路、運(yùn)算放大電路、充放電式電路和開(kāi)關(guān)電容檢測(cè)電路等。其中充放電式電路的原理是利用不同容值的電容充放電時(shí)間不同的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行電容檢測(cè)，本文所設(shè)計(jì)的電路就是利用充放電法來(lái)進(jìn)行微小電容的檢測(cè)［8］。將一定頻率和幅值的交變信號(hào)加載到待測(cè)電容兩端，從而使得待測(cè)電容兩端的充電過(guò)程和放電過(guò)程會(huì)隨著電容值的不同而不同。經(jīng)過(guò)對(duì)電容兩端的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理就可得到與電容值相關(guān)電壓信號(hào)。利用充放電法設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、信號(hào)獲取速度較快、外部電路簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)這種方法可以用于差分電容的檢測(cè)。如圖1為5 V電壓充電時(shí)，不同電容值兩端的電壓差的仿真圖。圖中可以看出當(dāng)兩端電容不同時(shí)其充電差值最大值不相同。

圖1　充電過(guò)程仿真

2　硬件電路設(shè)計(jì)

該電路是基于充放電原理來(lái)進(jìn)行微小電容的檢測(cè)，其主要包括脈沖激勵(lì)模塊、C-V轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊以及電源模塊，其原理框圖如圖2所示。

圖2　電路原理框圖

脈沖激勵(lì)模塊為C-V轉(zhuǎn)化電路提供高頻載波。C-V轉(zhuǎn)換電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分的電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理模塊將差分信號(hào)放大并升壓到采集系統(tǒng)可采集范圍內(nèi)。最后將高頻載波信號(hào)進(jìn)行濾波分離，提取有用信號(hào)。整個(gè)過(guò)程中使用了兩個(gè)REFl95芯片作為檢測(cè)電路的穩(wěn)壓芯片，為各個(gè)模塊提供電源支持［9］。

2.1脈沖激勵(lì)模塊

該模塊主要是為充放電模塊提供高頻載波信號(hào)，其主要是采用基于施密特觸發(fā)器的多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生高頻矩形波信號(hào)。在選擇激勵(lì)脈沖信號(hào)頻率時(shí)需要考慮以下3點(diǎn)：（1）激勵(lì)脈沖頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載體轉(zhuǎn)動(dòng)頻率；（2）激勵(lì)脈沖頻率應(yīng)避免產(chǎn)生自激振蕩頻率；（3）激勵(lì)脈沖周期的選擇。本文選擇集成施密特觸發(fā)器來(lái)設(shè)計(jì)激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電路，其原理圖如圖3所示。該電路只需調(diào)節(jié)電阻和電容即可實(shí)現(xiàn)不同頻率的激勵(lì)信號(hào)。

圖3　施密特觸發(fā)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路

對(duì)于Fe3O4/PDMS納米復(fù)合材料磁電容而言，當(dāng)外界磁場(chǎng)在幾百赫茲頻率變化時(shí)才會(huì)產(chǎn)生磁電容效應(yīng)［10］。同時(shí)考慮到精密儀表放大器的增益帶寬在放大10倍～100倍時(shí)為800 kHz～120 kHz，因此將載波信號(hào)選為50 kHz［11］。

該電路的主要原理是，系統(tǒng)剛上電時(shí)電容C1電壓為零，V1為低電平，此時(shí)由于V0處為高電平，施密特觸發(fā)器反向輸出高電平。當(dāng)電容C1通過(guò)R1充電時(shí)，V1端的電壓會(huì)不斷的增大，當(dāng)電壓增大到施密特觸發(fā)器的高電平閾值時(shí)，施密特觸發(fā)器的反向端會(huì)輸出低電平。這樣會(huì)使V0端的電壓被拉低，V0就會(huì)變?yōu)榈碗娖?，由于V0變成低電平，電容C1會(huì)通過(guò)R1回路進(jìn)行放電，在放電的過(guò)程中，當(dāng)電壓值達(dá)到低電平的閾值時(shí)，施密特觸發(fā)器反向端輸出高電平，又使得V0重新變?yōu)楦唠娖?。因?yàn)殡娙莸某浞烹姇r(shí)間非常快，使得上述過(guò)程在非常短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行不斷重復(fù)，進(jìn)而輸出方波信號(hào)。所以實(shí)際使用時(shí)，整個(gè)模擬電路單獨(dú)使用REFl95芯片作為穩(wěn)壓芯片［12］。主要是因?yàn)樵谏鲜鲞^(guò)程中，反向器的輸出端電壓和輸入端V0的電壓總是相反的，導(dǎo)致電源上的紋波信號(hào)和電路的電流會(huì)很大。因此需要單獨(dú)使用穩(wěn)壓芯片。圖4是載波產(chǎn)生模塊的電路原理圖。對(duì)載波信號(hào)發(fā)生模塊進(jìn)行Multisim仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖4　載波信號(hào)的電路原理圖

圖5　載波信號(hào)模塊仿真圖

從仿真結(jié)果可以看出該電路脈沖信號(hào)的幅值為5 V，周期為20 μs，頻率約為50 kHz。符合電路的設(shè)計(jì)要求。

2.2C-V轉(zhuǎn)換模塊

該模塊是由電阻、電容及二極管組成的，其具體工作原理是當(dāng)激勵(lì)脈沖為高電平時(shí)，此時(shí)通過(guò)電阻給待測(cè)電容充電；由于在充電過(guò)程與放電過(guò)程中的輸出電壓大小相同符號(hào)相反，為了防止濾波后電路的輸出發(fā)生混淆，采取在電路的電阻兩端各加入一個(gè)二極管的方法，該二極管的作用是加快電容放電，但保留電容的充電過(guò)程。所以當(dāng)激勵(lì)脈沖為低電平時(shí)，此時(shí)待測(cè)電容中的電量通過(guò)二極管釋放，然后將這兩個(gè)信號(hào)差分放大后即可測(cè)得。其原理圖如圖6所示。

圖6　C-V轉(zhuǎn)化電路

2.3信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊的主要功能是對(duì)磁電容的輸出信號(hào)進(jìn)行差分放大。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)C-V轉(zhuǎn)換后，由于輸出信號(hào)比較微弱，所以就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。然后再通過(guò)濾波將高頻載波信號(hào)去除，獲得解調(diào)后的信號(hào)。其原理圖如圖7所示。由于現(xiàn)行的A/D轉(zhuǎn)化芯片一般只能轉(zhuǎn)化正向電壓，因此經(jīng)調(diào)理放大后的電壓信號(hào)必須是正向電壓。為了避免電容差帶來(lái)的負(fù)向電壓，設(shè)計(jì)了一種帶升壓的差分放大電路，同時(shí)采用高精度的儀表放大器來(lái)保證放大精度。該電路選用AD8224作為放大電路的核心。AD8224是一款可單電源供電的雙通道儀表放大器，體積較小。作為差分放大器，其共模抑制比大于86 dB。查詢(xún)AD8224的芯片資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)G=10時(shí)輸出的幅頻特性比較穩(wěn)定。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電容值在±3 PF內(nèi)變化時(shí)，最大輸出是±160 mV，將放大倍數(shù)調(diào)節(jié)到10倍時(shí)能夠滿(mǎn)足輸出盡量最大化且不飽和。

圖7　帶差分放大的調(diào)理模塊

圖8是放大電路的仿真圖。仿真時(shí)，載入波形是頻率為64 kHz，幅值為±160 mV的正弦波形。輸出時(shí)電壓零點(diǎn)被升壓到2.5 V，且幅值達(dá)到±1.63 V。與理論輸出差值為0.03 V，達(dá)到了設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。

圖8　信號(hào)放大multisim仿真

2.4載波解調(diào)模塊

放大電路的輸出只是將波形按比例放大并且升壓，波形中含有載波信號(hào)，通過(guò)濾波可以從調(diào)制信號(hào)中提取出磁電容結(jié)構(gòu)的輸出信號(hào)。本文選用Fe3O4/PDMS納米復(fù)合材料磁電容平行板結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其設(shè)計(jì)的工作頻率在10 Hz～60 Hz，脈沖激勵(lì)模塊的載波頻率設(shè)計(jì)為64 kHz，所以本文通過(guò)設(shè)計(jì)低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。在C-V轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很多諧波的干擾，同時(shí)為了減小系統(tǒng)的噪聲，因此在實(shí)際使用時(shí)將濾波器的截止頻率盡量靠近工作頻率，以濾去不必要的雜波信號(hào)。那么本小節(jié)要設(shè)計(jì)的濾波器的截止頻率應(yīng)當(dāng)在60 Hz到64 kHz之間。一階有源低通濾波電路的設(shè)計(jì)原理圖如圖9所示。該電路是由電阻、電容和放大器組成。通過(guò)RC組成的無(wú)源濾波進(jìn)行信號(hào)濾波。放大器和反饋電阻構(gòu)成電壓增益跟隨。

圖9　一階有源低通濾波器原理圖

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了分析Fe3O4/PDMS復(fù)合材料在零磁場(chǎng)環(huán)境下的自身介電特性，我們針對(duì)包含200 nm顆粒具有不同體積分?jǐn)?shù)的磁電容樣本（#1～#5，#7）在零磁場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行不同頻率下樣本的相對(duì)介電常數(shù)（κ′）與相對(duì)損耗系數(shù)（κ″）的響應(yīng)特性測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，零場(chǎng)下納米復(fù)合材料的相對(duì)介電常數(shù)與介電損耗隨電場(chǎng)頻率的增大而減小，在電場(chǎng)頻率大于200 kHz情況下，相對(duì)介電常數(shù)與介電損耗因子隨電場(chǎng)頻率的變化趨向穩(wěn)定，同時(shí)純PDMS復(fù)合材料的介電特性不隨磁場(chǎng)的變化而變化。

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用納米復(fù)合材料磁電容平行板結(jié)構(gòu)，當(dāng)選用的被測(cè)電容結(jié)構(gòu)附近存在一塊導(dǎo)體并且在被測(cè)電容結(jié)構(gòu)兩端施加測(cè)量激勵(lì)信號(hào)時(shí)，電容結(jié)構(gòu)與導(dǎo)體間會(huì)出現(xiàn)一定的電勢(shì)差。這樣會(huì)產(chǎn)生寄生電容，該電容致使測(cè)量信號(hào)泄漏至導(dǎo)體中［6］。寄生電容會(huì)使電容測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，因此，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)該去除寄生電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。Fe3O4/PDMS納米復(fù)合材料樣本如圖11所示。

圖10　相對(duì)介電常數(shù)（κ′）與介電損耗（κ″）的頻率響應(yīng)特性

圖11　Fe3O4/PDMS納米復(fù)合材料樣本

實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的寄生電容主要是由未屏蔽的高低電平測(cè)量端口連線(xiàn)之間產(chǎn)生的，其消除方式是將測(cè)試端口連線(xiàn)換為屏蔽線(xiàn)，其外部屏蔽層連接到電路外部電位。這樣即可消除寄生電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。磁電容平行板實(shí)物如圖12所示。

圖12　磁電容平行板實(shí)物圖

本文通過(guò)使用磁電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)電路的標(biāo)定和檢測(cè)電路的功能測(cè)試，通過(guò)計(jì)算得到的電容檢測(cè)電路的標(biāo)定因數(shù)，將其與理論值進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證電容檢測(cè)電路的正確性。表1是檢測(cè)電路對(duì)使用不同容值的磁電容的測(cè)試結(jié)果。

表1　測(cè)試結(jié)果

圖13是將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電容差值和電壓值進(jìn)行線(xiàn)性擬合后的結(jié)果?？梢缘贸鰯M合參數(shù)：k=2.04 V/pF，U0=2.52 V。

圖13　測(cè)試結(jié)果直線(xiàn)擬合圖

根據(jù)上述輸出結(jié)果可知，動(dòng)態(tài)電容檢測(cè)電路的輸出線(xiàn)性度較好，電路的標(biāo)度因數(shù)k=2.042 V/pF，理論計(jì)算得到的k值為2 V/pF，考慮到噪聲、寄生電容的影響，會(huì)造成一定的誤差。檢測(cè)電路的輸出零點(diǎn)U0=2.52 V，與理論值2.5 V相差不大，因此所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)電容檢測(cè)電路的輸出特性較好，與理論設(shè)計(jì)結(jié)果相吻合。

4　結(jié)論

本文詳細(xì)論述了適用于納米復(fù)合材料磁電容微弱信號(hào)的檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，包括對(duì)脈沖激勵(lì)模塊、CV轉(zhuǎn)換模塊及信號(hào)調(diào)理模塊的原理分析和功能介紹。并制作磁電容平行板結(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路能夠檢測(cè)到磁電容容值的微弱變化，通過(guò)計(jì)算對(duì)比可知：電路的標(biāo)度因數(shù)精度較高、線(xiàn)性度較好，具有響應(yīng)快速、外部電路簡(jiǎn)單、易于集成、穩(wěn)定好、成本低的優(yōu)點(diǎn)。滿(mǎn)足微小電容檢測(cè)電路的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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［10］唐建國(guó).層狀磁電復(fù)合材料的磁電容效應(yīng)［D］.南京：南京師范大學(xué)，2011.

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關(guān)洋（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈卮艑?dǎo)航系統(tǒng)，guanyang97@ 126.com；

張曉明（1976-），男，山西省新絳縣人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)在中北大學(xué)“儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試冶教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作，主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試及組合導(dǎo)航，zxm_auto@nuc.edu.cn。

Design of Weak Signal Detection Circuit for Magnetic Capacitance of Fe3O4/PDMS Composite Material*

GUAN Yang1，ZHANG Xiaoming1，2*，SHEN Dandan1，Lü Yiling1，WANG Tianyu1
（1.North University of China Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measuremen（tNorth University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

In view of the problem that it is weak to change and difficult to detect the magnetic capacitance signal of Fe3O4/PDMS Composites.A micro capacitance detection circuit has been designed based on the charging and discharging method.The circuit is composed of a pulse excitation module，a C-V conversion module，a signal conditioning module and a carrier mediated module.The hardware design of the circuit and experimental verification are discussed in detail.The results show that in the range of pF，the output linearity of the detection circuit is good，it is smaller difference between circuit scale factor and the theoretical value.The test circuit has the advantages of fast response，simple external circuit，easy integration，good stability and low cost.

Fe3O4/PDMS Composites，charge-discharge method；pulse excitation module；a C-V conversion module；a signal conditioning module；carrier mediated module

TP206

A

1005-9490（2016）03-0680-06

EEACC：723010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.035