蔡 晶，鄭金菊，柳 淵，何 佳，周初凱

(浙江師范大學信息電子技術(shù)研究所，浙江金華321004)

磁敏開關(guān)是利用磁場強度的不同來控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，其常應(yīng)用于轉(zhuǎn)速檢測與控制、安全報警裝置、紡織控制系統(tǒng)、汽車點火器和無觸點開關(guān)等領(lǐng)域［1］。目前，市場上應(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)在工作時開關(guān)的工作點和釋放點所需的外加磁場都很強，其靈敏度也不盡如人意。

自從1992年Mohri［2］等人在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(例如玻璃包裹非晶絲、薄膜和非晶薄帶等磁性材料)中均發(fā)現(xiàn)了較為明顯的巨磁阻抗效應(yīng)［3］。在室溫和弱磁場下就可以實現(xiàn)較大的阻抗變化，有著磁場靈敏度高、材料尺寸小、工作磁場低等特點［4－5］。

本文著眼于溫度和應(yīng)力退火后的Fe基合金薄帶具有的寬平臺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)計了一款新型的開關(guān)式磁敏傳感器。

1 巨磁阻抗效應(yīng)及材料特性

巨磁阻抗效應(yīng)GMI(Giant Magneto Impedance)是指磁性導(dǎo)體在交流電通過時其交流阻抗隨著外加直流磁場的變化而發(fā)生顯著變化的效應(yīng)?，F(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)為在任意外磁場下所測得的阻抗值，Z(Hmax)為實驗中所加外磁場最大時測得的阻抗值［6］，并且采用縱向驅(qū)動的方式［7－8］來實現(xiàn)材料的GMI效應(yīng)。

實驗中采用合金材料成分為FeCuNbSiB(各原子百分比為73.5∶1 ∶3 ∶13.5 ∶9)，用單輥快淬法制成寬度為0.34 mm±0.01 mm，厚度為40 μm±1 μm 的合金薄帶。截取長度為2 cm的Fe基合金薄帶在540℃氮氣保護和17.8 MPa拉應(yīng)力下退火1 h，待冷卻后，用HP4294A型阻抗分析儀測量Fe基納米晶薄帶的巨磁阻抗，其外磁場由Hemholtz線圈提供。

圖1是驅(qū)動頻率為400 kHz下的Fe基納米晶薄帶的GMI測量結(jié)果，從中可以看出:Fe基納米晶薄帶的巨磁阻抗比在近零磁場附近達到最大值約為1 000%;當磁場在±500 A/m之內(nèi)以及在±1 000 A/m之外變化很小，只在 500 A/m～1 000 A/m(－500 A/m～－1 000 A/m)有一個跳變，這種巨磁阻抗比曲線的“平臺”與磁敏開關(guān)輸出的高低電平狀態(tài)非常相似。

2.1 磁電轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計參照LC型磁電轉(zhuǎn)換電路［9］，在其基礎(chǔ)上進行了一定的改進，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主要有兩部分組成，一部分是與經(jīng)典的考畢茲振蕩電路類似的，由三極管、電容和電感等組成的三點式振蕩電路，另一部分是RC低通濾波電路。在電路中的磁敏元件部分，如圖3所示，為自繞的一定內(nèi)徑和匝數(shù)的線圈，內(nèi)置納米晶薄帶，而這正好解決了磁敏材料和電路板焊接比較困難的問題。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、長度為18 mm、匝數(shù)為200匝，其中內(nèi)置Fe基合金薄帶。Hex為外加磁場，其方向平行于Fe基合金薄帶軸向。

圖1 Fe基納米晶帶的巨磁阻抗特性

2 磁敏開關(guān)電路設(shè)計

開關(guān)電路由磁電轉(zhuǎn)換電路、溫度補償電路和電壓比較電路組成，具體電路原理圖如圖2所示。

2.2 溫度補償部分

通過對LC型磁電轉(zhuǎn)換電路的分析［8］，可以看出該電路的重復(fù)性好，無遲滯，但由于電子元器件的溫漂較大，使得該電路的溫度穩(wěn)定型較差，為此實驗中設(shè)計了對稱補償電路來解決整個傳感電路的溫漂問題［10－12］。

圖2 磁敏開關(guān)電路

圖3 敏感元件示意圖

圖2溫度補償部分所示的電路主要有兩部分組成:一部分是一個與磁電轉(zhuǎn)換電路參數(shù)基本相同的對稱型LC振蕩電路，不同的是LC型磁電轉(zhuǎn)換電路中帶有自繞的電感線圈內(nèi)置退火后的Fe基合金薄帶，而LC型振蕩電路中只接入固定電感，電路的輸出幅值不會隨著磁場的變化而發(fā)生變化;另一部分是差分放大電路。此部分電路的基本工作原理是:含有內(nèi)置Fe基合金薄帶電感線圈的LC型磁電轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與外磁場的變化有關(guān)，不包含F(xiàn)e基合金薄帶的振蕩電路的輸出電壓與磁場無關(guān)，將這兩個輸出電壓作為差模信號接入差分放大電路，從而使最后的輸出電壓信號受到磁場的調(diào)制，并呈現(xiàn)出高低電平狀態(tài)。此外，由于除電感外兩個LC型振蕩電路的其它電路元件參數(shù)基本一致，當環(huán)境溫度改變時，兩個電路輸出電壓的變化也將基本一致，當把這兩個輸出電壓信號相減后，它們的差只與外磁場有關(guān)，而基本不受環(huán)境溫度的影響，并且差分放大電路中的集成運算放大器為低溫漂型，從而環(huán)境溫度改變時，開關(guān)的工作點變化較小，實現(xiàn)了低溫漂型磁敏開關(guān)的研制。

2.3 電壓比較電路

由于磁電轉(zhuǎn)換后經(jīng)過電路輸出的波形如圖5所示，此電信號不是很規(guī)則，還要經(jīng)過整形電路加以處理，得到規(guī)則脈沖電路。本文采用集成定時器555制成一個整形電路。

3 開關(guān)電路分析

3.1 實驗環(huán)境

為了測試磁敏開關(guān)在不同的環(huán)境溫度下，開關(guān)的工作點的變化情況，實驗中將把電路放在能產(chǎn)生最高溫度為120℃左右的恒溫裝置中測量，并且在裝置外圍裝上能產(chǎn)生恒定磁場的亥姆霍茲線圈。由于自制的恒溫裝置較為簡易，測量范圍受到限制只能從室溫到120℃。

3.2 實驗結(jié)果

傳感器的基本特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性，限于條件只討論靜態(tài)特性。通常用來衡量它的重要指標包括溫漂、重復(fù)性和遲滯性等。

圖4中A曲線是LC型磁電轉(zhuǎn)換電路的工作點與溫度的關(guān)系，B曲線是本文所設(shè)計的低溫漂對稱電路的工作點與溫度的關(guān)系。

圖4 兩種不同開關(guān)電路的工作點隨溫度變化曲線

可以明顯的看出，LC磁電轉(zhuǎn)換電路與低溫漂對稱電路相比，LC磁電轉(zhuǎn)換電路開關(guān)的工作點隨溫度的變化明顯要比對稱電路的大的多?？梢杂檬?2)算出兩種開關(guān)的溫度漂移量的百分比:LC型磁電轉(zhuǎn)換電路的偏移量百分比是:189.4℅，低溫漂對稱電路的偏移量百分比是33.2℅。所以要采用對稱電路來抑制溫漂，從而實現(xiàn)低溫漂型磁敏開關(guān)的研制。

其中ymax為所測溫度為115℃時，開關(guān)點所需磁場，ymin為所測溫度10℃時，開關(guān)點所需磁場，Δt為兩者的溫度差，即為105℃。

圖5是低溫漂對稱電路兩組重復(fù)性數(shù)據(jù)測量結(jié)果(環(huán)境溫度為10℃)，C，D兩曲線是外加磁場從小增大(正行程)時，電路輸出電壓變化的情況。通過式(3)算出重復(fù)值:

圖5 低溫漂對稱電路隨磁場變化的重復(fù)性曲線

圖6中C、E兩曲線是低溫漂對稱電路兩組遲滯性分析數(shù)據(jù)測量結(jié)果，C曲線是外加磁場從小增大(正行程)時，電路輸出電壓變化的情況;E曲線是外加磁場從大增小(負行程)時，電路輸出電壓變化的情況。通過式(4)算出遲滯值:

圖6 低溫漂對稱電路隨磁場變化的遲滯性曲線

從上述兩組圖像可以看出，本文所設(shè)計的磁敏傳感器重復(fù)性好，遲滯誤差小。

4 結(jié)論

根據(jù)上述理論和實驗結(jié)果表明:(1)溫度和拉應(yīng)力退火后的 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄帶具有寬平臺和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，將這種特性應(yīng)用到磁敏開關(guān)中是合理且可行的;(2)采用LC振蕩電路驅(qū)動，該傳感電路設(shè)計簡單、重復(fù)性好(±2.3%)、遲滯誤差小(4.15%);(3)傳感電路采用對稱差動設(shè)計，改善了整個傳感器的溫漂特性(33．2%)，提高了其穩(wěn)定性。

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