[發明專利]基于磁機電雙諧振式的巨磁阻抗磁傳感器

有效

• 申請號: 201910369605.0
• 申請日: 2019-05-06
• 公開（公告）號: CN111896896B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 王遙;陳蕾
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01R33/06
• 分類號: G01R33/06
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于磁機電雙諧振式的巨磁阻抗磁傳感器，由基于多層變截面梭型鐵基納米晶軟磁薄膜、第一疊層平面線圈、第二疊層平面線圈、壓電/超磁致伸縮層合物陣列和壓電梁驅動的MEMS可調電容組成，本發明能有效地將最優工作頻率降至MHz以下，并突破了軟磁材料的磁導率限制，通過外部磁場和隨磁場變化的磁力，進一步增大了磁疇運動隨磁場變化的靈敏度。通過調節直流電壓對壓電驅動層的輸入，以同時引起GMI磁傳感器的磁機和電容電感雙諧振，進一步提高了探測靈敏度。

技術領域

本發明涉及直流磁場傳感器，特別是一種基于磁機電雙諧振式的巨磁阻抗(GMI)磁傳感器。

背景技術

高分辨率弱磁場傳感器對于國防工程、醫學、生物學、航天工程和工業等領域有著重要的意義。為了滿足實時微弱磁場測量，需要滿足分辨率高(1nT)、響應速度快(1kHz)、體積小和功率低等指標。目前磁感應傳感器的精度最高可以達到10^-14T，但制作復雜而且不能測量靜態或緩慢變化的磁場。超導量子干涉儀是目前靈敏度最高的磁場測量儀，分辨率極限可以達到10^-11Oe，但是必須在液氦溫度(4K)以下才能正常工作而且體積龐大，造價昂貴和功耗高。磁共振法在整個測量范圍內需要更換不同共振頻率的探頭，不便于連續測量，而且探頭得到的信號較弱，對外界的干擾敏感。磁通門磁力計的精度可以達到10^-6Oe，但是其體積較大，響應速度較低和功耗較高。霍爾傳感器主要是用于測量較強的磁場(1～10⁶Oe)，而且靈敏度不高。巨磁電阻磁傳感器的探測范圍主要在0.1～10²Oe,但是由于分辨率不夠高，磁滯和溫度不穩定等缺點導致其也不適合微弱磁場測量。相比之下，自從1992年日本名古屋大學K.Mohri等發現CoFeSiB非晶絲的阻抗隨外部直流磁場的增加而急劇變化，基于巨磁阻抗效應的磁傳感器憑借其磁場靈敏度高、穩定性好、響應速度快、所需偏置磁場小和體積小等優點成為微弱磁場探測的研究熱點。尤其薄膜結構更易于微型化而且與微電子電路集成方面具有明顯優勢，有利于利用微納加工技術大規模生產巨磁阻抗效應薄膜磁傳感器和與電路系統集成。

基于傳統F/M/F(鐵磁層/金屬層/鐵磁層)薄膜結構的巨磁阻抗磁傳感器,一方面在低頻電流激勵下，金屬層自身產生的電感較弱。另一方面臨界厚度以上的單層矩形薄膜產生了明顯的退磁場，同時三明治結構中軟磁薄膜間的間隔和薄膜端面的磁極產生了嚴重的交流磁通泄漏。這造成了巨磁阻抗薄膜磁傳感器在低頻激勵時的靈敏度較低，這導致了大多數薄膜結構的最大阻抗變化仍然出現在MHz頻率以上，這對磁性材料帶來了嚴重的磁損耗并明顯增加了傳感器的電流源造價。因此急需研究新型的傳感結構來提高提高鐵磁材料的有效磁導率和巨磁阻抗薄膜磁傳感器在低頻(1MHz)激勵時的磁場測量靈敏度。

發明內容

針對上述現有技術的問題，本發明提出一種基于磁機電雙諧振式的巨磁阻抗磁傳感器，該巨磁阻抗磁傳感器基于多層變截面梭型鐵基納米晶軟磁薄膜和對稱布置的微型平面線圈構成的疊層三明治結構，壓電/超磁致伸縮層合物陣列和壓電梁驅動的MEMS可調電容形成的巨磁阻抗磁傳感器，有效地將最優工作頻率降至MHz以下，并突破了軟磁材料的磁導率限制，通過外部磁場和隨磁場變化的磁力，進一步增大了磁疇運動隨磁場變化的靈敏度。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于磁機電雙諧振式的巨磁阻抗磁傳感器，其特點在于由基于多層變截面梭型鐵基納米晶軟磁薄膜、第一疊層平面線圈、第二疊層平面線圈、壓電/超磁致伸縮層合物陣列和壓電梁驅動的MEMS可調電容組成，所述的第一疊層平面線圈、多層變截面梭型鐵基納米晶軟磁薄膜和第二疊層平面線圈構成對稱布置的疊層三明治結構，所述的多層變截面梭型鐵基納米晶軟磁薄膜由[鐵磁層/隔離層]n的多層膜構成，n的取值范圍約為3-10；所述的第一疊層平面線圈是由兩個平面線圈串聯而成，第二疊層平面線圈也是由兩個平面線圈串聯而成，但通過第一疊層平面線圈和第二疊層平面線圈的電流方向是相反的，所述的第一疊層平面線圈的輸出端接差分放大器正端，所述的第二疊層平面線圈的輸出端接差分放大器負端，兩個疊層線圈的輸出經所述的差分放大器輸出；