[發(fā)明專利]基于磁機(jī)電雙諧振式的巨磁阻抗磁傳感器

有效

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• 申請日: 2019-05-06
• 公開（公告）號: CN111896896B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王遙;陳蕾
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01R33/06
• 分類號: G01R33/06
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種基于磁機(jī)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(qū)動的MEMS可調(diào)電容組成，本發(fā)明能有效地將最優(yōu)工作頻率降至MHz以下，并突破了軟磁材料的磁導(dǎo)率限制，通過外部磁場和隨磁場變化的磁力，進(jìn)一步增大了磁疇運(yùn)動隨磁場變化的靈敏度。通過調(diào)節(jié)直流電壓對壓電驅(qū)動層的輸入，以同時(shí)引起GMI磁傳感器的磁機(jī)和電容電感雙諧振，進(jìn)一步提高了探測靈敏度。

技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)

高分辨率弱磁場傳感器對于國防工程、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、航天工程和工業(yè)等領(lǐng)域有著重要的意義。為了滿足實(shí)時(shí)微弱磁場測量，需要滿足分辨率高(1nT)、響應(yīng)速度快(1kHz)、體積小和功率低等指標(biāo)。目前磁感應(yīng)傳感器的精度最高可以達(dá)到10^-14T，但制作復(fù)雜而且不能測量靜態(tài)或緩慢變化的磁場。超導(dǎo)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(dá)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(jià)昂貴和功耗高。磁共振法在整個(gè)測量范圍內(nèi)需要更換不同共振頻率的探頭，不便于連續(xù)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(jì)的精度可以達(dá)到10^-6Oe，但是其體積較大，響應(yīng)速度較低和功耗較高。霍爾傳感器主要是用于測量較強(qiáng)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(wěn)定等缺點(diǎn)導(dǎo)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(xué)K.Mohri等發(fā)現(xiàn)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(yīng)的磁傳感器憑借其磁場靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、所需偏置磁場小和體積小等優(yōu)點(diǎn)成為微弱磁場探測的研究熱點(diǎn)。尤其薄膜結(jié)構(gòu)更易于微型化而且與微電子電路集成方面具有明顯優(yōu)勢，有利于利用微納加工技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)巨磁阻抗效應(yīng)薄膜磁傳感器和與電路系統(tǒng)集成。

基于傳統(tǒng)F/M/F(鐵磁層/金屬層/鐵磁層)薄膜結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的電感較弱。另一方面臨界厚度以上的單層矩形薄膜產(chǎn)生了明顯的退磁場，同時(shí)三明治結(jié)構(gòu)中軟磁薄膜間的間隔和薄膜端面的磁極產(chǎn)生了嚴(yán)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(shí)的靈敏度較低，這導(dǎo)致了大多數(shù)薄膜結(jié)構(gòu)的最大阻抗變化仍然出現(xiàn)在MHz頻率以上，這對磁性材料帶來了嚴(yán)重的磁損耗并明顯增加了傳感器的電流源造價(jià)。因此急需研究新型的傳感結(jié)構(gòu)來提高提高鐵磁材料的有效磁導(dǎo)率和巨磁阻抗薄膜磁傳感器在低頻(1MHz)激勵時(shí)的磁場測量靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出一種基于磁機(jī)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(gòu)成的疊層三明治結(jié)構(gòu)，壓電/超磁致伸縮層合物陣列和壓電梁驅(qū)動的MEMS可調(diào)電容形成的巨磁阻抗磁傳感器，有效地將最優(yōu)工作頻率降至MHz以下，并突破了軟磁材料的磁導(dǎo)率限制，通過外部磁場和隨磁場變化的磁力，進(jìn)一步增大了磁疇運(yùn)動隨磁場變化的靈敏度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于磁機(jī)電雙諧振式的巨磁阻抗磁傳感器，其特點(diǎn)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(qū)動的MEMS可調(diào)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(gòu)成對稱布置的疊層三明治結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(gè)平面線圈串聯(lián)而成，第二疊層平面線圈也是由兩個(gè)平面線圈串聯(lián)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(fù)端，兩個(gè)疊層線圈的輸出經(jīng)所述的差分放大器輸出；