基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器，在绝缘基板(1)上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯(2)，每条磁芯(2)的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属(3)；在串联的磁芯(2)外部缠绕一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈(4)。磁芯的上输入端子(a)、下输入端子(b)相互靠近并位于传感器的一侧，而金属接收线圈信号的上输出端子(c)和下输出端子(d)相互靠近并位于传感器的另一侧。本实用新型高灵敏度磁场传感器降低了信号失真，提高了传感器输出信号的信噪比，且能方便控制传感器的磁场检测范围和磁场灵敏度。
【专利说明】基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于磁场传感器领域，特别是涉及一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器。
【背景技术】
[0002]现有技术普遍使用单条(或多条并联)高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带作为磁芯，外绕有一个接收线圈或接收线圈+反馈补偿线圈的结构。通过在磁芯上流过一个高频交变电流或高频脉冲电流作为激励，并检测此时接收线圈上的电压信号来感测磁芯长度方向上的外加磁场，接收线圈上的电压信号大小与外加磁场的大小相对应。
[0003]现有技术存在以下不足:
[0004]1.在磁芯上流过一个激励电流时，该电流会在磁芯周围产生一个环绕电流流动方向的磁场，由于接收线圈和该磁场的磁感线不能做到完全平行，两者间存在一个很小的夹角，在激励电流接通或断开的瞬间，由激励电流产生的磁场变化会在接收线圈上产生感性耦合，从而在接收线圈上形成一个感应电压。该感应电压会叠加到最终的输出信号中，造成输出信号失真，并降低输出信号的信噪比。
[0005]2.在现有技术所采用的结构下，由于接收线圈和磁芯之间存在寄生电容，在磁芯上流过一个激励电流时，磁芯与接收线圈间会产生容性耦合，从而在接收线圈上形成一个耦合电压，该电压会叠加到最终的输出信号中，降低输出信号的信噪比甚至造成放大器输出的饱和。
[0006]3.由于非晶丝、非晶薄膜或非晶带磁芯自身的多磁畴结构特性，利用现有技术开发的磁场传感器均具有磁滞效应，即磁芯被外部磁场磁化后，传感器输出会发生偏移的现象。
【发明内容】
[0007]发明目的:解决上述现有技术中存在的不足，提出一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器，以降低信号失真、提高传感器输出信号的信噪比，并达到控制传感器的磁场检测范围和磁场灵敏度的目的。
[0008]技术方案:一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器，包括绝缘基板1、高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带做成的磁芯2、非磁性导电金属3、结构对称的非磁性金属接收线圈4，其特征在于:
[0009]在绝缘基板I上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯2，每条磁芯2的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属3 ;在串联的磁芯2外部缠绕有一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈4 ;磁芯的上输入端子a、下输入端子b分别连通传感器最上部、最下部两个磁芯2的某一端的非磁性导电金属3并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d相互靠近并位于传感器的另一侧，如图7或图8所示；
[0010]所述磁芯2具有如图1、图2所示的短轴异向性磁畴结构，磁芯的材料可为钴(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或镍(Ni)基非晶材料，或铁(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶带的厚度范围为0.0lum?lOOum，非晶丝的直径范围为2um?lOOum，磁芯的长度范围为0.05mm?20mm ;优选的，本发明中采用的是直径为1um的CoFeSiB非晶丝作为磁芯，其长度为0.8mm ；
[0011]所述金属接收线圈4的线圈形式可以是微机电(MEMS)型线圈、普通绕线线圈、金属薄膜型线圈等；
[0012]优选的，将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通(如图9所示)；
[0013]在磁芯2的长度方向上存在一个外加磁场时，磁畴结构中的磁化方向将发生偏转，如图3、图4所示，此时，在磁芯2上流过一个激励电流，磁芯2中磁畴的磁化方向将被重新沿短轴方向排列，如图5、图6所示，该种排列改变了磁芯2的导磁率μ，并在磁芯2的长轴方向上形成一个磁通量的变化Δ φ，该磁通量的变化被缠绕在磁芯2外部的接收线圈4感测到并转化为一个电压输出信号，该电压输出信号在固定相位的波峰处(或波谷处)的幅值大小与磁芯2长度方向上外加磁场的大小相对应，其极性与外加磁场的方向相对应；
[0014]本发明在磁芯的上输入端子a和下输入端子b间施加一个激励电流时，由于每条磁芯2首尾相连、相互串联，所以相邻上下两条磁芯2的激励电流方向相反，由激励电流流过每条磁芯2所产生的磁场将相互抵消，不会在金属接收线圈4上形成感性耦合，从而增加了输出信号的信噪比，解决了上述现有技术的第“I”点不足；
[0015]本发明采用对称缠绕方式的金属接收线圈和偶数条串联磁芯的结构，使得磁芯的上输入端子a和下输入端子b可以相互靠近并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d可以相互靠近并位于传感器的另一侧，磁芯和接收线圈的两对端子可以尽量远离。这种结构使得激励电流在磁芯上形成的电势差通过容性耦合效应耦合到金属接收线圈4上的影响降到最小，解决了上述现有技术的第“2”点不足；
[0016]优选的，本发明将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通，通过调整每段磁芯的长度控制其在长度方向上退磁因子的大小，从而达到控制传感器的磁场检测范围和磁场灵敏度的目的；随着每段磁芯长度的缩短，磁芯长度方向上的退磁因子随之增大，磁场检测检测范围变宽、磁场灵敏度变小；反之，磁场检测范围变窄、磁场灵敏度变大(如图9所示)；
[0017]在沿磁芯长度方向上施加一个恒定大小的外部磁场时，接收线圈的输出信号幅值随磁芯的条数增加而增大，本发明中采用100匝的普通绕线线圈和四条磁芯的结构(如图8)。
[0018]本实用新型的有益效果:本实用新型每条磁芯首尾相连、相互串联，相邻上下两条磁芯的激励电流方向相反，由激励电流流过每条磁芯所产生的磁场将相互抵消，从而不会在金属接收线圈上形成感性耦合，增加了输出信号的信噪比；对称缠绕方式的金属接收线圈和偶数条串联磁芯的结构，使得磁芯的两个输入端子相互靠近并位于传感器的一侧，而接收线圈的两个输出端子相互靠近并位于传感器的另一侧，磁芯和接收线圈的两对端子可以尽量远离，使得激励电流在磁芯上形成的电势差通过容性耦合效应耦合到金属接收线圈上的影响降到最小。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是高导磁率非晶丝磁芯示意图；
[0020]图2是高导磁率非晶薄膜或非晶带磁芯示意图；
[0021]图3是在高导磁率非晶丝磁芯长度方向上存在一个外加磁场时磁畴结构中的磁化方向发生偏转示意图；
[0022]图4是在高导磁率非晶薄膜或非晶带磁芯长度方向上存在一个外加磁场时磁畴结构中的磁化方向发生偏转示意图；
[0023]图5是在高导磁率非晶丝磁芯长度方向上存在一个外加磁场且在磁芯上流过一个反向的激励电流时磁畴结构中的磁化方向发生重置示意图；
[0024]图6是在高导磁率非晶薄膜或非晶带磁芯长度方向上存在一个外加磁场且在磁芯上流过一个反向的激励电流时磁畴结构中的磁化方向发生重置示意图；
[0025]图7是本发明磁场传感器采用微机电型(MEMS)线圈时结构示意图；
[0026]图8是本发明磁场传感器采用普通绕线线圈时结构示意图；
[0027]图9是本发明磁场传感器中每一条磁芯切分为若干段等长的小段时结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
[0029]实施例:
[0030]一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器，包括绝缘基板1、高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带做成的磁芯2、非磁性导电金属3、结构对称的非磁性金属接收线圈4，在绝缘基板I上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯2，每条磁芯2的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属3 ;在串联的磁芯2外部缠绕有一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈4;磁芯的上输入端子a、下输入端子b分别连通传感器最上部、最下部两个磁芯2的某一端的非磁性导电金属3并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d相互靠近并位于传感器的另一侧，如图7或图8所示；
[0031]所述磁芯2具有如图1、图2所示的短轴异向性磁畴结构，磁芯的材料可为钴(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或镍(Ni)基非晶材料，或铁(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶带的厚度范围为0.0lum?lOOum，非晶丝的直径范围为2um?lOOum，磁芯的长度范围为0.05mm?20mm ；
[0032]本实施例中采用的是直径为1um的CoFeSiB非晶丝作为磁芯，其长度为0.8mm ；
[0033]所述金属接收线圈4的线圈形式可以是微机电(MEMS)型线圈、普通绕线线圈、金属薄膜型线圈等；
[0034]本实施例中，将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通(如图9所示)；
[0035]在磁芯2的长度方向上存在一个外加磁场时，磁畴结构中的磁化方向将发生偏转，如图3、图4所示，此时，在磁芯2上流过一个激励电流，磁芯2中磁畴的磁化方向将被重新沿短轴方向排列，如图5、图6所示，该种排列改变了磁芯2的导磁率μ，并在磁芯2的长轴方向上形成一个磁通量的变化Δ φ，该磁通量的变化被缠绕在磁芯2外部的接收线圈4感测到并转化为一个电压输出信号，该电压输出信号在固定相位的波峰处(或波谷处)的幅值大小与磁芯2长度方向上外加磁场的大小相对应，其极性与外加磁场的方向相对应；在磁芯的上输入端子a和下输入端子b间施加一个激励电流时，由于每条磁芯2首尾相连、相互串联，所以相邻上下两条磁芯2的激励电流方向相反，由激励电流流过每条磁芯2所产生的磁场将相互抵消，不会在金属接收线圈4上形成影响最终输出信号的感应电压，从而增加了输出信号的信噪比，解决了上述现有技术的第“I”点不足；
[0036]采用对称缠绕方式的金属接收线圈和偶数条串联磁芯的结构，使得磁芯的上输入端子a和下输入端子b可以相互靠近并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d可以相互靠近并位于传感器的另一侧，磁芯和接收线圈的两对端子可以尽量远离。这种结构使得激励电流在磁芯上形成的电势差通过容性耦合效应耦合到金属接收线圈4上的影响降到最小，解决了上述现有技术的第“2”点不足；本实施例将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通，通过调整每段磁芯的长度控制其在长度方向上退磁因子的大小，从而达到控制传感器的磁场检测范围和磁场灵敏度的目的；随着每段磁芯长度的缩短，磁芯长度方向上的退磁因子随之增大，磁场检测检测范围变宽、磁场灵敏度变小；反之，磁场检测范围变窄、磁场灵敏度变大(如图9所示)；在沿磁芯长度方向上施加一个恒定大小的外部磁场时，接收线圈的输出信号幅值随磁芯的条数增加而增大，本发明中采用100匝的普通绕线线圈和四条磁芯的结构(如图8)。
[0037]以上所述仅为本实用新型的较佳实例而已，并不用以限制本发明，在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的系统结构之内。
【权利要求】
1.一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器，包括绝缘基板(I)、高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带做成的磁芯(2)、非磁性导电金属(3)、结构对称的非磁性金属接收线圈(4)，其特征在于: 在绝缘基板(I)上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯(2)，每条磁芯⑵的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属⑶；在串联的磁芯⑵外部缠绕有一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈(4);磁芯的上输入端子(a)、下输入端子(b)分别连通传感器最上部、最下部两个磁芯(2)的某一端的非磁性导电金属(3)并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子(C)和下输出端子(d)相互靠近并位于传感器的另一侧。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度磁场传感器，其特征在于: 所述磁芯(2)具有短轴异向性磁畴结构，磁芯的材料为钴基非晶材料、镍基非晶材料或铁基非晶材料；非晶薄膜、非晶带的厚度范围为0.0lum?lOOum，非晶丝的直径范围为2um?lOOum，磁芯的长度范围为0.05mm?20mm。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度磁场传感器，其特征在于: 所述金属接收线圈(4)的线圈形式是微机电型(MEMS)线圈、普通绕线线圈或金属薄膜型线圈。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度磁场传感器，其特征在于:将每一条磁芯(2)切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属(3)连通。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度磁场传感器，其特征在于:采用100匝的普通绕线线圈和四条磁芯的结构。
【文档编号】G01R33/02GK204241670SQ201420806065
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】王国安 申请人:王国安