磁力学传感器元件及其在电子物品监视和检测系统中的应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于电子物品监视标识器或传感器元件的磁力学共振元件或标识器带材，所述磁力学共振元件或标识器带材基于具有类线形表面图案的非晶磁致伸缩合金条带，并且具有有利的性能。在条带制造期间引入的磁各向异性方向以80度和90度之间的角度偏离条带的长度方向且位于条带的平面内，这在磁力学电路中且更加特别地在使用了多个共振元件或标识器带材的标识器或传感器元件中以最小损失增加了共振性能。标识器或传感器元件是使用一个共振元件或多个共振元件制成的且用于电子物品监视和识别系统中。
【专利说明】磁力学传感器元件及其在电子物品监视和检测系统中的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及在电子物品监视系统和电子物品识别系统中使用的铁磁非晶合金条带(ribbon)和磁力学(magnetomechanical)传感器元件(也称作标识器或标签)，该传感器元件包括一个或多个基于这种非晶磁致伸缩材料的矩形带材(strip)，该非晶磁致伸缩材料以随着施加的静电场变化的共振频率在交变(AC)磁场中机械振动，由此有效地利用标识器的磁力学效应。本发明还涉及利用这种传感器的电子物品监视系统和电子物品识别系统。
【背景技术】
[0002]磁性材料的磁致伸缩是一种在磁性材料上施加外部磁场时发生尺寸变化的现象。若材料被磁化时以伸长的方式进行尺寸变化，该材料被称为“正磁致伸缩材料”。若材料是“负磁致伸缩材料”，该材料在被磁化时收缩。因此，无论哪种情况，当磁性材料处于交变磁场中时，磁性材料就会振动。当连同交变磁场一起施加静磁场时，磁性材料的机械振动频率通过磁弹性稱合(magneto-elastic coupling)随着施加的静态场变化。这通常被称为Δ E效应，例如，在S.Chikazumi的《Physics ofMagnetism))(纽约:约翰威立国际出版公司，1964，第435页)中对其进行了说明。在这里，E(H)代表杨氏模量，其是所施加的磁场H的函数。材料的振动频率或共振频率f；通过下面的方程式与E(H)相关:
fr = (I / 21) [E(H) / P]1/2 (I)
其中，I是材料的长度，且P是材料的质量密度。
[0003]在美国专利4，510，489和4，510，490(在下文中，称为专利'489和'490)中首次提出在电子物品监视系统中利用上述磁弹性或磁力学效应。这种监视系统的优势在于它们提供了高检测灵敏度、高操作可靠性与低操作成本。
[0004]这种系统中的标识器是一个或多个由已知长度的铁磁材料形成的带材，这些带材由硬磁性铁磁体(具有高矫顽性的材料)封装，该铁磁体提供被称为偏置场的静态场以建立磁力学耦合。铁磁标识器材料优选是磁致伸缩非晶合金条带，这是因为这些磁致伸缩非晶合金内的磁力学耦合的效率非常高。如上述方程式(I)所示，基本上通过合金条带的长度和偏置场强度来确定机械共振频率f;。
[0005]当在电子物品监视系统中遇到被调整到共振频率的询问信号时，标识器材料以大的信号场来应答，该大的信号场被系统中的接收器检测到。
[0006]在专利'489和'490中考虑了多种非晶铁磁材料以用于基于上述磁力学共振的电子物品监视系统，这些非晶铁磁材 料包括非晶的Fe-N1-Mo-B、Fe-Co-B-S1、Fe-B-S1-C和Fe-B-Si合金。在这些合金中，市售的基于非晶Fe-N1-Mo-B的V丨KTGLAS.^ 2826MB合金得到广泛使用，但基于磁性谐波生成/检测的其他系统的由磁力学共振标识器导致偶然触发。这是因为当时使用的磁力学共振标识器有时呈现非线性BH特性，导致了激励场频率的高次谐波的生成。为了避免有时被称为系统“污染问题”的这一问题，发明了一系列新的标识器材料，美国专利 495231、5539380、5628840、5650023、6093261 和 6187112 披露了这些新的标识器材料的示例。尽管新的标识器材料通常优于最初的专利'489和'490的监视系统中使用的材料，但是在例如美国专利6299702(在下文中，称为专利，702)中公开的标识器材料中发现了略微更好的磁力学性能。这些新的标识器材料需要复杂的热处理工艺来实现例如在专利'702中公开的期望磁力学性能。显然，需要不需要如此复杂的后条带(post-ribbon)制造工艺的新的磁力学标识器材料，并且美国专利7205893 (在下文中，称为专利'893)、7320433(在下文中，称为专利'433)和7561043 (在下文中，称为专利，043)的发明提供了这类不会导致上述“污染问题”且具有高磁力学性能的标识器材料。如美国专利6359563所披露，专利'702的标识器带材广泛地用于具有两个带材的标识器。由于这两个带材在沿着带材的宽度方向上具有相同的曲率半径(这是因为恰好它们是以完全相同的方式处理的)的这一事实，根据专利，702，这两个带材在带材表面上的多个点处彼此接触，使得带材上的磁力学振动衰减，因此减少了标识器的有效性。这种缺陷在使用专利'893、’ 433和'043的条件下得到减轻。在使专利'893、’ 433和'043所基于的磁力学共振效应最大化时，发现了控制该效应的新方式，该新方式是本发明的基础。因此，本发明进一步增强了专利^ 893、' 433和'043中利用的磁力学共振效应。此外，还需要一种利用这种标识器的有效电子物品监视系统。
【发明内容】
[0007]根据本发明的实施例，将软磁性材料用于基于磁力学共振的电子物品监视和识别系统的标识器或传感器元件。
[0008]具有增强的整体磁力学共振特性的标识器材料由非晶合金条带制成。如在美国专利N0.4142571(在下文中，称为专利'571)中教导的那样，将具有磁力学共振能力的条带形磁性标识器材料铸在旋转基板上。当铸态的条带的宽度比标识器材料的预定宽度宽时，将所述条带切至预定宽度。如此制备的条带被切成具有预定长度的易延展的矩形非晶金属标识器带材，以使用一个或多个所述标识器带材以及用于提供偏置静磁场的至少一个半硬磁体带材来制造磁力学共振标识器。
[0009]电子物品监视系统使用`根据本发明实施例的标识器或传感器元件。该系统具有物品询问区，在物品询问区中，本发明的磁力学标识器或传感器元件经受在标识器带材的共振频率处的询问磁场，响应于询问磁场激励的信号由具有位于物品询问区中的天线线圈对的接收器检测。所接收到的磁力学共振信号然后由用于识别标识器的信号检测电路进行处理。
[0010]根据本发明的实施例，提供了一种磁力学共振电子物品监视系统的传感器元件或标识器，其包括:从非晶铁磁合金条带切割成的至少一个易延展的磁致伸缩带材。所述条带具有条带长度方向、条带平面和类线形表面图案，所述表面图案具有表面线方向。所述至少一个标识器带材的磁各向异性方向以80度和90度之间的角度偏离所述条带长度方向位于所述条带平面中，且所述表面线方向与所述磁各向异性的方向一致，所述磁各向异性方向是通过调整铸造条件在条带铸造期间引入的。所述至少一个标识器带材在具有静态偏置场的交变磁场激励下表现出磁力学共振。
[0011]根据本发明的实施例，所述非晶铁磁合金条带具有处于0.8特斯拉到1.0特斯拉的范围内的饱和磁感应强度。
[0012]根据本发明的实施例,所述非晶铁磁合金条带具有处于9ppm到14ppm的范围内的饱和磁致伸缩。
[0013]根据本发明的实施例，所述非晶铁磁合金条带具有基于Fea-Nib-Moe-Bd的成分，其中，35 ≤ a ≤ 42,38 ^ b ^ 45、0 ≤ c ≤ 5、ll〈d ≤ 17 且 a+b+c+d=100，多达 3 原子％的 Mo可选地由Co、Cr、Mn和/或Nb代替，且多达1.5原子％的B可选地由Si和/或C代替。
[0014]根据本发明的实施例，所述非晶铁磁合金条带是具有下述成分之一的合金:
Fe41.3^^38.2^03.6^16.6、Ρθ37.6^^44.9^04.4^11.δ^?ι.35〇〇0.ι〇 0.15> Fe37, 2^土41.2^03.6^16.Ι^?ο.9〇0.6〇〇0.^r0.3、Fe37.1^142.2ΜΟ3.7^16.3§?(?.7、Fe36.9^^42.0^03.gB16, 2S10.7^Ο0.ι〇 0.2、Fe36 4ΝΙ42.6^03.gB15.gSi0.gCr0, 3、Fe36.0^^42.3MO3.9B16.6§?(|.8〇Ο0.1Cr0, 3 和 Fe35.8^^43.5^03.5^16.4§?(|.6〇〇0.1Cr0, ι ο
[0015]根据本发明的实施例，所述至少一个标识器带材具有离散的长度且表现出在长度有关的频率处的磁力学共振。
[0016]其中所选的，所述至少一个标识器带材具有处于大约35mm到大约40mm的范围内的长度。
[0017]其中所选的，所述至少一个标识器带材具有处于大约5_到大约8_的范围内的标识器带材宽度。
[0018]其中所选的，多个所述标识器带材如图1所示地堆放或并行地放置。
[0019]根据本发明的实施例，所述至少一个标识器带材的磁力学共振信号衰减的从Ims到2ms范围的特征时间常数。
[0020]根据本发明的实施例，所述至少一个标识器带材的从它的最小共振频率到它的接近最高处的可观察共振频率的共振频率偏移超过19kHz。
[0021]其中所选的，沿着所述至少一个标识器带材的方向放置有至少一个偏置磁体带材。
[0022]根据本发明的实施例，所述至少一个标识器带材容纳在与所述偏置磁体带材分开的腔中。
[0023]根据本发明的另一个实施例，电子物品监视系统具有检测传感器元件或标识器的共振的能力，并且包括被调整到预定的监视磁场频率的监视系统，其中，所述监视系统能够从传感器元件中检测磁力学共振。所述传感器元件适于在预选频率处机械共振，并且具有从非晶铁磁合金条带切割成的至少一个易延展的磁致伸缩标识器带材。所述条带具有条带长度方向、条带平面和类线形表面图案，且所述表面图案具有表面线方向，所述至少一个标识器带材的磁各向异性方向以80度和90度之间的角度偏离所述条带长度方向且位于所述条带平面内，且所述表面线方向与所述磁各向异性方向一致，所述磁各向异性方向是通过调整铸造条件在条带铸造期间引入的。所述至少一个标识器带材在具有静态偏置场的交变磁场激励下表现出磁力学共振。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]通过参照优选实施例的下述详细说明以及附图时，将更加全面地理解本发明且其它优势将变得显而易见，在附图中:
图1是示意了根据本发明实施例的利用两个具有表面图案的磁力学共振带材的电子物品监视标识器标签或传感器元件的透视图。
图2是示意了根据本发明实施例的单带材标识器的磁力学共振特性的曲线图，其中由曲线10表示共振频率、由曲线11表示共振激励终止时的信号电压，并由曲线12表示共振激励终止后的Ims时的信号电压。
图3是本发明的非晶金属条带的面向液态金属凝固表面的条带表面的激光显微图像，其中由线AB (线AB以88度偏离条带长度方向)表示磁各向异性的方向，并且线AB与表面线(surfaceline)方向一致。
图4是示意了根据本发明实施例的(图3的)单带材标识器的磁力学共振特性的曲线图，其示意了作为偏置场的函数的共振频率。
图5是本发明范围以外的非晶金属条带的面向液态金属凝固表面的条带表面的激光显微图像，其中线AB (线AB以78度偏离条带长度方向)是磁各向异性的方向，并且线AB与表面线方向一致。
图6示意了图5的单带材标识器的磁力学共振特性，其示意了作为偏置场的函数的共
振频率。
图7示意了本发明实施例的单带材标识器的磁力学共振特性的示例。
图8示意了本发明实施例的单带材标识器的磁力学共振特性的示例。
图9是本发明实施例的电子物品监视系统的示意图。
【具体实施方式】
[0025]具有增强的整体磁力学共振性能的标识器材料是由非晶合金条带制成的。如在专利，571中所披露，具有磁力学共振能力的条带形磁性标识器材料被铸造在旋转基板上。当铸态(as-cast)条带的宽度比标识器材料的预定宽度宽时，将该条带切至预定宽度。如此制备的条带被切割成具有预定长度的易延展的矩形非晶金属带材，以使用多个这样的带材以及至少一个用于提供偏置静磁场的半硬磁体(sem1-hard magnet)带材来制造磁力学共振标识器。图1示出了根据本发明实施例的基本的电子物品监视标识器标签，其中，10O和101是外盖，110和111是矩形非晶金属带材，这些矩形非晶金属带材如图所示地堆叠在一起且插入腔区102中。130是位于矩形非晶金属带材110上的类线形表面图案。金属带材111在其表面上具有类似的类线形图案。120是偏置磁体条，该偏置磁体条插入腔区102中，以此方式非晶金属带材110和111能够无物理约束地机械振动。在本发明的实施例中，用来形成标识器带材条带的非晶铁磁合金具有基于Fea-Nib-Moe-Bd的成分，其中，35≤a≤42,38 ^ b ^ 45、0≤c≤5、ll〈d≤17且a+b+c+d=100，多达3原子％的舭可选地由Co、Cr、Mn和/或Nb代替，且多达1.5原子％的B可选地由Si和/或C代替。
[0026]在本发明的某些实施例中，用来形成标识器带材条带的非晶铁磁合金具有下述成分中的者:Fe41.3Ni38.2Mo3.6B16.3Si0.6、Fe37.Ai449Mo44Blh5Si1.135CoaiCr0.15、Fe37^Ni4h2Moi6BiaiSi0.9Q1.6^ο0.1Cr0.3、Fe37.^i42.2Mo3.7B16.3Si0.7、Fe36.9Ni42.0Mo3.9B16.2Si0.7〇ο0.1Cr0,2> Fe36^ 4祖42.6Mo3.9Bi5.9S10.gCr。.3、Fe36.0Ni42.3Mo3.9B16.6Si。.8Co。.!Cr0.3 和 Fe35.8Ni43.5Mo3.5B16.4Si。.6Co。.!Cr0.1。因此，根据专利，571中所述的技术和方法铸造具有第[0025]段中确定的化学成分的非晶磁致伸缩合金。铸造的条带具有大约IOOmm的宽度，且它的厚度大约是28 μ m。然后，将该条带切成具有不同宽度的较窄的条带。然后将切成的条带切割成具有处于大约35mm至大约40mm范围内的长度的易延展的矩形带材。然后以示例I中所述的方法来表征切割成的条带带材。
[0027]图2示意了作为本发明实施例的合金条带的候选的典型非晶合金带材的磁力学共振特性。曲线10表示合金带材的磁力学共振频率f；，作为沿条带长度方向施加的偏置磁场的函数。曲线11和12分别对应于在开始终止共振激励时和在共振激励终止后的Imsec时由示例I所述的方法检测到的信号电压。点A和点B分别对应于曲线11和曲线12上的最大信号电压。点C对应于作为曲线10上的最小值的共振频率f；。图2的磁力学共振特性是针对本发明实施例的具有Fea-Nib-Moe-Bd化学成分的合金测得的，其中，35 ^ a ^ 42,38≤b≤45,0≤c≤5、ll〈d≤17且a+b+c+d=l O ()，多达3原子％的Mo可选地由Co、Cr,Mn和/或Nb代替且多达1.5原子％的B可选地由Si和/或C代替。表1是根据本发明的代表性合金的列表且给出了饱和磁感应强度Bs的值，这些Bs值由示例2所述的方法确定。图2是针对表1的合金D获得的磁力学共振特性。
表1
【权利要求】
1.一种磁力学共振电子物品监视系统的传感器元件，所述传感器元件包括: 从非晶铁磁合金条带切割成的至少一个易延展的磁致伸缩标识器带材， 其中，所述条带具有条带长度方向、条带平面和类线形表面图案，所述表面图案具有表面线方向， 所述至少一个标识器带材的磁各向异性方向以80度和90度之间的角度偏离所述条带长度方向且位于所述条带平面中， 所述表面线方向与所述磁各向异性方向一致， 所述磁各向异性方向是通过调整铸造条件在条带铸造期间引入的，并且 所述至少一个标识器带材在具有静态偏置场的交变磁场激励下表现出磁力学共振。
2.如权利要求1所述的传感器元件，其中，所述非晶铁磁合金条带具有处于0.8特斯拉到1.0特斯拉的范围内的饱和磁感应强度。
3.如权利要求2所述的传感器元件，其中，所述非晶铁磁合金条带具有处于9ppm到14ppm的范围内的饱和磁致伸缩。
4.如权利要求2所述的传感器元件，其中，所述非晶铁磁合金条带具有基于Fea-Nib-Moc-Bd 的成分，其中，35 ≤ a ≤ 42,38 ≤ b ≤ 45、0 ≤ c ≤ 5、11 ≤ d≤ 17 且a+b+c+d=100，多达3原子％的此可选地由Co、Cr、Mn和/或Nb代替，且多达1.5原子％的B可选地由Si和/或C代替。
5.如权利要求4所述的传感器元件，其中，所述非晶铁磁合金条带是具有下述成分之 白勺合金:Fe41.3N138.2^03.6^16.3§?。.6、Fe37.6Ni44.9Mo4.4Bn 5SiL 35Co0.!Cr0.15、Fe37.2Ni4L2Mo3.6B16.jSi0.9C0.6〇ο0.1 Cr0,3 > Fe37^ !Ni42,2厘03.7B16.3Si0.7、Fe36.9Ni42.0Mo3.9B16.2Si0.7C00, !Cr0.2、Fe36.4N142,6^0 3,9B15.9Si0.9〇Y0.3、Fe36 0Ni42.3Mo3.9B16.6Si0.8Co0.!Cr0.3 和 Fe35.8Ni43.5Mo3.5B16.4Si0.6Co0.!Cr0.l。
6.如权利要求1所述的传感器元件，其中，所述至少一个标识器带材具有离散的长度且在与长度有关的频率处表现出磁力学共振。
7.如权利要求6所述的传感器元件，其中，所述至少一个标识器带材具有从大约35_到大约40mm范围的长度。
8.如权利要求7所述的传感器元件，其中，所述至少一个标识器带材具有处于大约5_到大约8_的范围内的标识器带材宽度。
9.如权利要求8所述的传感器元件，其中，所述至少一个标识器带材的磁力学共振信号衰减的特征时间常数处于大约Imsec到大约2msec的范围内。
10.如权利要求9所述的传感器元件，其中，所述至少一个标识器带材的从它的最小共振频率到它的接近最高处的可观察共振频率的共振频率偏移超过1.9kHzο
11.如权利要求1所述的传感器元件，其中，并行地堆叠或放置有两个标识器带材。
12.如权利要求1所述的传感器元件，其还包括沿着所述至少一个标识器带材的方向上放置的至少一个偏置磁体带材。
13.如权利要求12所述的传感器元件，其中，所述至少一个标识器带材被容纳在与所述偏置磁体带材分开的腔中。
14.一种电子物品监视系统，其包括: 被调整到预定的监视磁场频率的监视系统， 其中，所述监视系统能够从传感器元件检测磁力学共振，所述传感器元件适于在预选频率处机械共振，并且具有从非晶铁磁合金条带切割成的至少一个易延展的磁致伸缩标识器带材， 所述条带具有条带长度方向、条带平面和类线形表面图案，所述表面图案具有表面线方向， 所述至少一个标识器带材的磁各向异性方向以80度和90度之间的角度偏离所述条带长度方向且位于所述条带平面中， 所述表面线方向与所述磁各向异性方向一致， 所述磁各向异性方向是通过调整铸造条件在条带铸造期间引入的，并且 所述至少一个标识器带材在具有静态偏置场的交变磁场激励下表现出磁力学共振。
【文档编号】G06K19/06GK103797496SQ201280032615
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年6月27日 优先权日:2011年6月29日
【发明者】留苏克·哈塞戛瓦, 罗纳德·约瑟夫·马尔蒂斯 申请人:梅特格拉斯公司