一种用于磁敏探头磁芯的复合材料的制作方法

专利名称：一种用于磁敏探头磁芯的复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁敏探头磁芯材料，即一种用于磁敏探头磁芯的复合材料，特别是一种具有方向识别能力、高灵敏响应跨零微弱场磁的磁敏探头磁芯的复合材料。
背景技术：
对微弱磁场，特别是对接近于零值的微弱磁场具有高灵敏响应的新型磁敏材料， 是生物磁测量、探矿、无损探伤等当今科技发展所迫切需求的。但是，采用已有制备技术制备的磁敏材料往往不能灵敏响应接近于零的微弱磁场。非晶和纳米晶磁敏材料是当前的研究热点，人们通常采用在惰性气体保护下将非晶合金材料进行退火的方法来提高磁敏材料的灵敏度，如!^CuNbSiB非晶合金在氮气保护下经保温1小时制得的纳米晶合金 (FINEMET)所具有的巨磁阻抗效应，相比传统的半导体材料的霍尔效应及多层膜的巨磁阻效应对微弱磁场的灵敏度提高了很多，但是仍然存在零磁场附近很不灵敏的小区域，即仍存在零磁场盲点。所以，现有的磁敏材料制备方法不能制备无零磁场盲点且对微弱磁场具有高灵敏响应的新型磁敏材料，难以满足当今科技发展的迫切需要。超导量子干涉元件虽然具有极高的灵敏度，在一定程度上可以满足当今高科技对微弱磁场测量的需求，可是，由于其要求满足超导所需的低温，使得仪器无法微型化和制造成本及运行成本高等原因，在许多场合无法应用。巨磁阻抗效应的发现，使人们看到了研发高灵敏度磁敏传感器的希望， 因为其灵敏度比巨磁阻效应要高出一个数量级，比霍尔效应高出两个数量级，但是，巨磁阻抗效应在近零磁场处的灵敏度仍然不高，常规对称的巨磁阻抗效应在近零磁场处的灵敏度很低，被称为零场盲点。如专利高灵敏磁敏材料(专利号200810163790.X)，一种具有宽线性区的高灵敏磁敏材料(专利号201110028111.X)，一种制备灵敏度高和线性区宽的磁敏材料方法(专利号201110(^6317. 9)等专利都存在零场盲点的问题，不能满足对跨零微弱磁场灵敏响应要求。非对称巨磁阻抗效应虽然在零磁场附近不像对称的巨磁阻抗效应那样存在零场盲点，却也存在整体灵敏度不够高的问题，目前还不具备使用价值。虽然，通过外加偏置直流磁场将磁敏传感器的灵敏区移动到零磁场附近的技术，可以部分解决现有磁敏材料对近零微弱磁场不灵敏的问题，但是，这种技术不仅存在耗能大的问题，而且还要求偏置直流磁场具有高稳定性，否则偏置直流磁场本身的波动，将严重干扰磁敏传感器的精度， 然而，现有的电子技术还不能满足高灵敏磁敏传感器所要求的高稳定性，往往会因为温度变化、电源波动等因素影响，使得偏置场有所波动，从而无法实现对近零微弱磁场的准确响应。因此，现有的技术不能满足，对跨零微弱磁场敏感，又可以微型化和低耗能及低制造成本的现代科技发展需求。

发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种具有高灵敏、无零场盲点、线性响应跨零微弱磁场的用于磁敏探头磁芯的复合材料。
一种用于磁敏探头磁芯的复合材料，其特征在于采用含硬磁相的磁芯材料1和软磁性能的磁芯材料2叠加而成。本发明的目的是通过采用由含硬磁相的磁芯材料1和软磁性的磁芯材料2叠加而成的复合磁芯实现的。所以不仅具有无零场盲点、高灵敏、线性响应跨零微弱磁场、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点，还具有方向识别能力和便于微型化及低耗能的优点。


图1是本发明的结构示意图，图2是一种采用本发明材料制成的磁敏探头的结构示意图。图3是图2所示磁敏探头的磁阻抗曲线。图4是用图2所示磁敏探头制作的磁敏传感器的输出电压与磁场关系曲线图。图5为比较实施例1的磁阻抗曲线，图6为比较实施例2的巨磁阻抗曲线。图中含硬磁相的磁芯材料1、软磁性的磁芯材料2、复合磁芯3、螺线管4、驱动电极5、测量电极6。
具体实施例方式以下结合实施例进行详述图1是一种用于磁敏探头磁芯的复合材料。其要点是采用含硬磁相的磁芯材料 1和软磁性的磁芯材料2叠加而成。显然，可以将含硬磁相的磁芯材料1和软磁性的磁芯材料2简单地叠放在一起，也可以用胶粘结在一起。为使含硬磁相的磁芯材料1和软磁性的磁芯材料2不易错位、确保探头性能，最好将含硬磁相的磁芯材料1和软磁性的磁芯材料2
粘结在一起。为了提高性能，含硬磁相的磁芯材料1为具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相磁性材料，软磁性磁芯材料2为具有对称巨磁阻抗效应特性的纯软磁相材料。图2是一种采用本发明材料制成的高灵敏无零场盲点线性响应微弱场磁的磁敏探头。其探头磁芯是采用i^eSiuBg.RCu非晶材料在空气中于470°C退火1小时制得的软磁性磁芯材料2和!^e76Si7.^5P5Q9非晶材料在氮气保护下沿轴向施加3000A/m的磁场并于490°C退火1小时制得的含硬磁相的磁芯材料1叠加而成的复合磁芯材料制成；即其具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相磁芯材料1是采用Fe76Siut5P5Cu非晶材料在氮气保护下沿轴向施加3000A/m的磁场并于490°C退火1小时制得，具有对称巨磁阻抗效应特性的软磁性磁芯材料2是采用!^e76Si7.^J5Cu非晶材料在空气中于470°C退火1小时制得。 图3为包含本发明的复合磁芯3的螺线管的磁阻抗曲线，图4为包含本发明的复合磁芯3 的螺线管为探头的磁敏传感器的输出电压与外加磁场之间的关系曲线。从图4的电压与磁场关系测试结果可知，其在-348A/m到232A/m的跨零磁场范围内，传感器输出电压与外加磁场成线性关系，灵敏度为7. 38mV/(A · πΓ1)，线性最大偏差仅为0. 76%。且具有磁场方向识别能力，当外磁场方向与磁芯材料1的剩磁方向相同时，输出电压为正值；当外磁场方向与磁芯材料1的剩磁方向相反时，输出电压为负值。显然，本发明的用于磁敏探头磁芯的复合材料3的软磁性的磁芯材料2，可以采用
4非晶或纳米晶软磁性合金制成，如I^eCuNbSiB、FeCoNbSiB, FeSiPBC等合金材料制成；为了简便易行、降低成本、方便加工制作，还可以采用Fe、Co或Ni的单种金属制成，只要具有较好的软磁性能，在外加磁场作用下磁导率会显著变化，并便于插入螺线管4即可。比较实施例1为了说明本发明用于磁敏探头磁芯的复合材料3的优势，将实施例中的复合材料 3改为磁芯材料1，用于比较。具体实施方法如下(1)同实施例制成磁芯材料1。(2)将由步骤(1)制得的磁芯材料1插入螺线管4中制成磁芯螺线管并测量其磁敏特性。图5为用上述方法制得的磁芯螺线管的磁特性曲线。测量时由驱动电极5输入幅值为10mA，频率为380kH ζ的交流驱动信号，由测量电极6测量磁阻抗曲线。测试结果为，在-1600A/m到1600A/m的跨零磁场范围内，磁芯螺线管阻抗随外加磁场线性变化，但灵敏度很低，只有0. 0048% /A · πΓ1，如果以本比较实施例做探头，用实施例相同的电路制成的传感器的灵敏度将小于0. 001mV/A · πΓ1，显然没有实用价值。比较实施例2为了说明用于磁敏探头磁芯的复合材料3的优点，将实施例中的复合材料3改为磁芯材料2，用于比较。具体实施方法如下(1)同实施例制成磁芯材料2。(2)将由步骤⑴制得的磁芯材料2插入螺线管中制成磁敏螺线管。图6为用上述方法制得的磁敏螺线管的巨磁阻抗曲线。测量时由驱动电极5输入幅值为10mA，频率为380kHz的交流驱动信号，由测量电极6测量巨磁阻抗曲线。测试结果为，在-1600A/m到1600A/m的跨零磁场范围内，阻抗随外加磁场变化曲线关于零磁场点对称。不同区段的灵敏度不同在外磁场的绝对值大于1500A/m的范围内， 探头趋于饱和，灵敏度接近为O ；磁场绝对值在800 1500A/m范围内，阻抗与磁场呈非线性关系，灵敏度在O到0. 89% /A · πΓ1之间变化；磁场绝对值在50 800A/m范围内，阻抗随外加磁场呈线性变化，灵敏度为0. 90% /A · πΓ1 ；磁场在-50 +50A/m范围内，灵敏度接近零，即存在零场盲点。综上所述，本发明的用于磁敏探头磁芯的复合材料3，因由含硬磁相的磁芯材料1 和软磁性磁芯材料2叠加制成，而交变电流由通电电极5引入螺线管4产生一个沿由复合材料3制成的磁敏探头磁芯的轴向的驱动场，在纵向驱动电磁场的作用下，使得螺线管4与由复合材料3制成的磁芯联系起来构成一个等效阻抗元件，该等效阻抗元件的阻抗会随着作用在磁芯上的外加微弱磁场的变化灵敏地变化。磁芯材料1的剩余磁场作用在软磁性磁芯2上，使得等效阻抗元件的线性磁敏区中心移到了零磁场处，所以使得等效阻抗元件的阻抗能线性地随外加微弱磁场变化，即表现出线性响应跨零微弱磁场的优异磁敏特性。以本发明用于磁敏探头磁芯的复合材料3为磁芯的磁敏螺线管，不仅克服了只含单一磁芯材料1的螺线管的低灵敏度缺点，还在保持高灵敏度的前提下，克服了只含单一磁芯材料2的磁敏螺线管存在零磁场盲点的问题；并且具备了识别外磁场方向的能力当外磁场方向与磁芯材料1的剩磁方向一致时，传感器输出正电压；当外磁场方向与磁芯材料1剩磁方向相反时，传感器输出负电压。
以本发明的用于磁敏探头磁芯的复合材料3为磁芯制备的磁敏探头，与当前常用的巨磁阻、霍尔磁敏传感器探头相比，不仅具有无零场盲点、对微弱磁场灵敏度高的优点， 而且具有方向识别能力的优点。相比磁通门则具有体积小、耗能低的优点。相比超导量子干涉仪，则体现出可微型化和制造成本及运行成本低的优点。相比直流偏置场方法，则具有稳定性高、耗能低及制造成本低的优点。以本发明技术制备的复合材料，具备现有磁敏材料所不具备的同时拥有高灵敏度、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点的优越性，特别是具有无零场盲点、线性响应跨零微弱磁场和具有方向识别能力的优点。使得采用本发明技术所制备的磁敏材料可以在提高灵敏度的同时，又提高了磁敏传感器的可靠性，且具有便于微型化、低耗能和价格低廉的综合优越性。因此，使用本发明技术生产的磁敏材料将具有广阔的应用前景和极强的市场竞争力。本发明的用于磁敏探头磁芯的复合材料3可以是细棒、薄带、细丝或薄膜形状，还可采用其它形状；只要磁芯材料1具有适合的剩余磁场，磁芯材料2具有良好的软磁性能， 两者复合后能够插入螺线管4即可。
权利要求
1.一种用于磁敏探头磁芯的复合材料，其特征在于采用含硬磁相的磁芯材料1和软磁性磁芯材料2复合而成。
2.根据权利要求1所述的用于磁敏探头磁芯的复合材料，其特征在于磁芯材料1为具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相的磁性材料，磁芯材料2为具有对称巨磁阻抗效应特性的软磁材料。
3.根据权利要求2所述的用于磁敏探头磁芯的复合材料，其特征在于具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相的磁芯材料1是在氮气保护下沿轴向施加3000A/m的磁场并于490°C退火1小时制得；具有对称巨磁阻抗效应特性的软磁性磁芯材料2是采用 Fe76Si7. A5P5C1.9非晶材料，在空气中于470°C退火1小时制得。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于磁敏探头磁芯的复合材料，其特征在于含硬磁相的磁芯材料1和软磁性磁芯材料2粘结在一起。
全文摘要
本发明涉及一种磁敏探头磁芯材料，即一种用于磁敏探头磁芯的复合材料，特别是一种具有方向识别能力、高灵敏响应跨零微弱场磁的磁敏探头磁芯的复合材料。其特征在于采用含硬磁相的磁芯材料1和软磁性能的磁芯材料2叠加而成。不仅具有无零场盲点、高灵敏、线性响应跨零微弱磁场、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点，还具有方向识别能力和便于微型化及低耗能的优点。
文档编号G01R1/067GK102360683SQ20111020062
公开日2012年2月22日 申请日期2011年7月15日 优先权日2011年7月15日
发明者叶慧群, 吴锋民, 孟秀清, 方允樟, 李文忠, 郑金菊, 马云 申请人:浙江师范大学