一种纵向驱动式磁阻抗元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种纵向驱动式磁阻抗元件。该元件将磁性非晶芯体材料插入激励线圈内组成一个等效阻抗元件，交流电流流经激励线圈产生平行于该芯体样品长轴方向的交流驱动磁场。与现有的将交流电流直接流经该磁性非晶芯体材料的横向驱动式阻抗元件相比，该元件一方面大大提高了阻抗随外磁场的变化率，并且提高了其线性度，另一方面简化了制作工艺、提高了元件性能稳定性与一致性，因此在高灵敏微弱磁场的检测，例如用于地磁场、生物磁场等弱磁场检测方面具有良好的应用前景。
【专利说明】一种纵向驱动式磁阻抗元件
【技术领域】
[0001]本发明属于一种磁敏传感器件【技术领域】，具体涉及一种纵向驱动式磁阻抗元件。【背景技术】 [0002]随着信息科技的发展，对信息采集的最基本元件长一传感器提出了越来越高的要求。1992年，日本名古屋大学的Mohri教授首次在钴基非晶丝中观测到巨磁阻抗(GiantMagneto-1mpedance, GMI)效应:在几个奥斯特的磁场下其磁阻抗变化率高达50%以上，灵敏度比巨磁阻效应高一个数量级，有关内容请参考文献:[K.Mohri, K.Kawashiwa, H.Yoshida, et al.1EEE Trans.Magn.1992, (28): 3150]。此后，巨磁阻抗效应逐渐成为研究热点。以非晶态软磁材料的巨磁阻抗效应为基础开发的磁敏传感器具有高灵敏度、响应速度快、微型化、低功耗等优点，符合传感器的发展趋势，展现出广阔的应用前景。
[0003]巨磁阻抗效应反映的是材料的弱场交流磁化随外加磁场的变化，它主要受到材料本身的磁性能和驱动场的影响。现有磁阻抗元件的结构通常是将芯体样品接入检测电路，使交变电路通过该样品，此时产生的驱动磁场垂直于样品轴向，被称为“横向驱动方式”，所产生的巨磁阻抗效应被称为“横向巨磁阻抗效应”。例如，申请号为CN200980122231.7的中国专利公开的磁阻抗传感器元件就是采用横向驱动方式，将磁性非晶丝样品焊接入激励电路，使交变电路通过该样品产生横向的驱动磁场。
[0004]但是，这种横向驱动方式往往存在以下不足:
[0005](I)磁阻抗变化率相对较小，造成其灵敏度较低。
[0006](2)由于磁性非晶芯体材料“竹节状”的磁畴分布，横向驱动条件下磁阻抗随外磁场的变化曲线多为“双峰”状，造成近零磁场附近的线性度无法保证[L.Kraus, H.Chiriac, T.A.0\ ?π [ Magn Magn Mater.2000 (215): 343]。为此，当其应用在磁敏传感器上时往往需要附加一个直流偏置磁场，或者对芯体材料进行二次热处理以提高其磁畴取向度、避开近零场的非线性区。但是，这不仅增加了电路设计的难度，也影响了传感器的稳定性；
[0007](3)磁性非晶芯体材料接入电路时往往需要粘结、焊接等工艺，其中焊接较牢固，但是焊接工艺却存在如下问题:首先，该磁性非晶芯体材料往往呈细条状，因此对焊接工艺要求很高；另外，焊接过程中的二次加热也容易恶化磁性非晶芯体材料的软磁特性，造成磁阻抗变化率的下降；此外，焊接过程会影响接入电路的磁性非晶芯体材料的长度和应力，从而会恶化该材料的软磁性能，最终影响传感器件的稳定性和一致性。
[0008]从传感器研制的角度出发，磁阻抗的变化率以及随外磁场变化的线性度是至关重要的参数。因此，如何进一步提高磁阻抗元件的灵敏度、线性度、稳定性和经济适用性是科技工作者需要研究的课题之一。
【发明内容】
[0009]本发明的技术目的是针对上述现有磁阻抗元件的不足，提供一种新型结构的磁阻抗元件，其具有较高的灵敏度、线性度与稳定性，适用于高磁敏传感器件。
[0010]为了实现上述技术目的，本发明人发现，与横向驱动方式相比，当采用纵向驱动方式时，具有如下(I) (2)所述的预想不到的有益效果:
[0011]所述的纵向驱动方式是指:将磁性非晶芯体材料插入激励线圈内，使该材料和激励线圈组成一个等效阻抗元件，交流电流不直接流经该磁性非晶芯体材料，而是流经激励线圈产生交流驱动磁场，该交变驱动磁场平行于该芯体材料的长轴方向，因而被称为“纵向驱动方式”，所产生的巨磁阻抗效应被称为“纵向巨磁阻抗效应”。
[0012](I)在横向驱动方式下，磁性非晶芯体材料接入激励电路，在驱动电流作用下产生趋肤效应，施加外磁场，使磁导率降低，趋肤深度增大导致阻抗值随外加磁场增大而降低；另外，由于磁性非晶芯体材料“竹节状”的磁畴分布，横向驱动条件下磁阻抗随外磁场的变化曲线多为“双峰”状，造成近零磁场附近的线性度无法保证，阻抗变化率小于1000% ；
[0013]在纵向驱动方式下，由磁性非晶芯体材料和激励线圈共同组成等效阻抗元件，等效元件的电感量决定了阻抗的变化率，因此一方面能够弱化磁性非晶芯体材料“竹节状”的磁畴分布对阻抗变化曲线的影响，同时能够大幅度提高阻抗随外磁场的变化率，其阻抗的变化率甚至可以超过50000%。
[0014](2)在纵向驱动方式下，磁性非晶芯体材料插入激励线圈内即可，无需焊接工艺，因此一方面简化了制备流程，避免了因焊接工艺造成的芯体材料长度不一致的问题；另一方面克服了焊接过程引入的热量和应力造成的芯体材料磁性能恶化的问题。
[0015]具体而言，本发明的技术方案为:一种纵向驱动式磁阻抗元件，包括磁性非晶芯体材料、中空激励线圈、中空检测线圈；所述的中空激励线圈与中空检测线圈同轴放置，所述的磁性非晶芯体材料插入中空激励线圈与中空检测线圈的中空腔体；工作状态时，交流电通过激励线圈产生交变驱动磁场，该交变驱动磁场方向平行于该磁性非晶芯体样品的长轴方向，输出信号自检测线圈两端引出以检测阻抗效应。
[0016]所述的磁性非晶材料插入中空激励线圈内，构成中空激励线圈的芯体，故称为“磁性非晶芯体材料”。该磁性非晶芯体材料呈立体结构，其长径比大于1，所述的长径比是指该磁性非晶芯体材料的长度与垂直于该长度方向的横截面的最大直径的比值；所述的横截面形状不限，包括圆形、正方形、长方形、椭圆形等；所述的磁性非晶材料的整体结构不限，包括丝状、纤维状或窄带状等；为了保证磁阻抗元件随外磁场的变化率和线性度，作为优选，所述的磁性非晶芯体材料的长径比较大，一般在20?500范围，进一步优选为50?400范围，以减小产生的退磁场，从而保证磁阻抗的变化率和线性度。
[0017]所述的激励线圈和检测线圈可为同一线圈，也可以为独立线圈。考虑到经济性，激励线圈和检测线圈为同一线圈。
[0018]为了减小应力对磁性非晶芯体材料的磁性能的影响，保证磁阻抗元件的性能一致性，作为优选，该纵向驱动式磁阻抗元件还包括绝缘支撑体，该绝缘支撑体具有中空腔体，所述的激励线圈与检测线圈缠绕在该绝缘支撑体表面，所述的磁性非晶芯体材料插入该绝缘支撑体的中空腔体内。进一步优选，用硅胶等柔性不导电胶将所述的激励线圈与检测线圈固定在该绝缘支撑体表面。进一步优选，所述的缠绕在绝缘支撑体表的线圈长度等于磁性非晶芯体材料的长度。
[0019]所述的绝缘支撑体包括但不限于玻璃管、氧化铝管或其他绝缘体管等。[0020]作为优选，所述的激励线圈和检测线圈的绕线内径与磁性非晶芯体材料的横截面直径比设定为1.1至10之间。
[0021]作为优选，所述的激励线圈与检测线圈中的导线直径为50μπι至0.1mm之间。
[0022]作为优选，所述的绝缘支撑体的外径尺寸与磁性非晶芯体材料的横截面直径之比不大于10。
[0023]综上所述，本发明提供的纵向驱动式磁阻抗元件将交流电流通过激励线圈产生平行于磁性非晶芯体样品长轴方向的交流驱动磁场，而非直接通过磁性非晶芯体样品，一方面大大提高了元件阻抗随外磁场的变化率，并且提高了其线性度，另一方面简化了制作工艺、提高了元件性能稳定性与一致性，因此在高灵敏微弱磁场的检测，例如用于地磁场、生物磁场等弱磁场检测方面具有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例1中纵向驱动式磁阻抗元件的结构示意图；
[0025]图2是时本发明实施例1中的纵向驱动式磁阻抗元件的阻抗比随外磁场的变化图；
[0026]图3是采用本发明实施例1中的纵向驱动式磁阻抗元件设计的传感器电路示意图；
[0027]图4是对比实施例1中横向驱动式磁阻抗元件的结构示意图；
[0028]图5是比较实施例1中的横向驱动式磁阻抗元件的阻抗比随外磁场的变化图；
[0029]图6是比较实施例2中的横向驱动式磁阻抗元件的阻抗比随外磁场的变化图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0031]实施例1:
[0032]本实施例中，纵向驱动式磁阻抗元件的结构示意图如图1所示,包括磁性非晶芯体材料10、绝缘支撑体11以及线圈12组成。
[0033]磁性非晶芯体材料10的成分为CoFeBSiNb,呈纤维状，该磁性非晶纤维的长度远大于内径，具体为直径30 μ m、长度5mm，以尽可能减小退磁场的作用，保证材料的软磁性倉泛。
[0034]考虑到激励线圈和信号采集线圈的一致性以及经济适用性，采用同一线圈12作为激励线圈和信号采集线圈。线圈12为绕制线圈，其绕制导线为直径为50 μ m的铜漆包线。
[0035]绝缘支撑体11为氧化招管，其内径为50 μ m,外径为100 μ m,长度为5.1mm。该氧化铝细管作为激励线圈和信号检测线圈的支架，同时保护磁性非晶纤维不受应力影响。为了确保该磁阻抗元件的阻抗变化率，该氧化铝管的外径尺寸应和磁性非晶纤维的直径匹配，不超过非晶纤维直径的10倍为宜。该氧化铝管的长度比线圈12的长度稍长，便于线圈12的绕制。
[0036]线圈12是在氧化铝管外用直径为50 μ m的铜漆包线密排缠绕100匝。线圈12的长度与磁性非晶纤维长度一致，一方面消除漏磁对元件阻抗变化的影响，另一方面确定磁性非晶纤维的使用长度，保证元件的一致性。
[0037]磁性非晶纤维的固定采用导热绝缘硅胶，用少量硅胶将非晶磁性纤维两端和氧化铝细管两端固定。螺线圈内的驱动磁场是均匀分布，只要磁性非晶纤维和线圈12对齐，该磁性非晶纤维在氧化铝管内的位置的不同不会影响到磁阻抗元件随外磁场的变化率。
[0038]工作状态时，激励信号13通过线圈12，激励频率根据磁性非晶芯体材料本身的特性以及激励线圈的尺寸和匝数决定，脉冲电流的波形和峰值大小根据实际情况可以调整，以实现显著的阻抗变化率。本实施例中，激励信号13的激励频率为350kHz，电流峰值为IOmA,占空比1:30的窄脉冲电流。该激励信号通过激励线圈后产生交变的驱动磁场,该交变的驱动磁场方向平行于该磁性非晶纤维的长轴方向。
[0039]检测巨磁阻抗效应时，采用阻抗分析仪连接在信号检测线圈两端，得到输出信号14。本实施例中，采用HP4294A型阻抗分析仪检测输出信号14的阻抗变化率。
[0040]本实施例中，该磁阻抗元件的阻抗比随外磁场的变化图如图2所示。图2中，阻抗变化率曲线呈“单峰状”，在O?20e的磁场范围阻抗变化率超过45000%，而且表现出很好的线性度。这说明在纵向驱动条件下，配合上述的激励电流和制作方式，该磁阻抗元件具有非常显著的磁场检测灵敏度，并且具有较好的线性度。
[0041]基于上述磁阻抗元件，配合信号发生器、检波滤波电路、放大电路和反馈电路，可以实现磁敏传感器，其结构如图3所示。该传感器可用于高灵敏微弱磁场的检测，例如用于地磁场、生物磁场等弱磁场检测等。
[0042]对比实施例1:
[0043]本实施例是上述实施例1的对比实施例。
[0044]本实施例中，与实施例1相同，磁阻抗元件包括磁性非晶芯体材料10、绝缘支撑体11以及线圈12组成。并且，磁性非晶芯体材料10、绝缘支撑体11、线圈12的材料、形状、以及尺寸均与实施例1相同。
[0045]与实施例1不同的是，该对比实施例中，磁阻抗元件采用横向驱动方式。即，如图4所示，将磁性非晶纤维插入线圈12后，用导电银胶接入激励电路，即交变的激励信号13通过磁性非晶纤维，而不通过线圈12，该交变的激励信号13通过磁性非晶纤维后产生垂直于该磁性非晶纤维轴向的驱动磁场，即横向的驱动磁场。
[0046]该横向驱动条件下，磁性非晶纤维直径接入电路，对外磁场的最佳响应频率高于实施例1中纵向驱动方式下的巨磁阻抗效应，激励信号的激励频率为4MHz，电流峰值为IOmA,占空比1:30窄脉冲电流。
[0047]与实施例1相同，本对比实施例中也采用HP4294A型阻抗分析仪检测输出信号14的阻抗变化率。
[0048]如图5显示了上述条件下，阻抗元件在激励电流驱动下，阻抗变化率随外磁场的变化规律。图中阻抗变化率曲线呈“双峰状”，在O?IOOe的磁场范围阻抗变化率约250%。
[0049]对比图2与图5，可以得到:在相同的条件下，与横向驱动式相比，采用纵向驱动式的磁阻抗元件能够获得更加显著的磁阻抗变化率随外磁场的变化；而且，采用纵向驱动式的磁阻抗元件的阻抗变化率曲线呈“单峰状”，随外磁场的变化线性度明显好于横向驱动条件下的变化线性度。而该显著的磁阻抗变化率和较好的线性度是高灵敏、高信噪比的磁敏传感器设计的基础，因此采用纵向驱动式的磁阻抗元件有望开发出高磁敏传感器用于地磁场、生物磁场等弱磁场检测。
[0050]对比实施例2:
[0051]本实施例是上述实施例1的另一对比实施例。
[0052]本实施例中，磁阻抗元件的结构以及驱动方式与对比实施例1基本相同。所不同的是，本实施例中，将磁性非晶纤维插入线圈12后，采用锡焊接的方法将该磁性非晶纤维接入激励电路，而不是用导电银胶接入激励电路。
[0053]如图6显示了上述条件下，磁阻抗元件在激励电流驱动下，阻抗变化率随外磁场的变化规律。图中阻抗变化率曲线呈“双峰状”，在O?IOOe的磁场范围阻抗变化率约170%。
[0054]对比图5与图6，可以得到:在相同的条件下，与采用导电银胶将磁性非晶纤维接入激励电路相比，将磁性非晶纤维焊接接入激励电路后，阻抗变化率随外磁场的变化有明显下降，而且曲线形状也有变化。究其原因为:焊接过程中引入了热量，一方面对磁性非晶纤维磁性起到恶化作用；另一方面，磁性非晶纤维先受热膨胀，冷却后收缩使磁性非晶纤维受到应力作用，同样影响了阻抗元件的一致性。另外，由于接入激励电路的磁性非晶纤维尺寸只有5mm，直径约几十个微米，焊接过程无法确保每次接入电路的磁性非晶纤维长度的一致性，同样影响到阻抗元件性能的稳定性。
[0055]以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等.，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:包括磁性非晶芯体材料、中空激励线圈、中空检测线圈； 所述的中空激励线圈与中空检测线圈同轴放置，所述的磁性非晶芯体材料插入中空激励线圈与中空检测线圈的中空腔体； 工作状态时，交流电通过激励线圈产生交变驱动磁场，该交变驱动磁场方向平行于该磁性非晶芯体材料的长轴方向，输出信号自检测线圈两端引出用以检测阻抗效应。
2.如权利要求1所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:还包括绝缘支撑体，所述的绝缘支撑体具有中空腔体；所述的激励线圈与检测线圈缠绕在绝缘支撑体表面，所述的磁性非晶芯体材料插入该绝缘支撑体的中空腔体内。
3.如权利要求2所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:采用不导电胶将所述的激励线圈与检测线圈固定在绝缘支撑体表面。
4.如权利要求2所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:缠绕在所述绝缘支撑体表面的线圈长度等于磁性非晶芯体材料的长度。
5.如权利要求1所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:所述的磁性非晶芯体材料的长径比在20?500范围之间，优选为50?400范围之间。
6.如权利要求1所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:所述的激励线圈和检测线圈的内径与磁性非晶芯体材料的直径比在1.1?10范围之间。
7.如权利要求1所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:所述的激励线圈与检测线圈中的导线直径在50 μ m?0.1mm范围之间。
8.如权利要求2所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:所述的绝缘支撑体的外径尺寸与磁性非晶芯体材料的直径之比不大于10。
9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:所述的磁性非晶芯体材料呈丝状、纤维状或窄带状。
10.如权利要求1至8中任一权利要求所述的纵向驱动式磁阻抗元件，其特征是:所述的激励线圈和检测线圈为同一线圈。
【文档编号】G01V3/40GK103730569SQ201410024746
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】满其奎, 强健, 常春涛, 王新敏, 李润伟 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所