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1、硕士论文数字式G M I 弱磁传感器若干技术的研究 摘要 IIIEI I II l l lll tI IITIIIl Y 2 0 6 2 18 2 随着巨磁阻抗( G i a n tM a g n e t o i m p e d a n c e ，简称G M I ) 效应被发现，利用巨磁阻抗 效应设计的磁敏传感器凭借灵敏度高、响应快等突出优势，在弱磁测量领域表现出广阔 的应用前景。本文通过对G M I 效应的理论研究与实际测试，再结合传感器数字化的发 展需求，设计了一种数字式的G M I 弱磁传感器。 首先，本文对G M I 效应的产生机理和测试方法进行了研究，并对不同的G M I 材料 进行
2、了比较与讨论。在此基础上，选择F e 基非晶带作为敏感材料，设计并制作了基于 纵向激励的G M I 敏感线圈，并通过一系列实验确定了敏感线圈的各项参数，包括线圈 匝数、非晶带长度和激励频率等。然后，利用敏感线圈的阻抗值随外加磁场变化的特性， 将敏感线圈作为一个振荡器件，组建相应的方波振荡电路，使得振荡电路的输出参数随 被测磁场的变化而变化。所设计的数字式G M I 弱磁传感器包括频率调制型和脉宽调制 型两种，其中着重对频率输出型传感器进行了设计，包括振荡电路设计、单片机采集电 路设计以及通信接口设计，还设计了相应的软件来完成采集、计算和输出等功能。最后， 对所设计的传感器进行了完整的静动态标定
3、，并根据标定结果进行了非线性软件修正设 计，从而进一步提高传感器的性能指标。 实验结果表明，所设计的数字式G M I 弱磁传感器在+ 2 0 e 的量程范围内，能够达到 较好的测量精度。同时，由于传感器振荡电路的输出都为数字量，可以直接被单片机读 取，和常规的G M I 传感器先输出电压、再经过A D 转换的方式相比，更有利于使传感 器向体积小、速度快、抗干扰能力强、成本低的方向发展。 关键词：巨磁阻抗，弱磁，传感器，数字式，频率调制，脉宽调制 A b s t r a c t S i n c et h eG i a n tM a g n e t o i m p e d a n c e ( G
4、M I ) e f f e c tw a sf o u n d ，G M Im a g n e t i cs e n s o rh a s s h o w n 谢d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t st om e a s u r ew e a km a g n e t i cf i e l d 谢1i t sl l i g hs e n s i t i v i t y a n dr a p i dr e s p o n s e I nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ec h a r a c t e r i s
5、 t i c so fG M Im a t e r i a l sa r ei n v e s t i g a t e d w i t l la s s i s t a n c eo ft h et h e o r yo ft h eG M Ie f f e c t O nt h a tb a s i s ，ad i g i t a lG M Im i c r o m a g n e t i c s e n s o ri sd e s i g n e d F i r s t ，F e b a s e da m o r p h o u sr i b b o ni sc h o s e nt ob
6、 et h es e n s i n gm a t e r i a la f t e rr e s e a r c h i n g o nd i f f e r e n tk i n d so fG M Im a t e r i a l s As e n s i n ge l e m e n ti sd e s i g n e dw i t hF e b a s e da m o r p h o u s r i b b o nb a s e do nt h el o n g i t u d i n a le x c i t a t i o n T h ep a r a m e t e r so
7、 ft h ee l e m e n ta r ed e c i d e db ya s e r i e so fe x p e r i m e n tt om a k es u r et h ei m p e d a n c eo ft h ee l e m e n tc a nc h a n g eo b s e r v a b l yw i t h t h ev a r i a t i o no fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d s T h e n ，am u l t i v i b r a t o ri sc o n s t r u c
8、t e du s i n gt h e s e n s i n ge l e m e n ta sa ni n d u c t i v ee l e m e n t B o t haf r e q u e n c y m o d u l a t i o n t y p ea n daP W M - t y p e G M Is e n s o ra r ed e s i g n e d T h ef r e q u e n c y - m o d u l a t i o n - t y p es e n s o ri sd e s i g n e da sk e yt a s kw i m r
9、 e g a r d t o t h ed e s i g no ft h em u R i v i b r a t o rc i r c u i t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta n dt h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e A tt h es a m et i m e ，t h es o f t w a r ei sd e s i g n e dt or e a l i z et h ef u n c t i o n r e q u i r e d A tl a s
10、 t ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es e n s o rd e s i g n e da r ea n a l y z e d A n o n l i n e a rc o r r e c t i o nb ys o f t w a r ei sd e s i g n e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es e n s o r W i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l
11、t s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h es e n s o rd e s i g n e dh a sg o o d p e r f o r m a n c ew i t ht h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hr a n g eo f 士2 0 e M o r et h a nt h a t , t h e o u t p u to ft h em u l t i v i b r a t o rC a nb ea c q u i r e db yM C Ud i r e c
12、 t l yw i t h o u ta l lA Dc o n v e r t e r C o m p a r e d 晰m c o n v e n t i o n a lm a g n e t i cs e n s o r s ，t h ed i g i t a lG M Is e n s o rd e s i g n e di sp r o m i s i n g t oh a v es m a l l e rs i z e ，m o r er a p i dr e s p o n s e ，h i g h e rs t a b i l i t ya n dl o w e rc o s
13、t K e yw o r d ：g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ，m i c r o - m a g n e t i c ，s e n s o r , d i g i t a l ，f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n I I 硕士论文数字式G M I 弱磁传感器若干技术的研究 目录 摘碧耍。I A b s t r a c t I I 1 绪论。1 1 1 课题的研究背景及意义一1 1 2G M I 传感器的发展现状及应用2 1
14、2 1G M I 传感器的发展现状2 1 2 2G M I 传感器的应用4 1 3 本课题研究内容一6 2G M I 效应的理论研究8 2 1G M I 效应的产生机理及表示方法8 2 1 1G M I 效应的产生机理8 2 1 2G M I 效应的表示及测量方法9 2 2 不同材料的G M I 特性。1 l 2 2 1 丝材的G M I 特性1 1 2 2 2 带材的G M I 特性1 2 2 2 3 磁性薄膜及其他复合材料的G M I 特性1 3 2 3G M I 材料的制备及热处理过程1 4 2 3 1G M I 材料的制备工艺1 4 2 3 2 提高G M I 特性的热处理方式1 5
15、2 4 本章小结1 6 3 数字式G M I 弱磁传感器的方案制定1 7 3 1G M I 弱磁传感器的总体结构1 7 3 1 1 常规G M I 弱磁传感器的结构1 7 3 1 2 数字式G M I 弱磁传感器的结构设计l8 3 2 激励方式选择18 3 2 1 环向激励：1 8 3 2 2 纵向激励1 9 3 3 敏感头结构和比对实验方案设计2 2 3 4 非晶带长度和线圈匝数选择2 3 I I I 目录 3 5 激励频率选择 3 6 偏置方式设计 3 7 本章小结 4 频率调制型G M I 弱磁传感器设计。 4 1 传感器振荡电路设计。 4 1 1 一级门振荡电路 4 1 2 二级门振荡
16、电路 4 1 3 三级门振荡电路 4 1 4 比较器振荡电路 4 2M C U 硬件电路设计 4 2 1 电源及时钟电路设计 4 2 2 频率采集电路设计3 6 4 2 3 通信电路设计3 6 4 3 电磁兼容性设计及提高精度的措施3 9 4 4 系统软件设计4 0 4 4 1 系统软件总体设计4 0 4 4 2 频率测量程序设计4 2 4 4 3 数据处理程序设计4 3 4 4 4 通信程序设计4 4 4 5 本章小结4 6 5 脉宽调制型G M I 弱磁传感器设计4 7 5 1P W M 波形发生电路设计4 7 5 2P W M 型G M I 传感器设计要点5 1 5 3 本章小结51 6
17、 传感器的标定与综合调试5 2 6 1 传感器静态标定5 2 6 1 1 静态标定系统及标定方法5 2 6 1 2 标定数据及标定结果5 4 6 1 3 非线性软件修正5 6 6 2 传感器动态标定5 8 6 3 传感器通信调试5 9 6 4 本章小结6 0 7 全文总结与展望。6 l 7 1 全文总结6 1 I V 硕士论文 数字式G M I 弱磁传感器若干技术的研究 7 2 展望6 1 致谢6 3 参考文献。6 4 附录。6 9 V 硕士论文 数字式G M I 弱磁传感器若干技术的研究 I 绪论 I I 课题的研究背景及意义 传感器是指能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的
18、器件或 装置( 国标G B 7 6 6 5 8 7 ) 。传感器技术是现代科技的前沿技术，其发展水平是衡量一个 国家科技水平的重要标志之一。进入二十一世纪以来，随着信息产业的飞速发展，尤其 是计算机、工业自动化的发展，对各种传感器提出了更多更高的要求。在各类传感器中， 磁敏传感器作为一个重要的分支，越来越多地应用于交通运输、医疗仪器、航空航天、 电子通信设备、工业测试设备以及军事国防等诸多领域，受到人们广泛的重视。磁敏传 感器主要是指利用固体元件感知与磁现象有关的物理量的变化，将其转换成电信号进行 检测的器件。虽然磁敏传感器只直接对磁学量敏感，但由于磁学量和其他物理量之间可 以相互转换，使得磁
19、敏传感器的应用已经远远扩展到了对众多非磁量进行测控的领域 u J 。随着科技的进步，磁敏传感器在测量领域中的应用范围越来越广，已经成为电子测 量领域及发展高水平控制系统的关键器件之一。 常用的磁敏传感器按照检测方式可以分为磁敏二极管、磁通门传感器、霍尔传感器 和磁阻传感器等几类。按照被测磁场的大小又可分为强磁传感器、弱磁传感器和微磁传 感器，其对应的量程分别为1 0 0 e 以上，1 0 肛O e l O O e 和l O I - t O e 以下( 真空状态下， 1 0 e 相当于1 G s ，1 G s = 1 0 珥T = 1 0 0 p T = 1 0 5 n T ) 。从国内外的研究
20、现状来看，传统的磁敏传 感器对微弱磁场的检测不够理想，其中使用高性能细磁芯的磁通门传感器具有较高的灵 敏度，但由于杂散电容，磁芯绕组会使传感器的响应速度低于数千赫兹。霍尔传感器和 磁阻传感器虽然都能做成微型器件，但它们的灵敏度大约只有O 1 O e ，而且霍尔传感 器的最高工作温度只有7 0 。日前发现的巨磁电阻( G i a n tM a g n e t o r e s i s t a n c e ，简称 G M R ) 效应，可以使磁阻材料的灵敏度提高一个数量级，达到1 O e ，不过它还存在 磁滞较大、温度稳定性差等问题，且目前研制的G M R 材料必须在较高的磁场( 1 0 k O e
21、 ) 中才能观察到明显的效应，因此它在应用时有很大的局限性。而与此同时，军事探测、 地质勘探、医疗诊断等众多领域又对弱磁检测提出了越来越高的要求，故一个国家磁敏 传感器的发展水平主要取决于微弱磁场测量技术的水平，弱磁测量技术具有重要的研究 意义。 1 9 9 2 年，日本的M o h r i 等人首先在C o 基非晶丝中发现了巨磁阻抗( G i a n t M a g n e t o i m p e d a n c e ，简称G M I ) 效应【2 】，即非晶材料的交流阻抗随外界磁场变化而发 生显著变化的效应。利用G M I 效应设计的弱磁传感器与传统的磁敏传感器相比，具有 灵敏度高、体积小
22、、响应快等优点1 3 ，在室温环境下就可以达到1 2 - - 1 2 0 O e 的灵敏 度，迅速成为了弱磁测量领域的热门研究方向之一。最初对G M I 效应的研究多是关于 l l 绪论硕士论文 具有零或负磁致伸缩系数的钴基非晶丝进行的。近年来，其研究范围已经扩大到非晶和 纳米晶软磁合金薄带和薄膜等材料。由于G M I 效应具有灵敏度高、温度稳定性好、磁 滞小等优点，因此在弱磁检测领域展示出巨大的应用价值。 在数字化高速发展的今天，传感器的数字化也成为一个重要的发展趋势，只有能够 实现各种数字输出的传感器才能在众多领域得到实际应用。纵观现今国内外关于G M I 传感器的研究者，他们研究的G M
23、 I 传感器多在模拟输出阶段，这类传感器无法直接应 用于汽车领域和数字通信领域。要将其数字化，常规的做法是在模拟传感器的输出之后， 增加A D 转换芯片和微处理器等数字器件，将模拟信号转化为数字信号进行输出。但 由于一般的A D 转换芯片存在体积大、价格昂贵、响应速度慢等缺点，与我们的磁传 感器的体积小、成本低、响应快的发展方向相违背。因此，本课题的主要任务就是以模 拟G M I 传感器为基础，设计和调试数字式的信号调理电路，使传感器直接输出频率信 号。由于频率信号属于数字量，不需要A D 转换就能直接被微处理器进行捕获和计算， 再按需要加入各种输出模块，使传感器实现各种数字输出。同时，数字信
24、号的抗干扰能 力也优于模拟信号。由此可见，本课题的研究对于研究出体积小、成本低、响应快、抗 干扰能力强的数字式弱磁传感器具有重要的科学意义。 1 2G M I 传感器的发展现状及应用 1 2 1G M I 传感器的发展现状 G M I 效应的发现首先得益于非晶材料的制备。早在1 9 8 1 年，日本的U N I T I K A 公 司便开始利用快速淬火的方法生产非晶合金丝【4 】。自那时起，一系列显著的效应相继被 发现，包括大巴克豪森效应【5 1 、磁阻抗效应【6 】和应力阻抗效应等 7 1 。自从G M I 效应被发 现以来，基于G M I 效应的弱磁传感器就一直成为磁敏传感器领域的热门研究
25、内容之一。 G M I 传感器的发展主要围绕两个方面：一方面通过不断研制新型的合金材料来获得更 加优异的G M I 特性；另一方面通过设计和优化调理电路来获得更佳的输出效果以及应 用于各种不同的场合。 材料方面，理想的G M I 软磁材料应具有以下特性：既能够在弱磁场中具有高磁导 率和低矫顽力，同时在较强的磁场中又具有较高的饱和磁感应强度。目前常用材料主要 有以C 0 6 8 1 5 F e 4 3 5 S h 5 8 1 5 为代表的C o 基材料和以F e 7 3 5 C u l N b 3 S i l 3 5 8 9 为代表的F e 基材 料，结构主要有丝材、带材、薄膜以及复合材料等【8
26、 】。同时，大量研究表明，通过适当 的磁场退火、应力退火或者焦耳电流退火处理，可以进一步改善G M I 效应1 9 d 。 利用合适的G M I 材料加以骨架及感应线圈，可以制作成为传感器的敏感头，利用 M E M S 工艺制造出体积小、性能高的敏感头，对于研发出高性能的G M I 传感器有着重 要的意义。目前在国外已经有公司可以对敏感头进行研发批量生产，其中比较有代表性 2 硕：上论文 数字式G M I 弱磁传感器若干技术的研究 的是日本的爱知钢铁公司( A i c h iS t e e lC o ) 。图1 1 所示为日本爱知钢铁公司生产的一 款用于3 轴磁罗盘的G M I 敏感头【1 2
27、 】，由于该敏感头具有非常微小的尺寸，利用其设计 制作的磁敏传感器可以方便的用于手机等移动设备之中。 感应线圈 非品丝( d = 2 0 p m ) L 辫脚嘲 g 晨 6 I 1I ”r_ 1r TL 1 - 0 9 3 m r r ，r 辱应电极激励电极 图1 1 日本爱知钢铁公司生产的G M I 敏感头 2 0 0 6 年，日本爱知钢铁公司与爱知微智能( A i c h iM i c r oI m e U i g e n t ) 公司联合开发 了n T 级高灵敏型磁传感器“M I C B 一1 D K 【1 3 】。l n T 仅相当于强度不足地磁场五万分之一 的微小磁场。其外形尺寸仅有
28、3 5 m m x l l m m x 5 m m ，如图1 2 所示。与此同时，还开发 了高线性度型磁传感器“M I C B 1 D L ”和仅对交流磁场敏感的磁传感器“M I C B 1 D S ”等 系列产品。这些产品可以用于检测食品或服装产品中的异物，或用于安检门对危险品的 检查。 敏感哭 图1 2 “M I C B 1 D K ”型G M I 传感器 非晶材料的G M I 特性是关于零磁场对称的，即正向和负向磁场能够对非晶材料起 到相同的影响。在使用时通常需要加一个偏置磁场使非晶带能够区分外加磁场的方向。 近年来，一种被称为非对称巨磁阻抗( A s y m m e t r i c a
29、 lG i a n tM a g n e t o i m p e d a n c e ，简称 A G M I ) 效应的特性成为了巨磁阻抗领域的研究热点【1 4 , 1 5 。韩国的K i m 等人最早在经 弱磁场空气中退火的C o F e S i B 非晶带中发现了A G M I 效应，该效应可以使非晶带在零 场附近呈现非对称的特性，并且获得高灵敏度及高线性度，从此便受到广泛关注。 和国外的研究情况相比，国内关于G M I 传感器的研究起步较晚，不过也取得了不 错的成绩。如江苏大学的鲍丙豪等人在G M I 材料的制备、处理及特性方面作了较多的 研究，取得了一定的成绩 1 7 , 1 8 ；华
30、东师范大学的赵振杰等人对多种复合材料的G M I 特 1 绪论 硕士论文 性进行了研究1 9 2 0 1 ，并在传感器的数字化方面进行了一些尝试【2 l 】；北京航空航天大学的 房建成等人制备了具有A G M I 特性的非晶丝，并以此为敏感材料设计了磁传感器【”】。 除此之外，北京理工大学、上海交通大学、北京科技大学、浙江师范大学、中国地震局、 北京钢铁总院等单位对G M I 材料的制备和传感器的设计都进行了相关的研究。 但截止到目前为止，国内关于G M I 传感器的研究多还处于实验室阶段，尚未见到 有成熟的产品问世，且所研制的传感器在灵敏度、稳定性等性能参数上与国外产品仍有 明显差距。同时，
31、由于国内M E M S 工艺尚不成熟，还不能方便地加工M E M S 线圈，从 而使得G M I 传感器在小型化的道路上还有较长的路要走。但鉴于G M I 传感器的巨大潜 力和良好的应用前景，以及国内对G M I 传感器研究的不断投入，相信国内在该领域的 研究水平定能与国外逐渐缩小。 1 2 2G M I 传感器的应用 G M I 传感器直接对磁场敏感，尤其适合于弱磁检测。同时由于其对磁场检测的高 灵敏度、高稳定性等优异性能，可以用于对多种能够转化为磁场的其他物理量的检测， 比如电流、扭矩、位移、质量、角度等。因此，G M I 传感器在众多领域都有其应用前 景，如智能交通、地磁导航、姿态测试(
32、 包括偏航、俯仰、横滚) 、无损探伤、石油勘 探、验钞、安检系统、异物探测、磁引信，等等2 2 棚】。下面以几种有代表性的应用作以 介绍。 ( 1 ) 电流传感器 电流测量在科研和生产领域是一个重要的问题，许多新技术和新材料都会被应用到 电流的测量上。根据电磁感应定律，电流会产生磁场，且电流的大小和产生磁场的大小 有着固定的关系。因此，磁敏传感器往往可以应用于电流的测量。常用的电流传感器有 磁通门传感器、霍尔传感器、振动或转动线圈等，但这些传感器的电路复杂，成本较高。 G M I 传感器凭借其高灵敏度和简单的调理电路，能够很好的应用于电流测量。一种螺 旋式G M I 电流传感器的工作框图如图1
33、 3 所示【2 3 1 。非晶带缠绕在绝缘圆管上，圆管内 通入待测电流的导线，当被测电流变化时，可通过周围磁场改变非晶带的阻抗值。通过 后续电路测量其阻抗值的变化，就能得到被测电流的值。 乏 萤离僵洹罾 。可 图1 3 一种螺旋式G M I 电流传感器的工作框图 ( 2 ) 生物传感器 生物传感器是分析科学的重要分支，在生命科学研究和医学诊断中具有非常重要的 4 硕士论文 数字式G M I 弱磁传感器若干技术的研究 研究意义和应用价值。G M I 传感器应用于生物传感器有灵敏度高、外加磁场低、稳定 性好、成本低等几大优势1 2 4 1 。一种G M I 生物传感器的基本原理如图1 4 所示【2
34、 5 1 。首先 在磁性颗粒上包裹一层抗体，这种抗体只与特定的被分析物结合，将其附着在样本上作 为磁性标记。另一方面，在G M I 传感器上也附有同样的磁性标记，当用传感器检测被 分析物溶液时，两磁性标记间磁场的变化可以引起G M I 传感器输出的变化，从而测量 被分析物的浓度等信息。 图1 4 G M I 生物传感器示意图 ( 3 ) 地磁导航 地磁场是地球固有的公共资源，在近地空间内每个点的地磁场矢量都与其经纬度一 一对应。只要能准确测出地磁场矢量，就可以实现全球定位。利用地磁定位可以与全球 卫星定位系统互相校对。同时，一旦全球卫星定位系统遇到干扰或封锁，地磁定位又可 以独立进行导航工作。
35、因此，地磁导航无论在自主导航或辅助导航上，都有着重要的应 用前景。G M I 传感器能够精确地对地磁场量级的磁场进行测量，用做地磁导航可以达 到很高的精度：分辨率为l n T 时，导航精度可达1 5 m ；分辨率如能提高到O 1 n T ，精度 可达1 5 m 1 2 引。图1 5 所示为日本爱知微智能公司生产的两轴G M I 磁罗盘集成芯片 A M l 2 0 1 ，由于采用了M E M S 工艺，使得其具有微小的尺寸和极低的功耗( 6 m W ) ，可 以方便的应用于手机等移动设备之中。 图1 5 A M l 2 0 1 型双轴G M I 磁罗盘 l 绪论 硕士论文 ( 4 ) 自动驾驶传
36、感器 日本名古屋大学曾研究将G M I 传感器应用于自动高速公路系统( A u t o m a t e d H i g h w a yS y s t e m ，简称A H S ) 之中【2 7 1 ，以实现汽车的自动驾驶，其基本原理如图1 6 所 示。先将永磁体按照一定的规则安装在高速公路的路面上，作为磁性标记，然后在汽车 上安装高灵敏的G M I 传感器。汽车上的控制系统便可以根据G M I 传感器对磁性标记的 跟踪实现自动驾驶。在此应用中，需要重点考虑对外界干扰磁场的抑制。 豫杯记 图1 6G M I 自动驾驶传感器示意图 ( 5 ) G M I 汽车交通监测系统 日本名古屋大学的N i
37、s h i b e 等人【2 8 】利用G M I 传感器研制了一种汽车交通监测系统， 其基本原理如图1 7 ( a ) 所示。该系统为一个可置于路面上的方盘，边长3 0 c m ，厚度 2 5 m m ，实物如图1 7 ( b ) 所示。系统包括两个G M I 传感器、模拟电路、数字电路及电 池，可以实现无线通信及数据存储。有车辆经过该系统时，可以根据两个传感器输出波 形的相关性计算出车辆的行驶速度，该系统目前已经应用于汽车交通普查。 传黪嚣I 争_ 传黪器2 ( a ) 系统示意图 ( b ) 系统实物图 图1 7G M I 汽车交通监测系统 以上所列的仅是G M I 传感器几种典型的应用
38、，作为G M I 传感器全球领先的研究公 司，日本爱知公司已经列出了G M I 传感器的超过1 0 0 项应用1 3 。在不同的应用场合中， 只要将希望检测的目标进行合理的转化，使其表现出磁场的改变，再设计出相应的感应 方式和调理电路，便可利用G M I 传感器进行相应的检测。总之，G M I 有着非常广阔的 应用前景。 1 3 本课题研究内容 自从G M I 效应被发现以来，基于G M I 效应的磁敏传感器研究就迅速成为了弱磁测 6 硕士论文 数字式G M I 弱磁传感器若干技术的研究 量领域的热门研究方向之一。和传统的磁敏传感器相比，G M I 传感器凭借灵敏度高、 响应速度快、磁滞低、体
39、积小等优点，表现出诱人的应用前景。国内外的研究者一方面 通过不断改善非晶材料的制备方式，从而获得更加优异的G M I 特性；一方面通过设计 和优化合理的感应方式和调理电路，设计出实用的传感器，同时可以满足各种不同的测 量需要。本文所做的工作主要围绕第二部分展开，力图设计出结构简单、性能优异的数 字式G M I 传感器，为日后设计基于M E M S 工艺的传感器集成芯片奠定基础。 本文的研究内容具体包括了以下几部分： 第一章：介绍了磁敏传感器在现代传感技术中的地位以及传统磁敏传感器所存在的 问题，从而说明了研究G M I 传感器所具有的实际意义。在此基础上，对G M I 传感器的 国内外研究现状
40、进行了阐述，并对其应用前景进行了分析。 第二章：介绍了G M I 效应的基本理论和分析方法。包括G M I 效应的定义和产生机 理，不同材料G M I 特性的分析，以及常用的热处理方式对材料特性的影响。 第三章：介绍了本文所设计的传感器的基本方案，重点介绍了传感器的敏感方式的 设计，包括材料选择、激励方式、激励频率和偏置方式等。 第四章：详细介绍了频率输出型G M I 传感器的设计方法，包括不同激励电路的设 计和比较，以及相应的M C U 系统的设计。M C U 系统包括对频率信号的采集和计算， 以及通信接口的设计。同时对相应的M C U 软件进行了设计。 第五章：介绍了脉宽调制型G M I
41、传感器的电路设计，重点介绍材料的阻抗变化到 P W M 波的转换设计。 第六章：对所设计的传感器进行标定，包括静态标定和动态标定。通过标定的结果， 对传感器的输出进行软件补偿，最后给出传感器的技术指标。 第七章：总结全文的研究工作，并针对所设计的传感器所存在的一些问题，提出改 进方法。 7 2G M I 效应的理论研究 硕士论文 2G M I 效应的理论研究 G M I 效应的发现使人们看到了一种能够很快投入实际应用的新材料和一种高灵敏 弱磁传感器的光明前景，从此，各国的研究者们便争相在该领域开始了研究工作。本课 题的主要工作就是利用G M I 效应的高灵敏度、高稳定性及高响应速度，设计出性能
42、良 好、实用的弱磁传感器，这对G M I 效应基本理论的研究，对于传感器结构的设计，敏 感材料的选择等工作都有着重要的指导意义。本章将就G M I 效应的产生机理、基本概 念以及不同材料的G M I 效应等内容进行研究。 2 1G M I 效应的产生机理及表示方法 G M I 效应是指在高频交变电流激励下，材料的阻抗值Z ( Z = R + X i ) 随外加磁场 强度的变化而显著变化的现象。1 9 9 2 年，日本名古屋大学的毛利( K M o h r i ) 教授等用 旋转水中纺丝法，喷制成直径为1 2 5 1 t m 并具有近零、负磁致伸缩系数的非晶丝，其化 学式为( C o o 9 4
43、 F e o 0 6 ) 7 2 s S i l 2 5 B l s 。他们发现此材料在几毫安的高频( O 1 - 1 0 M H z ) 交变电 流激励下，在丝的轴向施加外磁场，将引起材料的阻抗发生明显的变化1 2 。从此，G M I 效应逐渐被人们所认识。 2 1 1G M I 效应的产生机理 关于G M I 效应产生的原因，目前比较一致的看法是认为与材料在高频电流激励下 的趋肤效应有关【3 0 l 。趋肤效应亦称为“集肤效应”，是指交变电流通过导体时，由于感应 作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大的现象。趋肤效应通 常用趋肤深度艿来表示，6 的定义式为【3 I J 6 = ( 2 1 1 1 ) 式( 2 1 1 1 ) 中，P 为材料的电阻率，厂为激励电流频率，心为材料的周向磁导率。 6 的物理意义是：导体内部电流密度减小到表面处电流密度的1 e ( 约3 7 ) 处到外表 面的距离。另一方面，根据经典电磁理论，高频电流激励下导体的阻抗值Z 是其趋肤深 度6 的函数，以丝状导体为例，其阻抗值Z 和趋肤深度6 之间的关系为 z = 如船 ， 七= 半 ( 2 1 1