基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器的製造方法
2023-10-05 10:13:49 1
基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器，在絕緣基板(1)上放置或加工偶數條上下平行且首尾相連、相互串聯的磁芯(2)，每條磁芯(2)的左、右兩端分別連接一段非磁性導電金屬(3)；在串聯的磁芯(2)外部纏繞一個或一組結構對稱的非磁性金屬接收線圈(4)。磁芯的上輸入端子(a)、下輸入端子(b)相互靠近並位於傳感器的一側，而金屬接收線圈信號的上輸出端子(c)和下輸出端子(d)相互靠近並位於傳感器的另一側。本實用新型高靈敏度磁場傳感器降低了信號失真，提高了傳感器輸出信號的信噪比，且能方便控制傳感器的磁場檢測範圍和磁場靈敏度。
【專利說明】基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於磁場傳感器領域，特別是涉及一種基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器。
【背景技術】
[0002]現有技術普遍使用單條(或多條並聯)高導磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶作為磁芯，外繞有一個接收線圈或接收線圈+反饋補償線圈的結構。通過在磁芯上流過一個高頻交變電流或高頻脈衝電流作為激勵，並檢測此時接收線圈上的電壓信號來感測磁芯長度方向上的外加磁場，接收線圈上的電壓信號大小與外加磁場的大小相對應。
[0003]現有技術存在以下不足:
[0004]1.在磁芯上流過一個激勵電流時，該電流會在磁芯周圍產生一個環繞電流流動方向的磁場，由於接收線圈和該磁場的磁感線不能做到完全平行，兩者間存在一個很小的夾角，在激勵電流接通或斷開的瞬間，由激勵電流產生的磁場變化會在接收線圈上產生感性耦合，從而在接收線圈上形成一個感應電壓。該感應電壓會疊加到最終的輸出信號中，造成輸出信號失真，並降低輸出信號的信噪比。
[0005]2.在現有技術所採用的結構下，由於接收線圈和磁芯之間存在寄生電容，在磁芯上流過一個激勵電流時，磁芯與接收線圈間會產生容性耦合，從而在接收線圈上形成一個耦合電壓，該電壓會疊加到最終的輸出信號中，降低輸出信號的信噪比甚至造成放大器輸出的飽和。
[0006]3.由於非晶絲、非晶薄膜或非晶帶磁芯自身的多磁疇結構特性，利用現有技術開發的磁場傳感器均具有磁滯效應，即磁芯被外部磁場磁化後，傳感器輸出會發生偏移的現象。
【發明內容】
[0007]發明目的:解決上述現有技術中存在的不足，提出一種基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器，以降低信號失真、提高傳感器輸出信號的信噪比，並達到控制傳感器的磁場檢測範圍和磁場靈敏度的目的。
[0008]技術方案:一種基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器，包括絕緣基板1、高導磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯2、非磁性導電金屬3、結構對稱的非磁性金屬接收線圈4，其特徵在於:
[0009]在絕緣基板I上放置或加工偶數條上下平行且首尾相連、相互串聯的磁芯2，每條磁芯2的左、右兩端分別連接一段非磁性導電金屬3 ;在串聯的磁芯2外部纏繞有一個或一組結構對稱的非磁性金屬接收線圈4 ;磁芯的上輸入端子a、下輸入端子b分別連通傳感器最上部、最下部兩個磁芯2的某一端的非磁性導電金屬3並位於傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d相互靠近並位於傳感器的另一側，如圖7或圖8所示；
[0010]所述磁芯2具有如圖1、圖2所示的短軸異向性磁疇結構，磁芯的材料可為鈷(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或鎳(Ni)基非晶材料，或鐵(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度範圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑範圍為2um?lOOum，磁芯的長度範圍為0.05mm?20mm ;優選的，本發明中採用的是直徑為1um的CoFeSiB非晶絲作為磁芯，其長度為0.8mm ；
[0011]所述金屬接收線圈4的線圈形式可以是微機電(MEMS)型線圈、普通繞線線圈、金屬薄膜型線圈等；
[0012]優選的，將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬3連通(如圖9所示)；
[0013]在磁芯2的長度方向上存在一個外加磁場時，磁疇結構中的磁化方向將發生偏轉，如圖3、圖4所示，此時，在磁芯2上流過一個激勵電流，磁芯2中磁疇的磁化方向將被重新沿短軸方向排列，如圖5、圖6所示，該種排列改變了磁芯2的導磁率μ，並在磁芯2的長軸方向上形成一個磁通量的變化Δ φ，該磁通量的變化被纏繞在磁芯2外部的接收線圈4感測到並轉化為一個電壓輸出信號，該電壓輸出信號在固定相位的波峰處(或波谷處)的幅值大小與磁芯2長度方向上外加磁場的大小相對應，其極性與外加磁場的方向相對應；
[0014]本發明在磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b間施加一個激勵電流時，由於每條磁芯2首尾相連、相互串聯，所以相鄰上下兩條磁芯2的激勵電流方向相反，由激勵電流流過每條磁芯2所產生的磁場將相互抵消，不會在金屬接收線圈4上形成感性耦合，從而增加了輸出信號的信噪比，解決了上述現有技術的第「I」點不足；
[0015]本發明採用對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數條串聯磁芯的結構，使得磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b可以相互靠近並位於傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d可以相互靠近並位於傳感器的另一側，磁芯和接收線圈的兩對端子可以儘量遠離。這種結構使得激勵電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應耦合到金屬接收線圈4上的影響降到最小，解決了上述現有技術的第「2」點不足；
[0016]優選的，本發明將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬3連通，通過調整每段磁芯的長度控制其在長度方向上退磁因子的大小，從而達到控制傳感器的磁場檢測範圍和磁場靈敏度的目的；隨著每段磁芯長度的縮短，磁芯長度方向上的退磁因子隨之增大，磁場檢測檢測範圍變寬、磁場靈敏度變小；反之，磁場檢測範圍變窄、磁場靈敏度變大(如圖9所示)；
[0017]在沿磁芯長度方向上施加一個恆定大小的外部磁場時，接收線圈的輸出信號幅值隨磁芯的條數增加而增大，本發明中採用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結構(如圖8)。
[0018]本實用新型的有益效果:本實用新型每條磁芯首尾相連、相互串聯，相鄰上下兩條磁芯的激勵電流方向相反，由激勵電流流過每條磁芯所產生的磁場將相互抵消，從而不會在金屬接收線圈上形成感性耦合，增加了輸出信號的信噪比；對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數條串聯磁芯的結構，使得磁芯的兩個輸入端子相互靠近並位於傳感器的一側，而接收線圈的兩個輸出端子相互靠近並位於傳感器的另一側，磁芯和接收線圈的兩對端子可以儘量遠離，使得激勵電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應耦合到金屬接收線圈上的影響降到最小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是高導磁率非晶絲磁芯示意圖；
[0020]圖2是高導磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯示意圖；
[0021]圖3是在高導磁率非晶絲磁芯長度方向上存在一個外加磁場時磁疇結構中的磁化方向發生偏轉示意圖；
[0022]圖4是在高導磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯長度方向上存在一個外加磁場時磁疇結構中的磁化方向發生偏轉示意圖；
[0023]圖5是在高導磁率非晶絲磁芯長度方向上存在一個外加磁場且在磁芯上流過一個反向的激勵電流時磁疇結構中的磁化方向發生重置示意圖；
[0024]圖6是在高導磁率非晶薄膜或非晶帶磁芯長度方向上存在一個外加磁場且在磁芯上流過一個反向的激勵電流時磁疇結構中的磁化方向發生重置示意圖；
[0025]圖7是本發明磁場傳感器採用微機電型(MEMS)線圈時結構示意圖；
[0026]圖8是本發明磁場傳感器採用普通繞線線圈時結構示意圖；
[0027]圖9是本發明磁場傳感器中每一條磁芯切分為若干段等長的小段時結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028]為了使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細描述。
[0029]實施例:
[0030]一種基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器，包括絕緣基板1、高導磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯2、非磁性導電金屬3、結構對稱的非磁性金屬接收線圈4，在絕緣基板I上放置或加工偶數條上下平行且首尾相連、相互串聯的磁芯2，每條磁芯2的左、右兩端分別連接一段非磁性導電金屬3 ;在串聯的磁芯2外部纏繞有一個或一組結構對稱的非磁性金屬接收線圈4;磁芯的上輸入端子a、下輸入端子b分別連通傳感器最上部、最下部兩個磁芯2的某一端的非磁性導電金屬3並位於傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d相互靠近並位於傳感器的另一側，如圖7或圖8所示；
[0031]所述磁芯2具有如圖1、圖2所示的短軸異向性磁疇結構，磁芯的材料可為鈷(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或鎳(Ni)基非晶材料，或鐵(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度範圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑範圍為2um?lOOum，磁芯的長度範圍為0.05mm?20mm ；
[0032]本實施例中採用的是直徑為1um的CoFeSiB非晶絲作為磁芯，其長度為0.8mm ；
[0033]所述金屬接收線圈4的線圈形式可以是微機電(MEMS)型線圈、普通繞線線圈、金屬薄膜型線圈等；
[0034]本實施例中，將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬3連通(如圖9所示)；
[0035]在磁芯2的長度方向上存在一個外加磁場時，磁疇結構中的磁化方向將發生偏轉，如圖3、圖4所示，此時，在磁芯2上流過一個激勵電流，磁芯2中磁疇的磁化方向將被重新沿短軸方向排列，如圖5、圖6所示，該種排列改變了磁芯2的導磁率μ，並在磁芯2的長軸方向上形成一個磁通量的變化Δ φ，該磁通量的變化被纏繞在磁芯2外部的接收線圈4感測到並轉化為一個電壓輸出信號，該電壓輸出信號在固定相位的波峰處(或波谷處)的幅值大小與磁芯2長度方向上外加磁場的大小相對應，其極性與外加磁場的方向相對應；在磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b間施加一個激勵電流時，由於每條磁芯2首尾相連、相互串聯，所以相鄰上下兩條磁芯2的激勵電流方向相反，由激勵電流流過每條磁芯2所產生的磁場將相互抵消，不會在金屬接收線圈4上形成影響最終輸出信號的感應電壓，從而增加了輸出信號的信噪比，解決了上述現有技術的第「I」點不足；
[0036]採用對稱纏繞方式的金屬接收線圈和偶數條串聯磁芯的結構，使得磁芯的上輸入端子a和下輸入端子b可以相互靠近並位於傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子c和下輸出端子d可以相互靠近並位於傳感器的另一側，磁芯和接收線圈的兩對端子可以儘量遠離。這種結構使得激勵電流在磁芯上形成的電勢差通過容性耦合效應耦合到金屬接收線圈4上的影響降到最小，解決了上述現有技術的第「2」點不足；本實施例將每一條磁芯2切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬3連通，通過調整每段磁芯的長度控制其在長度方向上退磁因子的大小，從而達到控制傳感器的磁場檢測範圍和磁場靈敏度的目的；隨著每段磁芯長度的縮短，磁芯長度方向上的退磁因子隨之增大，磁場檢測檢測範圍變寬、磁場靈敏度變小；反之，磁場檢測範圍變窄、磁場靈敏度變大(如圖9所示)；在沿磁芯長度方向上施加一個恆定大小的外部磁場時，接收線圈的輸出信號幅值隨磁芯的條數增加而增大，本發明中採用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結構(如圖8)。
[0037]以上所述僅為本實用新型的較佳實例而已，並不用以限制本發明，在發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的系統結構之內。
【權利要求】
1.一種基於非晶態合金材料的高靈敏度磁場傳感器，包括絕緣基板(I)、高導磁率非晶絲、非晶薄膜或非晶帶做成的磁芯(2)、非磁性導電金屬(3)、結構對稱的非磁性金屬接收線圈(4)，其特徵在於: 在絕緣基板(I)上放置或加工偶數條上下平行且首尾相連、相互串聯的磁芯(2)，每條磁芯⑵的左、右兩端分別連接一段非磁性導電金屬⑶；在串聯的磁芯⑵外部纏繞有一個或一組結構對稱的非磁性金屬接收線圈(4);磁芯的上輸入端子(a)、下輸入端子(b)分別連通傳感器最上部、最下部兩個磁芯(2)的某一端的非磁性導電金屬(3)並位於傳感器的一側，而金屬接收線圈的上輸出端子(C)和下輸出端子(d)相互靠近並位於傳感器的另一側。
2.根據權利要求1所述的高靈敏度磁場傳感器，其特徵在於: 所述磁芯(2)具有短軸異向性磁疇結構，磁芯的材料為鈷基非晶材料、鎳基非晶材料或鐵基非晶材料；非晶薄膜、非晶帶的厚度範圍為0.0lum?lOOum，非晶絲的直徑範圍為2um?lOOum，磁芯的長度範圍為0.05mm?20mm。
3.根據權利要求1所述的高靈敏度磁場傳感器，其特徵在於: 所述金屬接收線圈(4)的線圈形式是微機電型(MEMS)線圈、普通繞線線圈或金屬薄膜型線圈。
4.根據權利要求1所述的高靈敏度磁場傳感器，其特徵在於:將每一條磁芯(2)切分為若干段等長的小段，每條小段之間使用非磁性導電金屬(3)連通。
5.根據權利要求1所述的高靈敏度磁場傳感器，其特徵在於:採用100匝的普通繞線線圈和四條磁芯的結構。
【文檔編號】G01R33/02GK204241670SQ201420806065
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月17日 優先權日:2014年12月17日
【發明者】王國安 申請人:王國安