一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭的製作方法

2023-05-22 12:22:16

專利名稱：一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁敏傳感器探頭，特別是一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭。
背景技術：
對微弱磁場，特別是對接近於零值的微弱磁場，具有高靈敏響應的新型磁敏傳感器，是生物磁測量、探礦、無損探傷等當今科技發展所迫切需求的。但是，現有的磁敏傳感器，如磁通門、巨磁阻、霍爾磁敏傳感器等都由於對微弱磁場不夠靈敏而不能滿足需求。超導量子幹涉儀雖然具有極高的靈敏度，在一定程度上可以滿足當今高科技對微弱磁場測量的需求，可是，由於其要求滿足超導所需的低溫，使得儀器無法微型化和製造成本及運行成本高等原因，限制了超導量子幹涉儀在許多場合的應用。巨磁阻抗效應的發現，使人們看到了研發高靈敏度磁敏傳感器的希望，因為其靈敏度比巨磁阻效應要高出一個數量級，比霍爾效應高出兩個數量級，但是，巨磁阻抗效應在近零磁場處的靈敏度仍然不高，常規對稱的巨磁阻抗效應在近零磁場處的靈敏度很低，被稱為零場盲點。如專利高靈敏磁敏材料(專利號200810163790.X)，一種具有寬線性區的高靈敏磁敏材料(專利號:201110028111. X)，一種製備靈敏度高和線性區寬的磁敏材料方法(專利號201110(^6317. 9)等專利都存在零場盲點的問題，不能滿足對跨零微弱磁場靈敏響應要求。非對稱巨磁阻抗效應雖然在零磁場附近不像對稱的巨磁阻抗效應那樣存在零場盲點，卻也存在整體靈敏度不如對稱巨磁阻抗效應的問題，還不具備使用價值。雖然，通過外加偏置直流磁場將磁敏傳感器的靈敏區移動到零磁場附近的技術，可以提高現有傳感器對近零微弱磁場響應的靈敏度，但是，這種技術不僅存在耗能大的問題，而且還要求偏置直流磁場具有高穩定性，然而，現有的電子技術還不能滿足高靈敏磁敏傳感器所要求的高穩定性，往往會因為溫度變化、電源波動等因素影響，使得偏置場有所波動。因此，現有的技術不能滿足，對跨零微弱磁場敏感，又可以微型化和低耗能及低製造成本的現代科技發展需求。

發明內容
針對以上問題，本發明的目的是提供一種具有無零場盲點、高靈敏、線性響應跨零微弱磁場的探頭。一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，包括金屬螺線管和磁芯， 其特徵在於磁芯為複合磁芯，複合磁芯由含硬磁相的磁性材料和軟磁性能的軟磁材料疊加而成。本發明的目的是通過採用由含硬磁相的磁性材料和軟磁性能的軟磁材料疊加而成的複合磁芯實現的。所以不僅具有無零場盲點、高靈敏、線性響應跨零微弱磁場、高可靠性、高穩定性和價格低廉等諸項優點，還具有方向識別能力和便於微型化及低耗能的優點。


圖1是本發明的結構示意圖，圖2是本發明的一種探頭的磁阻抗曲線。圖3為比較實施例1的磁阻抗曲線，圖4為比較實施例2的巨磁阻抗曲線。圖中螺線管1、探頭磁芯2、含硬磁相的磁性材料3、軟磁性能的軟磁材料4、驅動電極5，測量電極6。
具體實施例方式以下結合實施例進行詳述圖1是一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，主要包括金屬螺線管1和磁芯2，其特徵在於磁芯2為複合磁芯，由含硬磁相的磁性材料3和軟磁性能的軟磁材料4複合而成。為了提高性能，含硬磁相的磁性材料3為具有非對稱磁阻抗效應特性的含硬磁相磁性材料，軟磁性能的軟磁材料4為具有對稱巨磁阻抗效應特性的純軟磁相材料。圖2是一種具有非對稱磁阻抗效應特性的含硬磁相磁性材料和具有對稱巨磁阻抗效應特性的純軟磁相材料複合而成的高靈敏無零場盲點、線性響應微弱場磁的探頭的磁阻抗曲線圖。其具有非對稱磁阻抗效應特性的含硬磁相磁性材料3是採用!^e76Si7.6B9. 5P5Cl 9 非晶材料，在氮氣保護下沿軸向施加3000A/m的磁場並於490退火1小時製得；具有對稱巨磁阻抗效應特性的純軟磁相材料4是採用!^76SiuBuP5Cu非晶材料，在空氣中於470°C退火1小時製得。圖中的一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，是按如下方法製備的(1)用線徑為0. Imm的漆包線密繞100匝製成直徑為0. 57mm的螺線管1。(2)將0. 35mm寬和33μπι厚的!^^^^.^(^非晶薄帶，在氮氣保護下沿薄帶軸向施加3000A/m的磁場於490退火1小時，然後截取15mm長，製成含硬磁相的磁性材料3。(3)將0. 35mm寬和33 μ m厚的Fe76Si7.6B9.5P5CL9非晶薄帶在空氣中於470°C退火 1小時，然後截取15mm長，製成軟磁性能的軟磁材料4。(4)將由步驟(2)、(3)製得的含硬磁相的磁性材料3與軟磁性能的軟磁材料4平疊粘結製成磁芯2。(5)將磁芯2插入螺線管1構成磁敏傳感器探頭。(6)圖2為用上述方法製得的含磁芯2的磁敏螺線管的磁阻抗曲線。測量時驅動電流的幅值為10mA，頻率為380kHz。測試結果，在-348A/m到232A/m的跨零磁場範圍內，磁敏螺線管的靈敏度為 0. 89% /A · πΓ1，線性最大偏差僅為0. 78%。比較實施例1為了說明磁芯2的優點，將實施例1中的磁芯2改為含硬磁相的磁性材料3，用於比較。具體實施方法如下(1)同實施例步驟(1)製成螺線管1。
(2)同實施例步驟( 製成含硬磁相的磁性材料3。(3)將由步驟(2)製得的含硬磁相的磁性材料3插入由步驟⑴製得的螺線管中製成磁敏探頭。(4)圖3為用上述方法製得的磁敏探頭的磁阻抗曲線。測量時驅動電流的幅值為 10mA，頻率為 380kHz。測試結果，在-1600A/m到1600A/m的跨零磁場範圍內，磁阻抗隨外加磁場線性變化，但靈敏度很低，只有0. 0048% /A · πΓ1。比較實施例2為了說明磁芯2的優點，將實施例1中的磁芯2改為軟磁性能的軟磁材料4，用於比較。具體實施方法如下(1)同實施例步驟⑴製成螺線管1。(2)同實施例步驟(3)製成軟磁性能的軟磁材料4。(3)將由步驟(2)製得的軟磁性能的軟磁材料4插入由步驟⑴製得的螺線管中製成磁敏探頭。(4)圖4為用上述方法製得的磁敏探頭的巨磁阻抗曲線。測量時驅動電流幅值為 10mA，頻率為 380kHz。測試結果，在-1600A/m到1600A/m的跨零磁場範圍內，阻抗隨外加磁場變化曲線關於零磁場點對稱。不同區段的靈敏度不同在外磁場絕對值大於1500A/m的範圍內，探頭趨於飽和，靈敏度接近為0 ；磁場絕對值在800 1500A/m範圍內，阻抗與磁場呈非線性關係，靈敏度在0到0. 89% /A · πΓ1之間變化；磁場絕對值在50 800A/m範圍內，阻抗隨外加磁場呈線性變化，靈敏度為0. 90% /A ^nT1 ；磁場在-50 +50A/m範圍內，靈敏度接近零， 即存在零場盲點。綜上所述，本發明的目的是採用含硬磁相的磁性材料3與純軟磁相的軟磁材料4 複合而成的複合磁性材料做成磁敏探頭芯，獲得高靈敏、線性響應跨零微弱磁場的新型磁敏傳感器探頭。提供一種同時具有高靈敏、高可靠性、無零磁場盲點、線性響應跨零微弱磁場且具有磁場方向識別能力等多項優點的新型磁敏傳感器探頭。如圖1所示，將含硬磁相的磁性材料3與軟磁性能的軟磁材料4平疊粘結構成磁芯2，將磁芯2插入通電螺線管1構成磁敏傳感器探頭，使磁芯2與螺線管1的軸向平行。交變電流由通電電極5引入螺線管 1產生一個沿磁芯2軸向的驅動場，在縱向驅動電磁場的作用下，使得螺線管1與磁芯2聯繫起來構成一個等效阻抗元件，該等效阻抗元件的阻抗會隨著作用在磁芯2上的外加磁場靈敏地線性變化，即表現出線性響應跨零微弱磁場的優異磁敏特性。這種複合磁芯磁敏探頭具有線性響應跨零微弱磁場的優異磁敏特性的主要原因，是由於含硬磁相的磁性材料3 在退火偏置場作用下，形成了一個沿退火外磁場方向的剩餘磁場。當含硬磁相的磁性材料 3與軟磁性能的軟磁材料4粘疊在一起的時候，含硬磁相的磁性材料3的剩餘磁場就形成了一個穩定的作用於軟磁性能的軟磁材料4上的偏置場。在該偏置場的作用下，原來關於零磁場對稱的只含軟磁性能的軟磁材料4的磁敏螺線管的磁阻抗曲線，沿偏置場方向平移了等於偏置場大小的位移，結果使得含磁芯2的螺線管具有無零場盲點、線性響應跨零微弱磁場的特性。通過實施例和比較實施例測量結果的對比，顯而易見，採用本發明所提供的複合磁芯製作的磁敏探頭，不僅克服了只含含硬磁相的磁性材料3的磁敏探頭的低靈敏度
5缺點，還在保持高靈敏度的前提下，克服了只含軟磁性能的軟磁材料4的磁敏探頭存在零磁場盲點的問題，並且具有識別外磁場方向的能力當外磁場方向與含硬磁相的磁性材料 3剩磁方向一致時，傳感器輸出正電壓；當外磁場方向與含硬磁相的磁性材料3剩磁方向相反時，傳感器輸出負電壓。本發明所提供的一種高靈敏無零場盲點線性響應微弱場磁的探頭，相比當前常用的巨磁阻、霍爾磁敏傳感器，不僅具有無零場盲點、對微弱磁場靈敏度高的優點，而且具有方向識別能力的優點。相比磁通門還具有體積小、耗能低的優點。相比超導量子幹涉儀，則具有可微型化、製造成本及運行成本低的優點。相比直流偏置場方法，則具有穩定性高、精度高、耗能低及製造成本低的優點。本發明提供的一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，具備已有敏傳感器所不具備的同時擁有高靈敏度、高可靠性、高穩定性和價格低廉等諸項優點的優越性，特別是具有無零場盲點、線性響應跨零微弱磁場和具有方向識別能力的優點。使得採用本發明可以在提高靈敏度的同時，又提高了磁敏傳感器的可靠性，且具有便於微型化、低耗能和價格低廉的綜合優優越性。因此，使用本發明技術生產的磁敏傳感器將具有廣闊的應用前景和極強的市場競爭力。為了便於製作和微型化，金屬螺線管1用漆包線密繞而成，或採用鍍膜和光刻技術相結合製成的微型線圈；顯然，可採用單層或多層線圈，只要能夠通以電流產生驅動電磁場即可。含硬磁相的磁性材料3為細棒、薄帶、細絲或薄膜形狀，還可採用其它形狀，只要具有適合的剩餘磁場，且能夠插入螺線管1並適合於與軟磁性能的軟磁材料4複合即可。軟磁性能的軟磁材料4為細棒、薄帶、細絲或薄膜形狀，還可採用其它形狀，只要具有良好的軟磁性能，且能夠插入螺線管1並適合於與含硬磁相的磁性材料3複合即可。為了提高探頭性能，軟磁性能的軟磁材料4採用非晶或納米晶軟磁性合金製成， 最好採用I^eCuNbSiB、FeCoNbSiB, FeSiPBC等合金材料製成；顯然，為了簡便易行、降低成本、方便加工製作，軟磁性能的軟磁材料4還可以採用Fe、Co或Ni單種金屬製成，只要具有較好的磁學性能，適合於在外加磁場作用下磁導率會發生顯著變化，並便於插入螺線管1 即可。本發明的磁敏信號由信號處理電路從螺線管1兩端的測量電極6取出，然後由信號處理電路輸出給信號顯示系統或控制系統。為了提高探頭性能，驅動電流最好為交流電。 交流電的頻率可以是幾千Hz到數個GHz。顯然，複合磁芯可以將硬磁相的磁性材料3和軟磁性能的軟磁材料4簡單地疊放在一起，也可以膠粘結在一起，還可以用鍍膜的方法複合在一起。為使含硬磁相的磁性材料 3和軟磁性能的軟磁材料4不易錯位、確保探頭性能，最好將含硬磁相的磁性材料3和軟磁性能的軟磁材料4粘結在一起。
權利要求
1.一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，包括金屬螺線管(1)和磁芯 O)，其特徵在於磁芯( 為複合磁芯，由含硬磁相的磁性材料C3)和軟磁性能的軟磁材料 (4)疊加而成。
2.根據權利要求1所述的高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，其特徵在於含硬磁相的磁性材料C3)為具有非對稱磁阻抗效應特性的含硬磁相磁性材料，軟磁性能的軟磁材料(4)為具有對稱巨磁阻抗效應特性的純軟磁相材料。
3.根據權利要求2所述的高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，其特徵在於具有非對稱磁阻抗效應特性的含硬磁相磁性材料(3)是採用Fe76Siul5P5Cu非晶材料，在氮氣保護下沿軸向施加3000A/m的磁場並於490°C退火1小時製得，具有對稱巨磁阻抗效應特性的純軟磁相材料⑷是採用!^76SiuBuP5Cu非晶材料，在空氣中於470°C退火 1小時製得。
4.根據權利要求1、2或3所述的高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，其特徵在於含硬磁相的磁性材料( 和軟磁性能的軟磁材料(4)粘結在一起。
5.根據權利要求4所述的高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，其特徵在於磁敏感信號由信號處理電路從螺線管⑴兩端的測量電極(6)取出，然後由信號處理電路輸出給信號顯示系統或控制系統。
6.根據權利要求5所述的高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，其特徵在於驅動電流為交流電。
7.根據權利要求1、2或3所述的高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，其特徵在於磁敏感信號由信號處理電路從螺線管⑴兩端的測量電極(6)取出，然後由信號處理電路輸出給信號顯示系統或控制系統。
8.根據權利要求7所述的高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭，其特徵在於驅動電流為交流電。
全文摘要
本發明涉及一種磁敏傳感器探頭，特別是一種高靈敏無零場盲點線性響應跨零微弱磁場的探頭。包括金屬螺線管和磁芯，其特徵在於磁芯為複合磁芯，複合磁芯由含硬磁相的磁性材料和軟磁性能的軟磁材料疊加而成。不僅具有無零場盲點、高靈敏、線性響應跨零微弱磁場、高可靠性、高穩定性和價格低廉等諸項優點，還具有方向識別能力和便於微型化及低耗能的優點。
文檔編號G01R33/06GK102298123SQ20111020004
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月15日 優先權日2011年7月15日
發明者葉慧群, 吳鋒民, 方允樟, 潘日敏, 範曉珍, 鄭金菊, 馬雲 申請人:浙江師範大學