專利名稱：巨磁阻抗磁場傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于弱磁場測量裝置技術領域，特別涉及一種巨磁阻抗(GMI)磁場測量傳感器。
背景技術：
磁場測量在生產科研各領域是一個重要問題，現在有很多的新技術和新材料都應用到磁場測量的裝置上。最常用的磁場傳感器有霍爾(Hell)傳感器，磁通門傳感器，振動或轉動線圈等，但這些傳感器都有一定的缺陷。霍爾器件輸出信號變化小，測量磁場時還有一定的磁場方向各向異性，適用于中強磁場測量；磁通門和檢測線圈測磁場，對線圈繞制特別精確，信號處理要求較高；而且上述傳感器的電路太過復雜，成本較高。
與本發明相近的現有技術是刊登在《Sensors and Actuators A 59(1997)1-8》上的題目為“Recent advances of micro magnetic sensors and sensing application”的文章。公開的傳感器由退火的CoFeSiB或CoSiB或CoFeMoSiB材料的非晶絲或非晶帶、以該非晶絲(帶)為分壓元件的科比茨(Colpitts)振蕩電路、整流電路、放大電路等構成。
背景技術：
的科比茨振蕩電路如圖1中所示。圖1中V表示直流電源，Rm為非晶絲，Hex為外加磁場，C1，C2為反饋電容，Eout為輸出電壓。當電路起振時，有高頻交流信號通過Rm，其上的電壓信號為Ef，振蕩頻率f；f=1C2+(1+rR0)1C1/2πL]]>其中，R0為電路固有的輸入電阻；L為Rm的電感量，r為Rm的直流電阻，Rm的阻抗值Z＝r+2πjfL，在電路中非晶絲Rm連接在晶體管的基極和集電極之間，作分壓元件存在。當有外磁場Hex作用于Rm時，Rm的阻抗值Z將發生變化，其中，r和L都要變化，這樣振蕩頻率f也會變化，但非晶材料的阻抗值Z變化，即，巨磁阻抗變化率(簡寫為GMI率)是外場Hex和驅動電流頻率f的函數，當二者都變化時，無法保證非晶材料的阻抗值Z變化(GMI率)是有規律的。
背景技術：
中所提電路，R(30Ω～300Ω)，Re(3Ω～30Ω)，驅動電流頻率f為高頻(15MHz～400MHz)，與其它元件相耦合產生較大的噪聲。
背景技術：
有較高的靈敏度，達到10～100％/Oe，最小分辨磁場為10-6Oe，但測量范圍在5Oe以下。
發明內容
本發明基于非晶軟磁條帶所具有的巨磁阻抗(GMI)效應，設計的磁場傳感器，很好的解決了巨磁阻抗變化率與被檢測磁場一一對應、噪聲低、擴大測量范圍的問題；并且使本發明結構小巧，方便實用。
巨磁阻抗磁場傳感器原理是，電路中在非晶帶加載高頻的交流信號，非晶帶兩端會有相應的高頻電壓信號；當外加磁場作用于非晶帶上時，非晶帶的交流阻抗會發生變化，相應兩端的電壓也會變化，可用此高頻電壓信號變化來反映磁場變化。
本發明由非晶帶，科比茨振蕩電路，前置放大器，整流電路和調零輸出放大器構成；前置放大器輸入端接非晶帶兩端，前置放大器放大的信號由輸出端接整流電路，整流電路將高頻交流信號轉化為二倍交流信號峰值的直流信號，再接調零輸出放大器；整個傳感器用非鐵磁性金屬殼屏蔽；所說的科比茨振蕩電路是由截止頻率為3～60MHz的晶體管構成，基極與直流電源Vcc間和基極與地間的兩個分壓電阻阻值相等；頻率為1～20MHz的晶體振蕩器(晶振)和起振電容串接在基極與地之間；所說的非晶帶是含鋯的鐵基或/和含鋯的鈷基材料的，其一端接地，另一端與負載電阻串聯后連接晶體管的發射極，非晶帶作射極負載的一部分存在。
本發明的非晶帶是不用退火處理的，具有單峰的巨磁阻抗變化率(GMI率)隨磁場變化曲線，靈敏度最好大于1％/Oe。比如采用CoZrB、FeZrB、FeCoZrB等材料的非晶帶。
晶體振蕩器(晶振)的頻率范圍最好在1～12MHz，最佳頻率范圍是2～5MHz。可以使用石英晶振。
本發明由于在科比茨電路中引入了晶體振蕩器(晶振)使電路穩頻振蕩；由于采取穩定晶體管基極靜態工作點的設計，兩個分壓電阻相等，工作時晶體管射極直流電壓量穩定；由于采用含鋯的鐵基或/和含鋯的鈷基材料的不退火的非晶帶，并作為射極負載的一部分，具有單峰的巨磁阻抗變化率(GMI率)隨磁場變化曲線，使裝置測量范圍變大，可以測量2～50Oe的弱磁場。本發明電子線路簡單、結構緊湊小巧、經濟方便實用，可廣泛應用于生產科研各領域磁場測量。
圖1背景技術的GMI磁場傳感器電路圖。
圖2本發明的GMI磁場傳感器電路圖。
圖3本發明的Co72Zr8B20非晶帶的GMI率隨磁場變化曲線。
圖4本發明的非晶帶上的電壓信號(a)和經前置放大器放大信號(b)。
圖5本發明的電壓隨磁場變化輸出曲線。
具體實施例方式
下面結合
本發明的具體結構和工作方式實施例1圖2中，1為科比茨(Colpitts)振蕩電路，2為前置放大器，3為整流電路，4為調零輸出放大器，5為非晶帶，6為晶振，7為反饋電容C1，8為反饋電容C2，9為晶體管，10為起振電容C3，11為高頻運算放大器，12為兩個整流二極管，14為運算放大器，16為兩個阻值相等的分壓電阻，17為可變電阻器，18為射極限流電阻，19為濾波電容，20為穩壓電容。
科比茨振蕩電路1的供電電壓Vcc可以為12V，采取穩定晶體管9基極靜態工作點的設計，由于兩個分壓電阻16阻值相等，則晶體管9極基靜態工作電壓為6V，晶體管9射極靜態工作電壓穩定在5.3V左右；非晶帶5采用CoZrB或FeZrB或FeCoZrB材料的，作為射極負載的一部分和射極限流電阻18接入電路，非晶帶5直流電阻約3Ω，射極限流電阻18為390Ω；科比茨振蕩電路1穩頻振蕩，振蕩頻率為晶振6的頻率3.5795MHz；調節反饋電容C1和反饋電容C2，使射極輸出穩定的正弦信號；非晶帶5由于有較大的交流阻抗而兩端產生一定的交流電壓信號，參見圖4(a)；此信號在經主要由高頻運算放大器11構成的前置放大器2放大，參見圖4(b)，放大后的交流信號連接到主要由兩個整流二極管12構成的整流電路3，將高頻交流信號轉化為二倍交流信號峰值的直流信號；這個直流電壓信號再接入主要由運算放大器14構成的調零輸出放大器4輸入端，在無外磁場的情況下，穩定后調節可變電阻器17使運算放大器14的正輸入端電壓與負輸入端電壓相等，則調零輸出放大器4輸出的電壓值為0。
當有外加磁場作用于非晶帶5上時，非晶帶5的交流阻抗值會發生變化，參見圖3，圖3中ΔZ/Z為巨磁阻抗變化率(GMI率)，ΔZ/Z＝(Z(H)-Z(Hsat))/Z(Hsat)×100％，其中，Z(H)為在任意磁場下非晶帶5的交流阻抗值，Z(Hsat)為非晶帶5磁化至飽和后交流阻抗值。非晶帶5上的交流電壓信號幅值也會隨交流阻抗的變化而變化(交流電壓信號的頻率不變化)，所以，此信號在經前置放大器2和整流電路3輸出到調零輸出放大器4，輸入端的信號與原來的信號的差便會放大輸出，該信號差與非晶帶5接受的外磁場大小有對應關系，從而測得了信號差的大小便測得了外磁場的大小。
如果將調零輸出放大器4輸入端的信號與原來的信號的差再接A/D轉換及微處理器進行磁場值的數字顯示，可達到直接顯示磁場測量數據的功能。
實施例2給出各部分電路元件數據的一個實施方式。
圖2中的科比茨振蕩電路1，非晶帶5為厚10um～40um，寬1mm～2mm，長60mm～200mm，具有巨磁阻抗(GMI)效應，且靈敏度大于1％/Oe，可以采用Co72Zr8B20非晶帶；晶體管9使用2SC1815型號的高頻晶體管，其截止頻率fr大于晶振6頻率5倍。晶振6的頻率為1MHz以上，起振電容C3為15pF～10nF均可起振。兩個分壓電阻16可以選用10kΩ；射極限流電阻18為390Ω；反饋電容C1為1000pF～2200pF，反饋電容C2為60pF～200pF，且反饋電容C1與反饋電容C2的比值在2到25之間。科比茨振蕩電路的振蕩頻率即是晶振6的頻率。
圖2中的前置放大器2，應選用增益帶寬積GBP為晶振(6)頻率5倍以上，失調電壓4mV以下的高頻運放。高頻運算放大器11可選用LM318圖2中的整流電路3中，整流二極管12選用肖特基二極管。
圖2中的調零輸出放大器4中，運算放大器14可選用op-07。
用本實施例的裝置檢測的輸出電壓與非晶帶5上施加的被測磁場的關系曲線見圖5。按圖5所示的電壓隨磁場變化輸出曲線，磁場沿非晶帶正方向和反方向的電壓輸出曲線在2～50Oe的范圍內重合，說明本發明可在量程內無差別準確測量正反方向的磁場。
權利要求
1.一種巨磁阻抗磁場傳感器，由非晶帶(5)，科比茨振蕩電路(1)，前置放大器(2)，整流電路(3)和調零輸出放大器(4)構成；前置放大器(2)輸入端接非晶帶兩端，前置放大器(2)放大的信號由輸出端接整流電路(3)，整流電路(3)將高頻交流信號轉化為二倍交流信號峰值的直流信號，再接調零輸出放大器(4)；整個傳感器用非鐵磁性金屬殼屏蔽；其特征是，所說的科比茨振蕩電路(1)是由截止頻率為3～60MHz的晶體管構成，基極與直流電源Vcc間和基極與地間的兩個分壓電阻(16)阻值相等；頻率為1～20MHz的晶體振蕩器(6)和起振電容(10)串接在基極與地之間；所說的非晶帶(5)是含鋯的鐵基或/和含鋯的鈷基材料的，其一端接地，另一端與負載電阻(18)串聯后連接晶體管(9)的發射極。
2.按照權利要求1所述的巨磁阻抗磁場傳感器，其特征是，所說的非晶帶(5)是CoZrB或FeZrB或FeCoZrB材料的；所說的晶體振蕩器(6)的頻率范圍是2～5MHz。
3.按照權利要求1或2所述的巨磁阻抗磁場傳感器，其特征是，所說的非晶帶(5)是Co72Zr8B20材料的；所說的晶體振蕩器(6)的頻率是3.5795MHz。
全文摘要
本發明的巨磁阻抗磁場傳感器屬于弱磁場測量裝置技術領域。由非晶帶5，科比茨振蕩電路1，前置放大器2，整流電路3和調零輸出放大器4構成；所說的科比茨振蕩電路1是由截止頻率為3～60MHz的晶體管構成，基極與直流電源V
文檔編號H01L43/08GK1794003SQ20051001725
公開日2006年6月28日 申請日期2005年11月2日 優先權日2005年11月2日
發明者張濤, 韓冰, 李明, 任歡, 湯新巖 申請人:吉林大學珠海學院