[发明专利]一种高分辨率非晶丝正交磁通门传感器及其制造技术

说明书

本发明涉及一种高分辨率非晶丝正交磁通门传感器及其制造技术。在高磁导率、近零负磁致伸缩、经良好退火的Co‑基非晶丝上直接绕制采样线圈，构成高度轴对称和无间隙的紧凑型传感器探头，消除由探头的机械缺陷带来的磁噪声。传感器电路由电源电路，由晶体振荡器和分频电路构成的激励电流电路，以及信号处理电路所组成。通过调节R1和R2阻值调节双极性方波Iac和直流偏置Idc激励电流的大小。若Idc≥1/2Iac，能完全抑制由Iac在非晶丝上产生的磁噪声并急剧降低磁通门的零点漂移。信号处理电路包括低噪声前置电流放大器，4开关全波捡波相敏检波器，时间常数可调以改变频率响应特性的运算放大器积分电路和传感器灵敏度可调的负反馈电路。优化探头非晶丝的性能、长度、直径，传感线圈的匝数，Idc的大小，Iac的频率和大小等参数，采用低噪声集成电路模块，可制成一个高线性、低噪声、测量范围≥±60000nT、频响DC‑100Hz、分辨率达到pT级水平的非晶丝正交磁通门传感器。

技术领域

本发明涉及高分辨率非晶丝正交磁通门传感器及其制造技术。

技术背景

在世界进入信息时代的今天，各种传感器都得到了很大的发展，其中最为重要的是磁场传感器。目前，出现了各种磁场传感器，包括霍尔元件、AMR、GMR、TMR、GMI、磁通门，原子磁强计、质子磁强计、激光磁强计、电磁感应式磁强计以及各种光泵。但是，就矢量型磁场传感器而言，还是传统的用坡莫合金作为芯体材料的平行磁通门传感器的噪声最低，最好的商业上可提供的磁通门达到了6pTrms/Hz^1/2，1Hz的水平。最近，巨磁阻抗(GMI)磁场传感器以其更宽的带通和更高的频响特性成为磁通门的激烈竞争对手。然而，它们依然存在着低频区1/f噪声高、perming效应强和低频温漂大的缺陷。

新功能材料的出现为磁场传感器的发展提供了无限广阔的空间。在高磁导率、近零负磁致伸缩系数Co基非晶丝中GMI效应的发现和应用开发，不仅带来了令人神往的具有快速响应功能的GMI磁场传感器，而且为过去未能成功开发的正交磁通门传感器带来了新的发展契机。本发明就是利用我们研发成功的Co-Fe-Si-B-RE系非晶丝，研发成功了高分辨率非晶丝正交磁通门传感器，将传感器的噪声降低到pT级的水平。因为非晶丝正交磁通门传感器探头只是一根绕了线圈的非晶丝，结构简单，电路也不十分复杂，便于工业化生产，成本低、性能已经达到甚至可能超过现有所有矢量型传感器的最高水平。

非晶丝正交磁通门传感器的工作原理和本发明的关键技术：在高磁导率、近零磁致伸缩系数非晶丝中通过一定大小的直流激励电流Idc并与交流双极性方波Iac相叠加，当Idc在非晶丝中流过时，产生周向磁场，当电流足够大时，丝的整个截面将被磁化达到饱和。此时，在双极性方波和轴向外加磁场作用下非晶丝芯体的磁化强度矢量由翻转方式变为旋转方式，通过采样线圈探测磁化强度矢量的旋转，并以感应电压的方式输出，得到一个频率与激励双极性方波相同的基波，通过信号处理系统，得到外加轴向磁场相应的电压模拟量。过去，传统的正交磁通门之所以没有开发成功，主要是因为正交磁通门传感器输出噪声太高，其中主要来自Barkhausen噪声，如何降低噪声，特别是非晶丝芯体材料的磁噪声，成了正交磁通门传感器能否开发成功的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分辨率非晶丝正交磁通门传感器及其制造技术。

为实现上述目标，本发明提出以下技术内容：

非晶丝正交磁通门传感器由紧凑型非晶丝传感器探头，电源电路，激励电流电路和信号处理电路所组成(图1)。

正交磁通门传感器芯体材料：采用直径15-120μm(微米)的Co-Fe-Si-B-RE系高磁导率、近零负磁致伸缩非晶丝作为芯体材料，非晶丝经良好退火，消除非晶丝生产过程中所有内应力，包括合金熔体快淬成丝过程中产生的内应力，尽可能降低非晶丝磁各向异性和矫顽力。