低温漂巨磁阻抗磁敏开关的设计*

蔡 晶，郑金菊，柳 渊，何 佳，周初凯

(浙江师范大学信息电子技术研究所，浙江金华321004)

磁敏开关是利用磁场强度的不同来控制开关的导通与关断，其常应用于转速检测与控制、安全报警装置、纺织控制系统、汽车点火器和无触点开关等领域［1］。目前，市场上应用最为广泛的磁敏开关是霍尔开关，但是霍尔开关在工作时开关的工作点和释放点所需的外加磁场都很强，其灵敏度也不尽如人意。

自从1992年Mohri［2］等人在Co基非晶丝中发现巨磁阻抗效应以来，研究者陆续在Fe基非晶金属材料(例如玻璃包裹非晶丝、薄膜和非晶薄带等磁性材料)中均发现了较为明显的巨磁阻抗效应［3］。在室温和弱磁场下就可以实现较大的阻抗变化，有着磁场灵敏度高、材料尺寸小、工作磁场低等特点［4－5］。

本文着眼于温度和应力退火后的Fe基合金薄带具有的宽平台和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，结合磁电转换电路，设计了一款新型的开关式磁敏传感器。

1 巨磁阻抗效应及材料特性

巨磁阻抗效应GMI(Giant Magneto Impedance)是指磁性导体在交流电通过时其交流阻抗随着外加直流磁场的变化而发生显著变化的效应。现在通常用巨磁阻抗比来衡量巨磁阻抗效应的大小，巨磁阻抗比的定义如下:

式(1)中Z(H)为在任意外磁场下所测得的阻抗值，Z(Hmax)为实验中所加外磁场最大时测得的阻抗值［6］，并且采用纵向驱动的方式［7－8］来实现材料的GMI效应。

实验中采用合金材料成分为FeCuNbSiB(各原子百分比为73.5∶1 ∶3 ∶13.5 ∶9)，用单辊快淬法制成宽度为0.34 mm±0.01 mm，厚度为40 μm±1 μm 的合金薄带。截取长度为2 cm的Fe基合金薄带在540℃氮气保护和17.8 MPa拉应力下退火1 h，待冷却后，用HP4294A型阻抗分析仪测量Fe基纳米晶薄带的巨磁阻抗，其外磁场由Hemholtz线圈提供。

图1是驱动频率为400 kHz下的Fe基纳米晶薄带的GMI测量结果，从中可以看出:Fe基纳米晶薄带的巨磁阻抗比在近零磁场附近达到最大值约为1 000%;当磁场在±500 A/m之内以及在±1 000 A/m之外变化很小，只在 500 A/m～1 000 A/m(－500 A/m～－1 000 A/m)有一个跳变，这种巨磁阻抗比曲线的“平台”与磁敏开关输出的高低电平状态非常相似。

2.1 磁电转换电路

本设计参照LC型磁电转换电路［9］，在其基础上进行了一定的改进，提高了电路输出的稳定性。图2中磁敏传感部分所示的电路主要有两部分组成，一部分是与经典的考毕兹振荡电路类似的，由三极管、电容和电感等组成的三点式振荡电路，另一部分是RC低通滤波电路。在电路中的磁敏元件部分，如图3所示，为自绕的一定内径和匝数的线圈，内置纳米晶薄带，而这正好解决了磁敏材料和电路板焊接比较困难的问题。其中线圈由直径为0.08 mm的漆包线绕制而成，内径为1.62 mm、长度为18 mm、匝数为200匝，其中内置Fe基合金薄带。Hex为外加磁场，其方向平行于Fe基合金薄带轴向。

图1 Fe基纳米晶带的巨磁阻抗特性

2 磁敏开关电路设计

开关电路由磁电转换电路、温度补偿电路和电压比较电路组成，具体电路原理图如图2所示。

2.2 温度补偿部分

通过对LC型磁电转换电路的分析［8］，可以看出该电路的重复性好，无迟滞，但由于电子元器件的温漂较大，使得该电路的温度稳定型较差，为此实验中设计了对称补偿电路来解决整个传感电路的温漂问题［10－12］。

图2 磁敏开关电路

图3 敏感元件示意图

图2温度补偿部分所示的电路主要有两部分组成:一部分是一个与磁电转换电路参数基本相同的对称型LC振荡电路，不同的是LC型磁电转换电路中带有自绕的电感线圈内置退火后的Fe基合金薄带，而LC型振荡电路中只接入固定电感，电路的输出幅值不会随着磁场的变化而发生变化;另一部分是差分放大电路。此部分电路的基本工作原理是:含有内置Fe基合金薄带电感线圈的LC型磁电转换电路的输出电压与外磁场的变化有关，不包含Fe基合金薄带的振荡电路的输出电压与磁场无关，将这两个输出电压作为差模信号接入差分放大电路，从而使最后的输出电压信号受到磁场的调制，并呈现出高低电平状态。此外，由于除电感外两个LC型振荡电路的其它电路元件参数基本一致，当环境温度改变时，两个电路输出电压的变化也将基本一致，当把这两个输出电压信号相减后，它们的差只与外磁场有关，而基本不受环境温度的影响，并且差分放大电路中的集成运算放大器为低温漂型，从而环境温度改变时，开关的工作点变化较小，实现了低温漂型磁敏开关的研制。

2.3 电压比较电路

由于磁电转换后经过电路输出的波形如图5所示，此电信号不是很规则，还要经过整形电路加以处理，得到规则脉冲电路。本文采用集成定时器555制成一个整形电路。

3 开关电路分析

3.1 实验环境

为了测试磁敏开关在不同的环境温度下，开关的工作点的变化情况，实验中将把电路放在能产生最高温度为120℃左右的恒温装置中测量，并且在装置外围装上能产生恒定磁场的亥姆霍兹线圈。由于自制的恒温装置较为简易，测量范围受到限制只能从室温到120℃。

3.2 实验结果

传感器的基本特性分为静态特性和动态特性，限于条件只讨论静态特性。通常用来衡量它的重要指标包括温漂、重复性和迟滞性等。

图4中A曲线是LC型磁电转换电路的工作点与温度的关系，B曲线是本文所设计的低温漂对称电路的工作点与温度的关系。

图4 两种不同开关电路的工作点随温度变化曲线

可以明显的看出，LC磁电转换电路与低温漂对称电路相比，LC磁电转换电路开关的工作点随温度的变化明显要比对称电路的大的多。可以用式(2)算出两种开关的温度漂移量的百分比:LC型磁电转换电路的偏移量百分比是:189.4℅，低温漂对称电路的偏移量百分比是33.2℅。所以要采用对称电路来抑制温漂，从而实现低温漂型磁敏开关的研制。

其中ymax为所测温度为115℃时，开关点所需磁场，ymin为所测温度10℃时，开关点所需磁场，Δt为两者的温度差，即为105℃。

图5是低温漂对称电路两组重复性数据测量结果(环境温度为10℃)，C，D两曲线是外加磁场从小增大(正行程)时，电路输出电压变化的情况。通过式(3)算出重复值:

图5 低温漂对称电路随磁场变化的重复性曲线

图6中C、E两曲线是低温漂对称电路两组迟滞性分析数据测量结果，C曲线是外加磁场从小增大(正行程)时，电路输出电压变化的情况;E曲线是外加磁场从大增小(负行程)时，电路输出电压变化的情况。通过式(4)算出迟滞值:

图6 低温漂对称电路随磁场变化的迟滞性曲线

从上述两组图像可以看出，本文所设计的磁敏传感器重复性好，迟滞误差小。

4 结论

根据上述理论和实验结果表明:(1)温度和拉应力退火后的 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9薄带具有宽平台和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，将这种特性应用到磁敏开关中是合理且可行的;(2)采用LC振荡电路驱动，该传感电路设计简单、重复性好(±2.3%)、迟滞误差小(4.15%);(3)传感电路采用对称差动设计，改善了整个传感器的温漂特性(33．2%)，提高了其稳定性。

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