Fe3O4/PDMS复合材料磁电容微弱信号检测电路的设计*

关　洋，张晓明，2*，沈丹丹，吕忆玲，王天宇

（1.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

Fe3O4/PDMS复合材料磁电容微弱信号检测电路的设计*

关洋1，张晓明1，2*，沈丹丹1，吕忆玲1，王天宇1

（1.中北大学电子测试技术国防科技重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051）

针对Fe3O4/PDMS复合材料磁电容信号变化微弱，检测困难的问题，设计了一种基于充放电法的微小电容检测电路。详细论述了组成该电路的脉冲激励模块、C-V转换模块、信号调理模块及载波调解模块的原理及功能，同时搭建硬件平台对复合材料磁电容进行实验验证。通过对Fe3O4/PDMS纳米复合材料磁电容平行板结构进行测试实验，结果表明：在pF级范围内进行测试，检测电路的输出线性度较好，电路的标度因数与理论值相差较小。测试电路具有响应快速、外部电路简单、易于集成、稳定好、成本低等优点。

Fe3O4/PDMS复合材料；充放电法；脉冲激励模块；C-V转换模块；信号调理模块；载波调解模块

微型磁传感器以其微小尺度性、可集成制造性、低功耗特性、高可靠性以等优点顺应了磁传感器的发展趋势，是弱磁场传感器技术发展和研究的热点［1］。现阶段较高精度的微型磁传感器主要为AMR、GMR和TMR等磁阻传感器，该类传感器是通过磁场作用下材料阻值变化来敏感磁场的，但磁敏材料的电阻值受温度变化影响，限制了其在宽温度范围环境中的应用，同时磁敏材料的磁滞特性会导致传感器在高频变化磁场中零点和灵敏度参数产生漂移［2］。本文中提出的Fe3O4/PDMS是一种纳米复合材料。

在纳米颗粒中，一般含有铁、钴、镍元素的纳米颗粒具有一定的软磁特性，如Fe、Co、Ni单质纳米颗粒、含有单一元素或多种元素的氧化物纳米颗粒等。现阶段针对Fe3O4纳米颗粒的制备、特性以及应用的研究最为广泛，主要由于Fe3O4纳米颗粒的制备方法简单并且具有良好的软磁特性。另外，块状的Fe3O4材料具有较高的居里温度（850 K），即在温度高于850 K时，该材料具有超顺磁特性；聚二甲基硅烷（PDMS）是一种有机硅高分子化合物，通常称之为有机硅。PDMS具有惰性、无毒、不易燃以及光学透明的特性，能够应用于隐形眼镜、医疗设备弹性体等领域。PDMS材料能够广泛应用的另一个原因是其具有一定的流变特性，即在液体状态下该材料具有很好的流动性，易于注入成形模具中。该特性使得其被广泛应用于微流体系统的设计研究。通常在100 kPa～3 MPa之间，具有很好的弹性形变，在较小的应力下能产生较大的压应变，从而能够使其复合材料在较小的环境磁场下产生较大的材料厚度形变量，产生较大的磁电容效应。

项目来源：国家自然科学基金项目（51375463）

收稿日期：2015-07-14修改日期：2015-08-10

磁电容效应是指在外部磁场的作用下材料的电容或介电常数发生变化的一种现象［3］。磁电容效应的应用范围较广，其在磁场探测、智能滤波、多态记忆元以及磁场控制的压电传感器中都具有重要的应用价值。该效应是继磁电阻效应之后又一研究热点［4］。

通过对Fe3O4/PDMS复合材料磁电容的特性分析可以得到复合材料电容随环境磁场及时间的变化公式如下所示。

其中C0为磁场强度为零时纳米颗粒的电容值，M为材料颗粒磁化强度，μ0为真空磁导率，Φ为材料中纳米颗粒的体积分数，Δ为颗粒间距离的变化量，E 为PDMS材料的弹性模量；δ为零磁场环境下材料厚度方向上颗粒间平均距离［5］。

由上述公式可知Fe3O4/PDMS复合材料磁电容在不同磁场环境下的电容值变化很小，外部施加几百赫兹频率的变化磁场，其电容变化在pF级，又存在电容结构及其连接导线之间的寄生电容的影响，这对电容信号的检测电路提出了非常高的要求［6］。近几年，微小电容检测电路被广泛研究。一般微小电容检测电路都有一个对被测电容进行充放电的过程，将电容量转化为电压、电流等非电容量［7］。本文设计了一种基于充放电法的微小电容检测电路。通过测试Fe3O4/PDMS纳米复合材料磁电容平行板，可以得出该电路能够检测出微小电容的变化，具有响应快速、电路结构简单、成本低的优点。

1　电容检测原理

当前比较流行的几种电容检测电路包括谐振电路、桥式电路、脉冲调频电路、运算放大电路、充放电式电路和开关电容检测电路等。其中充放电式电路的原理是利用不同容值的电容充放电时间不同的特点来进行电容检测，本文所设计的电路就是利用充放电法来进行微小电容的检测［8］。将一定频率和幅值的交变信号加载到待测电容两端，从而使得待测电容两端的充电过程和放电过程会随着电容值的不同而不同。经过对电容两端的输出信号进行滤波处理就可得到与电容值相关电压信号。利用充放电法设计的检测系统具有电路简单、信号获取速度较快、外部电路简单、成本低等优点。同时这种方法可以用于差分电容的检测。如图1为5 V电压充电时，不同电容值两端的电压差的仿真图。图中可以看出当两端电容不同时其充电差值最大值不相同。

图1　充电过程仿真

2　硬件电路设计

该电路是基于充放电原理来进行微小电容的检测，其主要包括脉冲激励模块、C-V转换模块、信号调理模块以及电源模块，其原理框图如图2所示。

图2　电路原理框图

脉冲激励模块为C-V转化电路提供高频载波。C-V转换电路将电容信号转化为差分的电压信号。信号调理模块将差分信号放大并升压到采集系统可采集范围内。最后将高频载波信号进行滤波分离，提取有用信号。整个过程中使用了两个REFl95芯片作为检测电路的稳压芯片，为各个模块提供电源支持［9］。

2.1脉冲激励模块

该模块主要是为充放电模块提供高频载波信号，其主要是采用基于施密特触发器的多谐振荡器来产生高频矩形波信号。在选择激励脉冲信号频率时需要考虑以下3点：（1）激励脉冲频率要远远大于载体转动频率；（2）激励脉冲频率应避免产生自激振荡频率；（3）激励脉冲周期的选择。本文选择集成施密特触发器来设计激励脉冲产生电路，其原理图如图3所示。该电路只需调节电阻和电容即可实现不同频率的激励信号。

图3　施密特触发器构成的多谐振荡器电路

对于Fe3O4/PDMS纳米复合材料磁电容而言，当外界磁场在几百赫兹频率变化时才会产生磁电容效应［10］。同时考虑到精密仪表放大器的增益带宽在放大10倍～100倍时为800 kHz～120 kHz，因此将载波信号选为50 kHz［11］。

该电路的主要原理是，系统刚上电时电容C1电压为零，V1为低电平，此时由于V0处为高电平，施密特触发器反向输出高电平。当电容C1通过R1充电时，V1端的电压会不断的增大，当电压增大到施密特触发器的高电平阈值时，施密特触发器的反向端会输出低电平。这样会使V0端的电压被拉低，V0就会变为低电平，由于V0变成低电平，电容C1会通过R1回路进行放电，在放电的过程中，当电压值达到低电平的阈值时，施密特触发器反向端输出高电平，又使得V0重新变为高电平。因为电容的充放电时间非常快，使得上述过程在非常短的时间内进行不断重复，进而输出方波信号。所以实际使用时，整个模拟电路单独使用REFl95芯片作为稳压芯片［12］。主要是因为在上述过程中，反向器的输出端电压和输入端V0的电压总是相反的，导致电源上的纹波信号和电路的电流会很大。因此需要单独使用稳压芯片。图4是载波产生模块的电路原理图。对载波信号发生模块进行Multisim仿真，结果如图5所示。

图4　载波信号的电路原理图

图5　载波信号模块仿真图

从仿真结果可以看出该电路脉冲信号的幅值为5 V，周期为20 μs，频率约为50 kHz。符合电路的设计要求。

2.2C-V转换模块

该模块是由电阻、电容及二极管组成的，其具体工作原理是当激励脉冲为高电平时，此时通过电阻给待测电容充电；由于在充电过程与放电过程中的输出电压大小相同符号相反，为了防止滤波后电路的输出发生混淆，采取在电路的电阻两端各加入一个二极管的方法，该二极管的作用是加快电容放电，但保留电容的充电过程。所以当激励脉冲为低电平时，此时待测电容中的电量通过二极管释放，然后将这两个信号差分放大后即可测得。其原理图如图6所示。

图6　C-V转化电路

2.3信号调理模块

信号调理模块的主要功能是对磁电容的输出信号进行差分放大。当信号经过C-V转换后，由于输出信号比较微弱，所以就需要对信号进行放大。然后再通过滤波将高频载波信号去除，获得解调后的信号。其原理图如图7所示。由于现行的A/D转化芯片一般只能转化正向电压，因此经调理放大后的电压信号必须是正向电压。为了避免电容差带来的负向电压，设计了一种带升压的差分放大电路，同时采用高精度的仪表放大器来保证放大精度。该电路选用AD8224作为放大电路的核心。AD8224是一款可单电源供电的双通道仪表放大器，体积较小。作为差分放大器，其共模抑制比大于86 dB。查询AD8224的芯片资料发现，当G=10时输出的幅频特性比较稳定。通过仿真发现，当电容值在±3 PF内变化时，最大输出是±160 mV，将放大倍数调节到10倍时能够满足输出尽量最大化且不饱和。

图7　带差分放大的调理模块

图8是放大电路的仿真图。仿真时，载入波形是频率为64 kHz，幅值为±160 mV的正弦波形。输出时电压零点被升压到2.5 V，且幅值达到±1.63 V。与理论输出差值为0.03 V，达到了设计的指标要求。

图8　信号放大multisim仿真

2.4载波解调模块

放大电路的输出只是将波形按比例放大并且升压，波形中含有载波信号，通过滤波可以从调制信号中提取出磁电容结构的输出信号。本文选用Fe3O4/PDMS纳米复合材料磁电容平行板结构作为实验对象，其设计的工作频率在10 Hz～60 Hz，脉冲激励模块的载波频率设计为64 kHz，所以本文通过设计低通滤波器对信号进行滤波处理。在C-V转化的过程中，会产生很多谐波的干扰，同时为了减小系统的噪声，因此在实际使用时将滤波器的截止频率尽量靠近工作频率，以滤去不必要的杂波信号。那么本小节要设计的滤波器的截止频率应当在60 Hz到64 kHz之间。一阶有源低通滤波电路的设计原理图如图9所示。该电路是由电阻、电容和放大器组成。通过RC组成的无源滤波进行信号滤波。放大器和反馈电阻构成电压增益跟随。

图9　一阶有源低通滤波器原理图

3　实验验证

为了分析Fe3O4/PDMS复合材料在零磁场环境下的自身介电特性，我们针对包含200 nm颗粒具有不同体积分数的磁电容样本（#1～#5，#7）在零磁场环境中进行不同频率下样本的相对介电常数（κ′）与相对损耗系数（κ″）的响应特性测试，其测试结果如图10所示。可以看出，零场下纳米复合材料的相对介电常数与介电损耗随电场频率的增大而减小，在电场频率大于200 kHz情况下，相对介电常数与介电损耗因子随电场频率的变化趋向稳定，同时纯PDMS复合材料的介电特性不随磁场的变化而变化。

本文实验对象选用纳米复合材料磁电容平行板结构，当选用的被测电容结构附近存在一块导体并且在被测电容结构两端施加测量激励信号时，电容结构与导体间会出现一定的电势差。这样会产生寄生电容，该电容致使测量信号泄漏至导体中［6］。寄生电容会使电容测量结果产生一定的误差，因此，在测量过程中应该去除寄生电容对测量结果的影响。Fe3O4/PDMS纳米复合材料样本如图11所示。

图10　相对介电常数（κ′）与介电损耗（κ″）的频率响应特性

图11　Fe3O4/PDMS纳米复合材料样本

实验产生的寄生电容主要是由未屏蔽的高低电平测量端口连线之间产生的，其消除方式是将测试端口连线换为屏蔽线，其外部屏蔽层连接到电路外部电位。这样即可消除寄生电容对测量结果的影响。磁电容平行板实物如图12所示。

图12　磁电容平行板实物图

本文通过使用磁电容结构进行检测电路的标定和检测电路的功能测试，通过计算得到的电容检测电路的标定因数，将其与理论值进行对比来验证电容检测电路的正确性。表1是检测电路对使用不同容值的磁电容的测试结果。

表1　测试结果

图13是将实验测得的电容差值和电压值进行线性拟合后的结果。可以得出拟合参数：k=2.04 V/pF，U0=2.52 V。

图13　测试结果直线拟合图

根据上述输出结果可知，动态电容检测电路的输出线性度较好，电路的标度因数k=2.042 V/pF，理论计算得到的k值为2 V/pF，考虑到噪声、寄生电容的影响，会造成一定的误差。检测电路的输出零点U0=2.52 V，与理论值2.5 V相差不大，因此所设计的动态电容检测电路的输出特性较好，与理论设计结果相吻合。

4　结论

本文详细论述了适用于纳米复合材料磁电容微弱信号的检测电路的设计，包括对脉冲激励模块、CV转换模块及信号调理模块的原理分析和功能介绍。并制作磁电容平行板结构对电路进行测试，测试结果表明：本文设计的检测电路能够检测到磁电容容值的微弱变化，通过计算对比可知：电路的标度因数精度较高、线性度较好，具有响应快速、外部电路简单、易于集成、稳定好、成本低的优点。满足微小电容检测电路的要求，具有广阔的应用前景。

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关洋（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为地磁导航系统，guanyang97@ 126.com；

张晓明（1976-），男，山西省新绛县人，博士，副教授，硕士生导师，现在中北大学“仪器科学与动态测试冶教育部重点实验室工作，主要研究方向为动态测试及组合导航，zxm_auto@nuc.edu.cn。

Design of Weak Signal Detection Circuit for Magnetic Capacitance of Fe3O4/PDMS Composite Material*

GUAN Yang1，ZHANG Xiaoming1，2*，SHEN Dandan1，LÜ Yiling1，WANG Tianyu1
（1.North University of China Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measuremen（tNorth University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

In view of the problem that it is weak to change and difficult to detect the magnetic capacitance signal of Fe3O4/PDMS Composites.A micro capacitance detection circuit has been designed based on the charging and discharging method.The circuit is composed of a pulse excitation module，a C-V conversion module，a signal conditioning module and a carrier mediated module.The hardware design of the circuit and experimental verification are discussed in detail.The results show that in the range of pF，the output linearity of the detection circuit is good，it is smaller difference between circuit scale factor and the theoretical value.The test circuit has the advantages of fast response，simple external circuit，easy integration，good stability and low cost.

Fe3O4/PDMS Composites，charge-discharge method；pulse excitation module；a C-V conversion module；a signal conditioning module；carrier mediated module

TP206

A

1005-9490（2016）03-0680-06

EEACC：723010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.035