西安交大研發(fā)出基于傳統(tǒng)磁芯繞線電感的新型GMI傳感器

磁場(chǎng)傳感器是探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度或其變化并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的裝置，基于磁場(chǎng)傳感器可開發(fā)多種傳感功能，包括電流、功率、位置、距離、速度、角度等。磁傳感器是一種應(yīng)用極其普遍的傳感器，其性能優(yōu)異，抗干擾能力強(qiáng)，在電力傳輸、無(wú)刷電機(jī)、能源管理、讀寫磁頭、汽車工業(yè)、工業(yè)控制、機(jī)器人、安全系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域內(nèi)都占有一席之地，已經(jīng)成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)升級(jí)不可缺少的一類重要傳感器。

現(xiàn)有的磁場(chǎng)傳感器，包括磁通門傳感器、霍爾傳感器、磁阻傳感器、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。霍爾傳感器成本低但靈敏度小，磁電阻傳感器靈敏度高但工藝復(fù)雜、成本高、磁滯和溫漂大，磁通門傳感器功耗大、響應(yīng)慢，SQUID傳感器體積龐大、造價(jià)昂貴，巨磁阻抗(GMI)傳感器具有滯回度低、溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的磁阻抗傳感器由于加工工藝復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率高等問(wèn)題導(dǎo)致了其價(jià)格居高不下，這也直接導(dǎo)致其應(yīng)用和發(fā)展受到限制。因此，開發(fā)靈敏度高、驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率低、價(jià)格低廉的GMI傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。

近日，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授課題組開發(fā)了一種基于傳統(tǒng)磁芯繞線電感的新型高靈敏度GMI傳感器。傳統(tǒng)磁芯螺線圈制成的線圈感應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過(guò)線圈的磁通量變化帶來(lái)感應(yīng)電流及電壓的變化，可以制成具有fT靈敏度的磁場(chǎng)傳感器，但是其缺點(diǎn)在于體積大且不能探測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)。本課題組采用全新的探測(cè)模式，通過(guò)單一的電感器件構(gòu)建了LC諧振電路，可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率附近41036%的磁阻抗變化，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)磁阻器件普遍小于100%的變化率。同時(shí)，新型GMI相比傳統(tǒng)GMI器件，可以將驅(qū)動(dòng)頻率降低到kHz量級(jí)，并可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)磁場(chǎng)的測(cè)試。采用市場(chǎng)上直接購(gòu)買的普通電感(成本<1元)，可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)分辨力25nT@0.2Hz、10nT@1Hz。通過(guò)電路仿真優(yōu)化改進(jìn)后，研究人員將電感元件與電容串聯(lián)，組成新的LC串聯(lián)型GMI傳感器，降低了驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率及器件本征阻抗，將磁場(chǎng)分辨力提高到625pT@1Hz(磁場(chǎng)大小約為地磁場(chǎng)的1/100000)。本研究所采用的電感及電容均為市面上的普通電子元件，通過(guò)材料及器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有望進(jìn)一步提高其探測(cè)靈敏度。新型GMI傳感器所具有的器件簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)預(yù)示了其重大的應(yīng)用潛力。