巨磁阻抗效应磁敏开关的研制

目 录

摘要 ................................................................ 1 Abstract： .......................................................... 2 1 引言 ............................................................. 2 2 磁敏传感器的概述 ................................................. 4 2.1 磁敏传感器的定义 ............................................. 4 2.2 磁敏材料的概述 ............................................... 4

2.2.1 巨磁阻抗效应 ........................................... 4 2.2.2 FeCuNbSiB 材料 ......................................... 5 3 GMI磁敏开关电路设计 ............................................. 6 3.1 电路设计原理 ................................................. 6 3.2 巨磁阻抗效应磁电转换电路 ..................................... 6 3.3 低温漂对称电路 ............................................... 9

3.3.1 对称电路 ............................................... 9 3.3.2 低温漂型集成运算放大器OP07简介 ....................... 11 3.4 整形电路 .................................................... 12 3.5 GMI磁敏开关总电路图 ........................................ 13 4 GMI磁敏开关性能测试 ............................................ 13 4.1 磁敏特性 .................................................... 13

4.1.1 磁敏性能测试装置 ...................................... 14 4.1.2 简单LC振荡电路的磁敏特性 ............................. 15 4.1.3 低温漂对称电路的磁敏特性 .............................. 16 4.2 温度特性 .................................................... 18

4.2.1 温度性能测试装置 ...................................... 18 4.2.2 元器件的工作温度 ...................................... 19 4.2.3 简单LC电路的温度特性 ................................. 19 4.2.4 低温漂对称电路的温度特性 .............................. 20 结束语 ............................................................. 21 参考文献 ........................................................... 22 附录 ............................................................... 24

巨磁阻抗效应磁敏开关的研制

职业技术教育学院 应用电子技术教育专业 姓名：罗明珠

指导教师：郑金菊（副教授）

摘要：本文将利用温度和应力退火后的Fe基合金薄带具有宽平台和陡峻下降沿的巨磁阻抗特性，以及其在高温环境下上述特性仍不变的特点，通过结合磁电转换电路和温度补偿电路实现环境温度改变时，开关的工作点和释放点变化小的低温漂磁敏开关的研究。根据Fe基合金薄带的巨磁阻抗特性，设计一款电路简单、重复性好，无迟滞的LC型磁电转换电路。应用差分放大电路的特征，使它们的温漂相互抵消设计温度补偿电路的原理，实验中采用两个参数完全相同的对称的LC型磁电转换电路和差分放大电路设计GMI磁敏开关电路，设计变温时简易测量装置和挑选低温漂型的电子元器件。重点对GMI磁敏开关进行性能测试，分简单-LC振荡电路以及低温漂对称电路的性能分析表，并进行整理、分析。实验结果表明：本文所设计的磁敏开关的重复性好，迟滞性小，温漂低。

关键词：磁敏开关；巨磁阻抗效应；磁敏特性；温度特性

Development of Magnetic Switch Based On

Giant Magnetic—Impedance

Mingzhu luo Director：Jinju Zheng

（Zhejiang Normal University No.07440111）

Abstract： The paper will apply the temperature and stress annealed Fe-based alloy ribbon has wide platform and steep falling edge giant magneto-impedance characteristics, as well as in high temperature environment, the characteristics remain unchanged, and then combine with magnetoelectricity converting circuit and temperature compensation circuit, finally design a low temperature drift GMI (giant magneto-impedance) magnetic switch which operating point and releasing point will change little when it works at different temperature. The LC type

magnetoelectricity converting circuit is developed by the giant magneto-impedance characteristics of the tensile stress annealed Fe-based alloy ribbons. This circuit has simple, good repeatability and no hysteresis. Then, Application of features, differential amplifying circuit, the experiment will apply two LC type magnetoelectricity converting circuit of identical parameters and

differential amplifier circuit to design GMI magnetic switch circuit. Besides, the experiment needs to design simple measuring instrument at Variable temperature and select low temperature drift electronic components. Focus on performance of magnetic susceptibility switch GMI separately static test, dynamic, and simple - LC oscillating circuit and low temperature drift symmetric

circuit performance analysis tables. And collation analysis. The experimental results show that the magnetic susceptibility switch low-temperature bleaching hysteresis repeatability, sexual small, switch with the influence of the temperature of small.

KEY WORDS：Magnetic switch; Giant magneto-impedance effect;Magnetic susceptibility characteristics; Temperature characteristic

1 引言

信息技术是建立在信息获取、信息传输、信息处理三大基础之上的技术，与其相对应的就是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的感官、神经和大脑，其中最重要的应属传感器技术。传感器是将能够感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能够将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适用于传输和测量的电信号的部分。

传感器的种类繁多，目前常用的有温度传感器、压力传感器、磁敏传感器、光电传感器、湿度传感器和红外传感器等，其中磁敏传感器在磁场检测、自动控制、位移测量和无损探伤等领域应用最为广泛。简单来说，磁敏传感器就是指能够接受磁信号，并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。磁敏传感器是伴随测量磁场的仪器进步而逐渐发展起来的，在众多的测量磁场的方法中，大都是将磁信号变成电信号。随着科学技术的进步与发展，磁敏传感器的种类也越来越多，主要有：霍尔效应传感器、磁阻传感器、巨磁阻效应传感器、超导量子干涉传感器和巨磁阻抗效应传感器。巨磁阻抗效应传感器是利用近年来在非晶材料中发现的新型的巨磁阻抗效应而设计的传感器，由于其具有灵敏度高、尺寸小、响应速度快和功耗低等优点，使得其非常具有研究和应用价值。

磁敏开关是磁敏传感器具体应用的一种，简单来讲，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。由于磁敏开关具有体积小、功耗低和价格低廉等优点，使得它在转速检测与控制、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应用非常广泛。

在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。1988年铁基纳米微晶材料的问世,在材料研究、生产工艺以及应用开发等各方面,都得到了快速发展。铁基纳米微晶是一种新型的纳米磁敏材料, 有巨磁阻(GMR) 或巨磁阻抗效应(GMI) ,用它组成的器件具有灵敏度高、体积小、响应快以及非接触等特点与传统的霍尔和磁电阻传感器相比具有灵敏度高、温度稳定性好、工作温

度范围宽、使用寿命长等优点, 从而可以在很多领域内替代原有的传感器, 使产品的自动化控制系统提高到一个新的水平。因此利用铁基纳米微晶材料的磁敏特性研制磁敏传感器无疑是具有要的现实意义和广泛的应用前景。

2 磁敏传感器的概述

设计基于巨磁阻抗效应的磁敏开关，必然需要对磁敏传感的认识和对巨磁阻抗效应的理论进行一定的研究。我们需要知道采用何种组分制备非晶材料以及采用哪些方法对非晶材料进行处理，从而提高非晶材料的巨磁阻抗效应。此外，应用不同的驱动方式时对实现巨磁阻抗效应有何影响。本章将针对这一系列的问题进行详细的阐述和分析。 2.1 磁敏传感器的定义

磁敏传感器是一种把磁学物理量转变成电信号的期间，广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量等领域。它是传感器产品的一个重要组成部分。与半导体和电介质传感器相比，磁敏传感器具有磁场检测灵敏度高，可靠性高等优点。 2.2 磁敏材料的概述 2.2.1 巨磁阻抗效应

当一个小的交流电通过一个软铁磁导体时，导体的交流复阻抗会随着磁场的变化而发生很大的变化，这就是所谓的巨磁阻抗效应。阻抗(Z)与外加磁场(H)的相对变化用

?Z/Z(%)?100%?Z(H)?Z(Hmax) (2-1)

Z(Hmax)表示，这就是巨磁阻抗效应的定义，也就是通常用这个公式来衡量巨磁阻抗效应的大小，这里Hmax通常是足以使阻抗饱和的外磁场。实际上，Hmax的值可由给定的实验设备得到。许多研究者在公式2-1中使Hmax=0，虽然这样定义可能不恰当，因为Z(0)的值取决于材料的剩磁状态。图2-1是实验中所用的巨磁阻抗测量电路，其中亥姆霍兹线圈是由直径为0.29mm的漆包线绕制650匝而成。