CN111337865B - 基于非易失调谐的低频感应式磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于非易失调谐的低频感应式磁传感器，包括传感单元结构和压电梁驱动的可调电容，所述的传感单元结构是在所述的基底上自下而上依次的超磁致伸缩层、多层阶梯型软磁薄膜、绝缘层、一体化平面激励线圈和平面感应线圈、绝缘层、多层阶梯型软磁薄膜、压电变压器层；本发明提高软磁薄膜的有效磁导率并同时降低激励电流频率外，还利用压电变压器层得到的升压电压和同步电致伸缩应力增强对软磁薄膜的交流驱动能力并减小器件功耗。同时通过超磁致伸缩材料产生的磁力加速磁畴运动，从而突破材料最大磁导率的瓶颈实现灵敏度进一步提升。最后本发明结合非易失调谐的机电谐振机理，为实现无源无线的超高分辨率和低功耗磁传感系统提供新思路和新方法。

Description

基于非易失调谐的低频感应式磁传感器

技术领域

本发明涉及直流和低频磁场传感器，特别是一种基于非易失调谐的低频感应式磁传感器。

背景技术

微弱磁场测量技术在地磁辅助导航系统，生物磁场检测，军事目标探测，智能电网监测等领域得到了广泛的运用。比如生物系统(如人体的心脏)所产生的磁场极微弱(10pT～100pT)而且频率较低(0.1Hz-100Hz)，这意味着急需研究超高分辨率(pT量级)磁场传感器以实现准确检测功能。目前对pT量级的微弱磁场探测(如人体心磁检测)，主要采用的是超导量子干涉仪(以下简称为SQUID)，其分辨率极限可以达到10^-15T。但SQUID必须工作在液氮温度(4K)以下而且体积庞大，造价昂贵和功耗高。而目前常温下工作的磁传感器如霍尔传感器和巨磁电阻磁传感器由于分辨率不够高导致其不适于微弱磁场探测，相比之下已有的微弱磁场传感器如探测线圈和磁通门磁力计由于自身存在的一些技术缺陷对实现常温下低功耗低成本和易携带的超高分辨率(pT量级)磁传感器仍然存在一系列挑战。比如探测线圈不能测量静态或缓慢变化的磁场，而磁通门磁力计需要在探头上缠绕多匝线圈，再加上调理电路等导致其体积较大，响应速度较低和功耗较高。和上述常温下工作的微弱磁场传感技术相比，巨磁阻抗(GMI)磁传感器同时具有功耗较低，磁场分辨率高，响应速度快和体积小的优点，因此成为微弱磁场探测技术的研究热点。特别是目前基于薄膜结构的GMI磁传感器，其完全兼容平面化微纳加工工艺，在微型化和与微电子电路集成方面具有明显优势。但目前的GMI薄膜磁传感器存在如下问题：首先大多数软磁薄膜由于低频趋肤效应微弱的原因导致需要施加很高频率(MHz甚至GHz)的交流激励电流以获得最大的GMI效应，这对软磁材料造成了严重的磁损耗并明显增加了电流源造价，因而限制了GMI薄膜磁传感器的广泛应用。同时和非晶丝结构相比，软磁薄膜的有效磁导率明显减小，这导致磁传感器的最终分辨率降低，离真正实现pT量级的微弱磁场检测目标仍存在明显差距。另外对于未来基于自供电技术的无源无线传感网络，传感节点采集到的电能微弱而且频带较宽，目前GMI磁传感器存在的难以方便调谐的缺点对于在无源无线传感网络中的应用带来了严重的不便。虽然我们在之前的研究工作中提出了一种基于矩形软磁薄膜和叠层激励/感应线圈的三明治结构(Sensor and Actuators A:Physical,Vol.284,2018,pp.112-119.)，可以提高磁传感器在低频电流激励时的磁场灵敏度。但是其仍然存在软磁薄膜磁导率低，叠层线圈结构复杂，在传感过程中仅仅依靠被测磁场调节软磁薄膜磁导率引起磁传感器输出电压的改变，使得磁传感器的最终分辨率严重受限于材料的最大磁导率等缺陷。

发明内容

针对上述现有技术的问题，本发明提出一种基于非易失调谐的感应式磁传感器。基本的磁传感单元是由多层阶梯型软磁薄膜和微型一体化平面激励/感应线圈构成的三明治结构,用于交流驱动软磁薄膜的压电变压器结构，用于增强软磁薄膜感知能力的超磁致伸缩层，和压电梁驱动的可调电容构成，从而将最优激励电流频率降至MHz以下,并突破软磁薄膜的磁导率限制，通过磁场和应力双驱动方式明显提高磁传感器分辨率并减小器件功耗。将软磁/压电/超磁致伸缩层异质结和压电梁驱动的可调电容相连，通过对压电驱动层施加特定频率的微弱激励电压即可实现机械和电容电感(LC)双谐振效应，进一步提高磁传感器的分辨率。特别是对压电驱动层施加特定的压电脉冲并关闭后，利用压电层产生的非易失应力即可实现对机械和LC谐振频率的非易失调谐能力，在提高磁场探测灵活性的同时减小器件功耗。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于非易失调谐的低频感应式磁传感器，其特点在于包括传感单元结构和压电梁驱动的可调电容，所述的传感单元结构是在所述的基层上自下而上依次的超磁致伸缩层、多层阶梯型软磁薄膜、绝缘层、一体化平面激励线圈和平面感应线圈、绝缘层、多层阶梯型软磁薄膜、压电变压器层；所述的一体化平面激励线圈和平面感应线圈、绝缘层、多层阶梯型软磁薄膜构成三明治结构，所述的压电梁驱动的可调电容由压电梁构成的可移动电极、电介质和固定金属电极组成；所述的平面激励线圈的输入端、和压电变压器的输出端和压电梁驱动的可调电容串联形成激励回路；所述的平面感应线圈由感抗所产生的电压信号在输出端输出作为磁传感器的响应。

所述的多层阶梯型软磁薄膜是由阶梯型[铁磁层/隔离层]_n的多层膜构成，n的取值范围约为3-10。

传统巨磁阻抗磁传感器的工作原理是：在驱动过程中利用交流电流直接通过软磁或者金属层，在感知过程中则主要利用外部被测磁场产生的静磁能调控软磁薄膜的磁畴状态，从而改变软磁薄膜的磁导率和相应的巨磁阻抗效应。

本发明基于非易失调谐的低频感应式磁传感器的原理如下：

首先，由多层阶梯型软磁薄膜和微型平面激励/感应线圈构成的三明治结构，一方面多层软磁薄膜可以避免出现垂直薄膜平面方向的磁化强度从而明显减小平面内的退磁场，同时阶梯型薄膜可以增强对被测磁场的汇聚能力，因此显著提高软磁薄膜的有效磁导率。另一方面感应线圈由感抗所产生的输出电压可以消除低频电流激励时微弱趋肤效应的影响，明显提高低频电流激励时的磁传感器灵敏度。

在驱动过程中，提出利用压电变压器得到的升压电压激励线圈产生交流磁场和压电层的同步电致伸缩应力增强对软磁薄膜磁感应强度的交流驱动能力，并减小器件功耗。具体来讲，这里压电材料作为一种介电材料，通电过程的功耗和热散失和传统GMI磁传感器驱动过程中利用电流激励软磁材料所产生的热散失相比要小几个数量级，同时我们在发明中提出对压电变压器的输入端和输出端分别采用变截面和变极化方向的设计，由于变截面设计所带来的应力放大和输出端电极化方向改变所带来的电极距离增大，可以实现仅用微弱的交流电压激励压电变压器的输入端，就可以在输出端得到放大的交流应变和电压输出，从而明显降低传感器功耗。

在感知过程中，则通过利用被测磁场和超磁致伸缩材料产生的与被测磁场变化趋势相同的磁力加速磁畴运动，从而突破最大磁导率的瓶颈实现灵敏度进一步提升。对于激励回路，将压电变压器的输出端，平面激励线圈和压电梁驱动的可调电容串联，通过对压电驱动层施加特定频率的微弱激励电压即可实现机械和电容电感(LC)双谐振效应，进一步提高磁传感器的灵敏度。更重要的是对压电变压器和压电折叠梁施加特定的压电脉冲并关闭后，利用特定切向的压电层在退极化过程由于非180°电弹畴的非易失翻转所导致的平面内晶格非易失应力/应变实现对软磁薄膜的杨氏模量和压电折叠梁构成的平行平板间距离(即等效电容值)的调节，从而实现对磁传感器机械和LC谐振频率的非易失调谐能力，在提高磁传感器磁场探测灵活性的同时明显减小器件功耗。

本发明的有益技术效果是：

(1)由多层阶梯型软磁薄膜和一体化平面激励/感应线圈组成的三明治结构，可以提高软磁薄膜的有效磁导率并明显增强低频(<1MHz)电流激励时的磁场灵敏度。

(2)在磁传感器的驱动过程中，利用微弱电压激励压电变压器得到的交流升压电压和同步电致伸缩应力增强对软磁薄膜的交流驱动能力并降低器件功耗；在磁传感器的感知过程中，同时利用被测磁场和超磁致伸缩材料产生的磁力提高磁传感器对被测磁场的灵敏度。

(3)通过对压电驱动层施加特定的电压脉冲并关闭后，实现对磁传感器的机械谐振和电容电感(LC)谐振频率的非易失调谐，提高磁场探测灵活性的同时显著降低器件功耗。

附图说明

图1是本发明磁传感器的俯视图

图2是图1的AA剖面图

图3是本发明一体化激励/感应线圈的俯视图。

图中：1-[铁磁层/隔离层]_n多层膜；2-平面激励线圈；3-平面感应线圈；4-压电变压器层；5-超磁致伸缩层；6-压电梁驱动的可调电容；7-绝缘层；8-基底。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

根据图1和图2，由图可见，本发明基于非易失调谐的低频感应式磁传感器，包括传感单元结构和压电梁驱动的可调电容6，所述的传感单元结构是在所述的基底8上自下而上依次的超磁致伸缩层5、多层阶梯型软磁薄膜1、绝缘层7、一体化平面激励线圈2和平面感应线圈3、绝缘层7、多层阶梯型软磁薄膜1、压电变压器层4；所述的一体化平面激励线圈2和平面感应线圈3、绝缘层7、多层阶梯型软磁薄膜1构成三明治结构，所述的压电梁驱动的可调电容6由压电梁构成的可移动电极、电介质和固定金属电极组成；所述的平面激励线圈2的输入端、和压电变压器4的输出端和压电梁驱动的可调电容6串联形成激励回路；所述的平面感应线圈由感抗所产生的电压信号在输出端输出作为磁传感器的响应。

所述的多层阶梯型型软磁薄膜1是由阶梯型[铁磁层/隔离层]_n的多层膜构成，n的取值范围约为3-10。

本发明的制备过程和效果如下：

首先在基底8上制备超磁致伸缩层5，然后继续制备阶梯型[铁磁层/隔离层]_n多层软磁薄膜1和一体化平面激励线圈2/平面感应线圈3结构。首先利用多层阶梯型软磁薄膜1减小退磁场的影响并增强对被测磁场的汇聚能力，然后通过平面感应线圈3和平面激励线圈2间互感效应产生的感抗和输出电压消除低频电流激励时的微弱趋肤效应影响，提高低频电流激励时的磁传感器灵敏度。这里的一体化平面激励线圈2/感应线圈3避免了叠层激励/感应线圈所造成的加工难度增加和耦合磁通泄漏严重的缺陷。同时超磁致伸缩层5对软磁薄膜1产生随被测磁场变化趋势相同的磁力加速软磁薄膜中的磁畴向被测磁场翻转，从而突破材料最大磁导率的限制进一步增大磁传感器的灵敏度。

然后在软磁薄膜1表面沉积压电变压器薄膜4，一方面利用压电变压器薄膜4输出端得到的升压交流电压为激励线圈2供能，减小磁传感器的功耗，另一方面通过压电变压器4产生的同步电致伸缩应力引起软磁薄膜1的逆磁致伸缩效应和激励线圈2所产生的同步交流磁场来增强软磁薄膜1的磁感应强度变化和感应线圈3的交流响应。

在基底8上集成基于压电梁驱动的可调电容6，对压电变压器4施加特定频率的微弱电压即可同时实现机械和LC谐振效应。更重要的是对压电驱动层施加特定的电压脉冲并关闭后，利用压电驱动层产生的非易失应力/应变可以实现对于谐振频率的非易失调谐能力，在增强磁传感器的磁场探测灵活性的同时减小器件的功耗。

Claims (2)

1.一种基于非易失调谐的低频感应式磁传感器，其特征在于包括传感单元结构和压电梁驱动的可调电容(6)，所述的传感单元结构是在基底(8)上自下而上依次的超磁致伸缩层(5)、多层阶梯型软磁薄膜(1)、绝缘层(7)、一体化平面激励线圈(2)和平面感应线圈(3)、绝缘层(7)、多层阶梯型软磁薄膜(1)、压电变压器层(4)；所述的一体化平面激励线圈(2)和平面感应线圈(3)、绝缘层(7)、多层阶梯型软磁薄膜(1)构成三明治结构，所述的压电梁驱动的可调电容(6)由压电梁构成的可移动电极、电介质和固定金属电极组成；所述的平面激励线圈(2)的输入端、压电变压器(4)的输出端和压电梁驱动的可调电容(6)串联形成激励回路；所述的平面感应线圈(3)由感抗所产生的电压信号在输出端输出，并作为磁传感器的响应。

2.根据权利要求1所述的基于非易失调谐的低频感应式磁传感器，其特征在于所述的多层阶梯型型软磁薄膜(1)是由阶梯型[铁磁层/隔离层]_n的多层膜构成，n的取值范围约为3-10。

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