一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头

摘要

本本发明涉及一种磁敏传感器探头，特别是一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头。包括金属螺线管和磁芯，其特征在于：磁芯为复合磁芯，复合磁芯由含硬磁相的磁性材料和软磁性能的软磁材料叠加而成。不仅具有无零场盲点、高灵敏、线性响应跨零微弱磁场、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点，还具有方向识别能力和便于微型化及低耗能的优点。

权利要求

1.一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，包括金属螺线管(1)和磁芯(2)，其特征在于：磁芯(2)为复合磁芯，由含硬磁相的磁性材料(3)和软磁性能的软磁材料(4)叠加而成；含硬磁相的磁性材料(3)为具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相磁性材料，软磁性能的软磁材料(4)为具有对称巨磁阻抗效应特性的纯软磁相材料；具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相磁性材料(3)是采用Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶材料，在氮气保护下沿轴向施加3000A/m的磁场并于490℃退火1小时制得，具有对称巨磁阻抗效应特性的软磁性能的软磁材料(4)是采用Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶材料，在空气中于470℃退火1小时制得。

2.根据权利要求1所述的高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，其特征在于：含硬磁相的磁性材料(3)和软磁性能的软磁材料(4)粘结在一起。

3. 根据权利要求2所述的高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，其特征在于：磁敏感信号由信号处理电路从金属螺线管(1)两端的测量电极(6)取出，然后由信号处理电路输出给信号显示系统或控制系统。

4. 根据权利要求1所述的高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，其特征在于：磁敏感信号由信号处理电路从金属螺线管(1)两端的测量电极(6)取出，然后由信号处理电路输出给信号显示系统或控制系统。

5. 根据权利要求3或4所述的高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，其特征在于：驱动电流为交流电。

说明书

一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头

技术领域

[0001] 本发明涉及一种磁敏传感器探头，特别是一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头。

背景技术

[0002] 对微弱磁场，特别是对接近于零值的微弱磁场，具有高灵敏响应的新型磁敏传感器，是生物磁测量、探矿、无损探伤等当今科技发展所迫切需求的。但是，现有的磁敏传感器，如磁通门、巨磁阻、霍尔磁敏传感器等都由于对微弱磁场不够灵敏而不能满足需求。超导量子干涉仪虽然具有极高的灵敏度，在一定程度上可以满足当今高科技对微弱磁场测量的需求，可是，由于其要求满足超导所需的低温，使得仪器无法微型化和制造成本及运行成本高等原因，限制了超导量子干涉仪在许多场合的应用。巨磁阻抗效应的发现，使人们看到了研发高灵敏度磁敏传感器的希望，因为其灵敏度比巨磁阻效应要高出一个数量级，比霍尔效应高出两个数量级，但是，巨磁阻抗效应在近零磁场处的灵敏度仍然不高，常规对称的巨磁阻抗效应在近零磁场处的灵敏度很低，被称为零场盲点。如专利高灵敏磁敏材料(专利号：200810163790.X)，一种具有宽线性区的高灵敏磁敏材料(专利号：201110028111.X)，一种制备灵敏度高和线性区宽的磁敏材料方法(专利号：201110026317.9)等专利都存在零场盲点的问题，不能满足对跨零微弱磁场灵敏响应要求。非对称巨磁阻抗效应虽然在零磁场附近不像对称的巨磁阻抗效应那样存在零场盲点，却也存在整体灵敏度不如对称巨磁阻抗效应的问题，还不具备使用价值。虽然，通过外加偏置直流磁场将磁敏传感器的灵敏区移动到零磁场附近的技术，可以提高现有传感器对近零微弱磁场响应的灵敏度，但是，这种技术不仅存在耗能大的问题，而且还要求偏置直流磁场具有高稳定性，然而，现有的电子技术还不能满足高灵敏磁敏传感器所要求的高稳定性，往往会因为温度变化、电源波动等因素影响，使得偏置场有所波动。

[0003] 因此，现有的技术不能满足，对跨零微弱磁场敏感，又可以微型化和低耗能及低制造成本的现代科技发展需求。

发明内容

[0004] 针对以上问题，本发明的目的是提供一种具有无零场盲点、高灵敏、线性响应跨零微弱磁场的探头。

[0005] 一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，包括金属螺线管和磁芯，其特征在于：磁芯为复合磁芯，复合磁芯由含硬磁相的磁性材料和软磁性能的软磁材料叠加而成。

[0006] 本发明的目的是通过采用由含硬磁相的磁性材料和软磁性能的软磁材料叠加而成的复合磁芯实现的。所以不仅具有无零场盲点、高灵敏、线性响应跨零微弱磁场、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点，还具有方向识别能力和便于微型化及低耗能的优点。

附图说明

[0007] 图1是本发明的结构示意图，

[0008] 图2是本发明的一种探头的磁阻抗曲线。

[0009] 图3为比较实施例1的磁阻抗曲线，

[0010] 图4为比较实施例2的巨磁阻抗曲线。

[0011] 图中：螺线管1、探头磁芯2、含硬磁相的磁性材料3、软磁性能的软磁材料4、驱动电极5，测量电极6。

具体实施方式

[0012] 以下结合实施例进行详述：

[0013] 图1是一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，主要包括金属螺线管1和磁芯2，其特征在于：磁芯2为复合磁芯，由含硬磁相的磁性材料3和软磁性能的软磁材料4复合而成。

[0014] 为了提高性能，含硬磁相的磁性材料3为具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相磁性材料，软磁性能的软磁材料4为具有对称巨磁阻抗效应特性的纯软磁相材料。

[0015] 图2是一种具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相磁性材料和具有对称巨磁阻抗效应特性的纯软磁相材料复合而成的高灵敏无零场盲点、线性响应微弱场磁的探头的磁阻抗曲线图。其具有非对称磁阻抗效应特性的含硬磁相磁性材料3是采用Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶材料，在氮气保护下沿轴向施加3000A/m的磁场并于490退火1小时制得；具有对称巨磁阻抗效应特性的纯软磁相材料4是采用Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶材料，在空气中于470℃退火1小时制得。

[0016] 图中的一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，是按如下方法制备的：

[0017] (1)用线径为0.1mm的漆包线密绕100匝制成直径为0.57mm的螺线管1。

[0018] (2)将0.35mm宽和33μm厚的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄带，在氮气保护下沿薄带轴向施加3000A/m的磁场于490退火1小时，然后截取15mm长，制成含硬磁相的磁性材料3。

[0019] (3)将0.35mm宽和33μm厚的Fe76Si7.6B9.5P5C1.9非晶薄带在空气中于470℃退火1小时，然后截取15mm长，制成软磁性能的软磁材料4。

[0020] (4)将由步骤(2)、(3)制得的含硬磁相的磁性材料3与软磁性能的软磁材料4平叠粘结制成磁芯2。

[0021] (5)将磁芯2插入螺线管1构成磁敏传感器探头。

[0022] (6)图2为用上述方法制得的含磁芯2的磁敏螺线管的磁阻抗曲线。测量时驱动电流的幅值为10mA，频率为380kHz。

[0023] 测试结果，在-348A/m到232A/m的跨零磁场范围内，磁敏螺线管的灵敏度为-10.89％/A·m ，线性最大偏差仅为0.78％。

[0024] 比较实施例1

[0025] 为了说明磁芯2的优点，将实施例1中的磁芯2改为含硬磁相的磁性材料3，用于比较。具体实施方法如下：

[0026] (1)同实施例步骤(1)制成螺线管1。

[0027] (2)同实施例步骤(2)制成含硬磁相的磁性材料3。

[0028] (3)将由步骤(2)制得的含硬磁相的磁性材料3插入由步骤(1)制得的螺线管中制成磁敏探头。

[0029] (4)图3为用上述方法制得的磁敏探头的磁阻抗曲线。测量时驱动电流的幅值为10mA，频率为380kHz。

[0030] 测试结果，在-1600A/m到1600A/m的跨零磁场范围内，磁阻抗随外加磁场线性变-1化，但灵敏度很低，只有0.0048％/A·m 。

[0031] 比较实施例2

[0032] 为了说明磁芯2的优点，将实施例1中的磁芯2改为软磁性能的软磁材料4，用于比较。具体实施方法如下：

[0033] (1)同实施例步骤(1)制成螺线管1。

[0034] (2)同实施例步骤(3)制成软磁性能的软磁材料4。

[0035] (3)将由步骤(2)制得的软磁性能的软磁材料4插入由步骤(1)制得的螺线管中制成磁敏探头。

[0036] (4)图4为用上述方法制得的磁敏探头的巨磁阻抗曲线。测量时驱动电流幅值为10mA，频率为380kHz。

[0037] 测试结果，在-1600A/m到1600A/m的跨零磁场范围内，阻抗随外加磁场变化曲线关于零磁场点对称。不同区段的灵敏度不同：在外磁场绝对值大于1500A/m的范围内，探头趋于饱和，灵敏度接近为0；磁场绝对值在800～1500A/m范围内，阻抗与磁场呈非线性关-1系，灵敏度在0到0.89％/A·m 之间变化；磁场绝对值在50～800A/m范围内，阻抗随外-1
加磁场呈线性变化，灵敏度为0.90％/A·m ；磁场在-50～+50A/m范围内，灵敏度接近零，即存在零场盲点。

[0038] 综上所述，本发明的目的是采用含硬磁相的磁性材料3与纯软磁相的软磁材料4复合而成的复合磁性材料做成磁敏探头芯，获得高灵敏、线性响应跨零微弱磁场的新型磁敏传感器探头。提供一种同时具有高灵敏、高可靠性、无零磁场盲点、线性响应跨零微弱磁场且具有磁场方向识别能力等多项优点的新型磁敏传感器探头。如图1所示，将含硬磁相的磁性材料3与软磁性能的软磁材料4平叠粘结构成磁芯2，将磁芯2插入通电螺线管1构成磁敏传感器探头，使磁芯2与螺线管1的轴向平行。交变电流由通电电极5引入螺线管1产生一个沿磁芯2轴向的驱动场，在纵向驱动电磁场的作用下，使得螺线管1与磁芯2联系起来构成一个等效阻抗元件，该等效阻抗元件的阻抗会随着作用在磁芯2上的外加磁场灵敏地线性变化，即表现出线性响应跨零微弱磁场的优异磁敏特性。这种复合磁芯磁敏探头具有线性响应跨零微弱磁场的优异磁敏特性的主要原因，是由于含硬磁相的磁性材料3在退火偏置场作用下，形成了一个沿退火外磁场方向的剩余磁场。当含硬磁相的磁性材料
3与软磁性能的软磁材料4粘叠在一起的时候，含硬磁相的磁性材料3的剩余磁场就形成了一个稳定的作用于软磁性能的软磁材料4上的偏置场。在该偏置场的作用下，原来关于零磁场对称的只含软磁性能的软磁材料4的磁敏螺线管的磁阻抗曲线，沿偏置场方向平移了等于偏置场大小的位移，结果使得含磁芯2的螺线管具有无零场盲点、线性响应跨零微弱磁场的特性。通过实施例和比较实施例测量结果的对比，显而易见，采用本发明所提供的复合磁芯制作的磁敏探头，不仅克服了只含含硬磁相的磁性材料3的磁敏探头的低灵敏度缺点，还在保持高灵敏度的前提下，克服了只含软磁性能的软磁材料4的磁敏探头存在零磁场盲点的问题，并且具有识别外磁场方向的能力：当外磁场方向与含硬磁相的磁性材料
3剩磁方向一致时，传感器输出正电压；当外磁场方向与含硬磁相的磁性材料3剩磁方向相反时，传感器输出负电压。

[0039] 本发明所提供的一种高灵敏无零场盲点线性响应微弱场磁的探头，相比当前常用的巨磁阻、霍尔磁敏传感器，不仅具有无零场盲点、对微弱磁场灵敏度高的优点，而且具有方向识别能力的优点。相比磁通门还具有体积小、耗能低的优点。相比超导量子干涉仪，则具有可微型化、制造成本及运行成本低的优点。相比直流偏置场方法，则具有稳定性高、精度高、耗能低及制造成本低的优点。

[0040] 本发明提供的一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头，具备已有敏传感器所不具备的同时拥有高灵敏度、高可靠性、高稳定性和价格低廉等诸项优点的优越性，特别是具有无零场盲点、线性响应跨零微弱磁场和具有方向识别能力的优点。使得采用本发明可以在提高灵敏度的同时，又提高了磁敏传感器的可靠性，且具有便于微型化、低耗能和价格低廉的综合优优越性。因此，使用本发明技术生产的磁敏传感器将具有广阔的应用前景和极强的市场竞争力。

[0041] 为了便于制作和微型化，金属螺线管1用漆包线密绕而成，或采用镀膜和光刻技术相结合制成的微型线圈；显然，可采用单层或多层线圈，只要能够通以电流产生驱动电磁场即可。含硬磁相的磁性材料3为细棒、薄带、细丝或薄膜形状，还可采用其它形状，只要具有适合的剩余磁场，且能够插入螺线管1并适合于与软磁性能的软磁材料4复合即可。软磁性能的软磁材料4为细棒、薄带、细丝或薄膜形状，还可采用其它形状，只要具有良好的软磁性能，且能够插入螺线管1并适合于与含硬磁相的磁性材料3复合即可。

[0042] 为了提高探头性能，软磁性能的软磁材料4采用非晶或纳米晶软磁性合金制成，最好采用FeCuNbSiB、FeCoNbSiB、FeSiPBC等合金材料制成；显然，为了简便易行、降低成本、方便加工制作，软磁性能的软磁材料4还可以采用Fe、Co或Ni单种金属制成，只要具有较好的磁学性能，适合于在外加磁场作用下磁导率会发生显著变化，并便于插入螺线管1即可。

[0043] 本发明的磁敏信号由信号处理电路从螺线管1两端的测量电极6取出，然后由信号处理电路输出给信号显示系统或控制系统。为了提高探头性能，驱动电流最好为交流电。交流电的频率可以是几千Hz到数个GHz。

[0044] 显然，复合磁芯可以将硬磁相的磁性材料3和软磁性能的软磁材料4简单地叠放在一起，也可以胶粘结在一起，还可以用镀膜的方法复合在一起。为使含硬磁相的磁性材料3和软磁性能的软磁材料4不易错位、确保探头性能，最好将含硬磁相的磁性材料3和软磁性能的软磁材料4粘结在一起。