中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
磁場(chǎng)傳感器是探測磁場(chǎng)強度或其變化并將其轉換成電信號輸出的裝置，基于磁場(chǎng)傳感器可開(kāi)發(fā)多種傳感功能，包括電流、功率、位置、距離、速度、角度等。磁傳感器是一種應用極其普遍的傳感器，其性能優(yōu)異，抗干擾能力強，在電力傳輸、無(wú)刷電機、能源管理、讀寫(xiě)磁頭、汽車(chē)工業(yè)、工業(yè)控制、機器人、安全系統、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域內都占有一席之地，已經(jīng)成為了經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)升級不可缺少的一類(lèi)重要傳感器。
現有的磁場(chǎng)傳感器，包括磁通門(mén)傳感器、霍爾傳感器、磁阻傳感器、超導量子干涉儀（SQUID）等，各有優(yōu)缺點(diǎn)?；魻杺鞲衅鞒杀镜偷`敏度小，磁電阻傳感器靈敏度高但工藝復雜、成本高、磁滯和溫漂大，磁通門(mén)傳感器功耗大、響應慢，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、溫度穩定性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)?，F有的磁阻抗傳感器由于加工工藝復雜、驅動(dòng)信號頻率高等問(wèn)題導致了其價(jià)格居高不下，這也直接導致其應用和發(fā)展受到限制。因此，開(kāi)發(fā)靈敏度高、驅動(dòng)信號頻率低、價(jià)格低廉的GMI傳感器具有廣闊的應用前景。
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(kāi)發(fā)了一種基于傳統磁芯繞線(xiàn)電感的新型高靈敏度GMI傳感器。傳統磁芯螺線(xiàn)圈制成的線(xiàn)圈感應磁強計，根據法拉第電磁感應定律，通過(guò)線(xiàn)圈的磁通量變化帶來(lái)感應電流及電壓的變化，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靜態(tài)磁場(chǎng)。本課題組采用全新的探測模式，通過(guò)單一的電感器件構建了LC諧振電路，可以實(shí)現諧振頻率附近41036%的磁阻抗變化，遠高于傳統磁阻器件普遍小于100%的變化率。同時(shí)，新型GMI相比傳統GMI器件，可以將驅動(dòng)頻率降低到kHz量級，并可以實(shí)現靜態(tài)磁場(chǎng)的測試。采用市場(chǎng)上直接購買(mǎi)的普通電感（成本<1元），可以實(shí)現磁場(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，降低了驅動(dòng)信號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)化設計，有望進(jìn)一步提高其探測靈敏度。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)預示了其重大的應用潛力。
該成果以“Magnetic sensor based on giant magneto-impedance in commercial inductors”為題發(fā)表在國際頂級期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics（IF=7.5），并申請國家發(fā)明專(zhuān)利一項。電子科學(xué)與工程學(xué)院教授王志廣和博士生溫濤為論文共同第一作者，王志廣教授、劉明教授為論文通訊作者。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的支持。
劉明教授的“磁電耦合功能材料團隊”長(cháng)期從事磁電復合材料及器件應用研究，在可調微波濾波器、柔性磁場(chǎng)傳感器、磁阻傳感器（AMR、TMR、GMR）、磁阻抗傳感器、磁電傳感器、自旋電子器件等應用方面取得一系列進(jìn)展。
