张振川;段修生
【摘 要】基于巨磁阻抗(GMI)效应的磁传感器在磁测量领域具有大的应用前景;而阻抗模值特征的非线性特征会限制传感器的测量效果.通过对GMI效应进行理论分析;并搭建实验系统对钴基纳米非晶丝材料进行测量和研究,提出了多特征表征的表征方法.采用阻抗模值特征和阻抗角特征相结合的多特征表征方式,能够消除单一特征的非线性特征的限制,拓展了敏感材料的测量范围,减小了非线性拟合误差,具有一定的意义和应用前景.%Magnetic sensors based on giant magneto impedance (GMI) effects have great potential applications in the field of magnetic measurement. However,the nonlinear characteristics of the impedance modulus characteris-tic limit the measurement effect of the sensor. The theory of GMI effects was analyzed,and an experimental system was built to measure and study the sample of cobalt based nanocrystalline amorphous wire, and a characterization method of multi feature characterization was proposed,A multi feature representation method combining impedance modulus and impedance phase characteristic is adopted,this method can eliminate the limit ation of nonlinear char-acteristics of single feature,extend the measurement range of sensitive materials, and reduce the nonlinear fitting error,and has certain significance and application prospect.
佳木斯大学教务网络管理系统【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2018(018)007
【总页数】7页(P159-165)
【关键词】巨磁阻抗(GMI)效应;阻抗角特征;多特征表征
【作 者】张振川;段修生
【作者单位】陆军工程大学(石家庄)电子与光学工程系,石家庄050003;陆军工程大学(石家庄)电子与光学工程系,石家庄050003
【正文语种】中 文
【中图分类】TP212.13;TP183
自1992年，日本学者K.Mohri等在钴基非晶丝中发现巨磁阻抗(giant magneto-impedance)GMI效应以来[1]，就引起了世界上对GMI效应的广泛关注和研究；基于这种效应研发的GMI磁传感器在灵敏度、稳定性、响应速度、功耗和传感器尺寸等方面优势明显，具有很好的适应性和广泛的应用前景。
敏感材料的GMI特性具有明显的非线性特征；而目前GMI效应的作用机理尚不完善；因此这种特征会导致GMI传感器对磁场描述难度的增加，限制了磁传感器的性能和应用。随着研究的深入GMI效应的阻抗角特征逐渐引起关注，相关学者已经开始了对基于阻抗角特征的GMI效应和传感器进行研究[2,3]；并提出阻抗角特征具有更大的磁场灵敏度。但是阻抗角特征同样存在明显的非线性特征。本研究以钴基纳米非晶丝作为敏感材料进行研究，通过实验系统对敏感材料进行测量，并对得到的实验数据进行处理分析，提出了GMI效应多特征的表征方法，通过对比分析说明了这种表征方法相对于传统的单一特征表征方法的优势。 1 GMI效应机理
googlemapapi目前有关GMI效应产生的机理并不完善，多数研究以敏感材料在高频激励下的趋肤效应作
长江学者新规定为GMI效应产生的机理来进行分析。趋肤效应是指当交变电流通过导体时，导体截面积上的电流的分布是不均匀的，越接近导体表面，其电流密度越大，主要是因为电流的感应引起的[4]。趋肤效应公式为
(1)
式(1)中，ρ是敏感材料的电阻率；f是激励信号的频率;μφ是圆周磁导率；δ的物理意义可以理解为导体内部的电流密度为导体表面电流密度37%时的位置与导体表面的距离。
根据经典电磁理论，高频激励下的导体的阻抗Z是趋肤深度δ的函数。例如以非晶敏感材料为例，当交变电流I=I0exp(-iωt)时，其交流阻抗Z与趋肤深度δ的关系可以表示为
(2)
式(2)中，是非晶材料的直流电阻，α是非晶材料的半径，J0(kα)、J1(kα)分别表示0阶和1阶贝塞尔函数。
在强趋肤效应的作用下，式(2)可以进一步近似为
区间套
(3)
由式(3)可见，敏感材料的交流阻抗与其电阻率ρ、激励电流角频率ω=2πf和圆周磁导率μφ有关。在铁磁性材料中，材料的磁导率μφ与激励电流的频率f和外加磁场Hex有关，但磁导率μφ与外界磁场Hex的函数关系，目前还没有完整的理论。
敏感材料的GMI效应的强弱可以通过敏感材料阻抗Z=|Z|∠φ的变化率来衡量，本研究采用式(4)，式(5)表征方式[5]：
(4)
(5)
纳米技术论文式中，Z(Hex)、φ(Hex)是敏感材料在外加磁场Hex时的阻抗值和阻抗角；Z(H0)、φ(H0)分别代表在外加磁场Hex为0时敏感材料的阻抗值。
2 单一特征表征的局限性分析
黄乐夫
2.1 基于阻抗模值
目前GMI传感器多以敏感材料阻抗值为测量参数，通过测量敏感材料阻抗的模值|Z|(Hex)，通过对GMI传感器进行标定获得|Z|-H数据库，或者对实验数据进行处理进行曲线拟合得到拟合曲线H=f(|Z|)等方式得出敏感材料所处的外界磁场强度，从而实现对外界磁场进行测量的目的。目前有关GMI传感器的设计多采用这种方式，因为具有GMI效应的敏感材料的阻抗值会随外加磁场变化而发生巨大变化，因此相对于其他类型的磁传感器来讲GMI磁传感器理论上具有更高的磁场灵敏度。
图1 典型非晶材料的|Z|-H特性曲线Fig.1 |Z|-Hcharacteristic curves of typical amorphous materials
然而从图1所示的典型非晶材料的GMI阻抗模值的特性曲线我们可以发现，敏感材料的阻抗模值与外界磁场存在明显的非线性关系。很难得到敏感材料的阻抗值与其所处环境磁场强度值的明确对应关系，目前的研究多采用曲线拟合的方式来进行对应，通过前期的实验数据进行曲线拟合，得到一定程度上与测试点相匹配的拟合曲线；并以此作为GMI传感器的输出特性曲线用于输出外界磁场强度的数值。采用这种方式会因为拟合参数的选取等因素的影响，导致阻抗值与磁场强度对应出现偏差，从而导致传感器性能指标的降低。另外目
前大多数的非晶材料的GMI特性曲线在零磁场强度附近会出现大致对称的双峰形状，敏感材料的这种特性会导致一个阻抗值对应多个磁场强度的现象，影响传感器对测量磁场的识别能力，现有的研究多采用其近似的线性区间即从0磁场强度点到磁场强度使阻抗值达到最大值的点中的部分作为敏感区间，设计和制作磁场传感器，用以解决多值性问题；然而采用这种方式设计的磁传感器，明显限制了传感器的测量范围，尽管有些研究者通过采用增加偏置磁场的方式来拓展测量范围，但是测量范围仍然有限[6,7]。
2.2 基于阻抗角特征
随着对GMI效应研究的深入，近年来国外的相关学者通过拓展研究，提出了以敏感材料的阻抗角作为GMI效应的测量参量的研究方法，通过测量敏感材料在外界磁场作用条件下的阻抗角值，并以阻抗角特征作为GMI效应的表征依据，通过对敏感材料的阻抗角的变化进而实现对外界磁场环境的测量。国外学者的研究提出了以阻抗角作为GMI效应表征参数具有更高的磁场灵敏度，有研究指出阻抗角特征的磁场灵敏度能够达到基于阻抗值特征的传感器的100倍左右[8,9]。
图2 GMI效应的阻抗角特征曲线Fig.2 Characteristic curve of impedance phase of GMI effe
ct
图2是非晶材料的阻抗角特征曲线，由特性曲线可以观察到敏感材料的阻抗角值随磁场的变化趋势大体上仍然是对称的形式，并且当磁场强度达到一定程度后，其阻抗角的值达到饱和状态，出现反向增加的现象，仍然显示出类似于阻抗值特征的双峰结构的形式，同样具有很大的非线性程度，因此采用阻抗值作为识别参数对磁场强度进行识别仍然会出现的多值性问题，导致磁场测量范围的压缩。
3 基于多特征的磁场识别方法
单一采用的阻抗模值特征和阻抗角特征对GMI效应对GMI效应进行表征时，均因为其特性曲线的非线性因素并且存在双峰结构的特征导致其磁测量范围的减小，限制了基于GMI效应的磁传感器的应用和发展。本研究通过对钴基纳米非晶丝材料进行精确的测量和数据分析，提出了一种GMI效应的多特征表征方法，通过比对试验分析采用这种表征方式能够克服单一特征表征方法的局限性，在拓展测量范围的同时还能够提升测量精度。
3.1 测量系统搭建
利用直径30 μm、2 cm长，周围缠绕两路直径为35 μm匝数均为50匝的线圈的钴基纳米非晶丝作为敏感材料，材料结构图如图3所示。
图3 敏感材料示意图Fig.3 Schematic diagram of sensitive material
利用磁屏蔽室、高精度电流源(Agilent E3649A)、亥姆霍兹线圈(FE—3MF3000)建立外界磁场环境。测量端用Eyesight E4990A型阻抗分析仪对敏感材料进行测量。将得到的实验数据保存到计算机，用计算机对得到的实验数据进行处理和分析，图4是整个实验系统的实验框图。
实验过程中磁场生成系统产生的磁场强度值的估计，采用IEEE标准中：将待标定的磁场探头在能准确计算的参考场中测量，测量值与计算值对比。实验中利用电流源的输出电流I(A)同时结合线圈的固有出场参数kx=2.314 2得到亥姆霍兹线圈产生的恒定磁场值H=kxI(G)，实验过程中通过改变电流源的输出来产生不同的磁场环境。在恒定的外界磁场条件下设置阻抗分析仪的激励幅值参数，测量方式设置成频率扫描方式对敏感材料的阻抗特性进行量测并记录实验数据，通过实验和记录得到一系列在磁场强度、激励频率、激励幅值确定的条件下敏感材料的实验数据。
图4 实验系统结构Fig.4 Structure of experiment system
3.2 数据分析
利用MATLAB工具对在上述实验系统中得到的实验数据进行数据处理和分析。首先在实验中设定激励电流的幅值为10 mA，通过改变激励电流的频率值(0.5、1、5、10、15 MHz)，对敏感材料的GMI效应进行测量和记录，分析敏感材料的频率特性，通过实验测试和数据处理得到图5所示的结果。
从实验结果来看，频率参数会对敏感材料阻抗特征产生很大的影响，在图4所示的实验结果中可以发现在激励电流幅值一定的情况下，其阻抗模值特征随激励频率的增加而增加，在0.5 MHz频率激励下其阻抗模值变化范围为22.22～27.79 Ω，阻抗模值特征变化率范围为-5.517%～25.05%，当频率增加到15 MHz时其阻抗模值变化范围为46.29～97.49 Ω，其变化率达范围为0～113.41%。敏感材料的相角特征随频率的变化趋势为，随着频率的增加其相角的绝对值增大而变化率却随之减小，在0.5 MHz的激励频率下时为9.22°～22.21°，变化率范围为0.00%～140.80%。当激励频率达到15 MHz时其绝对值范围为18.01 °～31.26 °，变化率范围为-42.14%～0%。通过对比可知在特定的激励参数下阻抗角特征相比
于阻抗模制特征具有更强的磁场灵敏度。
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