FeGa膜/AT切石英晶片双面复合蝶形谐振磁场传感器

蝶形磁致伸缩膜由于磁汇聚,其中心区域的磁致伸缩应变增强,但是和矩形AT切石英晶片复合时,磁膜耦合至矩形晶片电极区的应变会向周围无磁膜区域扩散,降低应变对晶片厚度剪切振动的作用,降低磁场传感器灵敏度。提出AT切石英晶片和FeGa膜形状一样的蝶形谐振磁场传感器,蝶形晶片可以将蝶形磁膜增强的晶片应变汇聚至晶片电极区,以提高传感器灵敏度。仿真结果预测,在23.8~118.9 Oe的磁场范围内,蝶形结构的灵敏度为蝶形磁膜/矩形晶片结构的3.73倍。通过微机械加工,制作了蝶形器件,对实际器件测试的结果表明,在76.4~117 Oe的线性区间内,蝶形传感器的灵敏度可达-29.08 Hz/Oe。

光纤磁场传感器研究现状及发展趋势

磁测量在矿产勘探、工业制造和国防等领域有广泛应用,因此,对促进科学、技术和社会发展具有重要的意义。目前,电学磁场传感器存在绝缘结构复杂、成本高、抗干扰能力差、难以数字化等缺点。相比之下,光纤磁场传感器具有绝缘性好、结构小巧、可数字化,具备强大的抗干扰能力以及高度可复用性。因此,光纤磁场传感器为解决这些问题提供了高度可行的方法。详细论述了基于磁致伸缩效应、法拉第效应和磁流体材料的光纤磁场传感器的工作原理、研究现状及存在的挑战,然后展望了光纤磁场传感器的未来发展方向和前景。

基于光纤U形腔的马赫-曾德尔干涉仪的磁场传感器

本文研制了一种光纤磁场传感器,使用涂有磁流体(MF)的全光纤马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的U形腔体进行实验验证。光纤磁场传感器是在两段单模光纤(SMF)之间拼接一段单模光纤形成U型光学腔制造而成的,该设计具有光纤几何关系。由于几何对称性MZI对周围折射率(RI)具有很强的敏感性,灵敏度高达−13588 nm/RIU,且磁流体的折射率对磁场敏感,因此所提结构实现了磁场传感功能。实验结果表明,该传感器磁场灵敏度高达137 pm/Oe,磁场范围从0~250 Oe几乎呈线性。本文所设计的光纤磁场传感器具有体积小、成本低、易于制造、坚固耐用、灵敏度高、重复性好、易于与光纤系统集成等相关优势。

基于磁场传感器阵列的电流测量方法研究进展

在电力系统的电流测量领域,磁传感器阵列具有非接触性、体积小、线性度高、抗干扰能力强、温漂小、频带宽以及成本低等优势。该文对磁传感器阵列技术在电力系统电流测量领域的研究进行了综述,介绍了不同被测对象所对应的磁传感器阵列方案,总结归纳了圆形阵列、矩形阵列等常见的磁场传感器阵列方案的研究进展,分析了偏心、串扰与倾斜等磁传感器阵列方案常见的误差来源。已有研究表明,磁场传感器阵列技术在电力系统的电流测量领域具有成本低、精度高、宽范围、宽频带、采用非接触式设计等优势,未来将在智能电网中获得更广泛的应用。

基于MEMS硅基谐振器的磁场传感器最新进展

随着智能时代的到来,磁场传感器已经广泛应用于移动设备中,为用户提供定位和导航等服务。目前,基于霍尔效应的磁场传感器和基于磁性材料的磁阻式传感器是人们普遍采用的2种磁场检测传感器。基于霍尔效应的磁场传感器的优点是成本低,不需要外加磁性材料,且制作工艺和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。这种传感器的工作范围一般为10μT~1 T,并可以通过增加功耗的方式来提高分辨力。磁阻式磁场传感器拥有较高的分辨力和较宽的工作范围(0.1 nT~1 T),其性能主要取决于磁性材料。除了以上2种方式外,由硅基微机电系统(MEMS)谐振器构成的谐振式磁场传感器利用洛伦兹力对磁场的依赖性实现了对磁场的检测,具有体积小、功耗低、性能优异且与CMOS工艺兼容等优点,近年来受到研究人员的广泛关注。本文回顾了由MEMS硅基谐振器构成的磁场传感器的最新发展动态和性能提升方法,并总结了当前存在的关键挑战和未来机遇。

结构参数对各向异性磁电阻(AMR)磁场传感器性能的影响

采用磁控溅射工艺制备NiFe合金薄膜,通过电子束蒸发制备Barber电极,获得了各向异性磁电阻(AMR)线性磁场传感器。通过材料芯片技术,系统研究了图形化的NiFe薄膜宽度、厚度以及Barber电极角度、间距等因素对传感器性能的影响。测试结果表明,在设计的工艺条件下,NiFe薄膜宽度为36μm、厚度为28 nm、Barber电极角度为40°以及电极间距为10μm时,该磁场传感器在磁场范围为±5 G内灵敏度最大,达到1.17 mV/(V·G)。研究工作为进一步发展基于AMR效应的角度及磁场传感器芯片提供参考。

基于磁场传感器磁成像装置研究

针对空间磁场矢量分布情况,给出一种空间磁场测量和成像的装置,主要由磁场矢量传感器、三维移动平台和信号处理电路等部分构成。在待测磁场空间中,通过三维移动平台调整磁场矢量传感器的测量位置,然后利用传感器测量相应位置处的磁场分量(Bx、By和Bz),采用信号处理电路并行对传感器的输出电压进行放大、滤波、调零和A/D转换等处理。在微控制器进行数字滤波和数据传输后,利用软件分析和处理获取的数据,并绘制空间磁场矢量分布图。实验结果表明在一定待测磁场范围内,该磁成像装置能够实现永磁铁附近的空间磁场相应位置的磁场矢量测量,并形成磁场分布图,该装置可以对-1000 Gs~+1000 Gs的磁场进行测量,磁场分辨率为2 Gs,空间分辨率为3 mm3。

基于磁通负反馈结构的高灵敏度感应式磁场传感器研制

感应式磁场传感器广泛应用于地球物理电磁勘探仪器,但也是阻碍我国地球物理电磁勘探仪器装备研发和推广应用的瓶颈技术.在我国SinoProbe计划中"地面电磁探测(SEP)系统"项目支持下,我们研制出用于大地电磁测深(the Magnetotellurics MT)方法的高灵敏度磁场传感器.研制过程中,采用磁通负反馈技术,增强传感器系统工作稳定性;采用斩波稳零放大电路技术,有效降低低频1/f噪声对传感器灵敏度的影响;采用高磁导率合金材料,增加磁场传感器的灵敏度.最终,MT磁场传感器工作频率范围为1 mHz^1kHz,噪声水平0.1Hz时为1.5pT/Hz;1Hz时为0.15pT/Hz;10Hz时为0.03pT/Hz;长度96cm,重量≤6kg.理论和测试结果表明:与同类产品比较,本文研制的感应式磁场传感器在≥10Hz时,平均噪声水平从150fT/Hz,下降至30fT/Hz,噪声水平更优,测量精度更高,能够更好地满足MT方法的需求.

基于线性化参数模型的三轴磁场传感器校准方法

针对三轴磁场传感器零偏误差、刻度因子不一致性误差和非正交误差等,建立了磁场传感器的三个敏感轴与参考正交坐标系的转换矩阵;基于标量校准思想,推导了传感器三轴测量值与磁场标量值之间的线性化参数模型;根据最小二乘原理,进行传感器模型参数辨识。选取两款三轴磁通门磁力仪进行了误差校准实验研究,校准后,传感器的测量误差可以降低一个数量级。在实验过程中,不需要高精度的实验设备,在稳定地磁场环境下即可进行。实验研究表明,此方法是一种方便易行、精度较高的传感器校准方法。

基于非晶带巨磁阻抗效应的新型弱磁场传感器

利用短时矩形脉冲电流对近零磁致伸缩系数钴基非晶态合金带进行退火处理,得到约114%的巨磁阻抗变化率.同时利用CMOS多谐振荡电路产生窄脉冲电流序列对前面处理过的非晶带进行激励,制作成灵敏度高、稳定性好、功耗低的弱磁场传感器.对传感器的工作原理进行了分析,并设计了信号处理电路.该传感器可应用于对弱磁场的检测.

MEMS铁磁磁场传感器的研究

提出了一种新型的基于Si压阻效应的铁磁体MEMS磁场传感器结构,其结构由制作在硅桥敏感膜表面的惠斯通电桥和在膜中间旋涂环氧胶沾上铁磁体制成。铁磁体在外磁场中磁化产生磁力,磁力耦合到硅桥敏感膜上会产生应力使膜上的惠斯通电桥产生电压输出以达到测量磁场的目的。文章先通过有限元软件对铁磁体在磁场中的受力大小和磁场传感器在磁力下的输出进行了仿真,然后对该结构进行了测试,仿真结果和实验结果较接近。实验测得该传感器最大灵敏度为70 mV/T,分辨率为330μT。该磁场传感器结构简单、工艺成熟、成本低,易于大批量生产。

一种用于TEM高灵敏度感应式磁场传感器设计

瞬变电磁法(TEM)作为地球物理非地震探勘主要电磁方法之一,广泛应用于油气、矿产等地下资源探测.本文分析TEM磁场传感器频率响应特点,采用欠阻尼匹配拓展传感器线性响应频率范围;分析磁传感器各类噪声源分布,提出不同频段上影响磁传感器性能的主要因素.最终研制一款高磁导率磁芯的TEM感应式磁场传感器,工作频段为10mHz^1kHz,等效输入噪声水平为4pT/Hz@1Hz,15fT/Hz@200Hz,传感器直径为50mm,长度800mm,重量3.2kg,相比现有TEM接收磁场传感器,体积小、重量轻、工作频段低.实验测试与生产作业表明:最新研制的高灵敏度TEM磁场传感器更加适合大深度、3D阵列电磁勘探.

强度调制的光纤布拉格光栅磁场传感器

设计了一种基于光纤布拉格光栅啁啾效应的磁场传感器,导出了光纤布拉格光栅的反射谱带宽与磁感应强度的关系.传感器工作时,磁场中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用,引起矩形悬臂梁变形,从而导致粘贴在悬臂梁侧边的光纤布拉格光栅的反射光谱带宽发生变化;利用光谱分析仪,通过检测光纤布拉格光栅反射谱带宽的变化量,即可得到被测磁场磁感应强度的大小.当光谱分析仪的分辨率为0.001 nm时,可测量磁感应强度为6～70mT.实验结果表明：该光纤布拉格光栅反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感,当温度从0℃变化到45℃时,3 dB带宽的变化小于8 pm.实验结果和理论分析一致,表明该方案切实可行.

隧穿磁电阻效应磁场传感器中低频噪声的测量与研究

基于隧穿磁电阻效应(TMR)的磁场传感器具有很高的磁场灵敏度,但同时噪声也较大,有效抑制TMR磁场传感器的噪声,尤其是低频噪声的抑制对于其在高灵敏度要求场合的应用具有重要的意义.本文采用高精度数据采集卡搭建了噪声测量系统,测量了全桥结构TMR磁场传感器的噪声频谱图,发现TMR传感器的噪声在低频段表现为1/f特性,同时噪声功率谱密度与工作电流平方成正比关系;低频噪声在自由层翻转区间内噪声急剧增大,证明了1/f噪声主要来源于磁噪声,这一结果为TMR磁场传感器的噪声特性优化指明了方向.

基于法拉第效应双偏振光纤激光磁场传感器的纵向空间响应

利用法拉第效应,正交双偏振光纤激光器已被证明可用来实现灵活小巧的磁场传感器.为了发展适宜的封装结构以优化对磁场的传感灵敏度,有必要研究双偏振光纤激光磁场传感器在磁场中的空间响应特性。对长度为21 mm的光纤激光器在磁场宽度为3 mm、5 mm、7 mm以及磁场强度为0.5 T、0.75 T和1 T时的纵向空间响应进行了实验研究。研究表明,沿着双偏振光纤激光磁场传感器的纵向,其各个部分对磁场的空间响应是不均匀的。空间响应的峰值出现在激光腔的中间并沿激光器纵向呈对称的高斯分布。这种空间响应的分布特性与光纤光栅的分布式布拉格反射有关。

音频大地电磁磁场传感器的研制

感应式磁场传感器一直是我国电磁法仪器发展的瓶颈,国外大地电磁法中测量大地磁场主要采用感应式磁场传感器。为此,根据音频大地电磁场源的特点,从感应式磁场传感器的基本原理出发,设计传感器的磁芯和线圈绕组结构以及线圈的谐振频率;另外,采用了磁通负反馈技术和频率补偿的方法,扩展了传感器的频带,得到了在1 Hz～9.8 kHz频带范围内平坦度为±1.5 dB的灵敏度曲线,满足音频大地电磁探测的需要。

MEMS磁场传感器的设计及测试

以U型梁为主要结构设计了一种新型的洛伦兹力驱动的磁场传感器,检测在磁场中作切割磁力线运动的金属线上的感生电压,实现磁场测量.首先介绍了传感器的工作原理,并用振动理论对传感器的受力及响应进行了分析,接着用有限元软件建立结构模型并对其振动模态和频率进行了仿真.该MEMS磁场传感器采用标准的CMOS工艺加上后处理来实现.最后用多普勒仪对传感器的频率和振动幅度进行测试,并对传感器的感生电动势与磁场、电流的关系进行了测试.实验结果与理论分析一致,该传感器的灵敏度为14 mV/mT.该传感器结构简单,测试方便,可用于对mT级的磁场进行测试.

光纤瞬态磁场传感器的研究及其应用

为了对超高压变电站的开关瞬态磁场进行有效的测量,该文研制了一套光纤瞬态磁场传感器。采用单匝线圈作为磁场探头,利用光纤作为信号传输通路,解决了强电磁干扰环境内的瞬态磁场测量问题。提出了数字频率均衡方法,满足了变电站开关瞬态磁场测量对传感器的宽频带要求。实验室测试和现场应用表明,该传感器在频带宽度、测量范围、线性度和抗电磁干扰性能等方面,均可满足变电站开关瞬态磁场测量的要求。将该传感器应用于我国某500kV变电站开关操作和电抗器投切操作产生的瞬态磁场测量,取得了满意的结果。

MEMS磁力线聚集和垂动调制磁场传感器

针对巨磁阻和磁隧道结等磁阻元件的1/f噪声,提出一种采用微机电系统的磁力线聚集和垂动调制磁场传感器。通过将被测磁场从低频转移到几kHz,实现对磁场的DC/AC转化,从而减小了磁阻元件的1/f噪声。基于该方案采用多层膜巨磁阻元件AA002制作了磁场传感器样品,并进行了实验测试,结果表明:磁传感器样品的调制效率达到了19.3%,超过了已有的其他各种调制方案,同时低频磁场的探测能力达到槡120pT/Hz,相比巨磁阻元件AA002提高了40多倍。

Faraday效应的磁场传感器光偏振态的演化

用Jones矩阵法推导了基于Faraday效应的脉冲磁场传感器输出偏振光的方位角和椭率角,并采用Poincaré球法描述了传感器中光偏振态的演化,解决了代数表达式不能直观描述光偏振态变化过程的问题.数值仿真了线双折射率和起偏角参数对输出光偏振态的影响.提出了新的消除线双折射率对脉冲磁场测量值影响的四光路检测法,并计算了运用四光路检测法的磁场传感器输出值.