应用石英音叉谐振器的智能温度传感器(英文)

为了实现高精密温度测量,设计了高性能数字温度传感器,该传感器由石英音叉谐振器,数字接口电路和基于现场可编程门阵列的传感器重置控制算法构成。依据石英晶体压电效应原理,对石英音叉谐振器的热敏切型和电极设置进行了研究;基于力学振动原理,导出石英音叉谐振器弯曲振动模式的微分方程;讨论了谐振式温度传感器的工作原理,提取出石英音叉温度传感器的特征参数并进行了非线性误差分析;采用光刻和侵蚀技术加工制作了石英音叉谐振器。该传感器的频率输出信号通过数字接口进入现场可编程门阵列,通过重置控制算法实现传感器的重置和现场自动校验。实验结果表明,在-20 ～140 ℃,该传感器的灵敏度可达65×10-6/℃,测温分辨率为0 .001 ℃,响应时间为1 s ,测温精度为0 .01 ℃。

高Q值超低功耗谐振式磁传感器的设计与实现

针对现有谐振式磁传感器原理不能同时实现高品质因数(Q)和低功耗的缺点,利用双端固定石英音叉谐振器与铁镓磁致伸缩合金片复合,设计了一种隔离磁机阻尼的高Q值、数字频率输出的超低功耗谐振式磁传感器。利用音叉谐振器结构的解耦特性,设计应力耦合传递结构,隔离了磁致伸缩材料磁机阻尼,从而保证复合传感器Q值与音叉谐振器Q值相当。在磁场作用下,磁致伸缩力传递到音叉谐振器,由于音叉力敏感特性,实现磁-力-频率转换。制备了铁镓合金/石英音叉谐振器复合敏感结构,测试表明,在低气压封装条件下的品质因数约为16 764,门振荡电路功耗约为124.8μW,在线性区灵敏度为3.05 Hz/Oe,分辨率为6 mOe。

退磁场对磁致伸缩应力耦合谐振磁传感器灵敏度的影响研究

将磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合的谐振式磁传感器具有高灵敏度、高分辨率、高Q值等优良性能。然而,磁性敏感材料的退磁场效应导致磁传感器的灵敏度随敏感材料的尺寸而变化。采用退磁因子计算经验公式与Maxwell电磁仿真相结合,分析了相同截面积、不同长度铁镓(FeGa)磁致伸缩合金的退磁因子,并将退磁因子代入非线性磁致伸缩模型,分析并预测了退磁场对FeGa合金磁致伸缩性能和FeGa/石英音叉谐振器复合谐振式磁场传感器灵敏度的影响。采用10.6 mm、20 mm和30 mm三种不同长度FeGa合金与石英音叉谐振器复合,制备器件实验表明:退磁因子和传感器灵敏度随FeGa合金长度增加而分别减小和增加,最优偏置点的灵敏度分别为3.7 Hz/Oe,5.8 Hz/Oe和9 Hz/Oe,实验结果和理论分析结果较为吻合。

自带偏置磁路的磁致伸缩合金/石英谐振器复合谐振式磁传感器

将磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合设计了一种超低功谐振式磁传感器,磁场作用下产生的磁致伸缩力传递至音叉谐振器纵向,引起其频率变化,即磁-力-频率转换实现磁测量。针对所用FeGa合金磁致伸缩效应的非线性特性,采用永磁体设计了一种紧凑结构的小体积偏置磁路,为其提供了合适偏置磁场。通过集总参数方法对偏置磁路进行了建模,并使用有限元软件对沿铁镓合金长度方向的磁感应强度分布进行了仿真。为了减小参数误差对预测的影响,对FeGa处于均匀的磁场中和处于偏置磁路中的2种不同情况,进行了仿真和对比分析。制备器件测试表明:(1)偏置磁路能为传感器提供合适的偏置磁场,与理论结果较吻合;(2)带偏置磁路的谐振式磁传感器在±50 Oe范围内具有较好的线性,非线性误差为3 Hz(1.15%FS),灵敏度为2.6 Hz/Oe,滞后误差为2.6 Hz(1.00%FS),分辨率6 mOe以下。

低功耗差分谐振式mA级DC电流传感器

利用磁致伸缩材料铁镓与双端固定石英音叉谐振器复合的结构,提出了一种数字频率输出的低功耗差分谐振式电流传感器。磁致伸缩材料作为一次敏感单元,在载流导线产生的磁场作用下产生磁致伸缩应力,石英音叉谐振器作为二次敏感单元,实现力-频率转换。采用螺旋线圈进行电流-磁场转换,2个磁敏感单元的差分传感结构在实现力-频率转换系数倍增的同时,能够抑制温度漂移的影响,大大增加了传感器的灵敏度。利用异或门混频调理电路对2个敏感单元的输出取差频,制备了差分谐振式电流传感器并进行了实验,结果表明:传感电路功耗为1.12 mW,传感器的灵敏度为25.2 Hz/A且能够分辨出5 mA的电流变化。