CN109307850A - 利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器及其应用方法，本发明磁传感器的绝缘基底上设有第一和第二磁力线聚集器，绝缘基底上位于第一和第二磁力线聚集器间的间隙中设有磁电阻敏感单元，间隙的上侧设有磁通电调控单元，磁通电调控单元包括自下而上依次层叠布置的电可调磁性膜、压电基底底电极、压电基底和压电基底顶电极，压电基底底电极和压电基底顶电极构成压电基底的驱动电极。本发明利用交流电场周期性调控微磁性结构磁导率，实现间隙内被测磁场的高频调制，再通过高通滤波器，抑制传感器低频噪声影响，大幅提升传统磁电阻传感器低频弱磁探测能力，具有功耗低、稳定性好、抗干扰能力强，且能够高效抑制低频噪声的优点。

Description

利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器及其应用方法

技术领域

本发明涉及微弱磁场信号探测技术，具体涉及一种利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器及其应用方法，用于利用电场调控微磁性结构磁导率抑制传感器低频噪声影响，大幅提升传统磁电阻传感器弱磁探测能力。

背景技术

微弱磁场探测广泛用于航天航空、智能交通、资源勘探和生物医学等领域，尤其在磁目标探测、地磁匹配导航、空间环境监测等事关国家安全的重点技术领域更是具有举足轻重的地位。现阶段可用于微弱磁场探测的传感器类型较多，其中磁电阻传感器因具有灵敏度高、功耗低、体积小、易批量生产等优点，成为了磁传感器家族中的后起之秀。

虽然磁电阻传感器的输出灵敏度高，但是其输出噪声尤其是低频下的1/f噪声也很高，严重限制了其对静态和低频磁场的探测能力。例如，GMR磁传感器高频最小可探测磁场能达50pT/√Hz，TMR磁传感器的高频最小可探测磁场更低，可达到2pT/√Hz。然而受到1/f噪声的影响，其低频磁场探测能力严重受到影响，仅能达到133pT/√Hz。所以，解决1/f噪声的问题是提高磁阻传感器低频磁场探测能力的重要手段。目前，解决或抑制磁传感器1/f噪声的影响主要通过如下方法：把低频磁场调制为高频磁场进行测量，测量信号再经过高通滤波器，则实现了低频1/f噪声的滤除。为了把低频磁场调制为高频磁场能有效地抑制磁传感器1/f噪声的影响，研究人员先后提出了多种磁调制手段。捷克理工大学的MichalVopalensky提出了垂直交流偏置磁场调控敏感体灵敏度的调制方法，该方案可以实现较高的调制效率，但是由于线圈响应速度的问题，其调制难以达到较高的频率，并且线圈电流较大，电流噪声直接产生磁场噪声，使得该方法并未提高磁传感器的探测能力。美国NVE公司的A.Jander等人提出了利用外加磁场对GMR敏感材料或磁力线聚集器进行周期性磁饱和的斩波调制思想，但由于调制效率(即调制后信号幅度与原直流或低频磁场信号幅度之比)过低，磁信号在向高频搬移的过程中损失很大，磁传感器的低频探测水平并没有得到明显改善。之后，又有学者提出采用半导体激光加热方式周期性地改变磁力线聚集器的有效磁导率以调制气隙磁场(即利用温度变化改变聚集器软磁材料的磁导率)，只可惜这种磁调制方式对于聚集器软磁材料的温度敏感性要求过高，且很容易受环境温度波动的影响，因而尚未见直接的实验报道。目前抑制磁场传感器1/f噪声的有效方法是：通过机械振动调控磁力线聚集器气隙的磁通，实现被测磁场的调制。

采用该机械振动调控磁通抑制磁场传感器1/f噪声已有一些方案，其中调制效果较好的是其中两种调制方案。第一种是葡萄牙的INESC的A.Guedes等人提出一种基于静电复合薄膜扭梁的调制方案：在磁电阻敏感单元上方设置一个沉积有软磁材料的复合薄膜扭梁，在静电力驱动下复合薄膜扭梁可以上下扭动，直接调制磁电阻敏感单元所在位置的磁场，虽然该方案使得调制效率得到提升，达到11％，但由于静电扭梁的存在，放置磁电阻敏感单元的空间受限，使得磁电阻敏感单元的体积过小，噪声特性不佳。第二种是国防科技大学提出了采用压电驱动的垂向调制方案(专利号：CN102353913A)：在一悬臂梁上生长高磁导率的软磁膜，软磁膜正对于磁电阻敏感单元所在位置，且具有一定的初始高度，在压电驱动下，悬臂梁带动软磁膜在垂向方向上下振动，使得磁电阻敏感单元所探测的磁场直接被调制为高频交变磁场。该方案大幅提高了调制效率，而且所需的驱动电压也较低。但由于采用了微机械振动的原因，存在谐振控制难度大、尤其面向三轴应用时，Q值受限，抗冲击性能差等问题。

综上可见，现有抑制磁场传感器1/f噪声的方法中，通过微机械结构将低频磁场调制到高频进行探测是目前较为有效的方法。然而，此类方法引入了机械振动谐振控制难度大、易受环境干扰、稳定性不足等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有磁传感器基于机械振动磁通调制的低频噪声抑制方法存在控制难度大、易受环境干扰、稳定性不足等问题，提供一种利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器及其应用方法，本发明利用电场调控微磁性结构磁导率，抑制传感器1/f噪声影响，大幅提升传统磁电阻传感器弱磁探测能力，具有功耗低、稳定性好、抗干扰能力强，且能够高效抑制1/f噪声的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种利用磁通电调控抑制低频1/f噪声的磁传感器，包括绝缘基底，所述绝缘基底上设有间隙布置的第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器，所述绝缘基底上位于第一磁力线聚集器和第二磁力线聚集器之间的间隙的底部设有磁电阻敏感单元，所述间隙的上侧设有磁通电调控单元，所述磁通电调控单元包括自下而上依次层叠布置的电可调磁性膜、压电基底底电极、压电基底和压电基底顶电极，所述压电基底底电极和压电基底顶电极构成压电基底的驱动电极。

优选地，所述压电基底底电极一端通过第一连接层支承固定在绝缘基底上、另一端通过第二连接层支承固定在绝缘基底上。

优选地，所述电可调磁性膜为高磁致伸缩系数高导磁膜。

本发明提供一种前述利用磁通电调控抑制低频1/f噪声的磁传感器的应用方法，实施步骤包括：

1)在压电基底的驱动电极之间加载交流电压信号，在压电基底中产生交流驱动电场并由于压电基底的逆压电效应在应力轴方向产生周期性的应变，压电基底的周期性应变传递至电可调磁性膜在电可调磁性膜上产生周期性的应力，在周期性应力的作用下，电可调磁性膜的磁导率周期性变化，使得电可调磁性膜、第一磁力线聚集器、第二磁力线聚集器三者之间形成的磁路也发生周期性改变，进而使得间隙中的低频被测磁场被调制为高频磁场，此时磁电阻敏感单元的输出信号中包含所需磁场信息的输出信号与低频噪声在频率上分离开来；

2)将磁电阻敏感单元的输出信号通过高通滤波器滤除低频噪声，得到实现磁传感器低频噪声抑制后的被测信号。

优选地，步骤1)中在电可调磁性膜产生周期性的应力如式(1)所示；

σ＝Yε_Esin(2πf_Et) (1)

式(1)中，σ表示在电可调磁性膜上产生周期性的应力，Y为电可调磁性膜的杨氏模量，f_E为在压电基底的驱动电极之间加载电压信号的频率，ε_E为压电基底的逆压电效应在应力轴方向产生周期性的应变的幅值。

和现有技术相比，本发明利用磁通电调控抑制低频1/f噪声的磁传感器具有下属有益效果：本发明间隙的上侧设有磁通电调控单元，磁通电调控单元包括自下而上依次层叠布置的压电基底底电极、压电基底和压电基底顶电极，压电基底底电极和压电基底顶电极构成压电基底的驱动电极，且压电基底底电极的下侧设有电可调磁性膜，采用压电基底与电可调磁性层共同构成调制结构，通过电场实现气隙磁场的调制，避免的机械谐振控制难度大、易受环境干扰、稳定性不足的问题，有效提高了磁场传感器的低频探测能力。

在磁传感器的压电基底施加高频交变电压，本发明利用磁通电调控抑制低频1/f噪声的磁传感器的应用方法通过在磁传感器的压电基底施加高频交变电压，并通过高通滤波器滤除低频噪声，实现磁传感器1/f噪声的抑制，能够提高磁传感器低频磁场测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例磁传感器的俯视结构示意图。

图2是图1的A-A处截面示意图。

图3是图1的B-B处截面示意图。

图4是本发明实施例中的磁敏感单元的导线连接示意图。

图5是本发明实施例中的磁敏感单元构成电桥的电气示意图。

图6是本发明实施例中的调制结构原理图。

图7是本发明实施例中的气隙磁场调制的原理示意图。

图8是本发明实施例中的1/f噪声抑制方法的原理图。

图例说明：1、绝缘基底；2、第一磁力线聚集器；22、第二磁力线聚集器；23、间隙；3、磁电阻敏感单元；4、磁通电调控单元；41、电可调磁性膜；42、压电基底底电极；43、压电基底；44、压电基底顶电极。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种利用磁通电调控抑制低频1/f噪声的磁传感器包括绝缘基底1，绝缘基底1上设有间隙布置的第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22，绝缘基底1上位于第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22之间的间隙23的底部设有磁电阻敏感单元3，间隙23的上侧设有磁通电调控单元4，磁通电调控单元4包括自下而上依次层叠布置的压电基底底电极42、压电基底43和压电基底顶电极44，压电基底底电极42和压电基底顶电极44构成压电基底43的驱动电极，且所述压电基底底电极42的下侧设有电可调磁性膜41。

本实施例中，绝缘基底1选择具有绝缘层的硅基底。

第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22之间具有间隙23，间隙23内磁场在磁力线聚集器(第一磁力线聚集器21和第二磁力线聚集器22)的作用下被放大。

本实施例中，电可调磁性膜41为高磁致伸缩系数高导磁膜，其磁导率高有利于间隙调制间隙的磁场，磁致伸缩系数大有利于提高电可调磁性膜41磁导率的调控能力，所用材料优选地选择镍、镍铁合金或者铁钴合金。电可调磁性膜41的位置位于磁力线聚集器的间隙23的正上方。本实施例中，压电基底底电极42为金属层，优先地采用铬，但不局限于此；压电基底底电极42采用铬制成，由于铬的硬度较大，有利于压电基底42产生的应变高效率地传递至电可调磁性膜41中。压电基底43为压电材料，优选采用铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT、锆钛酸铅PZT中的至少一种制成，但不局限于此。压电基底顶电极44为金属层，优选地采用金制成，但不局限于此。

如图3所示，本实施例中所述压电基底底电极42一端通过第一连接层45支承固定在绝缘基底1上、另一端通过第二连接层46支承固定在绝缘基底1上第一连接层45和二连接层46用于连接磁通电调控单元4和绝缘基1，并固定磁通电调控单元4。本实施例中，第一连接层45和二连接层46采用导电银胶，导电银胶有利于底电极的引线。

如图4和图5所示，磁电阻敏感单元3为四个磁电阻敏感单元3#1～3#4(优选采用TMR)组成的全桥结构(惠斯通电桥)，其中第一磁电阻敏感单元3#1和第二磁电阻敏感单元3#3为敏感磁电阻敏感单元，位于间隙23内，敏感磁场信号，其电阻值变为R₀+△R；第三磁电阻敏感单元3#2和第四磁电阻敏感单元3#4为参考磁电阻敏感单元，位于所述磁力线聚集器下方，不敏感磁场信号，其电阻值为R₀不发生变化；两个敏感磁电阻敏感单元和两个参考磁电阻敏感单元构成了半桥敏感的惠斯通电桥。在电源电压V_c的作用下，惠斯通电桥的输出V_o为：

上式中，R₀为参考磁电阻敏感单元的电阻值，R₀+△R为敏感磁电阻敏感单元的电阻值，V_c为电源电压。

磁通电调控单元4的工作原理如下：所述压电基底43在压电基底底电极42和压电基底顶电极44之间加载电压信号V_Esin(2πf_Et)，则在压电基底43中产生驱动电场E＝E_Esin(2πf_Et)，由于压电基底43的逆压电效应，在压电基底43的应力轴方向产生周期性的应变ε＝ε_Esin(2πf_Et)(应变的应力方向如图6所示)，压电基底43的应变传递至电可调磁性膜41，在电可调磁性膜41产生周期性的应力σ＝Yε＝Yε_Esin(2πf_Et)，其中Y为电可调磁性膜41的杨氏模量。在电可调磁性膜41的逆磁致伸缩系数的作用下，受到周期性应力的影响，电可调磁性膜41的磁导率受到周期性调控。

本实施例利用磁通电调控抑制低频1/f噪声的磁传感器的应用方法的实施步骤包括：

1)在压电基底43的驱动电极之间加载交流电压信号，在压电基底43中产生交流驱动电场并由于压电基底43的逆压电效应在应力轴方向产生周期性的应变，压电基底43的周期性应变传递至电可调磁性膜41在电可调磁性膜41上产生周期性的应力，在周期性应力的作用下，电可调磁性膜的磁导率周期性变化，使得电可调磁性膜41、第一磁力线聚集器21、第二磁力线聚集器22三者之间形成的磁路也发生周期性改变，进而使得间隙23中的低频被测磁场被调制为高频磁场，此时磁电阻敏感单元3的输出信号中包含所需磁场信息的输出信号与低频噪声在频率上分离开来；

2)将磁电阻敏感单元3的输出信号通过高通滤波器滤除低频噪声，得到实现磁传感器低频噪声抑制后的被测信号。

本实施例中，步骤1)中在电可调磁性膜41产生周期性的应力如式(1)所示；

σ＝Yε＝Yε_Esin(2πf_Et) (1)

式(1)中，σ表示在电可调磁性膜41上产生周期性的应力，Y为电可调磁性膜41的杨氏模量，ε为压电基底43的应力轴方向产生周期性的应变，f_E为在压电基底43的驱动电极之间加载电压信号的频率，ε_E为压电基底43的逆压电效应在应力轴方向产生周期性的应变的幅值。

如图7所示，磁通经第一磁力线聚集器21聚集，达到间隙23处时磁通从两路通过，分别为电可调磁性膜41和间隙23，之后磁通在回到第二磁力线聚集器22。在电可调磁性膜41的磁导率变化的情况下，经过第一磁力线聚集器21聚集的磁通量不会受到影响，如图7(a)所示，电可调磁性膜41磁导率较大，第一磁力线聚集器21的磁通主要从电可调磁性膜41通过，此时，间隙23的被测磁场较小；然而如图7(b)所示，电可调磁性膜41磁导率较小，从电可调磁性膜41通过的磁通变小，此时，间隙23的磁场变大。所以，在交流电使得电可调磁性膜41的磁导率周期性变化的情况下，间隙23的被测磁场被调制为高频信号，如图8(a)所示。输出信号在频率上从低频调制为高频信号，即实现了被测信号与低频噪声在频谱上的分离，如图8(b)所示。此时，采用高频滤波技术和锁定放大技术即可实现低频噪声的抑制和被测信号的检测。本实施例利用磁通电调控抑制低频1/f噪声的磁传感器的应用方法使得磁场从低频被测磁场调制到高频输出，再通过高通滤波技术实现低频噪声的抑制，磁场调制频率即压电基底驱动电压信号的频率f_E。相比于之前机械调制的调制频率，该调制频率f_E可通过激励电压信号的频率主动控制，更加能保证调制频率接近或者越过传感器的1/f噪声的拐点频率。并且该方法避免了机械振动容易受外界干扰的缺点，提高了调制的稳定性。

需要说明的是，本实施例中电可调磁性膜41与压电基底43共同形成多铁异质结构，优先地以应力为媒介实现电场对磁各向异性进行调控，但是其实施方法不限于此，对磁各向异性进行调控也可通过电荷媒介、交换偏置等方式实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器，包括绝缘基底(1)，所述绝缘基底(1)上设有间隙布置的第一磁力线聚集器(21)和第二磁力线聚集器(22)，所述绝缘基底(1)上位于第一磁力线聚集器(21)和第二磁力线聚集器(22)之间的间隙(23)的底部设有磁电阻敏感单元(3)，其特征在于：所述间隙(23)的上侧设有磁通电调控单元(4)，所述磁通电调控单元(4)包括自下而上依次层叠布置的电可调磁性膜(41)、压电基底底电极(42)、压电基底(43)和压电基底顶电极(44)，所述压电基底底电极(42)和压电基底顶电极(44)构成压电基底(43)的驱动电极。

2.根据权利要求1所述的利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器，其特征在于：所述压电基底底电极(42)一端通过第一连接层(45)支承固定在绝缘基底(1)上、另一端通过第二连接层(46)支承固定在绝缘基底(1)上。

3.根据权利要求1所述的利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器，其特征在于：所述电可调磁性膜(41)为高磁致伸缩系数高导磁膜。

4.一种权利要求1～3中任意一项所述的利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器的应用方法，其特征在于实施步骤包括：

1)在压电基底(43)的驱动电极之间加载交流电压信号，在压电基底(43)中产生交流驱动电场并由于压电基底(43)的逆压电效应在应力轴方向产生周期性的应变，压电基底(43)的周期性应变传递至电可调磁性膜(41)在电可调磁性膜(41)上产生周期性的应力，在周期性应力的作用下，电可调磁性膜的磁导率周期性变化，使得电可调磁性膜(41)、第一磁力线聚集器(21)、第二磁力线聚集器(22)三者之间形成的磁路也发生周期性改变，进而使得间隙(23)中的低频被测磁场被调制为高频磁场，此时磁电阻敏感单元(3)的输出信号中包含所需磁场信息的输出信号与低频噪声在频率上分离开来；

2)将磁电阻敏感单元(3)的输出信号通过高通滤波器滤除低频噪声，得到实现磁传感器低频噪声抑制后的被测信号。

5.根据权利要求4所述的利用磁通电调控抑制低频噪声的磁传感器的应用方法，其特征在于，步骤1)中在电可调磁性膜(41)产生周期性的应力如式(1)所示；

σ＝Yε_Esin(2πf_Et) (1)

式(1)中，σ表示在电可调磁性膜(41)上产生周期性的应力，Y为电可调磁性膜(41)的杨氏模量，f_E为在压电基底(43)的驱动电极之间加载电压信号的频率，ε_E为压电基底(43)的逆压电效应在应力轴方向产生周期性的应变的幅值。