CN114141467B - 一种纳米晶传感器及其复合磁芯结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米晶传感器及其复合磁芯结构，涉及传感器技术领域。所述复合磁芯结构包括FeSiCr层、非晶层和纳米晶层，多个所述FeSiCr层层叠设置，所述非晶层和所述纳米晶层依次设置于相邻两个所述FeSiCr层之间。本发明的复合磁芯结构兼具高饱和磁感应强度和高磁导率，可有效保证传感器的高精度和较宽的测量范围，且本发明的磁芯结构具有更加广泛的适用范围，尤其适合高集成化、小型化复杂空间结构的传感器，能够满足特殊环境下复杂结构传感器磁芯的形状要求，提升传感器的测量宽度和精度。

Description

一种纳米晶传感器及其复合磁芯结构

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种纳米晶传感器及其复合磁芯结构。

背景技术

随着科技不断发展，传感器越来越广泛地应用于日常生活和工业生产中，其中，电流传感器能检测电流的信息，并将其按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

电流传感器磁芯材料是影响传感器的测量精度和测量范围的关键核心材料，磁芯材料一般为软磁材料。坡莫合金是目前电流传感器通用的软磁材料之一，但是坡莫合金饱和磁感应强度低，磁导率受应力和温度影响大，不利于传感器的小型化，且测量范围较窄。另外，传统磁芯一般采用螺钉或通过粘结剂粘合进行固定，采用螺钉固定容易引起磁力线分布不均匀，造成磁芯磁导率的恶化，进而影响传感器的测量范围和测量精度；而通过粘结剂粘合固定的方式由于引入了无磁性的粘结剂，降低了磁芯中磁性物质的比重，同时粘结剂产生的应力会极大地增大磁各向异性，使磁导率大大降低，进而恶化传感器的线性度和测量精度，影响工作效率，限制了电流传感器的应用。

发明内容

本发明解决的问题是传统传感器磁芯存在的测量范围小、测量精度低、磁感应强度和磁导率较低等不足中的至少一个。

为解决上述问题中的至少一个方面，本发明第一方面提供一种纳米晶传感器复合磁芯结构，包括FeSiCr层、非晶层和纳米晶层，多个所述FeSiCr层层叠设置，所述非晶层和所述纳米晶层依次设置于相邻两个所述FeSiCr层之间。

相对于现有技术，本发明所述的纳米晶传感器复合磁芯结构具有以下优势：

由于FeSiCr层具有高饱和磁感应强度和低磁导率，非晶层具有较高饱和磁感应强度和高磁导率，纳米晶层具有极高磁导率，因此本发明通过在具有高饱和磁感应强度的两个FeSiCr层之间设置具有高磁导率的非晶层和纳米晶层，使得由FeSiCr层、非晶层和纳米晶层依次交替层叠形成的层状纳米晶传感器复合磁芯结构兼具高饱和磁感应强度和高磁导率，可有效保证传感器的高精度、高线性度和较宽的测量范围；另外，由于FeSiCr层的韧性相对较好，因此通过上述层叠设置形式，使得磁性结构的最外层为FeSiCr层，由此可以防止磁芯结构内部的纳米晶脆化，保证纳米晶传感器复合磁芯结构具有高饱和磁感应强度和高磁导率。

进一步地，由于本发明的磁芯结构具有高饱和磁感应强度和高磁导率，因此将磁芯结构应用于传感器时，可以在保证传感器具有高精度、高线性度和宽测量范围的前提下，尽可能地缩小传感器体积或调整其形状以适应复杂空间布局，使得本发明的磁芯结构具有更加广泛的适用范围，尤其适合高集成化、小型化复杂空间结构的传感器，能够满足特殊环境下复杂结构传感器磁芯的形状要求，提升传感器的测量宽度和精度。

较佳地，最外层的所述FeSiCr层的宽度大于其余层的宽度，且最外层的所述FeSiCr层在宽度方向上大于所述其余层的部分用于包裹所述其余层，所述其余层为两个最外层的所述FeSiCr层之间的各层。

通过将最外层的FeSiCr层的宽度设置为大于其余层，且大于的部分用于包裹其余层，由此实现对磁芯结构内部多层的固定，不用引入无磁性的胶粘剂或者使用螺栓等其它固定方式，可有效保证磁芯结构的高饱和磁感应强度和高磁导率，进而有效的保证了传感器的高精度和宽的测量范围。

另外，由于FeSiCr层的韧性最好，使得其磁感最好，因此通过将最外层的FeSiCr层的宽度设置为大于其余层，且大于的部分用于包裹其余层，由此可防止纳米晶脆化，从而有效保证纳米晶传感器复合磁芯结构具有高饱和磁感应强度和高磁导率。

较佳地，所述非晶层包括FeSiBC层、FeCoSiBC层、FeSiBPC层和FeCoSiBPC层中的一种。

较佳地，所述纳米晶层包括FeCuSiBNb层、FeCuSiBNbMo层、FeCuSiBNbMn层、FeCuSiBNbP层和FeCuSiBNbAl层中的一种。

较佳地，所述FeSiCr层的厚度为20-30μm，所述非晶层的厚度为18-25μm，所述纳米晶层的厚度为14-18μm。

较佳地，所述纳米晶传感器复合磁芯结构的厚度为0.54-0.76mm。

较佳地，所述非晶层的磁感应强度不低于1.67T，磁导率不低于15000。

较佳地，所述纳米晶层的磁感应强度不低于1.32T，磁导率不低于25000。

较佳地，所述纳米晶传感器复合磁芯结构的轮廓为包括多个顶点的多边形环状结构。

本发明第二方面提供一种纳米晶传感器，包括如上所述的纳米晶传感器复合磁芯结构。

本发明的纳米晶传感器相较于现有技术的优势在于：

本发明的纳米晶传感器，所用磁芯结构是由FeSiCr层、非晶层和纳米晶层依次交替层叠形成，该磁芯结构兼具高饱和磁感应强度和高磁导率，可有效提高传感器的精度和测量范围，有利于传感器的小型化设计，并向着高集成化方向发展，使得本发明的纳米晶传感器具有线性度高、测量精度高、测量范围宽的优势、适合复杂空间布局等优势。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构中各层分布示意图；

图2为本发明实施例一的纳米晶传感器复合磁芯结构的示意图；

图3为本发明实施例一的纳米晶传感器复合磁芯结构的电流-磁通密度曲线图；

图4为本发明实施例二的纳米晶传感器复合磁芯结构的电流-磁通密度曲线图；

图5为本发明实施例三的纳米晶传感器复合磁芯结构的电流-磁通密度曲线图；

图6为对比例一的坡莫合金磁芯的电流-磁通密度曲线图；

图7为对比例二的非晶传感器磁芯的电流-磁通密度曲线图。

附图标记：

1-FeSiCr层；2-非晶层；3-纳米晶层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“一些具体的实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

结合图1所示，本发明实施例提供一种纳米晶传感器复合磁芯结构(以下简称为磁芯结构)，包括FeSiCr层1、非晶层2和纳米晶层3，多个FeSiCr层1层叠设置，非晶层2和纳米晶层3依次设置于相邻两个FeSiCr层1之间。

本实施例的磁芯结构，非晶层2和纳米晶层3设置于相邻两个FeSiCr层1之间，由此形成FeSiCr层1、非晶层2和纳米晶层3依次交替叠加或者FeSiCr层1、纳米晶层3和非晶层2依次交替叠加的层状结构，且层状结构的最外层为FeSiCr层1。示例性地，磁芯结构是按照FeSiCr层1、非晶层2、纳米晶层3……FeSiCr层1、非晶层2、纳米晶层3以及FeSiCr层1的顺序层层叠加而成，其中，省略号代表多个按FeSiCr层1、非晶层2、纳米晶层3顺序层叠设置的多层结构。另一种示例中，相邻两个FeSiCr层1中的非晶层2和纳米晶层3的顺序也可以调换。

本实施例的磁芯结构中，FeSiCr层具有高饱和磁感应强度和低磁导率，非晶层具有较高饱和磁感应强度和高磁导率，纳米晶层具有极高磁导率，其中非晶层2的磁感应强度不低于1.67T，磁导率不低于15000，纳米晶层3的磁感应强度不低于1.32T，磁导率不低于25000，由此形成的层状磁芯结构兼具高饱和磁感应强度和高磁导率，可有效保证传感器的高精度和较宽的测量范围；进一步地，由于磁芯结构具有高饱和磁感应强度和高磁导率，因此将其应用于传感器时，可以在保证传感器在高精度、高线性度及宽测量范围的前提下，尽可能地缩小体积或通过调整其形状来适应复杂空间布局，从而扩大磁芯结构的使用范围。本实施例的磁芯结构，尤其适合高集成化、小型化的复杂空间结构的传感器，可充分满足特殊环境下的复杂结构的传感器磁芯的形状要求。

传统传感器磁芯一般为圆形或者方形，这主要是由于单位体积磁芯的感应能力较弱，因此需要一定的体积来保证传感器的整体感应能力，对空间要求较大。而本实施例提供的磁芯结构采用FeSiCr层1、非晶层2、纳米晶层3交替复合的形式，具有高饱和磁感应强度和高磁导率，因此无需通过设置较大体积来补偿磁感应强度和磁导率，以保证整体传感器的感应能力，受形状和大小的限制程度降低，可套设在特定形状的部件上用于对该部件进行传感工作，也可以根据与之配合的部件不同将其设置为多种不同形状，对空间的要求大大降低，适用于多种复杂空间，提高了磁芯的空间利用率和布局合理化。示例性地，如图2所示，磁芯结构的形状可设计为类三角型，其轮廓为包括多个顶点在内的多边形环状结构，示例性地，图2中磁芯结构的轮廓包括18个顶点。

在一些具体的实施例中，FeSiCr层1的厚度为20-30μm，非晶层2的厚度为18-25μm，纳米晶层3的厚度为14-18μm，在FeSiCr层1、非晶层2和纳米晶层3交替层叠后，控制磁芯结构的总厚度为0.54-0.76mm。由此，FeSiCr层1、非晶层2和纳米晶层3分别处于较佳的厚度范围，使得三者叠压组合而成的磁芯结构能够达到较佳的传感效果，且在保证传感精度和测量范围的条件下，减小了磁芯结构的厚度，提高了磁芯的空间利用率和布局合理化。

本实施例的磁芯结构，由于多个FeSiCr层叠加，且两个FeSiCr层之间设置非晶层2和纳米晶层3，因此形成的层状结构的最外层为FeSiCr层。在一些具体的实施例中，最外层的FeSiCr层1的宽度大于其余层的宽度，且最外层的FeSiCr层1在宽度方向上大于其余层的部分用于包裹其余层，其中，其余层为两个最外层的FeSiCr层1之间的各层。如图1所示，图中示出的为各层的长度，与长度方向垂直的即为宽度方向。

由此，通过上述层叠设置方式，使得磁芯结构的最外层为FeSiCr层1，且最外层的FeSiCr层1的宽度大于其余层，通过将最外层的FeSiCr层1延展至将整个磁芯结构全部包裹，以对内部的多层结构进行固定，防止其松散损坏，避免引入无磁性的胶粘剂或者使用螺栓等其它固定方式，可有效保证磁芯结构的高饱和磁感应强度和高磁导率，进而有效的保证了传感器的高精度和宽的测量范围。另外，从各层的韧性上看，纳米晶层3韧性较差，非晶层2韧性相对较佳，FeSiCr层1韧性最好，因此将磁性结构的最外层设置为宽度较大的FeSiCr层1，并在纳米晶传感器复合磁芯结构外形成一圈由FeSiCr层1覆盖的外壳，由于FeSiCr层韧性好，磁感好，因此可以防止磁芯结构纳米晶脆化，避免外在的振动等对磁芯结构造成破坏，从而有效保证纳米晶传感器复合磁芯结构具有高饱和磁感应强度和高磁导率，也使纳米晶传感器复合磁芯结构使用寿命更长、更加耐用，节约了生产成本。

在一些具体的实施例中，非晶层2包括FeSiBC层、FeCoSiBC层、FeSiBPC层和FeCoSiBPC层中的一种，即非晶层2的合金成分可以为FeSiBC、FeCoSiBC、FeSiBPC或FeCoSiBPC。纳米晶层3包括FeCuSiBNb层、FeCuSiBNbMo层、FeCuSiBNbMn层、FeCuSiBNbP层和FeCuSiBNbAl层中的一种，即纳米晶层3的合金成分可以为FeCuSiBNb、FeCuSiBNbMo、FeCuSiBNbMn、FeCuSiBNbP或FeCuSiBNbAl。

下面结合具体实施例，对本发明技术方案做进一步阐述，明确本发明的目的及优点。

实施例一

本实施例提供了一种纳米晶传感器复合磁芯结构。

如图1和图2所示，本实施例提供的纳米晶传感器复合磁芯结构的形状呈类三角型的空心轴对称多边形形状，具有18个顶点，在类三角型顶端设有一个开口气隙。

磁芯结构包括FeSiCr层1、非晶层2和纳米晶层3，FeSiCr层1、非晶层2和纳米晶层3依次交替叠压，且FeSiCr层1位于最外层，最外层的FeSiCr层1向其余层弯折以将磁芯结构包裹。

其中，FeSiCr层1的厚度为30μm，非晶层2的厚度为25μm，纳米晶层3厚度为18μm，磁芯结构的整体厚度为0.76mm；

非晶层2的合金成分为FeSiBC，磁感应强度为1.67T，磁导率为15000；纳米晶层3的合金成分为FeCuSiBNb，磁感应强度为1.32T，磁导率为25000。

为测试本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构的线性测量范围，采用三维高斯计测试纳米晶传感器复合磁芯结构开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流的关系曲线，结果如图3所示。根据图3可知，输入电流在0–600A范围内时，磁通密度与输入电流可保持很好的线性度，说明本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构可准确进行感应的电流范围为0–600A。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：

非晶层2的合金成分为FeSiBPC，纳米晶层3的合金成分为FeCuSiBNbMo。

采用三维高斯计测试本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流的关系曲线，结果如图4所示。根据图4可知，输入电流在0–650A范围内时，磁通密度与输入电流可保持很好的线性度，说明本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构可准确进行感应的电流范围为0–650A。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于：

非晶层2的合金成分为FeCoSiBPC，纳米晶层3的合金成分为FeCuSiBNbMn。

采用三维高斯计测试本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流的关系曲线，结果如图5所示。根据图5可知，输入电流在0–700A范围内时，磁通密度与输入电流可保持很好的线性度，说明本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构可准确进行感应的电流范围为0–700A。

实施例四

本实施例与实施例一的区别在于：

非晶层2的合金成分为FeSiBPC，纳米晶层3的合金成分为FeCuSiBNbP。

采用三维高斯计测试本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流之间的关系，发现输入电流在0–650A范围内时，磁通密度与输入电流可保持很好的线性度，说明本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构可准确进行感应的电流范围为0–650A。

实施例五

本实施例与实施例一的区别在于：

非晶层2的合金成分为FeSiBC，纳米晶层3的合金成分为FeCuSiBNbAl。

采用三维高斯计测试本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流之间的关系，发现输入电流在0–650A范围内时，磁通密度与输入电流可保持很好的线性度，说明本实施例的纳米晶传感器复合磁芯结构可准确进行感应的电流范围为0–650A。

为更加直观地体现本发明的纳米晶传感器复合磁芯结构相对于现有传感器磁芯的优势，下面结合对比例，对本发明技术方案带来的有益效果做进一步阐述。

对比例一

本对比例提供了一种坡莫合金传感器磁芯，其是由多个坡莫合金片叠压后再经螺钉固定而成。

采用三维高斯计测试对比例一提供的坡莫合金传感器磁芯开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流的关系曲线，结果如图6所示。根据图6可知，在输入电流为0–180A范围内，对比例一中的磁通密度与电流保持好的线性度，说明本对比例提供的坡莫合金传感器磁芯可准确进行感应的电流范围为0–180A。

对比例二：

本对比例提供了一种非晶传感器磁芯，其是由多个FeSiBC层片通过胶粘剂粘接固定而成。

采用三维高斯计测试对比例二提供的非晶层传感器磁芯开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流的关系曲线，结果如图7所示。根据图7可知，在输入电流为0–500A范围内，对比例二中的磁通密度与电流保持好的线性度，说明本对比例提供的非晶层传感器磁芯可准确进行感应的电流范围为0–500A。

对比例三

本对比例提供了一种非晶传感器磁芯，其是由多个FeCuSiBNb层片通过胶粘剂粘接固定而成。

采用三维高斯计测试对比例三提供的非晶层传感器磁芯开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流的关系曲线，发现在输入电流为0–380A范围内，对比例三中的磁通密度与电流保持好的线性度，说明本对比例提供的非晶层传感器磁芯可准确进行感应的电流范围为0–380A。

根据各实施例及对比例的磁芯开口气隙中心的磁通密度与流过导体的电流关系图得到各磁芯准确进行感应的电流范围如表1所示。

表1-不同磁芯材料产生的线性电流范围

由此可见，相对于对比例一、对比例二和对比例三的非晶层传感器磁芯，实施例一至实施例五的纳米晶传感器复合磁芯结构可准确进行感应的电流范围更大，说明本发明的纳米晶传感器复合磁芯结构可有效提高传感器的精度和测量范围。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种纳米晶传感器复合磁芯结构，其特征在于，包括FeSiCr层(1)、非晶层(2)和纳米晶层(3)，多个所述FeSiCr层(1)层叠设置，所述非晶层(2)和所述纳米晶层(3)依次设置于相邻两个所述FeSiCr层(1)之间，所述非晶层(2)包括FeSiBC层、FeCoSiBC层、FeSiBPC层和FeCoSiBPC层中的一种，所述非晶层(2)的磁感应强度不低于1.67T，磁导率不低于15000，所述纳米晶层(3)包括FeCuSiBNb层、FeCuSiBNbMo层、FeCuSiBNbMn层、FeCuSiBNbP层和FeCuSiBNbAl层中的一种，所述纳米晶层(3)的磁感应强度不低于1.32T，磁导率不低于25000；

其中，最外层的所述FeSiCr层(1)的宽度大于其余层的宽度，且最外层的所述FeSiCr层(1)在宽度方向上大于所述其余层的部分用于包裹所述其余层，所述其余层为两个最外层的所述FeSiCr层(1)之间的各层。

2.根据权利要求1所述的纳米晶传感器复合磁芯结构，其特征在于，所述FeSiCr层(1)的厚度为20-30μm，所述非晶层(2)的厚度为18-25μm，所述纳米晶层(3)的厚度为14-18μm。

3.根据权利要求1所述的纳米晶传感器复合磁芯结构，其特征在于，所述纳米晶传感器复合磁芯结构的厚度为0.54-0.76mm。

4.根据权利要求1所述的纳米晶传感器复合磁芯结构，其特征在于，所述纳米晶传感器复合磁芯结构的轮廓为包括多个顶点的多边形环状结构。

5.一种纳米晶传感器，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的纳米晶传感器复合磁芯结构。