西交大成功開發(fā)新型高靈敏度GMI傳感器 未來潛力巨大

近日，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授課題組開發(fā)了一種基于傳統(tǒng)磁芯繞線電感的新型高靈敏度 GMI 傳感器。傳統(tǒng)磁芯螺線圈制成的線圈感應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過線圈的磁通量變化帶來感應(yīng)電流及電壓的變化，可以制成具有 fT 靈敏度的磁場傳感器，但是其缺點(diǎn)在于體積大且不能探測靜態(tài)磁場。

該成果以“Magnetic sensor based on giant magneto-impedance in commercial inductors”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics（IF=7.5），并申請(qǐng)國家發(fā)明專利一項(xiàng)。電子科學(xué)與工程學(xué)院教授王志廣和博士生溫濤為論文共同第一作者，王志廣教授、劉明教授為論文通訊作者。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

圖源：交大新聞網(wǎng)

本課題組采用全新的探測模式，通過單一的電感器件構(gòu)建了 LC 諧振電路，可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率附近 41036%的磁阻抗變化，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)磁阻器件普遍小于 100%的變化率。同時(shí)，新型 GMI 相比傳統(tǒng) GMI 器件，可以將驅(qū)動(dòng)頻率降低到 kHz 量級(jí)，并可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)磁場的測試。采用市場上直接購買的普通電感（成本《1 元），可以實(shí)現(xiàn)磁場分辨力 25nT@0.2Hz、10nT@1Hz。通過電路仿真優(yōu)化改進(jìn)后，研究人員將電感元件與電容串聯(lián)，組成新的 LC 串聯(lián)型 GMI 傳感器，降低了驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率及器件本征阻抗，將磁場分辨力提高到 625pT@1Hz（磁場大小約為地磁場的 1/100000）。本研究所采用的電感及電容均為市面上的普通電子元件，通過材料及器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有望進(jìn)一步提高其探測靈敏度。新型 GMI 傳感器所具有的器件簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)預(yù)示了其重大的應(yīng)用潛力。

據(jù)了解，磁場傳感器是探測磁場強(qiáng)度或其變化并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的裝置，基于磁場傳感器可開發(fā)多種傳感功能，包括電流、功率、位置、距離、速度、角度等。磁傳感器是一種應(yīng)用極其普遍的傳感器，其性能優(yōu)異，抗干擾能力強(qiáng)，在電力傳輸、無刷電機(jī)、能源管理、讀寫磁頭、汽車工業(yè)、工業(yè)控制、機(jī)器人、安全系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域內(nèi)都占有一席之地，已經(jīng)成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)升級(jí)不可缺少的一類重要傳感器。

現(xiàn)有的磁場傳感器，包括磁通門傳感器、霍爾傳感器、磁阻傳感器、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。霍爾傳感器成本低但靈敏度小，磁電阻傳感器靈敏度高但工藝復(fù)雜、成本高、磁滯和溫漂大，磁通門傳感器功耗大、響應(yīng)慢，SQUID 傳感器體積龐大、造價(jià)昂貴，巨磁阻抗（GMI）傳感器具有滯回度低、溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有的磁阻抗傳感器由于加工工藝復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率高等問題導(dǎo)致了其價(jià)格居高不下，這也直接導(dǎo)致其應(yīng)用和發(fā)展受到限制。因此，開發(fā)靈敏度高、驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率低、價(jià)格低廉的 GMI 傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。