阅读说明：本技术 兼具宽量程与高灵敏度的磁传感器、其制备方法与使用方法 (Magnetic sensor with wide range and high sensitivity, and preparation method and use method thereof ) 是由 刘宜伟 李晟斌 李润伟 巫远招 于 2019-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种兼具宽量程与高灵敏度的磁传感器、其制备方法与使用方法。该磁传感器包括弹性基体,非晶丝,磁性材料与电极,非晶丝与磁性材料分别位于弹性基体上或者嵌入弹性基体中,工作状态时非晶丝与电极形成导电回路,当磁场较小时,利用非晶丝的巨磁阻抗效应使阻抗发生变化,当磁场较大,磁性材料与磁场相互作用,带动弹性基体发生形变,从而使非晶丝产生应力,利用非晶丝的巨应力抗效应使阻抗发生变化。该磁传感器结构简单,不仅能够实现高灵敏度的磁场探测,而且能够实现宽量程的磁场探测,因此在磁传感器技术领域中具有良好的应用前景。(The invention provides a magnetic sensor with wide range and high sensitivity, and a preparation method and a use method thereof. The magnetic sensor comprises an elastic matrix, an amorphous wire, a magnetic material and an electrode, wherein the amorphous wire and the magnetic material are respectively positioned on the elastic matrix or embedded in the elastic matrix, the amorphous wire and the electrode form a conductive loop in a working state, when a magnetic field is small, the impedance is changed by utilizing the giant magneto-impedance effect of the amorphous wire, when the magnetic field is large, the magnetic material and the magnetic field interact to drive the elastic matrix to deform, so that the amorphous wire generates stress, and the impedance is changed by utilizing the giant-stress impedance effect of the amorphous wire. The magnetic sensor has a simple structure, can realize high-sensitivity magnetic field detection and wide-range magnetic field detection, and has a good application prospect in the technical field of magnetic sensors.)

兼具宽量程与高灵敏度的磁传感器、其制备方法与使用方法

技术领域

本发明涉及磁场探测技术，具体涉及一种兼具宽量程与高灵敏度磁传感器、其制备方法与使用方法。

背景技术

磁传感器是传感器中的一个重要组成部分，把磁学信号或者其他物理量按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。经过近一个世纪的发展，磁场传感器在人类社会生活的各个方面发挥着越来越来重要的作用，每年，全世界有数十亿的磁传感器投入使用。伴随着磁传感器的日臻完善，各行各业对其提出了越来越高的要求，尤其是要求其探测精度越来越高，同时要求其使用量程越来越宽，进一步拓宽应用领域，以满足实际应用的需求。因此，具有高的探测精度同时具有宽的使用量程是磁传感器新的发展方向之一，也越来越受到了研究学者的广泛关注。

目前，较为常见的磁传感器类型主要有：霍尔(Hall)传感器、磁通门和电流感应磁传感器、磁电阻型传感器等。根据目前的研究现状，室温下磁传感器的探测精度与量程通常顾此失彼。因此，制备既满足高的探测精度又能实现宽的探测量程的磁场传感器仍然是一大挑战，寻求新型的磁传感器是目前努力的方向之一。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种磁传感器，能够兼顾宽的磁场探测量程与高的磁场探测灵敏度。

为了实现上述技术目的，本发明采用非晶丝，非晶丝具有巨磁阻抗效应与巨应力阻抗效应，当磁场较小时，利用非晶丝的巨磁阻抗效应使阻抗发生较大变化，从而能够高灵敏度地探测磁信号，当磁场较大时，考虑到非晶丝的巨磁阻抗效应饱和，阻抗变化不明显，因此结合磁性材料与磁场的相互作用而对非晶丝施加应力，利用非晶丝的巨应力阻抗效应使阻抗发生较大变化，从而实现高灵敏、宽量程地探测磁信号。

即，本发明提供的技术方案为：兼具宽量程与高灵敏度的磁传感器，包括弹性基体，非晶丝，磁性材料与电极；

所述非晶丝位于弹性基体上或者嵌入弹性基体中；

所述磁性材料位于弹性基体上或者嵌入弹性基体中；

工作状态时，非晶丝与电极形成导电回路；

施加磁场时，磁性材料与磁场相互作用，带动弹性基体发生形变，从而使非晶丝产生应力。

所述的非晶丝材料不限，包括Co、Fe、Ni基非晶材料，作为优选，采用磁导率高的Co基非晶丝。

作为一种实现方式，所述导电回路中非晶丝有若干段，导电回路中还包括用于连接各段非晶丝的导电连接件。所述导电连接件材料不限，可以是液态金属或者固态金属。

所述的磁性材料不限，包括钕铁硼、钐钴、铝镍钴、铁氧体永磁材料等磁性材料，作为优选，采用钕铁硼材料。

所述的弹性基体材料不限，包括硅橡胶、聚酰亚胺等弹性材料。

作为一种实现方式，所述的磁传感器呈悬臂梁式结构，包括固定侧与自由侧，作为优选，所述磁性材料与导电回路均位于自由侧，作为进一步优选，所述磁性材料位于自由侧的端部，作为最优选，所述磁性材料位于非晶丝两侧，且磁化方向相同。

作为另一种实现方式，所述的磁传感器呈桥式结构，即，两端固定，所述导电回路位于两端之间。作为优选，所述磁性材料位于非晶丝上方或者下方，并且与非晶丝之间电绝缘。

本发明还提供一种制备上述磁传感器的方法，具体是：将非晶丝，磁性材料放置在模具中，非晶丝与电极形成导电回路；将液态的弹性基体材料浇筑到模具中，固化。

作为一种实现方式，所述磁性材料是磁性材料与弹性材料构成的磁性复合材料，其中磁性材料颗粒分散在弹性材料中，或者磁性材料位于弹性材料上，或者磁性材料嵌入弹性材料中。所述弹性材料不限，包括硅橡胶、聚酰亚胺等。

作为一种实现方式，将若干根非晶丝放置在模具中，使用导电材料连接，使其与电极形成导电回路。导电材料不限，包括液态金属、固态金属等。

本发明的磁传感器的使用方法包括如下步骤：

(1)对所述磁传感器的导电回路中通入交流电流；

对所述磁传感器施加固定的外加磁场，测试该磁传感器输出的阻抗大小，改变外加磁场的大小，得到一系列在固定外加磁场下的参考阻抗值；

(2)保持与步骤(1)中的测试条件相同，利用该磁传感器测试实际阻抗值，将该实际阻抗值与步骤(1)中得到的参考阻抗值进行比对，与之相同的参考阻抗值所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。

综上所述，本发明采用非晶丝，通过结构设计，将非晶丝和磁性材料结合，当外界磁场较小时，利用非晶丝的巨磁阻抗效应，通过测试该传感器的阻抗实现磁场的探测，当外界磁场较大时，同时利用磁性材料与磁场的相互作用使弹性基体发生形变，从而带动非晶丝产生应力，利用非晶丝的巨应力阻抗效应，通过测试该传感器的阻抗实现磁场的探测。与现有技术相比，该磁传感器结构简单，不仅能够实现高灵敏度的磁场探测，而且可探测的外界磁场范围从纳特斯拉(nT)到特斯拉(T)量级，能够实现宽量程的磁场探测，因此在磁传感器技术领域中具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中的磁传感器的结构示意图。

图2是本发明实施例2中的磁传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1中的附图标记为：非晶丝1、磁性材料2、连接件3、电极4、固定侧5、弹性基体6、自由侧7。

图2中的附图标记为：非晶丝1、磁性材料2、连接件3、电极4、固定侧5、弹性基体6。

实施例1：

本实施例中，磁传感器的结构如图1所示。该磁传感器呈悬臂梁式结构，由固定侧5与自由侧7组成。

自由侧7包括弹性基体6，两段非晶丝1，两块磁性材料2与电极4。

两段非晶丝1嵌入弹性基体6中。两段非晶丝1之间采用连接件3进行导电连接，连接后的非晶丝与电极形成导电回路。

两块磁性材料2嵌入弹性基体6中，均位于自由侧7的端部，并且分别位于非晶丝1的两侧且磁化方向相同。

非晶丝1为Co基非晶材料。磁性材料2为磁化的钕铁硼-弹性材料复合物。连接件3为液态金属。电极4为液态金属或者铜片。弹性基体6为硅橡胶或聚酰亚胺等弹性材料。

该磁传感器的制备方法包括如下步骤：

(1)制备磁化的钕铁硼-弹性材料复合物

在硅橡胶或聚酰亚胺等弹性材料溶液中倒入钕铁硼颗粒，弹性材料与钕铁硼颗粒的质量比为1：0.5～1：2，使用超声搅拌，取悬浊液旋涂或滴至玻璃板上，待其固化，切割成块状，垂直磁化，得到磁化的钕铁硼-弹性材料复合物。

(2)制备磁传感器

在玻璃、聚四氟乙烯等模具里固定若干根非晶丝。使用连接件材料连接非晶丝使其与电极形成导电回路，在非晶丝左右两侧放置磁化的钕铁硼-弹性材料复合物，且磁化方向均为向左或向右。使用硅橡胶或聚酰亚胺等弹性材料浇筑到模具中封装、固化。

该磁传感器的使用方法如下：

(1)对该磁传感器的导电回路通入100k-10MHz交流电流；对该磁传感器施加固定的外加磁场，测试该磁传感器输出的阻抗大小，改变外加磁场的大小，得到在不同外加磁场下的阻抗特性曲线。

(2)在实际应用中，保持与步骤(1)中的测试条件相同，测试该磁传感器的阻抗值，将得到的阻抗数值与步骤(1)中得到的阻抗特性曲线相对比，与之相同的参考阻抗值所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。

实施例2：

本实施例中，磁传感器的结构如图2所示。该磁传感器呈桥式结构，即，两侧固定。

该磁传感器包括弹性基体6，若干段非晶丝1，两块磁性材料2与电极4。

非晶丝1嵌入弹性基体6中。非晶丝1之间采用连接件3进行导电连接，连接后的非晶丝与电极形成导电回路。非晶丝1位于两固定侧5之间。

两块磁性材料2嵌入弹性基体6中，位于非晶丝1的上侧或者下侧，并且两块磁性材料的磁化方向分别为向上和向下。

非晶丝1为Co基非晶材料。磁性材料2为磁化的钕铁硼-弹性材料复合物。连接件3为液态金属。电极4为液态金属或者铜片。弹性基体6为硅橡胶或聚酰亚胺等弹性材料。

该磁传感器的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是：步骤(2)中，在非晶丝的上侧或下侧放置钕铁硼-弹性材料复合物，且磁化方向分别为向上和向下。

该磁传感器的使用方法如下：

(1)对该磁传感器的导电回路通入100k-10MHz交流电流；对该磁传感器施加固定的外加磁场，测试该磁传感器输出的阻抗大小，改变外加磁场的大小，得到在不同外加磁场下的阻抗特性曲线。

(2)在实际应用中，保持与步骤(1)中的测试条件相同，测试该磁传感器的阻抗值，将得到的阻抗数值与步骤(1)中得到的阻抗特性曲线相对比，与之相同的参考阻抗值所对应的外加磁场即为实际测量的磁场值。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。