南京理工大學本科科研訓練開題報告-基于非晶材料的磁通門傳感器設計

1、南京理 工大學本科生科研訓練開題報告學生姓名： XXX 學號： XXXXXXXXXXXXXXX專 業(yè)：測控技術與儀器設計（論文）題目：基于非晶材料的磁通門傳感器設計指 導 教師：XXX2012年5月2日本科生科研訓練開題報告基于非晶材料的磁通門傳感器設計文獻綜述一、研究背景早在2000多年前，我們的祖先就利用物質的磁性發(fā)明了用于航海和測繪等方面的 指南針。隨著社會的進步，磁場測量技術作為研究與磁現象相關的物理過程的重要手段， 逐漸發(fā)展成一門綜合的技術科學。具廣泛應用于地磁觀測、地震預報、空間磁場測量、 地質勘探等地球物理領域，而且在探礦、考古、飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)等 工業(yè)、軍事、生

2、物及醫(yī)學領域應用廣泛。與此同時，磁場測量技術與不同領域的學科結合形成一些其他學科，如磁場測量在 化學中的應用形成了磁化學；磁場測量在地質中的應用形成磁法勘探學；磁場測量在探 傷中的應用形成磁探傷學；磁場測量在醫(yī)學中的應用形成磁法醫(yī)療學。尤其重要的是， 磁場測量儀器廣泛應用于大型物理實驗儀器、高能加速器、離子束加工裝置、熱核聚變 裝置、宇航等重大工程中。在直流或緩變的弱磁場檢測中，磁通門傳感器具有寬的線性范圍、較高的分辨力和較高的靈敏度等特性，因而得到了廣泛的應用。近年來，集成電路工藝和微機電 系統(tǒng)(Micro-electro Mechanical Systems )技術的迅猛發(fā)展，推動了磁通門

3、傳感器由 傳統(tǒng)的結構型向固化型的轉變。半導體固態(tài)傳感器由于其性能優(yōu)異、體積小、重量輕且 成本低廉等優(yōu)點，在國防及民用領域得到了非常廣泛的應用。為適應地磁測量、空間探 測、衛(wèi)星姿態(tài)控制等測控領域的需要，微型磁通門傳感器已經引起了人們極大的關注。研究和發(fā)展操作簡單、穩(wěn)定性好、精度高、成本低廉的磁測儀器有著十分深遠的意 義。磁場測量技術涉及的原理廣、測量范圍也有所不同。與其他磁測儀器相比，磁通門 磁力計靈敏度高，制作成本低，可以測量單分量磁場及空間矢量場，并且有較大的測量 范圍；與核磁共振地磁儀相比，磁通門磁力計有較好的穩(wěn)定性；與光纖地磁儀相比，磁 通門磁力計對被測磁場更敏感，而且對振動和熱量帶來的

4、磁場變化不敏感。二、國內外研究情況磁通門傳感器是德國人在二十世紀三十年代首次發(fā)明的。長期以來，磁通門一直是一種變壓器式的結構（由鐵心、線圈和骨架組成）。但近年來，微型磁通門的理論及 技術有了飛速的發(fā)展。1990年ThomasSeitz研制出第一個微型磁通門傳感器，它的鐵 心是濺射到硅片上的軟磁材料。利用光刻成型，尺寸大約為2X4mi它的測量線圈是用單層金屬鋁線做成的螺線管，激勵線圈是用先進的厚膜技術制作在陶瓷基片上 的。隨后日本的等人研制出了微型螺線管磁通門。自此以后，微型磁通門成了磁傳感器 研究的焦點，出現了各式各樣的微型磁通門，有的做在硅片上，有的則印刷在電路板上。 在幾十年的發(fā)展過程中，

5、磁通門衍生出多個應用分支如磁通門羅盤計、三軸磁通門、數 字磁通門、快速傅里葉變換式磁通門及電流輸出型磁通門等。目前，國內外的磁通門產品大部分為偶次諧波型。國外的磁通門技術起步較早，其 產品也有著很高的研制水平。比如英國 Bartington 公司生產的Mag-03RC,分辨力為 1nT;加拿大生產的FM-100B,分辨力為；日產MB-162,分辨力達到。我國在磁通門 技術上與國外的發(fā)展水平存在著很大的差距，但進步很大，已有多家研究機構研制出一 些可以使用的磁通門產品。如中國科學院地球物理研究所研制的 CTM-302三分量磁通門 磁力計、中國科學院空間與應用研究中心的SDM型自動補償數字顯示磁力

6、計、中國地震局地球物理研究所研制的 DCM-1型數字地磁脈動觀測系統(tǒng)、上海金磁科技有限公司 的仙Mag系列手持式磁通門磁力計、北京航勘儀器廠的FVM-400北京地質儀器廠的CGM-02曲。磁通門作為弱磁測量的重要手段，其發(fā)展方向主要集中在以下幾個方面：1 .提高傳感器的分辨力和靈敏度；2 .提高測量精度及測量范圍；3 .提高分辨力、帶寬與精度的綜合水平；4 .實現磁通門檢測原理創(chuàng)新；5 .研制微型化、元件化的磁通門器具；6 .開發(fā)數字化、智能化的磁通門裝置。三、課題研究的目的及意義傳統(tǒng)磁通門傳感器靈敏度受磁通門探頭噪聲制約，對磁芯的要求較為苛刻。受現代 制作工藝及材料發(fā)展水平的限制，傳統(tǒng)磁通門

7、的發(fā)展緩慢。要提高磁通門的分辨力、精 度和帶寬等性能指標，除了改進制作工藝，提高制作技術水平、改進探頭結構外，還必 須從磁通門原理入手研究新的檢測機制。本課題的目的在于探究遲滯時間差檢測原理，完成新型磁通門的制作及磁測裝置 的設計，最終實現直流或緩變弱磁場的測量。受現代工藝水平的制約，現有磁通門可以 承受約1000倍的噪聲，然而繼續(xù)提高抗噪聲能力較為困難。應用遲滯時間差原理設計 的磁測裝置可以使輸出信號不受探頭參數的影響和奇次諧波噪聲的干擾，且調理電路簡單，易于裝置的微型化和集成化。目前，國內外正在大力研制基于微機電系統(tǒng)（MEMS技術的磁傳感器。其中，研究 較多的是諧振式磁敏傳感器，其主要優(yōu)點

8、是不需要磁敏感材料而是依據洛倫茲力原理， 但其理論分辨力只達到100nT。清華大學精密儀器實驗室采用MEMS術對傳統(tǒng)磁通門進 行微型化處理后，使磁通門的體積降到100mm的量級。但其仍然采用傳統(tǒng)的檢測方法及 類似傳統(tǒng)的探頭結構，實際上限制了傳感器的進一步微型化。此次課題所研究的遲滯時 間差檢測法更易于微型化設計，可以方便地將磁通門及其調理電路集成為一個功能器 件。并且有望突破加工技術壁壘，實現三維微型磁通門的加工及設計。四、小結總之，項目的成果可廣泛應用于日后各項建設中。此次通過遲滯時間差檢測機理， 系統(tǒng)地建立了遲滯時間差型磁通門的數學模型，并依此機理完成新型磁通門實體的制 作，最終實現高靈敏

9、度、高分辨力的磁測裝置的設計。根據電磁場理論建立遲滯時間差 型磁通門傳感器模型，并推導遲滯時間差同勵磁場及待測磁場的關系以及靈敏度同勵磁 幅度和頻率的關系。以遲滯時間差為檢測對象，采用高導磁率、高矩形比的鉆基非晶合 金為磁敏感材料，運用PCB工藝，制作完成一種單磁芯探頭結構的新型磁通門傳感器。 以遲滯時間差型磁通門實體為磁探頭，項目完成便攜式弱磁測量裝置的設計，并實現 -4 Xl04nT+4Xl04nT弱磁場的標定，其分辨力達到60nT。同傳統(tǒng)磁通門相比，傳感器的 探頭結構得到很大的簡化，體積有效地減小，易于微型化；檢測電路簡單，磁測裝置的 體積也大為減小，易于便攜式測量；數據處理簡單，測量周期短；在傳感器的體積和功 耗同時降低的情況下，可以使靈敏度和分辨力等性能指標達到理想。本科生科研訓練開題報告本課題要研究或解決的問題和擬米用的研究手段課題主要研究遲滯時間差原理及利用該原理實現弱磁場測量系統(tǒng)樣機的研制。通過ANSY助真及實驗證明原理的可行性，通過實驗分析各參數（勵磁、結構、磁芯及線圈 等參數）對測量結果的影響。利用多層 PCB工藝完成磁通門實體的制作，設計勵磁信 號發(fā)生器及檢測與調理電路，實現磁測裝置系統(tǒng)的組建。最終利用遲滯時間差型磁通門 實現對直流及低頻弱磁場的測量。根據現有的磁性材料、實驗條件及課題組目前的工作 成果，預期實現指標如卜表。傳