西安交通大學電信學部電子科學與工程學院劉明教授課題組開發了一種基於傳統磁芯繞線電感的新型高靈敏度 GMI 傳感器。
傳統磁芯螺線圈製成的線圈感應磁強計，根據法拉第電磁感應定律，通過線圈的磁通量變化帶來感應電流及電壓的變化，可以製成具有 fT 靈敏度的磁場傳感器，但是其缺點在於體積大且不能探測靜態磁場。
該成果以「Magnetic sensor based on giant magneto-impedance in commercial inductors」為題發表在國際頂級期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics（IF=7.5），並申請國家發明專利一項。電子科學與工程學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研發計劃、國家自然科學基金、陝西省重點研發計劃等項目的支持。
圖源：交大新聞網
本課題組採用全新的探測模式，通過單一的電感器件構建了 LC 諧振電路，可以實現諧振頻率附近 41036%的磁阻抗變化，遠高於傳統磁阻器件普遍小於 100%的變化率。同時，新型 GMI 相比傳統 GMI 器件，可以將驅動頻率降低到 kHz 量級，並可以實現靜態磁場的測試。採用市場上直接購買的普通電感（成本<1 元），可以實現磁場分辨力 25nT@0.2Hz、10nT@1Hz。通過電路仿真優化改進後，研究人員將電感元件與電容串聯，組成新的 LC 串聯型 GMI 傳感器，降低了驅動信號頻率及器件本徵阻抗，將磁場分辨力提高到625pT@1Hz（磁場大小約為地磁場的 1/100000）。本研究所採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化設計，有望進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、靈敏度高等優點預示了其重大的應用潛力。
據了解，磁場傳感器是探測磁場強度或其變化並將其轉換成電信號輸出的裝置，基於磁場傳感器可開發多種傳感功能，包括電流、功率、位置、距離、速度、角度等。磁傳感器是一種應用極其普遍的傳感器，其性能優異，抗幹擾能力強，在電力傳輸、無刷電機、能源管理、讀寫磁頭、汽車工業、工業控制、機器人、安全系統、物聯網等領域內都佔有一席之地，已經成為了經濟發展和工業升級不可缺少的一類重要傳感器。
現有的磁場傳感器，包括磁通門傳感器、霍爾傳感器、磁阻傳感器、超導量子幹涉儀（SQUID）等，各有優缺點。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複雜、成本高、磁滯和溫漂大，磁通門傳感器功耗大、響應慢，SQUID 傳感器體積龐大、造價昂貴，巨磁阻抗（GMI）傳感器具有滯回度低、溫度穩定性好、靈敏度高等優點。現有的磁阻抗傳感器由於加工工藝複雜、驅動信號頻率高等問題導致了其價格居高不下，這也直接導致其應用和發展受到限制。因此，開發靈敏度高、驅動信號頻率低、價格低廉的 GMI 傳感器具有廣闊的應用前景。
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