新型磁场传感器可打破同类现有产品的局限

2020-04-02
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摘要 AMR、磁敏二极管、霍尔传感器等,能实现对磁场方向或强度的探测,但存在局限性。近日,西安交通大学研究课题组最新设计了一种新型磁场传感器,可打破相关局限。

  AMR、磁敏二极管、霍尔传感器等,能实现对磁场方向或强度的探测,但存在局限性。近日,西安交通大学研究课题组最新设计了一种新型磁场传感器,可打破相关局限。一起来看看吧!


相关论文示意图,图自西安交通大学

  磁场传感器,是用于探测磁场强度或其变化,并将其转换成电信号输出的传感器装置。基于磁场传感器,我们能够开发多种传感功能,包括电流、功率、位置、距离、速度、角度等,在工业制造、精密测量、国防与航空、医疗、地理等领域已获得广泛应用。其中,磁场角度传感器在航空航天、卫星姿态调整、航海导航、GPS定位、飞机导航等领域有巨大的应用需求。

  目前,现有的磁场角度传感器,如AMR、磁敏二极管、霍尔传感器、磁通门磁强计等,能实现对磁场方向或强度的探测,但存在局限性。例如,AMR磁场角度传感器测量精度低,需要配套的校准算法;磁通门磁强计体积较大,成本高;磁敏二极管的灵敏度低,信号输出大约仅有0.05 mV/Oe,需要匹配信号放大等模块。

  因此,开发高精度、低成本、信号强度大、驱动方式简单的磁场角度传感器,已成为传感器领域的重要研究方向。

  近日,西安交通大学电子科学与工程学院刘明教授课题组设计了一种基于“磁扭电”效应的新型磁场传感器。该成果相关文章发表于国际顶级期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics,并申请国家发明专利一项。

  据了解,该传感器采用了一种全新的力-电耦合结构,可将磁扭矩转化成应力,并施加在压电材料上,实现了磁场作用下电信号的输出。

  据介绍,该器件的结构通过有限元仿真软件优化后,可有效去除干扰信号,显著提高输出信号的纯度;同时,力-电耦合结构可显著改善输出信号对探测方向的敏感性。理论上,磁敏感方向与非敏感方向的输出信号强度比值可以为“无穷大”倍。

  基于“磁扭电”效应,开发了可用于二维平面磁场大小和方向探测的磁电罗盘,该传感器可同时测量面内交流磁场的强度和方向,强度精度为0.01 Oe(约为地磁场大小的1/50~1/60),方向的角度精度为±0.2°,解决了如何同时高精度地测量磁场的强度和方向这个难点问题,在工业设备的磁场测定、校准、监测中具有重大的应用前景。

  此外,该器件是一种理想的无源器件,无需供电、无需偏置磁场、无需校正算法、无需信号放大模块,驱动简单,几乎无能耗,精度高,灵敏度高(输出可达到几十到几百mV/Oe),结构强度高,工作频率范围广(几Hz到几百Hz),成本优势明显,有望在工业生产、国计民生、电力系统、物联网等领域获得大规模应用。

  据悉,刘明教授的“磁电耦合功能材料团队”长期从事磁电复合材料及器件应用的研究,在可调微波滤波器、柔性磁场传感器、磁阻传感器(AMR、TMR、GMR)、自旋电子器件等应用方面取得一系列进展,团队开发的磁电传感器在电网取能(能量回收)、低频磁电天线、磁场探测、电表的电流传感等领域具有重大的应用潜力。

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