ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАТУШЕК НА ОСНОВЕ МИКРОПРОВОДА С ГЕЛИКОИДАЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Предлагается датчик магнитного поля, детектирующим элементом которого является магнитомягкий проводник (микропровод, тонкая пленка и т.п.) с геликоидальной магнитной анизотропией в поверхностном слое.
Геликоидальная анизотропия соответствует случаю, когда магнитные моменты атомов лежат в плоскостях, перпендикулярных к направлению k, причем направления моментов в последовательных атомных слоях медленно поворачиваются относительно друг друга; концы векторов (атомных моментов), расположенных вдоль прямой, параллельной направлению k, описывают винтовую линию, где k - ось анизотропии.
Принцип действия датчика следующий: Мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы с частотой несколько сотен килогерц, которая определяет частоту дискретизации измеряемого магнитного поля, а, следовательно, частотный диапазон датчика. Далее прямоугольные импульсы поступаются на дифференцирующую цепь, которая формирует узкие импульсы, которые поступают на сенсорный элемент - аморфный микропровод. Импеданс, а значит и падение напряжения на микропроводе зависит от мгновенного значения аксиального магнитного поля, которое детектируется пиковым детектором и усиливается и нормализуется усилителем. Таким образом, выходным сигналом прототипа сенсора является аналоговый сигнал пропорциональный текущему значению аксиальной проекции магнитного поля.
E
B
На рис.1 показана типичная зависимость импеданса магнитомягкого микропровода Z с циркулярной анизотропией от внешнего продольного магнитного поля H на частоте 100 МГц и для различных величин постоянного тока подмагничивания I
Здесь и далее под магнитным полем подразумевается проекция магнитного поля на ось провода и для определения трехмерного направления поля необходимо использование как минимум трех сенсоров оси которых не должны находиться в одной плоскости.
B
Как видно из графиков, ток I несколько уменьшает величину ГМИ эффекта в проводах с циркулярной анизотропией, не изменяя при этом степень симметрии полевой зависимости.
Прототипом данной полезной модели Устройство для измерения слабых магнитных полей (Патент RU 2118834)
Устройство для измерения слабых магнитных полей, содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде проводника из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности, причем проводник последовательно соединен с источником переменного тока, а катушка индуктивности соединена с измерителем напряжения на ее концах, отличающееся тем, что проводник чувствительного элемента выполнен с магнитной анизотропией, перпендикулярной к его продольной оси, и магнитной структурой в скин-слое с результирующим магнитным моментом в отсутствие внешнего магнитного поля, направленным перпендикулярно к его продольной оси, а источник переменного тока выполнен с такой амплитудой тока, для которой реализуется условие
где  - поле тока на поверхности проводника;
k
2
o
H=H+NM - эффективное поле анизотропии проводника;
k
1
o
H=2K/M;
1
K - константа анизотропии проводника;
о
М - намагниченность насыщения проводника;
z
N - размагничивающий фактор вдоль оси проводника.
Недостатками подобного сенсора являются:
1. Невозможность определить направление (знак) поля, а только его амплитуду.
E
2. Низкая чувствительность dZ/dH при приближении к нулевому значению магнитного поля
E
3. Максимальное детектируемое поле ограничено точкой максимума кривой полевой зависимости Z(H) поэтому если внешнее поле превысит эту величину возможно неправильное детектирование магнитного поля.
B
Избавиться от указанных недостатков предлагается используя микропровод с геликоидальной магнитной анизотропией в поверхностном слое. Наличие данной геликоидальной анизотропии в сочетании циркулярным магнитным полем, создаваемым постоянным током подмагничивания I, вызывает трансформации симметричной полевой зависимости в ассиметричную. Для достижения требуемого эффекта угол между осью анизотропии и поперечной плоскостью а должен быть существенным, не менее 10-20°. Наведение геликоидальной анизотропии может быть достигнуто, например, путем механического скручивания провода или отжига под действием постоянного магнитного поля.
E
Эффект наведенной путем скручивания микропровода геликоидальной анизотропии на полевую зависимость Z(H) показан на рис.2.
B
E
B
B
A
A
B
E
При нулевой величине тока подмагничивания I (кривая 1) зависимость Z(H) является гистерезисной. Данный гистерезис обусловлен гистерезисом процессом перемагничивания магнитной структуры в поверхностном слое микропровода [PRB2010]. Для достижения требуемого эффекта необходимо устранить гистерезис, для чего необходимо приложить достаточное для подавления гистерезиса ток Iв (такой при котором создаваемое током I циркулярное поле на поверхности провода H>H*sinα, H - поле анизотропии). Так, например при прикладывании I=15 мА зависимость Z(H) становится безгистерезисной (см. рис.2 кривая 2). Для реализации датчика магнитного поля важными являются следующие достигнутые эффекты:
E
B
1. Зависимость Z(H) стала существенно ассиметричной (кривая 2 снятая при токе I 15 мА).
E
B
2. Сдвиг минимума зависимости Z(H) с точки нулевого поля (см. рис.1) в область положительных (кривая 2) или отрицательных (кривая 3) полей в зависимости от полярности тока подмагничивания I.
B
E
B
3. При смене полярности тока подмагничивания I кривая зависимости Z(H) меняется зеркально а при смене амплитуды тока I меняется степень асссиметрии (см. рис 3б).
B
Перечисленные выше эффекты позволяют реализовать датчик на основе эффекта ГМИ способный измерять как величину, так и направление (знак) магнитного поля без использования катушек. Это может быть достигнуто путем измерения импеданса при различных значениях полярности тока подмагничивания I и их анализа.
E
B
E
E
B
E
B
E
Так, например, как видно из рис.3, зависимости Z(H) снятые при I равном +15 мА и -15 мА позволяют однозначно определить как знак ток и величину внешнего магнитного поля до значений где чувствительность dZ/dH являетется ненулевой и эти две кривые различимы, т.е до 3 кА/м, как показано на рис.4. Единственные точки неопределенности, где невозможно определить знак поля, существуют в точках где зависимости Z(H, I=+15 мА) и Z(H, I=-15 мА) пересекаются при H=250 А/м для данного конкретного микропровода. Эта неопределенность может быть устранена путем использования тока подмагничивания не только разной полярности но и разной величины, как показано на рис.3б.
B
E
Другой важный эффект предлагаемого способа детектирования является увеличение максимального магнитное поле которое может быть однозначно измерено датчиком посредством анализа полученных при разных величинах тока подмагничивания I значений импеданса микропровода. Как было упомянуто выше это поле составляет порядка 3 кА/м тогда как у обычных (применяемых в настоящее время) датчиков это поле ограничено точкой максимума зависимости Z(H). Эта точка максимума, которая определяете полем поверхностной анизотропии микрокода, для данного микропровода составляет порядка 380 А/м. Данный эффект дает возможность достичь:
1. Увеличить диапазон измеряемых полей в том же микропроводе при сохранении чувствительности
E
2. И/или увеличить чувствительность сенсора для чего нужно применить микропровод с меньшим полем анизотропии (т.е. максимума зависимости Z(H)) но с большой чувствительности и расширить диапазон измеряемых полей указанным выше способом.
Для детектирования магнитного поля может быть сконструирован датчик основанный, например, на измерение падение напряжение на предложенном детектирующем элементе.
[PRB2010] М. Ipatov, V. Zhukova, A. Zhukov, J. Gonzalez, and A. Zvezdin, ″Low-field hysteresis in the magnetoimpedance of amorphous microwires,″ Phys. Rev. B 81, 134421 (2010).
Наличие данного типа анизотропии вызывает образование ассиметричной зависимости импеданса от магнитного поля (асимметричный эффект ГМИ). Степень асимметрии данной зависимости может быть варьирована амплитудой постоянного тока подмагничивания.
Эффект гигантского магнито импеданса (ГМИ) понимается как существенное изменение импеданса магнито-мягкого проводника при приложении внешнего магнитного поля за счет изменения глубина скин слоя магнитого провода [1, 2]. Микропровод производятся с помощью модифицированного процесса Тейлора-Улитовского [3, 4] основанного на прямом литье из расплава. В лабораторном процессе несколько граммов лигатуры выбранного состава помещается в стеклянную трубку и нагревается индуктором высокой частоты до его плавления, образуя каплю. Одновременно металлический расплав размягчает часть стеклянной трубки, прилегающих к расплавленной металлической капле. Затем стеклянный капилляр заполненный металлическим сплавом вытягивается и наматывается на вращающуюся бобину. При соответствующих условиях расплавленный металлический сплав заполняет стеклянный капилляр и таким образом формируется микропровод, где металлическая жила полностью покрыта стеклянной оболочкой.
Микроструктура микропровода (и, следовательно, его свойства) зависят в основном от скорости охлаждения, которой можно управлять в процессе когда металлический сплав заполняющий капилляр проходит через поток охлаждающей жидкости (воды или масла) на своем пути к приемной катушке.
Основными преимуществами данного метода изготовления микропровода являются:
i. Повторяемлсть свойств микропровода при массовом производстве;
ii. широкий диапазон изменения в параметров (геометрических и физических);
iii. получение непрерывных длинных кусков микропровода (до 10000 m на одной бобине);
iv. контроль и регулировка геометрических параметров (диаметр внутренней жилы и толщина стекла) во время изготовления микропровода.
Исследования гигантского магнитоимпеданса, ГМИ, привлекли большое внимание в основном из-за перспектив применения для чувствительных датчиков магнитного поля из-за высокой чувствительности (до 600%) электрического импеданса при приложениии магнитном поле к магнито-мягкому проводу [1]. Недавние тенденции в миниатюризации магнитных датчиков требует разработки каждый раз более тонких магнито-мягких проводов. Поэтому тонкий магнито-мягкий микропровод полученный методом Тейлор-Улитовского (1÷30 мкм в диаметре) состоящий из металлической жилы, покрытой стеклом привлекает повышенное внимание. Недавний значительный прогресс в улучшении магнитно мягких свойств микропровода с металлической жилой около 20 мкм, полученный этим методом, позволило значительно повысить отношение ГМИ (до около 600%) [2]. При этом частота переменного тока должна быть достаточно высокой (обычно выше 100 кГц) для того чтобы наблюдать значительное изменение электрического импеданса.
Как уже упоминалось, ГМИ эфект трактуется с точки зрения классического скин-эффекта в магнито-мягком материале вследствие изменения глубины проникновения переменного тока вызванного приложенным магнитным полем.
где k=(l+j)/δ, Jo и J1 - функции Бесселя, r - радиус провлда и δ - глубина проникновения которая дается кака:
где σ - электропроводность, f - частота тока вдоль образца и µϕ - циркулярная магнитная проницаемость (скалярная).
Приложенное магнитное поле приводит к значительным изменениямв циркулярной проницаемости, µϕ. Поэтому глубина проникновения под действием поля меняется и приводит к изменению Z [1, 5, 6]. Недавно эта «скалярная» модель была значительно модифицирована с учетом тензорного характера магнитной проницаемости и Магнетоимпеданса [7, 8]. Например было теоретически показано в [7], что полевая зависимость отногения ГМИ главным образом определяется типом магнитной анизотропии. В частности, было показано, что поперечная магнитная анизотропии приводит к наблюдения максимума на полевой зависимости действительной части импеданса провода (и, следовательно, отношения ГМИ). В противоположность этому в случае осевой магнитная анизотропии максимальное значение отношения ГМИ соответствует нулевому магнитному полю [8], т.е. наблюдается монотонный спада отношения ГМИ при приложении продолбного магнитного поля.
Для достижения высоких значений эфекта ГМИ магнитная анизотропия должно быть как можно меньше, насколько это возможно.
Ссылки
[1] L.V. Panina and К. Mohri, Appl. Phys. Lett. 65 (1994) 1189.
[2] V. Zhukova, A. Chizhik, A. Zhukov, A. Torcunov, V. Larin and J. Gonzalez, IEEE Trans. Magn. 38, 5, partI, (2002) 3090.
[3] Spanish patent ″Amorphous glass-coated misrowires as an element of magnetic sensors based on the magnetic bistability, magneto-impedance and as material for the protection from the radiation.″ (Ref. P200202248)
[4] V.S. Larin, A.V. Torcunov, A. Zhukov, J. González, M. Vazquez, L. Panina ″Preparation and properties of glass-coated microwires″ J. Magn. Magn. Mater. 249/1-2 (2002)39-45
[5] R.S. Beach, A.E. Bertowitz, Appl. Phys. Lett. 64, 3652 (1994).
[6] R.L. Sommer and C.L. Chien, J. Appl. Phys. 79, 5139 (1996).
[7] N.A. Usov, A.S. Antonov and A.N. Lagar′kov, J. Magn. Magn. Mat. 185, 259 (1998).
[8] D.P. Makhnovskiy, L.V. Panina and D.J. Mapps, Phys. Rev. B, 63, 1444241 (2001).