西交大成功开发新型高灵敏度GMI传感器 未来潜力巨大

近日，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院刘明教授课题组开发了一种基于传统磁芯绕线电感的新型高灵敏度 GMI 传感器。传统磁芯螺线圈制成的线圈感应磁强计，根据法拉第电磁感应定律，通过线圈的磁通量变化带来感应电流及电压的变化，可以制成具有 fT 灵敏度的磁场传感器，但是其缺点在于体积大且不能探测静态磁场。

该成果以“Magnetic sensor based on giant magneto-impedance in commercial inductors”为题发表在国际顶级期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics（IF=7.5），并申请国家发明专利一项。电子科学与工程学院教授王志广和博士生温涛为论文共同第一作者，王志广教授、刘明教授为论文通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等项目的支持。

图源：交大新闻网

本课题组采用全新的探测模式，通过单一的电感器件构建了 LC 谐振电路，可以实现谐振频率附近 41036%的磁阻抗变化，远高于传统磁阻器件普遍小于 100%的变化率。同时，新型 GMI 相比传统 GMI 器件，可以将驱动频率降低到 kHz 量级，并可以实现静态磁场的测试。采用市场上直接购买的普通电感（成本《1 元），可以实现磁场分辨力 25nT@0.2Hz、10nT@1Hz。通过电路仿真优化改进后，研究人员将电感元件与电容串联，组成新的 LC 串联型 GMI 传感器，降低了驱动信号频率及器件本征阻抗，将磁场分辨力提高到 625pT@1Hz（磁场大小约为地磁场的 1/100000）。本研究所采用的电感及电容均为市面上的普通电子元件，通过材料及器件的优化设计，有望进一步提高其探测灵敏度。新型 GMI 传感器所具有的器件简单、成本低、灵敏度高等优点预示了其重大的应用潜力。

据了解，磁场传感器是探测磁场强度或其变化并将其转换成电信号输出的装置，基于磁场传感器可开发多种传感功能，包括电流、功率、位置、距离、速度、角度等。磁传感器是一种应用极其普遍的传感器，其性能优异，抗干扰能力强，在电力传输、无刷电机、能源管理、读写磁头、汽车工业、工业控制、机器人、安全系统、物联网等领域内都占有一席之地，已经成为了经济发展和工业升级不可缺少的一类重要传感器。

现有的磁场传感器，包括磁通门传感器、霍尔传感器、磁阻传感器、超导量子干涉仪（SQUID）等，各有优缺点。霍尔传感器成本低但灵敏度小，磁电阻传感器灵敏度高但工艺复杂、成本高、磁滞和温漂大，磁通门传感器功耗大、响应慢，SQUID 传感器体积庞大、造价昂贵，巨磁阻抗（GMI）传感器具有滞回度低、温度稳定性好、灵敏度高等优点。现有的磁阻抗传感器由于加工工艺复杂、驱动信号频率高等问题导致了其价格居高不下，这也直接导致其应用和发展受到限制。因此，开发灵敏度高、驱动信号频率低、价格低廉的 GMI 传感器具有广阔的应用前景。