mgr inĪ. Piotr Frydrych1), prof. nzw. dr hab. inĪ. Roman Szewczyk2), dr inĪ. Jacek Salach1), mgr inĪ. Krzysztof Trzcinka2)
1) Instytut Metrologii i InĪynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej 2) Przemysáowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP
Miniaturowe, dwuosiowe czujniki pola magnetycznego
z rdzeniami z magnetyków amorficznych
W artykule przedstawiono koncepcjĊ budowy dwuosiowych, transduktorowych czujników pola magnetycznego z rdzeniami z taĞmy amorficznej. JednoczeĞnie przedstawiono nowatorską metodĊ ksztaátowania i badania charakterystyk ma-gnesowania rdzeni ramkowych z taĞmy amorficznej, wykorzystywanych jako rdze-nie badanych czujników. Metoda ta umoĪliwia pomiar anizotropii magnetycznej rdzenia. Informacja o wartoĞci anizotropii jest niezbĊdna przy budowie czujników dwuosiowych, a opisane do tej pory metody nie umoĪliwiaáy tego typu pomiarów.
MINIATURIZED, TWO AXIS MAGNETIC FIELD SENSORS WITH AMORPHOUS ALLOY CORES
Paper presents new conception of two-axis, fluxgate magnetic field sensors for measurements of Earth’s magnetic field. Developed sensors utilizes soft amor-phous alloys. Moreover paper presents new methodology of shaping and testing of magnetic characteristics of frame-shaped amorphous alloys cores utilized in such sensors. Presented methodology of testing enables direct measurements of magnetic anisotropy of amorphous alloy, what is required for development of two-axis fluxgate sensors.
1. WPROWADZENIE
Pierwsze w historii, praktyczne wykorzystanie pomiarów ziemskiego pola magnetycznego zostaáo opisane w ksiąĪce Zhu Yu „Rozmowy przy stole w Pingzhou” wydanej w 1119 roku w Chinach. Od tego czasu czujniki do detekcji i pomiaru pola magnetycznego są przedmio-tem ciągáych badaĔ i prac rozwojowych. Jednak do tej pory wielu zagadnieĔ technicznych nie udaáo siĊ ostatecznie rozwiązaü.
Szczególnie waĪnym obszarem rozwoju czujników do pomiaru pola magnetycznego są miniaturowe czujniki do pomiaru pól magnetycznych o natĊĪeniu do okoáo 100 A/m, w szczególnoĞci ziemskiego pola magnetycznego. Pomiary tego pola mają zasadnicze zna-czenie w pomiarach geodezyjnych [1], nawigacyjnych [2] oraz pomiarach na potrzeby syste-mów bezpieczeĔstwa publicznego, szczególnie detekcji metalowych elementów urządzeĔ pirotechnicznych [3].
Z technicznego punktu widzenia, do pomiaru pola magnetycznego w zakresie do 100 A/m mogą byü wykorzystywane czujniki magnetorezystancyjne [4], czujniki typu SQUID [5], czujniki optomagnetyczne [6] i czujniki transduktorowe [7]. Jednak moĪliwoĞci zastosowania czujników SQUID i czujników optomagnetycznych w systemach na potrzeby bezpieczeĔstwa publicznego są bardzo ograniczone, ze wzglĊdu na ich znaczną masĊ oraz, w przypadku czujników SQUID, koniecznoĞci zapewnienia moĪliwoĞci pracy nadprzewodnikowego elementu sensorowego w temperaturze 4 K (ciekáego helu). Dlatego w systemach na potrzeby
bezpieczeĔstwa publicznego są wykorzystywane czujniki magnetorezystancyjne i transdukto-rowe. Jednak czujniki magnetorezystancyjne, ze wzglĊdu na koniecznoĞü zastosowania cewek ortogonalnych wytwarzających pole magnetyczne o znacznym natĊĪeniu [8], są doĞü energo-cháonne. Szczególnie jest to niekorzystne w przypadku systemów mobilnych. Powoduje to koniecznoĞü dalszego rozwoju czujników transduktorowych, w szczególnoĞci w zakresie ich miniaturyzacji i doskonalenia technologii wytwarzania rdzeni stosowanych do ich budowy. W referacie przedstawiono nową koncepcjĊ budowy miniaturowych, grubowarstwowych czujników transduktorowych, z rdzeniami ze stopów amorficznych, umoĪliwiających dwu-osiowy pomiar pola magnetycznego. Do tej pory tego typu czujniki umoĪliwiaáy wyáącznie jednoosiowy pomiar pola magnetycznego [9]. Barierą w opracowaniu dwuosiowych czujni-ków transduktorowych byá brak moĪliwoĞci pomiaru charakterystyk magnetycznych magne-tyków amorficznych w kierunku prostopadáym do kierunku taĞmy. W referacie przedstawiono takĪe taką metodĊ, co otworzyáo moĪliwoĞü opracowania czujników dwuosiowych, nie prezentowanych do tej pory w literaturze Ğwiatowej.
2. WYTWARZANIE MINIATUROWYCH RDZENI RAMKOWYCH Z TAĝM AMORFICZNYCH
Amorficzne stopy ultraszybkocháodzone uzyskiwane są w formie taĞm o gruboĞci okoáo 25 Pm [10]. TaĞmy te cechują siĊ znaczną twardoĞcią i kruchoĞcią, co ogranicza moĪliwoĞü wycinania ksztaátek rdzeni, w szczególnoĞci na skalĊ przemysáową. Z tego wzglĊdu w opra-cowanej technologii produkcji ksztaátek rdzeni opracowywanych grubowarstwowych czujni-ków transduktorowych zastosowano metodĊ fotolitograficzną. Wygląd matrycy do fotolito-graficznej produkcji rdzeni czujników transduktorowych przedstawiono na rys. 1.
10 mm
Rys. 1. Matryce do fotolitograficznej produkcji rdzeni ramkowych ze stopów amorficznych W procesie produkcji rdzeni ramkowych, taĞmy ze stopu amorficznego o skáadzie Fe78Si13B9
(Metglas 2605 wyprodukowanego przez firmĊ Hitachi Metals) o szerokoĞci taĞmy 28 mm pokryto z jednej strony lakierem, a z drugiej strony warstwą Ğwiatáoczuáą Positiv20. NastĊp-nie warstwĊ Ğwiatáoczuáą naĞwietlono promieniowaNastĊp-niem UV przez matrycĊ przedstawioną na rys. 1. W kolejnej fazie, taĞmy ze stopu amorficznego wytrawiono w roztworze nadsiar-czanu sodowego, utrzymywanego w stabilizowanej temperaturze 55 oC. NastĊpnie, po
páukaniu, zbĊdne warstwy Ğwiatáoczuáe i lakierowe zostaáy zmyte rozpuszczalnikiem typu nitro.
Opracowana metoda umoĪliwia swobodne ksztaátowanie rdzeni z taĞm amorficznych o zróĪnicowanym skáadzie (zarówno stopów na bazie Īelaza, jak i niklu oraz kobaltu). Wáa-Ğciwy dobór parametrów technologicznych procesu wytrawiania umoĪliwiá uzyskanie gáad-kich krawĊdzi produkowanych rdzeni, jak równieĪ wysoki stopieĔ powtarzalnoĞci produkcji.
3. NOWA METODA BADAē ANIZOTROPII MAGNETYCZNEJ
Pomiar charakterystyk magnesowania taĞm magnetycznych odbywa siĊ dla rdzeni zwijanych. Metoda ta umoĪliwia jedynie pomiar charakterystyki magnesowania w kierunku taĞmy, przez co nie ma moĪliwoĞci pomiaru anizotropii magnetycznej rdzenia.
Pomiary charakterystyki magnesowania rdzeni ramkowych trawionych z taĞmy amorficznej nie mogą byü zrealizowane poprzez nawiniĊcie uzwojenia na rdzeĔ. RdzeĔ z taĞmy amorficz-nej jest zbyt wiotki. Dlatego konieczne jest umieszczenie wytrawionego rdzenia wewnątrz szeĞciowarstwowej páytki drukowanej i wykonie uzwojeĔ w formie ĞcieĪek na páytce, tak jak to przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. RdzeĔ ramkowy wraz z uzwojeniem w formie ĞcieĪek szeĞciowarstwowej páytki drukowanej: 1 – rdzeĔ ramkowy, 2 – uzwojenie pomiarowe w osi Y, 3 – uzwojenie pomiaro-we w osi X, 4 – uzwojenie magnesujące
W opracowanym ukáadzie pomiarowym uzwojenie magnesujące zasilano ze Ĩródáa prądowe-go typu BOP36 firmy Kepco sterowaneprądowe-go napiĊciem. Sterowanie napiĊciowe odbywaáo siĊ z generatora funkcyjnego AFG3021B firmy Tectronics. Ze wzglĊdu na niewielki przekrój
taĞmy ze stopu amorficznego, sygnaá indukowany na uzwojeniach pomiarowych jest sáaby. Dlatego w torze pomiarowym zastosowano dwa ultraszybkie, niskoszumne wzmacniacze operacyjne OPA637 firmy Analog Devices. NastĊpnie, wzmocnione sygnaáy pomiarowe z uzwojeĔ pomiarowych w osiach X i Y oraz sygnaá napiĊciowy proporcjonalny do prądu sterującego transduktor podawano na oscyloskop cyfrowy i przesyáano do komputera PC. W tym komputerze, w fazie analizy wyników pomiarów, realizowano caákowanie numerycz-ne, które umoĪliwiaáo wyznaczenie wartoĞci indukcji magnetycznej w rdzeniu zarówno w osi
X, jak i w osi Y. Báąd wyznaczenia wartoĞci indukcji pola magnetycznego B oszacowano na
30% miĊdzy innymi ze wzglĊdu na problemy z pomiarem gruboĞci taĞmy spowodowane jej niejednorodnoĞcią.
4. BUDOWA CZUJNIKA TRANSDUKTOROWEGO W TECHNOLOGII GRUBOWARSTWOWEJ
Na rys. 3 przedstawiono budowĊ miniaturowego czujnika transduktorowego o wymiarach 35 mm x 35 mm x 1mm, umoĪliwiającego dwuosiowy pomiar pola magnetycznego. Uzwoje-nie magnesujące (2) w tym czujniku wykonano tak samo jak uzwojeUzwoje-nie magnesujące w ukáadzie przedstawionym na rys. 2. Natomiast uzwojenia pomiarowe (3) i (4) (uzwojenia wyjĞciowe czujnika transduktorowego) w osi X i w osi Y oplatają caáy czujnik.
Rys. 3. Opracowany miniaturowy, dwuosiowy czujnik transduktorowy: 1 – rdzeĔ czujnika, 2 – uzwojenie magnesujące Y, 3 – uzwojenie pomiarowe w osi X, 4 – uzwojenie pomiarowe w osi Y
W rezultacie dziaáania pola mierzonego Hp, przebiegi indukcji w kolumnach rdzenia
skojarzonych z uzwojeniami pomiarowymi w osi X i osi Y (obejmującymi obie kolumny rdzenia ramkowego w danej osi) pojawia siĊ skáadowa o czĊstotliwoĞci dwa razy wiĊkszej od czĊstotliwoĞci przebiegu prądowego podawanego na uzwojenie sterujące. W zakresie nie-wielkich, staáych pól mierzonych Hp, amplituda tej drugiej harmonicznej jest proporcjonalna
do mierzonego pola Hp. Zasada pracy przetwornika transduktorowego zostaáa opisana
szcze-góáowo w pracach [11] i [12].
Przetwornik transduktorowy umieszczono w cewkach Helmholtza umoĪliwiających precy-zyjne zadawanie wzorcowego pola magnetycznego w zakresie do 100 A/m. Uzwojenie magnesujące czujnika zasilano ze Ĩródáa prądowego typu BOP36 firmy Kepco sterowanego napiĊciem. Sterowanie napiĊciowe odbywaáo siĊ z generatora funkcyjnego AFG3021B firmy Tectronics. Natomiast w torze pomiarowym zastosowano precyzyjne wzmacniacze operacyj-ne OP27, zarówno dla toru pomiarowego w osi X jak i w osi Y. Zastosowanie ultraszybkich wzmacniaczy operacyjnych OPA637 nie byáo konieczne, poniewaĪ sygnaáem wyjĞciowym z sensora jest druga harmoniczna prądowego przebiegu zasilającego o czĊstotliwoĞci 1kHz. FiltracjĊ i pomiar drugiej harmonicznej z przebiegu sygnaáu wyjĞciowego z czujnika zreali-zowano cyfrowo, po zarejestrowaniu tego sygnaáu na oscyloskopie cyfrowym.
5. WYNIKI BADAē CHARAKTERYSTYK RDZENIA AMORFICZNEGO ORAZ CZUJNIKA TRANSDUKTOROWEGO
Na rys. 5 przedstawiono pĊtle histerezy magnetycznej B(H) rdzenia ramkowego z taĞmy amorficznej ze stopu o skáadzie Fe78Si13B9 w stanie wyjĞciowym (bez dodatkowej obróbki
cieplnej) zmierzone przy czĊstotliwoĞci sinusoidalnie zmiennego natĊĪenia pola magnesują-cego równej 1200 Hz. NaleĪy podkreĞliü, Īe pĊtle histerezy zarejestrowane w osi X i w osi Y mają zbliĪony ksztaát. Jest to sprzeczne z powszechnie przyjĊtym poglądem, Īe charaktery-styki magnesowania taĞmy amorficznej są znacząco róĪne w kierunku taĞmy i w kierunku prostopadáym do kierunku taĞmy [10]. Ewentualna silna anizotropowoĞü taĞmy moĪe byü spowodowana przez naprĊĪenia mechaniczne indukowane w trakcie procesu ultraszybkiego cháodzenia przy odlewaniu taĞmy. W takim przypadku gĊstoĞü energia anizotropii indukowa-nej naprĊĪeniami moĪe byü wyznaczona z zaleĪnoĞci [13]:
V O V s K 2 3
w której Os to magnetostrykcja nasycenia materiaáu, zaĞ VwartoĞü naprĊĪeĔ. PoniewaĪ stop
amorficzny o skáadzie Fe78Si13B9 w stanie wyjĞciowym cechuje siĊ magnetostrykcją okoáo
30 Pm/m, naleĪy przypuszczaü, Īe niewielka gĊstoĞü energii anizotropii naprĊĪeĔ KV wynika z faktu, Īe naprĊĪenia wáasne wytworzone w czasie produkcji taĞmy amorficznej z czasem ulegáy, relaksacji.
-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 -250 -150 -50 50 150 250
X
Y
RdzeĔ ramkowy ze stopy amorficznego Fe78B13Si9 H (A/m) B (mT)Rys. 5. PĊtle histerezy magnetycznej B(H) taĞmy ze stopu o skáadzie Fe78Si13B9 w stanie
wyjĞciowym, mierzone w kierunkach X i Y
Przedstawione na rys. 5 charakterystyki magnesowania B(H) taĞmy ze stopu o skáadzie Fe78Si13B9 w stanie wyjĞciowym dowodzą, Īe rdzenie z tego materiaáu mogą byü
wykorzy-stywane do opracowania czujników transduktorowych do pomiaru pola magnetycznego w dwóch osiach. Do tej pory czujniki takie nie byáy opracowane, ze wzglĊdu na niesáuszne oczekiwanie silnej anizotropii taĞmy ze stopu o skáadzie Fe78Si13B9. NaleĪy podkreĞliü, Īe
poglądy te nie mogáy byü do tej pory zweryfikowane eksperymentalnie ze wzglĊdu na brak metodyki pomiaru charakterystyk magnesowania taĞm amorficznych w dwóch osiach.
Na rys. 6 przedstawiono charakterystyki przetwarzania opracowanego, dwuosiowego, minia-turowego czujnika transduktorowego, zróĪnicowane ze wzglĊdu na wartoĞü skuteczną sinuso-idalnego przebiegu prądu Iz zasilającego uzwojenie magnesujące. Analizowanym sygnaáem
wyjĞciowym z czujnika jest amplituda drugiej harmonicznej przebiegu zasilającego U2f,
filtrowana z przebiegu uzyskiwanego na uzwojeniu pomiarowym.
Uzyskane wyniki potwierdzają wysoką czuáoĞü opracowanego czujnika transduktorowego zarówno w osi X, jak i w osi Y, w szerokim zakresie pól mierzonych Hp. Ponadto wyĪsza
czuáoĞü uzyskiwana jest dla mniejszych wartoĞci skutecznych prądu zasilającego czujnik, co jest zgodne z oczekiwaniami i moĪe byü wykorzystane do redukcji mocy zasilania niezbĊd-nego do pracy czujnika.
y = 0.238x + 1.620 y = 0.290x + 2.263 y = 0.376x + 2.093 y = 0.470x + 1.451 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 50 60 70
NatĊĪenie mierzonego pola magnetycznego Hp (A/m)
Amplituda U 2f (mV) Iz= 0,16 A 0,27 A 0,37 A 0,48 A a) W osi X y = 0.173x + 2.327 y = 0.233x + 1.818 y = 0.292x + 2.104 y = 0.393x + 2.979 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60
NatĊĪenie mierzonego pola magnetycznego Hp (A/m)
Amplituda U 2f (mV) Iz= 0,16 A 0,27 A 0,37 A 0,48 A b) W osi Y
Rys. 6. Charakterystyki przetwarzania opracowanego czujnika transduktorowego zróĪnico-wane na wartoĞü skuteczną prądu zasilającego Iz: a) w osi X, b) w osi Y
6. PODSUMOWANIE
Przedstawiona w referacie metoda fotolitograficznej produkcji miniaturowych rdzeni z taĞmy amorficznej umoĪliwia wytwarzanie rdzeni ramkowych ze stopu o skáadzie Fe78Si13B9.
Rdzenie te cechują siĊ gáadkimi krawĊdziami i mogą byü wykorzystywane w opracowywaniu róĪnego typu czujników, nie tylko czujników transduktorowych.
Nowatorska metodyka pomiaru charakterystyk magnesowania ramkowych rdzeni z magnety-ków amorficznych umoĪliwiáa weryfikacjĊ poglądów odnoĞnie wartoĞci gĊstoĞci energii anizotropii w magnetyku amorficznym. GĊstoĞü energii anizotropii taĞmy okazaáa siĊ na tyle niewielka, Īe czujniki transduktorowe mogą pracowaü zarówno z wykorzystaniem kolumn rdzenia ramkowego w kierunku taĞmy, jak i w kierunku prostopadáym do kierunku taĞmy. Opracowane egzemplarze czujników transduktorowych umoĪliwiáy praktyczną weryfikacjĊ ich parametrów funkcjonalnych. Zarówno charakterystyki opracowanych czujników w kierunku X, jak i w kierunku Y cechują siĊ wysoką czuáoĞcią. Ponadto czuáoĞü przetwarza-nia czujników transduktorowych roĞnie dla mniejszych wartoĞci skutecznych prądu zasilają-cego czujnik, co moĪe byü wykorzystane do redukcji mocy zasilania niezbĊdnego do pracy czujnika.
BIBLIOGRAFIA
1. M. G. Drahor, T. Kurtulmus, M. Berge, M. Hartmann M. Speidel „Magnetic imaging and electrical resistivity tomography studium in a Roman military installation fund in Satala archeological site, northeastern Anatolia, Turkey” Journal of Archeological Science 35 (2008) 259.
2. R. Szewczyk, J. Salach, A. BieĔkowski, R. Káoda, M. Safinowski „Testing of the three axis magnetometers for measurements of the earth magnetic field” Journal of Automa-tion, Mobile Robotics and Intelligent Systems 4 (2009) 96.
3. P. Ripka, A. M. Lewis, J. Kubik „Mine Detection in Magnetic Soils” Sensor Letters 5 (2007) 15–18.
4. S. TumaĔski „Cienkowarstwowe czujniki magnetorezystancyjne” Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997.
5. Z. Dunajski „Biomagnetyzm”, WKà, Warszawa,1990.
6. D. Gordon, R. Brown, J. Haben „Methods for measuring the magnetic field” IEEE Trans. Magn. 8 (1972) 48.
7. P. Ripka “Review of fluxgate sensors” Sensors and Actuators A33 (1992) 129.
8. S. TumaĔski „Czujniki pola magnetycznego – stan obecny i kierunki rozwoju” Przegląd Elektrotechniczny 2 (2004) 74.
9. P. Ripka „Magnetic Sensors and Magnetometers” Artech 2001.
10. R. O’Handley “Modern magnetic materials – principles and applications” John Wiley & sons, 2000.
11. F. Primdahl “The fluxgate mechanism” IEEE Trans. Magn .6 (1970) 376.
12. G. Musmann, Y. Afanasiev „Fluxgate magnetometers for space research” BoD, 2010. 13. E. Tremolet „Magnetostriction” CRC Press, London, 1992.
