[发明专利]一种基于图形化磁致伸缩薄膜的声表面波电流传感器

说明书

本发明公开了一种基于图形化磁致伸缩薄膜的声表面波电流传感器，所述声表面波电流传感器包括：压电基片(22)、感知延迟线(21)、参考延迟线(23)和SiO₂薄膜(212)，所述感知延迟线(21)和参考延迟线(23)平行且同向，设置于压电基片(22)上；所述感知延迟线(21)和参考延迟线(23)的结构相同；所述SiO₂薄膜(212)沉积于感知延迟线(21)和参考延迟线(23)的表面上，所述图形化磁致伸缩薄膜设置在所述SiO₂薄膜(212)表面上，在所述感知延迟线(21)的传播路径上。本发明电流传感器通过采用一种平行且同向设置的双延迟线型结构，并将磁致伸缩薄膜材料进行图形化以提升传感器检测灵敏度、一致性与稳定性。

技术领域

本发明涉及电流传感器领域，具体涉及一种基于图形化磁致伸缩薄膜的声表面波电流传感器。

背景技术

研究在智能电网线路检测、电力冶金与轨道交通中供电安全预警与救援、工业自动化中电源继保等领域具有重要意义。现代电力系统的发展朝向大容量、高压电、小型紧凑以及输配电系统自动化的发展方向，电流传感器在电力系统控制保护和监控中起到了枢纽作用，因此，现代电网的发展对电流传感器不仅提出了小型化，高可靠与稳定性的要求，还要求它具有高、低压全隔离、抗电磁干扰性好、宽频带、无铁磁饱和以及灵敏度高等特点。相对于传统霍尔及光纤电流传感技术，声表面波(SAW：Surface acoustic wave)电流传感器具有快速响应、结构简单、抗干扰能力强、使用寿命长以及体积小等特点，特别是可以实现无线无源的电流检测手段，大大提高了系统安全性，在智能电网线路检测、电力冶金与轨道交通中供电安全预警与救援、工业自动化中电源继电保护等领域，极具工程应用前景和重大的学术价值。

为应对现有电流传感器凸显的瓶颈问题，Leonhard Reindl和R.Steindl等提出将一种无线问询的延迟线结构声表面波(Surface acoustic wave：SAW)器件与磁阻效应相结合的新型电流检测技术。所谓磁阻效应即在外磁场中半导体磁敏感材料受到与电流方向相垂直方向的磁场作用时，由于洛仑兹力的作用，电子流动的方向发生改变，使路径加长，从而使得磁敏材料阻值增大。图1为这种SAW电流传感器的结构示意图，雷达通过天线发射电磁波信号，并通过连接声表面波器件的叉指换能器的天线所接收，并被叉指换能器转换成沿器件压电基片表面传播的声表面波，该声波又被设置于声波传播方向的叉指型反射器所反射。连接磁敏电阻的叉指型反射器阻抗及反射率由于磁敏电阻的对于电流变化引起的磁场变化的感知而发生相应变化，从而导致在叉指型反射器上反射声波的传播特性发生变化，并通过叉指换能器重新转换成为电磁波通过天线被雷达所接收。通过分析SAW器件时域响应特性即可提取出电流场的变化。这种传感器表现出快速响应、结构简单、抗干扰能力强、使用寿命长以及体积小等特点，特别是可以实现无线无源的电流检测手段，大大提高了系统安全性。

但是从目前的实验报道情况来看，这种SAW与磁阻效应结合的电流检测技术在灵敏度与温度稳定性等方面还遇到一些瓶颈问题，首先，基于磁阻效应的磁敏材料在大电流检测中磁场敏感度不够高，传感器采用SAW器件时域幅度响应来作为传感量，导致了电流检测灵敏度及精度不高；此外，缺乏环境温度变化的补偿方法、物理功能结构的优化设计以及传感机理模型的系统性认知，导致目前SAW技术离实用化距离甚远。

近年来，一种磁致伸缩薄膜材料以其高磁敏特性引起人们的较大的兴趣。如FeCo及FeNi合金具有较好的综合性能，较为理想的单晶磁致伸缩常数(约400×10^-6)，不含稀土元素，价格低廉，良好的韧性，并可以承受拉应力和剪应力，且能承受较强震动等特点。但是由于磁滞现象导致这种采用磁致伸缩薄膜材料的SAW电流传感器在电场增加与降低情况下响应不一致，极大的影响到了传感器的响应一致性与稳定性。因此，将磁致伸缩薄膜材料图形化，可将磁致伸缩效应最大化并有效降低磁滞影响，从而使电流传感器获得更高的检测灵敏度、更好的线性度和一致性。