《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Tuning sensitivity and noise in fluxgate sensors via controlled magnetization dynamics of CoFeSiB amorphous wires
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磁通门传感器灵敏度与噪声优化研究。通过拉伸应力退火调控Co基非晶线材磁性能，发现应力10g时实现最高灵敏度40μV/nT和最低噪声26pT/√Hz。灵敏度随AC激励电流先升后降，与过饱和磁导率相关；噪声与磁滞回线平方度负相关。揭示了动态磁性能与传感器性能的构效关系，为低噪声高灵敏度传感器设计提供理论依据。
作者：寿泽东、王定、潘丽宁、杨卫明、崔珍、马浩然、苏梦然、穆春阳、何爱娜、董亚强、满启奎、沈宝根、李家伟
中国科学研究院宁波材料技术与工程研究所，浙江省磁性材料与应用重点实验室，中国浙江省宁波市315201
摘要
磁通门传感器在高精度磁场测量中不可或缺，其在导航、航空航天和地球物理学领域有关键应用。然而，磁通门传感器与核心材料的动态磁参数之间的关联尚不清楚。在这项工作中，通过拉伸应力退火（TSA）调节了基于钴的非晶合金线的磁性能，并探讨了激励电流以及TSA线的动态磁性能对磁通门传感器灵敏度和噪声水平的影响。10 g的拉伸应力产生了最佳的灵敏度和噪声特性：最大灵敏度为40 μV/nT，最小噪声水平为26 pT/√Hz（在1 Hz频率下）。传感器的性能与TSA线的动态磁化行为和交流激励电流（IAC）相关。灵敏度（S）随着IAC的增加呈现出非单调趋势，先上升至峰值后下降。相对磁导率（μr）与IAC之间的相互作用导致在核心材料过饱和时S达到最大值。此外，电压噪声（Nv）与交流磁滞回线的矩形比（Br/Bs）之间存在强烈的负相关。这些发现为设计和优化高性能磁通门传感器提供了基础性见解，以适应低噪声、高灵敏度的应用需求。
引言
磁通门传感器是一种磁力计，它通过将目标磁场信号转换为电信号来检测磁场，这一过程基于磁芯对交流激励和直流外场的响应[1]、[2]、[3]。磁通门传感器由四个基本组件构成：磁芯、激励线圈、拾取线圈和控制电路。与其他磁传感器相比，磁通门传感器具有更高的灵敏度、精度、抗干扰能力和紧凑的设计，使其广泛应用于导航系统、矿物勘探、航空航天工程和国防技术[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。随着技术的发展，这些领域对极弱磁场的精确检测需求不断增加，对磁通门传感器的性能要求也随之提高，包括更高的灵敏度和更低的噪声水平。这两个参数在评估磁通门传感器的磁场分辨率方面起着重要作用。灵敏度（S）定义为磁通门传感器对外部磁场变化的响应，通常由输出电压（Usec）的二次谐波分量相对于施加的外部磁场的斜率确定，在线性工作区域内进行测量。噪声水平通常由1 Hz频率下的磁通密度噪声（Nm）表征。Nm可以通过将Nv与S的比值计算得出。Nv是在零场条件下对Usec进行快速傅里叶变换（FFT）得到的。
磁芯的性能对磁通门传感器的S和Nm起着决定性作用。研究表明，具有高磁导率和接近零磁致伸缩率的软磁材料可以显著提高S并降低Nm，从而提升磁通门传感器的检测能力。在这些材料中，基于钴的非晶合金由于其非晶结构和接近零的负磁致伸缩率，特别适合实现高S和低Nm[9]、[10]、[11]。此外，使用旋转水法制备的基于钴的非晶合金线[12]、[13]、[14]的直径通常约为100 μm，这使得设备能够实现小型化和减轻重量。在过去几十年中，基于钴的非晶合金在磁通门传感器应用中受到了广泛关注[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。然而，大多数研究主要集中在基于磁芯的静态磁性能分析磁通门传感器的性能。王等人[15]研究了Cu掺杂对CoFeSiB非晶合金线的影响。他们的结果显示，低Cu掺杂比例（1 at.%）将矫顽力（Hc）降低到4.8 Oe，从而导致1 Hz频率下的Nm降低到20 pT/√Hz，这是由于纳米晶结构和磁畴之间的耦合。Sarkar等人[18]和Diaconu等人[20]通过拉伸应力退火在基于钴的非晶带材中引入各向异性，以实现低噪声磁通门传感器所需的适当磁性能。Xu等人[23]发现纵向磁场退火可以有效降低磁各向异性和Hc，提高Co??Fe?Si??B??非晶带材的初始磁导率（μi），使S和Nm分别优化到41.82 mV/μT和2.14 nT。Can等人[26]调整了磁场退火条件，提高了基于钴的非晶合金线的μi和饱和磁场，从而优化了磁通门传感器的检测性能。结果，传感器的Nm从1 Hz时的44.4 nT/√Hz降低到1.4 nT/√Hz。
然而，这些研究主要集中在磁芯的静态磁性能变化及其与磁通门传感器性能的相关性上，这是不够的，因为磁通门传感器在运行过程中会受到交流激励。相比之下，只有少数研究在交流激励条件下探讨了磁芯的电磁性能[27]、[28]、[29]。例如，Yan等人[27]提出，可以根据实际传感器使用的激励电流下磁芯的阻抗来预测磁通门传感器的最佳性能。Kim等人[28]确认，正交磁通门传感器达到最大S的频率几乎与阻抗共振的频率相同。Liu等人[29]设计了一种使用Nb掺杂的CoFeNbSiB非晶带材作为磁芯的磁通门传感器，并在2.4 kHz、30 mA的激励电流下测量了磁芯的μr，这与传感器的激励条件相匹配。他们的结果表明，μr与S正相关，与Nm负相关。尽管这些研究关注了磁芯在交流激励条件下的特性，但缺乏对磁芯动态磁化性能的全面分析。此外，由于动态磁化性能取决于交流激励，这些条件和性能对磁通门传感器性能的影响值得进一步深入研究。
在这项工作中，使用旋转水法制备了Co??.?Fe?.?Si??B??.?非晶合金线，并在拉伸应力退火（TSA）后将其用作磁通门传感器的磁芯。系统地研究了不同激励电流下磁通门传感器的S和Nm。此外，在磁通门传感器的运行激励条件下还检测了磁芯的动态磁化性能，以详细了解磁通门传感器性能的变化。
实验程序
实验步骤
采用高纯度元素（Co（99.99 wt%）、Fe（99.99 wt%）、Si（99.99 wt%）和B（99.95 wt%）在氩气氛围中通过感应熔炼制备了名义组成为Co??.?Fe?.?Si??B??.?的合金锭。然后使用旋转水法制备了直径约为130 μm的非晶合金线。接下来进行TSA：将铸态非晶合金线在氩气氛围中以不同的拉伸应力（σ）下在520°C下退火10分钟
结果与讨论
成功地使用旋转水法制备了连续的基于钴的非晶合金线（图1a）。截面和表面形态的SEM图像（图1b–c）显示了铸态合金线的良好圆度和均匀直径。XRD图谱中的宽而轻微的散射峰（图1f）证实了铸态样品的完全非晶结构。DSC曲线（图1g）显示了两个明显的放热峰，这通常与...
结论
使用拉伸应力退火的基于钴的非晶合金线被用作磁通门传感器的磁芯。拉伸应力增加了磁芯的饱和激励电流Is，从而提高了线性操作所需的阈值激励电流IAC。发现10 g的最佳拉伸应力可以同时最大化灵敏度S并最小化噪声水平Nm，使得S达到40 μV/nT，Nm低至26 pT/√Hz（在1 Hz频率下）。S主要受μr的影响...
作者贡献声明
寿泽东：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据管理，概念化。
王定：数据管理。
潘丽宁：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，正式分析。
杨卫明：监督，正式分析。
崔珍：方法论。
马浩然：方法论，资金获取。
苏梦然：方法论。
穆春阳：方法论。
何爱娜：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。
董亚强：研究。
满启奎：监督。
沈宝根：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52301255和52401222）、浙江省自然科学基金（项目编号LQN25E010011）和宁波市自然科学基金（项目编号2024J073）的支持。
