CN104062607B - 一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，包括X‑Y向梯度计、Z向梯度计和信号引线。X‑Y向梯度计包括十字形衬底、巨磁阻抗薄膜，Z向梯度计包括长方形衬底、巨磁阻抗薄膜，电桥的输入端联结点处、输出端联结点处进行信号引线，信号引线以梯度计整体几何中心成三维中心对称排布。本发明具有高精度、微型化、低成本、宽频响、信息量丰富等特点。本发明通过平面薄膜制备立体结构的设计，解决了基于巨磁阻抗薄膜的全张量空间磁场梯度计的空间一致性问题，首次实现了尺寸为芯片级的磁场梯度测量传感器的设计。

Description

一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计

技术领域

本发明涉及一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，属于梯度计技术领域。

背景技术

所谓全张量矢量磁场梯度是指磁场矢量的三个分量沿着三维空间基底方向的变化量。对于全张量矢量磁场梯度信息的测量是以磁传感器为基本单元通过合理的空间排布和适当连接方式而构成的。按磁场的测量原理可以分为，霍尔效应、磁阻效应、巨磁阻效应、巨磁阻抗效应、核进动、超导量子干涉仪(SQUID)等。由于原理上的限制，基于霍尔效应的全张量磁场梯度计受温度影响大，精度低，在多数应用条件下不能满足测量对象的精度要求。目前刚刚出现且逐渐成熟的全张量矢量磁场梯度计是以SQUID为基本元件组合而成的，由于这种新型的磁场测量带来的全新应用和适应复杂背景的应用，目前国外对中国进行严密的技术封锁，世界上掌握基于SQUID全张量矢量磁场测量技术的国家只有三个，典型代表有：美国特瑞斯坦技术公司(Tristan Technologies，Inc.)研制的三轴SQUID磁力仪(ModelG377)，德国耶拿物理学高技术研究所(Institute for Physical High-Technology，IPHT)研制的MAGSAFE系统和澳大利亚联邦科学工业研究组织(CSIRO)研究的GETMAG装置(R Stolz,V Zakosarenkko,M Schulz,et al..Magnetic full-tensor SQUIDgradiometer system for geophysical applications,2006,25(2):178～180)。公开的测试数据表明，其磁场梯度探测分辨率在0.01nT/m的量级。然而，SQUID需要在低温下进行工作，使用和维护费用高昂；对应用环境要求也较高，对背景噪声控制要求也高，加上高性能持久耐用的约瑟夫森结(SQUID的核心)制备具有较大的困难，限制了SQUID全张量梯度计的大规模应用。此外，由于磁场梯度张量的测量是通过不同位置传感器测量值的差分来替代理论上的微分而获得的，因此高精度的磁场梯度测量需要在更小的尺度上实现更好。综上所述，一种高精度、微型化、低成本、宽频响的用于测量全张量磁场梯度张量的传感器有着迫切的科学技术需求和和广泛的工程应用前景，基于GMI(Giant MagneticImpedance)原理的全张量矢量磁场梯度计就是这样一种理想传感器。

国内的研究主要集中在地质勘探，医学检测。目前也有一些面向磁性目标定位的应用，但是实验结果方面的报道较少。哈尔滨工程大学针对磁性目标定位问题提出了矢量磁力计的最简单配置，但是只能测量磁场梯度张量九个分量中的部分分量，并非全张量梯度计。“十五”以来，研制完成了HC-07氦光泵磁力仪、航空磁场水平梯度仪、多通道航空磁测数字自动补偿仪等。多通道航空磁测数字自动补偿仪和数据收录一体化系统的研制工作和航空磁场矢量梯度测量系统集成取得一定的进展。

众所周知，磁场是矢量场。磁场梯度是磁场对位移的导数，即沿着空间某一方向移动无限小的距离时，磁场的变化量。由于考虑问题的角度和实际应用的原理各不相同，一般而言，又将磁场梯度区分为磁场标量(各分量矢量合成后取矢量模)梯度，磁场矢量梯度和磁场梯度张量。

具体而言，假设空间中某点的磁场强度为H＝(H_x,H_y,H_z)，则其磁场标量梯度g定义为：

$g=\frac{dH}{dr}---\left(1\right)$

其中：r为给定方向上的距离，H_x,H_y,H_z是磁场矢量沿x,y,z三个方向的分量。H为磁场强度。

磁场矢量梯度定义为：

$g_3=\left(\begin{array}{c}{g}_x\\ g_y\\ g_z\end{array}\right)=\frac{dH}{dr}=\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dH}}_x}{dr}\\ \frac{{\mathrm{dH}}_y}{dr}\\ \frac{{\mathrm{dH}}_z}{dr}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中：g_x,g_y,g_z是磁场矢量沿x,y,z三个方向的梯度值。d为微分算子。

磁场梯度张量G是指磁场沿着空间坐标系的三个基底的变化率，即磁场矢量对空间矢量求导。其数学微分算子表达形式为:

$G=\frac{\∂H}{\∂r}==(n\·\▿H_x)i+(n\·\▿H_y)j+(n\·\▿H_z)k---\left(3\right)$

其中：和分别为偏微分算子和旋度算子。n是位置矢量的方向向量。i,j,k是空间直角坐标系分别沿x,y,z方向的基。公式(3)还可以等价地写成梯度张量的矩阵形式有：

$G=\left(\begin{array}{ccc}{\∂}_x{H}_x& {\∂}_y{H}_x& {\∂}_z{H}_x\\ {\∂}_x{H}_y& {\∂}_y{H}_y& {\∂}_z{H}_y\\ {\∂}_x{H}_z& {\∂}_y{H}_z& {\∂}_z{H}_z\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中，矩阵各元素所代表的物理意义为空间某点磁场的q分量沿p方向的变化率。

根据上述基本物理学定义，可以通过在空间不同位置配置磁传感器，对磁传感器测量结果进行运算或采取适当的电路连接方式获得梯度信息。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统梯度计尺寸大、精度低、对使用环境要求高以及难以测量全张量磁场梯度的不足，提出一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，利用GMI材料在磁场作用下产生的巨大的阻抗变化，通过双臂差动惠斯通电桥并结合薄膜微加工技术将磁场引起的阻抗变化转换为电压信号而制成的高灵敏度、微小型尺寸的全张量磁场梯度计。本发明的微型全张量磁场梯度计在医学磁法检测以及无损检测等领域有着巨大的应用潜力。

传统磁场的测量仅仅表征的是空间某点各方向的磁场强度信息，对于测量点周围磁场的变化情况无法表征，而这种测量点周围的磁场变化情况往往包含了更丰富的有用信息。磁场梯度张量就是表征这种变化信息的物理量之一，它是指磁场矢量的各个分量沿着空间X,Y,Z三个方向单位长度的磁场变化率。磁场梯度张量具有对称性、张量不变性等特点，其受磁化方向影响小，可以更好的描述磁场源，而且包含了更丰富的信息，因此，近年来国内外磁测量领域对磁场梯度张量的理论与应用研究十分关注。传统磁场梯度计存在的弊端在于只能测量某个方向的磁场梯度得到的磁场梯度信息不完善。而且，即便是基于SQUID的全张量磁场梯度计也存在着使用成本高、体积大对使用环境要求高、装备笨重，国外技术封锁等问题。本发明是一种高精度、微型化、低成本、宽频响的用于测量全张量磁场梯度张量的传感器，可以在医学磁测量诊断、磁法地质勘探、无损检测以及目标定位等领域得到一定的应用和延伸。

一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，包括X-Y向梯度计、Z向梯度计和信号引线；

X-Y向梯度计包括十字形衬底、巨磁阻抗薄膜，十字形衬底的X方向一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_x1、巨磁阻抗薄膜R_x4，X方向另一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_x2、巨磁阻抗薄膜R_x3；十字形衬底的Y方向一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_y1、巨磁阻抗薄膜R_y2，Y方向另一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_y3、巨磁阻抗薄膜R_y4；X方向、Y方向的孔尺寸和厚度均相同，X-Y向梯度计中心位置设有过孔，过孔宽度与Z轴梯度计厚度一致，长度与Z轴梯度计长度相同，过孔平行Y方向；

Z向梯度计包括长方形衬底、巨磁阻抗薄膜，长方形衬底的两侧，分别设有四个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_z1、巨磁阻抗薄膜R_z2、巨磁阻抗薄膜R_z3、巨磁阻抗薄膜R_z4，Z方向的孔尺寸和厚度与X-Y向梯度计上孔相同；

巨磁阻抗薄膜R_x1、巨磁阻抗薄膜R_x2、巨磁阻抗薄膜R_x3、巨磁阻抗薄膜R_x4、巨磁阻抗薄膜R_z1、巨磁阻抗薄膜R_z2、巨磁阻抗薄膜R_z3、巨磁阻抗薄膜R_z4形成梯度计；

Z向梯度计插入X-Y向梯度计中心处的过孔中，形成全张量磁场梯度计；

巨磁阻抗薄膜的链接方式为差动惠斯通电桥方式，并通过电流源驱动工作，巨磁阻抗薄膜R_k1、巨磁阻抗薄膜R_k4、巨磁阻抗薄膜R_k2、巨磁阻抗薄膜R_k3分别作为电桥的四臂，k代表x,y,z三个方向，电桥驱动输入端位于R_k1、R_k2联结点处和R_k3、R_k4联结点处；电桥的输出端即表征磁场梯度信的电压信号的输出位于R_k1、R_k3联结点处和R_k2、R_k4联结点处；

电桥的输入端联结点处、输出端联结点处进行信号引线，信号引线以梯度计整体几何中心成三维中心对称排布。

本发明的优点在于：

第一、可以达到0.1nT/m的高精度磁场梯度测量；

第二、可达芯片级别的小尺寸，比传统梯度计小1-2个数量级；

第三、与传统标量梯度计及单一方向矢量梯度计相比，测量的磁场梯度信息更加丰富，可以测量空间磁场沿着空间各个方向的变化率；

第四、对于工作环境要求低，可靠性高；

第五、频率响应范围宽。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的X-Y向梯度计；

图3是本发明的Z向梯度计；

图4是本发明的各方向电路连接原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，用于测量空间磁场沿各个方向的变化情况，如图1、图2、图3所示，包括X-Y向梯度计、Z向梯度计和信号引线；

X-Y向梯度计如图2所示，包括十字形衬底、巨磁阻抗薄膜，十字形衬底的X方向一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_x1、巨磁阻抗薄膜R_x4，X方向另一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_x2、巨磁阻抗薄膜R_x3；十字形衬底的Y方向一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_y1、巨磁阻抗薄膜R_y2，Y方向另一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_y3、巨磁阻抗薄膜R_y4；X方向、Y方向的孔尺寸和厚度均相同，X-Y向梯度计中心位置设有过孔，过孔宽度与Z轴梯度计厚度一致，长度与Z轴梯度计长度相同，过孔平行Y方向。

Z向梯度计如图3所示，包括长方形衬底、巨磁阻抗薄膜，长方形衬底的两侧，分别设有四个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_z1、巨磁阻抗薄膜R_z2、巨磁阻抗薄膜R_z3、巨磁阻抗薄膜R_z4，Z方向的孔尺寸和厚度与X-Y向梯度计上孔相同。

巨磁阻抗薄膜R_x1、巨磁阻抗薄膜R_x2、巨磁阻抗薄膜R_x3、巨磁阻抗薄膜R_x4、巨磁阻抗薄膜R_z1、巨磁阻抗薄膜R_z2、巨磁阻抗薄膜R_z3、巨磁阻抗薄膜R_z4形成梯度计。

Z向梯度计插入X-Y向梯度计中心处的过孔中，形成全张量磁场梯度计。

X-Y向梯度计的八个巨磁阻抗薄膜以“十字形”中心呈轴对称布置，其中，巨磁阻抗薄膜R_x1、R_x2、R_x3、R_x4的敏感轴方向一致，巨磁阻抗薄膜R_y1、R_y2、R_y3、R_y4的敏感轴方向一致，巨磁阻抗薄膜R_z1、R_z2、R_z3、R_z4的敏感轴方向一致。每个方向上的四个巨磁阻抗薄膜中心连线构成矩形，其长、宽分别为10mm和2mm。

巨磁阻抗薄膜的链接方式为差动惠斯通电桥方式，并通过电流源驱动工作，如图4所示，巨磁阻抗薄膜R_k1、巨磁阻抗薄膜R_k4、巨磁阻抗薄膜R_k2、巨磁阻抗薄膜R_k3分别作为电桥的四臂，k代表x,y,z三个方向，电桥驱动输入端位于R_k1、R_k2联结点处和R_k3、R_k4联结点处。电桥的输出端即表征磁场梯度信的电压信号的输出位于R_k1、R_k3联结点处和R_k2、R_k4联结点处。

电桥的输入端联结点处、输出端联结点处进行信号引线，信号引线以梯度计整体几何中心成三维中心对称排布，旨在降低干扰和误差。

所述的梯度计封装采用无磁、真空磁导率为1的绝缘材料制成以保证磁场及其梯度测量的准确性。

所述的敏感材料为巨磁阻抗薄膜，巨磁阻抗薄膜以镧锰氧薄膜或钴硅硼薄膜为基本材料。

本发明梯度计的基本原理为：

当巨磁阻抗薄膜的敏感轴方向与磁场方向相同时其阻抗会增加，当巨磁阻抗薄膜的敏感轴方向与磁场方向相反时其阻抗会减少，不同的磁场强度引起的巨磁阻抗薄膜阻抗变化程度不同。

下面以Z向梯度计为例说明本发明的工作原理，假设四个巨磁阻抗薄膜的阻抗在均匀磁场时中(包括无磁场)均为a+bi，此时电桥输出电压为0。(其中a为电阻分量，b为电抗分量，i为虚数单位)。当Z向梯度计置于不均匀磁场当中时，设巨磁阻抗薄膜R_z1、R_z4由于距离很近，阻抗变化情况相同，为(a+Δa)+(b+Δb)i，而与之相距较远的R_z2、R_z3阻抗变化是(a-Δa)+(b-Δb)i，其中，Δa、Δb分别表示由于外加磁场而引起的薄膜电阻变化值和电抗变化值。

由于惠斯通电桥的激励电流采取直流恒流I₀与交变电流i₀叠加，阻抗的电阻分量变化Δa与直流成分I₀的综合作用将引起输出电压产生直流成分U₀。

其变化量由基本电路分析可知：U₀＝Δa I₀

阻抗的变化Δa+Δbi与交流成分i₀的综合作用将引起输出电压产生交流成分u₀。

其变化量由基本电路分析可知：u₀＝(Δa+Δbi)i₀

因此在不均匀磁场下梯度计的输出应为U＝U₀+u₀＝Δa I₀+(Δa+Δbi)i₀。

至此，通过检测输出信号的直流成分和交流成分并将其幅值与标准磁场梯度进行校准，即可得到该方向的磁场梯度。其他磁场梯度分量的测量原理与上述推导相同。

本发明的一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，使用方法如下：

第一步：上电；

对使用恒流源叠加交变电流对巨磁阻抗薄膜构成的惠斯通电桥进行激励。

第二步：调零；

将本发明装置置于匀强磁场下(可以使用亥姆赫兹线圈产生)，记录输出电压为U。一般而言，该输出电压U应该接近于零。

第三步：标定；

将本发明装置置于均匀梯度的磁场下，记录不同磁场梯度下，各方向梯度计的输出电压。具体步骤包括

1、选定某一方向的梯度计，置于均匀梯度的磁场下；记录该磁场梯度下该方向梯度计的输出电压。

2、改变均匀磁场梯度的值，记录不同磁场梯度下该方向梯度计的输出电压。

3、换其他方向重复1-2步

4、对1-3步得到的磁场梯度强度——梯度计输出电压作成曲线，供测量时查询。

第四步：测量；

具体步骤包括：

1、将本发明装置置于被测磁场中；

2、记录各方向梯度计的输出电压；

3、将各个方向的输出电压与第三步得到的曲线一一对应查询，得到空间磁场梯度信息。

Claims (4)

1.一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，包括X-Y向梯度计、Z向梯度计和信号引线；

X-Y向梯度计包括十字形衬底、巨磁阻抗薄膜，十字形衬底的X方向一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_x1、巨磁阻抗薄膜R_x4，X方向另一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_x2、巨磁阻抗薄膜R_x3；十字形衬底的Y方向一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_y1、巨磁阻抗薄膜R_y2，Y方向另一端设有两个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_y3、巨磁阻抗薄膜R_y4；X方向、Y方向的孔尺寸和厚度均相同，X-Y向梯度计中心位置设有过孔，过孔宽度与Z轴梯度计厚度一致，长度与Z轴梯度计长度相同，过孔平行Y方向；

Z向梯度计包括长方形衬底、巨磁阻抗薄膜，长方形衬底的两侧，分别设有四个孔，孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_z1、巨磁阻抗薄膜R_z2、巨磁阻抗薄膜R_z3、巨磁阻抗薄膜R_z4，Z方向的孔尺寸和厚度与X-Y向梯度计上孔相同；

巨磁阻抗薄膜R_x1、巨磁阻抗薄膜R_x2、巨磁阻抗薄膜R_x3、巨磁阻抗薄膜R_x4、巨磁阻抗薄膜R_z1、巨磁阻抗薄膜R_z2、巨磁阻抗薄膜R_z3、巨磁阻抗薄膜R_z4形成梯度计；

Z向梯度计插入X-Y向梯度计中心处的过孔中，形成全张量磁场梯度计；

巨磁阻抗薄膜的连接方式为差动惠斯通电桥方式，并通过电流源驱动工作，巨磁阻抗薄膜R_k1、巨磁阻抗薄膜R_k4、巨磁阻抗薄膜R_k2、巨磁阻抗薄膜R_k3分别作为电桥的四臂，k代表x,y,z三个方向，电桥驱动输入端位于R_k1、R_k2联结点处和R_k3、R_k4联结点处；电桥的输出端即表征磁场梯度的电压信号的输出位于R_k1、R_k3联结点处和R_k2、R_k4联结点处；

电桥的输入端联结点处、输出端联结点处进行信号引线，信号引线以梯度计整体几何中心成三维中心对称排布。

2.根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，所述的X-Y向梯度计的八个巨磁阻抗薄膜以“十字形”中心呈轴对称布置，其中，巨磁阻抗薄膜R_x1、R_x2、R_x3、R_x4的敏感轴方向一致，巨磁阻抗薄膜R_y1、R_y2、R_y3、R_y4的敏 感轴方向一致，巨磁阻抗薄膜R_z1、R_z2、R_z3、R_z4的敏感轴方向一致，每个方向上的四个巨磁阻抗薄膜中心连线构成矩形。

3.根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，所述的梯度计封装采用无磁、真空磁导率为1的绝缘材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，所述的巨磁阻抗薄膜以镧锰氧薄膜或钴硅硼薄膜为基本材料。