CN104880613A - 一种可穿戴电磁辐射计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴电磁辐射计，包括测量系统和设置在测量系统上的环状带，所述测量系统包括用来测量电磁辐射强度的电磁辐射测量模块、用来对电磁辐射测量模块供电的电源模块；所述电磁辐射测量模块包括磁性传感器芯片，所述磁性传感器芯片为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个等效磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的等效磁电阻，所述全桥结构包括四个等效磁电阻；所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件构成，所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构。本发明可以完成对电磁场精确测量，体积小且价格低廉。

Description

一种可穿戴电磁辐射计

技术领域

本发明涉及电磁辐射测量技术领域，特别是一种可穿戴电磁辐射计。

背景技术

由麦克斯韦方程组可知，变化的电场可以产生磁场，而变化的磁场可以产生电场，时变电磁场的电场和磁场不再相互独立，而是相互关联，构成一个整体——电磁场，电场和磁场分别是电磁场的两个分量。在离开发射源的无源空间中，电荷密度和电流密度矢量为零，电场和磁场仍然可以相互激发，从而在空间形成电磁振荡并传播，这就是电磁波。电磁波具有波粒二象性，其传播方向垂直于电场，其在真空中速率固定，速度为光速。电磁辐射可按照频率分类，从低频率到高频率，主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380-780 nm之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，因此，人们周边所有的物体时刻都在进行电磁辐射。尽管如此，只有处于可见光频域以内的电磁波，才可以被人们肉眼看到。

根据WHO组织对电磁辐射的解释，高频率（短波长）电磁波的光子会比低频率（长波长）电磁波的光子携带更多的能量。一些电磁波的每个光子携带的能量可以大到拥有破坏分子间化学键的能力。在电磁波谱中，放射性物质产生的伽马射线，宇宙射线和X光具有这种特性，被称作“电离性辐射”。光子的能量不足以破坏分子化学键的电磁场称作“非电离性辐射”。组成我们现代生活重要部分的一些电磁场的人造来源，像电力、微波、无线电波，在电磁波谱中处于相对长的波长和低的频率一端，它们的光子没有能力破坏化学键。

随着日益增长的用电需要，快速发展的新技术和社交方式的改变造就了越来越多的人造电磁场来源，环境中人造电磁场下的暴露量不断增加。从电力的产生和传输，家用电器，工业设备到电信和广播，无论家居还是工作，每个人都暴露在以复杂的方式混合的微弱的电场和微弱的磁场之中。与之伴随的，是人们对于自身健康的重视逐年加强，因此可以预见的是，对电磁辐射的测量会逐渐成为生活中必不可少的内容。通常电磁辐射检测设备都是应用于工业领域，目前市面上出售的各种家用电磁辐射计并不能精确地完成高频信号的检测，因为其采用的普通电磁场传感器不能精确的完成高频信号的测量，需要额外的电路做增益补偿，在家用领域，厂商很难将额外的增益补偿电路设计到廉价的家用电磁辐射计中。另一方面，市面上推出了很多防电磁辐射的相关产品，如防电磁辐射衣物（如中国公开号CN102747502A的专利：抗电磁辐射面料或中国公开号CN102813282A的专利：防电磁辐射内衣），但是仅仅以防治的方法防电磁辐射不能从根本上解决问题，且上述方案对于电磁辐射的防护也未得到有效的验证，由于现代化的生活要求对环境电磁辐射的大小进行精确的测量，然后再对整体环境的防护提出更有效和精确的解决方案。中国公开号为CN102967773A的专利申请：电磁辐射探测笔，提出了一种便携的用以电磁辐射强度的测量电磁辐射笔，但是该专利只是提出一个概念，并未提出有效的解决方案。

随着现代智能穿戴设备和移动设备的普及，将电磁辐射计集成到智能穿戴和移动设备中是一种发展趋势，而目前采用的电磁辐射计显然无法满足这个要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种可穿戴电磁辐射计，该可穿戴电磁辐射计可以完成对电磁场精确测量，体积小且价格低廉。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种可穿戴电磁辐射计，包括测量系统和设置在测量系统上的环状带，所述测量系统包括用来测量电磁辐射强度的电磁辐射测量模块、用来对电磁辐射测量模块供电的电源模块；

所述电磁辐射测量模块包括磁性传感器芯片，所述磁性传感器芯片为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个等效磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的等效磁电阻，所述全桥结构包括四个等效磁电阻，其中的两个串联的等效磁电阻与另两个串联的等效磁电阻并联；所述等效磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成；

所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件构成，所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构，所述多层膜结构包括纳米级薄膜自由层、非磁性层以及钉扎层。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，所述纳米级薄膜自由层、钉扎层分别位于非磁性层的上下两侧。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，所述半桥结构为推挽半桥或参考半桥或梯度半桥；所述全桥结构为推挽全桥或参考全桥或梯度全桥；所述半桥结构、全桥结构中的每个桥臂包括一个或多个磁场敏感方向相同的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，所述梯度全桥和梯度半桥中的所有桥臂的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的磁场敏感方向相同，并且梯度全桥中相对位置的两个桥臂位于空间中的同一位置，相邻位置的两个桥臂位于空间中的不同位置。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，所述自由层由磁性层或SAF层构成；所述非磁性层是由非磁性材料构成；所述钉扎层是磁性层-反铁磁层结构或SAF层-反铁磁层结构。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，所述半桥结构中的两个等效磁电阻的物理性质相同；所述全桥结构中的四个等效磁电阻的物理性质相同。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，所述环状带为柔性或刚性。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，所述测量系统还包括中央处理模块以及与其连接的显示模块和/或报警模块；所述电磁辐射测量模块与中央处理模块连接。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，所述报警模块为振动马达和/或扬声器。

作为本发明所述的一种可穿戴电磁辐射计进一步优化方案，还包括与中央处理模块连接的无线通讯模块。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出了一种民用的高精度可穿戴电磁辐射计，该可穿戴电磁辐射计可以完成对电磁场精确测量，且具有体积小和价格低廉的特点。

附图说明

图1是本发明提出的可穿戴电磁辐射计的结构示意图。

图2是巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的结构示意图。

图3是巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的输出曲线示意图。

图4是多个磁性隧道结元件的串联示意图。

图5是多个巨磁电阻元件的串联示意图。

图6是半桥结构的电连接示意图。

图7是半桥结构随外场变化的输出曲线示意图。

图8是全桥结构的电连接示意图。

图9是全桥结构随外场变化的输出曲线示意图。

图10是梯度全桥的物理位置摆放图。

图中的附图标记解释为：21-电磁辐射测量模块，22-中央处理模块，23-显示模块，24-报警模块，25-电源模块，26-微处理器，27-存储器，51-自由层，52-非磁性层，53-钉扎层，54-基底，55-第一电极层，56-第二电极层，61-自由层磁矩，63-钉扎层磁矩，41-磁电阻元件，32-磁场，11-磁性传感器芯片，1-磁性传感器芯片的敏感轴， 71-第一磁电阻，72-第二磁电阻，73-第三磁电阻， 74-第四磁电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种可穿戴电磁辐射计，包括测量系统和设置在测量系统上的环状带，所述测量系统包括用来测量电磁辐射强度的电磁辐射测量模块、用来对电磁辐射测量模块供电的电源模块；

所述电磁辐射测量模块包括磁性传感器芯片，所述磁性传感器芯片为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个等效磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的等效磁电阻，所述全桥结构包括四个等效磁电阻，其中的两个串联的等效磁电阻与另两个串联连接的等效磁电阻并联；所述等效磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成；

所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件构成，所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构，所述多层膜结构包括纳米级薄膜自由层、非磁性层以及钉扎层，所述纳米级薄膜自由层、钉扎层分别位于非磁性层的上下两侧。

如图1所示，本发明提出的可穿戴电磁辐射计包括测量系统和设置在测量系统上的环状带，所述测量系统包括电磁辐射测量模块21、中央处理模块22、显示模块23、报警模块24和电源模块25，其中，报警模块23和显示模块24可并存也可只设置报警模块23或显示模块24。环状带为一柔性或刚性环状带，可以固定在身体或其他适用的场合。所述电磁辐射测量模块21用以测量环境磁场，其输出信号传递至中央处理模块22，所述中央处理模块22用以接收和存储电磁辐射测量模块21的输出信号，并协调显示模块23以及报警模块24的工作。所述中央处理模块22包括微处理器26和存储器27，微处理器26用以协调各个模块的工作，存储器27用以信息存储。显示模块23的作用是显示电磁辐射值，其可以是液晶显示屏，也可以是指示灯或指示灯点阵，报警模块24的作用是对电磁辐射高的区域做出报警提示，其由扬声器和/或振动马达构成，电源模块25为所有需要用电的工作模块供电。本发明提出的可穿戴电磁辐射计还可以包括无线通讯模块，该模块可以是蓝牙，也可以为NFC，可以根据需求无线传输输出信号或通过手持智能终端对该可穿戴电磁辐射计进行操作。

电磁辐射测量模块用来测量待测物或待测区域的磁场，并输出数据信号经中央处理模块进行处理和存储，并控制显示模块、报警模块工作，显示模块用于显示电磁辐射值，报警模块用于对电磁辐射高的区域做出报警提示；无线通讯模块可以根据需求无线传输输出信号或通过手持智能终端对该可穿戴电磁辐射计进行操作。

近年来，以巨磁电阻元件（Giant Magneto-resistance, GMR）和磁性隧道结元件（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）为代表的磁电阻式传感元件较之现有的传感元件具有更小的体积，更高的精度和灵敏度，更好的温度特性以及高信噪比，被应用于信息存储技术领域中。

电磁辐射测量模块21包括磁性传感器芯片11和电路。磁性传感器芯片11用以测量待测物或待测区域的磁场32，所述电路与所述磁性传感器芯片11电连接，用以导入工作电流和信号输出。该磁性传感器芯片11由磁性传感元件构成，所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件构成。磁性传感器芯片11为单个芯片，可直接输出信号，前述的电路可以是输入输出引针，也可以包括放大单元、降噪单元或滤波单元，该电路结构位于PCB上或制成集成电路。本发明提出的可穿戴电磁辐射计由于采用了性能优异的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件，使得磁性传感器芯片11在具有小体积的同时具有高精度和高灵敏度的特性，从而不需要额外的电路进行补偿，在降低了体积的同时也降低了电磁辐射测量模块21的成本，实现了民用的廉价高性能高便携度的电磁辐射计。

图2是巨磁电阻元件和磁性隧道结元件的结构示意图。如图所示，磁电阻元件41可为磁性隧道结元件或者巨磁电阻元件，磁性隧道结元件或者巨磁电阻元件均包括纳米级薄膜自由层51、非磁性层52以及钉扎层53，位于第一电极层55、第二电极层56之间，且上述多层膜结构位于基底54上。自由层51可位于非磁性层52上层也可以位于非磁性层52下层，若自由层51位于非磁性层52下层，则钉扎层53位于非磁性层52的上层。对于巨磁电阻元件而言，第一电极层55、第二电极层56也可位于元件两侧。自由层51由磁性层（磁性层为由Fe、Co、Ni或上述三种铁磁材料的合金如CoFe、FeNi等，或Fe、Co、Ni与其他非磁性材料的合金如CoFeB等构成的单层薄膜或复合层薄膜）构成，也可以是SAF层（即磁性层-间隔层-磁性层三层结构或磁性层-间隔层的多层复合结构）结构（其中间隔层为非磁性金属材料构成，通常为Ru、Ta、Pt、Pb等），其磁矩61随外场变化；非磁性层52由非磁性材料构成，如果是巨磁电阻元件，则非磁性层52为金属材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道结元件，则为非金属材料，如AlO、MgO、HfO、ZrO或TaO等；钉扎层53的磁矩63不变，通常是磁性层-反铁磁层复合式结构或SAF层-反铁磁层结构。第一电极层55、第二电极层56由金属导体材料组成，实际应用中可通过第一电极层55、第二电极层56将多个元件串联或并联，或串并混合连接为一个等效电阻来使用，同时第一电极层55、第二电极层56还包含引导晶格生长的帽子层和种子层。当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63平行时，元件的阻值R最小，为R_L；当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63反平行时，元件的阻值R最大，为R_H，其输出曲线如图3所示，图中黑色箭头表示钉扎层的磁矩方向，白色箭头表示自由层磁矩方向。

在实际应用中，需要元件的阻值R在R_L和R_H之间线性变化，可以通过以下方式实现：例如在自由层51的上方或下方沉积反铁磁材料，或是在元件周围设置永磁体，或者是在元件周围设置电流线，或者是将元件设计为狭长的形状，例如矩形、椭圆形、长菱形等，利用其形状各向异性能偏置自由层磁矩以达到线性化的目的。通常磁电阻元件的厚度非常薄，因此可以将之看做二维的器件，因此在本发明中描述的磁电阻元件的形状即为俯视基底的角度所看到的形状。

在实验研究中，磁电阻纳米薄膜通过纳米或微加工技术制备成磁电阻元件使用，理论上每个磁电阻元件的物理参数是相同的，但是实际上由于磁电阻元件在制备过程中的一致性（Uniformity）问题所以很难达到高的一致性，同时由于设计上的需要，在传感器工业中很少使用单一磁电阻元件为敏感元件，而是将多个磁电阻元件串联、并联或串并混联连接起来成为一个等效的磁电阻。这样做的优势在于可以灵活的设置磁电阻的相关物理参数（如阻值），同时也降低了电子隧穿的风险，从而提高了良品率，实现了大规模生产。图4为一种串联方式，如图所示，多个磁性隧道结元件通过第一电极层55、第二电极层56串联起来。通常巨磁电阻元件的电连接方式是左右连接（巨磁电阻元件也可以根据需求设置为上下电极连接），如图5所示，巨磁电阻元件通过第一电层55电连接起来。

传感单元可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个等效磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个等效磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的等效磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的等效磁电阻连接构成，使用时都要通入稳恒电压或电流。由于单电阻结构只含有一个等效磁电阻，通入稳恒电流或电压后其输出信号即为其两端的电压变化，因此在此不再赘述，下文将对半桥和全桥结构详细阐述。

图6是半桥结构的电连接示意图。采用半桥结构传感单元的磁电位器为三端口式，第一磁电阻71和第二磁电阻72串联起来，三个端口V_bias、GND以及V_OUT通过输出引针接入系统，V_bias和GND之间通入稳恒电压或电流。半桥可以是参考半桥或推挽半桥。参考半桥的一个桥臂（第二磁电阻）72的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，另一个桥臂（第一磁电阻）71的阻值变化导致其两端电压（端口V_OUT和端口V_bias之间的电压）变化，该电压即为输出电压；推挽半桥则是两个桥臂71、72的磁场敏感方向相反，在受到同一个外场作用下一个阻值增大，一个阻值减小，外磁场的变化导致输出电压（端口V_OUT与端口V_bias或端口GND之间的电压）的变化；梯度半桥适用于梯度场，沿着梯度场的方向场强不同，导致两个敏感方向相同的磁电阻阻值变化不同，从而引起输出电压的变化，半桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图7所示。

图8是全桥结构的电连接示意图。第一磁电阻71和第二磁电阻72串联，第三磁电阻73和第四磁电阻74串联，串联的两个电阻对再并联，端口V_bias和GND之间通入稳恒电压或电流。全桥可以是参考全桥或推挽全桥。参考全桥分别位于左右半桥的两个桥臂71和74的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，桥臂73和74的磁场敏感方向相同，在同一外场作用下其阻值变化相同，从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。推挽全桥的桥臂71和74的磁场敏感方向相同，72和73的磁场敏感方向相同，71和72的磁场敏感方向相反，在同一外场的作用下，71和74阻值变大的同时72和73的阻值减小（或者71和74阻值减小的同时72和73阻值增大），从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。全桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图9所示。

降低磁电阻灵敏度的以构成参考半/全桥的桥臂可以采用但不局限于以下方式：如在磁电阻元件上沉积磁导率高的软磁材料，设置偏置场大的永磁体或沉积厚的反铁磁层等。通过以上方式可在一张晶圆上一次制备出参考全桥芯片。

在实际应用中经常会遇到外场干扰的情况，会影响到测量，从而给生产造成困难。如果磁场32为一梯度场，故采用抗干扰能力强且对测量距离不敏感的梯度计结构是一个很好的选择。梯度计式结构可以是梯度半桥也可以是梯度全桥。梯度半桥的连接方式可参考图7。沿着外磁场32为一梯度场的方向上处于不同物理位置的两个磁电阻71和73的阻值变化不同，从而产生输出，其输出信号曲线可参考图9。

图10是梯度全桥的物理位置摆放图。如图所示，1是磁性传感器芯片的敏感轴，沿着磁场32（该磁场为一梯度场）的方向，磁电阻71和74的位置相同，磁电阻72和73的位置相同，在端口V_bias和GND之间输入稳恒电压。在没有外场的作用下，磁电阻71、72、73、74的阻值相同，输出端没有电势差，无输出。当外场32施加于四个磁电阻上时，由于该磁场是梯度场，沿着梯度场方向的场强大小不同，则沿着梯度方向位置相同的磁电阻71和74的电阻值变化相同，磁电阻72和73的电阻值变化相同，磁电阻71和72（73和74）的阻值变化不同，则梯度全桥的输出端V+和V-之间具有输出电压V_OUT，其输出曲线可参考图9。

传感单元通过真空镀膜和微加工（或纳米加工）技术制备成晶圆，然后切割为单个芯片块（Die）后使用。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可穿戴电磁辐射计，包括测量系统和设置在测量系统上的环状带，所述测量系统包括用来测量电磁辐射强度的电磁辐射测量模块、用来对电磁辐射测量模块供电的电源模块；其特征在于，

所述电磁辐射测量模块包括磁性传感器芯片，所述磁性传感器芯片为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个等效磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的等效磁电阻，所述全桥结构包括四个等效磁电阻，其中的两个串联的等效磁电阻与另两个串联的等效磁电阻并联；所述等效磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成；

所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件构成，所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构，所述多层膜结构包括纳米级薄膜自由层、非磁性层以及钉扎层。

2.如权利要求1所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，所述纳米级薄膜自由层、钉扎层分别位于非磁性层的上下两侧。

3.如权利要求1所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，所述半桥结构为推挽半桥或参考半桥或梯度半桥；所述全桥结构为推挽全桥或参考全桥或梯度全桥；所述半桥结构、全桥结构中的每个桥臂包括一个或多个磁场敏感方向相同的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件。

4.如权利要求3所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，所述梯度全桥和梯度半桥中的所有桥臂的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的磁场敏感方向相同，并且梯度全桥中相对位置的两个桥臂位于空间中的同一位置，相邻位置的两个桥臂位于空间中的不同位置。

5.如权利要求1所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，所述自由层由磁性层或SAF层构成；所述非磁性层是由非磁性材料构成；所述钉扎层是磁性层-反铁磁层结构或SAF层-反铁磁层结构。

6.如权利要求1所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，所述半桥结构中的两个等效磁电阻的物理性质相同；所述全桥结构中的四个等效磁电阻的物理性质相同。

7.如权利要求1所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，所述环状带为柔性或刚性。

8.如权利要求1所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，所述测量系统还包括中央处理模块以及与其连接的显示模块和/或报警模块；所述电磁辐射测量模块与中央处理模块连接。

9.如权利要求8所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，所述报警模块为振动马达和/或扬声器。

10.如权利要求8所述的一种可穿戴电磁辐射计，其特征在于，还包括与中央处理模块连接的无线通讯模块。