CN114966487A - 磁场发生器和具有该磁场发生器的磁传感器 - Google Patents

Abstract

一种磁场发生器，包括：上层线圈(20)，其由第一导电材料构成并形成具有线圈部分(21)的环形电路；下层线圈(30)，其由第二导电材料构成并形成具有线圈部分(31)的环形电路，所述线圈部分(31)以预定距离与上层线圈的线圈部分相对布置；及基板(10)，其支撑所述上层线圈和所述下层线圈，并且具有位于所述上层线圈和所述下层线圈之间的介电材料。相反相位的高频电流分别通过所述上层线圈和所述下层线圈，并且所述上层线圈中的线圈部分和所述下层线圈中的线圈部分的每环长度与所述高频电流的一个波长匹配。

Description

磁场发生器和具有该磁场发生器的磁传感器

技术领域

本公开总体上涉及一种磁场发生器和具有该磁场发生器的磁传感器。

背景技术

为了比较，专利文献1(日本未审专利公开号2008-2933)公开了一种与磁场发生器对应的环隙谐振器，该磁场发生器在线圈的轴向上产生高频磁场。在环隙谐振器中，在环形电极(换句话说，筒形电极)的整个圆周方向上产生相同路径的电场。也就是说，在由电极形成的筒的内部延伸到筒的外部的路径中在筒的轴向上的一端处产生磁场，并且沿着筒的外周表面将磁场进一步引导到筒的另一端，并且磁场返回到筒的内部。因此，在线圈的轴向上产生高频磁场，其穿过由电极形成的筒形线圈的内部。

发明内容

在本发明的一个实施例中，利用使用包括NV中心(NVC：氮空位中心)的金刚石元件的光学检测磁共振(ODMR)来检测磁场的磁传感器作为示例。这种磁传感器由磁场发生器、光源和光接收单元组成，所述磁场发生器由金刚石元件和线圈组成，所述线圈施加微波频带中的高频磁场以引起金刚石元件的电子自旋共振(ESR)，所述光源用绿光照射金刚石元件以用于自旋初始化和用于激发NVC的不成对电子，所述光接收单元接收的光是金刚石元件中的波长转换的红色荧光。在这种磁传感器中，通过用ODMR读取具有不成对电子的NVC的基态中的塞曼分离的能量差来测量外部磁场的强度。也就是说，由该磁传感器测量的外部磁场的强度是金刚石元件的位置处的强度，并且此外，该磁传感器的特征在于其对外部磁场(测量的磁场)的灵敏度仅在与由磁场发生器施加到金刚石元件的高频磁场的方向正交的方向上受到限制。

当磁场发生器如专利文献1中那样由筒形环隙谐振器构成时，假设线圈的轴向是Z方向并且垂直于轴向的平面是XY平面，则在Z轴方向上产生高频磁场，并且所产生的外部磁场的灵敏度轴线包括在与Z轴方向正交的XY平面中。

如果需要检测微小的外部磁场，则必须使磁场源和磁传感器彼此更靠近。如果传感器是筒形环隙谐振器，则必需要使检测目标更靠近筒的内部。然而，由于在XY平面上存在环形线圈、谐振器和其上设置有上述环形线圈和谐振器的基板，因此谐振器(即，筒)和检测目标可以彼此靠近的程度可能存在一定的限制。

另一方面，如果外部磁场源直接放置在筒形磁场发生器的上方或下方，即，在轴向上的两个邻近位置中的一个位置处，则两者之间的距离变短，但是因为环隙谐振器在轴向方向上没有灵敏度，所以不能测量外部磁场。为了在轴向上产生灵敏度，必须在XY平面中产生高频磁场。

本公开的目的是提供一种磁场发生器，当线圈的轴向被设置为Z轴并且垂直于Z轴的平面被设置为XY平面时，该磁场发生器能够在XY平面中产生高频磁场，并且还提供一种具有上述磁场发生器的磁传感器。

在针对上述目的的此类磁场发生器的一个方面中，磁场发生器包括：

上层线圈，其由第一导电材料制成，并提供具有线圈部分的环形电路；

下层线圈，其由第二导电材料制成，并提供具有线圈部分的环形电路，所述线圈部分被布置成以预定距离面对所述上层线圈的线圈部分；

基板，其支撑所述上层线圈和所述下层线圈，并使用介电材料作为所述上层线圈和所述下层线圈之间的填充物；以及

接地层，其具有接地电位并且被布置成在所述基板的一个表面和另一个表面上将所述上层线圈和所述下层线圈夹在中间。

此外，反相的高频电流分别通过上层线圈和下层线圈，并且将上层线圈中的线圈部分的每环长度和下层线圈的每环长度分别调整为高频电流的一个波长。

根据这种配置，具有上层线圈的基板的上层部分和具有下层线圈的基板的下层部分在上层部分的下层线圈面对部处的下层部分的上层线圈面对部处，分别具有相同的磁场方向。以这种方式，在上层线圈和下层线圈之间的位置处，可生成具有XY平面作为磁场方向的高频磁场。

注意，附于每个部件等的括号中的附图标记表示(i)所述部件等与(ii)在下述实施例中的具体部件等之间相对应的示例。

附图说明

图1是根据第一实施例的设置有磁场发生器的磁传感器的总体构造图；

图2是示出沿图1的线II-II截取的截面图的示图；

图3是示出从图1中提取的磁场发生器的图；

图4A是示出当基板的介电常数相同时环形电路的布线的物理长度和电长度之间的关系图；

图4B是示出当环形电路的布线的物理长度相同时，基板的介电常数和电长度之间的关系图；

图5A是示出在下层线圈中产生的磁场的透视图；

图5B是示出在下层线圈和上层线圈中产生的磁场以及由此产生的高频磁场的透视图；

图6是示出在下层线圈和上层线圈中产生的磁场以及由此产生的高频磁场的截面图；

图7是高频电流的波形图；

图8是示出作为比较例的由缠绕多次的绕组线圈产生的高频磁场的截面图；

图9A是通过用箭头模拟示出流过上层线圈和下层线圈的电流的方向的图；

图9B是图9A中的IXB区域的放大图；

图9C是图9A中的IXC区域的放大图；

图10是示出由磁场发生器产生的高频磁场的模拟结果图；

图11是示出根据第二实施例设置在磁传感器中的磁场发生器的图；

图12是示出在下层线圈和上层线圈中产生的磁场以及由此产生的高频磁场在图11的XII-XII截面中的截面图；

图13是示出根据第三实施例设置在磁传感器中的磁场发生器的图；

图14是沿图13中的XIV-XIV线截取的截面图；

图15是示出根据第四实施例设置在磁传感器中的磁场发生器的图；

图16是沿图15中的XVI-XVI线截取的截面图；

图17是示出根据第五实施例设置在磁传感器中的磁场发生器的图；

图18是上层线圈中的第一引线部分和第二引线部分之间的作为点G至K的各种位置的图示；

图19A是示出高频电流的驻波与图18中的点G至K之间的关系的图；

图19B是示出高频电流的驻波与图18中的点G至K之间的关系的图；

图20A是示出第六实施例中磁场方向为顺时针的状态图；

图20B是示出第六实施例中磁场方向为逆时针的状态图；

图21是根据第七实施例的设置有磁场发生器的磁传感器的总体构造图；

图22是沿图21的XXII-XXII线截取的截面图；

图23是示出从图21中提取的磁场发生器的图；

图24是通过用箭头模拟示出流过上层线圈和下层线圈的电流的方向的图；以及

图25是示出由磁场发生器产生的高频磁场的模拟结果的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。在以下实施例中，相同或等同的部分由相同的附图标记表示。

(第一实施例)

下面描述第一实施例。在本实施例中，描述了设置有磁场发生器的磁传感器。磁传感器基于由磁场发生器生成的高频磁场来测量(即，检测)外部磁场。如图1所示，磁传感器被配置为除了磁场发生器1之外还包括金刚石2、光源3、温度控制单元4、测量单元5等。

如图1至图3所示，磁场发生器1通过将两个环形的上层线圈20和下层线圈30以重叠、分层的方式布置在基板10上来构造。在附图中，XY平面是平行于基板10的表面(例如，上表面)的平面，并且相对于XY平面的法线方向是平行于Z轴的方向。此外，磁场发生器1设置有上层电源40和下层电源50，上层电源40是用于使上层线圈20通电的机构，下层电源50是用于使下层线圈30通电的机构。

基板10支撑上层线圈20和下层线圈30。例如，基板10由环氧基树脂材料等制成，并且在内部具有包括上层线圈20和下层线圈30的结构。由基板10的一部分组成的电介质夹在上层线圈20和下层线圈30之间。

这里，基板10被设置为多层基板，其通过层叠和组合多个印刷电路板而具有内置在其中的上层线圈20和下层线圈30。例如，制备多个印刷电路板，其分别具有覆盖有金属箔(诸如铜箔)的前表面和后表面，其中一些印刷电路板通过蚀刻被图案化以形成上层线圈20、下层线圈30等。然后，通过压制处理等将图案化之后的印刷电路板组合/集成，以形成其中内置有上层线圈20和下层线圈30的基板10。

此外，如图1至图3所示，基板10形成有穿透上层线圈20和下层线圈30的内部的通孔11。通孔11可以形成为穿透基板10的前表面和后表面，在这种情况下，通孔11具有柱形形状。金刚石2和稍后描述的温度控制单元4布置在通孔11中。

注意，尽管在图1和图3中省略，但是如图2所示，上层线圈20和下层线圈30夹在基板10的前表面和后表面之间并且具有接地电位的上GND层12和下GND层13被对称地布置(下文中“接地”可以被指定为GND)。以这种方式，通过在基板10上竖直对称地布置上GND层12和下GND层13来构造微带线。上GND层12和下GND层13形成为至少覆盖上层线圈20的线圈部分21和下层线圈30的线圈部分31。然后，上GND层12例如在线圈部分21和线圈部分31外部的位置处被部分地移除，并且经由移除的部分，分别实现上层电源40和上层线圈20之间的电连接以及下层电源50和下层线圈30之间的电连接。此外，通孔11形成为穿透上GND层12和下GND层13。

上层线圈20具有线圈部分21、部分地切出线圈部分21的狭缝22以及引线部分23，引线部分23布置在狭缝22的两侧上并且在线圈部分21的外周方向上引出。线圈部分21和引线部分23例如由第一导电材料制成，例如上述的铜等。

线圈部分21构成由环形线圈构成的环形电路。具体地，线圈部分21具有带有预定宽度的环形形状，并且每环的长度(即，一个环的电长度)被设定为从上层电源40流出的高频电流的一个波长。也就是说，分布的恒定电路被配置为使得高频电流的一个波长和电长度被设为大致相同。当使用接近2.87GHz的高频电流时，一个波长约为100mm。因此，线圈部分21的半径约为16mm。

然而，由于波长缩短率根据线圈周围的材料(即，基板10的介电常数)而变化，因此可以根据波长缩短率来设置线圈部分21的每环电长度。例如，当由玻璃环氧树脂构成的FR4用作环氧基树脂材料时，介电常数约为4，这使得半径由于波长缩短率而约为8mm，并且线圈部分21的每环长度被设定为约50mm。

通常，在图4A中示出了当基板的介电常数相同时环形电路的布线的物理长度和电长度之间的关系。在图4A中，L表示基准长度，并且1L、2L、5L和10L表示通过将基准长度乘以数值放大率而获得的长度。此外，在图4B中示出了当环形电路的布线的物理长度相同时，基板的介电常数和电长度之间的关系。在图4B中，εr表示相对介电常数，εr:1、εr:2、εr:5、εr:10和εr:20表示相对介电常数的数值。如这些图中所示，环中的电长度与物理长度成比例，并且介电常数越高，电长度越长。因此，在本实施例中，由环形线圈组成的线圈部分21的每环的电长度基于与布线对应的上层线圈20的物理长度和基板10的相对介电常数来设定。

线圈部分21的一个环的长度和高频电流的一个波长不必完全匹配。也就是说，如果如稍后所述在产生高频磁场时，XY平面可以定向为在磁场方向，则线圈部分21的一个环的长度和高频电流的一个波长可以彼此不同。例如，即使发生±20％的偏差，也在XY平面上产生磁场，但是该偏差优选在±10％内。此外，上述通孔11具有与线圈部分21的尺寸相对应的尺寸，并且如果线圈部分21的半径约为16mm，则通孔11的半径被设定为小于该半径。

狭缝22是设置在线圈部分21的一端和另一端之间的间隙，其可以是例如十分之几mm到几mm，并且线圈部分21的除该间隙之外的一个环的长度被设定为高频电流的波长。

引线部分23具有从线圈部分21的一端引出的第一引线部分23a和第二引线部分23b，并且第一引线部分23a连接到上层电源40，并且第二引线部分23b连接到GND。结果，形成了从上层电源40流出的电流从第一引线部分23a通过线圈部分21流到第二引线部分23b的电流路径。此外，为了抑制从第二引线部分23b流到GND的电流的反射，在第二引线部分23b和GND之间的位置处设置电阻器60。

下层线圈30具有与上层线圈20对应的形状。下层线圈30也具有线圈部分31、部分地切出线圈部分31的狭缝32、以及布置在狭缝32的两侧并在线圈部分31的外周方向上引出/延伸的引线部分33。线圈部分31和引线部分33例如由第二导电材料制成，例如如上所述的铜等。

线圈部分31构成由环形线圈组成的环形电路。具体地，线圈部分31形成的形状和尺寸与上层线圈20的线圈部分21相同，并且被布置成以预定距离面向线圈部分21。

狭缝32也具有与上层线圈20的狭缝22相同的尺寸。在本实施例中，狭缝32形成在与狭缝22相同的位置处。

引线部分33具有从线圈部分31的一端引出的第一引线部分33a和第二引线部分33b，并且第一引线部分33a连接到下层电源50，并且第二引线部分33b连接到GND。以这种方式，形成从下层电源50流出的电流从第一引线部分33a经由线圈部分31流到第二引线部分33b的电流路径。此外，为了抑制从第二引线部分33b流到GND的电流的反射，在第二引线部分33b和GND之间的位置处设置电阻器70。

上层线圈20的线圈部分21的中心和下层线圈30的线圈部分31的中心对准/匹配，并且它们的中心轴线是Z轴。中心轴线也可以被称为线圈中心轴线。此外，在上层线圈20和下层线圈30之间，平行于线圈部分21和线圈部分31的一个表面是XY平面。

上层电源40是向上层线圈20供应高频电流的高频电源。上层电源40产生高频电流，其中一个波长是线圈部分21的一个环的长度。下层电源50是向下层线圈30供应高频电流的高频电源。下层电源50产生高频电流，其中一个波长是线圈部分31的一个环的长度。这里，约2.87GHz的高频电流从上层电源40和下层电源50通过。

磁场发生器1以上述方式配置。尽管稍后描述以这种方式配置的磁场发生器1的细节，但是在位于上层线圈20和下层线圈30之间的XY平面中产生高频磁场。

金刚石2对应于测量外部磁场的磁场测量元件，并且布置在通孔11中。金刚石2被布置成待定位于在上层线圈20和下层线圈30之间的位置处产生高频磁场的XY平面中。当用具有特定波长的光照射金刚石2，并且当向其施加高频磁场时，金刚石2经历波长转换以产生荧光。

光源3例如使用激光束作为具有特定波长的光来照射金刚石2。光源3布置在基板10的外部，即，上层线圈20和下层线圈在径向方向上的外部，并且通过上层线圈20和下层线圈之间的空间用光照射金刚石2。这里，例如，光源3被布置成使得激光沿着XY平面照射。然而，光源3也可以布置成使得激光相对于XY平面倾斜地照射。例如，从光源3输出绿色激光束，并且通过金刚石2转换波长以产生红色荧光。

温度控制单元4用于调节金刚石2的温度。温度控制单元4布置成与金刚石2接触。金刚石2通过转换照射光的波长而产生荧光，此时发生能量损失并产生热量。温度控制单元4在产生热量时通过冷却金刚石2或通过其它方法调节金刚石2的温度。

测量单元5用于测量金刚石2发射的光，并且由光接收元件等组成。如上所述，当金刚石2发射荧光时，荧光在各个方向上输出。因此，通过将测量单元5布置在通孔11外部，测量单元5能够测量金刚石2的光发射。然后，测量单元5测量由金刚石2发射的光，以观察诸如金刚石2的形状等物理现象。由于金刚石2基于ESR吸收由于测量目标的不成对电子引起的能量并改变其特性，因此由测量目标产生的微小磁场通过/经由测量物理现象而变得可测量。

根据本实施例的包括磁场发生器1的磁传感器以上述方式配置。如上所述，根据本实施例的磁场发生器1产生高频磁场，并且金刚石2可以用作测量元件以测量外部磁场。此时，磁场发生器1被配置为产生具有在XY平面中对准的磁场方向的高频磁场，并且另外，由于基板10较薄，因此由测量目标产生的微小磁场在基板10上方和下方的前表面和后表面上变得可以测量。此外，由于通孔11是通过挖空基板10而形成的，因此作为微小磁场源的测量目标可以更靠近金刚石2或高频磁场，从而可以更精确地测量微小磁场。

这里，与常规结构相比，描述了可以如上所述将高频磁场的磁场方向设置为XY平面的机制。

如上所述，本实施例的磁场发生器1具有以重叠方式布置的上层线圈20和下层线圈30，上层线圈20和下层线圈30分别从上层电源40和下层电源50接收高频电流的供应。此外，当从基板10的法线方向观察时，上层线圈20的引线部分23和下层线圈30的引线部分33布置成具有相同的位置。在这样的配置中，具有180°相位差的高频电流被施加到上层线圈20和下层线圈30。然后，将高频电流的频率设置为大约2.87GHz，使得高频电流的一个波长基本等于上层线圈20的线圈部分21和下层线圈30的线圈部分31的一个环的长度。

在以下描述中，在高频电流的供应开始时刻，在上层线圈20的线圈部分21和下层线圈30的线圈部31分的输入高频电流的端部(即，引线部分)处的高频电流的相位被称为初始相位。

当这种高频电流例如在下层线圈30中通过时，如图5A和图6所示，高频电流从第一引线部分33a传递(即，流动)到第二引线部分33b。在这种情况下，在作为第一引线部分33a的位置的0°点P1和作为第二引线部分33b的位置的360°点P2处，电流的极性在关于线圈中心轴线的点对称位置处彼此反转。例如，假设在任意时刻在从0°到360°的每个位置处流动的高频电流的波形如图7所示，则相位在点P3和P4处反转，并且电流的方向变得彼此相反。因此，例如，在图5A中的90°的位置点P3和270°的位置点P4处，当从第一引线部分33a和第二引线部分33b观察时，基于右手螺旋法则产生逆时针磁场E1和E2。

另一方面，由于与下层线圈30的相位差为180°的高频电流被传递到上层线圈20，因此在上层线圈20中产生与下层线圈30的相反的磁场。因此，例如，当示出点P3和P4的位置处的磁场时，上层线圈20具有在其中产生的顺时针磁场E3和E4，并且下层线圈30具有在其中产生的逆时针磁场E1和E2，分别如图5B和图6所示。

因此，在基板10中的点P3和P4的位置处/周围，或者换句话说，在上层线圈20和下层线圈30之间的位置处，磁场E1至E4的方向彼此匹配(即，对准)，即，(A)磁场E1和E3在具有上层线圈20的上层部分的下部(即，在靠近下层线圈30的位置)和具有下层线圈30的下层部分的上部(即，在靠近上层线圈20的位置)处具有相同的方向，并且(B)磁场E2和E4在具有上层线圈20的上层部分的下部(即，在靠近下层线圈30的位置)和具有下层线圈30的下层部分的上部(即，在靠近上层线圈20的位置)处具有相同的方向。以这种方式，在上层线圈20和下层线圈30之间产生高频磁场H，其具有从点P4到点P3的方向作为磁场方向，如图5B中的白色箭头所示。由于在上层线圈20和下层线圈30中流动的电流是高频电流，因此电流幅度取最大值的位置和电流幅度取最小值的位置分别发生改变，从而产生在XY平面上磁场方向相应改变的高频磁场。

作为图8所示的比较例，考虑直流电在基板J10中设置有缠绕多次的线圈J20的结构中通过的情况。在这种配置的情况下，电流在相对于线圈中心轴线对称的位置处反向。因此，如图(图8)所示，在附图左侧的位置处产生逆时针磁场EJ1，在该位置处，在线圈J20的多个绕组中的每一个中，线圈20中的电流沿从纸面的后面朝向读者上升的方向流动。此外，在附图右侧的位置处产生顺时针磁场EJ2，在该位置处，电流在远离读者沉入纸面的方向上流动。因此，在线圈J20中产生在线圈中心轴线方向上的高频磁场HJ。在这种情况下，测量目标需要布置在基板J10的横向侧上，即，在线圈J20的径向方向上的外侧上，由于上述结构，这可能对测量目标相对于线圈J20可定位的接近程度造成限制。此外，如果测量目标被放置在基板J10的正上方或正下方，即，在线圈J20的轴向上，则尽管到测量目标的距离变短，但是外部磁场是可测量的，因为磁传感器在轴向上不具有灵敏度。

因此，可以说，如本实施例中那样，使用能够使XY平面沿着磁场方向的磁场发生器1是有效的。

如上所述，在本实施例的磁场发生器1中，上层线圈20和下层线圈30被布置成能够分别从上层电源40和下层电源50供应高频电流。此外，当从基板10的法线方向观察时，上层线圈20的引线部分23和下层线圈30的引线部分33布置成具有相同的位置。在这种配置中，具有180°相位差的高频电流通过上层线圈20和下层线圈30。高频电流的一个波长的长度被设定为基本上等于上层线圈20的线圈部分21和下层线圈30的线圈部分31的一个环的长度。

在这种构造中，在其中设置有上层线圈20的基板10的上层部分的下层线圈30侧上产生的磁场的方向与在其中设置有下层线圈30的基板10的下层部分的上层线圈20侧上产生的磁场的方向匹配。这使得可以在上层线圈20和下层线圈30之间的位置处产生具有XY平面作为磁场方向的高频磁场。

因此，具有这种磁场发生器1的磁传感器被配置为在上层线圈20和下层线圈30的轴向上具有灵敏度，并且产生非常小磁场的测量目标靠近基板10的直接/正上方或直接/正下方。因此，使这种磁传感器更精确。

此外，本实施例的磁场发生器1分别包括向上层线圈20供应高频电流的上层电源40和向下层线圈30供应高频电流的下层电源50。因此，可分别从上层电源40和下层电源50向上层线圈20和下层线圈30供应具有相反相位的高频电流。

具体地，关于本实施例的磁场发生器1，通过模拟来研究上层线圈20和下层线圈30中的电流流动以及所产生的高频磁场。结果，获得图9A至9C和10所示的图。

当高频电流通过上层线圈20和下层线圈30并且高频电流具有180°相位差的相反相位时，在图9A至9C中用箭头示出了任意时刻的各个部分处的电流方向。也就是说，在上层线圈20中，电流的方向在相对于线圈中心轴线的点对称位置处彼此相反。类似地，在下层线圈30中，电流的方向在相对于线圈中心轴线的点对称位置处彼此相反。此外，在相对于线圈中心轴线的相同角度位置处，上层线圈20和下层线圈30中的电流沿相反方向流动。然后，如图9C中所示，在上层线圈20中，从相对于线圈中心轴线与引线部分23相对的一侧的任意位置处产生电流，并且在下层线圈30中，电流流入相对于线圈中心轴线与引线部分23相对的一侧上的任何/任意位置。

因此，在图10所示的截面图中，上层线圈20产生顺时针磁场，下层线圈30产生逆时针磁场。因此，如图10所示，在金刚石2的位置处，可产生指向纸面左侧的高频磁场，这表明可在XY平面中产生高频磁场。

(第二实施例)

描述了第二实施例。在本实施例中，上层线圈20和下层线圈30的构造与第一实施例不同，并且其他部分与第一实施例相同。因此，集中描述这种差异。

如图11和图12所示，在本实施例中，设置在磁场发生器1中的上层线圈20和下层线圈30均具有双层结构。也就是说，上层线圈20由第一线圈210和第二线圈220组成，下层线圈30由第三线圈310和第四线圈320组成。

第一线圈210被配置为具有线圈部分211、狭缝212和引线部分213。线圈部分211、狭缝212、包括第一引线部分213a和第二引线部分213b的引线部分213具有与第一实施例中描述的线圈部分21、狭缝22和引线部分23相同的构造。此外，第二线圈220被配置为具有线圈部分221、狭缝222和引线部分223。线圈部分221、狭缝222、具有第一引线部分223a和第二引线部分223b的引线部分223具有与第一实施例中描述的线圈部分21、狭缝22和引线部分23相同的构造。然而，这里，第一线圈210的狭缝212和引线部分213的设置位置与第二线圈220的狭缝222和引线部分223的设置位置不同，并且该位置相对于线圈中心轴线在两者间偏移180°。

此外，上层电源40包括第一上层电源41和第二上层电源42。第一上层电源41连接到第一引线部分213a以使第一线圈210通电，并且第二上层电源42连接到第一引线部分223a以使第二线圈220通电。

此外，设置将第二引线部分213b连接到GND并用于反射抑制的电阻器61，并且设置将第二引线部分223b连接到GND并用于反射抑制的电阻器62。

第三线圈310被配置为具有线圈部分311、狭缝312和具有第一引线部分313a和第二引线部分313b的引线部分313。线圈部分311、狭缝312和引线部分313具有与第一实施例中描述的线圈部分31、狭缝32和引线部分33相同的构造。此外，第四线圈320被配置为具有线圈部分321、狭缝322和具有第一引线部分323a和第二引线部分323b的引线部分323。线圈部分321、狭缝322和引线部分323具有与第一实施例中描述的线圈部分31、狭缝32和引线部分33相同的构造。然而，这里，第三线圈310的狭缝312和引线部分313的设置位置与第四线圈320的狭缝322和引线部分323的设置位置不同，并且该位置相对于线圈中心轴线在两者间偏移180°。

此外，下层电源50包括第一下层电源51和第二下层电源52。第一下层电源51连接到第一引线部分313a以使第三线圈310通电，并且第二下层电源52连接到第一引线部分323a以使第四线圈320通电。

此外，设置将第二引线部分313b连接到GND并用于反射抑制的电阻器71，并且设置将第二引线部分323b连接到GND并用于反射抑制的电阻器72。

在这种配置中，高频电流通过构成上层线圈20的第一线圈210和第二线圈220，使得相对于线圈中心轴线成相同角度的电流同相。也就是说，相对于第一线圈210和第二线圈220，由于引线部分213和引线部分223的位置偏移180°，所以要通过的高频电流的相位也偏移180°。

此外，相对于线圈中心轴线以相同角度具有相同相位的高频电流也通过构成下层线圈30的第三线圈310和第四线圈320。然而，对于第三线圈310和第四线圈320，提供了与第一线圈210和第二线圈220具有180°相位差的高频电流。也就是说，由于第三线圈310和第四线圈320的引线部分313和引线部分323的位置也偏移180°，因此要通过的高频电流的相位也偏移180°。此外，关于第三线圈310，由于引线部分313以与第一线圈210的引线部分213相同的角度布置，因此高频电流相对于第一线圈210异相180°。类似地，关于第四线圈320，由于引线部分323以与第二线圈220的引线部分223相同的角度布置，因此高频电流相对于第二线圈220异相180°。

以这种方式，如图12所示，可以在第一线圈210和第二线圈220中相对于线圈中心轴线以相同的角度生成相同方向上的磁场E3和E4。此外，可以在第三线圈310和第四线圈320中相对于线圈中心轴线以与第一线圈210和第二线圈220的磁场E3和E4相同的角度生成相反方向上的磁场E1和E2。

因此，即使上层线圈20和下层线圈30由两层组成，也可以在上层线圈20和下层线圈30之间产生具有XY平面作为磁场方向的高频磁场H。如果上层线圈20和下层线圈30以这种方式由两层组成，则可以增加由上层线圈20和下层线圈30产生的磁场强度，并且可以产生更强的高频磁场。

(第三实施例)

描述第三实施例。本实施例是第一实施例中的上层线圈20和下层线圈30的布局的修改，并且对于其他部分具有与第一实施例相同的配置。因此，集中描述其差异。

如图13和14所示，在本实施例中，上层线圈20的狭缝22和引线部分23的形成位置与下层线圈30的狭缝32和引线部分33的形成位置是不同的。这里，上层线圈20的狭缝22和引线部分23的形成位置以及下层线圈30的狭缝32和引线部分33的形成位置相对于线圈中心轴线偏移90°。具体地，假设上层线圈20中的第一引线部分23a的位置为0°并且第二引线部分23b的位置为360°，则下层线圈30中的狭缝32和引线部分33布置成270°。

在这样的配置中，流过上层线圈20的高频电流的初始相位被设置为90°，并且流过下层线圈30的高频电流的初始相位被设置为0°。以这种方式，高频电流的相位在上层线圈20和下层线圈30中可以相对于线圈中心轴线以相同的角度偏移180°。

因此，即使上层线圈20的狭缝22和引线部分23的形成位置与下层线圈30的狭缝32和引线部分33的形成位置相对于线圈中心轴线具有不同的角度，即不具有相同的角度，也可以获得与第一实施例相同的效果。

这里，上层线圈20的狭缝22和引线部分23的形成位置以及下层线圈30的狭缝32和引线部分33的形成位置相对于线圈中心轴线偏移90°。然而，偏移角当然也可以不是90°。

(第四实施例)

描述第四实施例。在本实施例中，上层线圈20和下层线圈30的形状相对于第一至第三实施例改变，并且其他部分与第一至第三实施例中相同。因此，仅描述与第一至第三实施例不同的部分。

如图15和16所示，在本实施例中，上层线圈20的线圈部分21和下层线圈30的线圈部分31不是环形而是方形。具体地，线圈部分21形成为由两个相对的短边和两个相对的长边组成的矩形形状，并且狭缝22和引线部分23布置在一个短边上。类似地，线圈部分31形成为由两个相对的短边和两个相对的长边组成的矩形形状，并且狭缝32和引线部分33布置在一个短边上。线圈部分21和线圈部分31布置为彼此面对，从而它们的短边彼此重叠且其长边彼此重叠(在平面图中)。

狭缝22、引线部分23、狭缝32和引线部分33可以相对于线圈中心轴线以与第一实施例中相同的角度布置。然而，在本实施例中，它们布置的位置偏移180°。在这种布置中，具有0°初始相位的高频电流可以通过上层线圈20和下层线圈30。

以这种方式，即使当线圈部分21和线圈部分31具有四边形形状时，如果每环的长度被设置为流过它们的高频电流的一个波长，则也可以实现与第一实施例相同的效果。

此外，当线圈部分21和线圈部分31具有矩形形状时，通过调整纵横比(其是XY平面上的矩形形状的竖直尺寸与水平尺寸的比率)，磁场方向是可控的。当线圈部分21和线圈部分31具有矩形形状时，纵横比对应于长边与短边的比率。在这种配置中，可以沿着长边在箭头E的方向上产生弱高频磁场，并且沿着短边在箭头F的方向上产生强高频磁场。因此，可以基本上在箭头F的方向上控制磁场的方向。

(第五实施例)

描述第五实施例。本实施例与第一至第四实施例的相同之处在于，输入到上层线圈20和下层线圈30的高频电流的形式从第一实施例到第四实施例发生改变。因此，本实施例仅描述与第一至第四实施例不同的部分。

如图17所示，在本实施例的磁场发生器1中，设置了调节流过上层线圈20的高频电流的相位的相位调节器80和调节流过下层线圈30的高频电流的相位的相位调节器90。然后，通过相位调节器80对从上层电源40输出的高频电流进行相位调节，并且具有相同相位的高频电流通过第一引线部分23a和第二引线部分23b二者到达线圈部分21的两端。类似地，从下层电源50输出的高频电流由相位调节器90进行相位调节，并且具有相同相位的高频电流通过第一引线部分33a和第二引线部分33b二者到达线圈部分31的两端。

在以这种方式配置的磁场发生器1中，可以通过流过上层线圈20和下层线圈30的高频电流产生驻波。例如，如图17和18所示，为了说明相位，上层线圈20具有四个点G至K，从第一引线部分23a侧的一端到第二引线部分23b侧的另一端相对于线圈中心轴线基本上彼此间隔90°。在这种情况下，例如，高频电流作为输入I和输入II被供应到线圈部分21的两端，并且高频电流的相位差被设置为0°(即，输入I和II之间没有相位差)。以这种方式，如图19A所示，可以通过高频电流产生具有最大幅度的驻波，该驻波具有作为节点的点G、I和K的位置以及作为腹点的点H和J的位置。在这种情况下，可以产生磁场方向在以下两个方向之间重复交替的高频磁场：即，从点H到点J的方向和从点J到点H的方向。

此外，例如，当从线圈部分21的两端流动的高频电流的相位差被设定为180°时，如图19B所示，可以产生以点G、I和K的位置作为腹点并且以点H和J的位置作为节点的驻波。在这种情况下，可以产生磁场方向在以下两个方向之间重复交替的高频磁场，即，从点G或点K到点I的方向和从点I到点G或点K的方向。

此外，尽管已经参考图18、图19A和图19B描述了上层线圈20的示例，但是这同样适用于下层线圈30。然后，分别在上层线圈20和下层线圈30中形成具有180°相位差的驻波。以这种方式，可以实现两个磁场方向之间的匹配。也就是说，在其中设置有上层线圈20的基板10的上层部分的下层线圈30侧上产生的磁场的方向与在其中设置有下层线圈30的基板10的下层部分的上层线圈20侧上产生的磁场的方向是匹配的。因此，可以产生具有XY平面作为磁场方向的高频磁场。

以这种方式，可以通过允许高频电流从上层线圈20和下层线圈30的两端流动来产生驻波。因此，在将磁场方向限制到某个/特定方向的同时，在XY平面上可生成具有180°的交替磁场方向的高频磁场。

注意，在本公开中，基于上层电源40的一个信号源产生从第一引线部分23a和第二引线部分23b两者输入的高频电流的相位调节器80可以是可修改的。也就是说，相位调节器80不仅基于一个信号调节相位并将其分成两个信号，而且还可以使用两个信号调节每个信号的相位并将调节后的信号作为高频电流输出。当然，这同样适用于相位调节器90。

(第六实施例)

描述第六实施例。本实施例与第一至第四实施例的相同之处在于，输入到上层线圈20和下层线圈30的高频电流的形式从第一实施例到第四实施例发生改变。因此，本实施例仅描述与第一至第四实施例不同的部分。

在本实施例的磁场发生器1中，如图20A和20B所示，进一步修改了与第一实施例等相同的配置，用于控制到上层线圈20的高频电流的输入方向为可切换的，从而允许作为圆极化波的磁场方向的顺时针和逆时针旋转。例如，如图20A和20B所示，在上层线圈20与上层电源40和电阻器60之间设置输入切换开关100，用于切换接收高频电流输入的上层线圈20的输入端。此外，尽管未示出，但是下层线圈30也像上层线圈20一样在下层线圈30和下层电源50或电阻器70之间的位置处设置有输入切换开关100，用于切换高频电流的输入。

以这种方式，可以控制XY平面上的磁场方向的旋转方向。例如，从第一引线部分23a向上层线圈20输入高频电流，并且为了从第一引线部分33a输入高频电流，相对于上层线圈20向下层线圈30添加180°相位差。在这种情况下，如图20A所示，磁场的方向可以从点M向点L向右(即顺时针)旋转。相反，高频电流从第二引线部分23b输入到上层线圈20，并且为了从第二引线部分33b输入高频电流，相对于上层线圈20向下层线圈30添加180°相位差。在这种情况下，如图20B所示，磁场的方向可以从点L到点M向左(即，逆时针)旋转。

特别地，在使用金刚石NVC的磁传感器中，圆极化波用于高频磁场并且通过切换圆极化波的方向，不成对电子可以被选择性地泵送到简并度MS＝±1中的任一个。以这种方式，可以实现具有优异的最小分辨率的高灵敏度磁传感器。

(第七实施例)

描述第七实施例。在本实施例中，上层线圈20相对于第一至第六实施例被改变为谐振线圈，并且其他部分与第一至第六实施例相同。因此，在本实施例中仅描述与第一至第六实施例不同的部分。在下文中，作为示例描述了上层线圈20的线圈部分21和下层线圈30的线圈部分31分别具有如第一实施例中的环形形状的情况。然而，也可以是如第二至第六实施例中所示的配置。

如图21、图22和图23所示，上层线圈20仅由线圈部分21和狭缝22组成，并且不从电源向上层线圈20供应高频电流。那么，高频电流仅从电源50供应到下层线圈30。在这种配置中，当高频电流通过下层线圈30时，上层线圈20磁耦合或场耦合到下层线圈30，并且上层线圈20用作谐振线圈以产生LC谐振。因此，上层线圈20的谐振频率被调节到线圈部分31的每个环的长度对应于一个波长的频率。也就是说，将线圈部分31的电长度变为一个波长的频率设定为谐振频率。

也可以使用具有这种结构的磁场发生器1。在这种结构中，当高频电流通过下层线圈30时，相对于线圈中心轴线成相同角度的上层线圈20和下层线圈30的电流可控制为基于LC谐振在彼此相反的方向上流动。因此，如在第一实施例中那样，可以产生高频磁场，以使上层线圈20和下层线圈30之间的XY平面作为磁场方向。因此，可以实现与第一实施例相同的效果。

尽管在上层线圈20中形成有一个狭缝22，但是也不是必须要形成狭缝22，或者可以形成多个狭缝22。可以适当地设定狭缝22的数量和间隙的尺寸，使得基于LC谐振的谐振频率与线圈部分21的每个环的长度为一个波长的频率匹配。

此外，本实施例还可以应用于如第五实施例中的用于产生高频电流的驻波的构造。在这种情况下，该构造可以包括从下层线圈30的线圈部分31的两端供应高频电流的相位调节器90。

此外，本实施例也可以应用于第六实施例的构造。在这种情况下，由于高频电流不是从电源直接供应到作为谐振线圈的上层线圈20，因此可以将设置有输入切换开关100的结构应用于下层线圈30。

作为参考，关于本实施例的磁场发生器1，通过模拟来研究上层线圈20和下层线圈30中的电流流动和产生的高频磁场。获得了图24和图25所示的模拟结果。

当高频电流通过下层线圈30时，在任意时刻上层线圈20和下层线圈30的各个部分中的电流方向由图24中的箭头指示。也就是说，在下层线圈30中，电流方向在相对于线圈中心轴线的点对称位置处是相反的。此外，通过使高频电流流过下层线圈30，高频电流也流过上层线圈20，并且即使在上层线圈20中在相对于线圈中心轴线的点对称位置处，电流的方向也是相反的。此外，在相对于线圈中心轴线的相同角度的位置处，上层线圈20和下层线圈30中的电流沿相反方向流动。然后，如图24所示，上层线圈20处于从狭缝22侧的任意位置产生电流的状态，下层线圈30处于电流流入引线部分33侧的任意位置的状态。虽然表示电流方向的箭头被示出为在上层线圈20的相对于线圈中心轴线与狭缝22相对的一侧上从上层线圈20突出，但是电流实际上从上层线圈20的上端面朝向图24的右上角流动到其侧表面。

因此，在图25所示的截面中，上层线圈20产生顺时针磁场，下层线圈30产生逆时针磁场。因此，如图25所示，可以看出，(a)可以在金刚石2的位置处在纸面的左方向上产生高频磁场，以及(b)可以在XY平面中产生高频磁场。

(其他实施例)

尽管参考上述实施例描述了本公开，但是本公开开不限于这些实施例，而是可以包括在等同范围内的各种改变和修改。此外，各种组合和形式以及仅包括一个元件、多于一个元件或少于一个元件的其他组合和形式也在本公开的范围和构思内。

例如，在上述实施例每个中，给出了上层线圈20和下层线圈30设置在一个基板10中并集成的结构作为示例。然而，这仅是示例，并且基板10可以被分成多个片/层，并且可以具有这样的结构：其中可以单独地设置具有上层线圈20的上层部分和具有下层线圈30的下层部分，并且可以将介电膜夹在它们之间。在这种情况下，至少基板10的在上层线圈20和下层线圈30之间的一部分可以由介电材料制成/填充有介电材料。

此外，尽管在第二实施例中已经描述了上层线圈20和下层线圈30分别设置有两个层的情况，但是线圈20、30中的每一个可以仅具有一个层或者可以具有多个层，即，可以具有两个或更多个层。上层线圈20的层数和下层线圈30的层数可以相同或不同。此外，即使在上层线圈20和下层线圈30具有一层或多层的结构中，如第三实施例中所述，狭缝和引线部分也可以相对于线圈中心轴线以不同的角度布置。

此外，在第四实施例中，给出矩形形状作为上层线圈20的线圈部分21和下层线圈30的线圈部分31可以具有多边形形状的情况的一个示例。然而，这也仅是示例，并且线圈部分的形状也可以是除矩形之外的四边形，例如菱形，或者也可以是除四边形之外的多边形，例如三角形或五边形。当然，圆形/环形形状也可以是椭圆形形状，或者多边形形状的每个角可以被圆化。在第一至第三和第五至第七实施例中，由于上层线圈20的线圈部分21和下层线圈30的线圈部分31形成为环形形状，所以当假设XY平面的一个方向是竖直方向并且与其垂直的另一方向是水平方向时，XY平面上的线圈形状的竖直/水平尺寸的纵横比为1：1。然而，如果线圈部分21和线圈部分31具有椭圆形状，则可以使纵横比不同，并且可以在沿着具有较小纵横比的一侧的方向上产生强高频磁场。当然，即使当线圈部分21和线圈部分31具有除矩形之外的多边形形状时，也可以在沿着具有较小纵横比的一侧的方向上(即，通过使纵横比不同于1：1)产生强高频磁场。

此外，在上述实施例每个中，已经作为示例描述了(a)构成上层线圈20的第一导电材料和构成下层线圈30的第二导电材料是铜，并且(b)基板10的材料是环氧基树脂材料的情况。然而，这样的配置仅是示例，并且也可以使用其他材料。可以优选的是，上层线圈20和下层线圈30的构成材料相同，但是也可以使用不同的构成材料。

此外，在上述实施例每个中，已经描述了金刚石2作为磁场测量元件的示例，但是也可以使用除金刚石2之外的物体。此外，在上述实施例每个中，已经描述了将磁场发生器1应用于通过用激光束照射它来接收荧光的磁传感器的情况。然而，也可以应用于(a)通过照射激光束来获得电信号或(b)通过输入电信号来获得电输出的方法。也就是说，它可以应用于PDMR(光电流检测磁共振)、EDMR(电检测磁共振)等。

在上述实施例每个中，表述“上和下”被用作上层线圈20和下层线圈30，但是仅示出了构成两个环形电路的线圈以预定距离重叠和排列，并且不意味着顶部和底部的方向。

Claims (15)

1.一种磁场发生器，包括：

上层线圈(20)，其由第一导电材料构成并形成具有线圈部分(21)的环形电路；

下层线圈(30)，其由第二导电材料构成并形成具有线圈部分(31)的环形电路，所述线圈部分(31)以预定距离与所述上层线圈的线圈部分相对布置；

基板(10)，其支撑所述上层线圈和所述下层线圈，并且具有位于所述上层线圈和所述下层线圈之间的介电材料；以及

具有接地电位的接地层，其被布置成在所述基板的一个表面和另一个表面上将所述上层线圈和所述下层线圈夹在之间；

上层电源，其向所述上层线圈供应高频电流；以及

下层电源，其供应具有与供应给所述上层线圈的高频电流的相位相反的相位的高频电流，其中

相反相位的高频电流分别通过所述上层线圈和所述下层线圈，并且

所述上层线圈中的线圈部分和所述下层线圈中的线圈部分的每环长度与高频电流的一个波长匹配。

2.如权利要求1所述的磁场发生器，其中

所述上层线圈和所述下层线圈中的至少一个的线圈部分由以预定距离彼此面对的多个线圈制成。

3.如权利要求1或2所述的磁场发生器，其中

平行于所述上层线圈和所述下层线圈的线圈部分并且位于所述上层线圈和所述下层线圈之间的平面被指定为XY平面，其中一个方向被称为竖直方向，而另一个方向被称为水平方向，并且

所述上层线圈或所述下层线圈的线圈部分关于沿竖直和水平维度的尺寸具有为1的纵横比。

4.如权利要求1或2所述的磁场发生器，其中

平行于所述上层线圈和所述下层线圈的线圈部分并且位于所述上层线圈和所述下层线圈之间的平面被指定为XY平面，其中一个方向被称为竖直方向，而另一个方向被称为水平方向，并且

所述上层线圈或所述下层线圈的线圈部分关于沿竖直和水平维度的尺寸具有不是1的纵横比。

5.如权利要求1或2所述的磁场发生器，还包括：

电阻器(60、70)。

6.如权利要求5所述的磁场发生器，还包括：

狭缝(22)形成在所述上层线圈的线圈部分中，并且来自所述上层电源的高频电流被供应到线圈部分的由所述狭缝形成的两端之一；

狭缝(32)形成在所述下层线圈的线圈部分中，并且来自所述下层电源的高频电流被供应到线圈部分的由所述狭缝形成的两端之一；

输入切换开关(100)，用于切换来自所述上层电源的高频电流以流向所述上层线圈的线圈部分的两端中的哪一端；以及

输入切换开关(100)，用于切换来自所述下层电源的高频电流以流向所述下层线圈的线圈部分的两端中的哪一端。

7.如权利要求5所述的磁场发生器，还包括：

相位调节器(80)，用于通过将来自所述上层电源的高频电流供应到线圈部分的由狭缝(22)形成的两端，在所述上层线圈中产生高频电流的驻波；以及

相位调节器(90)，用于通过将来自所述下层电源的高频电流供应到线圈部分的由狭缝(32)形成的两端，在所述下层线圈中产生高频电流的驻波。

8.如权利要求1或2所述的磁场发生器，其中

所述上层线圈是磁耦合或电耦合到所述下层线圈的谐振线圈，

电源(50)被设置为用于向所述下层线圈供应高频电流，并且

通过将高频电流供应给所述下层线圈，具有与供应给所述下层线圈的高频电流相反相位的高频电流流过所述上层线圈。

9.如权利要求8所述的磁场发生器，其中

在所述下层线圈的线圈部分中形成有狭缝(32)，并且来自所述电源的高频电流被供应到线圈部分的由所述狭缝形成的两端中的一端，并且

提供输入切换开关(100)，用于切换所述下层线圈的线圈部分的两端中的哪一端来接收来自所述电源的高频电流供应。

10.如权利要求8所述的磁场发生器，其中

在所述下层线圈的线圈部分中形成有狭缝(32)，以及

提供相位调节器(90)，用于在将高频电流从所述电源供应到线圈部分的由所述狭缝形成的两端时，在所述下层线圈中产生高频电流的驻波。

11.一种磁传感器，包括：

如权利要求1或2所述的磁场发生器，其中

所述基板具有穿透所述基板的前表面和后表面并且穿过所述上层线圈和所述下层线圈的线圈部分的内侧的通孔(11)，以及

磁场测量元件(2)布置在所述通孔(11)中并测量外部磁场，以及

光源(3)用特定波长的光照射所述磁场测量元件。

12.如权利要求11所述的磁传感器，还包括：

测量单元(5)，其设置在所述磁场测量元件中用于接收所照射的光中的经波长转换的光。

13.如权利要求8所述的磁场发生器，其中

平行于所述上层线圈和所述下层线圈的线圈部分并且位于所述上层线圈和所述下层线圈之间的平面被指定为XY平面，其中一个方向被称为竖直方向，而另一个方向被称为水平方向，并且

所述上层线圈或所述下层线圈的线圈部分关于沿竖直和水平维度的尺寸具有为1的纵横比。

14.如权利要求8所述的磁场发生器，其中

平行于所述上层线圈和所述下层线圈的线圈部分并且位于所述上层线圈和所述下层线圈之间的平面被指定为XY平面，其中一个方向被称为竖直方向，而另一个方向被称为水平方向，并且

所述上层线圈或所述下层线圈的线圈部分关于沿竖直和水平维度的尺寸具有不是1的纵横比。

15.一种磁场发生器，包括：

上层线圈，其由第一导电材料构成并形成具有线圈部分的环形电路；

下层线圈，其由第二导电材料构成，并形成具有以预定距离与所述上层线圈的线圈部分相对布置的线圈部分的环形电路；

基板，其支撑所述上层线圈和所述下层线圈，并且具有位于所述上层线圈和所述下层线圈之间的介电材料；以及

接地层，其具有接地电位并且包括(i)位于所述基板的顶表面上的顶部接地层部分，以及(ii)位于所述基板的底表面上的底部接地层部分，使得所述上层线圈和所述下层线圈夹在所述顶部接地层部分和所述底部接地层部分之间，其中

相反相位的高频电流分别通过所述上层线圈和所述下层线圈，并且

所述上层线圈中的线圈部分和所述下层线圈中的线圈部分的每环长度与高频电流的一个波长匹配。

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