CN115176167A - 用于声驱动铁磁共振传感器器件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于基于声驱动铁磁共振(ADFMR)的传感器的系统和方法，包括：提供电信号以给系统供电的电源；以及对电磁场敏感的ADFMR电路，其中，所述ADFMR电路包括ADFMR器件。该系统的功能是通过测量经过ADFMR电路的电信号由于电磁(EM)场引起的扰动来检测和测量外部EM场。

Description

用于声驱动铁磁共振传感器器件的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年12月13日提交的美国临时申请第62/948,146号的优先权，该申请的全部内容在此引入本公开作为参考。
技术领域
本发明一般涉及基于铁磁共振的传感器领域，更具体地说，涉及一种针对声驱动铁磁共振的新的和有用的高灵敏度和低噪声的传感器读出系统和方法。
背景技术
铁磁共振(Ferromagnetic resonance，FMR)可以通过检测铁磁样品中磁化进动来测量材料的磁性能。不同类型的FMR包括外部驱动FMR和电流驱动FMR。FMR的激励可以采用多种技术，如腔激励、带状线激励、自旋转移转矩和自旋轨道转矩等。这些应用通常与器件应用不兼容。它们需要大腔体、高功率驱动和使用大样本体积才能有效。因此，FMR的使用主要局限于大型实验室和研究项目。目前，FMR不可用于生产就绪系统。此外，用于电路集成的系统在当前的实施方式中是不可用的。
存在其他类型的磁传感器，但有各种限制。例如，SERF和SQUID磁传感方法可以具有很高的灵敏度，但代价是体积大、复杂和难以进行系统集成。霍尔效应传感器和磁阻传感器可能是体积较小的解决方案，但它以灵敏度为代价。因此，在磁场传感器领域中，需要一种声驱动铁磁共振传感器器件。本发明提供了这样一种新的有用的系统和方法。
附图说明
图1是优选实施例的系统的简化示意图。
图2是干扰仪系统的示意图。
图3是一维梯度仪系统的示意图。
图4是低能量干扰仪系统的示意图。
图5是实现降噪的干扰仪系统的示意图。
图6是大差距电磁场干扰仪的示意图。
图7是干扰仪系统的一般电路原理图。
图8是该系统的一般电路原理图。
图9是两个测试电路和二维干扰仪的示意图。
图10是两个测试电路和二维干扰仪的第二示意图。
图11是一个测试电路和二维干扰仪的示意图。
图12是交错换能器(interdigitated transducer，IDT)的示例说明图。图13是声表面波(surface acoustic wave，SAW)器件的示意图。
图14至图18是SAW器件的交替变化的示意图。
图19是铁磁吸收光谱随外加场强变化的一个示例图。
图20是梯度仪的电路示意图。
图21是矢量调制器电路的示意图。
图22是IQ混频器电路的原理图。
图23是线性化电路的示意图。
图24是放大电路的原理图。
图25是检测电路的原理图。
图26是包含模拟减法的干扰仪系统的电路示意图。
图27是包含线性化电路的干扰仪系统的电路示意图。
图28是简化的干扰仪原理图。
图29是干扰仪的电路示意图。
图30是包括子组件的示例干扰仪的示意图。
图31是梯度仪的电路示意图。
图32是具有矢量调制器电路的干扰仪的电路示意图。
图33是具有IQ混频器电路的干扰仪的电路示意图。
图34是具有线性化电路的干扰仪的电路示意图。
图35是优选实施例的方法的流程图。
图36是可用于实现该系统和/或方法的示例性系统架构。
图37是示例电路子组件的术语表。
具体实施方式
以下对本发明实施例的描述并不旨在将本发明限制于这些实施例，而是使本领域技术人员能够制造和使用本发明。
1.概述
一种用于声驱动铁磁共振(acoustically driven ferromagnetic resonance，ADFMR)传感器器件的系统和方法，其功能是促进可用于测量电磁(electromagnetic，EM)场的芯片级ADFMR器件的设计和操作。该系统和方法可以优选地使用磁共振来测量EM场，然后利用该信息来确定场的幅值和/或梯度。该系统和方法优选地包括：以MHz-GHz量级工作、产生振荡信号的电压振荡器；将振荡信号分离为测试信号和参考信号的功率分配器；以及包括声驱动铁磁共振(ADFMR)器件的ADFMR电路。其中，ADFMR器件相对于磁场改变测试信号。检测器使用改变的测试信号和参考信号来确定磁场的幅值和/或梯度。ADFMR器件可以包括：基座压电衬底；压电衬底上的至少两个声换能器；以及位于至少两个声换能器之间的压电基底上的铁磁体。其中，在至少两个声换能器中的第一个处从测试信号产生声波。声波沿铁磁体传播，激发铁磁体至共振或接近共振。其中，铁磁体通过吸收改变声波；在至少两个声换能器中的第二个处，改变的声波被转换回改变的信号。在一些变体中，ADFMR器件是声表面波(surface acoustic wave，SAW)器件，其中声表面波是用来驱动传感器的声波，但是任何一般类型的声波都可以用该系统和方法实现。
该系统和方法可以提供许多潜在的好处。所述系统和方法不限于总是提供这样的优点，该系统和方法仅作为如何使用所述系统和方法的示例性表示来呈现。此处，好处的清单并没有被穷举，其他好处可能额外或替代地存在。
该系统和方法的一个潜在益处是，该系统和方法可提供场传感器器件，该场传感器器件相对于可比的解决方案而言是紧凑的。在通常的实施方式是大型台式实验室设置的情况下，这种场传感器器件可以利用磁共振来测量磁场，而不对普遍的空间有要求。更具体地说，该系统和方法可以利用铁磁共振。该优点使得系统和方法能够在许多以前不可能的情况下实现。该系统和方法可优选地提供可集成到电路设计印刷电路板(printed circuitboard，PCB)中的芯片级解决方案。所得到的传感器器件可使CMOS兼容处理成为可能，这可使传感器器件更便宜且可扩大生产。该系统和方法可以使用ADFMR器件来制作更容易集成的磁传感器。
该系统和方法的另一潜在益处是ADFMR传感器与其他磁传感器技术相比可具有增强的灵敏度。该系统和方法可以对宽频谱(0-10GHz)上的场敏感。这可以使得该系统和方法能够在广泛的传感器器件中实现。
结合紧凑外形的潜在优点，该系统和方法可以提供一种磁感测设备，该磁感测设备具有特定应用期望的高灵敏度，同时在尺寸和器件封装设计方面明显更容易集成。在例如用于测量脑活动的脑磁图系统的示例性使用领域中，该系统和方法可以满足监控神经元场所需要的灵敏度要求，同时实现基于芯片的解决方案。
该系统的另一个潜在好处是该系统和方法可能需要很少的功率。与其他FMR器件相比，可以使用显著较少的功率来实现该系统和方法。低功率要求可能会带来产生更少热量的额外好处。低热量的产生使得该系统和方法能够在温度敏感的环境中实现。
该系统和方法可以应用于几乎任何需要现场测量的场。小尺寸、低功耗和高动态范围的功能使得该系统和方法几乎可以在任何地方合并。该系统和方法可特别用于机械传感器器件、磁成像、SQUID器件的替换以及与任何需要场测量的器件的结合。
该系统和方法可以提供许多潜在的好处。所述系统和方法不限于总是提供这样的优点，该系统和方法仅作为如何使用所述系统和方法的示例性表示来呈现。此处，好处的清单并没有被穷举，其他好处可能额外或替代地存在。
2.系统
如图1所示，一种用于基于声驱动铁磁共振(acoustically drivenferromagnetic resonance，ADFMR)的传感器的系统包括：提供电信号以给系统供电的电源110；以及对电磁场敏感的ADFMR电路120，即第一“测试”电路。其中，ADFMR电路包括ADFMR器件122和包括模数转换器的检测器电路。该系统的功能是通过测量经过ADFMR电路的电信号由于电磁(electromagnetic，EM)场引起的扰动来检测和测量外部EM场。在一些优选实施例中，该系统可包括至少一个附加电路(例如，附加测试电路，或参考电路)。其中，所述系统还包括：至少一个功率分配器130，功率分配器将电信号分离到所述至少一个电路；和至少一个功率合成器132，其中，功率合成器将从ADFMR电路120输出的潜在扰动的电信号与其它电信号组合。
在包括至少一个附加电路的一些变体中，如图2所示，至少一个附加电路包括第一信号处理电路，第一信号处理电路与ADFMR电路120并联并用于ADFMR电路的“参考”。该系统变体，即干扰仪变体，用于通过将经过ADFMR电路120的扰动的电信号与经过第一信号处理电路，即第一参考电路的未扰动电信号进行比较来检测和测量外部电磁(EM)场。也就是说，在系统的干扰仪变体中，经过ADFMR电路120的功率信号被外场干扰，然后外场被来自参考电路的未干扰的参考信号干扰。然后，检测器电路可以使用测试信号和参考信号之间的干扰(例如，相消干扰)分布来确定场强。
在另一个变体中，如图3所示，该系统可以用于测量外部EM场的变化(即梯度)，即用作梯度仪。在梯度仪变体中，至少一个电路可以包括附加的ADFMR电路120，即对EM场敏感的第二测试电路。在这些变体中，第一测试电路和第二测试电路之间的测量差可用于确定EM场的梯度。即，在系统的梯度仪变体中，经过两个ADFMR电路120的功率信号受到外场的扰动。通过考虑两个电路的位置依赖性，可以通过测量两个信号之间的干扰(例如相消干扰)来实现场梯度的测量。
在一些变体中，系统可以附加地或可选地包括子组件以增加和/或修改系统能力。示例包括：附加ADFMR器件122(例如，使多维场测量实现)、放大器(例如，放大功率/电信号)、滤波器(例如，降低内部和背景噪声)、匹配网络(例如，匹配并联电路之间的信号功率)、衰减器、移相器(例如，改变测试信号和参考信号之间的干扰模式)、混频器(例如，混合信号频率)、磁场线圈(例如，移动信号频带)以及任何其他所需组件。潜在的系统子部件包括：信号放大器(A)、带通滤波器(F)、衰减器(l)、电感器(L)、移相器(γ)、耦合器(c)、混频器(X)、匹配网络(M)、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)和比较器(≥)、逻辑电路和场线圈。系统可包括任何其他适用的所需组件。将进一步讨论其中一些组件的实现。图37包括在系统的一些变体中实现的子组件的术语和符号的术语表。
这些子组件可以实现许多额外的变体。例如，该系统可包括：如图4中的一个示例所示的针对低能耗优化的变体；如图5中示例中的一个示例所示的减少噪声的变体；以及如图6中一个示例所示的优化系统灵敏度和/或工作范围的变体。根据需要，该系统可以附加地或替代地包括任何组合或附加变体。
该系统可以包括作为系统的一部分的、并联或串联的电路和电路段。这些电路可包含所需功能的任何电路子组件(例如，前述子组件)。如这里所使用的，术语“电路”将通常用于指整个电路或电路段。也就是说，一个电路本身并不一定构成一个闭环，而是与附加电路的组合，该电路可以作为闭环的一部分起作用，这些附加电路可以在这里明确地表示，也可以不明确地表示。
如图7和图8所示，电路编号指的是测试电路的编号(用带上标符号(’)的下标数字表示)，电路包括：ADFMR器件子组件；和信号处理电路(用下标数字表示)。测试电路也可称为ADFMR电路或传感器电路。另外，第一测试电路也可以不用编号来表示，例如测试电路或ADFMR电路。尽管电路在图中仅以并联方式被示出，但系统的变体可以包括在电路内的其他非并联配置中的测试电路和/或信号处理电路(例如，如图6所示)。
如图8所示，在系统的一般电路布局中，系统可以包括“n”个测试电路和“N”个信号处理电路，其中n和N是由具体实施方式确定的任意整数。电路子组件，即特定电路上的组件，可以用表示电路编号的下标来表示，其中带上标符号(’)的下标将用于测试电路子组件(例如，L2’表示第二测试电路上的电感器)，而未带上标符号(’)的下标将用于信号处理电路子组件(例如，L2表示第二信号处理电路上的电感器)。在一些变体中，某些子组件可能出现在不清楚这些组件属于哪个电路的区域中。这些子组件可以不带任何下标，或者可以包括将其与所需电路连接的下标(例如，当子组件具有与期望电路互补的功能时)。
作为电路标识的一部分，电路子组件可以被描述为彼此相关的上游或下游。这里，“上游”和“下游”用于指经过电路的功率传播的方向。也就是说，子组件‘B’下游的子组件‘A’指的是功率从子组件‘B’传播到子组件‘A’，其间有或没有其他组件。子组件‘B’上游的子组件‘A’指的是功率从子组件‘A’传播到子组件‘B’，其间有或没有其他组件。
一种系统可以包括电源110。电源作为能量源，向系统提供电信号。在一些变体中，电源110是电子振荡器。电子振荡器的功能是向系统提供振荡电压，即交流(alternatingcurrent，AC)功率信号，其中来自振荡器的功率用于激活传感器电路。或者，可以使用其他类型的电流，例如直流电(direct current，DC)。
在某些变体中，电子振荡器是压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)。优选地，振荡器的频率为千兆赫量级。更优选为2GHz。振荡器的高频脉冲可以使传感器的导通和关断时间更快。快速开启/关闭时间可能在微秒量级或更快。由于ADFMR器件122可以以MHz振荡工作，因此振荡器可选地处于允许ADFMR工作的任何范围内，即处于MHz到GHz量级。
该系统可包括至少一个ADFMR电路120。ADFMR电路120用作“测试”电路，该“测试”电路包括实现系统的传感器能力的ADFMR器件。ADFMR电路120也可称为传感器电路或测试电路。取决于变体，该系统可包括一个或多个ADFMR电路120。每个ADFMR电路可以在它们之间共享多个ADFMR器件122，每个ADFMR电路具有一个ADFMR器件，或者具有多个ADFMR器件。在一些变体中，该系统可以包括一组ADFMR电路。多个ADFMR电路120可用于梯度场测量、多维场测量和/或提高场测量精度(例如通过重叠测量)。ADFMR电路120位于电源110的下游，使得由电源提供的电信号可以被实现为沿着ADFMR电路的测试信号。
在一些变体中，该系统可以包括分布在多个ADFMR电路120上的多个ADFMR器件122。在一个变体中，测量一个或多个维度的多个ADFMR电路120可以在单个芯片上实现，这与如图9或图10所示的布局非常类似。取决于期望的实施方式，每个维度功能可以被激活或停用。
在一个变体中，测量一个、一些或所有期望维度的单个ADMR电路120可以在单个芯片上实现，这与如图11所示的布局非常相似。取决于期望的实施方式，每个维度功能可以被激活或停用。
ADFMR器件122优选地是系统的组件，并且附加地是ADFMR电路120的子组件。ADFMR器件122用作如下的器件，该器件通过使用声驱动磁共振来实现对射频(radio frequency，RF)载波信号(即测试信号)的修改来“测量”EM场。在一些变体中，用铁磁(即铁磁共振)实现磁共振，但可以用任何磁性材料实现磁共振。其它类型的磁性材料的示例包括：非铁磁体、铁氧体磁体等。即，尽管该器件被称为ADFMR器件122，但ADFMR器件实际上可以是例如铁氧体磁共振器件。ADFMR器件122可包括：产生和/或吸收声波的至少一个声换能器；提供用于声波传播的介质的声谐振器；以及利用磁共振来扰动由于EM场引起的声波的一种磁性材料。
ADFMR器件122优选地包括声换能器。声换能器用于将测试信号转换为声波，和/或将声波转换为RF信号(例如，改变的测试信号)。声换能器用于从沿着声谐振器(例如压电衬底)传播的电信号产生和/或吸收声波(或压力波)。
优选地，声换能器成对实现，其中一个换能器产生声波，然后传播到另一个声谐振器，然后被第二换能器吸收。即，第一声换能器将通过ADFMR电路120传播的测试信号转换为声波，其中，声波在ADFMR器件122中或沿着ADFMR器件122传播到第二声换能器，然后第二声换能器将声波转换为电信号。或者，单个声换能器可以将RF测试信号转换为声波，并且将声波转换回RF信号。例如，声换能器可以将电信号转换成声波，声波传播出去，然后反射回声换能器，然后声换能器将声波转换回电信号。在其他示例中，多个声学换能器均可以被实现为产生声波和吸收声波。即，每个ADFMR器件122可实现多个声换能器。单个或多个RF信号可被一次、或多次地转换为声波，和/或声波被一次、或多次地转换为RF信号。
声换能器优选地产生适合于ADFMR器件122类型的声波。产生的声波的示例可以包括：声表面波(surface acoustic waves，SAWs)、体声波(bulk acoustic waves，BAWs)，和兰姆波(lamb waves)。具体的声换能器可以被具体地实现。声换能器的类型可以取决于电信号(例如，信号频率、信号功率)和/或产生的声波的类型(例如，声表面波、体声波)。例如，在系统使用兰姆波的变体中，声换能器可以包括电磁铁-声换能器(electromagnet-acoustic transducers，EMAT)。在系统使用声表面波的变体中，声换能器可以包括交错换能器(interdigital transducers，IDTs)。可选地，可以实现产生声表面波或其他类型声波的其他类型的换能器(例如，薄膜体声波谐振器、高泛音体声波谐振器)。声波优选地在铁磁体的共振频率处或附近产生。声波优选地通过铁磁体在声谐振器中传播或沿着声谐振器传播。因此，声波可以使铁磁体在共振时或接近共振时工作。
在系统使用声表面波的一些变体中，声换能器可以包括IDT。IDT可用于利用压电效应从电信号产生SAW(或从SAW产生电信号)。IDT是一种包括在压电衬底(例如石英、铌酸锂)上形成周期性结构的互锁梳状金属电极阵列的器件。IDT可以具有任何期望的配置/形状。图12示出了一个IDT配置示例。对于这对IDTs，优选地，一个用作输入IDT，一个用作输出IDT。输入IDT可以使用压电效应将射频(RF)电信号转换为声表面波(SAW)。输出IDT通过吸收声表面波并将其转换回电信号来工作。
ADFMR器件122可以包括声谐振器。声谐振器起着介质的作用，使声波能够传播。声谐振器可以允许波通过体积(例如BAWs)、沿着介质(例如SAWs)的表面、通过介质的腔传播(例如声波通过声谐振器的空气腔传播)。该声谐振器可以由能够实现期望类型的声波传播的任何材料组成。在一些变体中，声谐振器由压电衬底(例如石英)组成。在一些变体中，声谐振器可以包括ADFMR器件122的“主体”，其中所有其他部件位于声谐振器上或周围。
在一些变体中，声谐振器是压电衬底。压电衬底能够通过压电效应形成和传播声波。压电衬底可以由任何期望的压电化合物(例如，大多数晶体或陶瓷化合物)组成。在一个优选的变体中，Y切铌酸锂(Y-cut lithium niobate)衬底用作压电衬底。在包括两个声换能器的一些变体中，两个声换能器(即延迟线)之间的空间长度为1-3毫米。在一个示例中，压电衬底(例如氧化锌)被沉积在ADFMR基底(例如金刚石基底材料)上的两个IDT下面或上面。
ADFMR器件可包括磁性材料，优选地包括磁致伸缩材料。磁致伸缩特性可使磁性材料将应变转换成磁性变化，或使磁性变化转换成应变。对磁性材料的唯一限制是磁性材料可以在宏观尺度上实现共振(即超越单个分子和/或原子激发的共振)。磁性材料的示例包括铁磁体、铁氧体磁体、非铁磁体、顺磁体、反磁体等。在一些变体中，磁性材料可以包括铁磁体和/或铁磁体混合物。磁性材料的功能是吸收声波，其中在共振时，吸收对磁场非常敏感。优选地，磁性材料位于声波的路径中(沿着延迟线)，使得局部磁场将磁性材料的谐振频率设置为声波频率或接近于声波频率--从而使磁性材料能够有效地吸收声波，并因此相对于场的幅值改变传播的声波。在优选的变体中，铁磁体放置在两个声谐振器之间(例如作为磁膜)，其中磁性材料的厚度和长度在吸收中起着重要的作用，因此磁性材料可以根据实现方式具有不同的厚度，并且具有不同的长度。对于铁磁变体，实现类型的铁磁体的例子包括铁、镍和钴，但可以是任何合适类型的铁磁体。在一些变体中，该系统可以用其他磁性材料实现，例如：顺磁体、反磁体、铁氧体磁体、或这些材料的任何组合。类似于铁磁体的变化，磁性材料可以实现在共振或接近共振以吸收磁场。
在一些变体中，铁磁体具有空间定向。也就是说，铁磁体可以被构建和定向为使得具有一个空间方向(例如x方向)的EM场可以影响磁体和声波之间的相互作用，其中来自其他方向的场可以使铁磁体不受影响。以这种方式，取决于所实现的铁磁体，铁磁体(以及因此ADFMR器件122)可以对一个、两个或三个空间维度敏感。
在一些变体中，ADFMR器件122可包括信号检测器。信号检测器用于测量来自ADFMR器件122的输出功率信号。由于输出功率信号可能已被所施加的场扰动，所以输出功率信号可用于确定场强。信号检测器还可以附加地包括降噪功能。在一个变体中，信号检测器可以执行傅立叶变换以将期望的输出信号从其他外来电磁(EM)波中分离出来。例如，输入声换能器可以附加地产生外部EM波。信号检测器可以执行快速傅里叶变换以从期望信号中隔离和去除这些外来波。由于声波传播的时间延迟，与EM波传播相比，可以采用其他时间相关的方法来分离声波和EM波。例如，在一个实施方案中，电子振荡器可以在固定的时间段内循环打开和关闭，使得能够在电子振荡器关闭周期期间测量传播的声波，从而潜在地消除不被期望的信号。
在一些变体中，如示例图13所示，ADFMR器件122可以是SAW器件。即，在一个SAW器件示例中，ADFMR器件122可包括：两个IDT，输入IDT和输出IDT，沿压电衬底定位。其中磁膜沿着压电衬底定位在两个IDT之间。SAW器件的具体配置和形状可以根据实施方式而变化。示例变体包括：每个ADFMR电路120具有单个SAW器件(例如，图13的SAW器件)；如图14和图15所示，用于多维场传感器的、在SAW器件上具有空间定向铁磁体(一个或多个)；如图16所示，利用在多个ADFMR电路120之间具有单个铁磁体的单个SAW器件；如图17所示，利用带有多个铁磁体的单个SAW器件，作为干扰仪或梯度仪实现；如图18所示，具有多个明显定向的、串联的铁磁体(例如，作为串联多维传感器的一部分)。根据需要或必要，特定的变体可以包括更少的或额外的组件。
在一些变体中，ADFMR器件包括场线圈(field coil，FC)。场线圈可以是直流(DC)线圈和/或用于产生磁场的任何合适的线圈或系统。可以使用能够创建场以偏移功率输出的任何其他合适的组件。场线圈用于产生磁场偏置以使ADFMR器件122的输出正向或负向偏移。在一个变体中，场线圈通过感生ADFMR器件122所暴露的减小的外部场来减小功率输出。场线圈可以被实现为将功率输出偏移到电路组件线性起作用的小输出状态，从而减小对非线性的系统误差。例如，与ADFMR器件122输出相比，放大器可以具有小得多的线性放大范围。因此，减小传感器输出的范围将使放大器具有线性功能。场线圈可以根据需要以任何频率(或频率的组合)潜在地施加磁场。例如，如果系统除了暴露于地球场之外，还暴露于来自电源线(例如，60Hz)的大的不需要的信号，不需要的电源线交变场和地球场都可以被抵消。场线圈可用于施加任何合适类型的抵消磁场。
场线圈可以将功率输出偏移到任何期望的范围。在一些变体中，场线圈可以将外场偏移到接近零的位置。在其它变体中，场线圈可替代地或附加地将磁场偏移到ADFMR传感器最佳工作的范围。例如，在系统用作梯度仪的实施方式中，场线圈可以将磁场偏移到如下的状态：外场的变化的区域将导致功率输出的最大变化(例如，输出功率谱的拐点)。图19示出了作为外场的函数的样本吸收光谱。因此，对于给定的频率，场线圈可以使外场能够修改，使得活动集中在曲线的拐点周围。
该系统可以包括检测器电路。检测器电路用于获取ADFMR电路120的输出(即，潜在扰动的电信号)和任何其他分量，并确定EM场强。在一些变体中，检测器电路包括模数转换器(analog to digital converter，ADC)。ADC的功能是将模拟信号转换为数字信号。在一些变体中，ADC可用于将输出信号转换为用于分析的数字信号。在一些变体中，可以为每个电路(包括ADFMR电路120)实现ADC。在这些变体中，ADC在组合电路信号之前将电路的信号输出转换为数字输出。所有电路数字输出然后可以组合成数字输出信号。
在包括并联电路的变体中，该系统还可以附加地包括功率分配器132和/或功率合成器134。功率分配器132用于将功率信号分成多个部分，从而能够连接附加的并联电路组件。功率合成器134用于组合多个电路。在一些变体中，功率分配器132能够将原始功率信号分离成测试信号和参考信号。附加地或可选地，功率分配器可以将功率信号分离成多个测试信号和/或多个参考信号。除了其他特性外，功率分配器/合成器组还能实现用于进行场测量的干扰仪的功能。也就是说，功率信号可以被分离成两部分(例如，测试信号和参考信号)，其中一个(或两个)信号可以被改变(例如，通过ADFMR器件对场的功率吸收)。然后，可以通过检查两个信号组合后产生的干扰模式来测量场。该系统可以包括用于该系统中包括的每个并联电路的一对功率分配器/合成器。或者，对于系统中包括的每个并联电路，该系统可以包括更多或更少的功率分配器/组合器对。在一些变体中，该系统可以包括不相等数目的功率分配器132和功率合成器134(例如，一个分离的功率信号可以连接到地，并且不需要功率合成器)。
对于一些多维实现场检测，该系统可以包括附加的功率分配器/合成器，以允许添加ADFMR电路120。例如，如图9所示，对于能够测量平面中的场的实现，系统可以包括：功率分配器132，其将电路分成第一测试电路和第二测试电路；以及功率合成器134，其组合在“x方向”上测量场的第一ADFMR电路120和在“y方向”上测量场的第二ADFMR电路。该系统还可以具有第二对功率分配器/合成器(代替所示的耦合器)，其中功率信号最初被分离成参考信号和测试信号。或者，如图11所示，单个测试电路可以具有串联的多个ADFMR器件122(例如，具有不同定向)，使得它们的定向能够在多维度上测量场。在一些变体中，串联的这些ADFMR传感器可以同时工作，它们可以替换其他变体。
如前所述，该系统还可以包括各种子组件的组合。示例子组件包括：信号放大器、带通滤波器、衰减器、电感器、移相器、耦合器、混频器、匹配网络、场线圈和比较器。子部件可以集成在测试电路、信号处理电路或系统的任何其他部分上。
在一些变体中，该系统包括至少一个放大器(A)。放大器的作用是增加信号强度。放大器可以帮助抵消功耗和由于分离原始功率而降低的功率的影响。放大器可以是有源或无源放大器。
在一些变体中，该系统可包括衰减器(l)。衰减器的作用是在不影响信号波形的情况下降低信号的功率。在一些变体中，衰减器被实现以降低噪声。此外，衰减器可以在并联电路之间(例如，在测试电路和参考电路之间)匹配功率信号大小。衰减器可以是数字的或模拟的。在一些变体中，数字衰减器用于最大限度地消除1/f“粉红”(pink)噪声；噪声与功率成正比。模拟衰减器也能降低1/f噪声，但取决于其控制电压的噪声信号。在一些变体中，ADFMR电路120可以包括衰减器。
在一些变体中，该系统包括至少一个带通滤波器(F)。带通滤波器通过使电信号频带变窄而起作用，从而使应用和/或分析的频带变窄。一旦信号被放大，这可能是另外的情况，这可能自然地展宽信号频谱。
在一些变体中，该系统包括至少一个电感器(L)。电感器的作用是在磁场中储存能量。匹配电感器可以将换能器的阻抗匹配到与换能器相邻的任何电路组件。在一些变体中，该系统可以包括匹配电感器，该电感器将声换能器匹配到混频器输入。
在一些变体中，该系统包括至少一个移相器(γ)。移相器通过“移动”电信号的相位而工作。移相器可以被实现为在之后被组合的并联电路之间施加构造性或相消性干扰。这在实现干扰仪时尤为重要。
在一些变体中，该系统可包括至少一个混频器(即，混频器(X))。混频器的作用是把两个电信号合并成一个。混频器可以对信号进行倍频，从而实现混频。在一些变体中，混频器可以将ADFMR器件122的～1Ghz频率降低到0频率DC。另外，混频器可以使原始电源110信号与ADFMR器件122输出混合以去除电子振荡器噪声。
在一些变体中，该系统包括至少一个耦合器。耦合器的作用是将通过一个电路传输到另一个电路的功率耦合起来，使相同的信号能够在另一个电路中使用。在一些变体中，可以使用耦合器而不是功率分配器来维持两个路径中相同的功率电平。在一些变体中，该系统可附加地包括混合耦合器。混合耦合器能够将两个输入源耦合到两个输出源。在一些优选的变体中，混合耦合器被实现为两个分离单个输入源并移动输出源的相位。
在一些变体中，该系统包括至少一个匹配网络。匹配网络可以包括电感器和电容器的组合。匹配网络的功能可以是使声换能器和相邻电路组件(例如混频器输入)之间的阻抗匹配，并且允许换能器阻抗看起来很高，使得它可以连接到高效率(低功率)振荡器上。在一些变体中，匹配网络可以将换能器的阻抗匹配到与换能器相邻的任何电路组件。在一些变体中，该系统可以包括匹配网络，该匹配网络将声换能器与混频器输入相匹配。
在一些变体中，系统包括至少一个比较器(≥)。比较器的功能是检测输出信号的符号，即正、负或零。该比较器可与逻辑电路一起使用，以实现对输出信号的增量改变。
如前所述，该系统包括至少一个ADFMR电路120(即，第一ADFMR电路)，该至少一个ADFMR电路120包括至少一个ADFMR器件122。其中，每个ADFMR电路包括ADFMR器件子组件和/或与其他ADFMR电路共享ADFMR器件子组件(例如，如图10所示)。ADFMR电路120用于测量外部磁场。取决于变体，每个ADFMR电路120可以相同或不同。ADFMR电路120可根据实现方式具有附加子组件。例如，在一个实现中，ADFMR电路120可以包括匹配网络。在其它变体中，ADFMR电路120可包括电感器和/或衰减器。ADFMR电路120可以附加地或替代地具有其他组件，例如放大器或移相器。
在“低功率”变体中，ADFMR电路120包括匹配网络。在该变体中，匹配网络可用于将ADFMR电路的阻抗与另一电路匹配。在该变体中，系统可以包括高阻抗电源(例如振荡器)，并且ADFMR器件的声换能器可以是低阻抗的。
在另一变体中，ADFMR电路120包括：ADFMR器件122上游的数字衰减器；以及两个匹配电感，其中，一个在ADFMR器件的上游，一个在ADFMR器件的下游。与模拟衰减器相比，数字衰减器降低了功率，并有助于降低1/f噪声。匹配电感器可以匹配ADFMR器件122中的IDTs与其他组件(例如混频器)之间的阻抗。
在一些变体中，该系统可以包括多个ADFMR电路(例如，第一ADFMR电路、第二ADFMR电路等)。多个ADFMR电路120可用于实现系统的额外和/或改进的感测功能。在一些系统实施例中，多个ADFMR电路120(例如，第一测试电路和第二测试电路)可以并联地位于不同的空间位置，使得该系统可以用作梯度仪。因此，如图20的示例示意图所示，任何对梯度仪的引用都将指至少两个并联的ADFMR电路120，以及将原始功率信号分离和组合成两个测试信号的一组功率分配器/合成器。附加电路(例如，附加测试电路和/或信号处理电路)和附加子组件通常可以根据期望的实施方式而被添加，其中，对于一种实施方式，附加子组件仍然可以按照期望进行串联或并联。
该系统可以包括至少一个信号处理电路，例如第一信号处理电路。信号处理电路可以与ADFMR电路120并联。或者，信号处理电路可以串联到ADFMR电路120。信号处理电路可以是相同的，也可以是不同的，并且可以作为系统的一部分扮演许多功能角色，这取决于实施方式。在一些变体中，第一信号处理电路是与ADFMR电路120的参考电路并联。
根据该实施方式，第一信号处理电路，即参考电路可以与ADFMR电路120一起工作，使得这两个电路一起作为干扰仪。在这些实施方式中，参考电路可以包括移相器和衰减器。因此，如图4的示例示意图所示，对干扰仪的任何引用都是指ADFMR电路120、参考电路以及将原始功率信号分离和组合成测试信号和参考信号的功率分配器/合成器。附加电路(例如，附加测试电路和/或信号处理电路)和附加子组件通常可以根据期望的实施方式而被添加，其中，对于一种实施方式，附加子组件仍然可以按照期望进行串联或并联。参考电路移相器可以用于改变参考信号的相位，使得参考电路可以破坏性地干扰ADFMR电路120。
在一些变体中，该系统包括一个信号处理电路，即如图21的示例示意图所示的矢量调制器电路。矢量调制器电路优选地与ADFMR电路120并联，尽管它可以与ADFMR电路串联。矢量调制器电路起到参考电路的作用，与测试电路结合形成干扰仪。矢量调制器电路可以附加地起到降低噪声的作用(例如，作为模拟减法电路)，尽管它可以具有其他或附加的功能。矢量调制器电路优选地包括至少一个衰减器。在一个优选示例中，矢量调制器电路包括上游衰减器，混合耦合器将一个上游衰减器的输出馈入两个下游衰减器，然后其输出被重新组合。两个下游衰减器可以实现功率信号中的任何期望相移。矢量调制器电路可以实现任意期望相位，同时仅使用衰减器，从而最小化由于相移引起的噪声。在某些变体中，如图32所示，矢量调制器电路可以作为唯一的参考电路，并与测试电路一起作为干扰仪电路。该矢量调制器电路可以附加地或可选地与不同的干扰仪电路或梯度仪电路结合起作用，其中矢量调制器电路使不来自感兴趣信号的信号大小减小。
在一些变体中，如图22的示例示意图所示，系统包括一个信号处理电路，该信号处理电路是IQ混频器电路。IQ混频器电路可以与ADFMR电路120并联。或者，它可以与ADFMR电路120串联。IQ混频器可以包括：用于将功率分成两半的功率分配器134；混频器，其在功率分配器下游连接到混合耦合器，以将一半功率信号转移相位；以及在功率分配器下游的混频器，该混频器连接到混合耦合器的非移位输出，混合耦合器在不移位信号的情况下混频功率信号的另一半。IQ混频器可以通过创建“同相”功率信号和90度“异相”功率信号的线性组合来实现更好地测量功率信号的大小和相位。此外，IQ混频器电路可用于对测试信号进行居中和归一化处理，但可也包括其他或附加功能。IQ混频器电路可以结合干扰仪电路或梯度仪电路来实现。
在一些变体中，如图23的示例示意图所示，系统包括一个信号处理电路，该电路是线性化电路。在一些变体中，线性化电路与ADFMR电路120串联，尽管它可以与ADFMR电路并联。在线性化电路的一个示例实施方式中，线性化电路可包括至少一个比较器和逻辑电路。线性化电路通过将系统的输出电压缩小到一个更小的、“更”线性的区域来使系统子组件的非线性输出最小化。线性化电路可以与磁场线圈一起作为由逻辑电路控制的反馈回路。该逻辑电路使用来自比较器的输入信息来引导磁场线圈电流。线性化电路可以用任何期望的ADFMR电路120来实现。
线性化电路可以被配置为在场的最终测量之前以“设定”模式工作。设定模式用于使ADFMR电路120的电压输出和/或施加到ADFMR电路的外场达到最佳期望的测量/输出状态(即期望的活动状态)。通过设定模式，线性化电路可以用场线圈电压增量地修改磁场。通过循环，场线圈电压可以增加或降低，直到达到期望的场活动状态。一旦达到期望的状态，就可以停止设定模式并进行有效场的测量。通过考虑提供给场线圈的电流或电压，可以确定实际的场强。或者，线性化电路可以包括更简单的场检测器，以确定近似的期望电压，并使场线圈能够在一个或刚刚更少的增量循环中到达期望的活动区域(例如，场可编程网关阵列的实现)。
在利用线性化电路的一个示例中，外场的期望活动状态是0(或接近0)，场线圈是DC线圈。在本示例中，在设定模式期间，DC线圈的电压可以增加或减少，直到传感器上的有效场接近0。一旦有效场足够接近0，ADFMR电路就可以对有效场进行“最终”测量。该系统使用经过DC线圈的电压，然后可以计算实际的场强。
在一些变体中，如图24的示例示意图所示，该系统可包括作为放大电路的信号处理电路。放大电路可以与ADFMR电路120串联，并用于放大功率信号(例如，测试信号)。放大电路优选地包括至少一个放大器。在一些变体中，放大电路包括放大器上游和下游的带通滤波器，以保持窄功率频谱。放大电路可被实现以弥补由于电路分离引起的功率损耗和/或功率降低。
在一些变体中，如图25的示例示意图所示，系统可以包括检测电路。检测电路用于“读出”系统的输出电压作为施加场。一般来说，这需要将输出信号归一化，并将其转换为检测电路可分析的量。检测电路优选地与IQ混频器电路结合工作，但是可以独立于检测电路来实现。可以利用任何能够在期望范围内工作的通用检测电路以用于该功能。在一个优选的变体中，检测电路包括放大器和模数转换器(ADC)。另外，检测电路可以包括电感器。
上述电路组件可以与基本干扰仪/梯度仪组件一起以任何期望的方式使用。一般说来，任何实施方式都可以用作如上所述的干扰仪或梯度仪。在一般干扰仪应用的第一示例中，基本系统附加地包括矢量调制器电路、IQ混频器电路、放大电路和检测电路。图26示出了作为干扰仪实现的这个示例。在这个示例中，放大电路放大“内部”干扰仪和“外部”干扰仪的输出，然后矢量调制器电路连接到IQ混频器电路。所有信号最终合并并输出到检测电路。一般应用示例用于根据期望测量场。该示例可以附加地或可选地实现为梯度仪系统。
在可包括场强中的大差距的大差距示例中，如图27所示，先前的一般应用示例可附加地包括线性化电路。大差距示例用于精确测量可能在幅值上具有大差距的场。尽管一般应用示例可以在宽范围内工作，但大差距示例包括反馈环路，该反馈环路可以减少由于场幅值的宽差距而产生的非线性影响，从而使场测量更加精确。
在低功率的第三示例中，该系统可以仅包括混频器和检测电路。低功率示例可以在非常低的功耗(小于25μW)下检测场。在ADFMR器件包括SAW器件的变体中，该系统附加地可以在干扰仪之前和干扰仪之后包括匹配网络。匹配网络可以提供高电阻并使IDT阻抗与电子振荡器和混频器阻抗匹配，从而匹配它们的电压。
3.系统示例
在本节中，给出了样本系统的变体。所描述的变体的细节可以组合使用或代替本文所述的其他系统变体。对这些示例的描述并不旨在将系统限制到这些实施方式。
在第一系统变体中，如图1所示，用于基于声驱动铁磁共振(ADFMR)的传感器的系统包括：电源，电源包括提供电信号的电子振荡器；至少一个电路，包括第一ADFMR电路，该第一ADFMR电路包括ADFMR器件，其中第一ADFMR电路使得电信号能够被电磁(EM)场扰动；以及根据电信号扰动确定电磁场的检测器电路。在许多变体中，检测器电路包括模数转换器。该系统起到传感器的作用，可以检测电磁场。
在第一系统变体的第一干扰仪示例中，如图28所示，至少一个电路包括干扰仪电路。在一些变体中，至少一个电路包括：前述第一ADFMR电路(也称为第一测试电路)和作为第一参考电路的第一信号处理电路。第一参考电路与第一ADFMR电路并联，使得第一ADFMR电路和第一参考电路组合形成干扰仪电路。干扰仪电路用于通过对经过第一测试电路的扰动电信号进行干扰，并对经过第一参考电路的未扰动信号进行干扰来测量EM场。在一些变体中，干扰仪电路可以包括多个测试电路和/或参考电路，其中，测试电路和参考电路结合使得能够通过干扰进行EM场测量。
在第一系统变体的第二干扰仪示例中，如图29所示，所述至少一个电路还包括第一信号处理电路，所述第一信号处理电路是与第一ADFMR电路并联的第一参考电路。此外，该系统还包括功率分配器，该功率分配器位于第一ADFMR电路和第一参考电路的上游，使得功率分配器将电信号分离成经过第一ADFMR电路的测试信号和经过第一参考电路的参考信号；以及功率合成器，该功率合成器位于第一ADFMR电路和第一参考电路的下游，使得功率合成器组合从第一ADFMR电路输出的测试信号和从第一参考信号输出的参考信号。第一ADFMR电路和第一参考电路可以作为干扰仪电路共同工作以测量EM场。
干扰仪变体的第一ADFMR电路也可以具有低能量/最小的示例。在“低功率”实施方式中，如图4所示，ADFMR电路可包括：位于ADFMR器件的上游的上游匹配网络；以及位于ADFMR器件的下游的下游匹配网络。
在第一系统的干扰仪电路的第二实施方式中，如图30的示例所示，ADFMR电路包括：前述ADFMR器件和衰减器。在一些变体中，衰减器可以位于ADFMR器件的上游。或者，衰减器可以位于ADFMR器件的下游。可选地，ADFMR器件可具有位于ADFMR器件上游的上游电感器和位于ADFMR器件下游的下游电感器。参考电路可以有许多不同的变体。在一个变体中，参考电路包括移相器和衰减器。移相器可用于将未改变的参考信号移相180度，使得如果与未改变的测试信号组合，测试信号和参考信号将完全相消相互干扰。
该系统也可用作梯度仪。梯度仪功能可以是系统的、取决于实施方式的附加或替代功能。在第一系统的第一梯度仪变体中，如图31所示，该系统包括：电源；至少一个电路；以及包括模数转换器的检测器电路。至少一个电路优选地包括一组ADFMR电路，所述一组ADFMR电路至少包括第一ADFMR电路和第二ADFMR电路，其中第二ADFMR电路并联到第一ADFMR电路。另外，第一ADFMR电路和第二ADFMR电路可以在空间上定位成使得两个ADFMR电路之间的矢量位移是已知的。该系统还包括功率分配器，功率分配器位于第一测试电路和第二测试电路的上游，使得功率分配器将电信号分离成两个测试信号：经过第一ADFMR电路的第一测试信号和经过第二ADFMR电路的第二测试信号；以及功率合成器，功率合成器位于第一ADFMR电路和第二ADFMR电路的下游，使得功率合成器组合从第一ADFMR电路输出的第一测试信号和从第二ADFMR电路输出的第二测试信号。该系统的梯度仪变体可以通过测量经过第一ADFMR电路的改变的第一测试信号和经过第二ADFMR电路的改变的第二测试信号的扰动差来测量EM场梯度。取决于实施方式，附加的测试电路可以添加到系统中，例如能够实现全三维场梯度测量。
在第一系统的梯度仪变化的一个示例中，第一ADFMR电路包括：第一ADFMR器件和第一衰减器。在一些变体中，第一衰减器可以位于第一ADFMR器件的上游。或者，第一衰减器可以位于第一ADFMR器件的下游。另外，第二ADFMR电路可以包括：第二ADFMR器件和第二衰减器。在一些变体中，第二衰减器可以位于第二ADFMR器件的上游。或者，第二衰减器可以位于第二ADFMR器件的下游。第一ADFMR器件可任选地具有位于第一ADFMR器件上游的第一上游电感器和位于第一ADFMR器件下游的第一下游电感器，第二ADFMR器件可选地具有位于第二ADFMR器件上游的第二上游电感器和位于第二ADFMR器件下游的第二下游电感器。
所有变体的ADFMR器件可能有不同的形式。在一些变体中，ADFMR器件包括声表面波(SAW)器件。特别是在干扰仪变体和梯度仪变体中，ADFMR器件可以包括SAW器件。SAW器件用于产生和利用SAW来实现铁磁共振，从而通过SAW波测量EM场(和EM场梯度)。取决于实施方式，可以使用其他类型的ADFMR器件。其他例子包括F-bar和BAW器件。
由于SAW器件中嵌入的铁磁体的磁致伸缩特性使SAW发生变化，在一些变体中，一个SAW器件通常对单个方向的EM场敏感(例如，可以沿“x方向”测量场)。取决于期望的实施方式，可以实现更复杂(例如图14至图18)的SAW器件，或者可以实现多个SAW器件以用于多维场和场梯度测量。在一个三维干扰仪的实施方式中，该系统可以包括三个ADFMR测试电路，其中每个测试电路包括位于正交方向上的ADFMR器件。在一个三维梯度仪的实施方式中，该系统可包括12个ADFMR测试电路，其中每组四个测试电路具有相同方向的ADFMR器件，并且其中每组四个测试电路将定义位置跨度的三维空间(例如，测量EM场在x、y和z方向上的x方向梯度)。
在一些变体中，该系统可以被实现为多维功能。多维功能可以用包括干扰测量和梯度测量实施方式的系统的任何变体来实现。在一个多维的实施方式中，如图9所示，第一ADFMR电路的ADFMR器件包括第一ADFMR器件，并且至少一个电路包括第二ADFMR电路，第二ADFMR电路包括第二ADFMR器件，其中第二ADFMR器件与第一ADFMR器件相比具有不同的感测方向。在这个二维的实施方式中，系统可以具有二维功能来测量平面中的EM场。
在另一个多维的实施方式中，多维感测可以串联设置。在该实施方式中，如图11所示，第一ADFMR电路可以包括两个ADFMR器件，其中每个ADFMR器件具有不同的感测方向。
在一些变体中，该系统可以被实现为具有降噪/和或消除能力。降噪功能可以用包括干扰测量和梯度测量实施方式的系统的任何变体来实现。在一个降噪干扰仪变体中，如图32所示，干扰仪系统可进一步包括与第一ADFMR电路并联的矢量调制器电路，该干扰仪系统可用作“外部”干扰仪。取决于实施方式，矢量调制器电路可以用作模拟减法电路以降低环境噪声和/或1/f噪声。
在一些变体中，该系统可以用IQ混频器电路来实现。IQ混频器电路可以通过将扰动的电信号分离成正交波的线性组合来改进信号测量。IQ混频器可以在包括干扰测量和梯度测量实施方式的任何系统变体中实现。在一个IQ混频器干扰仪变体中，如图33所示，干扰仪系统还包括IQ混频器电路，其中IQ混频器位于检测器电路的上游，使得IQ混频器接收干扰仪电路的电信号输出和另一电信号输入。在一些实施方式中，另一信号输入包括来自原始电信号的输入。取决于期望的实施方式，可以不改变或修改到IQ混频器的原始电信号(例如，在电源和IQ混频器之间包括放大器电路)。
该系统可以被修改，使得所施加的外部EM场在期望的场幅值带宽中被测量，使得ADFMR器件最佳地或接近最佳地工作。在这些变体中，系统可以用线性化电路来实现。线性化电路可使外部EM场归一化到期望的场幅值带宽。线性化可以在包括干扰测量和梯度测量实施方式的任何系统变体中实现。在线性化电路的一个干扰测量系统的实施方式中，如图34所示，该系统进一步包括线性化电路，其中线性化电路包括针对第一ADFMR电路的EM场源、比较器和逻辑电路。线性化电路可以被配置为在设定模式下工作，使得EM场源修改施加到第一ADFMR电路上的EM场，从而使得施加的EM场处在改进的测量状态。因此，设定模式可以使测量状态的增量改进，并且因此可以增量地使系统达到最佳或接近最佳的测量状态。
3.方法
如图35所示，使用声驱动铁磁共振(ADFMR)传感器测量电磁场的方法包括：S110，振荡器产生电信号；S120，ADFMR传感器将电信号转换为声波；S130，ADFMR传感器通过磁性材料传播声波，从而与影响磁性材料的EM场成比例地改变声波；S140，ADFMR传感器将改变的声波转换为改变的电信号；S150，利用改变后的声波测量EM场。
该方法利用铁磁质体在谐振或谐振附近对EM场的灵敏度来测量EM场。在优选的变体中，该方法可以包括优化场测量的附加步骤，这些附加步骤可以包括：减小信号带宽；降低信号噪声，以及优化场吸收。该方法可以附加地和/或替代地包括改进场测量的其他步骤。该方法优选地与如上所述的系统一起使用，但是可以与任何期望的适用系统一起实现。该方法可特别用于使ADFMR传感器作为干扰仪来实现，使得改变的电信号与未改变的参考信号重新组合，以测量EM场。该方法还可特别用于使ADFMR传感器作为梯度仪来实现，使得空间的多场测量可用于确定EM场的变化。
在一些变体中，可以实现该方法以实现干扰仪功能。在这些变体中，该方法可进一步包括：在ADFMR传感器之前，将所述电信号分离为测试电信号和参考电信号；在ADFMR传感器之后，将改变后的电信号与参考电信号相结合；以及利用参考信号确定EM场强度。
在一些变体中，可以实现该方法以实现梯度仪功能。在这些变体中，该方法还可以包括：在ADFMR传感器之前，将电信号分离成多个测试信号。
方框S110包括产生电信号，用于为ADFMR功能提供电源。产生电信号S110可以产生直流电(DC)或交流电(AC)。在一些变体中，电信号是交流的，并且产生电信号S110发生在电压振荡器处。在一些变体中，AC可以是MHz-GHz量级的。或者，交流频率可以更高或更低。在优选的变体中，AC频率的量级使得电信号与声换能器互补，使得电信号的全部或部分可以被转换成声波。
在许多变体中，该方法可以包括分离电信号。分离电信号用于将单个电流(例如，交流或直流)分离成两个电流。在干扰仪的变体中，这些电流可以包括：到ADFMR传感器的测试信号和参考信号。分离电流可以使测试信号和参考信号之间的比较测量成为干扰仪变体的一部分。对于梯度仪的实施方式，分离信号可以将电信号分离成发送到不同ADFMR传感器的两个测试信号(例如，第一测试信号和第二测试信号)。取决于实施方式，引用或应用于测试信号或ADFMR传感器的所有方法步骤将同样引用或应用于所有ADFMR传感器和/或所有测试信号。
除了干扰仪和梯度仪的变体，可以在许多变体中实现电信号的分离，以增强或改进测量EM场的功能。取决于实施方式，分离电信号可能发生零次、一次、或多次。例如，分离电信号可以结合特定电路和组件来实现，以：放大期望的信号，进行多维场测量，滤除噪声(例如降低1/f噪声)，优化场检测(例如通过场归一化)，和/或改进场测量。在包括分离电信号的变体中，该方法还可以包括将电信号组合成单个信号的补充步骤。
方框S120包括将电信号转换成声波，用于将部分、全部电信号转换成声波。转换电信号优选地发生在ADFMR传感器处。更准确地说，方框S120发生在ADFMR传感器处的、或ADFMR传感器上的声换能器处，其中电信号被吸收以产生期望类型、频率和振幅的声波。
所产生的声波可以是任何期望的类型，只要它与ADFMR传感器一起工作。可能产生的声波的示例包括：声表面波(SAWs)、体声波(BAWs)、Fbars、兰姆波(lamb-waves)或任何其他类型的声波。在优选的变体中，声波频率和振幅与转换后的电信号成比例。也就是说，相对较大的电信号可以产生相对较大的声波，和/或相对较高频率的电信号可以产生相对较高频率的声波。
在一些变体中，将电信号转换为声波S120包括从电信号产生SAW。在这些变体中，ADFMR传感器可以包括SAW器件。在这些变体中，产生SAW可以包括使用压电体从电信号产生SAW。在优选的变体中，电信号被转换成射频(RF)场，然后RF场由输入交错换能器(IDT)转换成SAW，但也可以实施其他方法。在该变体中，输入IDT优选地是SAW器件的组件，该SAW器件附加地包括压电衬底基座、输出IDT和沿着输入IDT和输出IDT之间的压电衬底的铁磁材料。产生SAW最好产生频率在铁磁材料的谐振频率处或接近该谐振频率的SAW。
方框S130包括在ADFMR传感器的磁性材料上传播声波，使得能够与电磁场对磁性材料的影响成比例地扰动声波。外部EM场可使磁性材料偏置，从而使声波与电磁场幅值成比例地改变。在SAW器件的变体中，当SAW沿铁磁体传播时，铁磁体可能会被激发以进行共振。这可能导致铁磁体吸收一部分入射声波。在共振附近，吸收的声功率量会随外部磁场的变化而强烈变化。在一些变体中，铁磁体可以是磁致伸缩的，使得传播的声波在铁磁体内产生有效的RF磁场(以声波的频率或其整数倍)。在其他变体中，铁磁体可以具有使传播的声波发生扰动的其他性质。声波的扰动可以是任何期望的类型，其限制因素是扰动与电磁场的幅值和方向成正比。以这种方式，方框S130可以包括通过改变的声波感测外部EM场。
方框S140包括将改变的声波转换成改变的电信号，使得能够使用改变的电信号来测量场。将改变的声波转换成改变的电信号可以发生在ADFMR传感器处，优选地发生在声换能器处。在ADFMR传感器包括SAW器件的变体中，声换能器可以包括输出IDT。因此，将改变的声波转换为改变的电信号S140可以发生在SAW器件的压电衬底上的输出IDT处。因此，以与改变的声波相似的方式，改变的电信号包括关于外部电磁场的信息。
方框S150包括测量场，用于确定检测器处的EM场强。优选地，这通过以下方式完成，即：将改变的电信号与参考信号相结合并利用干扰(例如，相消干扰)来确定场强。在利用相消干扰的一些变体中，测量场S150可以包括将参考场移相半个周期，使得参考信号和原始电信号相互抵消。在用于测量场梯度的替代性的优选变体中，测量场S150包括确定改变的电信号之间的场强差(例如，确定改变的第一测试信号和改变的第二测试信号之间的差)。
测量场S150可以包括将信号转换为数字信号。将信号转换为测试信号可以有两种变体：测试信号和参考信号可以首先被组合然后数字化，或者它们可以分别被数字化然后组合在一起。即，测量场S150可以包括：组合改变的电信号和参考信号，然后将组合的信号转换为数字输出信号；或者将改变的电信号转换为改变的数字电信号，将参考信号转换为数字参考信号，然后将数字测试信号和数字参考信号组合。
高灵敏度的测量、噪声和其他环境问题可能会影响使用这种方法进行的场测量的准确性。该方法可包括改进场测量的附加步骤。除了其他潜在的改进步骤外，该方法可包括：减小信号带宽；降低信号噪声，以及优化场吸收。
减小信号带宽的作用是产生一个薄的相干信号频带，而不是一个大的信号频谱。优选地，减小信号带宽发生在带通滤波器处，但是可以附加地或替代地使用其他滤波器。减小信号带宽可以降低信号噪声。此外，减小信号带宽可以改善声波分组的大小和空间，以最小化不同声波分组之间的干扰。
降低信号噪声用于降低可能影响场测量的系统噪声。1/f(即粉红噪声)可能特别是抑制精确场测量的一个主要因素。降低信号噪声可以包括降低信号的功率和滤波信号以降低噪声。降低信号噪声可以包括使电信号通过衰减器。数字衰减器可以被实现为移除低于某个阈值的所有活动。模拟衰减器也可以实现为降低功率和最小化噪声。1/f噪声也可以通过使用干扰仪或偏置线圈使输入到任何放大器或其他有源组件的信号功率最小化。
在某些变体中，该方法可以包括优化场吸收。优化场吸收用于提高铁磁体对场的吸收。该铁磁体可能具有最佳场强，在该最佳场强处吸收振幅对外场最敏感。优化场吸收可以包括修改施加的场强以改进场测量。在一个示例中，优化场吸收可以包括确定最佳场吸收强度范围，并将场施加到ADFMR传感器，使得总共施加的场在最佳场吸收强度范围内或接近最佳场吸收强度范围。
4.系统架构
上述实施例的系统和方法可以至少部分地结合计算系统来体现和/或实现，计算系统包括配置成接收计算机可读介质的至少一台机器，所述计算机可读介质存储有计算机可读指令。上述系统和方法启用的ADFMR器件可以集成在计算系统中，从而可以使用这种器件的编程控制，其中计算系统可以利用提供EM场传感器数据的传感器输入。该计算系统可以包括一个或多个系统启用的ADFMR。该指令可由与用户计算机或移动设备、腕带、智能手机的应用程序、小程序、主机、服务器、网络、网站、通信服务、通信接口、硬件/固件/软件元件或其任何适当的组合集成的计算机可执行组件执行。本实施例的其他系统和方法可以至少部分地体现和/或实现为被配置为接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令可以由与上述类型的装置和网络集成的计算机可执行组件执行。计算机可读介质可以存储在任何合适的计算机可读介质上，例如RAM、ROM、闪存、EEPROM、光学设备(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的设备。计算机可执行组件可以是处理器，但是任何合适的专用硬件设备都可以(替代地或附加地)执行指令。
在一个变体中，一种系统包括存储指令的一个或多个计算机可读介质，当由所述一个或多个计算机处理器执行指令时，使计算平台执行包括本文描述的系统或方法的操作，例如：产生电信号；将电信号转换为声波；通过磁性材料传播声波；将改变的声波转换为改变的电信号；以及测量场。
在一个变体中，存储指令的非暂时性计算机可读介质，当由计算平台的一个或多个计算机处理器执行指令时，可以使计算平台执行本文描述的系统或方法的操作，例如：产生电信号；将电信号转换为声波；通过磁性材料传播声波；将改变的声波转换为改变的电信号；以及测量场。
图36是该系统的一个实施方式的示例性计算机架构结构图。在一些实施方式中，系统在通过通信信道和/或网络进行通信的多个设备中实现。在一些实现方式中，系统的元件在单独的计算设备中实现。在一些实施方式中，在相同设备中实现两个或更多个系统元件。该系统和系统的部分可以集成到可用作系统的计算设备或系统中或集成到系统内的计算设备或系统中。
通信信道1001与处理器1002A-1002N、存储器(例如，随机存取存储器(RAM))1003、只读存储器(ROM)1004、处理器可读存储介质1005、显示设备1006、用户输入设备1007和网络设备1008交互。如图所示，计算机基础结构可用于连接电源1101、和ADFMR电路1102、检测器电路1103和/或其他合适的计算设备。或者，上述系统可以实现为连接到计算机基础结构的自包含系统。
处理器1002A-1002N可以采取许多形式，例如中央处理单元(Central ProcessingUnits，CPU)、图形处理单元(Graphical Processing Units，GPU)、微处理器、机器学习/深度学习(Machine Learning/Deep Learning，ML/DL)处理单元，例如张量处理单元、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays，FPGA)、定制处理器和/或任何合适类型的处理器。
处理器1002A-1002N和主存储器1003(或一些子组合)可以形成处理单元1010。在一些实施例中，处理单元包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器通信地耦合到RAM、ROM和机器可读存储介质中的一个或多个；处理单元的一个或多个处理器通过总线接收由RAM、ROM和机器可读存储介质中的一个或多个存储的指令；一个或多个处理器执行所接收的指令。在一些实施例中，处理单元是专用集成电路(Application-Specific IntegratedCircuit，ASIC)。在一些实施例中，处理单元是片上系统(System-on-Chip，SoC)。在一些实施例中，处理单元包括系统的一个或多个元件。
网络设备1008可以提供一个或多个有线或无线接口，用于在系统和/或诸如外部系统的设备的其他设备之间交换数据和命令。这种有线和无线接口包括，例如，通用串行总线(USB)接口、蓝牙接口、Wi-Fi接口、以太网接口、近场通信(NFC)接口等。
包括用于软件程序(诸如操作系统、应用程序和设备驱动器)的配置的计算机和/或机器可读可执行指令可以从处理器可读存储介质1005、ROM 1004或任何其他数据存储系统存储在存储器1003中。
当由一个或多个计算机处理器执行时，各个机器可执行指令可由(处理单元1010的)处理器1002A-1002N中的至少一个经由通信信道1001访问，然后由处理器1001A-1001N中的至少一个执行。由软件程序创建或使用的数据、数据库、数据记录或其他存储形式数据也可以存储在存储器1003中，并且在软件程序的机器可执行指令的执行期间，这样的数据由处理器1002A-1002N中的至少一个访问。
处理器可读存储介质1005是硬盘驱动器、闪存驱动器、DVD、CD、光盘、软盘、闪存存储器、固态驱动器、ROM、EEPROM、电子电路、半导体存储器件等中的一种或两种以上的组合。处理器可读存储介质1005可以包括操作系统、软件程序、设备驱动器和/或其他合适的子系统或软件。
如本文所用，第一、第二、第三等用于表征和区分各种元件、组件、区域、层和/或部分。这些元素、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语的限制。数值术语的使用可用于将一个元件、组件、区域、层和/或部分与另一个元件、组件、区域、层和/或部分区分开来。使用这些数字术语并不意味着序列或顺序，除非上下文清楚地表明。这样的数字参考可以互换使用，而不偏离本文的实施例和变体的教导。
正如本领域技术人员将从前面的详细描述以及从附图和权利要求中认识到的那样，可以对本发明的实施例进行修改和改变，而不偏离权利要求中定义的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种用于基于声驱动铁磁共振(ADFMR)的传感器的系统，包括：
●电源，所述电源包括提供电信号的电子振荡器；
●包括第一ADFMR电路的至少一个电路，所述第一ADFMR电路包括ADFMR器件，其中，所述第一ADFMR电路使得所述电信号能够被电磁(EM)场扰动；以及
●根据电信号扰动确定所述EM场的检测器电路。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个电路包括干扰仪电路。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个电路还包括作为第一参考电路的第一信号处理电路，其中，所述第一参考电路与所述第一ADFMR电路并联，使得所述第一ADFMR电路和所述第一参考电路组合形成干扰仪电路。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个电路还包括：
●第一信号处理电路，所述第一信号处理电路是与ADFMR电路并联的第一参考电路；
●功率分配器，所述功率分配器位于所述第一ADFMR电路和所述第一参考电路的上游，使得所述功率分配器将所述电信号分离成：
■经过所述第一ADFMR电路的测试信号，以及
■经过所述第一参考电路的参考信号；以及
●功率合成器，所述功率合成器位于所述ADFMR电路和所述第一参考电路的下游，使得所述功率合成器组合从所述第一ADFMR电路输出的所述测试信号和从所述第一参考信号输出的所述参考信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一ADFMR电路还包括：
●位于ADFMR器件上游的上游匹配网络；以及
●位于ADFMR器件下游的下游匹配网络。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一ADFMR电路还包括衰减器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一ADFMR电路还包括移相器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述ADFMR器件包括声表面波器件。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，
●所述至少一个电路包括一组ADFMR电路，所述一组ADFMR电路至少包括所述第一ADFMR电路和第二ADFMR电路，所述第二ADFMR电路并联连接到所述第一ADFMR电路；以及
●所述系统还包括：
■功率分配器，所述功率分配器位于第一测试电路和第二测试电路的上游，使得所述功率分配器将所述电信号分离成两个测试信号：经过所述第一ADFMR电路的第一测试信号和经过所述第二ADFMR电路的第二测试信号；以及
■功率合成器，所述功率合成器位于所述第一ADFMR电路和第二ADFMR电路的下游，使得所述功率合成器组合从所述第一ADFMR电路输出的所述第一测试信号和从所述第二ADFMR电路输出的所述第二测试信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述ADFMR器件包括第一ADFMR器件，并且其中，所述第一ADFMR电路包括：所述第一ADFMR器件和第一衰减器。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第二ADFMR电路包括：第二ADFMR器件和第二衰减器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一ADFMR器件包括第一声表面波器件，并且所述第二ADFMR器件包括第二声表面波器件。
13.根据权利要求1所述的系统，
●其中，所述第一ADFMR电路的ADFMR器件包括第一ADFMR器件；
●所述至少一个电路还包括：
■包括第二ADFMR器件的第二ADFMR电路；以及
●其中，所述第二ADFMR器件与所述第一ADFMR器件相比具有不同的感测方向。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一ADFMR电路包括两个ADFMR器件，其中，每个ADFMR器件具有不同的感测方向。
15.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个电路还包括与所述第一ADFMR电路并联的矢量调制器电路。
16.根据权利要求3所述的系统，
●其中，所述至少一个电路还包括IQ混频器电路，
●其中，所述IQ混频器位于所述检测电路的上游，使得所述IQ混频器接收所述干扰仪电路的电信号输出和另一电信号输入。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述另一电信号输入包括来自原始电信号的输入。
18.根据权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个电路还包括线性化电路，所述线性化电路包括针对所述第一ADFMR电路的电磁场源、比较器和逻辑电路。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述线性化电路被配置为在设定模式下工作，使得所述EM场源修改施加到所述第一ADFMR电路上的电磁场，从而使得所述施加的EM场处于期望的测量状态。
20.一种使用声驱动铁磁共振(ADFMR)传感器测量EM场的方法，包括：
●振荡器产生电信号；
●ADFMR传感器将所述电信号转换为声波；
●所述ADFMR传感器通过磁性材料传播所述声波，从而与所述EM场的大小成比例地改变声波；以及
●所述ADFMR传感器将所述改变的声波转换成改变的电信号。
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