JP2006515062A

JP2006515062A - 無線周波数磁界を感知する素子

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Publication number: JP2006515062A
Application number: JP2004567283A
Authority: JP
Inventors: パンティエ，ミリアム; フェルモン，クロード
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: WO2004068152A1; US7511483B2; JP4505338B2; EP1588175A1; AU2003206903A1; US20060226827A1; EP1588175B1; DE60312565D1; DE60312565T2

Abstract

ＲＦ磁界を感知する素子は、所定の経路幅ｄを有する円周経路を含む磁束受信用閉回路１を備え、磁束受信用閉回路１は、磁束受信用閉回路１を貫流する磁束を高磁界に変換する部分１０を有する。部分１０は、円周経路において電流線を集中させて電界変成器を構成するための、磁束受信用閉回路１のくびれを備える。少なくとも１つの超低ノイズ磁界変換器１２は、このくびれから極近距離に配置される。

Description

本発明は、無線周波数（以下、ＲＦ）磁界を感知する素子に関する。

ＲＦ磁界を感知するための既知の方法は通常、ＬＣ回路を組み合わせた共振回路、増幅器および電圧測定を利用する。そのような電圧測定の利用による既知の感知素子の一例は、特許文献１で与えられる。

ＲＦ磁界を感知する他の既知の素子は、壊れやすく、そして限られた感度を持つホール効果変換器を含む。

もう１つの既知の技術によれば、磁束を電流に転換し、この電流自体が再送する磁界をＳＱＵＩＤタイプ（例えば、超電導量子干渉素子を含む）の高感度センサによって検出する。しかしながら、高感度を有するＳＱＵＩＤに基づいた素子は、大変複雑で、そして従来の産業環境で、または携帯機器では使用することができない。

米国特許第６、３７３、２５３号明細書

本発明は、上述の欠点を是正することを目的とする。

従って、本発明の１つの目的は、産業環境を含む異なった環境で、ＲＦ磁界を感知する単純で高効率な素子を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、高感度を有する一方、製造が容易であり、そして外乱による影響を実質的に受けない、丈夫で信頼性の高い感知素子を提供することである。

これらの目的は、所定の経路幅を有する円周経路を含む磁束受信用閉回路を備え、前記磁束受信用閉回路は、前記磁束受信用閉回路を貫流する磁束を高磁界に変換する部分を有し、前記部分は、前記円周経路において電流線を集中させて電界変成器を構成する、前記磁束受信用閉回路のくびれ、および、前記くびれから極近距離に配置される少なくとも１つの超低ノイズ磁界変換器を備える、ＲＦ磁界を感知する素子により達成される。

好ましくは、前記超低ノイズ磁界変換器は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）を備える。

あるいはまた、前記超低ノイズ磁界変換器は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）、または、超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ）を備えてもよい。

本発明による素子は、１０キロヘルツから３０ギガヘルツまでの範囲の無線周波数信号に適用されてもよい。

本発明による素子は、その結果、より具体的には無線周波数識別（ＲＦ−ＩＤ）に適用されてもよい。そのような用途において、使用周波数は、例えば、１２５キロヘルツ、１３．５６メガヘルツ、および、２．４５ギガヘルツであってもよいが、３０ギガヘルツまでの他の周波数が使用されてもよい。

本発明による素子は、好ましくは５０キロヘルツと１０メガヘルツとの間で構成される使用周波数で、核四極共鳴（ＮＱＲ）、特に爆発物探知に、さらに適用されてもよい。

本発明による素子は、ＲＦ無線通信用の高感度受信器として使用されてもよい。

本発明によるセンサの他の用途は、無線アンテナにより誘導された磁界の測定を特に含んでもよい。

本発明の具体的な実施例によれば、くびれは、複数の並列の超低ノイズ磁界変換器を収容するために十分長い。

そのような場合、より具体的な実施例によれば、それぞれ個々の超低ノイズ磁界変換器は、別々の読取り増幅器に接続され、そして、前記読取り増幅器の出力は、ただ１つの加算増幅器に接続される。

あるいはまた、複数の超低ノイズ磁界変換器によって供給された信号は、相互相関であることができる。

本発明の実施例によれば、磁束受信用閉回路はリソグラフィによって薄膜として製作され、そして、少なくとも１つの超低ノイズ磁界変換器は、前記くびれに重ねられた、薄膜である少なくとも１つの磁気抵抗センサを備え、この少なくとも１つの磁気抵抗センサとくびれとの間には厚さの小さい絶縁層が介装されている。

そのような場合、磁束受信用閉回路は、１ミリメートルと数（a few;例えば、二、三）センチメートルとの間で構成される、より幅広の寸法（Ｄ）を有してもよい。

好ましくは、くびれは、数（a few;例えば、二、三）十ナノメートルと数（a few;例えば、二、三）マイクロメートルとの間で構成される幅（Ｗ）を有する。

絶縁層は、１００ナノメートルより小さい厚さを有する。

有利なことに、くびれは、数（several;例えば、四、五）マイクロメートルから数（several;例えば、四、五）十マイクロメートルの間で構成される長さを有する。

本発明のもう一つの実施例によれば、磁束受信用閉回路のくびれは、より長く、そしてコイル状に巻かれ、そのコイルの自己誘導は、磁束受信用閉回路の自己誘導と同程度の大きさ（理想的には同等）であり、このコイルの磁心は、超低ノイズ磁界変換器を構成する磁気抵抗棒である。

選択的な共振受信器を形成するために、コンデンサを磁束受信用閉回路と結合することができる。

そのような実施例で、磁束受信用閉回路の直径（Ｄ）は、意図される用途により、数（several;例えば、四、五）マイクロメートルと数（several;例えば、四、五）デシメートルとの間で構成されてもよい。

本発明のこれらおよび他の目的と特徴は、以下の添付図面に関連する例として与えられる特定の実施例の記載から、より明確になるであろう。

基本的に、本発明によれば、ＲＬＣタイプの共振回路またはＬＲ回路で、誘導ＲＦ磁界によって生成された電流は、磁束領域変成器の極近傍に配置される磁気抵抗素子を利用することにより測定される。

従って、電流への転換による磁束の測定にもっぱら用いられる磁束受信用閉回路を含む素子の中で、本発明は、磁束受信用閉回路を貫流する磁束を高磁界に変換する部分を提供する。

図１、３および４は、本発明による感知素子の種々の実施例に関する。

磁束受信用閉回路１（図１）、１０１（図３）、または、２０１（図４）は、所定の経路幅ｄを有する円周経路を含む。円周経路は、実質的に、正方形（図１）、円形（図３）、または、８の字形（図４）であってよい。他の既知の磁束受信用閉回路の形状にしてもよい。明確さのために、磁束受信用閉回路１、１０１、２０１の円周経路と結合したコイルは、図面に示されていない。

それぞれの磁束受信用閉回路１、１０１、２０１は、磁束受信用閉回路１、１０１、２０１のくびれを構成する部分１０、１１０、２１０をそれぞれ備える。くびれた部分１０、１１０、２１０は、円周経路に電流線を集中させて電界変成器を構成する。

くびれた部分１０、１１０、２１０のそのように作り出された磁界は、磁気抵抗タイプの、少なくとも１つの超低ノイズ磁界変換器１２；１１２；２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃによって、極近距離で測定される。

巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）が使用されるが、同じ物理現象が含まれるので、トンネル磁気抵抗または超巨大磁気抵抗のような、他のより敏感な磁気抵抗素子を同様に使用することができる

図１および２は、設計の最適化を可能とする、リソグラフィによる薄膜への一体化を含む本発明の第１の実施例に関する。

完全な磁束受信用閉回路１は、リソグラフィによって薄膜に製作することができ、くびれた部分、並びに少なくとも１つのノイズ磁界変換器を含み、この少なくとも１つの磁界変換器は、くびれ１１に重ねられた、薄膜状の少なくとも１つの磁気抵抗センサ１２を備え、磁気抵抗センサ１２とくびれ１１との間に厚さの小さい絶縁層１４を介装してなる。磁界は参照符号１３によって特定される（図２）。

あるいはまた、混合した考えが実現されてもよい。そのような場合、くびれた部分１０およびセンサ１２は、図１および２で示されたように、リソグラフィでパターン化される一方、くびれた部分１０は、他の従来の技術によって製作される最も大きいサイズの磁束受信用閉回路１に接続される。この方法では、磁束受信用閉回路１のサイズに実際の制限がなく、磁束受信用閉回路１をかなり大きい平均寸法Ｄを有するものとすることができる（図１）。

少なくともくびれた部分１０および磁気抵抗センサ１２が、リソグラフィでパターン化される図１の実施例では、磁束受信用閉回路１のインピーダンスと磁界生成閉回路を構成するくびれた部分１０のインピーダンスを整合させるべきである。

磁気抵抗センサ１２を緊密に結合すると、感度が高まる。

もし、完全な磁束受信用閉回路１がリソグラフィによってパターン化されれば、閉回路１の寸法Ｄは、約０．１ミリメートルと数（a few;例えば、二、三）センチメートルとの間で構成されてもよい。

磁界センサ１２は、閉回路１のくびれ１１上に配置される。

くびれ１１の幅Ｗは、数（a few;例えば、二、三）百ナノメートルと数（several;例えば、四、五）マイクロメートルとの間で構成されてもよい。くびれ１１の長さは、数（several;例えば、四、五）マイクロメートルと数（several;例えば、四、五）十マイクロメートルとの間で選択されてもよい。

くびれ１１は、磁気抵抗センサ１２の上または下に配置され、１００ナノメートルより小さい厚さを有する電気的な絶縁層１４によって分離される。閉回路１により受信された磁束は、くびれ１１に最大値の循環電流を誘導し、循環電流の磁力線１３は、磁気抵抗センサ１２によって検出される。検出は、センサ１２の抵抗の変化を測定することにより実現される。この測定は、端子１５と１６の間に電流を注入し、端子１７と１８の間の電圧を測定することにより実現される（図１の平面図を参照）。

高い周波数で、ＧＭＲ１２のような変換器で本発明による共振回路を利用することは、理想的な前置増幅器で測定することに等しい。

１００メガヘルツより大きい、非常に高い周波数では、センサの信号対ノイズ比を増加させるために、センサのスピン波共振を利用することが可能である。

雑音を部分的に抑えるための複数の並列の変換器２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ（図４）の利用で、素子を改善してもよい。例えば、Ｎ個の変換器を接続すると、係数（√Ｎ）だけ感度を増加することが可能である。そのような場合、くびれ２１１は、その極近傍に数個の磁気抵抗素子の配置を可能とするため、十分な長さにするべきである。もし、くびれの長さが長過ぎれば（抵抗が高過ぎれば）、変換器をくびれの両側（すなわち、くびれの上と下）に置くことができる。

図４の実施例において、検出された信号の平均化は、それぞれの素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃを、別々の読取り増幅器２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃに接続し、そして、増幅器２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃにより出力された全ての信号を加算増幅器２０４で合計することにより、または相関法により、実行される。

図４の実施例において、磁束受信用閉回路２０１は、８の字形を有し、そして、共通分岐２１４を有する、２つの閉回路を備え、共通分岐２１４はくびれ２１１を持つ部分２１０を備える。共通分岐２１４は、くびれ２１１に隣接しているＶ字形部分２１５、２１６を有していてもよい。この設計は、磁界傾度計の用途にもっぱら用いられ、例えば、地雷検出に利用することができる。対人地雷用については全体の寸法が約２０センチメートルである。

図３に示されたもう１つの実施例によれば、磁束受信用閉回路１０１は、所定の幅ｄの円周経路を備え、そして、対象とする用途によって、マイクロメートルからデシメートルまで様々なサイズである、平均寸法または直径Ｄを有する。磁束受信用閉回路１０１は、使用周波数によって、１回または数回の巻きを有するコイル（図示せず）を備える。磁束受信用閉回路１０１で誘導された電流は、閉回路１０１のくびれた部分１１０の位置に配置されたコイル１１１を通り抜ける。コイル１１１の巻き数は、主閉回路１０１と整合するインピーダンスの関数である。コイル１１１は、磁気抵抗棒１１２に巻き付けられている。コイル１１１は、より多い巻き数を可能とするため、主コイルより小さい直径を有するワイヤで作られてもよい。コンデンサ１１４が、回路の共振条件に従って、磁束受信用閉回路１０１と接続される。

センサ１１２の抵抗の変化を、図１の実施例の場合と同じ方法によって測定してもよい。すなわち、２つの端子を通って電流を注入し、他の２つの端子によって電圧を測定する。図１の端子１５、１６、および、端子１７、１８に類似したそれらの端子は、図３には示されていない。

素子の最適化は、検出周波数および検出表面によってなされなければならない。素子の最適化は、検出表面を第一に定義しなければならない。磁束受信用閉回路のコイルの巻き数は、１、または、より大きな整数と等しくてもよいが、この閉回路の固有周波数により制限される。素子の最適化は、使用できる調和用のコンデンサ１１４も考慮すべきである。抵抗は、できるだけ低くなければならない。

くびれは、使用されるリソグラフィの技術で、最小化されなければならない。しかしながら、くびれが細くなれば細くなるほど、増幅は大きくなる。

共振回路の場合、くびれの付加抵抗を考慮すべきである。１０マイクロメートルの長さと１マイクロメートルの幅のくびれ、または、巻きコイルの使用は、回路に１オームの抵抗を加える。回路の共振要素Ｑは、Ｑ＝Ｌω／Ｒによって与えられ、もし、（収集閉回路のインダクタンスとくびれの自己インダクタンスの合計に等しい）Ｌがより小さければ、低下しうる。Ｒは回路の抵抗の合計であり、ω（＝２π×使用周波数）は振動である。高い周波数では、これは設計の制限とはならない。

１１１のような一体化した、または手巻きのコイルに対して、素子の最適化は、充填率を最大化する（最も接近させる）ために、ＧＭＲ１１２の周りの最大巻き数を定義しなければならず、そして、大きな閉回路のインピーダンスを整合するために、巻き数を調節しなければならない。経験的に、素子の最適化は、巻き数の割合が半径に反比例すると言える。素子の最適化は、次に、くびれまたはコイルの抵抗を計算しなければならず、この抵抗は全体のＱ要素を決定し、そして、最小でなければならないことが分かっている。この抵抗は、１１１のような小さいコイルの巻き数に比例する。

全体的に、これらの制約は、より大きな使用周波数で実現する場合には、より容易になる。

実用的な例として、収集コイルは、直径１５センチメートルの３巻きで作られており、巻きコイルは、対人地雷検出用のＧＭＲセンサの周りに５０回巻かれ、その直径は、０．１×１ミリメートルである。

もう１つの製作方法は、磁気抵抗素子にリソグラフィにより１回または数回の巻き（単層または多層）を加える方法であってもよい。この方法は、極小サイズ、典型的にはマイクロメートルサイズの素子に適している。導電抵抗が増加するのでサイズには下限がある。それにも関わらず、標準の技術、特に、リソグラフィにより実現する数個の閉回路のレベルの困難さによれば、その方法によって得られる巻き数は、手巻き工程に比べて制限されるが、間隔はかなり極められている。

図５は、本発明の素子に使用することのできる特定のＧＭＲの特性の一例を示す。従って、図５で示された曲線は、磁界（ガウス）の関数としてのＧＭＲの抵抗（オーム）を表す。

リソグラフィによって薄膜に一体化された本発明の実施例によるＲＦ感知素子の概略図である。図１のＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。本発明のもう１つの実施例による、二次コイルを備えたＲＦ感知素子の概略図である。複数の磁気抵抗素子、および、磁界傾度計として設計されている収集コイルを備える、本発明によるＲＦ感知素子のさらにもう１つの実施例の概略図である。本発明によるＲＦ感知素子とともに使用することができるＧＭＲの特性を示す線図である。

符号の説明

１、１０１、２０１磁束受信用閉回路
１０、１１０、２１０部分
１１、２１１くびれ
１２、１１２、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ超低ノイズ磁界変換器
１３磁界
１４絶縁層
１５、１６、１７、１８端子
１１１コイル
１１４コンデンサ
２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ読取り増幅器
２０４加算増幅器
２１４共通分岐
２１５２１６、Ｖ字形部分
ｄ経路幅
Ｄ寸法
Ｗ幅

Claims

所定の経路幅（ｄ）を有する円周経路を含む磁束受信用閉回路（１；１０１）を備え、前記磁束受信用閉回路（１；１０１）は、前記磁束受信用閉回路（１；１０１）を貫流する磁束を高磁界に変換する部分（１０；１１０）を有し、前記部分（１０；１１０）は、前記円周経路において電流線を集中させて電界変成器を構成する、前記磁束受信用閉回路（１；１０１）のくびれ（１１；１１１）、および、前記くびれ（１１；１１１）から極近距離に配置される少なくとも１つの超低ノイズ磁界変換器（１２；１１２）を備えることを特徴とするＲＦ磁界を感知する素子。
前記超低ノイズ磁界変換器（１２；１１２）は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）を備えることを特徴とする請求項１に記載の素子。
前記超低ノイズ磁界変換器（１２；１１２）は、トンネル磁気抵抗、または、超巨大磁気抵抗を備えることを特徴とする請求項１に記載の素子。
１０キロヘルツから３０ギガヘルツまでの範囲の無線周波数信号に適用されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の素子。
前記くびれ（２１１）は、複数の並列の前記超低ノイズ磁界変換器（２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ）を収容するために十分長いことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の素子。
それぞれ個々の前記超低ノイズ磁界変換器（２０２ａ、２０２ｂ，２０２ｃ）は、別々の読取り増幅器（２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ）に接続され、そして、前記読取り増幅器（２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ）の出力は、ただ1つの加算増幅器（２０４）に接続されることを特徴とする請求項５に記載の素子。
前記磁束受信用閉回路（１）は、リソグラフィによって薄膜として製作され、そして、少なくとも１つの前記超低ノイズ磁界変換器は、前記くびれ（１１）に重ねられた、薄膜である少なくとも１つの磁気抵抗センサ（１２）を備え、前記少なくとも１つの磁気抵抗センサ（１２）と前記くびれ（１１）との間に厚さの小さい絶縁層（１４）が介装されたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の素子。
前記磁束受信用閉回路（１）は、１ミリメートルと数（a few;例えば、二、三）センチメートルとの間で構成される、より幅広の寸法（Ｄ）を有することを特徴とする請求項７に記載の素子。
前記くびれ（１１）は、数（a few;例えば、二、三）百ナノメートルと数（a few;例えば、二、三）マイクロメートルとの間で構成される幅（Ｗ）を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の素子。
前記絶縁層（１４）は、１００ナノメートルより小さい厚さを有することを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の素子。
前記くびれ（１１；２１１）は、数（several;例えば、四、五）マイクロメートルから数（several;例えば、四、五）十マイクロメートルの間で構成される長さを有することを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載の素子。
前記磁束受信用閉回路（１０１）の前記くびれは、コイルで巻かれ、前記コイルの自己誘導は、前記磁束受信用閉回路（１０１）の残部の自己誘導と同程度の大きさであり、そして、磁気抵抗棒（１１２）が前記コイルの磁心として配置されて前記少なくとも１つの前記超低ノイズ磁界変換器を構成したことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の素子。
コンデンサ（１１４）が前記磁束受信用閉回路（１０１）と接続されることを特徴とする請求項１２に記載の素子。
前記磁束受信用閉回路（１０１）の直径（Ｄ）は、数（several;例えば、四、五）マイクロメートルと数（several;例えば、四、五）デシメートルとの間で構成されることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の素子。