KR100400755B1

KR100400755B1 - 보조센서에 의한 ｓｑｕｉｄ 센서

Info

Publication number: KR100400755B1
Application number: KR10-2001-0069528A
Authority: KR
Inventors: 이승민; 이헌주; 오병두
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-10-08
Also published as: KR20030038110A; US20050088174A1; US7091717B2

Abstract

본 발명은 SQUID 센서의 자체잡음보다 더 높은 잡음수준의 상쇄자기장을 만들어주어 일반 자기장 수준에서의 저잡음의 SQUID 센서를 제공하기 위한 것으로서, SQUID와 SQUID 주변의 자기장을 생성하는 제 1 되먹임 코일로 구성된 SQUID 센서부와, 상기 SQUID 센서부보다 낮은 자기감도와 높은 동작범위를 갖는 보조센서와, 상기 SQUID 센서부와 보조센서를 동작하여 SQUID의 신호를 읽어내는 SQUID 구동부 및 보조센서 구동부와, 상기 SQUID 구동부 및 보조센서 구동부를 통해 발생되는 자기장을 결합하여 상기 제 1 되먹임 코일을 통해 SQUID 센서부에 상쇄 자기장으로 공급하는 제 1 결합부와, 보조센서의 출력과 SQUID 센서의 출력을 합하여 상쇄자기장에 의한 잡음이 소거된 최종출력을 출력하는 제 2 결합부를 포함하여 구성되어, 일반 자기장 하에서의 저 잡음의 SQUID 응용을 용이하게 할 수 있다.

Description

보조센서에 의한 ＳＱＵＩＤ 센서{SQUID sensor using secondary sensor}

본 발명은 SQUID 센서에 관한 것으로, 특히 SQUID 센서의 자체잡음보다 더 높은 잡음수준의 상쇄자기장을 만들어주는 일반 자기장 수준에서의 저잡음 SQUID 센서에 관한 것이다.

SQUID는 자속의 양자 간섭 효과에 의해 약한 자계의 변화에 응답할 수 있는 소자로 고감도의 자속계나 생체용 센서에 사용한다.

이와 같이 SQUID는 매우 감도가 뛰어난 자기센서로서 저온 초전도체를 이용하는 경우에는 수수준이며, 고온 초전도체의 경우는 수십수준까지 보고된 바가 있다.

그러나 SQUID를 이용하는 방법에는 다음 두 가지의 문제점을 가지고 있다.

첫째는 S/N비와 동작범위의 비례관계이다.

즉, 원리적으로는 SQUID를 이용하여 매우 S/N비가 큰 구동회로를 만들어 동작범위를 넓게 할 수 있지만 실제 환경에서는 SQUID 소자의 감도 저하로 동작범위를 증가시킨 만큼 S/N비가 증가하지 않는 경우가 생긴다.

그 이유는 일반적인 환경에서 발생되는 지구자기장 또는 자기원의 자기장의 영향 때문이다.

일반적인 환경에서는 자기장의 세기는 지구자기장이 수십수준이고 전원과의 거리나 기타 전자기장비, 자동차 등 자기원의 거리에 따라 수수준의 자기장이 존재한다.

이와 같은 초기조건의 다양성은 현재 냉각시 차폐를 하는 방법으로 배제할 수 있다.

둘째는 SQUID가 소자마다 다른 동작 전류를 갖고 있어 냉각시의 자기 차폐조건에 따라 SQUID가 수시로 미세한 변화를 보이는 문제가 있다.

즉, 냉동기를 사용한 일반환경에서의 응용에서는 자기 차폐조건에서도 초기냉각 시와 리셋시에 급격한 자기장의 변화가 발생되어 SQUID의 감도를 저하시킨다.

이에 따라, SQUID는 고감도 센서이지만 큰 자기장하에서 소자를 구성하는 재료의 열화(degradation)로 인해 자체 잡음이 증가하는 문제를 가지고 있다.

따라서 두 번째 문제점인 일반환경에서도 SQUID의 감도를 유지하는 방법이 필요하다.

즉, SQUID는 SQUID에 가해지는 자속의 양이 일정하도록 하는 자속되먹임 고정방법을 사용해 구동되기 때문에 정상 동작 중에는 큰 자기장이 가해지는 것을 막을 수 있으나, 오버로드(over load) 따위에 의해 이상 동작이 발생하여 리셋(reset)하는 경우는 순간적으로 큰 자기장의 변화 하에 놓이게 된다.

많은 경우 이 순간 SQUID 내부에 자속이 포획되어 최적조건에서 벗어나게 되고 잡음이 증가하게 된다.

따라서 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 비교적 큰 자기장 하에서 동작하며 연속적으로 상온에서 동작하는 보조센서를 이용하여 SQUID에 상쇄자기장을 가해주는 방법을 사용할 수 있다.

이렇게 하면 SQUID는 보조센서의 신호와 주변 신호의 차이만을 느끼게 되므로 두 번째 문제점인 SQUID의 감도가 나빠지는 문제를 해결할 수 있다.

하지만 일반적으로 보조센서의 감도가 SQUID 보다 훨씬 나쁘기 때문에 상쇄하는 자기장에는 보조센서의 잡음이 섞여 우리가 측정하고자하는 신호를 볼 수 없고 결국 보조센서의 감도로 측정하는 것이 되어 SQUID를 사용하는 의미가 없어진다.

이러한 단점을 해결하는 방법으로는 다음 두 가지 방법이 있다.

하나는 공간적으로 떨어져 있는 두 개의 SQUID로 이루어진그레디어메터(gradiometer)에 동일한 상쇄자기장을 주고 그 출력의 차이를 이용하여 보조센서의 잡음이 상쇄되어 공간적인 자기장의 변화를 SQUID의 감도로 측정할 수 있다.

또 하나는 주기적으로 보조센서의 출력을 디지털화하여 상쇄자기장을 만들면 연속적으로 잡음이 가해지는 것을 막을 수 있다.

그러나 위의 두 가지 방법은 SQUID가 지금까지의 초전도체를 이용할 때 77K 이하의 온도에서 사용이 가능하므로 액체질소와 같은 냉매를 이용하였을 경우에만 해당된다.

하지만 상용의 목적이나 원격지에 설치한 상태에서 이 센서를 이용하기 위해서는 정기적인 냉매의 보충이 없이 연속적으로 또는 수시로 저온을 유지해 줄 수 있는 냉동기의 사용이 필수적이다.

이와 같이 냉동기 구동시에는 매우 큰 자기장이 발생하기 때문에 일반적인 극저온 냉동기를 사용할 경우 그 크기가 SQUID를 구성하는 초전도체의 성질을 저하시키는 수준에 이르기 때문에 위에서 말한 문제점인 SQUID의 성능이 현저히 저하되는 문제점을 그대로 안고 있게 된다.

그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 SQUID 센서는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 그레디어메터(gradiometer)에서는 자기장 자체의 크기 변화를 얻을 수 없다.

둘째, 주기적으로 디지털화된 저잡음 전류로 상쇄자기장을 만드는 경우는 순간적인 상쇄자기장을 처리하는 별도의 논리회로가 필요하며 급격한 변화에서는 상쇄하는 효과가 없다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, SQUID 센서의 자체잡음보다 더 높은 잡음수준의 상쇄자기장을 만들어주어 일반 자기장 수준에서의 저잡음의 SQUID 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 보조센서에 의한 SQUID 센서의 회로도

도 2 및 도 3 은 본 발명에 따른 보조센서에 의한 SQUID 센서의 회로도를 나타낸 다른 실시예

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : SQUID 센서부 20 : 보조센서

30 : 보조센서 구동부 40 : SQUID 구동부

50 : 제 1 결합부 60 : 제 2 결합부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보조센서에 의한 SQUID 센서의 특징은 SQUID와 SQUID 주변의 자기장을 생성하는 제 1 되먹임 코일로 구성된 SQUID 센서부와, 상기 SQUID 센서부보다 낮은 자기감도와 높은 동작범위를 갖는 보조센서와, 상기 SQUID 센서부와 보조센서를 동작하여 SQUID의 신호를 읽어내는 SQUID 구동부 및 보조센서 구동부와, 상기 SQUID 구동부 및 보조센서 구동부를 통해 발생되는 자기장을 결합하여 상기 제 1 되먹임 코일을 통해 SQUID 센서부에 상쇄 자기장으로 공급하는 제 1 결합부와, 보조센서의 출력과 SQUID 센서의 출력을 합하여 상쇄자기장에 의한 잡음이 소거된 최종출력을 출력하는 제 2 결합부를 포함하여 구성되는데 있다.

이때, 상기 제 1 결합부는 보조센서 구동부에서 발생되는 신호를 제 2 되먹임 코일을 통해 자기장을 발생시켜 제 2 되먹임 코일에서 발생되는 자기장과 결합하는데 다른 특징이 있다.

이때, 상기 SQUID 구동부 및 보조센서 구동부에 보조센서에 의해 발생되는잡음에서 SQUID 값을 보호하기 위한 리셋값을 각각 인가하는데 또 다른 특징이 있다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 SQUID보다 성능이 나쁘지만 입력범위가 큰 임의의 자기 센서를 이용하여 SQUID의 자체잡음 수준보다 높은 잡음수준의 상쇄자기장을 만들어 주되 상쇄자기장에 의한 잡음이 소거된 출력을 얻도록 하여, 일반 자기장 하에서의 저 잡음의 SQUID 응용을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 보조센서에 의한 SQUID 센서의 작동범위 확장의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 보조센서에 의한 SQUID 센서의 회로도이다.

도 1을 보면, SQUID와 SQUID 주변의 자기장을 생성하는 되먹임 코일로 구성된 SQUID 센서부(10)와, 상기 SQUID 센서부(10)보다 낮은 자기감도와 높은 동작범위를 갖는 보조센서(20)와, 상기 SQUID 센서부(10)와 보조센서(20)를 동작하여 SQUID의 신호를 읽어내는 SQUID 구동부(40) 및 보조센서 구동부(30)와, 상기 SQUID 구동부(40) 및 보조센서 구동부(30)를 통해 발생되는 자기장을 결합하여 상기 되먹임 코일을 통해 SQUID 센서부(10)에 상쇄 자기장으로 공급하는 제 1 결합부(50)와, 보조센서(20)의 출력과 SQUID 센서부(10)의 출력을 합하여 상쇄자기장에 의한 잡음이 소거된 최종출력을 출력하는 제 2 결합부(60)로 구성된다.

상기 제 1 결합부(50)는 보조센서(20)의 출력으로 SQUID에 상쇄자기장을 만드는데, 이때 보조센서(20)의 잡음에 의한 성분이 SQUID에 입력되게 되므로, 상기 제 2 결합기(60)를 통해 SQUID의 출력에는 보조센서(20)의 자기장이 음의 값을 갖는 일정한 비에 의해 포함되게 한다.

그 비율은 SQUID와 되먹임 코일의 결합상수와 SQUID 구동부(40)의 이득의 곱으로 나타나며, SQUID의 출력에 그와 반대 부호인 같은 비율을 곱한 보조센서 구동부(30)의 출력을 더하면 SQUID 출력에서 보조센서(20)에 의한 잡음은 소거된다.

실제로는 SQUID 구동부(40)의 위상변이(phase shift)로 인해 완벽하게 소거할 수는 없으나 위상 쉬프트(phase shift)가 작도록 SQUID 구동부(40)를 설계하면 비교적 저주파인 전원 신호등은 상당히 소거율이 높다.

보조센서(20) 부근의 자기장을 Bs, SQUID 부근의 자기장을 B₀, 보조센서의 출력을 Vs, 보조센서의 잡음을 Vn라고 하면, 보조센서의 출력 자기장 Vs(Bs)는 다음 수학식 1과 같이 쓸 수 있다.

Vs(Bs) = Ve(Bs) + Vn

여기서 Ve(Bs)는 보조센서의 자기장 대 출력 특성에 의한 값으로, 보조센서의 직선성을 가정할 때, Ve = a Bs 이다.

SQUID 구동부(40)의 출력함수를 V₀(B)라고 하면, SQUID에 걸리는 자기장(B₁)은

B₁= B₀- M(V₀(B₁)+Vs(Bs))/R_FB이므로,

B₁= (B₀- Bs aM/R_FB) - M(V₀(B₁)+Vn)/R_FB이 된다.

여기서 M은 되먹임 코일의 전류 대 출력 자기장 계수이다.

보조센서(20)가 SQUID에서 충분히 가까우면 B₀= Bs + ΔB이 되므로 자속되먹임 구동이 아닐 때, 즉 V₀(B)=0 일 때, SQUID는 ΔB + (1-aM/R_FB)Bs - MVn/R_FB에 해당하는 자기장만을 느끼게 된다.

물론 aM/R_FB~ 1 이 되도록 조절하면, B₁~ ΔB이 된다.

자속 구동시에는 구동회로에 의해 ΔB만큼의 자기장이 상쇄되며 SQUID의 출력은 V₀(ΔB + (1-aM/R_FB)Bs - MVn/R_FB)이 된다.

그리고 SQUID 구동부(40)는 직선성이 뛰어나므로 출력함수V₀(B) = bB로 쓸 수 있어서,

V₀= b ΔB + b(1-aM/R_FB)Bs - bMVn/R_FB이다.

여기서 보조센서(20)의 출력 Vs에 c를 곱한 값을 더해서 만들어진 최종출력(Vf)은,

Vf = b ΔB + b(1-aM/R_FB)Bs - bMVn/R_FB+ caBs + cVn

= b(B₀-Bs) + b(1-aM/R_FB)Bs - bMVn/R_FB+ caBs + cVn

= bB₀+ (ca-baM/R_FB)Bs + (c-bM/R_FB)Vn 이므로,

정확히 bM/R_FB= c 이 되도록 하면,

Vf = bB₀+ (ca-ca)Bs = bB₀= V₀(B₀)가 된다.

그리고 보조센서(20)가 완벽한 직선성을 갖지 않는 경우에도,

Vf = b ΔB + bBs - Ve(Bs)M/R_FB- bMVn/R_FB+ cVe(Bs)+cVn 이므로,

bM/R_FB= c 이 되도록 하면,

Vf = V₀(B₀)가 된다.

따라서 최종출력인 Vf는 보조센서에 의한 상쇄자기장이 없이 B₀의 자기장에서 SQUID 구동부(40)의 출력값과 같아진다.

중요한 것은 SQUID에 가해진 자기장은 ΔB + (1-aM/R_FB)Bs - MVn/R_FB이며, 이는 B₀보다 충분히 작게 만들 수 있어서 큰 자기장에 의한 SQUID의 감도 저하를 방지할 수 있다는 것이다.

실제로 (1-aM/R_FB)Bs의 항은 일반적인 보조센서 구동부(30)로는 비직선성으로 인해 항상 0으로 할 수 없으므로 선형화된 회로를 구성하는 것이 좋다.

상쇄자기장을 사용하는 기존의 방법에서는 최종출력이 실제 자기장에 의한 값보다 작게 되도록 하는 것과는 달리 본 발명은 제 2 결합기(60)를 통해 최종 출력이 상쇄자기장이 없을 때의 값이 되도록 출력한다.

그리고 본 발명은 신호 대 잡음비(S/N 비)가 그리 크지 않은 SQUID 구동부(40)로 큰 신호 대 잡음비의 출력을 얻는다.

일반적으로 SQUID의 되먹임 코일은 SQUID 소자와 함께 집적하는 경우가 많다.

그리고 집적된 되먹임 코일은 완벽하게 SQUID에 가해지는 자기장의 총합을 일정하게 유지하는 것이 아니라 대체로 자속의 합을 일정하게 유지하는 것이어서 보조센서에 의한 상쇄자기장이 SQUID 소자의 모든 부분에 일정한 자기장으로 유지할 수 없고, 자기장의 구배 성분을 유도한다.

이러한 경우 상쇄자기장이 큰 값일 때 구배도 크고 따라서 SQUID를 차폐하는 효과가 떨어지므로 이를 도 1에서 나타낸 것과 같이 보조센서를 통해 해결하고 있다.

도 2 및 도 3 은 본 발명에 따른 보조센서에 의한 SQUID 센서의 회로도를 나타낸 다른 실시예이다.

도 2를 보면, 도 1에 Helmholtz coil과 같이 균일한 자기장을 만드는 별도의 되먹임 코일(11)을 사용하는 경우이다.

그리고 앞에서 밝힌 듯이 초기냉각 시와 리셋시에 급격한 자기장의 변화를 막아 SQUID의 감도저하를 방지하는 방법으로 도 3과 같이 할 수도 있다.

즉, 도 3을 보면 도 1과 같이 냉각시에 보조센서에 의한 상쇄자기장을 동작하고, 별도의 리셋값을 인가하여 특정 값 이상이 될 때 보조센서에 의해 SQUID를 보호하도록 한 것이다.

그리고 외부신호 reset1과 reset2는 시간적인 차이를 두어 상쇄자기장이 가해진 다음 구동회로의 리셋이 이루어지도록 한다.

리셋 상태에서 보조센서(20)로 자기장 값을 모니터(monitor)하다가 안전한동작범위가 되면 SQUID 구동부(40)를 동작시키고 상쇄자기장을 제거하여 정상 동작상태로 가게 한다.

이 방법은 구동회로 자체가 큰 신호대 잡음비(S/N 비)를 갖고 있어야 하며, 리셋 동안에는 SQUID 구동부(40)가 동작하지 않아야 한다. 그리고 이를 위한 별도의 논리회로가 필요하다.

그러나 보조센서의 잡음효과를 제거하기 위해 정밀한 조정이 필요 없다는 큰 장점이 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 보조센서에 의한 SQUID 센서의 작동범위 확대는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 큰 자기장하에서 SQUID의 감도저하를 막을 수 있다.

둘째, SQUID 구동회로의 신호대 잡음비(S/N 비)를 효과적으로 대폭 향상시킬 수 있다.

셋째, 보조센서 사용으로 인한 잡음 추가를 방지할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims

SQUID와 SQUID 주변의 자기장을 생성하는 제 1 되먹임 코일로 구성된 SQUID 센서부와,

상기 SQUID 센서부보다 낮은 자기감도와 높은 동작범위를 갖는 보조센서와,

상기 SQUID 센서부와 보조센서를 동작하여 SQUID의 신호를 읽어내는 SQUID 구동부 및 보조센서 구동부와,

상기 SQUID 구동부 및 보조센서 구동부를 통해 발생되는 자기장을 결합하여 상기 제 1 되먹임 코일을 통해 SQUID 센서부에 상쇄 자기장으로 공급하는 제 1 결합부와,

보조센서의 출력과 SQUID 센서의 출력을 합하여 상쇄자기장에 의한 잡음이 소거된 최종출력을 출력하는 제 2 결합부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보조센서에 의한 SQUID 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 결합부는 보조센서 구동부에서 발생되는 신호를 제 2 되먹임 코일을 통해 자기장을 발생시켜 제 2 되먹임 코일에서 발생되는 자기장과 결합하는 것을 특징으로 하는 보조센서에 의한 SQUID 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 SQUID 구동부 및 보조센서 구동부에 보조센서에 의해 발생되는 잡음에서 SQUID 값을 보호하기 위한 리셋값을 각각 인가하는 것을 특징으로 하는 보조센서에 의한 SQUID 센서.
제 3 항에 있어서,

상기 각각 인가되는 리셋값은 시간적인 차이를 두어 상쇄자기장이 가해진 다음 구동회로의 리셋이 이루어지는 것을 특징으로 하는 보조센서에 의한 SQUID 센서.