KR20140010379A

KR20140010379A - 자기 전기 센서를 이용해서 자기장을 측정하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20140010379A
Application number: KR1020137021235A
Authority: KR
Inventors: 로베르트 얀스; 라인하르트 크뇌헬; 에크하르트 크반트
Original assignee: 크리스티안-알브레히츠-우니버지태트 추 킬
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2014-01-24
Also published as: US9383417B2; JP2014508287A; CN103460067A; WO2012097796A3; KR101813086B1; WO2012097796A2; WO2012097796A8; US20130289913A1; EP2635913A2; DE102011008866A1; EP2635913B1; CN103460067B; JP5946471B2

Abstract

본 발명은 기계적 공진 주파수(F_R)를 갖는 자기 전기(magnetoelectric) 센서를 이용해서 시간에 따라 가변적인 자기장을 측정하기 위한 방법과 관련이 있으며, 이때 상기 자기장은 결정될 측정 신호 진폭(H_mess0) 및 사전에 공지된 주파수 간격(f_min < f_mess < f_max) 안에서 결정될 측정 신호 주파수(f_mess)와 고조파 시간 의존성(harmonic time dependence)을 갖는 적어도 한 가지 부분을 구비하며, 본 발명에 따른 자기장 측정 방법은 a. 사전에 공지된 변조 진폭(H_mod0) 및 센서 상에서 선택할 수 있는 변조 주파수와 고조파 시간 의존성을 갖는 변조 자기장과 자기장을 중첩(superimposing)시키는 단계; b. 사전에 공지된 간격 한계(f_min, f_max; interval limit) 및 센서의 공진 주파수(f_R)에 의해 결정된 상호 보완적인(complementary) 주파수 간격에 걸쳐서 변조 주파수를 변경(wobbling)시키는 단계; c. 선택된 각각의 변조 주파수를 위한 센서 신호를 측정하는 단계; d. 센서의 기계적 공진 내에서 센서 신호를 야기하는 적어도 하나의 변조 주파수(f_mod)를 검색하는 단계; e. 이전에 결정된 변조 주파수(f_mod)로부터 그리고 센서의 공진 주파수(f_R)로부터 측정 신호 주파수(f_mess)를 산출하는 단계; f. 변조 주파수(f_mod)에서의 센서 신호를 중첩된 자기장 진폭(H_sup) 내부로 전송(transmitting)하는 단계; 및 g. 중첩된 자기장 진폭(H_sup) 및 변조 진폭(H_mod0)으로부터 측정 신호 진폭(H_mess0)을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 전기 센서를 이용해서 자기장을 측정하기 위한 방법 {METHOD FOR MEASURING A MAGNETIC FIELD USING MAGNETOELECTRIC SENSORS}

본 발명은 자기 전기(magnetoelectric) 센서를 이용해서 시간에 따라 가변적인 자기장을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

자기 전기(ME-)센서는 다른 무엇보다도 예컨대 생물학적인 유기체 내부에서 전류에 의해 야기될 수 있고 시간에 따라 가변적인 작은 자기장을 검출하기에 적합하다. 상기 센서는 초전도성(superconductivity)에 기반을 두고 있고 이와 같은 목적으로 보다 안정적이고 보다 극단적인 냉각을 필요로 하는 소위 SQUIDS를 분리시키기 위한 유망한 후보자로서 간주되고 있다. ME-센서는 다른 무엇보다도 우선 의학적인 진단 장치(예컨대 MEG, MKG)에 그리고 가능한 경우에는 미래에 인공 기관 제어 장치에 또는 심지어 컴퓨터 및 기계의 일반적인 “사고(thought) 제어” 목적으로도 사용될 수 있는 생체 자기(biomagnetic) 인터페이스의 개발과 관련된 실질적인 연구 대상이다.

모든 ME-센서의 기능 방식의 기본 개념은 자기 변형적인 및 압전기적인 재료의 기계적인 힘 결합에 있다.

자기 변형적인 재료(예컨대 강자성 전이 금속(Fe, Ni, Co)) 및 이들의 합금, 강자성 전이 금속과 희토류(Tb, Dy, Sm)의 화합물(예컨대 TbFe2, SmFe2) 또는 강자성 유리(주로 철, 코발트, 붕소 또는 규소 원소를 가변적인 비율로 함유함)도 이들에 대하여 작용을 하는 자기장의 방향으로 가역적인 길이 변동을 경험한다. 이와 같은 길이 변동은 외부 자기장을 따르는 분자 자석(molecular magnet)의 정렬에 의해서 야기되고, 최근의 지식에 따르면 실온에서 2.5 mm/m = 2500 ppm까지 달할 수 있다.

자기 변형적인 재료가 압전체(예컨대 티탄산 지르콘산 납(PZT; lead zirconate titanate), 폴리피닐리덴디플루오리드(PVDF; Polyvinylidenedifluoride), 질화 알루미늄(AlN; Aluminum Nitride))에 기계적으로 단단히 결합 되면, 자기 변형적인 팽창이 압전체 내에서 구조적인 전하 이동(분극; polarisation)을 야기하는 힘을 가할 수 있게 되며, 이와 같은 사실은 재차 측정 가능한 압전압을 초래한다. 상기 전압은 자기적인 전계 강도를 위한 척도로서 전자식으로 기록 및 평가될 수 있다.

다양하게 구현된 다수의 ME-센서가 있다. 가장 단순한 ME-센서에는 자기 변형적인 재료로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하고, 상기 층이 이 층 바로 위에 배치된 압전 층 및 압전 재료상에서 전극으로 이용되는 금속 증착 층을 구비하도록 구성된 다층의 층 시스템이 속한다. 상기 층 시스템은 통상적으로 적어도 한 단부에 고정된 스트립의 형태를 갖는다. 스트립 길이를 따르는 자기장 작용하에서는 상이한 재료 팽창으로 인해 스트립이 비틀리게 되고, 그와 동시에 비틀린 압전 재료는 전기적으로 분극된다. 두 개 스트립 평탄면 간의 전기적인 전위차는 측정 전압으로서 인출된다.

자기 변형적인(MS) 및 압전기적인(PE) 재료 층들은 공지된 코팅 기술에 의해 서로 겹쳐서 그리고/또는 사전에 결정된 기판상에 증착될 수 있다. 이와 같은 점에서 ME-센서의 제조는 규소-기술 프로세스와 양립될 수 있다; 특히 집적된 ME-센서는 말하자면 MEMS(Micro Electrical Mechanical Systems)-구조로 제조될 수 있다. 그러나 MS-박막과 PE-박막의 분리 형성 및 후속적으로 두 개 박막을 하나의 ME-박막으로 접착하는 것도 자기장 센서를 전술된 원리에 따라 발생하기에 적합하다.

모든 ME-센서는 기계식 발진기이다. 규정된 주파수의 주기적인 자기장 작용하에서 상기 센서는 강제적이고 기계적인 진동 특성을 보여준다. 이때 ME-센서의 기계적인 공진 주파수에 의해 여기가 이루어지면, 매우 작은 자계 강도조차도 매우 큰 측정 전압을 야기하게 된다.

생물학적으로 발생하는 자기장은 통상적으로 단지 1 Hz 내지 대략 100 Hz 크기의 주파수만을 갖는다. 그에 비해 일반적인 ME-센서의 공진 주파수는 통상적으로 수백 Hz 내지 수백 kHz에 놓인다. 말하자면 MEMS 내부로의 집적에 의한 ME-센서의 추가 소형화(miniaturising)는 오히려 훨씬 더 높은 공진 주파수를 기대하게 한다.

여기 되는 자계 강도 진폭에 대한 ME-센서 내에서 야기된 전기장 강도 진폭의 비율은 ME-계수, 즉 α_ME로서 표시된다. 공진 상황에서의 자기장 측정치와 공진 멀리 외부에서의 자기장 측정치 사이에서는 ME-계수가 통상적으로 2 내지 3 크기만큼 변동된다.

더 상세하게 말하자면, 이전에 공지된 주파수를 갖는 작은 자기장을 검출하기 위해서는 각각 적합한 공진 주파수를 갖는 ME-센서를 사용하는 것이 바람직하다. 실제로는 예를 들어 서문에 기술된 스트립 구조 방식의 ME-센서를 추가 질량의 배열에 의해 상대적으로 더 낮은 공진 주파수로 설정하려는 노력들이 이루어지고 있다. 하지만, 그 경우에도 ME-계수가 공진 주파수에서 또 하나의 엄격하게 제한된 최댓값(maximum)을 가짐으로써, 결과적으로 이웃하는 주파수들은 훨씬 더 약한 신호를 전달하게 된다. 심지어 모든 다양한 공진 주파수를 갖는 ME-센서 어레이(예컨대 US 2010/0015918 A1호에 제안되어 있으며, 이때 ME-센서는 자기적인 반송파의 리시버로서 고안되었고, 상기 어레이는 다수의 데이터 채널을 구현함)조차도 선험적으로(a priori) 공지되지 않은 신호가 그 위에 기록되어야만 하는 주파수 대역의 충분히 조밀한 스캐닝을 반드시 야기하지는 않는다. 더욱이 수백 개의 ME-센서를 구비한 어레이는 실제로 단지 집적 마이크로 시스템으로서만 제조될 수 있으며, 이때 kHz-발진기의 기계적 공진 주파수를 생체 자기적인(biomagnetic) 대역 범위(≤ 100 Hz)로 줄이는 것은 아직까지 거의 실행 불가능하다.

통상적으로 ME-센서는 자신의 기계적 공진 밖에서도 작동된다. 사람들이 가급적 큰 측정 역학 관계, 가급적 큰 신호-잡음-비율 및 측정할 자기 교번 자장에 대한 전압 응답의 선형성에 관심을 갖기 때문에, 사람들은 ME-센서를 위해서 자기 변형 특성 곡선(도 1)의 선형 범위 안에 있는 동작점을 선택하게 된다. 상기 특성 곡선 λ(H)는 자기장의 작용하에서 MS-재료의 길이 팽창(λ)을 기술하고, 상기 특성 곡선의 파형은 계속해서 대칭인데, 그 이유는 두 가지의 장 방향(field direction)이 상기 재료에 대하여 동일한 효과를 갖기 때문이다. 함수 λ(H)는 장(field) 없이 처음에는 포물선 형태로 증가하지만, 그와 동시에 (포화 자화 상태에 도달한 경우에는) 위쪽으로 제한되었다. 따라서, 상기 함수는 λ의 테일러-전개(Taylor expansion)의 선형 항(term)이 H = H_B만큼 우세한 동시에 최대 기울기가 존재하는 전환점(H_B)을 갖게 된다. 이와 같이 유리한 동작점에서 ME-센서를 작동시키기 위하여, 바람직하게 상기 강도(H_B)의 일정한 바이어스(Bias)-자기장은 전류 도체 또는 영구 자석의 적합한 배열에 의해서 인가된다.

하지만, 상기와 같은 바이어스-자기장은 적용 실무에서 문제가 있다. 다름 아닌 다수의 ME-센서가 서로 조밀하게 이웃하는 경우, 특히 장(field)이 비오 사바르의 법칙(Biot-Savart's Law)에 따라 발생하고 전류가 공급 라인을 통해 안내될 수 있을 때에는 바이어스-자기장들의 상호 영향이 나타날 수 있다. 바이어스-영구 자기장은 에너지적으로 보다 유리하지만, 적합한 전계 강도에 도달하기 위하여 단순히 충분한 양의 자기 재료의 배열을 요구한다. 그렇기 때문에 사람들은 ME-센서를 위해 자기 변형적인 압전 재료로 이루어진 층 시스템 및 적층물을 개발하고자 많은 노력을 기울이고 있으며, 상기와 같은 층 시스템 및 적층물은 가급적 작은 바이어스-자계 강도를 동작점 내부로 보낼 수 있다. 이와 같은 층 시스템은 예를 들어 Zhai 외의 논문 "Giant magnetoelectric effect in Metglas/polyvinylidene-fluoride laminates", APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 083507 (2006년) 및 US 7,023,206 B2호에서 기술된다. 그럼에도, 수(a few) 에르스텟(oersted; 자계 강도의 예전 cgs-단위: 1 테슬라 = μ0 x 10,000 에르스텟)의 바이어스-장은 항상 필요하다.

일정한 바이어스-장을 완전히 포기할 수 있다는 점, 특히 ME-센서 생산 동안에 또는 측정 모드 동안에는 상응하는 장치에 대한 예방 조치들도 더 이상 적용될 필요가 없다는 점이 바람직할 것이다.

본 발명의 과제는, 주파수와 무관한 매우 높은 센서 감도를 가지며 자유롭게 선택할 수 있는 특히 생체 자기적인 주파수 대역에 걸친 임의의 ME-센서를 이용해서 자기장을 측정하기 위한 방법을 제안하는 것이다.

상기 과제는 주(主) 청구항의 특징들을 갖는 방법에 의해서 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시 예들을 제시해준다. 보조 청구항은 ME-센서 어레이를 갖는 자기장의 측정과 관련이 있다.

본 발명에 따른 방법은 ME-센서의 기계적 공진 그리고 H = 0의 환경에서, 다시 말하자면 바이어스-자기장이 없는 상태에서 자기 변형 특성 곡선 λ(H)

a H² + O(H⁴)의 2차 파형을 이용한다. 이때 비례 상수(a)는 사전에 제공된 각각의 ME-센서에 대해서 공지되어 있거나 직접 측정할 수도 있다.

시간(t)에 대한 고조파 의존성을 갖는 측정할 임의의 신호

(1)

는 본 발명에 따라 추가로 발생한 고조파 변조 신호

(2)

와 ME-센서 상에서 중첩(superimposing)된다. 이때 상기 변조 신호의 진폭(H_mod0) 및 주파수(f_mod)는 사용자의 마음에 달려 있다. 상기 변조 신호는 주파수 발생기에 의해 발생하고, 바람직하게는 안테나를 통해 전자기파로서 ME-센서에 조사(irradiating)된다. 대안적으로 변조 자기장은 ME-센서 둘레에 있는 코일에 의해서도 발생할 수 있다. 공지되어 있지 않은 H_mess0 및 f_mess는 측정 신호의 진폭 및 주파수로서 결정될 수 있다.

ME-센서는

(3)

형태의 자기 변형적인 재료의 길이 변경에 의해서 총합 신호 H_mess(t) + H_mod(t)를 “본다”.

상기 방정식 (3)의 제 3항은 중요한 주도적인 상호 변조 항이다.

(4)

따라서, 사용자는 f_mess + f_mod 또는 f_mess - f_mod가 ME-센서의 공진 주파수에 정확하게 상응하도록 f_mod를 설정할 수 있다. 측정 신호의 특정 주파수 대역이 기록되어야만 한다면, f_mod는 상응하게 상호 보완적인 주파수 대역 안에서 변경된다(또는 흔들린다(wobbling)).

한 ME-센서의 공진 주파수(f_R)는 항상 공지된 것으로서 전제될 수 있다. 불확실하게 한 가지 간단한 예비 시험 - 특히 문제가 되는 주파수 범위에 걸쳐 측정 신호가 없는 상태에서 이루어지는 변조 신호의 조사 및 워블링 - 은 공진 주파수의 위치를 신속하게 결정할 수 있다.

주파수 대역 f_min ≤ f_mess ≤ f_max에서 측정 신호가 검출되어야 한다면, 변조 신호는 두 개의 상호 보완적인 주파수 범위 중 하나의 범위

(5)

또는

(6)

에 걸쳐서 변동될 수 있으며, 그로 인해 ME-센서는 항상 공진적으로 여기된다. 변조 신호와의 혼합에 의해서 측정 신호 주파수가 센서 공진 주파수로 변환된다.

센서 출력부에서의 전압 신호는 오로지 진폭(H_mess0 x H_mod0)을 갖는 상호 변조 항에 의해서만 제어되는데, 그 이유는 방정식 (3)의 나머지 항들이 통상적으로는 확연하게 센서의 공진 주파수 밖에 있는 주파수를 갖고, 그로 인해 전압에 대한 상기 주파수의 비율이 무시될 수 있기 때문이다. 측정 가능한 전압 진폭은 직접 자기장 진폭 내부로 전송될 수 있으며, 공지된 값(H_mod0)에 의한 나눗셈은 검색된 값(H_mess0)을 전달한다.

이때에는 특별히 본 발명에 따른 방법이 각각의 바이어스-자기장 없이도 충분하다는 사실이 드러난다. 오히려 H = 0에서 가장 훌륭하게 기능을 하게 되는데, 이 상황에서는 자기 변형 특성 곡선의 2차 부분이 우위를 차지하고 있다.

상기 변조 신호의 진폭(H_mod0)은 사용자에 의해서 자유롭게 선택될 수 있는 파라미터이지만, 상기 파라미터에 의해서 사용자는 측정 역학 관계를 더욱 증가시킬 수 있다. ME-센서의 출력 전압은 변조 진폭이 커짐에 따라 선형으로 증가하지만, 단지 대략 값 H_mod0 = H_B까지만 증가한다. 선행 기술에 대한 토론 부분에서 이미 언급된 바와 같이, 전계 강도(H_B)는 다름 아닌 자기 변형 특성 곡선(λ(H))의 전환점에 의해서 특징적으로 표시되었다. 상기 자기 변형 특성 곡선은 제공된 ME-센서를 이용하여 최상의 동작점 안에 있는 자신의 공진 밖에서 측정하기 위해 인가되어야만 하는 바이어스-자기장의 강도를 지시한다.

선행 기술에 따른 작동 중에 ME-센서의 바이어스-전계 강도에 상응하는 진폭을 갖는 변조 신호를 설계하는 것도 본 발명의 한 가지 바람직한 실시 예이다. 변조 신호가 상기 센서에 조사될 수 있기 때문에, 그럼에도 바람직하게는 센서 자체에서 또는 심지어 센서를 제조할 때에도 장치적인 예비 조치들이 전혀 적용될 필요가 없다.

본 발명은 실시 예 및 도면들을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다:
도 1은 자기 변형 특성 곡선(λ(H))의 질적인 파형이며;
도 2는 실시 예의 센서를 위해서 결정된 기계적 공진 곡선의 파형이고;
도 3은 실시 예의 센서를 위한 최상의 동작점 또는 바이어스-자기장을 결정하기 위한 예비 조사의 결과이며;
도 4는 측정 신호(f_mess)의 주파수가 센서의 공진 주파수에 상응할 때에, 센서 신호(ME-전압(U_ME))의 주파수 분석 결과이고;
도 5는 도 4와 동일하지만, 측정할 자기장의 주파수 f_mess = 15 Hz에 달하며;
도 6은 본 발명에 따른 방법에 의해서 그리고 바이어스-자기장이 없는 상태에서 도 5에 따른 신호의 측정 결과(15 Hz)이다.

상기 실시 예를 위해서는 20 x 2 mm²의 면적을 갖는 스트립 구조 형태의 ME-센서가 사용되며, 상기 센서는 스트립의 한 단부에 단단히 고정되어 있다. 센서의 최하부 층은 130 ㎛ 두께의 규소 캐리어로 이루어지며, 상기 규소 캐리어 상에는 300 nm 두께의 몰리브덴-막이 있다. 그 위에 놓인 층은 1,800 nm 두께의 압전 질화 알루미늄으로 이루어진다. 상기 층상에는 금속 유리(FeCoSiB)로 이루어진 1,750 nm 두께의 자기 변형 층이 있다. ME-전압은 몰리브덴-층과 자기 변형 층 사이에서 분기 되고, 락-인(Lock-In)-증폭기 혹은 스펙트럼 분석기를 이용해서 측정된다. 변조 장은 센서 둘레에 있는 공기 코일에 의해서 발생하고, 측정 신호는 헬름홀츠(Helmholtz)-코일 쌍에 의해서 발생한다.

예로 든 센서의 자기 변형 특성 곡선(λ(H))은 도 1에 도시된 바와 같이 질적으로 진행한다. 자기장이 없는 상태(바이어스 없음, H = 0)에서 포물선 파형 그리고 H = ± H_B에서 두 개의 전환점을 잘 확인할 수 있다. 도 1의 곡선은 도 3의 측정 곡선의 역도 함수(antiderivative)로서 산출될 수 있다.

ME-센서의 기계적 공진을 결정하기 위하여 측정 신호의 주파수는 공진 주파수가 놓여야만 하는 주파수 범위에 걸쳐서 변경된다. 이때 자기장 강도는 H_messs0 = 0.125 Oe에 달한다. 도 2에 도시된 바와 같이, ME-전압은 f_R = 844 Hz일 때에 명확한 최댓값을 나타낸다. 공진 상황에서 종래의 ME-계수는 다음의 식

(7)

에 따라 산출되며, 이 경우 전계 강도는 플레이트 간격(L)(센서의 압전 층의 두께 = 1.8 ㎛)을 갖는 플레이트 커패시터 내에서의 전계 강도에 상응한다.

ME-센서가 H_messs0 = 0.125 Oe 및 f_mess = 844 Hz인 측정 신호에 의해 기계적 공진 내에서 여기 되는 동안, 바이어스-자기장은 선행 기술에 따라 최상의 동작점을 결정하기 위하여 상기 센서의 자기 변형 층을 따라서 여기 및 변경될 수 있다. 도 3으로부터는 전계 강도 H_B = ± 7.36 Oe인 경우에 최대 센서 전압(U_ME)을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 4 내지 도 6은 각각 측정된 센서 전압(U_ME)이 스펙트럼 분석기를 이용한 주파수에 따라 분해된 상태를 보여주고 있다. 사람들은 종 좌표의 대수(logarithmic) 분류에 주목했다. 도 4는 H_B = 7.36 Oe의 일정한 바이어스-자기장이 동시에 인가될 때에 H_messs0 = 0.125 Oe 및 f_mess = 844 Hz를 갖는 측정 신호를 위한 ME-전압의 주파수 부분들을 보여주고 있다. ME-센서의 기계적 공진 주파수에서 뚜렷한 최댓값 그리고 50 Hz 주전원 주파수의 수배에 달하는 상황에서 세 개의 작은 2차 최댓값을 분명하게 확인할 수 있다.

도 5에서는 동일한 바이어스-자기장 H_B = 7.36 Oe가 인가되고, 마찬가지로 H_messs0 = 0.125 Oe이지만, 다만 이 경우에는 측정 주파수가 f_mess = 15 Hz로 줄어든다. 15 Hz 및 주전원 주파수에서의 ME-전압은 대략 10 ㎶ 범위 안에서 대등한 크기를 갖는다; 잡음은 그 아래의 크기에 놓여 있다.

마지막으로, 도 5의 측정 신호는 본 발명의 수단에 의해서 검출되고, 그 결과는 도 6에서 재현된다. 이때 센서에는 바이어스-자기장이 인가되지 않는다. 본 발명에 따른 변조 신호는 H_mod0 = 6.72 Oe 및 f_mod = 829 Hz에 의해서 기술되고, 센서 상의 측정 신호에 중첩된다. 이때 H_mod0은 최상의 값 H_B = 7.36 Oe 바로 아래에서 예로 선택된다. 그 이외의 경우에는 H_mod0의 정확한 값이 중요치 않으며, 상기 값은 단지 공지되기만 하면 된다.

도 6은 ME-전압의 세 개의 최댓값을 보여주고 있으며, 그 중에서 하나는(829 Hz에서) 정보가 없는 공지된 변조 신호로부터 직접 발생된다. 평가시에는 공지된 조치들에 의해서 억제될 수 있다. 두 개의 다른 최댓값은 829 Hz - 15 Hz = 814 Hz에 그리고 829 Hz + 15 Hz = 844 Hz = f_R에 놓이며, 이 경우 후자의 ME-전압은 다른 최댓값의 ME-전압을 소정 크기만큼 초과한다.

변조 주파수가 대략 829 Hz의 범위 안에서 변동됨으로써, 844 Hz에서 도시된 값과 크기가 같거나 또는 이 값보다 큰 값을 취하는 ME-전압에는 도달할 수 없게 된다. 이와 같은 상황은 859 Hz의 환경에서 비로소 재차 가능하다. f_R(상호 보완적인 주파수 범위) 아래의 또는 위의 주파수 범위에 걸친 f_mod의 와블링(wobbling)에 의해서는 중첩된 자기장 내에서의 센서 공진 상황이 분명하게 식별되고 그와 더불어 f_mess의 값도 분명하게 식별된다.

측정 가능한 ME-전압의 공진 부분은 도 6의 예에서 13.3 mV에, 더 상세하게 말하자면 선행 기술에 따른 측정을 나타내는 도 5의 예에서 동일 측정 신호의 측정값(U_ME)보다 3배 크기만큼 위에 놓여 있다. 상기 측정값(U_ME)이 예컨대 보정 곡선을 통해 자기장 진폭(H_sup)으로 변환되면, H_mess0 = H_sup/H_mod0이 나타나게 되고, 측정 과제가 충족된다.

본 발명에 따른 방법에 의한 직접적인 이익은 현저하게 확대된 신호-잡음-간격에 있고, 일정한 바이어스-장을 포기할 수 있는 가능성에 있다. 더 나아가 ME-센서는 단 한번만 결정되면 되는 각각의 임의의 기계적 공진 주파수를 이용할 수 있다.

상기와 같은 발명은 저주파 측정 신호(f_mess

소수 헤르츠)의 기록과 관련된 경우에는 어려움에 부닥치게 된다. 이 경우에는 변조 신호를 위해서 주파수(f_mod

f_R)가 제공되어야만 하며, 그 결과 정보가 없는 변조 신호는 센서 전압에 대하여 가장 큰 비율을 전달하게 될 것이다.

실제로 f_mod는 항상 f_R에 대하여 소정의 간격을 유지해야만 한다. H = H(f)(도 2)를 갖는 공진 곡선(U_ME(H))은 진폭이 일정한 경우에 자기장(H)을 변동시키는 주파수와 관련된 로렌츠(Lorentz)-파형을 보여준다. Δf > 0이 상기 곡선의 반치전폭을 기술한다면, 적어도

(8)

이 보증되어야만 한다. 따라서, f_mess < Δf를 갖는 측정 신호에는 처음에는 접근할 수 없게 된다.

다행히도 상기와 같은 상황에서는 바이어스-장의 개념으로 되돌아갈 수 있고, ME-센서의 다른 동작점을 선택할 수 있다. 이때 바이어스-전계 강도는 2차보다 더 높은 차수가 동작점(이 경우에는 H_W로서 표시됨)에서 자기 변형 특성 곡선의 파형을 주도하도록, 다시 말하자면 대략

(9)

이 되도록 설계되어야만 하며, 상기 식에서 c₁, c₂ << c₃이고, dH는 시간에 따라 가변적인 자기장 비율이다. 이 경우에도 측정할 가변적인 자기장이 ME-센서 상의 변조 장과 중첩되면, f_mod의 선택에 의하여, 생성된 혼합 주파수들 중에 하나의 혼합 주파수 (2 f_mess + f_mod), (2 f_mess - f_mod), (f_mess + 2 f_mod) 또는 (f_mess - 2 f_mod)가 센서 공진 주파수와 겹쳐질 수 있는 가능성이 얻어진다. 특히 이때 방정식 (8)을 고려하면 범위 Δf/2 < │f_mess│ < Δf 안에서 측정 신호가 검출될 수 있다. 이와 같은 상황이 사용자에게 아직까지 충분치 않다면, 사용자는 계속해서 λ(H)의 더 높은 가이드 차수를 갖는 다른 하나의 동작점(H_W)을 기대할 수 있다. 사용자가 상기와 같은 동작점을 단지 H_W > H_B인 상황을 위해서만 - 더 상세하게 말하자면 전환점을 넘은 상황을 위해서만 - 발견하게 될 것이 예상된다.

상기 토론은 센서 공진 곡선의 반치전폭보다 작은 저주파 측정 신호가 기록되어야만 하는 경우에 그리고 주파수가 본 발명에 따라 센서 공진으로 변환되는 것과 함께 이와 같은 경우에만 바이어스-자기장의 사용과 관련이 있다. 다른 모든 측정 적용 예들에서는 - 그리고 이와 같은 적용 예들은 통상적이다 - 이때부터 바이어스-자기장이 완전히 포기될 수 있다.

이와 같은 사실은 ME-센서 어레이를 특히 마이크로 시스템 기술을 이용하여 예컨대 칩으로서 제조하는 과정을 현저히 단순하게 한다. 더욱이 어레이 내에 있는 개별 ME-센서의 공진 주파수에 대해서는 특별한 요구 조건도 제기되지 않는다. 상기 어레이로써 로컬 해상도를 갖는 측정을 실행하기를 원한다면, 모든 센서가 동일한 공진 특성을 나타내고 변조 장에 의해서 동시에 여기될 수 있는 경우가 당연히 바람직할 것이다. 하지만, 센서 간에 제조에 의해서 야기되는 차이들이 있더라도, 공진 주파수 모두가 선택된 와블링 대역 폭에 의해 합쳐질 수 있는 경우에는 변조 장의 와블링 시에 상기와 같은 차이들이 아무런 상관이 없게 된다(또는 평가 과정에서 식별될 수 있고 그에 따라 보상될 수 있다).

그리고 심지어 어레이 내 공진 주파수의 상대적으로 더 큰 차이조차도 - 데이터 전송 목적을 위한 서문에 언급된 US 2010/0015918 A1호에 소개된 바와 같이 - 사람들이 주어진 한 시점에 상기 어레이의 단 하나의 특정 센서만 하나의 신호를 검출해야만 한다는 사실에 관심을 기울이는 경우에는 중요할 수 있다. 예를 들어 임의의 정보를 갖고 있는 (대략 US 2010/0015918 A1호의 의미에서 진폭 변조된) 규정된 주파수의 자기 교번 자장은 본 출원서에 기재된 발명의 적용에 의해서 사전에 결정된 센서(본 경우에는: 데이터 채널)로 가이드 될 수 있다. 그 다음에 다른 데이터 채널로의 교체가 변조 주파수의 변경에 의해서 (상황에 따라서는 변조 진폭의 적응 하에서) 간단히 이루어지게 될 것이다.

바람직하게 자기장을 측정하기 위한 방법은 N개의 자기 전기 센서를 구비하는 장치를 이용해서 이루어질 수 있으며, 이때 상기 센서는 사전에 공지된 기계적 공진 주파수(f_R(i), i = 1, ..., N)를 갖고, 상기 자기장은 사전에 공지된 주파수(f_M)와 고조파 시간 의존성을 가지며, 이 경우에는 주파수 f_mod = f_R(i) + f_M 또는 f_mod = f_R(i) - f_M을 갖는 변조 자기장과 상기 자기장의 중첩에 의하여 색인 i로 표시되었고 자기장을 검출하기 위한 센서가 결정된다.

Claims

기계적 공진 주파수(F_R)를 갖는 자기 전기(magnetoelectric) 센서를 이용해서 시간에 따라 가변적인 자기장을 측정하기 위한 방법으로서, 이때 상기 자기장은 결정될 측정 신호 진폭(H_mess0) 및 사전에 공지된 주파수 간격(f_min < f_mess < f_max) 안에서 결정될 측정 신호 주파수(f_mess)와 고조파 시간 의존성(harmonic time dependence)을 갖는 적어도 한 가지 부분을 구비하며, 상기 자기장 측정 방법은,
a. 사전에 공지된 변조 진폭(H_mod0) 및 센서 상에서 선택할 수 있는 변조 주파수와 고조파 시간 의존성을 갖는 변조 자기장과 자기장을 중첩(superimposing)시키는 단계;
b. 사전에 공지된 간격 한계(f_min, f_max; interval limit) 및 센서의 공진 주파수(f_R)에 의해 결정된 상호 보완적인(complementary) 주파수 간격에 걸쳐서 변조 주파수를 변경(wobbling)시키는 단계;
c. 선택된 각각의 변조 주파수를 위한 센서 신호를 측정하는 단계;
d. 센서의 기계적 공진 내에서 센서 신호를 야기하는 적어도 하나의 변조 주파수(f_mod)를 검색하는 단계;
e. 이전에 결정된 변조 주파수(f_mod)로부터 그리고 센서의 공진 주파수(f_R)로부터 측정 신호 주파수(f_mess)를 산출하는 단계;
f. 변조 주파수(f_mod)에서의 센서 신호를 중첩된 자기장 진폭(H_sup) 내부로 전송(transmitting)하는 단계; 및
g. 중첩된 자기장 진폭(H_sup) 및 변조 진폭(H_mod0)으로부터 측정 신호 진폭(H_mess0)을 산출하는 단계를 포함하는,
자기장 측정 방법.
제 1 항에 있어서,
자기 변형 특성 곡선 내에서 센서의 동작점은 상기 센서의 전압 응답이 자기 전계 강도에 가이드 차수로 2차로 의존하도록 결정되는,
자기장 측정 방법.
제 2 항에 있어서,
상호 보완적인 주파수 간격이 f_R - f_max < f_mod < f_R - f_min 또는 f_R + f_min < f_mod < f_R + f_max에 따라 결정되고, 고조파 시간 의존성을 갖는 자기장의 적어도 한 부분이 f_mess = │f_R - f_mod│ 및 H_mess0 = H_sup/H_mod0에 따라 산출되는,
자기장 측정 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기장은 다양한 자기장 부분 진폭 및/또는 간격(f_min < f_mess < f_max) 안에 있는 자기장 부분 주파수와 고조파 시간 의존성을 갖는 다수의 부분을 구비하고, 센서를 기계적 공진으로 유도하는 다수의 변조 주파수는 상호 보완적인 주파수 간격 내에서 결정되며, 이때 각각의 결정된 변조 주파수에는 정확하게 하나의 자기장 부분 주파수가 할당되고, 공진에서 측정된 각각의 자기장 강도에는 정확하게 하나의 자기장 부분 진폭이 할당되는,
자기장 측정 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 진폭(H_mod0)은 크기에 따라 전계 강도(H_B)의 크기보다 작거나 같도록 설계되었으며, 이때 센서의 자기 변형 특성 곡선은 전계 강도가 ±H_B인 경우에 자신의 전환점을 갖는,
자기장 측정 방법.
N개의 자기 전기 센서를 포함하는 장치를 이용해서 자기장을 측정하기 위한 방법으로서, 이때 상기 센서는 사전에 공지된 기계적 공진 주파수(f_R(i), i = 1, ..., N)를 갖고, 상기 자기장은 사전에 공지된 주파수(f_M)와 고조파 시간 의존성을 갖는, 자기장 측정 방법으로서,
주파수 f_mod = f_R(i) + f_M 또는 f_mod = f_R(i) - f_M을 갖는 변조 자기장과 자기장의 중첩에 의하여 색인 i로 표시되었고 자기장을 검출하기 위한 센서가 결정되는,
자기장 측정 방법.