RU2706436C1 - Sensitive element of thin-film magnetometer - Google Patents
Sensitive element of thin-film magnetometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2706436C1 RU2706436C1 RU2019110902A RU2019110902A RU2706436C1 RU 2706436 C1 RU2706436 C1 RU 2706436C1 RU 2019110902 A RU2019110902 A RU 2019110902A RU 2019110902 A RU2019110902 A RU 2019110902A RU 2706436 C1 RU2706436 C1 RU 2706436C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- resonators
- thin
- film
- sensitive element
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/04—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle
- G01R33/05—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle in thin-film element
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно - предназначено для измерения слабых магнитных полей и может использоваться в магнитометрии.The invention relates to measuring technique, and more specifically, is intended for measuring weak magnetic fields and can be used in magnetometry.
Известен датчик слабых высокочастотных магнитных полей [Патент РФ №2536083, МПК G01R 33/05, G01R 33/24, опубл. 20.12.2014], содержащий диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой нанесены полосковые проводники двух микрополосковых резонаторов. На нижней стороне подложки осаждена магнитная пленка, покрытая металлическим слоем, выполняющим роль экрана. Проводники резонаторов расположены под оптимальным углом друг к другу, обеспечивающим максимальную чувствительность датчика. Сигнал от СВЧ-генератора подается одновременно на оба резонатора. К каждому резонатору подключен свой амплитудный детектор, причем амплитудные детекторы первого и второго резонаторов работают в противофазе. Выходные сигналы амплитудных детекторов поступают на суммирующий усилитель, при этом измеряемые сигналы суммируются, а амплитудные шумы генератора частично компенсируются.A known sensor of weak high-frequency magnetic fields [RF Patent No. 2536083, IPC G01R 33/05, G01R 33/24, publ. December 20, 2014], containing a dielectric substrate, on the upper side of which are strip conductors of two microstrip resonators. A magnetic film coated with a metal layer acting as a screen is deposited on the bottom side of the substrate. The conductors of the resonators are located at an optimal angle to each other, providing maximum sensitivity of the sensor. The signal from the microwave generator is supplied simultaneously to both resonators. Each resonator has its own amplitude detector, and the amplitude detectors of the first and second resonators operate in antiphase. The output signals of the amplitude detectors are fed to the summing amplifier, while the measured signals are summed, and the amplitude noise of the generator is partially compensated.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является малогабаритный высокочастотный магнитометр [Патент РФ №163174, G01R 33/05, опубл. 10.07.2016 (прототип)], содержащий многослойную печатную плату, на которой размещена диэлектрическая подложка с нанесенными на ней отрезками полосковых линий двух микрополосковых резонаторов. На нижней стороне подложки, обращенной к заземляемому экрану печатной платы, осаждена тонкая магнитная пленка. Возбуждение двух резонаторов осуществляется одним общим СВЧ-генератором, размещенным на печатной плате под экраном. Амплитуды сигналов на двух микрополосковых резонаторах измеряются двумя амплитудными детекторами, причем амплитудные детекторы первого и второго микрополосковых резонаторов включены в противофазе. Выходные сигналы амплитудных детекторов поступают на суммирующий операционный усилитель, на котором происходит сложение измеряемых сигналов и частичная компенсация амплитудных шумов собственного СВЧ-генератора. Постоянное поле смещения в области размещения магнитной пленки создается системой из постоянных магнитов. Для стабилизации параметров магнитометра используется компенсационная система измерений, причем компенсационная катушка предназначена для компенсации только низкочастотных полей и выполнена в виде печатной индуктивности на нескольких слоях многослойной печатной платы.The closest analogue in terms of essential features is a small-sized high-frequency magnetometer [RF Patent No. 163174, G01R 33/05, publ. 07/10/2016 (prototype)], containing a multilayer printed circuit board on which a dielectric substrate is placed with segments of strip lines of two microstrip resonators deposited on it. A thin magnetic film is deposited on the underside of the substrate facing the grounded shield of the printed circuit board. The excitation of two resonators is carried out by one common microwave generator located on a printed circuit board under the screen. The amplitudes of the signals at two microstrip resonators are measured by two amplitude detectors, and the amplitude detectors of the first and second microstrip resonators are included in antiphase. The output signals of the amplitude detectors are fed to a summing operational amplifier, on which the addition of the measured signals and partial compensation of the amplitude noise of the microwave generator are performed. A constant bias field in the area of the magnetic film is created by a system of permanent magnets. To stabilize the magnetometer parameters, a compensation measurement system is used, and the compensation coil is designed to compensate only low-frequency fields and is made in the form of a printed inductance on several layers of a multilayer printed circuit board.
Общим недостатком известной конструкции и конструкции-прототипа является низкая чувствительность, что обусловлено неполной компенсацией шумов собственного СВЧ-генератора. Чувствительные элементы в известных конструкциях размещены рядом, чтобы в случае измерения параметров неоднородных магнитных полей, они находились под одинаковым воздействием измеряемого поля. При этом между двумя микрополосковыми резонаторами образуется индуктивная связь, которая в значительной мере снижает возможность сложения измеряемых сигналов и компенсации амплитудных шумов собственного СВЧ-генератора на суммирующем усилителе.A common disadvantage of the known design and the prototype design is the low sensitivity, which is due to incomplete compensation of the noise of its own microwave generator. Sensitive elements in known structures are placed side by side, so that in the case of measuring the parameters of inhomogeneous magnetic fields, they would be under the same influence of the measured field. In this case, an inductive coupling is formed between the two microstrip resonators, which significantly reduces the possibility of adding up the measured signals and compensating for the amplitude noise of the own microwave generator on a summing amplifier.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышения чувствительности устройства.The technical result of the claimed technical solution is to increase the sensitivity of the device.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе тонкопленочного магнитометра, содержащем печатную плату, на верхней стороне которой размещены два СВЧ-резонатора, включающих одну общую диэлектрическую подложку, на нижней стороне которой осаждена тонкая магнитная пленка, а с верхней стороны размещены СВЧ-проводники резонаторов, магнитную систему, формирующую постоянное поле смещения в плоскости пленки, новым является то, что дополнительно имеется короткозамкнутый с обоих сторон на землю отрезок полоскового проводника, расположенный по центру диэлектрической подложки между двумя СВЧ-резонаторами.The claimed technical result is achieved by the fact that in the sensitive element of the thin-film magnetometer containing a printed circuit board, on the upper side of which there are two microwave resonators, including one common dielectric substrate, on the lower side of which a thin magnetic film is deposited, and on the upper side there are microwave conductors resonators, the magnetic system that forms a constant bias field in the film plane, new is that there is also a strip of strip shorted on both sides to the ground th conductor, located in the center of the dielectric substrate between the two microwave resonators.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием дополнительного полоскового проводника, размещенного по центру между двумя СВЧ-резонаторами. Существенным отличием является то, что этот проводник с обоих сторон замкнут накоротко на землю. Указанные отличия позволяют значительно снизить связь между СВЧ-резонаторами и, как следствие, скомпенсировать шумы собственного СВЧ-генератора на суммирующем усилителе магнитометра.Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized by the presence of an additional strip conductor located in the center between two microwave resonators. A significant difference is that this conductor is shorted to ground on both sides. These differences can significantly reduce the connection between microwave resonators and, as a result, compensate for the noise of its own microwave generator on the summing amplifier of the magnetometer.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».Thus, the above characteristics that are distinctive from the prototype allow us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".
Данное изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен внешний вид чувствительного элемента тонкопленочного магнитометра. На фиг. 2 показан чувствительный элемент тонкопленочного магнитометра с удаленными тонкой магнитной пленкой, полосковыми проводниками и емкостями СВЧ-резонаторов. На фиг. 3 показана угловая зависимость нормированной величины коэффициента преобразования чувствительного элемента тонкопленочного магнитометра. На фиг. 4 показан уровень собственных шумов заявляемой конструкции чувствительного элемента тонкопленочного магнитометра.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows the appearance of a sensitive element of a thin-film magnetometer. In FIG. Figure 2 shows a sensitive element of a thin-film magnetometer with a thin magnetic film removed, strip conductors, and capacities of microwave resonators. In FIG. Figure 3 shows the angular dependence of the normalized conversion coefficient of the sensitive element of the thin-film magnetometer. In FIG. 4 shows the level of intrinsic noise of the claimed design of the sensitive element of the thin-film magnetometer.
Чувствительный элемент тонкопленочного магнитометра содержит печатную плату (1), на которой сформированы: проводник (2) от СВЧ-генератора к первому СВЧ-резонатору; проводник (3) от СВЧ-генератора ко второму СВЧ-резонатору; земляной проводник (4) от СВЧ-генератора; общий экран (5) СВЧ-резонаторов. На печатной плате (1) также размещены емкость (6) первого и емкость (7) второго СВЧ-резонаторов. Сверху над экраном (5) размещена подложка (8) с осажденной на ее нижней стороне тонкой магнитной пленкой. Сверху над подложкой (8) находятся проводник (9) первого СВЧ-резонатора и проводник (10) второго СВЧ-резонатора. По центру подложки (8) размещен короткозамкнутые с обоих сторон на землю проводник (11). Направление оси легкого намагничивания тонкой магнитной пленки совпадает с направлением короткозамкнутого проводника (11). Проводники (9) и (10) СВЧ-резонаторов располагаются под оптимальным углом друг к другу, обеспечивающим максимальный коэффициент преобразования чувствительного элемента [Беляев Б.А., Боев Н.М, Изотов А.В., Соловьев П.Н., Тюрнев В.В. Исследование датчика слабых магнитных полей на резонансной микрополосковой структуре с тонкой ферромагнитной пленкой // Известия высших учебных заведений: Физика. 2018. Т. 61, №8. С. 3-10], при этом коэффициенты преобразования двух СВЧ-резонаторов с пленкой имеют противоположный знак (фиг. 3). В плоскости тонкой магнитной пленки формируется постоянное магнитное поле, например, с помощью системы из постоянных магнитов, расположенной на нижней стороне печатной платы (1).The sensitive element of the thin-film magnetometer contains a printed circuit board (1), on which are formed: a conductor (2) from the microwave generator to the first microwave resonator; a conductor (3) from the microwave generator to the second microwave resonator; earth conductor (4) from the microwave generator; common screen (5) of microwave resonators. The capacitance (6) of the first and the capacitance (7) of the second microwave resonators are also located on the printed circuit board (1). Above the screen (5), a substrate (8) is placed with a thin magnetic film deposited on its lower side. Above the substrate (8) are the conductor (9) of the first microwave cavity and the conductor (10) of the second microwave cavity. In the center of the substrate (8) there is a conductor (11) short-circuited on both sides to the ground. The direction of the axis of easy magnetization of a thin magnetic film coincides with the direction of the short-circuited conductor (11). The conductors (9) and (10) of the microwave resonators are located at an optimal angle to each other, providing the maximum conversion coefficient of the sensitive element [Belyaev B.A., Boev N.M., Izotov A.V., Soloviev PN, Tyurnev V.V. The study of a sensor of weak magnetic fields on a resonant microstrip structure with a thin ferromagnetic film // Proceedings of higher educational institutions: Physics. 2018.V. 61, No. 8. C. 3-10], while the conversion coefficients of two microwave resonators with a film have the opposite sign (Fig. 3). A constant magnetic field is formed in the plane of the thin magnetic film, for example, using a system of permanent magnets located on the underside of the printed circuit board (1).
Устройство работает следующим образом. Сигнал от СВЧ-генератора поступает на два резонатора. Первый СВЧ-резонатор образован емкостью (6) и проводником (9), а второй СВЧ-резонатор образован емкостью (7) и проводником (10). Резонансная частота СВЧ-резонаторов подстраивается емкостями (6) и (7) и для пермаллоевых пленок нестрикционного состава выбирается в диапазоне 400-800 МГц. В плоскости тонкой магнитной пленки вдоль направления оси трудного намагничивания создается постоянное поле смещения оптимальной величины [Беляев Б.А., Боев Н.М., Изотов А.В., Соловьев П.Н., Тюрнев В.В. Исследование датчика слабых магнитных полей на резонансной микрополосковой структуре с тонкой ферромагнитной пленкой // Известия высших учебных заведений: Физика. 2018. Т. 61, №8. С. 3-10]. Измеряемое (пробное) поле подается вдоль оси легкого намагничивания тонкой магнитной пленки. Таким образом, амплитуда сигнала на СВЧ-резонаторах изменяется в соответствии с измеряемым полем, причем изменение амплитуды на первом СВЧ-резонаторе происходит в противофазе с изменением амплитуды на втором СВЧ-резонаторе. В тоже время шумы собственного СВЧ-генератора поступают в равной мере на оба СВЧ-резонатора, т. е. синфазны. Наличие короткозамкнутого проводника (11) между СВЧ-резонаторами ослабляет связь между ними. Амплитуды сигналов на СВЧ-резонаторах регистрируются с помощью амплитудных детекторов, причем детекторы включены в противофазе для инвертирования одного из сигналов. Выходные сигналы детекторов суммируются с использованием операционного усилителя, при этом полезные сигналы складываются, а шумы собственного СВЧ-генератора вычитаются.The device operates as follows. The signal from the microwave generator is fed to two resonators. The first microwave cavity is formed by a capacitance (6) and a conductor (9), and the second microwave cavity is formed by a capacitance (7) and a conductor (10). The resonant frequency of the microwave resonators is tuned by capacitances (6) and (7), and for permalloy films of nonstrictive composition is selected in the range of 400-800 MHz. In the plane of a thin magnetic film along the direction of the axis of the difficult magnetization, a constant bias field of optimal magnitude is created [Belyaev B.A., Boev N.M., Izotov A.V., Soloviev P.N., Tyurnev V.V. The study of a sensor of weak magnetic fields on a resonant microstrip structure with a thin ferromagnetic film // Proceedings of higher educational institutions: Physics. 2018.V. 61, No. 8. S. 3-10]. The measured (test) field is fed along the axis of easy magnetization of a thin magnetic film. Thus, the amplitude of the signal on the microwave resonators varies in accordance with the measured field, and the amplitude change on the first microwave resonator occurs in antiphase with the amplitude change on the second microwave resonator. At the same time, the noise of its own microwave generator is transmitted equally to both microwave resonators, i.e., in-phase. The presence of a short-circuited conductor (11) between the microwave resonators weakens the connection between them. The amplitudes of the signals on the microwave resonators are recorded using amplitude detectors, and the detectors are included in antiphase to invert one of the signals. The output signals of the detectors are summed using an operational amplifier, while the useful signals are added up, and the noise of the microwave generator is subtracted.
Экспериментальные исследования заявляемого чувствительного элемента тонкопленочного магнитометра показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) заявляемое устройство обеспечивает меньший уровень собственных шумов (большую чувствительность). На фиг. 4 показан экспериментально измеренный уровень шума чувствительного элемента тонкопленочного магнитометра в диапазоне частот от 100 до 104 Гц. Измерения проведены в экранированной комнате с использованием низкочастотного анализатора спектра, чувствительный элемент размещался внутри четырехслойного экрана из отожженного в вакууме пермаллоя с толщиной стенок 1 мм и полезным объемом ~6 дм3. Как видно из фиг. 4, на частоте 100 Гц чувствительность составила 10-11 Тл/Гц1/2. На частотах более 102 Гц уровень собственных шумов заявляемой конструкции ниже 10-12 Тл/Гц1/2, что превышает чувствительность лучших феррозондовых преобразователей, например, феррозонда Bartington Mag-13MCL100. Одновременно с этим чувствительный элемент обеспечивает широкую полосу измеряемых частот, принципиально недоступную для феррозондовых преобразователей.Experimental studies of the inventive sensitive element of a thin-film magnetometer showed that, in comparison with a device of a similar purpose (prototype), the inventive device provides a lower level of intrinsic noise (greater sensitivity). In FIG. 4 shows the experimentally measured noise level of a sensitive element of a thin-film magnetometer in the frequency range from 10 0 to 10 4 Hz. The measurements were carried out in a shielded room using a low-frequency spectrum analyzer, the sensitive element was placed inside a four-layer screen of permalloy annealed in vacuum with a wall thickness of 1 mm and a useful volume of ~ 6 dm 3 . As can be seen from FIG. 4, at a frequency of 10 0 Hz, the sensitivity was 10 -11 T / Hz 1/2 . At frequencies greater than 10 2 Hz, the intrinsic noise level of the claimed design is below 10 -12 T / Hz 1/2 , which exceeds the sensitivity of the best flux-gate transducers, for example, the Bartington Mag-13MCL100 flux-gate. At the same time, the sensitive element provides a wide range of measured frequencies, which is fundamentally inaccessible to flux-gate transducers.
Чувствительный элемент тонкопленочного магнитометра может быть использован в случаях, когда необходимо проводить измерения параметров магнитного поля в широкой полосе частот, например, от 10-2 до 106 Гц, обеспечивая при этом высокую чувствительность - около 10-13 Тл/Гц1/2 на частотах выше 104 Гц.The sensitive element of a thin-film magnetometer can be used in cases when it is necessary to measure the magnetic field parameters in a wide frequency band, for example, from 10 -2 to 10 6 Hz, while ensuring high sensitivity - about 10 -13 T / Hz 1/2 per frequencies above 10 4 Hz.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019110902A RU2706436C1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Sensitive element of thin-film magnetometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019110902A RU2706436C1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Sensitive element of thin-film magnetometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2706436C1 true RU2706436C1 (en) | 2019-11-19 |
Family
ID=68579793
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019110902A RU2706436C1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Sensitive element of thin-film magnetometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2706436C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050122115A1 (en) * | 2003-08-28 | 2005-06-09 | Massachusetts Institute Of Technoloy | Slitted and stubbed microstrips for high sensitivity, near-field electromagnetic detection of small samples and fields |
| RU2536083C1 (en) * | 2013-07-16 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук | Sensor of weak high-frequency magnetic fields |
| RU163174U1 (en) * | 2015-10-19 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук | SMALL HIGH FREQUENCY MAGNETOMETER |
| RU2682076C1 (en) * | 2018-04-28 | 2019-03-14 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Sensor of weak magnetic fields |
-
2019
- 2019-04-11 RU RU2019110902A patent/RU2706436C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050122115A1 (en) * | 2003-08-28 | 2005-06-09 | Massachusetts Institute Of Technoloy | Slitted and stubbed microstrips for high sensitivity, near-field electromagnetic detection of small samples and fields |
| RU2536083C1 (en) * | 2013-07-16 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук | Sensor of weak high-frequency magnetic fields |
| RU163174U1 (en) * | 2015-10-19 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук | SMALL HIGH FREQUENCY MAGNETOMETER |
| RU2682076C1 (en) * | 2018-04-28 | 2019-03-14 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Sensor of weak magnetic fields |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU163174U1 (en) | SMALL HIGH FREQUENCY MAGNETOMETER | |
| EP1060403B1 (en) | Apparatus for and method of nuclear quadrupole resonance testing a sample in the presence of interference | |
| US4686475A (en) | Passive geophysical prospection system based upon the detection of the vertical electric field component of telluric currents and method therefor | |
| Bracke et al. | A broadband magneto-electric transducer using a composite material | |
| RU2682076C1 (en) | Sensor of weak magnetic fields | |
| US4070612A (en) | Method and apparatus for measuring terrain resistivity | |
| US6559645B2 (en) | Detector apparatus and method | |
| US4689572A (en) | Electromagnetic logging apparatus with slot antennas | |
| EP0113736A1 (en) | A method and apparatus for determining the trace and depth of underground metallic conductors. | |
| Burke et al. | Global radiolocation in the lower ELF frequency band | |
| RU2706436C1 (en) | Sensitive element of thin-film magnetometer | |
| Babitskii et al. | A magnetometer of weak quasi-stationary and high-frequency fields on resonator microstrip transducers with thin magnetic fields | |
| RU2536083C1 (en) | Sensor of weak high-frequency magnetic fields | |
| US9891338B2 (en) | Electric near-field probe, control system for same, and piezoelectric crystal detector | |
| RU2712926C1 (en) | Thin-film magnetic field of weak magnetic fields | |
| He et al. | Development of a resonator with automatic tuning and coupling capability to minimize sample motion noise for in vivo EPR spectroscopy | |
| Griffin et al. | Low-frequency NMR spectrometer | |
| RU2743321C1 (en) | Magnetometer on thin magnetic film | |
| Yabukami et al. | Coplanar line thin film sensor and measurement of MCG without magnetic shielding | |
| CN116299718A (en) | Semi-aviation electromagnetic apparent resistivity measurement system and method | |
| RU2687557C1 (en) | Thin-film gradiometer | |
| RU2816554C1 (en) | Broadband sensor of weak magnetic fields | |
| RU2381515C1 (en) | Magnetic field sensor | |
| RU2761319C1 (en) | Broadband highly sensitive variable magnetic field sensor | |
| RU2712922C1 (en) | Thin-film magnetic antenna |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20201008 Effective date: 20201008 |