RU2778393C1 - Method for manufacturing a hybrid magnetic field sensor - Google Patents

Method for manufacturing a hybrid magnetic field sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2778393C1
RU2778393C1 RU2021137959A RU2021137959A RU2778393C1 RU 2778393 C1 RU2778393 C1 RU 2778393C1 RU 2021137959 A RU2021137959 A RU 2021137959A RU 2021137959 A RU2021137959 A RU 2021137959A RU 2778393 C1 RU2778393 C1 RU 2778393C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
concentrator
shell
superconducting
magnetic field
hybrid
Prior art date
Application number
RU2021137959A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Евгеньевич Григорашвили
Александр Викторович Бухлин
Георгий Валерьевич Баранов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Application granted granted Critical
Publication of RU2778393C1 publication Critical patent/RU2778393C1/en

Links

Abstract

FIELD: sensing equipment.
SUBSTANCE: method for manufacturing a hybrid magnetic field sensor, in which a cylindrical shell is formed from a high-temperature superconductor containing conical cavities to form a magnetic field concentrator. A cylindrical superconducting shell is formed by pressing a superconducting powder mixed with isopropyl alcohol as a binder into a silver shell and subsequent annealing. The silver shell makes it possible to preserve the structural integrity of the superconducting cylindrical shell during extraction from the mold and during annealing, and also improves the quality of the walls of the cavity for filling with ferromagnetic concentrator, which has a positive effect on the concentration coefficient of the magnetic field. The resulting conical cavities are filled with a mixture of ferrite powder and adhesive base. After solidification of the ferrite concentrator, a sensor element is installed in the concentrator through an installation window at the end of the superconducting shell.
EFFECT: simplifying the manufacturing technology of hybrid sensors and increasing the yield of suitable products due to the separate manufacture of hybrid sensor elements without exposure to high temperatures on the sensing element and ferromagnetic concentrator, as well as increasing their sensitivity and reliability.
1 cl

Description

Изобретение относится к области создания датчиков магнитного поля с элементами на основе высокотемпературных сверхпроводников, а именно к созданию гибридных датчиков магнитного поля, где роль усилителей магнитного потока выполняют ферритово-сверхпроводящие концентраторы.The invention relates to the field of creating magnetic field sensors with elements based on high-temperature superconductors, namely to the creation of hybrid magnetic field sensors, where the role of magnetic flux amplifiers is performed by ferrite-superconducting concentrators.

Такие гибридные датчики применяются в магнитометрических приборах, системах неразрушающей дефектоскопии металлов, устройствах для магнитной кардиографии, системах анализа слабых магнитных полей.Such hybrid sensors are used in magnetometric instruments, systems for non-destructive flaw detection of metals, devices for magnetic cardiography, systems for analyzing weak magnetic fields.

Известен способ изготовления гибридных датчиков магнитного поля с трансформаторным концентратором [1]. Ее недостаток состоит в том, что для ее осуществления необходимо напылять чувствительный элемент на ту же подложку, что и концентратор, что усложняет процесс и не позволяет использовать ряд элементов, так как их период кристаллических решеток не совпадает с периодом решетки подложки. Кроме того, изготовление сверхпроводящих пленок, из которых состоит концентратор трансформаторного типа, требует высокотемпературного отжига, что увеличивает риск выхода из строя чувствительного элемента.A known method of manufacturing hybrid magnetic field sensors with a transformer hub [1]. Its disadvantage is that for its implementation it is necessary to deposit a sensitive element on the same substrate as the concentrator, which complicates the process and does not allow the use of a number of elements, since their crystal lattice period does not coincide with the substrate lattice period. In addition, the manufacture of superconducting films that make up a transformer-type concentrator requires high-temperature annealing, which increases the risk of sensor failure.

Известен способ изготовления датчиков магнитного поля с пермаллоевыми концентраторами [2]. В данном способе предлагается способ создания концентратора из холоднокатанной пермаллоевой ленты. Недостатками такого способа является малая вариативность форм концентраторов из-за сложности работы с высокоупругим пермаллоевым сплавом, а так же сложный многостадийный технологический процесс создания чувствительного элемента.A known method of manufacturing magnetic field sensors with permalloy concentrators [2]. In this method, a method is proposed for creating a concentrator from cold-rolled permalloy strip. The disadvantages of this method are the low variability of the shapes of the concentrators due to the complexity of working with a highly elastic permalloy alloy, as well as the complex multi-stage technological process for creating a sensitive element.

Известен способ изготовления гибридного датчика магнитного поля, взятый нами за прототип, содержащего чувствительный элемент и ферромагнитный конический концентратор [3]. Недостатком этого способа является то, что ферромагнитный концентратор изготовлен из пермаллоевого сплава, плохо поддающегося обработке, что существенно усложняет процесс создания оптимальной геометрии концентратора. Помимо этого, недостатком технологии изготовления данного датчика является необходимость сложного технологического процесса формирования чувствительного элемента, выполненного из сверхпроводника методом электрического осаждения. Так же недостатком технологии является необходимость отжига при температуре 900 градусов Цельсия, что так же усложняет процесс изготовления и уменьшает процент выхода годных изделий.A known method of manufacturing a hybrid magnetic field sensor, taken by us as a prototype, containing a sensitive element and a ferromagnetic conical hub [3]. The disadvantage of this method is that the ferromagnetic concentrator is made of a permalloy alloy, which is difficult to process, which significantly complicates the process of creating the optimal geometry of the concentrator. In addition, the disadvantage of this sensor manufacturing technology is the need for a complex technological process of forming a sensitive element made of a superconductor by the method of electrical deposition. Another disadvantage of the technology is the need for annealing at a temperature of 900 degrees Celsius, which also complicates the manufacturing process and reduces the yield of good products.

Задача изобретения - упрощение технологии изготовления гибридных датчиков и повышение выхода годных изделий за счет раздельного изготовления элементов гибридного датчика без воздействия высокими температурами на чувствительный элемент и ферромагнитный концентратор.The objective of the invention is to simplify the manufacturing technology of hybrid sensors and increase the yield of suitable products due to the separate manufacture of hybrid sensor elements without exposure to high temperatures on the sensitive element and the ferromagnetic concentrator.

Способ изготовления гибридного датчика магнитного поля, включающий процесс формирования концентратора магнитного поля, представляющего собой два соосно расположенных, встречно направленных конуса из ферромагнитного материала и имплантацию в зазор между конусами чувствительного элемента, отличающийся тем, что элементы концентратора формируются отдельно от чувствительного элемента, оболочка конусного концентратора из высокотемпературного сверхпроводника изготавливается с помощью прессования смешанного с изопропиловым спиртом сверхпроводящего порошка в серебряной оболочке, уложенной внутри пресс-формы, создающей внутри цилиндрической оболочки полость конусной формы и окно для установки чувствительного элемента, после чего цилиндрическая оболочка подвергается отжигу, затем внутрь конусных полостей заливается смесь из ферритового порошка и клеевой основы, после чего устанавливается чувствительный элемент в зазор между конусами через установочное окно в торце сверхпроводящей оболочки.A method for manufacturing a hybrid magnetic field sensor, which includes the process of forming a magnetic field concentrator, which is two coaxially located, oppositely directed cones made of ferromagnetic material and implantation into the gap between the cones of the sensitive element, characterized in that the elements of the concentrator are formed separately from the sensitive element, the shell of the cone concentrator from a high-temperature superconductor is made by pressing a superconducting powder mixed with isopropyl alcohol in a silver shell placed inside a mold, creating a cone-shaped cavity and a window for installing a sensitive element inside the cylindrical shell, after which the cylindrical shell is annealed, then the mixture is poured into the conical cavities from ferrite powder and adhesive base, after which the sensitive element is installed in the gap between the cones through the installation window at the end of the superconducting shell.

Для измерения величины индукции магнитного поля широко используются электронные твердотельные чувствительные элементы. Повысить их чувствительность можно с помощью пассивных концентраторов, которые увеличивают индукцию внешнего магнитного поля в области чувствительного элемента.Electronic solid-state sensitive elements are widely used to measure the magnitude of the magnetic field induction. Their sensitivity can be increased by using passive concentrators, which increase the induction of the external magnetic field in the region of the sensitive element.

Основным элементом гибридного датчика, обеспечивающим его эффективность, является оболочка из сверхпроводящей керамики. Сложность изготовления гибридного датчика связана с двумя основными причинами.The main element of the hybrid sensor, which ensures its efficiency, is a shell made of superconducting ceramics. The complexity of manufacturing a hybrid sensor is due to two main reasons.

Сверхпроводящей керамике необходим отжиг при высоких температурах. При этом сформованный ферромагнитный концентратор и чувствительный элемент могут быть повреждены.Superconducting ceramics require annealing at high temperatures. In this case, the formed ferromagnetic concentrator and the sensitive element may be damaged.

Сверхпроводящая керамика получается обычно с помощью мокрой прессовки и последующего отжига. Однако этот метод годится лишь для керамических изделий простой формы. Для гибридного же датчика требуется формирования керамического цилиндра, внутри которого имеется полость под установку ферромагнитного конуса, а так же канал для установки чувствительного элемента. Изделие такой формы после прессовки все еще очень хрупкое и извлечь его из пресс-формы без повреждений сложно. Для осуществления прессовки такой конструкции предлагается использовать оболочку из серебра, которой придается форма будущего концентратора. После формирования и сварки формы из листового серебра, форма заполняется сверхпроводящим порошком, в который добавляется связующее вещество (изопропиловый спирт). Далее порошок подвергается прессовке в специальной пресс-форме, сушке и отжигу. После остывания, в конусные полости сверхпроводящей керамической оболочки заливается смесь ферритового порошка и клеевой основы, а в зазор между конусами устанавливается чувствительный элемент.Superconducting ceramics are usually obtained by wet pressing and subsequent annealing. However, this method is suitable only for ceramic products of a simple shape. A hybrid sensor requires the formation of a ceramic cylinder, inside which there is a cavity for installing a ferromagnetic cone, as well as a channel for installing a sensitive element. A product of this shape after pressing is still very fragile and it is difficult to remove it from the mold without damage. To carry out the pressing of this design, it is proposed to use a silver shell, which is shaped into a future concentrator. After the silver sheet mold is formed and welded, the mold is filled with superconductive powder to which a binder (isopropyl alcohol) is added. Next, the powder is pressed in a special mold, dried and annealed. After cooling, a mixture of ferrite powder and adhesive base is poured into the conical cavities of the superconducting ceramic shell, and a sensitive element is installed in the gap between the cones.

Классическая технология формирования гибридных датчиков подразумевает исполнение всех операций в едином цикле и на единой основе. Области сверхпроводника, элементы чувствительного элемента создаются совместно. В такой технологии невозможно отдельно сформировать концентратор и добавить к нему чувствительный элемент.The classical technology of forming hybrid sensors implies the execution of all operations in a single cycle and on a single basis. Superconductor areas, sensing element elements are created together. In this technology, it is impossible to separately form a concentrator and add a sensitive element to it.

Предлагаемая технология позволяет независимо формировать каждый из элементов гибридного датчика, а так же гибко модернизировать каждую составляющую, вплоть до модификации конфигурации концентратора и замены чувствительного элемента.The proposed technology allows you to independently form each of the elements of the hybrid sensor, as well as flexibly upgrade each component, up to modifying the concentrator configuration and replacing the sensing element.

За счет этого достигается:This achieves:

1) Формирование сверхпроводящей керамики концентратора не затрагивает чувствительный элемент и ферромагнитный сердечник, благодаря чему чувствительный элемент и ферромагнитный сердечник не испытывают на себе температурных нагрузок, возникающих в процессе отжига сверхпроводящей керамики концентратора, которые иначе бы привели к их повреждению.1) The formation of the superconducting ceramic of the concentrator does not affect the sensing element and the ferromagnetic core, so that the sensing element and the ferromagnetic core do not experience the temperature stresses that occur during the annealing process of the superconducting ceramics of the concentrator, which would otherwise lead to damage.

2) Высокая повторяемость изделий. Так как в классической методике исполнения чувствительный элемент производится зачастую совместно с концентратором, любое отклонение от технологических параметров приводит к повреждению всех элементов устройства. В предложенной же технологии каждый элемент формируется отдельно, потому выход из технологических параметров или же иные факторы приводят лишь к нарушению работоспособности одного элемента, а не всей системы.2) High repeatability of products. Since in the classical method of execution the sensitive element is often produced together with the concentrator, any deviation from the technological parameters leads to damage to all elements of the device. In the proposed technology, each element is formed separately, therefore, the exit from the technological parameters or other factors only lead to a malfunction of one element, and not the entire system.

Помимо этого новизна состоит в технологии прессовки сверхпроводящей керамики. Добавление серебряной оболочки позволяет сохранять структурную целостность заготовки на всех этапах производства, а так же повышает качество исполнения геометрии концентратора. Кроме того, дополнительный элемент в виде серебряной оболочки позволяет повысить надежность изделия и его прочность, что позволяет использовать изделие в более широком спектре приборов, в том числе работающих в тяжелых условиях.In addition, the novelty lies in the technology of pressing superconducting ceramics. The addition of a silver shell allows to maintain the structural integrity of the workpiece at all stages of production, and also improves the quality of the concentrator geometry. In addition, an additional element in the form of a silver shell improves the reliability of the product and its strength, which allows the product to be used in a wider range of devices, including those operating in harsh conditions.

Способ изготовления реализуется следующим образом. Из листов серебра изготавливается обойма для запрессовки сверхпроводящей керамики. Листы свариваются с помощью серебряного припоя и флюса на основе бората натрия. Форма серебряной обоймы повторяет форму сверхпроводящей оболочки: внешняя часть представляет собой цилиндр, внутренняя часть - конусная. Обойма устанавливается в пресс-форму. Далее обойма заполняется сверхпроводящим порошком, смешанным с изопропиловым спиртом, который является связующим веществом и помогает образовать более плотную и устойчивую массу во время прессовки. Проводится запрессовка сверхпроводящего порошка. Затем серебряную обойму с запрессованным порошком извлекают из пресс-формы и помещают в муфельную печь.The manufacturing method is implemented as follows. A holder for pressing superconducting ceramics is made from silver sheets. The sheets are welded using silver solder and sodium borate flux. The shape of the silver clip repeats the shape of the superconducting shell: the outer part is a cylinder, the inner part is conical. The clip is installed in the mold. The cage is then filled with superconductive powder mixed with isopropyl alcohol, which acts as a binder and helps form a denser, more stable mass during pressing. The superconducting powder is pressed in. Then the silver holder with the pressed powder is removed from the mold and placed in the muffle furnace.

Первой стадией подготовки керамики является сушка при температуре 90 градусов Цельсия в течении 40 минут. Это необходимо для удаления излишков изопропилового спирта, который иначе бы вследствие интенсивного испарения мог нарушить структуру керамики. После этапа сушки керамика подвергается отжигу при температуре 860 градусов Цельсия в течении 4 часов и остыванию в муфельной печи в течении 6 часов.The first stage in the preparation of ceramics is drying at a temperature of 90 degrees Celsius for 40 minutes. This is necessary to remove excess isopropyl alcohol, which otherwise could damage the structure of the ceramic due to intense evaporation. After the drying stage, the ceramics are annealed at a temperature of 860 degrees Celsius for 4 hours and cooled in a muffle furnace for 6 hours.

После остывания получившаяся сверхпроводящая оболочка извлекается из печи и внутренняя конусная часть заполняется смесью ферритового порошка и клеящей основы, которая образует ферромагнитный конусный концентратор магнитного поля.After cooling, the resulting superconducting shell is removed from the furnace and the inner conical part is filled with a mixture of ferrite powder and an adhesive base, which forms a ferromagnetic cone magnetic field concentrator.

После застывания ферромагнитной массы в получившийся концентратор устанавливается чувствительный элемент.After the ferromagnetic mass solidifies, a sensitive element is installed in the resulting concentrator.

Предложенная технология позволяет создавать элементы гибридного датчика без взаимного влияния технологических процессов, благодаря чему исключается возможность выхода из строя чувствительного элемента из-за воздействия высоких температур, возникающих входе отжига сверхпроводящей керамики, повышается качество исполнения гибридного датчика, увеличивается повторяемость, упрощается технологический процесс, повышается ремонтопригодность и появляется возможность независимой модернизации различных элементов гибридного датчика.The proposed technology allows you to create elements of a hybrid sensor without the mutual influence of technological processes, which eliminates the possibility of failure of the sensitive element due to high temperatures that occur during annealing of superconducting ceramics, improves the quality of the hybrid sensor, increases repeatability, simplifies the process, improves maintainability and it becomes possible to independently upgrade various elements of the hybrid sensor.

Кроме того, изготовление гибридного датчика по предлагаемой технологии позволяет использовать широкий круг чувствительных элементов, что увеличивает универсальность изделия и возможность адаптации его для самых различных задач, при этом сохраняя его высокие технические параметры.In addition, the manufacture of a hybrid sensor using the proposed technology allows the use of a wide range of sensitive elements, which increases the versatility of the product and the possibility of adapting it to a variety of tasks, while maintaining its high technical parameters.

Так же предлагаемый способ изготовления упрощает технологический маршрут, так как уменьшает количество необходимого специализированного оборудования, что снижает затраты на производство.Also, the proposed manufacturing method simplifies the technological route, as it reduces the amount of specialized equipment required, which reduces production costs.

Источники информации:Sources of information:

1) Wang L.М. et al. Fabrication and Characteristics of High-Tc Superconducting/Magnetoresistive Mixed Sensors // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2016. - T. 26. - №. 3. - C. 1-4.1) Wang L.M. et al. Fabrication and Characteristics of High-Tc Superconducting/Magnetoresistive Mixed Sensors // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2016. - T. 26. - no. 3. - C. 1-4.

2) Патент РФ №2568148.2) RF patent No. 2568148.

3) Патент US 5491410 A - прототип.3) Patent US 5491410 A - prototype.

Claims (1)

Способ изготовления гибридного датчика магнитного поля, включающий процесс формирования концентратора магнитного поля, представляющего собой два соосно расположенных, встречно направленных конуса из ферромагнитного материала, и имплантацию в зазор между конусами чувствительного элемента, отличающийся тем, что элементы концентратора формируются отдельно от чувствительного элемента, оболочка конусного концентратора из высокотемпературного сверхпроводника изготавливается с помощью прессования смешанного с изопропиловым спиртом сверхпроводящего порошка в серебряной оболочке, уложенной внутри пресс-формы, создающей внутри цилиндрической оболочки полость конусной формы и окно для установки чувствительного элемента, после чего цилиндрическая оболочка подвергается отжигу, затем внутрь конусных полостей заливается смесь из ферритового порошка и клеевой основы, после чего устанавливается чувствительный элемент в зазор между конусами через окно в торце сверхпроводниковой оболочки.A method for manufacturing a hybrid magnetic field sensor, which includes the process of forming a magnetic field concentrator, which is two coaxially located, oppositely directed cones made of ferromagnetic material, and implantation into the gap between the cones of a sensitive element, characterized in that the elements of the concentrator are formed separately from the sensitive element, the cone shell A concentrator made of a high-temperature superconductor is made by pressing a superconducting powder mixed with isopropyl alcohol in a silver shell placed inside a mold, which creates a cone-shaped cavity and a window for installing a sensitive element inside the cylindrical shell, after which the cylindrical shell is annealed, then poured into the conical cavities a mixture of ferrite powder and an adhesive base, after which a sensitive element is installed in the gap between the cones through a window at the end of the superconducting shell.
RU2021137959A 2021-12-21 Method for manufacturing a hybrid magnetic field sensor RU2778393C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778393C1 true RU2778393C1 (en) 2022-08-18

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8373410B2 (en) * 2006-11-28 2013-02-12 Moving Magnet Technologies Rotary or linear position sensor having a variable magnet profile
RU145581U1 (en) * 2014-04-29 2014-09-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого MAGNETIC FIELD SENSOR
RU2581438C2 (en) * 2014-03-17 2016-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр ВНИИМ" (ООО "Технологический центр ВНИИМ") Manometers of absolute pressure with piston pair formed by structurally coupled magnetics (versions)
RU188677U1 (en) * 2019-02-08 2019-04-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Magnetoelectric Magnetic Field Sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8373410B2 (en) * 2006-11-28 2013-02-12 Moving Magnet Technologies Rotary or linear position sensor having a variable magnet profile
RU2581438C2 (en) * 2014-03-17 2016-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр ВНИИМ" (ООО "Технологический центр ВНИИМ") Manometers of absolute pressure with piston pair formed by structurally coupled magnetics (versions)
RU145581U1 (en) * 2014-04-29 2014-09-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого MAGNETIC FIELD SENSOR
RU188677U1 (en) * 2019-02-08 2019-04-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Magnetoelectric Magnetic Field Sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Godeke et al. Development of wind-and-react Bi-2212 accelerator magnet technology
CN106816525B (en) Niobium nitride SQUID device, preparation method and parameter post-processing approach
RU2778393C1 (en) Method for manufacturing a hybrid magnetic field sensor
CN102543311B (en) Method for manufacturing composite Nb3Al/Nb multi-core superconducting wire
CN105869781B (en) A kind of preparation method of FeSe bases superconducting wire
CN110767375A (en) Novel quasi-two-dimensional telluride superconducting material and preparation method thereof
RU2006111091A (en) METHOD FOR PRODUCING A SUPERCONDUCTING WIRE
Zhang et al. Impact of magnetron sputtering parameters on thermoelectric properties of tungsten-rhenium thin-film thermocouples sensor
Gemme et al. RF surface resistance measurements of binary and ternary niobium compounds
Morita History and recent progress of QMG™ and QMG bulk magnets
Bussiere et al. ac losses of bronze‐processed (Nb1− x Zr x) 3Sn between 5 and 16 K
Lorenz et al. High-temperature magnetostriction in polycrystalline Fe-Co alloys
JP4132720B2 (en) Manufacturing method of quantum interference magnetometer
Jiong et al. Fabrication and calibration of Pt/Au thin-film thermocouple based on a modified screen printing technology
Baltaga et al. Jumps of the electric field on the surface of a hard superconductor
RU2441934C1 (en) Method for production of a high-temperature superconductor in system sodium - sodium telluride
KR20150047824A (en) Superconducting joint method of superconducting wire
KR100581556B1 (en) APPARATUS FOR MANUFACTURING MgB2 PIT SUPERCONDUCTING WIRE/TAPES BY SPS AND ITS METHOD
US3283245A (en) Indirect process for testing hard superconductor layers
CN105742478B (en) A kind of preparation method of iron-based monocrystalline superconducting microbridge
JP2001194436A (en) Magnetism-measuring apparatus
JP2624828B2 (en) Magnetometer and method for detecting deterioration of metal material using the same
JPH04795A (en) Magnetic shielding plate
SU111685A1 (en) Method for making copper grids for klystrons
CN116682807A (en) Electromagnetic shielding packaging structure, preparation method thereof and low-temperature sensor