磁電式傳感器的制作方法

本發明的領域為磁電式傳感器領域，并且更特別地為差動磁電式傳感器領域，該差動磁電式傳感器用于測量交變磁場或者更一般地用于測量隨時間變化的磁場。

背景技術：

磁電式傳感器包括對磁場敏感的部件，該部件在本申請中被稱為磁傳感器，該磁傳感器能夠以電壓或電流的形式發出與自身所處的外部磁場B_ext對應的測量信號。

目前的磁電式傳感器具有有限的使用頻率范圍或帶寬。這是由于放置在磁傳感器下游的測量電路的阻抗。

磁電式傳感器的帶寬的加寬是本技術領域的普遍問題。為了規避該問題，考慮原則上對磁電式傳感器的有效面積進行限制，并且只是試圖通過作用于測量電路的阻抗值來優化磁電式傳感器的帶寬。

此外，已知的磁傳感器的響應信號隨待測量的磁場是非線性的。

在磁傳感器中，已知諸如具有金剛石N-V中心的傳感器之類的磁光傳感器，其中，當該晶體處于外部磁場B_ext中時，晶體中形成雜質的原子的電子的兩個能級之間的躍遷被修改。躍遷的修改改變了采用合適的激光進行照射的晶體的響應。該磁傳感器工作在室溫下。

雖然晶體的響應是線性的，但是響應處于所使用的躍遷的特征頻率周圍的減小的頻率范圍內。

在磁傳感器中，同樣已知超導磁傳感器，超導磁傳感器是特別吸引人的，這是由于它們提供了物理上可達到的最高靈敏度。該應用超導材料的磁傳感器工作在低溫(對于所謂的臨界高溫超導材料在大約80K附近)、或者超低溫(對于所謂的臨界低溫超導材料在大約1毫-開爾文附近)下。

超導磁傳感器為SQUID(“Superconducting QUantumInterference Device”，“超導量子干涉器件”)部件或SQIF(“Superconducting Quantum lnterference Filter”，“超導量子干涉濾波器”)部件。SQIF部件由串聯、并聯或串并聯連接的SQUID部件的矩陣組成。

由于超導磁傳感器的工作原理，SQUID和SQIF部件具有非線性響應，即由外部磁場B_ext的穿過部件的表面S的通量φ所引起的電壓V(φ)不是通量φ_ext的線性函數，并因此不是外部磁場B_ext的線性函數。

在SQUID部件的情況中，該響應是正弦波。在正弦波的拐點區域中，該行為在一階上是線性的。然而，該區域與相對較窄的通量范圍對應。

在SQIF部件的情況下，該響應是均勻的，V(φ)＝cste，除了在定期放置的某些特征點周圍之外，對于這些定期放置的特征點，外部磁場B_ext的通量φ_ext等于特征通量φ₀(所謂的“磁通量子”)的整數倍。因此，SQIF部件的響應假設采用“反轉梳”形狀

在修改過的具有特定配置的SQIF部件中，該響應是均勻的，除了在原點φ_ext＝0周圍的區域之外，該區域中的該響應被抵消。然而，該區域與相對較窄的通量范圍對應。

為了利用超導磁傳感器的靈敏度，應該采用線性域，然而該線性域被減小到較窄的區域中。

因此，即使磁傳感器非常靈敏，它們的主要缺陷也因此仍然在于它們極小的帶寬。

技術實現要素：

因此，本發明的目的是克服上述問題。

本發明特別地與具有可擴展的靈敏度范圍和線性響應兩者的磁電式傳感器相關。

為此，本發明的目的是一種磁電式傳感器，包括磁傳感器，該磁傳感器具有表面，并且當磁傳感器處于生成通過所述表面的外部通量的外部磁場中時，該磁傳感器生成響應信號，其特征在于，該磁電式傳感器包括：控制電路和導線，控制電路在輸入處獲取磁傳感器的響應信號并在輸出處生成反饋電流；導線置于磁傳感器附近并且連接到控制電路的輸出處，反饋電流流過該導線，控制電路和導線使得生成反饋磁場，在每一時刻，反饋磁場通過磁傳感器的表面的反饋通量基本上抵消外部通量，磁電式傳感器的輸出信號由反饋電流形成。

根據特定實施例，磁電式傳感器包括單獨地或根據所有技術上可能的組合的一個或多個以下特征：

-磁力計為超導磁力計。

-當外部磁場可隨時間變化時，磁電式傳感器的輸出信號為對外部磁場的測量結果。

-磁電式傳感器的輸出信號為對外部磁場的線性測量結果。

-磁傳感器的表面為平面的，并且其中，導線基本上放置在該表面的平面中。

-控制電路包括比較裝置和電流源，比較裝置用于將磁傳感器的響應信號與參考信號進行比較以生成比較信號，電流源由該比較信號控制并能夠生成反饋電流。

-磁傳感器包括在控制電路的兩個輸入端子之間串聯連接的多個基本磁傳感器。

-對導線進行配置以形成至少一個環路。

-該環路包括多匝。

-對導線進行配置以在兩個相鄰的基本磁力計之間形成至少一個曲折。

-傳感器包括殼體，該殼體界定與寄生磁擾動隔離的容腔，并且該容腔內容置有磁傳感器和導線。

附圖說明

通過閱讀根據僅作為示例并參照附圖給出的供使用的實施例和方法，將更好地理解本發明及其優點；在附圖中：

圖1為根據本發明的磁電式傳感器的原理的圖示；

圖2為圖1中的傳感器的所謂的環路實施例的示意圖；以及

圖3為圖1的傳感器的所謂的曲折實施例的示意圖。

具體實施方式

圖1中示出了根據本發明的磁電式傳感器。

磁電式傳感器具有如下功能：使得能夠瞬時測量外部磁場B_ext(t)，該外部磁場B_ext(t)隨時間t的推移而變化。

磁電式傳感器10包括磁傳感器12、控制電路14和導線16。

有利地，磁電式傳感器10包括殼體，該殼體在內部界定了容腔，該容腔中至少容置有磁傳感器12和導線16、以及可選地容置有控制電路14。一般地，參照圖1中的標記18，容腔與待測量磁場占據的容量對應，通過殼體使該容量與任何其他的寄生磁影響或擾動隔離，形成殼體的材料因而適合于將容腔與寄生磁場隔離。

磁傳感器12優選地為超導磁傳感器。

磁傳感器12具有長方體形狀。磁傳感器12具有較小的厚度和有效表面S，有效表面S基本上是平面并且在磁傳感器的厚度方向上具有法線。

磁傳感12能夠在其兩個輸出端子之間生成響應信號，此處該響應信號為電壓V。電壓V是通過表面S的瞬時總磁通量φ(t)的函數。

控制電路14在其兩個輸入端子E1和E2之間接收由磁傳感器12產生的響應信號V(φ(t))，并在其兩個輸出端子S1和S2之間生成反饋電流i_CR(t)。

更具體地，控制電路14包括包含兩個輸入端子的比較裝置22，這兩個輸入端子連接到磁傳感器12的輸出端子上，并且控制電路14能夠將響應信號V(φ(t))與參考信號V₀進行比較并且生成比較信號。

控制電路14包括電流源24，電流源24由比較信號控制并且能夠在兩個輸出端子之間生成反饋電流i_CR(t)。

導線16連接在控制電路14的輸出端子之間。導線16被成形以通過磁傳感器12附近。反饋電流i_CR(t)流過導線16。因此，導線16在其周圍生成反饋磁場B_CR(t)。該磁場B_CR(t)相對于電流i_CR(t)是線性的。該磁場B_CR(t)生成通過磁傳感器的表面S的反饋通量φ_CR(t)：φ_CR(t)＝B_CR(t)×S。

在每一時刻，磁傳感器12所發出的響應信號V(t)取決于穿過表面S的總磁通量φ(t)。

該總通量φ(t)是外部通量φ_ext(t)和反饋通量φ_CR(t)的總和，外部通量φ_ext(t)由根據關系式φ_ext(t)＝B_ext(t)×S測量的外部磁場B_ext(t)產生。

當磁傳感器12所接收到的總通量φ(t)恒定時，傳感器10是平衡的。在該條件下，在受瞬時反饋的恒定不變的驅使下，反饋電流i_CR(t)表示對外部磁場B_ext(t)的線性測量結果。

為了存在該平衡，選擇傳感器10的幾何及物理參數以使反饋通量與外部通量相反并且使磁傳感器12的響應V(t)可以瞬時減小到參考電壓V₀水平。換言之，控制電路14和導線16使得生成反饋磁場。在每一時刻，反饋磁場穿過磁傳感器的有效表面的通量基本上抵消外部磁場的通量。

應該注意的是，如果外部磁場B_ext具有直流分量，則穩定點將會是以參考電壓V₀偏移一常量。通過在參考電壓V₀上施加偏置，該常量可以被反饋電流i_CR抵消。

通過適當地選擇參考電壓V₀，對于磁傳感器的導數為最大值的響應區域可以獲得傳感器10的最大靈敏度。

應該強調的是，在磁電式傳感器10中，磁傳感器的響應信號不被認為是測量信號，而是用于調節反饋環路的信號。反饋信號才是測量信號。

圖2中示出了傳感器110，該傳感器110是以上以一般的方式示出的傳感器的第一優選實施例。

在傳感器110中，對導線116進行配置以便于在磁傳感器112周圍形成環路。導線116基本上位于磁傳感器112的表面S的平面P中。

該環路可以包括N匝，這給出了針對相同幅度的反饋電流增加反饋通量的可能性。

該環路配置具有寬帶響應。

帶寬主要由輻射電阻R_rad效應限制在高頻處，輻射電阻R_rad與f⁴成正比，其中，f為反饋電流i_CR的頻率。此處輻射電阻R_rad代替了由導線116形成的環路的電感造成的另一限制，該電感與f成正比。

通過減小由導線116形成的回路的尺寸，可以減小輻射電阻R_rad，以盡可能地推向至傳感器110的高截止頻率。

該環路配置使得能夠在平面P中進行密集一維或二維集成。

該環路配置給出了產生縮小尺寸的磁傳感器的可能性。

圖3中示出了傳感器210，該傳感器210是圖1中以一般的方式示出的傳感器的第二優選實施例。

在該第二實施例中，即所謂的曲折(meander)配置中，磁傳感器212由多個基本磁傳感器212-i組成，該多個基本磁傳感器212-i放置成一排，以使這些基本磁傳感器212-i的表面Si處于同一平面P中，并且這些基本傳感器212-i串聯連接在控制電路14的輸入端子E1和E2之間。

對導線216進行配置以便于在兩個基本磁傳感器212-i之間通過以形成多個曲折。基本傳感器212-i放置在每兩個曲折中的一個曲折中以使通過導線216生成的反饋磁場的通量總是具有相同的符號，并且可以抵消待測量的外部磁場。

在該實施例中，基本磁傳感器212-i是非對稱的(響應如下：V(-φ)＝-V(φ))，或者是對稱的(響應如下：V(-φ)＝V(φ))。

曲折配置由電感和輻射電阻來表征，曲折配置的電感和輻射電阻固有地小于環路配置的電感和輻射電阻，這給出了進一步推向至傳感器210的帶寬的高截止頻率的可能性。

這里再一次通過為由導線216形成的回路選擇非常小的尺寸，可以減小輻射電阻，以進一步推向至傳感器的高截止頻率。

此外，能夠對幾何參數進行優化，例如可以增加導線216和磁傳感器的軸線之間的距離x。在導線所生成的磁場以1/x減小的情況下，為了獲得相同的反饋通量，則必須增加反饋電流。該操作具有以下優點：使得能夠通過使用高強度的反饋電流(沿到磁傳感器的表面Si的法線)檢測極低幅度的外部磁場。

該曲折配置使得能夠在平面P中進行一維或二維密集集成。實際上，通過使用對稱的基本磁傳感器(例如SQIF類型的超導磁傳感器)，該基本磁傳感器的響應與磁場的方向無關，則能夠將基本磁傳感器212-i放置在由導線216限定的每一個曲折中。從而，可以增加基本磁傳感器的表面密度，在部件的恒定表面上，這給出了增加基本磁傳感器的磁力計的靈敏度的可能性。

該環路配置給出了生產縮小尺寸的磁傳感器的可能性。

此外，曲折配置比環路配置更有利，這是由于曲折配置更易于進行優化和大規模集成。

以上示出的磁電式傳感器具有寬的帶寬，在該帶寬上，當磁傳感器為超導類型時，磁電式傳感器具有非常高的靈敏度。通過對磁電式傳感器進行合適的設計，能夠構思從甚低頻VLF到超高頻UHF范圍的帶寬，即介于約幾kHz和約1000MHz之間。

以上示出的磁電式傳感器相對于待測量的外部磁場的幅度還具有線性響應，該響應在整個帶寬內是均勻的。

就可測量的外部磁場的強度而言，可以對磁電式傳感器進行適配：分割成控制電路的反饋電流域、環路/曲折回路的優化尺寸制定、多尺度集成等等。

可選地，可以將低通濾波器引入控制電路中，以使得能夠通過規定待測量的外部磁場的頻率量、或者通過關注頻率域來指定特定數量的使用頻率范圍。

最后，磁電式傳感器提供了高密度平面集成的可能性。