CN103460066A - 用于测量磁场的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量磁场的设备，其具有芯（1）和励磁线圈，所述芯具有可重新磁化的芯材，所述励磁线圈用于重新磁化所述芯材，其中所述可重新磁化的芯材被构造为一个层或多个彼此隔开地设置的层（12、14、16），并且所述芯（10）具有2.5mm≥G≥0.2mm的最大总延展G、长度与宽度的大于或等于值20的比例和2μm≥D≥0.2μm的厚度D。本发明还涉及一种用于测量磁场的相应的方法。

Description

用于测量磁场的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种具有芯和激励线圈的用于测量磁场的设备，所述芯具有可重新磁化的芯材，所述激励线圈用于重新磁化芯材。此外，本发明还涉及一种用于测量磁场的相应的方法。

背景技术

存在不同的设备，以便确定或测量磁场。这些设备是霍尔传感器、AMR传感器（AMR：Anisotrope Magneto-

各向异性磁阻）、磁控电阻器、场线圈、磁通门传感器、GMR传感器（GMR：giant magnetoresistance或巨磁阻）、TMR传感器（TMR：tunnel magnetoresistance或隧道磁阻）和SQIDS（Superconducting Quantum Interference Device或超导量子干涉仪）。

基于线圈和软磁芯的非常简单的原理是磁通门传感器。测量原理基于借助激励线圈对软磁芯的重新磁化和借助测量线圈（拾波线圈）对在此生成的时间相关的通量的探测。在此通过软磁芯的磁化曲线根据外部场确定磁通变化。重新磁化实现得越快，拾波线圈中的电压越高。在此，不仅可以通过更陡的磁滞（更大的磁导率）而且可以通过激励线圈的频率的升高来产生电压升高。

经常使用的分析处理方法是拾波线圈中信号的第二谐波分量的测量。所述分量基本上相应于传递函数的由芯的饱和导致的非线性部分。第二谐波分量的振幅在此与外部场成比例。

这种方法例如在Drljaca，P.M等人著的《Low-Power2-D fully integratedCMOS Fluxgate Magnetometer》（IEEE传感器杂志，第5卷，第5期，第909-915页（2005年））中有所描述。磁通门芯的尺寸在此是1400微米的长度，20微米的宽度和7微米的厚度。在这种方法中，信号形状必须分解成其傅里叶分量，以便分离与外部场有关的第二谐波分量。在此，重要的是，第二谐波的振幅比***的噪声更大。但所述振幅随着芯材的体积而下降。因此，限制了微型化。

另一种文献已知的测量方法（Walter Heinecke的《Messung vonmagnetischen Feldern und Felddifferenzen mit Saturationskernsonden nach demVerfahren mit direkter Zeitverschlüsselung》，不伦瑞克市，1975年）是，根据拾波线圈中感应电压的电压振幅测量重新磁化的时刻。所述时刻与外部场有关并且因此是用于待测量的场的度量。

为了所述时刻的精确测量必需的是，电压脉冲由于重新磁化而具有尽可能陡的上升沿。频率的升高是无益的，因为虽然上升沿更窄，但是在相同的比例下偏移宽度更小，从而不能够实现分辨率的改善。仍然只是，通过材料和制造过程的合适的选择，使得磁滞尽可能陡。

对于微型化的磁通门传感器，对材料和过程的优化设定界限，因为MEMS制造过程由于其边缘条件很少允许变化。此外，短的磁通门芯由于退磁因子比相同材料的未微型化的磁通门显示更平坦的磁滞曲线。此外，通过线圈和线圈芯的微型化，拾波线圈处的信号变得越来越小（在相同的磁滞的情况下），以致于分析处理变得越来越困难。

发明内容

本发明的任务是，提供一种测量设备和一种相应的测量方法，所述测量方法能够实现具有小的空间需求的最小磁场的测量。

所述任务通过根据本发明的、根据权利要求1的设备解决。根据本发明的设备的芯材被构造为一个层或多个彼此隔开地设置的层。芯具有：（a）最大的总延展G，2.5mm≥G≥0.2mm，（b）厚度D，2μm≥D≥0.2μm和（c）长度与宽度的大于或等于值20的比例。通过所述尺寸得出以下芯：所述芯的至少一个层被构造为磁各向异性层。所述磁各向异性层关于磁化优选具有双重对称性（180°对称性）。所述设备下面称作“翻转芯传感器”。

芯材的这类构型具有以下优点：通过至少一个布洛赫壁的偏移能够实现重新磁化。因为布洛赫壁偏移以约100m/s的速度进行，所以可以在小于0.5μs内实现在具有约50μm的层宽的芯材中的布洛赫壁偏移。这具有以下优点：能够获得比借助基本上基于磁畴极性反转（Weiss-Bezirk-Umpolung）的磁通门磁力仪大10倍的信号。因为磁化变化基本上取决于布洛赫壁的偏移速度，所以根据本发明的设备的芯材的磁化变化此外有利地、至少基本上与流过励磁线圈的交流电流的频率无关。根据本发明的设备的另一个优点是，可以使所述设备更显著地微型化，因为根据本发明的设备的信号更大。

因此，本发明的核心是，如此优化芯10的尺寸，使得在比用于遍历磁化曲线所需的时间更短的时间内实现重新磁化。于是，整个重新磁化过程以畴壁运动的速度在一个步骤中完成。

因此，可以将重新磁化过程的持续时间限制在500ns以下，由此实现补偿点的良好的时间分辨率。因此，可以良好地确定附属的励磁电流。

因此，根据本发明的设备可以有利地集成在微芯片中，例如微机电***（MEMS）中。在此，“微机电***”尤其不仅理解为微机电***（MEMS）而且理解为更小的机电***，如纳机电***（NEMS）。磁畴优选在所述一个层或多个层的厚度上延伸。

尤其规定，芯的厚度D位于1μm≥D≥0.2μm的范围内。

根据本发明的一种优选的构型规定，所述芯具有长度与宽度的大于或等于值25的比例。

根据本发明的一种优选的实施方式规定，芯材具有大于或等于5000、尤其大于或等于10000的磁导率数μ_r。

根据本发明的一种优选的实施方式规定，所述芯材是软磁材料。所述芯的芯材尤其是镍铁合金（镍铁或钼金属（μ-金属，英语是Mu-metal或permalloy）。钼金属是磁导率很高（磁导率数μ_r：50000...140000）的软磁镍铁合金（约75%-80%的镍），其例如被用于低频的磁场的屏蔽而且被用于信号变压器、磁的电流传感器和电流变换器的铁磁芯的制造。

根据本发明的一种优选的实施方式规定，在由可重新磁化的芯材制成的层之间分别设置一个非磁性的中间层。中间层优选如此薄，使得避免结晶，而不干扰由可重新磁化的芯材制成的层之间的交换交互作用。特别优选的是1纳米（1nm）和3纳米（3nm）之间厚的非磁性的中间层。

此外，优选地规定，由具有多个彼此隔开的层的芯的可重新磁化的芯材制成的层中的每个单个层的厚度具有60nm≥D_s≥20nm的层厚度D_s。

根据本发明的一种优选的实施方式规定，所述设备具有用于探测重新磁化过程的装置。所述装置可以例如借助磁光效应或借助最终产生的散射场探测重新磁化。所述装置例如是用于求取芯材料的磁化状态的装置。

本发明的另一个主题是一种包括根据本发明的设备的微机电***。

本发明的另一个主题是一种用于借助前述设备测量磁场的方法。在根据本发明的方法的范畴内，使交流电流流经励磁线圈，用于在形成周期性变化的磁场的情况下周期性地重新磁化芯材，由此周期性地重新磁化芯材。在此，待测量的磁场和励磁线圈的磁场重叠。由芯材的重新磁化相对于交流电流的过零的时间偏移推断出待测量的磁场。

在本发明的另一种实施方式中，所述设备具有用于探测重新磁化过程的装置。在此，通过基于布洛赫壁偏移、尤其基于唯一的布洛赫壁的偏移的信号确定重新磁化的时刻。这是有利的，因为布洛赫壁的偏移通常比磁畴的重新磁化更快地出现，由此产生更高的信号和由此可以进行重新磁化的时刻的精确说明。

根据本发明的一种优选的实施方式规定，所述装置具有用于测量通过芯材引起的磁场变化的测量线圈，其中通过在测量线圈中感应的电压变化来确定所述重新磁化的时刻。尤其可以通过在测量线圈中感应的、基于布洛赫壁偏移、尤其基于唯一的布洛赫壁的偏移的电压脉冲确定重新磁化的时刻。这是有利的，因为布洛赫壁的偏移通常比磁畴的重新磁化更快地出现，由此产生更高的信号并且由此可以进行重新磁化的时刻的精确说明。

附图说明

下面根据附图详细解释本发明。示出：

图1示出两个用于说明测量原理的对应的图；

图2示出用于测量磁场的设备的芯。

具体实施方式

在一种在此未示出的实施方式中，用于测量磁场的设备具有图2中所示的、包括以至少一个层的形式的可重新磁化的芯材的芯10、用于重新磁化所述芯10的层的励磁线圈和用于时间相关地探测所述重新磁化过程的装置。所述装置具有用于测量通过可重新磁化的芯材引起的磁场变化的至少一个测量线圈。

图1示出两个用于说明测量原理的对应的图。上面的图示出在时间t上绘出的流过励磁线圈的交流电流I_err。所述交流电流与磁场强度H成正比例。交流电流I_err通过施加在励磁线圈上的交流电压产生，所述交流电压在所示的例子中被构造为三角形电压。此外，绘出待测量的外部磁场的磁场强度H_ext。

图1的下面的图在时间t上示出最终得到的可以在设备的测量线圈处量取的电压U。所述电压具有电压脉冲U_p的在此示意性地示出的形状。

图2示出用于测量磁场的设备的芯10。芯10具有多个（在此是5个）彼此平面平行地隔开设置的、由可重新磁化的芯材制成的层12、14、16、18、20和在各两个相邻的层12、14、16、18、20之间设置的非磁性的中间层22、24、26、28。芯10在此具有例如大于G=1.5mm的最大总延展G、长度L与宽度B的等于值24（L:B=24）的比例和0.26μm的厚度D。由可重新磁化的材料制成的所述层中的每个层的长度L在此是1200μm，所述层中的每个层的宽度B是50μm。由可重新磁化的材料制成的所述层12、14、16、18、20中的每个层的厚度D_s是50nm。

可重新磁化的芯材是具有高磁导率（磁导率数μ_r例如是100000）和低磁致伸缩（Magnetostriktion）的软磁镍铁合金。由于层12、14、16、18、20的所选择的几何形状和适当地选择的衬底（未示出），可重新磁化的层被构造为相对于磁化方向具有双重对称性（180°对称性）（图2中的双向箭头M）的磁各向异性层。所述对称性在所有由可重新磁化的芯材料制成的层12、14、16、18、20中平行地定向。

得出以下功能：在根据本发明的测量方法的范畴内，在形成周期性变化的磁场H_err的情况下交流电流I_err流经励磁线圈，由此周期性地重新磁化层12、14、16、18、20中的芯材。在此，待测量的磁场H_ext和励磁线圈的磁场H_err重叠。由芯材的重新磁化相对于交流电流的过零的时间偏移（Δt）推断出待测量的磁场H_ext。为此，通过在测量线圈中感应的电压变化来确定重新磁化的时刻。尤其可以通过在测量线圈中感应的、基于布洛赫壁偏移、尤其基于唯一的布洛赫壁的偏移的电压脉冲确定重新磁化的时刻。这是有利的，因为布洛赫壁的偏移通常比磁畴（Weiss-Bezirk）的重新磁化更快地出现，由此产生更高的信号和由此可以进行重新磁化的时刻的精确说明。

通过高磁导率的、软磁芯材的使用和所述一个层/多个层的特别选择的几何形状产生很窄的电压脉冲，其允许外部磁场的精确确定。在此，如此确定励磁线圈的尺寸，使得它可以在预给定的用于两个（彼此反平行延伸的）磁化方向的测量范围内驱动可重新磁化的芯材进入饱和磁化强度+/-M_S。对于坡莫合金，饱和磁化强度位于0.7T至0.8T的磁通密度处。然而，对于翻转芯方法，还可以使用具有更大或更小的饱和磁化强度的材料。

因此，所述设备还称作翻转芯（Flipcore）（磁场）传感器。所述翻转芯传感器（所述翻转芯传感器此外恰如磁通门传感器那样被简单地构造）的基本原理是，借助励磁线圈补偿待测量的外部磁场H_ext，而所述芯总是在场过零处突然被重新磁化（翻转）并且因此显示场过零。可以容易地通过测量线圈（拾波线圈）或简单的磁场传感器证明突然的重新磁化，因为可良好地探测到从+M_S（饱和磁化强度）到-Ms的磁化变换。然后，用于补偿外部的磁场H_ext的必要的电流I_err是用于外部磁场的度量。

相对于磁通门传感器的优点是，可以使所述传感器良好地微型化。所述微型化与翻转原理甚至相反。

具有在μm范围内或更大的尺寸的磁材料通常总是表示多个域。因为不同的域从不同时重新磁化，所以重新磁化的持续时间相应地长。为了能够实现突然的重新磁化，必须使用一个高磁导率的磁性层，例如镍铁，还可能由与非磁性的中间层22、24、26、28一起构造的多个层12、14、16、18、20构成。可重新磁化的层不应过厚，以至不能够实现相叠的多个域（厚度小于或等于2微米，或者小于或等于1微米）。此外，所述芯10的宽度根据长度不应超过一个确定的度量，否则在整个条带被重新磁化之前自身散射场停止重新磁化。对于1600μm至2000μm的芯长，优选≤80μm的宽度，对于1000μm至1600μm的芯长，优选≤50μm的宽度，对于700μm至1000μm的芯长，优选≤35μm的芯长。对于低于700μm的芯长，宽度优选限制于22μm以下。

通过几何形状的规定，基本上通过域跳跃实现重新磁化过程（对于当前应用特别优选的范围是700μm至1600μm）。为了重新磁化过程或工序不被其它过程干扰，所述材料尤其应是高磁导率的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于测量磁场的设备，其具有芯（10）和励磁线圈，所述芯具有可重新磁化的芯材，所述励磁线圈用于重新磁化所述芯材，其中所述可重新磁化的芯材被构造为一个层或多个彼此隔开地设置的层（12、14、16、18、20），并且所述芯（10）具有

2.5mm≥G≥0.2mm的最大总延展G，

长度与宽度的大于或等于值20的比例，

2μm≥D≥0.2μm的厚度D，

其特征在于，由具有多个层（12、14、16、18、20）的芯（10）的可重新磁化的芯材制成的层（12、14、16、18、20）中的每个单个层的厚度具有60nm≥D_s≥20nm的层厚度D_s。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可重新磁化的芯材具有大于或等于2000、尤其大于或等于10000的磁导率数。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述芯（10）的所述可重新磁化的芯材是软磁材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述芯（10）的所述可重新磁化的芯材是镍铁合金。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，在由可重新磁化的芯材制成的层之间分别设置一个非磁性的中间层（22、24、26、28）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于用于探测重新磁化过程的装置。

7.一种微机电***，其包括根据权利要求1至6中任一项所述的设备。

8.一种用于借助根据权利要求1至6中任一项所述的设备测量磁场的方法，

其中使交流电流流经所述励磁线圈，用于在形成周期性变化的磁场的情况下周期性地重新磁化所述芯材，

其中待测量的磁场和所述励磁线圈的磁场重叠并且由所述芯材的重新磁化相对于所述交流电流的过零的时间偏移推断出所述待测量的磁场。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述设备具有用于探测所述重新磁化过程的装置。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述装置具有用于测量通过所述可重新磁化的芯材引起的磁场变化的测量线圈，其中通过在所述测量线圈中感应的电压变化、尤其是电压脉冲来确定所述重新磁化的时刻。

Claims (11)

1.一种用于测量磁场的设备，其具有芯（10）和励磁线圈，所述芯具有可重新磁化的芯材，所述励磁线圈用于重新磁化所述芯材，其中所述可重新磁化的芯材被构造为一个层或多个彼此隔开地设置的层（12、14、16、18、20），并且所述芯（10）具有

2.5mm≥G≥0.2mm的最大总延展G，

长度与宽度的大于或等于值20的比例，

2μm≥D≥0.2μm的厚度D。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可重新磁化的芯材具有大于或等于2000、尤其大于或等于10000的磁导率数。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述芯（10）的所述可重新磁化的芯材是软磁材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述芯（10）的所述可重新磁化的芯材是镍铁合金。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，在由可重新磁化的芯材制成的层之间分别设置一个非磁性的中间层（22、24、26、28）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，由具有多个层（12、14、16、18、20）的芯（10）的可重新磁化的芯材制成的层（12、14、16、18、20）中的每个单个层的厚度具有60nm≥D_s≥20nm的层厚度D_s。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于用于探测重新磁化过程的装置。

8.一种微机电***，其包括根据权利要求1至7中任一项所述的设备。

9.一种用于借助根据权利要求1至7中任一项所述的设备测量磁场的方法，

其中使交流电流流经所述励磁线圈，用于在形成周期性变化的磁场的情况下周期性地重新磁化所述芯材，

其中待测量的磁场和所述励磁线圈的磁场重叠并且由所述芯材的重新磁化相对于所述交流电流的过零的时间偏移推断出所述待测量的磁场。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述设备具有用于探测所述重新磁化过程的装置。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述装置具有用于测量通过所述可重新磁化的芯材引起的磁场变化的测量线圈，其中通过在所述测量线圈中感应的电压变化、尤其是电压脉冲来确定所述重新磁化的时刻。

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