RU2150712C1

RU2150712C1 - Magnetic field sensor

Info

Publication number: RU2150712C1
Application number: RU99109831A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Беляев; С.В. Бутаков; А.А. Лексиков; А.Н. Бабицкий
Original assignee: Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-06-10

Abstract

FIELD: electric measurement technology; magnetometers. SUBSTANCE: sensor has insulating substrate and magnetic film applied to its one side and covered with metal layer that functions as screen. Other side of substrate carries microstrip structure made in the form of rectangular frame which is, essentially, stripline resonator wherein two orthogonal electromagnetic modes of close frequencies are excited. Magnetic field orthogonal components in parallel planes of sensor are determined by levels and relations of microwave signals passing through microstrip structure at frequencies of two orthogonal modes of resonator. EFFECT: provision for measuring two magnetic-field components by single sensor. 6 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и, прежде всего, к магнитометрии. The invention relates to electrical engineering and, above all, to magnetometry.

Известен датчик магнитного поля [1], содержащий резонатор, представляющий собой отрезок симметричной полосковой линии, под которой на нижнем металлическом экране расположена одноосная магнитная пленка. Магнитную пленку охватывает петля, плоскость которой ортогональна полосковой линии. A known magnetic field sensor [1], containing a resonator, which is a segment of a symmetrical strip line, under which on the lower metal screen is a uniaxial magnetic film. A magnetic film is enveloped by a loop whose plane is orthogonal to the strip line.

Недостатками такого датчика являются неинтегральное исполнение и возможность измерения только одной компоненты магнитного поля. The disadvantages of this sensor are non-integral performance and the ability to measure only one component of the magnetic field.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является датчик магнитного поля [2], содержащий магнитную пленку, нанесенную на одну сторону (поверхность) диэлектрической подложки, представляющую собой пластину, изготовленную из диэлектрического материала, Поверх магнитной пленки нанесен металлический слой, выполняющий роль заземляемого основания (экрана). На другой стороне (поверхности) диэлектрической подложки нанесена микрополосковая структура в виде двух ровных металлических полосок, расположенных одна напротив другой и образующих, таким образом, два взаимодействующих микропролосковых резонатора. Работа датчика основана на зависимости уровня проходящей через микрополосковую структуру, образованную резонаторами, СВЧ мощности от напряженности магнитного поля в условиях, близких к ферромагнитному резонансу в пленке. The closest analogous combination of essential features is a magnetic field sensor [2], which contains a magnetic film deposited on one side (surface) of the dielectric substrate, which is a plate made of dielectric material. A metal layer acting as a grounded base is deposited on top of the magnetic film ( screen). On the other side (surface) of the dielectric substrate, a microstrip structure is applied in the form of two even metal strips located opposite one another and thus forming two interacting microstrip resonators. The operation of the sensor is based on the dependence of the level of the microwave power passing through the microstrip structure formed by the resonators on the magnetic field strength under conditions close to the ferromagnetic resonance in the film.

Недостатком такого датчика является то, что он чувствителен только к одной компоненте магнитного поля. The disadvantage of such a sensor is that it is sensitive to only one component of the magnetic field.

Техническим результатом при использовании изобретения является возможность одновременного измерения двух компонент магнитного поля одним датчиком. The technical result when using the invention is the ability to simultaneously measure two components of the magnetic field with one sensor.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в датчике магнитного поля, содержащем диэлектрическую подложку, магнитную пленку, нанесенную на одну сторону подложки и поверх которой нанесен металлический слой, выполняющий роль экрана, на другой стороне подложки нанесена микрополосковая структура, согласно изобретению проводники микрополосковой структуры выполнены в виде рамки прямоугольной формы. The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in a magnetic field sensor containing a dielectric substrate, a magnetic film deposited on one side of the substrate and over which a metal layer is applied that acts as a screen, a microstrip structure is deposited on the other side of the substrate, according to the invention, microstrip conductors structures are made in the form of a rectangular frame.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что проводники микрополосковой структуры выполнены в виде рамки прямоугольной формы. The differences of the claimed device from the closest analogue are that the conductors of the microstrip structure are made in the form of a rectangular frame.

Изобретение поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображены вид сверху (а) и сечение (б) заявляемого датчика, рисунком (фиг. 2) и графиками (фиг. 3, 4, 5 и 6), поясняющими принцип его работы. The invention is illustrated by a drawing (Fig. 1), which shows a top view (a) and a section (b) of the inventive sensor, a pattern (Fig. 2) and graphs (Fig. 3, 4, 5 and 6), explaining the principle of its operation.

Заявляемый датчик представляет собой диэлектрическую подложку 1, на верхней стороне которой выполнена микрополосковая структура, полосковые проводники 2 которой образуют рамку 4 прямоугольной формы, стороны которой обозначены буквами a и b. На нижней стороне диэлектрической подложки нанесена тонкая магнитная пленка 3, поверх которой нанесен металлический слой 4 - экран, выполняющий роль заземляемого основания. Такая конструкция представляет собой микрополосковый резонатор [3]. Две первые резонансные частоты f₁ и f₂ такого резонатора соответствуют двум ортогональным модам. Аналогами этих мод являются моды E₁₀₀ и E₀₁₀ микрополоскового резонатора с проводником в форме сплошного прямоугольника [4], индексация мод соответствует выбору системы координат, в которой оси X и Y лежат в плоскости чертежа (фиг. 2). На фиг. 2 схематически изображены направления полей и токов в резонаторе при возбуждении в нем вышеуказанных мод. Рассматриваются только моды первого порядка, т. к. только они используются в устройстве. Для простоты изображены только верхние проводники резонатора. Фиг. 2а соответствует случаю возбуждения моды, аналогом которой является мода E₁₀₀ сплошного прямоугольного резонатора, и фиг. 2б - случаю возбуждения моды, аналогом которой является мода E₀₁₀. Кружками с крестиками и точками в центре показаны направления высокочастотных электрических полей (E), сплошными стрелками - направления высокочастотных токов (1), штрихованными стрелками - направления высокочастотных магнитных полей (H), соответствующих этим токам. Частота f₁ соответствует моде, имеющей пучности высокочастотного тока на одной паре противоположных сторон рамки резонатора, например a (см. фиг. 2a). Частота f₂ соответствует моде, имеющей пучности высокочастотного тока на второй паре противолежащих сторон рамки резонатора, т.е. b (см. фиг. 2б). Частоты f₁ и f₂ определяются диэлектрической проницаемостью подложки (ε) ее толщиной и конкретными размерами рамки, образующей микрополосковый резонатор. Резонансные частоты могут быть измерены, например, с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи P4-37 по максимумам прохождения СВЧ мощности через микрополосковую структуру. В конкретной реализации датчика использовалась подложка из керамики ТБНС толщиной 1 мм, имеющей диэлектрическую проницаемость ε = 80. Внешние размеры микрополосковой структуры, образующей резонатор, составляли 20х18 мм, а резонансные частоты f₁ ≈470 МГц и f₂≈545 МГц.The inventive sensor is a dielectric substrate 1, on the upper side of which a microstrip structure is made, the strip conductors 2 of which form a rectangular frame 4, the sides of which are indicated by the letters a and b. A thin magnetic film 3 is deposited on the underside of the dielectric substrate, on top of which a metal layer 4 is applied — a screen acting as a grounded base. This design is a microstrip resonator [3]. The first two resonant frequencies f ₁ and f _{2 of} such a resonator correspond to two orthogonal modes. The analogs of these modes are modes E ₁₀₀ and E _{010 of a} microstrip resonator with a conductor in the form of a solid rectangle [4], the indexing of the modes corresponds to the choice of a coordinate system in which the X and Y axes lie in the plane of the drawing (Fig. 2). In FIG. 2 schematically shows the directions of the fields and currents in the resonator upon excitation of the above modes in it. Only first-order modes are considered, since only they are used in the device. For simplicity, only the upper conductors of the resonator are shown. FIG. 2a corresponds to the case of excitation of a mode, the analogue of which is the mode E _{100 of a} continuous rectangular resonator, and FIG. 2b to the case of excitation of a mode, the analogue of which is mode E ₀₁₀ . Circles with crosses and dots in the center indicate the directions of high-frequency electric fields (E), solid arrows indicate directions of high-frequency currents (1), and dashed arrows indicate directions of high-frequency magnetic fields (H) corresponding to these currents. The frequency f ₁ corresponds to a mode having high-frequency current antinodes on one pair of opposite sides of the cavity frame, for example a (see Fig. 2a). The frequency f ₂ corresponds to a mode having antinodes of a high-frequency current on a second pair of opposite sides of the cavity frame, i.e. b (see Fig. 2b). The frequencies f ₁ and f _{2 are} determined by the dielectric constant of the substrate (ε) by its thickness and the specific dimensions of the frame forming the microstrip resonator. Resonant frequencies can be measured, for example, using a complex transmission coefficient meter P4-37 by the maximum transmission power of the microwave power through the microstrip structure. In a specific implementation of the sensor, a 1 mm thick TBNS ceramic substrate was used, having a dielectric constant ε = 80. The external dimensions of the microstrip structure forming the resonator were 20x18 mm, and the resonance frequencies were f ₁ ≈470 MHz and f ₂ ≈545 MHz.

Подключение входа и выхода микрополоскового резонатора, являющегося взаимным устройством, осуществляется известными способами [5]: либо кондуктивно, либо через емкости связи, по стандартной схеме с общим заземленным электродом-экраном. Выбор точек подключения входа и выхода резонатора обусловлен, как известно, во-первых, структурой распределения высокочастотных полей по полосковому проводнику на резонансных частотах, а во-вторых, волновыми сопротивлениями подводимых линий передач [5]. В частности, подключение входа и выхода в центры сторон b микрополосковой структуры (см. фиг. 2a), где располагаются пучности высокочастотных напряжений для первой моды колебаний и узлы для второй, будет возбуждаться только первый резонанс на частоте f₁ . В случае подключения входа и выхода в центры сторон a (см. фиг. 2б), напротив, будет возбуждаться только второй резонанс, соответственно на частоте f₂. Для одновременного возбуждения обеих мод колебаний необходимо подобрать точки подключения входа и выхода, например, на двух смежных сторонах прямоугольника (см. фиг. 1a) так, чтобы одинаково возбуждались оба резонанса.The input and output of the microstrip resonator, which is a reciprocal device, is connected by known methods [5]: either conductively or via communication capacities, according to the standard scheme with a common grounded electrode screen. The choice of the connection points of the input and output of the resonator is caused, as is known, firstly, by the structure of the distribution of high-frequency fields along the strip conductor at resonant frequencies, and secondly, by the wave resistances of the input transmission lines [5]. In particular, connecting the input and output to the centers of the sides b of the microstrip structure (see Fig. 2a), where the antinodes of high-frequency voltages are located for the first vibration mode and the nodes for the second, only the first resonance will be excited at a frequency f ₁ . In the case of connecting the input and output to the centers of the sides a (see Fig. 2b), on the contrary, only the second resonance will be excited, respectively, at the frequency f ₂ . For the simultaneous excitation of both modes of oscillation, it is necessary to select the connection points of the input and output, for example, on two adjacent sides of the rectangle (see Fig. 1a) so that both resonances are equally excited.

Регистрация интенсивности прохождения СВЧ мощности на двух резонансах микрополосковой структуры может осуществляться любыми стандартными способами. Например, использованием пары генераторов, стабилизированных частотами f₁ и f₂ подключенных к центрам двух смежных сторон a и b микрополосковой структуры и пары детекторов, подключенных к противоположным сторонам структуры. В этом случае у резонатора имеется два входа (точки подключения генераторов) и два выхода (точки подключения детекторов). Можно использовать один генератор с качающейся частотой и регистрирующее устройство, позволяющее измерять амплитуды прошедшей мощности на двух резонансных частотах. В этом случае резонатор имеет только один вход и один выход.The intensity of microwave power transmission at two resonances of the microstrip structure can be recorded by any standard methods. For example, using a pair of generators stabilized by frequencies f ₁ and f ₂ connected to the centers of two adjacent sides a and b of the microstrip structure and a pair of detectors connected to opposite sides of the structure. In this case, the resonator has two inputs (connection points for generators) and two outputs (connection points for detectors). You can use one oscillator with a swinging frequency and a recording device that allows you to measure the amplitude of the transmitted power at two resonant frequencies. In this case, the resonator has only one input and one output.

Поскольку принцип работы устройства не зависит от способа подключения резонатора, то в дальнейшем подразумевается его подключение за смежные стороны рамки, как показано на фиг. 1a. На фиг. 3 изображена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) устройства в отсутствие магнитного поля. Она имеет два максимума коэффициента прохождения на частотах f₁ и f₂, соответствующих резонансам двух вышеуказанных мод колебаний.Since the principle of operation of the device does not depend on the method of connecting the resonator, its further connection with the adjacent sides of the frame, as shown in FIG. 1a. In FIG. 3 shows the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the device in the absence of a magnetic field. It has two maxima of the transmission coefficient at frequencies f ₁ and f ₂ corresponding to the resonances of the two above vibration modes.

Чувствительным элементом датчика (воспринимающим органом), реагирующим на измеряемое магнитное поле, является магнитная пленка 3 на фиг. 1. В магнитной пленке при наложении постоянного магнитного поля H₀, ориентированного в плоскости подложки (пленки) и направленного перпендикулярно поляризации высокочастотного магнитного поля H, возникает ферромагнитный резонанс (ФМР) [6,7] , сопровождающийся поглощением пленкой энергии ВЧ поля и соответствующим уменьшением добротности микрополоскового резонатора. Поглощение энергии пленкой тем интенсивнее, чем ближе H₀ к резонансной величине H_P, связанной с частотой накачки и параметрами магнитной пленки. В случае ориентации постоянного магнитного поля H₀ параллельно направлению высокочастотного поля H ферромагнитный резонанс в пленке не возбуждается и поглощение ВЧ энергии не происходит. В связи с этим, возбуждаемый ФМР при направлении постоянного магнитного поля вдоль одной из сторон рамки, приводит к уменьшению добротности лишь одного из двух резонансов, для которого выполняется условие ортогональности H₀ и H. В случае направления поля H₀ под углом к сторонам рамки (см. фиг. 2), возбуждаемый в магнитной пленке ФМР за счет составляющих магнитного поля H_X и H_Y приводит к уменьшению добротности сразу обоих резонансов. При этом степень уменьшения добротности каждого из резонансов определяется величиной соответствующей составляющей магнитного поля.The sensitive element of the sensor (sensing organ), responsive to the measured magnetic field, is the magnetic film 3 in FIG. 1. In a magnetic film, when a constant magnetic field H _{0 is} applied, oriented in the plane of the substrate (film) and directed perpendicular to the polarization of the high-frequency magnetic field H, ferromagnetic resonance (FMR) occurs [6,7], accompanied by absorption of the RF field energy by the film and a corresponding decrease Q-factor microstrip resonator. The absorption of energy by a film is the more intense, the closer H _{0 is} to the resonance value H _P associated with the pump frequency and the parameters of the magnetic film. If the constant magnetic field H _{0 is} oriented parallel to the direction of the high-frequency field H, the ferromagnetic resonance in the film is not excited and the absorption of RF energy does not occur. In this regard, the FMR excited in the direction of a constant magnetic field along one of the sides of the frame leads to a decrease in the Q factor of only one of the two resonances, for which the condition of orthogonality H ₀ and H is fulfilled. In the case of the direction of the field H ₀ at an angle to the sides of the frame ( see Fig. 2), excited in the magnetic FMR film due to the magnetic field components H _X and H _Y leads to a decrease in the quality factor of both resonances at once. In this case, the degree of decrease in the Q factor of each resonance is determined by the value of the corresponding component of the magnetic field.

Понижение добротности резонатора за счет ФМР в пленке связано с двумя механизмами диссипации энергии. Первый механизм обусловлен непосредственно с затратами энергии на поддержание прецессии ферромагнитного момента пленки в условиях ФМР. Второй механизм имеет место, если магнитная пленка изготовлена из проводящего материала. В этом случае в условиях ФМР благодаря резкому росту высокочастотной магнитной проницаемости уменьшается толщина скин-слоя в магнитной пленке, что приводит к увеличению плотности высокочастотного тока, протекающего по ней, имеющей проводимость значительно меньшую, чем медь. Благодаря этому возрастают омические потери в резонаторе. Таким образом, магнитная пленка является воспринимающим органом датчика, а резонатор - промежуточным преобразователем. The decrease in the Q factor of the resonator due to FMR in the film is associated with two mechanisms of energy dissipation. The first mechanism is caused directly by the energy consumption for maintaining the precession of the ferromagnetic moment of the film under the conditions of FMR. A second mechanism occurs if the magnetic film is made of a conductive material. In this case, under FMR conditions, due to the sharp increase in high-frequency magnetic permeability, the thickness of the skin layer in the magnetic film decreases, which leads to an increase in the density of the high-frequency current flowing through it, which has a conductivity much lower than copper. Due to this, ohmic losses in the cavity increase. Thus, the magnetic film is the sensing organ of the sensor, and the resonator is an intermediate transducer.

На фиг. 3 приведены АЧХ датчика для нескольких значений напряженности магнитного поля, приложенного в плоскости датчика вдоль стороны a рамки, т. е. для нескольких значений H_x. Видно, что на частоте первого резонанса (470 МГц) коэффициент прохождения существенно зависит от напряженности магнитного поля, а на частоте второго резонанса (545 МГц) эта зависимость слабая. На фиг. 5 приведены АЧХ датчика для нескольких значений напряженности магнитного поля, приложенного в плоскости датчика вдоль другой стороны рамки, b, т. е. для нескольких значений H_y. В этом случае наоборот, имеется существенная зависимость коэффициента прохождения на второй резонансной частоте и слабая - на первой. На фиг. 6 приведены зависимости коэффициента прохождения СВЧ мощности через датчик на резонансных частотах в зависимости от напряженности магнитного поля: а) для X-компоненты поля и б) для Y - компоненты. Благодаря тому, что имеется такое различие в зависимостях от H_x и H_y коэффициентов прохождения на двух частотах, возможно определение двух этих компонент одним датчиком без его поворота. Сигналом датчика, таким образом, является коэффициент прохождения СВЧ мощности через резонатор.In FIG. Figure 3 shows the frequency response of the sensor for several values of the magnetic field applied in the plane of the sensor along side a of the frame, i.e., for several values of H _x . It can be seen that at the frequency of the first resonance (470 MHz) the transmission coefficient substantially depends on the magnetic field strength, and at the frequency of the second resonance (545 MHz) this dependence is weak. In FIG. Figure 5 shows the frequency response of the sensor for several values of the magnetic field applied in the plane of the sensor along the other side of the frame, b, i.e., for several values of H _y . In this case, on the contrary, there is a significant dependence of the transmission coefficient at the second resonant frequency and weak at the first. In FIG. Figure 6 shows the dependences of the coefficient of transmission of microwave power through a sensor at resonant frequencies depending on the magnetic field strength: a) for the X-component of the field and b) for Y-component. Due to the fact that there is such a difference in the dependences of the transmission coefficients on H _x and H _y at two frequencies, it is possible to determine these two components by one sensor without turning it. The sensor signal, therefore, is the coefficient of transmission of microwave power through the resonator.

Для измерения магнитного поля на вход датчика подаются сигналы от генераторов на частотах f₁ и f₂. На выходе датчика амплитуды этих сигналов измеряются, и определяются коэффициенты прохождения на этих частотах T₁ и T₂. Поскольку зависимости этих коэффициентов от H_x и H_y линейны, то для их связи можно записать систему из линейных уравнений

в которой константы a₁, a₂, b₁, b₂, c₁ и c₂ зависят от параметров датчика и определяются экспериментально. Из этой системы определяются компоненты магнитного поля H_x и H_y.To measure the magnetic field, signals from generators at frequencies f ₁ and f ₂ are fed to the sensor input. At the sensor output, the amplitudes of these signals are measured and transmission coefficients at these frequencies T ₁ and T ₂ are determined. Since the dependences of these coefficients on H _x and H _{y are} linear, we can write down a system of linear equations for their relation

in which the constants a ₁ , a ₂ , b ₁ , b ₂ , c ₁ and c ₂ depend on the parameters of the sensor and are determined experimentally. From this system, the magnetic field components H _x and H _{y are} determined.

Литература
1. Frahk C.E. Weak Magnetic Field Measurement Using Permalloy-Film UNF Resonance. Rev. Sci. Inst. 37, N 7, 1966, p. 875-880 (Имеется перевод: Приборы для научных исследований - 1966, N 7, с. 60-65).Literature
1. Frahk CE Weak Magnetic Field Measurement Using Permalloy-Film UNF Resonance. Rev. Sci. Inst. 37, No. 7, 1966, p. 875-880 (There is a translation: Instruments for scientific research - 1966, N 7, p. 60-65).

2. А.с. СССР N 1810855, кл. G 01 R 33/05 (прототип). 2. A.S. USSR N 1810855, class G 01 R 33/05 (prototype).

3. Конструкции СВЧ устройств и экранов. Под ред. А.М. Чернушко. М.: Радио и связь, 1983, с. 258-260. 3. Designs of microwave devices and screens. Ed. A.M. Chernushko. M .: Radio and communication, 1983, p. 258-260.

4. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. В.И.Вольмана. М.: Радио и связь, 1982, с. 140-141. 4. Reference for the calculation and design of microwave strip devices. Ed. V.I. Volman. M .: Radio and communication, 1982, p. 140-141.

5. Маттей Г.Л., Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. Т.1. М.: Связь, 1971, 439 c. 5. Matthew G.L., Young L. Jones, E.M.T. Microwave filters, matching circuits and communication circuits. T.1. M.: Communication, 1971, 439 p.

6. Физический Энциклопедический Словарь. Т.5. М.: Советская Энциклопедия, 1966. с. 309-311. 6. Physical Encyclopedic Dictionary. T.5. M .: Soviet Encyclopedia, 1966. p. 309-311.

7. Р. Суху. Магнитные тонкие пленки. М.: Мир, 1976, с. 255-279. 7. R. Sukhu. Magnetic thin films. M .: Mir, 1976, p. 255-279.

Claims

Датчик магнитного поля, содержащий диэлектрическую подложку, магнитную пленку, нанесенную на одну сторону подложки и поверх которой нанесен металлический слой, выполняющий роль экрана, на другой стороне подложки нанесена микрополосковая структура, отличающийся тем, что проводники микрополосковой структуры выполнены в виде рамки прямоугольной формы. A magnetic field sensor containing a dielectric substrate, a magnetic film deposited on one side of the substrate and over which a metal layer acting as a screen is applied, a microstrip structure is applied on the other side of the substrate, characterized in that the conductors of the microstrip structure are made in the form of a rectangular frame.