RU2381515C1 - Magnetic field sensor - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention refers to measuring technology and can be used for measuring magnetic field strength, e.g. in geophysical investigations. A magnetic field sensor comprises a suspended insulating base whereon both sides contain electromagnetically coupled strip metal resonator conductors. There is a magnetic film that coats the base between resonator conductors or somewhat distanced thereover.

EFFECT: higher sensitivity of the magnetic field sensor.

6 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и, в первую очередь, к магнитометрии.The invention relates to measuring equipment and, first of all, to magnetometry.

Известна конструкция датчика магнитного поля [АС СССР №1810855 А1, 23.04.1993 г., Бюл. №15]. Датчик содержит магнитную пленку, которая одной поверхностью прилегает к металлическому слою, а другой - к диэлектрической подложке, на обратной стороне которой расположены две металлические полоски одна напротив другой. Величину измеряемого магнитного поля определяют по величине СВЧ-мощности, прошедшей через датчик, на частоте максимального ее затухания (полюса затухания).The known design of the magnetic field sensor [AS USSR No. 1810855 A1, 04/23/1993, Bull. No. 15]. The sensor contains a magnetic film, which adheres to the metal layer on one surface and the dielectric substrate on the other, on the back of which there are two metal strips opposite one another. The magnitude of the measured magnetic field is determined by the magnitude of the microwave power transmitted through the sensor at the frequency of its maximum attenuation (attenuation pole).

Недостатком датчика является низкая чувствительность, связанная с неоптимальной формой металлических полосок, не обеспечивающей достаточно низкий уровень нижней границы диапазона изменения затухания.The disadvantage of the sensor is the low sensitivity associated with the suboptimal shape of the metal strips, which does not provide a sufficiently low level of the lower boundary of the attenuation range.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является микрополосковый датчик [Беляев Б.А., Бутаков С.В., Лексиков А.А. // Наука производству, №5, 2003 г. Стр. 11]. Датчик состоит из двух полуволновых микрополосковых резонаторов, связанных по всей длине и содержащих магнитную пленку, которая одной поверхностью прилегает к металлическому слою, а другой - к диэлектрической подложке, на обратной стороне которой расположены две металлические полоски одна напротив другой. Измерение производится на частоте вблизи полюса затухания датчика, частота которого является точкой компенсации емкостного и индуктивного взаимодействия микрополосковых резонаторов. При изменении измеряемого магнитного поля изменяется коэффициент индуктивной связи резонаторов и, соответственно, величина СВЧ-мощности, проходящей через датчик. По величине проходящей СВЧ-мощности определяют напряженность магнитного поля. Увеличение чувствительности датчика достигается равенством резонансных частот микрополосковых резонаторов и приближением частоты полюса затухания к частоте полосы пропускания конструкции.The closest analogous combination of essential features is a microstrip sensor [Belyaev B.A., Butakov S.V., Lexikov A.A. // Science of Production, No. 5, 2003 p. eleven]. The sensor consists of two half-wave microstrip resonators connected along the entire length and containing a magnetic film, which adheres to the metal layer on one surface and the dielectric substrate on the other side, on the back of which two metal strips are located opposite one another. Measurement is performed at a frequency near the sensor attenuation pole, the frequency of which is the compensation point for capacitive and inductive interaction of microstrip resonators. When the measured magnetic field is changed, the inductive coupling coefficient of the resonators and, accordingly, the magnitude of the microwave power passing through the sensor changes. The magnitude of the transmitted microwave power determines the magnetic field strength. An increase in the sensitivity of the sensor is achieved by the equality of the resonant frequencies of the microstrip resonators and by approaching the frequency of the attenuation pole to the frequency of the passband of the structure.

Недостатком таких датчиков является низкая чувствительность. Это связано с тем, что взаимодействие резонаторов является как индуктивным, так и емкостным, причем по величине они одного порядка. Магнитное поле влияет только на индуктивное взаимодействие резонаторов датчика и не изменяет емкостное. Кроме того, полюс затухания располагается вне полосы пропускания, что также уменьшает чувствительность датчика.The disadvantage of such sensors is the low sensitivity. This is due to the fact that the interaction of the resonators is both inductive and capacitive, and they are of the same order of magnitude. The magnetic field affects only the inductive interaction of the sensor cavities and does not change the capacitive. In addition, the attenuation pole is located outside the passband, which also reduces the sensitivity of the sensor.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности датчика магнитного поля.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the magnetic field sensor.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике, содержащем диэлектрическую подложку, на обе стороны которой нанесены полосковые металлические проводники резонаторов, связанные между собой электромагнитно, новым является то, что подложка выполнена подвешенной и на поверхности подложки между проводниками резонаторов, или на некотором расстоянии над ними, расположена магнитная пленка.The indicated technical result is achieved in that in a sensor containing a dielectric substrate, on both sides of which are strip metal conductors of resonators, coupled electromagnetically, it is new that the substrate is suspended on the surface of the substrate between the conductors of the resonators, or at some distance above them, is a magnetic film.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близких аналогов заключаются в том, что на обе стороны подвешенной подложки нанесены полосковые металлические проводники резонаторов, а магнитная пленка расположена на поверхности подложки между проводниками резонаторов или на некотором расстоянии над ними. Это отличие позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The differences of the claimed device from the closest analogues are that on both sides of the suspended substrate are applied strip metal conductors of the resonators, and the magnetic film is located on the surface of the substrate between the conductors of the resonators or at some distance above them. This difference allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty." Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".

Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1 - конструкция конкретной реализации предлагаемого датчика на подвешенной диэлектрической подложке, Фиг.2 - возможные варианты монтажа подложки в корпусе, Фиг.3 - зависимость коэффициентов связи пары резонаторов от расстояния между их полосковыми проводниками в предлагаемом датчике, Фиг.4 - измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) предлагаемого датчика при разных значениях измеряемого магнитного поля, Фиг.5 - измеренная зависимость затухания сигнала, прошедшего через датчик, от напряженности внешнего магнитного поля, Фиг.6 - зависимость коэффициента преобразования датчика от напряженности внешнего магнитного поля.The invention is illustrated by drawings: FIG. 1 - construction of a specific implementation of the proposed sensor on a suspended dielectric substrate, FIG. 2 - possible mounting options of the substrate in the housing, FIG. 3 - dependence of the coupling coefficients of a pair of resonators on the distance between their strip conductors in the proposed sensor, FIG. 4 - measured amplitude-frequency characteristics (AFC) of the proposed sensor at different values of the measured magnetic field, FIG. 5 - measured dependence of the attenuation of the signal transmitted through the sensor on the voltage STI external magnetic field 6 - dependence of the sensor conversion factor from the intensity of the external magnetic field.

Заявляемое устройство (Фиг.1) содержит подвешенную диэлектрическую подложку 1, на обе поверхности которой нанесены полосковые металлические проводники 2. Пара полосковых проводников, располагающихся на разных поверхностях подложки, образует полосковый резонатор, причем проводники резонатора могут быть, например, прямоугольными, идентичными по форме и располагаться строго друг над другом. Магнитная пленка 3 расположена на поверхности подложки между проводниками резонаторов, или на некотором расстоянии над ними, например, на слое диэлектрика.The inventive device (Figure 1) contains a suspended dielectric substrate 1, on both surfaces of which are strip metal conductors 2. A pair of strip conductors located on different surfaces of the substrate forms a strip resonator, and the resonator conductors may, for example, be rectangular, identical in shape and sit strictly on top of each other. The magnetic film 3 is located on the surface of the substrate between the conductors of the resonators, or at some distance above them, for example, on a dielectric layer.

На Фиг.2а, б изображены возможные варианты выполнения датчика, поясняющие способ крепления подложки в корпусе. Здесь 1 - подложка, 2 - полосковые проводники, 3 - пленка, 4 - стенки корпуса.On figa, b depicts possible embodiments of the sensor, explaining the method of mounting the substrate in the housing. Here 1 is the substrate, 2 is the strip conductors, 3 is the film, 4 is the case wall.

В предлагаемой конструкции полоскового датчика величины коэффициентов емкостной и индуктивной связи резонаторов на резонансных частотах оказываются существенно отличающимися от коэффициентов связи микрополосковых резонаторов с теми же конструктивными параметрами. На Фиг.3 изображены зависимости коэффициентов емкостной k_с (точки), индуктивной k_L (штриховая линия) и полной связи k (сплошная линия) резонаторов от расстояния S между их полосковыми проводниками в датчике предлагаемой конструкции. Расчет сделан для следующих конструктивных параметров: диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8, толщина подложки h_d=0.5 мм, расстояние от поверхности подложки до экранов 5 мм, ширина полосковых проводников 2 мм. Видно, что в заявляемой конструкции датчика взаимодействие между резонаторами является практически чисто индуктивным при расстоянии между резонаторами большем, чем толщина подложки.In the proposed design of the strip sensor, the capacitance and inductive coupling coefficients of the resonators at the resonant frequencies are significantly different from the coupling coefficients of the microstrip resonators with the same design parameters. Figure 3 shows the dependences of the coefficients of capacitive k _s (points), inductive k _L (dashed line) and full coupling k (solid line) of the resonators on the distance S between their strip conductors in the sensor of the proposed design. The calculation was made for the following design parameters: the dielectric constant of the substrate ε = 9.8, the thickness of the substrate h _d = 0.5 mm, the distance from the surface of the substrate to the shields is 5 mm, the width of the strip conductors is 2 mm. It can be seen that in the inventive design of the sensor, the interaction between the resonators is almost purely inductive when the distance between the resonators is greater than the thickness of the substrate.

Известно, что полюса затухания на АЧХ полосковых и микрополосковых структур, как правило, обусловлены либо взаимной компенсацией индуктивного и емкостного взаимодействия [Беляев Б.А., Тюрнев В.В. // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 1992. Вып.4 (448). Стр. 23], либо резонансами, для которых на выходе структуры наблюдается узел высокочастотного напряжения [Александровский А.А., Беляев Б.А., Лексиков А.А. // Радиотехника и электроника. 2003. Т.48. №4, Стр.398]. В рассмотренной полосковой структуре на подвешенной подложке полюса затухания на АЧХ обусловлены взаимной компенсацией индуктивного и емкостного взаимодействия всех четырех полосковых проводников. Однако, как показали исследования [Беляев Б.А., Сержантов A.M., Бальва Я.Ф. // Радиотехника и электроника. 2008. Т.53. №4. Стр.432], в предлагаемой конструкции полюса остаются, даже если в расчете исключить одно из взаимодействий - емкостное или индуктивное. В этом случае положение полюсов соответствует частотам, где компенсируют друг друга соответственно либо индуктивные взаимодействия четырех полосковых проводников резонаторов, либо емкостные. Следовательно, можно подобрать конструктивные параметры предлагаемого датчика таким образом, чтобы взаимодействие резонаторов было чисто индуктивным, а полюс затухания, вызванный компенсацией только индуктивных взаимодействий четырех проводников, располагался непосредственно на частотах полосы пропускания. Это позволит увеличить чувствительность датчика, так как под действием магнитного поля изменяются взаимодействия всех четырех проводников, приводящие к компенсации связи резонаторов на частоте полюса затухания.It is known that the attenuation poles on the frequency response of strip and microstrip structures, as a rule, are caused either by mutual compensation of inductive and capacitive interactions [Belyaev B.A., Tyurnev V.V. // Electronic equipment. Ser. Microwave technology. 1992. Issue 4 (448). Page 23], or by resonances for which a high-frequency voltage node is observed at the structure output [Aleksandrovsky AA, Belyaev B.A., Lexikov A.A. // Radio engineering and electronics. 2003.V. 48. No. 4, Page 398]. In the considered strip structure on the suspended substrate, the attenuation poles on the frequency response are due to the mutual compensation of the inductive and capacitive interactions of all four strip conductors. However, studies have shown [Belyaev B.A., Sergeants A.M., Balva Ya.F. // Radio engineering and electronics. 2008.V. 53. Number 4. P.432], in the proposed construction, the poles remain, even if one of the interactions — capacitive or inductive — is excluded from the calculation. In this case, the position of the poles corresponds to the frequencies where, respectively, inductive interactions of the four strip conductors of the resonators, or capacitive, cancel each other out. Therefore, it is possible to select the design parameters of the proposed sensor in such a way that the resonator interaction is purely inductive, and the attenuation pole, caused by compensation of only the inductive interactions of the four conductors, is located directly at the passband frequencies. This will increase the sensitivity of the sensor, since under the influence of a magnetic field the interactions of all four conductors change, leading to compensation of the coupling of the resonators at the frequency of the damping pole.

Датчик работает следующим образом. Металлические проводники, нанесенные на диэлектрическую подложку, образуют два электромагнитно связанных полосковых резонатора. Входная и выходная линии передачи подключаются к проводникам резонаторов. При этом проводники, к которым подключаются входная и выходная линии передачи, и расстояние от концов проводников до точек подключения внешних линий передачи выбираются исходя из условия получения полюсов затухания на частотах полосы пропускания. На вход датчика подается сигнал от СВЧ-генератора. В отсутствие измеряемого магнитного поля СВЧ-генератор настраивают на частоту, расположенную вблизи полюса затухания. При наложении измеряемого магнитного поля вектор намагниченности магнитной пленки поворачивается в плоскости пленки в сторону магнитного поля, что приводит к изменениям собственной и взаимной индуктивностей металлических полосок. При этом изменяется частота и глубина полюса затухания, наблюдаемого на АЧХ датчика, и, соответственно, меняется величина СВЧ-мощности, прошедшей через датчик. По величине прошедшей СВЧ-мощности определяют напряженность магнитного поля.The sensor operates as follows. Metal conductors deposited on a dielectric substrate form two electromagnetically coupled strip resonators. The input and output transmission lines are connected to the conductors of the resonators. In this case, the conductors to which the input and output transmission lines are connected, and the distance from the ends of the conductors to the connection points of the external transmission lines are selected based on the conditions for obtaining the attenuation poles at the passband frequencies. A signal from a microwave generator is fed to the sensor input. In the absence of a measurable magnetic field, the microwave generator is tuned to a frequency located near the attenuation pole. When a measured magnetic field is applied, the magnetization vector of the magnetic film rotates in the film plane in the direction of the magnetic field, which leads to changes in the intrinsic and mutual inductances of the metal strips. In this case, the frequency and depth of the attenuation pole observed at the frequency response of the sensor change, and, accordingly, the magnitude of the microwave power passing through the sensor changes. The magnitude of the transmitted microwave power determines the magnetic field strength.

На Фиг.4 приведены измеренные АЧХ датчика заявляемой конструкции при различных значениях измеряемого магнитного поля. При этом конструктивные параметры были следующие: диэлектрическая проницаемость подложки ε=9.8, толщина подложки h_d=1 мм, расстояние от поверхности подложки до экранов 5 мм, ширина полосковых проводников 3 мм и расстояния между резонаторами S=3 мм. Видно, что при достаточно малом изменении напряженности внешнего магнитного поля происходит значительное изменение АЧХ датчика.Figure 4 shows the measured frequency response of the sensor of the claimed design at various values of the measured magnetic field. The design parameters were as follows: the dielectric constant of the substrate ε = 9.8, the thickness of the substrate h _d = 1 mm, the distance from the surface of the substrate to the shields 5 mm, the width of the strip conductors 3 mm and the distance between the resonators S = 3 mm. It is seen that with a sufficiently small change in the intensity of the external magnetic field, a significant change in the frequency response of the sensor occurs.

На Фиг.5 приведена измеренная зависимость затухания сигнала на выходе датчика, снятая на частоте СВЧ-генератора, близкой к частоте полюса затухания, а на Фиг.6 - зависимость коэффициента преобразования датчика от напряженности измеряемого магнитного поля. Видно, что предложенная конструкция обеспечивает коэффициент преобразования, достигающий 140 дБ/Э.Figure 5 shows the measured dependence of the attenuation of the signal at the output of the sensor, taken at a frequency of the microwave generator, close to the frequency of the attenuation pole, and Figure 6 - dependence of the conversion coefficient of the sensor on the intensity of the measured magnetic field. It can be seen that the proposed design provides a conversion coefficient of up to 140 dB / Oe.

Таким образом, предложенная конструкция позволяет создавать на ее основе датчики магнитного поля, обладающие высокой чувствительностью.Thus, the proposed design allows you to create on its basis magnetic field sensors with high sensitivity.

Claims (1)

Датчик магнитного поля, содержащий диэлектрическую подложку с полосковыми проводниками и магнитную пленку, отличающийся тем, что подложка выполнена подвешенной с нанесенными на обе ее стороны полосковыми металлическими проводниками резонаторов, и на поверхности подложки между проводниками резонаторов, или на некотором расстоянии над ними, расположена магнитная пленка. A magnetic field sensor containing a dielectric substrate with strip conductors and a magnetic film, characterized in that the substrate is suspended with strip metal conductors of resonators deposited on both sides thereof, and a magnetic film is located on the surface of the substrate between the resonator conductors, or at some distance above them .

Images