RU2536083C1 - Sensor of weak high-frequency magnetic fields - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, represents a sensor of weak high-frequency magnetic fields and can be used mainly in magnetometry. A sensor includes a dielectric substrate, on the upper side of which strip conductors of microstrip resonators are applied, and on the lower side of which a magnetic strip is deposited, which is coated with a metal layer performing the role of a screen. Conductors of resonators are located at an optimum angle to each other, which provides maximum conversion factor of the sensor and is determined by the formula: $${\varphi }_0\approx 4\pi \frac{H_k}{M_s}$$

, where H_k - field of single-axis magnetic anisotropy of a thin magnetic film, and M_s - film saturation magnetisation. Microwave generator power is supplied simultaneously to both resonators, and an output sensor signal is shaped with two signals picked up simultaneously from those two resonators; besides, signals of resonators are added, and generator noises are compensated.

EFFECT: improving sensitivity of a sensor of high-frequency magnetic fields.

3 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 магнитометра, содержащего генератор, к выходу которого подключены последовательно соединенные возбуждающие обмотки двух тонкопленочных датчиков с противоположно ориентированными осями легкого намагничивания [В.П. Короткий, A.M. Семенов, Ю.С. Капран. Магнитометр / АС №905890, опубл. 15.02.82 г., бюлл. №6]. В таком магнитометре подключение генератора и съем сигнала осуществляется с помощью катушек, намотанных непосредственно на подложку, несущую тонкую магнитную пленку (ТМП). Такой датчик миниатюрен, но не технологичен в производстве из-за наличия в нем катушек индуктивностей. Главным же его недостатком является невозможность измерения магнитных полей сравнительно высоких частот (выше 10 кГц) в связи с тем, что обмотки катушек экранируют внешние высокочастотные магнитные поля.A known design of a magnetometer containing a generator, the output of which is connected in series to the exciting windings of two thin-film sensors with oppositely oriented axes of easy magnetization [V.P. Short, A.M. Semenov, Yu.S. Capran. Magnetometer / AC No. 905890, publ. 02/15/82, bull. No. 6]. In such a magnetometer, the generator is connected and the signal is picked up using coils wound directly on a substrate carrying a thin magnetic film (TMP). Such a sensor is miniature, but not technologically advanced in production due to the presence of inductance coils in it. Its main drawback is the impossibility of measuring magnetic fields of relatively high frequencies (above 10 kHz) due to the fact that the coil windings shield external high-frequency magnetic fields.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является микрополосковый датчик магнитного поля [Б.А. Беляев, С.В. Бутаков, А.А. Лексиков. Микрополосковые датчики магнитных полей / Наука производству, №5, 2003 г. C.11-16]. Датчик содержит параллельные полосковые проводники резонаторов на верхней стороне диэлектрической подложки, на нижней стороне которой методом термического испарения осаждена тонкая магнитная пленка, покрытая медным слоем, выполняющим роль экрана. Работа датчика основана на сильной зависимости уровня проходящей через микрополосковую структуру СВЧ-мощности от напряженности внешнего магнитного поля в условиях, близких к ферромагнитному резонансу (ФМР) для тонкой магнитной пленки (ТМП). При этом мощность от СВЧ-генератора подается на проводник одного резонатора, а сигнал снимается с проводника второго резонатора. Такой датчик технологичен в изготовлении и позволяет проводить измерения магнитного поля на значительно более высоких частотах по сравнению с первым аналогом. Недостатком датчика является низкая чувствительность, обусловленная шумами как самой ТМП, так и амплитудными шумами СВЧ-генератора.The closest analogous combination of essential features is the microstrip magnetic field sensor [B.A. Belyaev, S.V. Butakov, A.A. Vocabulary. Microstrip magnetic field sensors / Science of Production, No. 5, 2003, C.11-16]. The sensor contains parallel strip conductors of the resonators on the upper side of the dielectric substrate, on the lower side of which a thin magnetic film coated with a copper layer acting as a screen is deposited by thermal evaporation. The operation of the sensor is based on the strong dependence of the level of the microwave power passing through the microstrip structure on the strength of the external magnetic field under conditions close to ferromagnetic resonance (FMR) for a thin magnetic film (TMP). In this case, the power from the microwave generator is supplied to the conductor of one resonator, and the signal is removed from the conductor of the second resonator. Such a sensor is manufacturable and allows measurements of the magnetic field at much higher frequencies in comparison with the first analogue. The disadvantage of the sensor is the low sensitivity due to the noise of both the TMP itself and the amplitude noise of the microwave generator.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика высокочастотных магнитных полей.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the sensor of high-frequency magnetic fields.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в датчике слабых высокочастотных магнитных полей, содержащем диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой нанесены проводники двух микрополосковых резонаторов, а на нижней стороне осаждена магнитная пленка, покрытая металлическим слоем, выполняющим роль заземляемого основания, новым является то, что проводники резонаторов расположены под оптимальным углом 2φ₀ друг к другу, обеспечивающим максимальный коэффициент преобразования датчика и определяемым по формуле $${\varphi }_0\approx 4\pi \frac{H_k}{M_s}$$

, где H_k - поле одноосной магнитной анизотропии тонкой магнитной пленки, a M_s - намагниченность насыщения пленки, причем мощность СВЧ-генератора подается на оба резонатора одновременно, а выходной сигнал датчика формируется двумя продетектированными сигналами, снимаемыми одновременно с этих двух резонаторов.The claimed technical result is achieved by the fact that in the sensor of weak high-frequency magnetic fields containing a dielectric substrate, the conductors of two microstrip resonators are deposited on the upper side, and a magnetic film coated with a metal layer acting as a grounded base is deposited on the lower side, new is that the conductors of the resonators are located at an optimal angle of 2φ _{0 to} each other, providing the maximum conversion coefficient of the sensor and determined by the formula $${\varphi }_{}$$$${}_0\approx \mathrm{four}\pi \frac{H_k}{M_s}$$

, where H _k is the uniaxial magnetic anisotropy field of the thin magnetic film, and M _s is the saturation magnetization of the film, and the microwave generator power is supplied to both resonators at the same time, and the sensor output signal is generated by two detected signals taken simultaneously from these two resonators.

Отличия заявляемого датчика от наиболее близкого аналога заключаются в том, что проводники резонаторов расположены под оптимальным углом друг к другу, обеспечивающим максимальный коэффициент преобразования датчика и определяемым по формуле $${\varphi }_0\approx 4\pi \frac{H_k}{M_s}$$

, где H_k - поле одноосной магнитной анизотропии тонкой магнитной пленки, a M_s - намагниченность насыщения пленки, причем мощность СВЧ-генератора подается на оба резонатора одновременно, а выходной сигнал датчика формируется двумя продетектированными сигналами, снимаемыми одновременно с этих двух резонаторов. 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 sensor from the closest analogue are that the conductors of the resonators are located at an optimal angle to each other, providing the maximum conversion coefficient of the sensor and determined by the formula $${\varphi }_{}$$$${}_0\approx \mathrm{four}\pi \frac{H_k}{M_s}$$

, where H _k is the uniaxial magnetic anisotropy field of the thin magnetic film, and M _s is the saturation magnetization of the film, and the microwave generator power is supplied to both resonators at the same time, and the sensor output signal is generated by two detected signals taken simultaneously from these two resonators. 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.1а, б - структурная схема датчика слабых высокочастотных магнитных полей и топология полосковых проводников его чувствительного элемента; Фиг.2 - угловые зависимости нормированного коэффициента преобразования датчика с чувствительным элементом на основе одиночного микрополоскового резонатора; Фиг.3 - зависимость коэффициента преобразования заявляемого датчика от напряжения на СВЧ-генераторе.The invention is illustrated by drawings: Figa, b is a structural diagram of a sensor of weak high-frequency magnetic fields and the topology of strip conductors of its sensitive element; Figure 2 - angular dependence of the normalized conversion coefficient of the sensor with a sensitive element based on a single microstrip resonator; Figure 3 - dependence of the conversion coefficient of the inventive sensor on the voltage at the microwave generator.

Как известно, существуют большие проблемы приема и передачи электромагнитных волн при расположении традиционных электрических антенн в непосредственной близости к проводящим поверхностям, например обшивке летательных аппаратов, стен и крыш зданий, водного и почвогрунтового покрова Земли. Это связано с тем, что при отражении электромагнитных волн от границы раздела на проводящей поверхности располагаются узлы электрического поля и, соответственно, пучности высокочастотного магнитного поля. Одним из путей решения данной проблемы является использование датчиков слабых высокочастотных магнитных полей, которые часто называют также «магнитными антеннами». Важно отметить, что амплитуда низкочастотных магнитных шумов Земли порядка 10^-9 Тл, и она убывает обратно пропорционально частоте [Введенский В.Л., Ожогин В.И. Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм. // М.: Наука. - 1986. - 199 с.]. Поэтому магнитные высокочастотные датчики (магнитные антенны), в отличие от датчиков слабых постоянных и низкочастотных магнитных полей, могут иметь пороговую чувствительность на несколько порядков выше.As you know, there are big problems in the reception and transmission of electromagnetic waves when traditional electric antennas are located in close proximity to conductive surfaces, for example, the casing of aircraft, walls and roofs of buildings, the water and ground cover of the Earth. This is due to the fact that when the electromagnetic waves are reflected from the interface on the conductive surface, the nodes of the electric field and, accordingly, the antinodes of the high-frequency magnetic field are located. One way to solve this problem is to use sensors of weak high-frequency magnetic fields, which are often also called "magnetic antennas." It is important to note that the amplitude of low-frequency magnetic noise of the Earth is of the order of 10 ^-9 T, and it decreases inversely with the frequency [Vvedensky V.L., Ozhogin V.I. Ultrasensitive magnetometry and biomagnetism. // M .: Science. - 1986. - 199 p.]. Therefore, magnetic high-frequency sensors (magnetic antennas), unlike sensors of weak constant and low-frequency magnetic fields, can have a threshold sensitivity several orders of magnitude higher.

На Фиг.1 показана структурная схема (а) и топология полосковых проводников чувствительного элемента (б) заявляемого датчика. Основой чувствительного элемента 1 датчика являются микрополосковые резонаторы (МПР), образованные полосковыми проводниками 2, которые нанесены на диэлектрическую подложку 3, с нанесенной на ней ТМП. На резонаторы датчика одновременно подается мощность СВЧ-генератора (Г_свч). Выходной сигнал датчика формируется двумя продетектированными сигналами, снятыми одновременно с двух резонаторов, которые затем подаются на дифференциальный усилитель ДУ.Figure 1 shows the structural diagram (a) and the topology of the strip conductors of the sensing element (b) of the inventive sensor. The basis of the sensor element 1 of the sensor are microstrip resonators (MPRs) formed by strip conductors 2, which are deposited on a dielectric substrate 3, with a TMP deposited on it. The microwave resonator power (G _microwave ) is simultaneously supplied to the sensor resonators. The output signal of the sensor is formed by two detected signals taken simultaneously from two resonators, which are then fed to the differential amplifier of the remote control.

Проведенные исследования показали, что для датчика, чувствительный элемент которого содержит только один резонатор, коэффициент преобразования К_пр, определяемый как отношение изменения сигнала на детекторе к величине пробного (измеряемого) магнитного поля, сильно зависит не только от напряженности, но и от направления постоянного смещающего магнитного поля Н₀, с помощью которого датчик настраивается на максимальную чувствительность с коэффициентом преобразования K_max. На Фиг.2 представлены экспериментальные угловые зависимости нормированного коэффициента преобразования датчика на основе одного резонатора, построенные для двух случаев. В первом случае ось легкого намагничивания (ОЛН) анизотропной магнитной пленки ориентирована параллельно поляризации высокочастотного магнитного поля h в МПР (сплошная линия), а во втором - перпендикулярно ей (штриховая линия). При этом вектор поляризации h лежит в плоскости МПР и направлен ортогонально оси полоскового проводника, а для каждого выбранного угла φ ориентации оси МПР относительно внешнего магнитного поля H₀ подбиралась оптимальная величина этого смещающего поля, при котором сигнал был наибольшим.The studies showed that for a sensor whose sensitive element contains only one resonator, the conversion coefficient K _pr , defined as the ratio of the signal change at the detector to the value of the test (measured) magnetic field, strongly depends not only on the intensity, but also on the direction of the constant bias magnetic field H ₀ , with which the sensor is configured for maximum sensitivity with a conversion coefficient K _max . Figure 2 shows the experimental angular dependence of the normalized conversion coefficient of the sensor based on one resonator, constructed for two cases. In the first case, the easy magnetization axis (OLS) of the anisotropic magnetic film is oriented parallel to the polarization of the high-frequency magnetic field h in the MPR (solid line), and in the second, perpendicular to it (dashed line). In this case, the polarization vector h lies in the MPR plane and is directed orthogonally to the axis of the strip conductor, and for each selected angle φ of the orientation of the MPR axis relative to the external magnetic field H _{0, the} optimal value of this bias field was selected at which the signal was the largest.

Из Фиг.2 видно, во-первых, что при параллельной ориентации (ОЛН || h) коэффициент преобразования по модулю почти в 5 раз больше, чем при ортогональной ориентации. Во-вторых, значения этого коэффициента не только достигают максимумов при оптимальных углах ±φ₀, но и имеют разные знаки. Именно поэтому в заявляемом датчике используются сигналы от двух оптимально расположенных и оптимально ориентированных резонаторов (см. Фиг.1). Эти сигналы суммируются на дифференциальном усилителе, в то время как амплитудные шумы генератора взаимно компенсируются вследствие того, что они имеют одинаковую фазу и после детектирования вычитаются в дифференциальном усилителе. Очевидно, что в такой схеме магнитные шумы ТМП также уменьшаются в $$\sqrt{2}$$

раз.Figure 2 shows, firstly, that with a parallel orientation (OLS || h), the modulus of conversion is almost 5 times greater than in the orthogonal orientation. Secondly, the values of this coefficient not only reach maximums at optimal angles ± φ ₀ , but also have different signs. That is why in the inventive sensor uses signals from two optimally located and optimally oriented resonators (see Figure 1). These signals are summed on the differential amplifier, while the amplitude noise of the generator is mutually compensated due to the fact that they have the same phase and are subtracted in the differential amplifier after detection. Obviously, in such a scheme, the magnetic noise of the TMP also decreases in $$\sqrt{2}$$

time.

Значения оптимального угла 2φ₀ ориентации резонаторов для различных образцов тонких магнитных пленок могут быть вычислены по следующей формуле:The values of the optimal angle 2φ _{0 of the} orientation of the resonators for various samples of thin magnetic films can be calculated by the following formula:

$${\varphi }_0\approx 4\pi \frac{H_k}{M_s}$$

, $${\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="\phi "\; filenames="00000009.png"\; state="\{\{state\}\}">\varphi </figure-callout>}}_0\approx \mathrm{four}\pi \frac{H_k}{M_s}$$

,

где H_k - поле одноосной магнитной анизотропии тонкой магнитной пленки, a M_s - намагниченность насыщения пленки.where H _k is the field of uniaxial magnetic anisotropy of a thin magnetic film, and M _s is the saturation magnetization of the film.

Для случая конкретной реализации датчика, характеристика которого представлена на Фиг.2, параметры тонкой магнитной пленки были следующими: H_k=5 Э, M_s=800 Гс. Подставляя эти значения в формулу для оптимального угла получаем φ₀=4.5°.For the case of a specific implementation of the sensor, the characteristic of which is shown in FIG. 2, the parameters of the thin magnetic film were as follows: H _k = 5 Oe, M _s = 800 G. Substituting these values in the formula for the optimal angle, we obtain φ ₀ = 4.5 °.

Заявляемый датчик слабых высокочастотных магнитных полей работает следующим образом. Мощность СВЧ-генератора одновременно подается на оба микрополосковых резонатора. Измеряемое магнитное поле воздействует на тонкую магнитную пленку, находящуюся в области пучности СВЧ-магнитного поля резонаторов. Это приводит к разнонаправленному изменению высокочастотной магнитной восприимчивости ТМП (в разных резонаторах) и, как следствие, к разнонаправленному перераспределению амплитуд высокочастотного напряжения на полосковых проводниках резонаторов на частоте СВЧ-генератора. Поэтому в точках на полосковых проводниках резонаторов, с которых снимаются сигналы, при изменении измеряемого магнитного поля амплитуда одного сигнала возрастает, а другого убывает, и, наоборот, в зависимости от знака изменения поля. Так как сигналы с микрополосковых резонаторов после детектирования поступают на входы дифференциального усилителя, то коэффициент преобразования возрастает в два раза по сравнению с датчиком на одном резонаторе.The inventive sensor of weak high-frequency magnetic fields works as follows. The power of the microwave generator is simultaneously supplied to both microstrip resonators. The measured magnetic field acts on a thin magnetic film located in the antinode region of the microwave magnetic field of the resonators. This leads to a multidirectional change in the high-frequency magnetic susceptibility of the TMP (in different resonators) and, as a result, to a multidirectional redistribution of the amplitudes of the high-frequency voltage on the strip conductors of the resonators at the frequency of the microwave generator. Therefore, at the points on the strip conductors of the resonators from which the signals are taken, when the measured magnetic field changes, the amplitude of one signal increases and the other decreases, and vice versa, depending on the sign of the field change. Since the signals from microstrip resonators, after detection, are fed to the inputs of a differential amplifier, the conversion coefficient doubles compared to a sensor on a single resonator.

Активным материалом чувствительных элементов заявляемого датчика является тонкая магнитная пленка, обладающая высокой магнитной проницаемостью на СВЧ. Так как для работы датчика требуется СВЧ-генератор и специальная схема съема сигнала, именно поэтому антенна на основе такого датчика называется «активной». Такая антенна способна работать только на прием электромагнитных волн и, как уже отмечалось, она чувствительна к магнитной составляющей высокочастотного поля.The active material of the sensitive elements of the inventive sensor is a thin magnetic film having high magnetic permeability to microwave. Since the sensor requires a microwave generator and a special signal pickup circuit, this is why an antenna based on such a sensor is called “active”. Such an antenna is only capable of receiving electromagnetic waves and, as already noted, it is sensitive to the magnetic component of the high-frequency field.

Экспериментально установлено, что для заявляемого датчика коэффициент преобразования К_пр сначала линейно растет с увеличением амплитуды высокочастотного поля h в МПР, которая очевидно определяется мощностью накачки или напряжением U_г, измеряемом на генераторе, а затем выходит на насыщение (Фиг.3) по мере приближения амплитуды h к величине поля одноосной магнитной анизотропии H_k=0.4 мТл. На изготовленном макете датчика удалось получить коэффициент преобразования K_пр≈60 В/мТл, который остается постоянным в диапазоне частот 10³÷10⁷ Гц, при этом динамический диапазон измеряемых магнитных полей составил 10^-5-10^-12 Тл.It was experimentally established that for the inventive sensor, the conversion coefficient K _pr first linearly increases with increasing amplitude of the high-frequency field h in the MPR, which is obviously determined by the pump power or voltage U _g measured on the generator, and then reaches saturation (Figure 3) as it approaches amplitude h to the magnitude of the field of uniaxial magnetic anisotropy H _k = 0.4 mT. Using the manufactured sensor mockup, it was possible to obtain a conversion coefficient K _pr ≈60 V / mT, which remains constant in the frequency range 10 ³ ÷ 10 ⁷ Hz, while the dynamic range of the measured magnetic fields was 10 ^-5 -10 ^-12 T.

Таким образом, предложена конструкция датчика слабых высокочастотных магнитных полей. Она может использоваться в качестве магнитной антенны, которая обладает рядом преимуществ, по сравнению с традиционными пассивными электрическими и магнитными антеннами. Во-первых, имеет постоянную чувствительность во всем рабочем диапазоне частот от нижней частоты f_н, которая может быть несколько килогерц, до верхней частоты f_в, которая определяется частотой СВЧ-генератора накачки f_г, при этом f_в примерно на порядок меньше f_г. Во-вторых, имеет планарную конструкцию и может располагаться непосредственно на проводящих поверхностях, являющихся экранами для традиционных антенн. В-третьих, имеет малый размер чувствительной зоны, определяемый размерами ТМП, который на много порядков меньше длины принимаемой электромагнитной волны (в изготовленном макете датчика этот размер всего 6×10 мм²). И, наконец, в-четвертых, может одновременно принимать и обрабатывать сразу несколько разнесенных по частоте сигналов во всем рабочем диапазоне, но для этого необходимо использовать дополнительные частотно-селективные устройства.Thus, a sensor design of weak high-frequency magnetic fields is proposed. It can be used as a magnetic antenna, which has several advantages over traditional passive electric and magnetic antennas. Firstly, has a constant sensitivity throughout the operating range of frequencies from a lower frequency f _n, which may be a few kilohertz up to the upper frequency f _a which is determined by the microwave generator pump frequency f _g, with f _in approximately an order of magnitude less than f _r . Secondly, it has a planar design and can be located directly on conductive surfaces, which are screens for traditional antennas. Thirdly, it has a small size of the sensitive zone, determined by the size of the TMP, which is many orders of magnitude smaller than the length of the received electromagnetic wave (in the manufactured model of the sensor this size is only 6 × 10 mm ² ). And finally, fourthly, it can simultaneously receive and process several signals spaced apart in frequency over the entire operating range, but for this it is necessary to use additional frequency-selective devices.

Claims (1)

Датчик слабых высокочастотных магнитных полей, содержащий диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой нанесены полосковые проводники двух микрополосковых резонаторов, а на нижней стороне осаждена магнитная пленка, покрытая металлическим слоем, выполняющим роль заземляемого основания, отличающийся тем, что проводники резонаторов расположены под оптимальным углом 2φ₀ друг к другу, обеспечивающим максимальный коэффициент преобразования датчика и определяемым по формуле

, где H_k - поле одноосной магнитной анизотропии тонкой магнитной пленки, a M_s - намагниченность насыщения пленки, причем мощность СВЧ-генератора подается на оба резонатора одновременно, а выходной сигнал датчика формируется двумя продетектированными сигналами, снимаемыми одновременно с этих двух резонаторов. A weak high-frequency magnetic field sensor containing a dielectric substrate, on the upper side of which are strip conductors of two microstrip resonators, and a magnetic film coated with a metal layer acting as a grounding base is deposited on the lower side, characterized in that the resonator conductors are located at an optimal angle of 2φ ₀ to each other, providing the maximum sensor conversion coefficient and determined by the formula

, where H _k is the uniaxial magnetic anisotropy field of the thin magnetic film, and M _s is the saturation magnetization of the film, and the microwave generator power is supplied to both resonators at the same time, and the sensor output signal is generated by two detected signals taken simultaneously from these two resonators.

Images