一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，包括X-Y向梯度计、Z向梯度计和信号引线。X-Y向梯度计包括十字形衬底、巨磁阻抗薄膜，Z向梯度计包括长方形衬底、巨磁阻抗薄膜，电桥的输入端联结点处、输出端联结点处进行信号引线，信号引线以梯度计整体几何中心成三维中心对称排布。本发明具有高精度、微型化、低成本、宽频响、信息量丰富等特点。本发明通过平面薄膜制备立体结构的设计，解决了基于巨磁阻抗薄膜的全张量空间磁场梯度计的空间一致性问题，首次实现了尺寸为芯片级的磁场梯度测量传感器的设计。
【专利说明】一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，属于梯度计【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 所谓全张量矢量磁场梯度是指磁场矢量的三个分量沿着三维空间基底方向的变 化量。对于全张量矢量磁场梯度信息的测量是以磁传感器为基本单元通过合理的空间排 布和适当连接方式而构成的。按磁场的测量原理可以分为，霍尔效应、磁阻效应、巨磁阻 效应、巨磁阻抗效应、核进动、超导量子干涉仪（SQUID)等。由于原理上的限制，基于霍尔 效应的全张量磁场梯度计受温度影响大，精度低，在多数应用条件下不能满足测量对象的 精度要求。目前刚刚出现且逐渐成熟的全张量矢量磁场梯度计是以SQUID为基本元件组 合而成的，由于这种新型的磁场测量带来的全新应用和适应复杂背景的应用，目前国外 对中国进行严密的技术封锁，世界上掌握基于SQUID全张量矢量磁场测量技术的国家只 有三个，典型代表有：美国特瑞斯坦技术公司（Tristan Technologies, Inc.)研制的三 轴SQUID磁力仪（Model G377)，德国耶拿物理学高技术研究所（Institute for Physical High-Technology，IPHT)研制的MAGSAFE系统和澳大利亚联邦科学工业研究组织（CSIRO) 研究的 GETMAG 装置（R Stolz，V Zakosarenkko，M Schulz, et al·· Magnetic full-tensor SQUID gradiometer system for geophysical applications, 2006, 25 (2) : 178 ?180) 〇 公 开的测试数据表明，其磁场梯度探测分辨率在O.OlnT/m的量级。然而，SQUID需要在低温 下进行工作，使用和维护费用高昂；对应用环境要求也较高，对背景噪声控制要求也高，力口 上高性能持久耐用的约瑟夫森结（SQUID的核心）制备具有较大的困难，限制了 SQUID全 张量梯度计的大规模应用。此外，由于磁场梯度张量的测量是通过不同位置传感器测量值 的差分来替代理论上的微分而获得的，因此高精度的磁场梯度测量需要在更小的尺度上实 现更好。综上所述，一种高精度、微型化、低成本、宽频响的用于测量全张量磁场梯度张量 的传感器有着迫切的科学技术需求和和广泛的工程应用前景，基于GMI (Giant Magnetic Impedance)原理的全张量矢量磁场梯度计就是这样一种理想传感器。
[0003] 国内的研究主要集中在地质勘探，医学检测。目前也有一些面向磁性目标定位的 应用，但是实验结果方面的报道较少。哈尔滨工程大学针对磁性目标定位问题提出了矢量 磁力计的最简单配置，但是只能测量磁场梯度张量九个分量中的部分分量，并非全张量梯 度计。"十五"以来，研制完成了 HC-07氦光泵磁力仪、航空磁场水平梯度仪、多通道航空磁 测数字自动补偿仪等。多通道航空磁测数字自动补偿仪和数据收录一体化系统的研制工作 和航空磁场矢量梯度测量系统集成取得一定的进展。
[0004] 众所周知，磁场是矢量场。磁场梯度是磁场对位移的导数，即沿着空间某一方向移 动无限小的距离时，磁场的变化量。由于考虑问题的角度和实际应用的原理各不相同，一般 而言，又将磁场梯度区分为磁场标量（各分量矢量合成后取矢量模）梯度，磁场矢量梯度和 磁场梯度张量。
[0005] 具体而言，假设空间中某点的磁场强度为H = (Hx，Hy，Hz)，则其磁场标量梯度g定
【权利要求】
1. 一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，包括X-Y向梯度计、Z向梯度计和信号 引线； X-Y向梯度计包括十字形衬底、巨磁阻抗薄膜，十字形衬底的X方向一端设有两个孔， 孔内分别设有巨磁阻抗薄膜R_xl、巨磁阻抗薄膜R_x4，x方向另一端设有两个孔，孔内分别 设有巨磁阻抗薄膜R_x2、巨磁阻抗薄膜R_x3 ;十字形衬底的Y方向一端设有两个孔，孔内分 别设有巨磁阻抗薄膜R_yl、巨磁阻抗薄膜R_y2，Y方向另一端设有两个孔，孔内分别设有巨 磁阻抗薄膜R_y3、巨磁阻抗薄膜R_y4 ;X方向、Y方向的孔尺寸和厚度均相同，X-Y向梯度计 中心位置设有过孔，过孔宽度与Z轴梯度计厚度一致，长度与Z轴梯度计长度相同，过孔平 行Y方向； Z向梯度计包括长方形衬底、巨磁阻抗薄膜，长方形衬底的两侧，分别设有四个孔，孔内 分别设有巨磁阻抗薄膜R_zl、巨磁阻抗薄膜R_z2、巨磁阻抗薄膜R_z3、巨磁阻抗薄膜R_z4， Z方向的孔尺寸和厚度与X-Y向梯度计上孔相同； 巨磁阻抗薄膜R_xl、巨磁阻抗薄膜R_x2、巨磁阻抗薄膜R_x3、巨磁阻抗薄膜R_x4、巨磁 阻抗薄膜R_zl、巨磁阻抗薄膜R_z2、巨磁阻抗薄膜R_z3、巨磁阻抗薄膜R_z4形成梯度计； Z向梯度计插入X-Y向梯度计中心处的过孔中，形成全张量磁场梯度计； 巨磁阻抗薄膜的链接方式为差动惠斯通电桥方式，并通过电流源驱动工作，巨磁阻抗 薄膜R_kl、巨磁阻抗薄膜R_k4、巨磁阻抗薄膜R_k2、巨磁阻抗薄膜R_k3分别作为电桥的四 臂，k代表X，y，z三个方向，电桥驱动输入端位于R_kl、R_k2联结点处和R_k3、R_k4联结点 处；电桥的输出端即表征磁场梯度信的电压信号的输出位于R_kl、R_k3联结点处和R_k2、 R_k4联结点处； 电桥的输入端联结点处、输出端联结点处进行信号引线，信号引线以梯度计整体几何 中心成三维中心对称排布。
2. 根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，所述的X-Y向 梯度计的八个巨磁阻抗薄膜以"十字形"中心呈轴对称布置，其中，巨磁阻抗薄膜R_xl、R_ x2、R_x3、R_x4的敏感轴方向一致，巨磁阻抗薄膜R_yl、R_y2、R_y3、R_y4的敏感轴方向一 致，巨磁阻抗薄膜R_zl、R_z2、R_z3、R_z4的敏感轴方向一致，每个方向上的四个巨磁阻抗 薄膜中心连线构成矩形。
3. 根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，所述的梯度计 封装采用无磁、真空磁导率为1的绝缘材料。
4. 根据权利要求1所述的一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计，所述的巨磁阻 抗薄膜以镧锰氧薄膜或钴硅硼薄膜为基本材料。
【文档编号】G01R33/022GK104062607SQ201410324112
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月5日 优先权日:2013年7月5日
【发明者】王三胜, 张明吉, 贺同福 申请人:北京航空航天大学