磁电式传感器的制作方法

本发明的领域为磁电式传感器领域，并且更特别地为差动磁电式传感器领域，该差动磁电式传感器用于测量交变磁场或者更一般地用于测量随时间变化的磁场。

背景技术：

磁电式传感器包括对磁场敏感的部件，该部件在本申请中被称为磁传感器，该磁传感器能够以电压或电流的形式发出与自身所处的外部磁场B_ext对应的测量信号。

目前的磁电式传感器具有有限的使用频率范围或带宽。这是由于放置在磁传感器下游的测量电路的阻抗。

磁电式传感器的带宽的加宽是本技术领域的普遍问题。为了规避该问题，考虑原则上对磁电式传感器的有效面积进行限制，并且只是试图通过作用于测量电路的阻抗值来优化磁电式传感器的带宽。

此外，已知的磁传感器的响应信号随待测量的磁场是非线性的。

在磁传感器中，已知诸如具有金刚石N-V中心的传感器之类的磁光传感器，其中，当该晶体处于外部磁场B_ext中时，晶体中形成杂质的原子的电子的两个能级之间的跃迁被修改。跃迁的修改改变了采用合适的激光进行照射的晶体的响应。该磁传感器工作在室温下。

虽然晶体的响应是线性的，但是响应处于所使用的跃迁的特征频率周围的减小的频率范围内。

在磁传感器中，同样已知超导磁传感器，超导磁传感器是特别吸引人的，这是由于它们提供了物理上可达到的最高灵敏度。该应用超导材料的磁传感器工作在低温(对于所谓的临界高温超导材料在大约80K附近)、或者超低温(对于所谓的临界低温超导材料在大约1毫-开尔文附近)下。

超导磁传感器为SQUID(“Superconducting QUantumInterference Device”，“超导量子干涉器件”)部件或SQIF(“Superconducting Quantum lnterference Filter”，“超导量子干涉滤波器”)部件。SQIF部件由串联、并联或串并联连接的SQUID部件的矩阵组成。

由于超导磁传感器的工作原理，SQUID和SQIF部件具有非线性响应，即由外部磁场B_ext的穿过部件的表面S的通量φ所引起的电压V(φ)不是通量φ_ext的线性函数，并因此不是外部磁场B_ext的线性函数。

在SQUID部件的情况中，该响应是正弦波。在正弦波的拐点区域中，该行为在一阶上是线性的。然而，该区域与相对较窄的通量范围对应。

在SQIF部件的情况下，该响应是均匀的，V(φ)＝cste，除了在定期放置的某些特征点周围之外，对于这些定期放置的特征点，外部磁场B_ext的通量φ_ext等于特征通量φ₀(所谓的“磁通量子”)的整数倍。因此，SQIF部件的响应假设采用“反转梳”形状

在修改过的具有特定配置的SQIF部件中，该响应是均匀的，除了在原点φ_ext＝0周围的区域之外，该区域中的该响应被抵消。然而，该区域与相对较窄的通量范围对应。

为了利用超导磁传感器的灵敏度，应该采用线性域，然而该线性域被减小到较窄的区域中。

因此，即使磁传感器非常灵敏，它们的主要缺陷也因此仍然在于它们极小的带宽。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是克服上述问题。

本发明特别地与具有可扩展的灵敏度范围和线性响应两者的磁电式传感器相关。

为此，本发明的目的是一种磁电式传感器，包括磁传感器，该磁传感器具有表面，并且当磁传感器处于生成通过所述表面的外部通量的外部磁场中时，该磁传感器生成响应信号，其特征在于，该磁电式传感器包括：控制电路和导线，控制电路在输入处获取磁传感器的响应信号并在输出处生成反馈电流；导线置于磁传感器附近并且连接到控制电路的输出处，反馈电流流过该导线，控制电路和导线使得生成反馈磁场，在每一时刻，反馈磁场通过磁传感器的表面的反馈通量基本上抵消外部通量，磁电式传感器的输出信号由反馈电流形成。

根据特定实施例，磁电式传感器包括单独地或根据所有技术上可能的组合的一个或多个以下特征：

-磁力计为超导磁力计。

-当外部磁场可随时间变化时，磁电式传感器的输出信号为对外部磁场的测量结果。

-磁电式传感器的输出信号为对外部磁场的线性测量结果。

-磁传感器的表面为平面的，并且其中，导线基本上放置在该表面的平面中。

-控制电路包括比较装置和电流源，比较装置用于将磁传感器的响应信号与参考信号进行比较以生成比较信号，电流源由该比较信号控制并能够生成反馈电流。

-磁传感器包括在控制电路的两个输入端子之间串联连接的多个基本磁传感器。

-对导线进行配置以形成至少一个环路。

-该环路包括多匝。

-对导线进行配置以在两个相邻的基本磁力计之间形成至少一个曲折。

-传感器包括壳体，该壳体界定与寄生磁扰动隔离的容腔，并且该容腔内容置有磁传感器和导线。

附图说明

通过阅读根据仅作为示例并参照附图给出的供使用的实施例和方法，将更好地理解本发明及其优点；在附图中：

图1为根据本发明的磁电式传感器的原理的图示；

图2为图1中的传感器的所谓的环路实施例的示意图；以及

图3为图1的传感器的所谓的曲折实施例的示意图。

具体实施方式

图1中示出了根据本发明的磁电式传感器。

磁电式传感器具有如下功能：使得能够瞬时测量外部磁场B_ext(t)，该外部磁场B_ext(t)随时间t的推移而变化。

磁电式传感器10包括磁传感器12、控制电路14和导线16。

有利地，磁电式传感器10包括壳体，该壳体在内部界定了容腔，该容腔中至少容置有磁传感器12和导线16、以及可选地容置有控制电路14。一般地，参照图1中的标记18，容腔与待测量磁场占据的容量对应，通过壳体使该容量与任何其他的寄生磁影响或扰动隔离，形成壳体的材料因而适合于将容腔与寄生磁场隔离。

磁传感器12优选地为超导磁传感器。

磁传感器12具有长方体形状。磁传感器12具有较小的厚度和有效表面S，有效表面S基本上是平面并且在磁传感器的厚度方向上具有法线。

磁传感12能够在其两个输出端子之间生成响应信号，此处该响应信号为电压V。电压V是通过表面S的瞬时总磁通量φ(t)的函数。

控制电路14在其两个输入端子E1和E2之间接收由磁传感器12产生的响应信号V(φ(t))，并在其两个输出端子S1和S2之间生成反馈电流i_CR(t)。

更具体地，控制电路14包括包含两个输入端子的比较装置22，这两个输入端子连接到磁传感器12的输出端子上，并且控制电路14能够将响应信号V(φ(t))与参考信号V₀进行比较并且生成比较信号。

控制电路14包括电流源24，电流源24由比较信号控制并且能够在两个输出端子之间生成反馈电流i_CR(t)。

导线16连接在控制电路14的输出端子之间。导线16被成形以通过磁传感器12附近。反馈电流i_CR(t)流过导线16。因此，导线16在其周围生成反馈磁场B_CR(t)。该磁场B_CR(t)相对于电流i_CR(t)是线性的。该磁场B_CR(t)生成通过磁传感器的表面S的反馈通量φ_CR(t)：φ_CR(t)＝B_CR(t)×S。

在每一时刻，磁传感器12所发出的响应信号V(t)取决于穿过表面S的总磁通量φ(t)。

该总通量φ(t)是外部通量φ_ext(t)和反馈通量φ_CR(t)的总和，外部通量φ_ext(t)由根据关系式φ_ext(t)＝B_ext(t)×S测量的外部磁场B_ext(t)产生。

当磁传感器12所接收到的总通量φ(t)恒定时，传感器10是平衡的。在该条件下，在受瞬时反馈的恒定不变的驱使下，反馈电流i_CR(t)表示对外部磁场B_ext(t)的线性测量结果。

为了存在该平衡，选择传感器10的几何及物理参数以使反馈通量与外部通量相反并且使磁传感器12的响应V(t)可以瞬时减小到参考电压V₀水平。换言之，控制电路14和导线16使得生成反馈磁场。在每一时刻，反馈磁场穿过磁传感器的有效表面的通量基本上抵消外部磁场的通量。

应该注意的是，如果外部磁场B_ext具有直流分量，则稳定点将会是以参考电压V₀偏移一常量。通过在参考电压V₀上施加偏置，该常量可以被反馈电流i_CR抵消。

通过适当地选择参考电压V₀，对于磁传感器的导数为最大值的响应区域可以获得传感器10的最大灵敏度。

应该强调的是，在磁电式传感器10中，磁传感器的响应信号不被认为是测量信号，而是用于调节反馈环路的信号。反馈信号才是测量信号。

图2中示出了传感器110，该传感器110是以上以一般的方式示出的传感器的第一优选实施例。

在传感器110中，对导线116进行配置以便于在磁传感器112周围形成环路。导线116基本上位于磁传感器112的表面S的平面P中。

该环路可以包括N匝，这给出了针对相同幅度的反馈电流增加反馈通量的可能性。

该环路配置具有宽带响应。

带宽主要由辐射电阻R_rad效应限制在高频处，辐射电阻R_rad与f⁴成正比，其中，f为反馈电流i_CR的频率。此处辐射电阻R_rad代替了由导线116形成的环路的电感造成的另一限制，该电感与f成正比。

通过减小由导线116形成的回路的尺寸，可以减小辐射电阻R_rad，以尽可能地推向至传感器110的高截止频率。

该环路配置使得能够在平面P中进行密集一维或二维集成。

该环路配置给出了产生缩小尺寸的磁传感器的可能性。

图3中示出了传感器210，该传感器210是图1中以一般的方式示出的传感器的第二优选实施例。

在该第二实施例中，即所谓的曲折(meander)配置中，磁传感器212由多个基本磁传感器212-i组成，该多个基本磁传感器212-i放置成一排，以使这些基本磁传感器212-i的表面Si处于同一平面P中，并且这些基本传感器212-i串联连接在控制电路14的输入端子E1和E2之间。

对导线216进行配置以便于在两个基本磁传感器212-i之间通过以形成多个曲折。基本传感器212-i放置在每两个曲折中的一个曲折中以使通过导线216生成的反馈磁场的通量总是具有相同的符号，并且可以抵消待测量的外部磁场。

在该实施例中，基本磁传感器212-i是非对称的(响应如下：V(-φ)＝-V(φ))，或者是对称的(响应如下：V(-φ)＝V(φ))。

曲折配置由电感和辐射电阻来表征，曲折配置的电感和辐射电阻固有地小于环路配置的电感和辐射电阻，这给出了进一步推向至传感器210的带宽的高截止频率的可能性。

这里再一次通过为由导线216形成的回路选择非常小的尺寸，可以减小辐射电阻，以进一步推向至传感器的高截止频率。

此外，能够对几何参数进行优化，例如可以增加导线216和磁传感器的轴线之间的距离x。在导线所生成的磁场以1/x减小的情况下，为了获得相同的反馈通量，则必须增加反馈电流。该操作具有以下优点：使得能够通过使用高强度的反馈电流(沿到磁传感器的表面Si的法线)检测极低幅度的外部磁场。

该曲折配置使得能够在平面P中进行一维或二维密集集成。实际上，通过使用对称的基本磁传感器(例如SQIF类型的超导磁传感器)，该基本磁传感器的响应与磁场的方向无关，则能够将基本磁传感器212-i放置在由导线216限定的每一个曲折中。从而，可以增加基本磁传感器的表面密度，在部件的恒定表面上，这给出了增加基本磁传感器的磁力计的灵敏度的可能性。

该环路配置给出了生产缩小尺寸的磁传感器的可能性。

此外，曲折配置比环路配置更有利，这是由于曲折配置更易于进行优化和大规模集成。

以上示出的磁电式传感器具有宽的带宽，在该带宽上，当磁传感器为超导类型时，磁电式传感器具有非常高的灵敏度。通过对磁电式传感器进行合适的设计，能够构思从甚低频VLF到超高频UHF范围的带宽，即介于约几kHz和约1000MHz之间。

以上示出的磁电式传感器相对于待测量的外部磁场的幅度还具有线性响应，该响应在整个带宽内是均匀的。

就可测量的外部磁场的强度而言，可以对磁电式传感器进行适配：分割成控制电路的反馈电流域、环路/曲折回路的优化尺寸制定、多尺度集成等等。

可选地，可以将低通滤波器引入控制电路中，以使得能够通过规定待测量的外部磁场的频率量、或者通过关注频率域来指定特定数量的使用频率范围。

最后，磁电式传感器提供了高密度平面集成的可能性。