一种高灵敏度低噪声磁传感器的制作方法

本发明涉及仪器仪表，尤其涉及一种高灵敏度低噪声磁传感器。

背景技术：

1、微弱磁场测量是一项在多个领域中具有重要意义的技术，它涉及到在非常小的磁场强度范围内进行精确的磁场测量。以下是一些常见的应用场景：

2、医学影像学(mri)：医用磁共振成像(mri)是一种常见的微弱磁场应用，用于无创地获取人体内部的详细图像。微弱的核磁共振信号通过高度敏感的超导量子干涉器件(squid)来测量，以获得高分辨率的mri图像。地球物理学：地球物理学家使用微弱磁场测量来研究地球的地磁场，以了解地球内部的结构和地壳运动。这种测量还用于磁场异常探测，例如寻找矿藏或地下水源。磁力显微镜：磁力显微镜是一种用于观察微小样本的仪器，它利用微弱磁场与样本中的磁性物质相互作用，从而实现高分辨率的成像。航空航天：微弱磁场测量在航空航天领域中用于导航和定位，特别是在地球磁场测定、卫星姿态控制和导弹导航等应用中。环境监测：微弱磁场测量可用于监测环境中的地磁活动，例如监测地壳运动、地震前兆和火山活动。生物物理学：在生物磁学中，微弱磁场测量可用于研究生物体内的磁性现象，如生物磁场和神经信号。材料科学：微弱磁场测量用于研究材料的磁性特性，例如超导体的临界温度和磁化曲线等。核磁共振光谱学：微弱磁场测量在核磁共振光谱学中用于研究分子和原子的磁共振性质，从而了解物质的结构和化学性质。

3、高灵敏度的磁传感器主要有超导量子干涉器件、隧道磁阻器件、霍尔效应器件以及磁通门传感器等。超导量子干涉器件(superconducting quantum interferencedevice，简称squid)是一种高度灵敏的磁场传感器，具有卓越的磁灵敏度。squid的磁灵敏度通常在亚微特斯拉(10^-12tesla)或更低的水平。这使得squid成为检测和测量微弱磁场的理想工具，例如在医学影像学中的磁共振成像(mri)和地球物理学中的地磁测量。隧道磁阻器件(tunnel magnetoresistance，tmr)的磁灵敏度通常较高，取决于器件的设计和工作条件。tmr传感器通常用于读取硬盘驱动器中的数据，因为它们可以检测磁头和磁盘之间的微小磁场变化。磁灵敏度通常在几微特斯拉(10^-6tesla)到亚微特斯拉范围内。霍尔(hall)效应器件的磁灵敏度通常较低，与器件的材料和设计有关。典型的霍尔传感器可以检测几毫特斯拉(10^-3tesla)到几微特斯拉的磁场变化。磁通门(fluxgate)传感器通常设计用于特定的磁场测量范围。灵敏度通常在这个范围内最好。磁通门传感器可以检测的最小磁场强度通常在微特斯拉(10^-6tesla)到亚特斯拉(10^-9tesla)的范围内。

4、由于需要在非常小的磁场强度范围内进行准确测量，微弱磁场测量是一项具有挑战性的技术任务，超导量子干涉器件用于测量微弱磁场时具有很高的磁灵敏度，但是大多数超导量子干涉器件需要在极低温度下运行，通常在几开尔文(k)以下，这就需要复杂的冷却系统，如液氦或制冷机，如公开号为cn104297703a的中国发明专利申请《超导量子干涉传感器及所适用的磁探测器》通过将超导量子干涉传感器全部浸放在盛放液氮或液氦的容器中，能够使半导体器件始终处于低温状态，势必会增加设备的成本和复杂性，而且维持低温条件运行超导器件通常需要大量能源，并不适用于大规模应用。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何降低微弱磁场测量系统的复杂度。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种高灵敏度低噪声磁传感器，包括tmr器件、读出电子学电路和低温制冷器，所述读出电子学电路用于检测并放大tmr器件输出的微弱信号，所述tmr器件和读出电子学电路均位于低温制冷器的真空腔体内，且紧贴低温制冷器的冷侧。

3、本发明利用隧道磁电阻在低温下隧道磁电阻比升高的特性，通过将tmr器件及其读出电子学电路设置在低温制冷器的真空腔体内，且紧贴低温制冷器的冷侧，通过对低温制冷器的控制，能够将真空腔体内温度准确维持在一个既定的温度(100k到223k)(约-174℃到-50℃)，从而能够将隧道磁电阻器件控制在特定较低温度，由于tmr器件及其读出电子学电路功耗非常低，其自身发热量极小且通过低温制冷器传输出去，一方面可以使得tmr器件稳定在很高的磁阻比率，提高了tmr器件的测磁灵敏度，使其分辨率更高，达到或者接近超导量子干涉器件的磁灵敏度，实现微弱磁信号的测量，另一方面读出电子学电路在低温下，电子噪声显著减少，增强了微弱磁场的识别能力，从而实现对微弱磁场的测量，可以应用在原本需要超导量子干涉器件测量磁场的应用场合，且不需要极低温度，极大地简化了微弱磁场测量的技术难度，降低了测量系统的复杂度、成本、功耗、体积。

4、优选的，所述低温制冷器的制冷方式采用半导体制冷。

5、优选的，所述低温制冷器包括液体换热器、热电模块、温度传感器，tmr器件和读出电子学电路紧贴热电模块的冷侧，热电模块的热侧紧贴真空腔体的腔壁并与液体换热器接触，温度传感器位于热电模块的冷侧用于采集冷侧的温度信号并反馈控制热电模块的电流。

6、优选的，所述热电模块是由多个材料不同的热电偶组成的热电堆，通过控制热电堆中电流的大小和方向实现制冷。

7、优选的，所述热电模块的热侧通过热导管与液体换热器接触，液体换热器上设有两个冷却液导流孔，冷却液从一个导流孔流入液体换热器，经过与热电模块的热侧换热后从另一个导流孔流出。

8、优选的，所述读出电子学电路包括第一薄膜电阻、第一电容滤波电路、cmos前置放大器、第二薄膜电阻和第二电容滤波电路，tmr器件输出的电压测量信号经过第一薄膜电阻、第一电容滤波电路、cmos前置放大器、第二薄膜电阻和第二电容滤波电路输出，第一电容滤波电路和第二电容滤波电路为np0陶瓷电容或mica电容。

9、优选的，还包括采样/保持与数模转换电路、微处理器电路、可编程电源和线性电源，tmr器件及温度传感器的输出信号经过读出电子学电路检测放大后输入采样/保持与数模转换电路，温度信号经过采样/保持与数模转换电路转换成控制量，经微处理器电路、温度反馈通路控制可编程电源输入到热量模块的电流的大小，线性电源用于给tmr器件及读出电子学电路供电。

10、优选的，所述采样/保持与数模转换电路通过第一真空法兰与读出电子学电路连接，可编程电源和线性电源通过第二真空法兰分别与热电模块和tmr器件连接，第一真空法兰和第二真空法兰均位于低温制冷器的真空腔体壳体上。

11、优选的，所述第一真空法兰和第二真空法兰均为内嵌pcb板的法兰结构，顶层和底层装配表贴安装的高密度连接器，pcb板四周敷铜平面并硬金镀化，在敷铜法兰与pcb板之间放置密封垫片，pcb板为至少四层的多层板结构，其中至少一层平面完全铺铜，pcb板走线通过错位盲孔连接顶层连接器和底层连接器。

12、优选的，tmr器件为单路tmr或tmr阵列，温度传感器位于tmr阵列中。

13、本发明提供的优点在于：

14、1、本发明利用隧道磁电阻在低温下隧道磁电阻比升高的特性，通过将tmr器件及其读出电子学电路设置在低温制冷器的真空腔体内，且紧贴低温制冷器的冷侧，通过对低温制冷器的控制，能够将真空腔体内温度准确维持在一个既定的温度(100k到223k)(约-174℃到-50℃)，从而能够将隧道磁电阻器件控制在特定较低温度，由于tmr器件及其读出电子学电路功耗非常低，其自身发热量极小且通过低温制冷器传输出去，一方面可以使得tmr器件稳定在很高的磁阻比率，提高了tmr器件的测磁灵敏度，使其分辨率更高，达到或者接近超导量子干涉器件的磁灵敏度，实现微弱磁信号的测量，另一方面读出电子学电路在低温下，电子噪声显著减少，增强了微弱磁场的识别能力，从而实现对微弱磁场的测量，可以应用在原本需要超导量子干涉器件测量磁场的应用场合，且不需要极低温度，极大地简化了微弱磁场测量的技术难度，降低了测量系统的复杂度、成本、功耗、体积。

15、2、本发明采用的半导体制冷技术的热电模块无振动、无噪音、体积小巧、响应迅速、可靠性高，可在各种环境下工作，但其制冷能力较弱，本发明通过将冷侧置于真空腔体内，热侧紧贴具有良好导热效果的真空腔壁，进而与液体换热器紧密接触，一方面热侧温度将决定于冷却液的温度，另一方面，冷侧处在真空环境中，热传导主要经过辐射传热方式，没有材料的对流或者导热，可以有效减少热能的传导，能够大大提高制冷效率，温度维持在一个很低的温度，确保冷侧温度稳定，实现良好隔热。

16、3、本发明读出电子学电路的cmos前置放大器在低温下(-100℃)能够表现出更低噪声、更低功耗、更高增益、更宽带宽等特性，薄膜电阻在低温环境中其阻值稳定性高，np0陶瓷电容或mic电容构成滤波电路，np0陶瓷电容或mica电容在低温下，其容值相对室温变化小，本发明的读出电子学电路可以在50k-223k区间工作，其噪声水平显著低于室温读出电子学电路。

17、4、本发明通过在法兰中内嵌pcb板，能够很好地提高通道密度，不受连接器种类限制，pcb走线采用盲孔连接，能够实现高通道密度的法兰结构，不仅适用于单路tmr测微弱磁场，而且适用于tmr阵列用于磁成像。

18、5、本发明通过在冷侧加入温度传感器，通过传感器采集到的温度信息反馈控制半导体制冷片的电流大小，从而能够维持冷侧温度，实现高精度控温。