[发明专利]用于借助电磁传感器进行磁场测量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于借助电磁传感器对时变磁场进行测量的方法。

背景技术

电磁（ME）传感器适合于探测例如通过生物有机体中的电流引起的其他小时变的磁场。电磁传感器适用于作为有前途的候选方案用以取代所谓的SQUIDS（超导量子干涉器件），SQUIDS基于超导体并且为了该目的而需要持续的并且极度的冷却。此外，ME传感器在开发生物磁性接口方面是当前研究的主题，生物磁性接口首先能够使用在医学诊断（例如MEG、MKG）中并且可能未来也能够使用在假肢控制中或者甚至能够用于计算机和机器的普通的“思维控制”。

所有ME传感器的功能的基本构思在于磁致伸缩的和压电的材料的机械力耦合。

磁致伸缩材料（例如铁磁的过渡金属（Fe、Ni、Co）及其合金、稀土Tb、Dy、Sm与铁磁的过渡金属（例如TbFe2、SmFe2）的化合物或者还有铁磁的玻璃（主要包含可变比例的元素铁、钴、硼或者硅））在作用到磁致伸缩材料上的磁场的方向上经受可逆的长度变化。该长度变化归因于单元磁体沿着外部磁场的定向并且根据如今的知识在室温下达到2.5mm/m=2500ppm。

如果将磁致伸缩材料机械固定地耦合到压电电介质（例如锆钛酸铅（PZT）、聚偏氟乙稀（PVDF）、氮化铝（AlN））上，那么磁致伸缩的伸展能够施加引起压电电介质中的结构上的电荷移动（极化）的力，这又引起可测量的压电电压。该电压能够作为磁场强度的大小以电子的方式来检测和分析。

存在多种不同实施的ME传感器。其中最简单的当属多层的层系统，其包括由磁致伸缩材料制成的至少一个层，其具有直接布置在其上的压电层的和作为压电材料上的电极的金属化层。层系统通常具有固定在至少一个端部上的条带的形状。在磁场沿着条带长度作用的情况下，条带由于不同的材料伸展而弯曲，并且因此同时弯曲的压电材料被电极化。两个条带平坦侧部之间的电势差可以被作为测量电压而截取。

磁致伸缩（MS）的和压电（PE）的材料涂层能够以本身已知的覆层技术相叠地沉积和/或沉积在预先确定的衬底上。就此而言，ME传感器的制造与硅技术的工艺兼容，尤其是以MEMS结构（微机电系统）制造集成的ME传感器。但，分开地制造MS和PE膜和接下来将这两者粘贴成一个ME膜也适合于根据所描述的原理制造磁场传感器。

全部ME传感器是机械的振荡器。在限定频率的周期性磁场的作用下，所述ME传感器显示出受迫的机械振动特性。如果在此借助ME传感器的机械共振频率进行激励，那么本身非常小的磁场强度引起非常大的测量电压。

以生物方式产生的磁场典型地仅具有1Hz至大约100Hz的量级的频率。相反地，常见的ME传感器的共振频率通常处于几百赫兹至几百千赫兹中。例如通过集成到MEMS中来进一步使ME传感器小型化可以预期还会有更高的共振频率。

ME传感器中引起的电场强度幅度与进行激励的磁场强度幅度之比称作ME系数、α_ME。在共振的情况下和远处于共振之外的磁场的测量之间，ME系数典型地变化二至三个量级。

因此会值得期望的是，为了探测具有事先已知的频率的小磁场，而分别提供具有匹配的共振频率的ME传感器。实际上寻求，将例如开始所描述的条带结构类型的ME传感器通过布置附加的质量（Massen）而调节到较低的共振频率上。ME系数在共振频率处因此还仍具有界限分明的最大值，使得相邻的频率提供明显更弱的信号。即使具有全部不同的共振频率（例如在US2010/0015918A1中提出，其中ME传感器考虑作为磁载波的接收器并且阵列实现多个数据通道）的ME传感器的阵列不一定引起对频带足够密地扫描，在所述频带上应检测先验未知的信号。此外，具有数百个ME传感器的阵列实际上仅能够被制造为集成的微系统，并且在此几乎不能够实施将kHz振荡器的机械共振频率降低到生物磁性的带区域（≤100Hz）上。