Диссертация (1098006), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для определения диагональныхкомпонент могут использоваться как одно-портовые измерения ( 11 ), так и двухпортовые измерения (12), тогда как недиагональные компоненты определяются через12- параметр. Дизайн микрополосковых ячеек очень важен для минимизации посткалибровочных ошибок. При определении импеданса по 11-параметру требуетсяспециальная пре-калибровка линии в открытом состоянии [136].Микрополосковые линии перспективны для разработки непосредственно МИсенсорных систем, особенно в комбинации с пленочными элементами [137-139]. В этомслучаенеобходимоучитыватьчувствительность сенсора.влияниегеометриивсейконструкциина47Рисунок 1.20.Схема измерения модулированных спектров рассеяния от МИпровода.
Измеряемый сигнал определяется отношением интенсивностей падающейволны от антенны, соединенной с портом 1, и рассеянной волны, детектируемойантенной порта 2. Сигнал модулируется низкочастотным магнитным полем.При гигогерцовых частотах могут использоваться методы измерений в свободномпространстве [140]. При этом исследуемый образец должен обладать значительнойэлектрической поляризуемостью, что реализуется для проводящего элемента в формепровода при условиях антенного резонанса [141-142]. Например, провод длиной 10смимеет антенный резонанс на частоте 1.4 ГГц.Схема измерений представлена на Рисунке 1.20.
Магнитный провод помещаетсямежду двумя антеннами, соединенными с портами анализатора цепей. Измеряемаявеличина21 = 20 log21зависит от отношения интенсивности падающей1 и рассеянной 2 волн.Интенсивность 2 зависит от наведенного электрического дипольного момента провода,который может быть значительным в области резонанса.
Импеданс провода, которыйзависит от его магнитных свойств, влияет на дипольный момент. Таким образом, можнополучить информацию о зависимости импеданса от различных внешних факторов.Поскольку полезный рассеянный сигнал достаточно мал (на уровне – 20 dB), можноиспользовать модуляцию переменным магнитным полем маленькой частоты.
Такаясхема является также перспективной для разработки беспроводных встраиваемыхсенсоров, в частности, для биомедицинских приложений.48На Рисунке 1.21 представлен модулированный выходной сигнал.Частотамодуляции в два раза выше частоты модулирующего поля, что связано с симметриейзависимости импеданса от магнитного поля.Величина модуляции зависит отприложенного внешнего растягивающего механического напряжения. В наших работахмы продемонстрировали, что такое поведение 21 полностью объясняется зависимостьюдипольного момента провода от поверхностного импеданса и поведением последнего вприсутствии внешнего магнитного поля и механической нагрузки.Рисунок 1.21.Модулированный выходной сигнал от Fe2.25Co72.75Si10B15микропровода для различных значений внешней нагрузки.
Длина провода - 10 cm,радиус металлической жилы - 33 m, полный радиус - 50 m.Расстояние междуантеннами – 1.5 м. (b) -Зависимость амплитуды модуляций от напряжений.В свободном пространстве измеряются также композитные образцы, содержащиемагнитные вытянутые проводящие включения, как показано на Рисунке 1.22.Дляопределения эффективных параметров композитных образцов необходимоисключить влияние паразитных переотражений. Для этого может быть использованаспециальная GRL (Gated Reflect Line ) калибровка [143],которая основана на Фурье-преобразовании между временными и частотными доменами. Она позволяет избежатьиспользование дорогостоящих фокусирующих антенн и безэховых камер.49Рисунок1.22.Схемаизмеренийкомпозитныхобразцоввсвободномпространстве.
Композитный образец в плоской катушке располагается между двумяантеннами.Для сенсорных приложений очень интересны импульсные схемы возбуждения[145-146], что связано с простотой электронных схем, низким потреблением энергии.Однако эти схемы соответствуют относительно низкочастотному возбуждению.Например, для импульса, имеющего время нарастания/спада порядка 5 нс, характернаячастота составляет 50 МГц. В последнее время предлагается использование импульсов схарактерной частотой порядка ГГц. Принципиальная схема импульсного возбуждениявключает генератор сигналов, МИ элемент и систему детектирования.
Короткиеимпульсы могут быть получены с помощью дифференцирования прямоугольныхимпульсов мультивибратора. МИ элемент возбуждается импульсным током, иамплитуда снимаемого сигнала зависит от внешнего магнитного поля благодаряизменению импеданса. Для сенсорных приложений выходной сигнал снимается прииспользовании ключа, синхронизованного с возбуждающим импульсом.В течениивремени, когда ключ закрыт, выходной сигнал формируется с помощью интегрирующейсхемы.501.6 Применение МИ эффекта для разработкивысокочувствительных и миниатюрных сенсоровИзучая недавние обзоры по магнитным сенсорам [147-150] можно сделать вывод,что в течении относительно долго времени разработка сенсорных технологий в этойобласти основывается на основных 4-х типах (Рисунок 1. 23): SQUIDs, fluxgates, MR,Hall.СКВИДы(SQUID) магнетометры, используются длярегистрации сверхмалыхмагнитных полей до десятков фемтаТесла.
Эти магнетометры являются рекордсменамипо чувствительности и могут детектировать биологические магнитные сигналы, такиекак магнитные поля, создаваемые активностью мозга. Магнитомодуляционные сенсоры(fluxgate) также имеют очень низкое разрешение, вплоть до рикаТесла, однако ихпримененияимеютпространственнымрядограничений,разрешением,таксвязанныхкаксенсорныйсотносительноэлементнизкимбыстротеряетчувствительность при уменьшении размеров. Для регистрации больших полейиспользуются магниторезистивные сенсоры, датчика Холла.Рисунок 1.23.
Диаграмма, показывающая диапазон магнитных полей отразличных источников, включая биологические, и типы магнитных сенсоров, способныерегистрировать соответствующие поля.Наряду с традиционными сенсорными технологиями, идет разработка новыхнекриогенных высокочувствительных сенсорных методов, основанных на явленияхтунельногомагнито-сопротивления,магнито-транзистораимагнитоимпеданса.Понятно, что возможность регистрации сверхмалых магнитных полей при комнатныхтемпературахимеетбольшоепрактическоезначение,таккакнетребуется51использование трудоемкой и дорогой криогенной технологии. Для многих приложений,таких как контроль транспорта магнитных нано-маркеров,необходимо проводитьрегистрацию пространственного распределения магнитных полей, что являетсядостаточно трудной технологической задачей.
Так, для СКВИДов пространственноеразрешение ограничено поверхностью выносных катушек. Миниатюрный МИ элементможет представлять особый интерес для этой области.Большие ожидания в области детектирования слабых локальных магнитныхполей были связанны с разработкой матричных магнеторезестивных элементов,технология которых хорошо развита, так как они используются в магнитной записи.Большое преимущество этих сенсоров обусловлено балансом ряда факторов, таких какмаленькие размеры чувствительного элемента (меньше микрона), достаточно высокаячувствительность, простая схема возбуждения и считывания сигналов и совместимость синтегральными схемами.
Значительные изменения сопротивления до 220% достигаютсяв спин-туннельных элементах [151], однако при этом повышается 1/f шум. Например,чувствительность для регистрации магнитных частиц оказывается недостаточной, ивозникает необходимость точного позиционирования частиц на поверхности сенсорногоэлемента с помощью системы токовых проводников [152-154]. Это приводит ксущественным технологическим трудностям и ограничивает применение такихсенсорных систем.МИ сенсоры основаны на электродинамических принципах.
Однако в отличие отмагнитомодуляционных сенсоров они имеют высокие частоты возбуждения, и высокиечувствительности достигаются в линейном режиме динамической восприимчивости.Недавно МИ сенсоры в недиагональной конфигурации были использованы дляполучения магнитной кардиограммы [155]. Для таких приложений должно бытьреализовано разрешение на уровне pT при частотах меньших 10 Гц.БольшоезначениеимееткоммерциализацияМИсенсоравкачествеминиатюрного детектора земного магнетизма в мобильных устройствах [10,156].Сенсор основан на импульсном возбуждении; принципиальная схема представлена наРисунке 1.24.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
