УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Российский патент 2023 года по МПК G01R33/02 

Устройство для измерения слабых магнитных полей относится к приборам формирования и обработки СВЧ радиосигналов, и может быть использовано, например, для измерения слабых магнитных полей, в частности измерение магнитных полей сердца, и детектирование магнитных полей головного мозга.

Известно устройство для измерения слабых магнитных полей (RU 2118834 С1, авторы: Антонов А.С., Лагарьков А.Н., Якубов И.Т., Морозов И.Н., патентообладатель: научно-исследовательский центр прикладных проблем электродинамики Объединенного института высоких температур РАН), в котором в качестве чувствительного элемента используется проводник из ферромагнитного материала, окруженного катушкой индуктивности. Проводник последовательно соединен с источником переменного тока. Катушка индуктивности соединена с измерителем напряжения на ее концах.

Известен цифровой сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД)-магнитометр (SU 1405508 А1, авторы Алексеев Н.И., Эчейкин Ю.Н.), который относится к изобретениям по магнитным измерениям. Цифровой СКВИД имеет повышенную помехоустойчивость. Достигается тем, что он содержит СКВИД, резонансный контур, подключенный к генератору высокой частоты, генератору низкой частоты и входу высокочастотного усилителя, выход которого соединен с амплитудным детектором, и первый формирователь коротких импульсов, а второй выход генератора низкой частоты через последовательно соединенные формирователь меандра, умножитель частоты, второй формирователь коротких импульсов и элемент задержки соединен с первым входом фазового детектора, выход которого соединен с регистратором, введены фильтр низких частот, D - триггер и ждущий мультивибратор, причем выход формирователя меандра соединен с входом установки нуля D-триггера, а выход амплитудного детектора с входом фильтра низкой частоты, выход которого через формирователь импульсов соединен с входом синхронизации D-триггера, выход которого через ждущий мультивибратор соединен со вторым входом фазового детектора.

Известна конструкция, устойчивая к воздействию шума, на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с интерфейсом моста Уитстона с силовой балансировкой в 130-нм КМОП технологией, описанная в ст. Rethy, J., Danneels, Н., De Smedt, V., et al. "Supply-Noise-Resilient Design of a BBPLL-Based Force-Balanced Wheatstone Bridge Interface in a 130-nm CMOS" IEEE Journal of Solid-State Circuits//Vol.48, No. 1, 2618-2627, DOI:10.1109/JSSC.2013.227483 (2013).

Преимуществом такой структуры является ее высокая чувствительность, стабильность работы в широком диапазоне температур, энергоэффективность, высокая скорость анализа.

Недостатком такой структуры является вывод из равновесия моста Уитстона при смещении между двумя генераторами.

Технический результат - увеличение чувствительности магнитометров без использования криогенных технологий, повышение стабильности питания, энергоэффективность, увеличение скорости анализа магнитометра.

Существо изобретения представлено на чертежах, где:

Фиг. 1 - структурная схема высокочувствительного магнитометра;

фиг. 2 - структурная схема магнитного туннельного перехода (МТП).

Схема состоит из источника напряжения питания (1), двух резистивных цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) (2, 3), двух МТП структур (4, 5), двух согласованных генераторов, управляемых напряжением (ГУН) (6, 7), двоичного фазового детектора (8) и цифрового фильтра (ЦФ). (9).

ГУН представляет собой электронный генератор, частота колебаний которого управляется подаваемым на вход управляющим напряжением.

МТП структура состоит из расположенных друг на друге в виде столбца последовательно закрепленных трех основных слоев: первый ферромагнитный слой МТП структуры (10) свободно перемагничивается по направлению приложенного внешнего магнитного поля, диэлектрическая прослойка (И) для создания эффекта туннелирования, второй ферромагнитный слой МТП структуры (12) имеет фиксированное направление намагниченности для поляризации тока по спину.

Фазовый детектор (ФД) предназначен для сравнения двух частот. На выходе ФД формируется сигнал, пропорциональный разности фаз входных сигналов. При воздействии различных частот на входе ФД, на выходе формируется периодический сигнал с разностной частотой. Если частота входного сигнала не равна частоте сигнала на выходе ГУН, сигнал фазовой ошибки после фильтрации и усиления используется для коррекции частоты ГУН по сравнению с частотой сигнала на входе ФД. Если параметры частоты совпадают, ГУН сохраняет определенное соотношение фаз между двумя сигналами. Фиг. 3 показывает зависимость коэффициента подавления помехи питания от рассогласования между двумя ГУН (6, 7), выраженное в процентах.

Принцип функционирования устройства состоит в следующем.

С источника напряжения (1) подается питание на мост Уитстона. Для сохранения высокого коэффициента подавления нестабильности питания используется механизм балансирования. Это достигается путем измерения разности напряжений между двумя ветвями моста и подстройкой одной ветви (2,3) через контур обратной связи, вследствие чего только одна ветвь используется под чувствительные элементы. В качестве чувствительных элементов используются МТП структуры (4, 5). Амплитуды напряжения сначала преобразовываются в частоту на ГУН (6, 7), после чего происходит сравнение в ФД и обработка на ЦФ.

Преобразование основано на блокировке двух идентичных ГУН (6, 7): один управляется правой ветвью моста Уитстона, в которую включены МТП структуры (4, 5), причем частота колебаний намагниченности МТП структур меняется в зависимости от приложенного внешнего магнитного поля. Фиг. 4 показывает зависимость частоты ГУН датчика (6) от изменения сопротивления. Вторая ветвь моста Уитстона реализована как резистивный ЦАП (2, 3) и находится в контуре ФАПЧ. Из-за динамики ФАПЧ ветвь с резистивным ЦАП (2, 3) будет подтягивать частоту колебаний на МТП структурах (4, 5), тем самым балансируя ГУН (7). Таким образом оба генератора (6, 7) будут работать на одной и той же частоте. Поскольку оба ГУН (6, 7) реализованы одинаково, контур обратной связи будет делать их управляющие напряжения одинаковыми, делая дифференциальное напряжение моста Уитстона почти равным нулю.

Таким образом, при дифференциальном напряжении моста Уитстона стремящегося к нулю, коэффициент подавления нестабильности питания будет стремиться к бесконечности. В совокупности с высокочувствительными МТП структурами, работающими при комнатных температурах, и схемой обработки в виде моста Уитстона с кольцом ФАПЧ будет достигаться высокая чувствительность и стабильность работы устройства.

Изобретение относится к устройствам формирования и обработки СВЧ радиосигналов и предназначено для измерения слабых магнитных полей. Высокочувствительный магнитометр содержит структуру на базе магнитного туннельного перехода (МТП), а также систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Технический результат - повышение чувствительности магнитометра, повышение стабильности питания, энергоэффективности, повышение скорости анализа магнитометра. В схеме магнитометра в качестве чувствительных элементов используется МТП структура, состоящая из расположенных друг на друге в виде столбца последовательно закрепленных трех основных слоев: первого ферромагнитного слоя, диэлектрической прослойки и второго ферромагнитного слоя, при этом чувствительные элементы встроены в кольцо системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и включены в схему обработки на основе моста Уитстона. 4 ил.

Высокочувствительный магнитометр, содержащий источник напряжения питания, отличающийся тем, что источник напряжения питания соединен с первым резистивным цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) и с первым чувствительным элементом для детектирования магнитного поля, первый резистивный ЦАП соединен со вторым резистивным ЦАП и с первым согласованным генератором, управляемым напряжением (ГУН), первый чувствительный элемент для детектирования магнитного поля соединен со вторым чувствительным элементом для детектирования магнитного поля и со вторым согласованным ГУН, два согласованных ГУН соединены с двоичным фазовым детектором (ФД), двоичный ФД соединен с цифровым фильтром (ЦФ), который соединен с двумя резистивными ЦАП, при этом чувствительные элементы для детектирования магнитного поля выполнены в виде магнитного туннельного перехода (МТП), встроены в кольцо системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и включены в схему обработки на основе моста Уитстона.