超宽工作范围的铁磁共振矢量磁场传感器及应用
阅读说明：本技术 超宽工作范围的铁磁共振矢量磁场传感器及应用 (Ferromagnetic resonance vector magnetic field sensor with ultra-wide working range and application ) 是由 刘明 王志广 胡忠强 温涛 邓致远 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：超宽工作范围的铁磁共振矢量磁场传感器及应用,包括共面波导CPW和外延钇铁石榴石YIG薄膜器件；外延钇铁石榴石YIG薄膜器件设置在共面波导CPW上表面；外延钇铁石榴石YIG薄膜器件外设置有磁场。本发明使用了YIG薄膜铁磁共振频率随外加磁场变化这一现象作为传感器的工作原理,所得磁场传感器具有4nT@1Hz的探测极限,灵敏度较高。(The ferromagnetic resonance vector magnetic field sensor with the ultra-wide working range and the application thereof comprise a coplanar waveguide CPW and an epitaxial yttrium iron garnet YIG thin-film device; the epitaxial yttrium iron garnet YIG thin-film device is arranged on the upper surface of the CPW; and a magnetic field is arranged outside the epitaxial yttrium iron garnet YIG thin film device. The invention uses the phenomenon that the ferromagnetic resonance frequency of the YIG film changes along with the change of an external magnetic field as the working principle of the sensor, and the obtained magnetic field sensor has the detection limit of 4nT @1Hz and higher sensitivity.)
技术领域
本发明属于磁场传感器技术领域，特别涉及超宽工作范围的铁磁共振矢量磁场传感器及应用。
背景技术
磁场传感器可直接检测来自地球、永磁体、磁化软磁材料、电流甚至是来自生物心脏或大脑等器官的磁场的存在、大小或者方向。磁场传感器作为传感器的重要组成部分，已经在地磁导航、工业自动化控制、车辆电子、电网监测、医疗诊断等诸多方面得到了广泛地应用。随着物联网和大数据等产业的不断发展，对于传感器的性能的要求也越来也高。未来的传感器应该集高灵敏度、强抗干扰、低成本、小体积等诸多优点于一身。
磁场传感器的发展过程中采用了各种技术，包括磁共振、霍尔效应、磁电阻、磁通门、磁阻抗和超导量子干涉。但是传统的霍尔传感器灵敏度很低；高灵敏度、高集成度的磁电阻传感器则牺牲了测量范围和抗干扰能力；磁通门传感器功耗较大、响应速度慢；磁阻抗传感器工艺复杂且驱动困难；超导量子干涉仪和传统的基于核磁共振或者电子顺磁共振的磁共振仪器设备庞大，造价昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供超宽工作范围的铁磁共振矢量磁场传感器及应用，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
超宽工作范围的铁磁共振矢量磁场传感器，包括共面波导CPW和外延钇铁石榴石YIG薄膜器件；外延钇铁石榴石YIG薄膜器件设置在共面波导CPW上表面；外延钇铁石榴石YIG薄膜器件外设置有磁场。
进一步的，共面波导CPW包括介质基片和三条互相平行的导带；三条互相平行的导带设置在介质基片上；中间的导带为中心金属导带，两侧为接地带。
进一步的，外延YIG薄膜器件横跨三条平行导带设置。
进一步的，外延钇铁石榴石YIG薄膜器件包括单晶钆镓石榴石GGG衬底和YIG功能层和铂保护层；YIG功能层设置在单晶钆镓石榴石GGG衬底和铂保护层之间。
进一步的，单晶钆镓石榴石GGG衬底取向为(111)。
进一步的，外延钇铁石榴石YIG薄膜器件生长的工艺采用脉冲激光沉积PLD；生长时的温度为850℃，氧气压力为13Pa；沉积完成后，在100Pa氧压下原位退火10min，然后冷却至室温；冷却速度为2℃/min。
进一步的，共面波导CPW的两侧设置有共面波导SMA接口。
进一步的，超宽工作范围的铁磁共振矢量磁场传感器的应用，用于KeysightE5071C型矢量网络分析仪进行测试。测试了该型铁磁共振矢量磁场传感器的S_21参数的相位变化。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明使用了YIG薄膜铁磁共振频率随外加磁场变化这一现象作为传感器的工作原理，所得磁场传感器具有[email protected]的探测极限，灵敏度较高。并且与一般的磁阻式传感器相比，该铁磁共振型传感器具有高达450mT的工作范围，比具有相似灵敏度的商用磁阻传感器高出两个量级。并且该磁场传感器能够检测磁场的方向，一个与地磁场强度近似的微弱磁场发生角度偏转时，角度分辨率能够达到0.006°。
附图说明
图1为共面波导及其上的YIG薄膜器件。
图2为YIG薄膜器件铁磁共振吸收峰随外加磁场的变化示意图。其中图2a为不同外加偏置磁场下传输参数S_21随频率的变化曲线；图2b为共振吸收峰对应频率随外加磁场大小的变化情况。
图3为传感器探测极限测试；其中图3a为在0.5mT的偏置磁场下，S_21参数的相位对外加700、350和210nT的AC磁场信号的响应；图3b为传感器S_21参数的相位信号的频谱和噪声频谱。
图4展示了传感器的工作范围。在0、100和450mT偏置场下对20μT的S_21参数的相位响应。
图5展示了传感器角度测量的结果。其中图5a敏感轴角度步进测试；图5b为角度分辨极限测试。
单晶钆镓石榴石GGG衬底1、YIG功能层2、接地带3、中心金属导带4、共面波导SMA接口5。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明：
一种铁磁共振型磁场传感器，包括共面波导CPW、外延钇铁石榴石(YIG)薄膜器件、微波源和传输参数检测器。外延YIG薄膜器件放置于共面波导的中心金属信号带之上，如图1所示。
所述的外延YIG薄膜器件衬底为(111)取向的单晶钆镓石榴石(GGG)，YIG薄膜生长的工艺采用脉冲激光沉积(PLD)。生长时的温度为850℃，氧气压力为13Pa。沉积完成后，在100Pa氧压下原位退火10min，然后冷却至室温。冷却速度为2℃/min。
当外加磁场的作用下，YIG薄膜中的磁矩会产生拉莫进动。当进动频率与微波信号频率一致时，会对微波信号产生强烈的吸收。进动频率(微波共振吸收频率)与外加磁场的大小直接相关，可以表示为
其中H是外加磁场；Hip,3是面内的各向异性场；Meff是有效磁化。该传感器铁磁共振吸收峰随外加磁场的变化如图2所示。随着外加磁场的增大，吸收峰对应的共振频率不断增大。拟合共振频率与外加磁场关系曲线，可以得到公式(1)中：Hip,3＝22mT，4πMeff＝240mT。
对所述的磁场传感器进行探测极限的测试，结果如图3所示。在0.5mT偏置磁场下，此时共振吸收频率为330MHz。在YIG薄膜上施加频率为1Hz，强度分别为700、350和210nT的三种不同磁场信号，传输参数S21的相位变化如图3a所示，呈现了明显的正弦变化。为了确定所述传感器的检测极限(LOD)，使用快速傅里叶变换(FFT)的方法对信号进行分析处理，在频谱中观察到42nT信号及噪声谱，在1Hz处观测到的等效磁噪声谱密度为如图3b所示。
对所述的磁场传感器进行了工作范围的测试，结果如图4所示。测量了1Hz正弦交流磁场(强度为20μT)在不同偏置磁场(0、100、450mT)下S21参数的相位的变化，在三种偏置磁场下都可以很清晰地观察到与外加正弦交流磁场一致的信号变化规律，说明YIG铁磁共振磁强计的测量范围大于450mT。
对所述的磁场传感器进行了角度分辨测试，结果如图5所示。将所述的传感器的轴与外加磁场(50μT)垂直，然后以0.2°的步长旋转外磁场，测量S21相位参数的变化，如图5a所示，可以识别出明显的阶跃波形。使用了一个1Hz的交流角度变化信号(50μT)来确定角度灵敏度的检测极限。同样使用FFT的方法对信号进行分析，得到1Hz处的信号响应强度，当角度变化小于0.006°时，信号强度与角度变化的线性关系不再成立，在频谱中无法识别信号峰。表明在50μT导航磁场下，可以识别的最小角度变化为0.006°。
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