pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2021-12-2-117-123pimi-710Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsПроектирование планарного феррозондового датчика по технологии печатных платDesigning a Planar Fluxgate Using the PCB TechnologyКоломейцевА. А.KolomeitsevA. A.

пр-т Ленина, 30а, г. Томск 634050

Lenin Ave., 30а, Tomsk 634050

mita8@rambler.ruЗатоновИ. А.ZatonovI. A.

пр-т Ленина, 30а, г. Томск 634050

Lenin Ave., 30а, Tomsk 634050

mita8@rambler.ruПищанскаяМ. И.PischanskayaM. I.

пр-т Ленина, 30а, г. Томск 634050

Lenin Ave., 30а, Tomsk 634050

mita8@rambler.ruБарановП. Ф.BaranovP. F.

пр-т Ленина, 30а, г. Томск 634050

Lenin Ave., 30а, Tomsk 634050

mita8@rambler.ruИльященкоД. П.IlyaschenkoD. P.

Адрес для переписки: Ильященко Д.П. – Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, ул. Ленинградская, 26, г. Юрга 652055, Россия

e-mail: mita8@rambler.ru

Address for correspondence: Ilyaschenko D.P. – Yurga Institute of Technology National Research Tomsk Polytechnic University, Leningradskaya st., 26, Yurga 652055, Russia

e-mail: mita8@rambler.ru

mita8@rambler.ruВерхотуроваЕ. В.VerkhoturovaE. V.

ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск 664074

Lermontov str., 83, Irkutsk 664074

mita8@rambler.ruТомский политехнический университетРоссияTomsk Polytechnic UniversityRussian FederationЮргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета; Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, пр-т Академический, 2/4, г. Томск 634055, РоссияРоссияYurga Institute of Technology National Research Tomsk Polytechnic University; Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of SciencesRussian FederationИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202125062021122117123Copyright © Коломейцев А.А., Затонов И.А., Пищанская М.И., Баранов П.Ф., Ильященко Д.П., Верхотурова Е.В., 20212021Коломейцев А.А., Затонов И.А., Пищанская М.И., Баранов П.Ф., Ильященко Д.П., Верхотурова Е.В.Kolomeitsev A.A., Zatonov I.A., Pischanskaya M.I., Baranov P.F., Ilyaschenko D.P., Verkhoturova E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/710

Разработка новых методов, научных приборов и средств для измерения магнитных полей, создаваемых сверхслабыми токами, является одним из перспективных направлений в развитии медицинской техники, геодезических и космических исследований. Целью данной работы являлась разработка малогабаритного датчика, способного детектировать слабые магнитные поля, источниками которых могут быть биотоки, излучения далёких космических объектов и слабые флуктуации магнитного поля земли. Учёные оценивают величины таких магнитных полей в десятые доли нанотесла. 

Среди ключевых требований к датчикам сверхслабого магнитного поля можно отнести разрешающую способность, уровень шумов в измерительном канале, температурную стабильность, линейность и повторяемость характеристик от изделия к изделию. Предлагается добиться этих характеристик путём применения планарных технологий и микроэлектромеханических систем при изготовлении современных датчиков.

В работе описан полный цикл исследования, от создания компьютерной модели исследуемого датчика до изготовления рабочего прототипа. Для оценки влияния геометрических параметров и влияния свойств материала использована модель Джилса‒Атертона, которая, в отличие от большинства используемых моделей, позволяет учесть нелинейность сердечника, его гистерезисные свойства и влияние остаточной намагниченности.

Габариты разработанного датчика составляют 40×20×5 мм и технически возможно его уменьшение. Разработанный датчик продемонстрировал линейность характеристик в диапазоне от 0,1 нТл до 50 мкТл при среднеквадратическом токе возбуждения 1,25 мА на частоте 30 кГц. Усреднённый коэффициент преобразования по второй гармонике составляет 54 мкВ/нТл.

The development of novel methods, scientific devices and means for measuring magnetic fields generated by ultra-low current is among promising directions in the development of medical equipment and instruments for geodetic surveys and space exploration. The present work is to develop a small sensor capable of detecting weak magnetic fields, which sources are biocurrents, radiation of far space objects and slight fluctuations of the geomagnetic field. Scientists estimate the strength of such magnetic fields as deciles of nanotesla. 

The key requirements for the sensors of ultra-low magnetic field are: resolution, noise level in the measurement channel, temperature stability, linearity and repeatability of the characteristics from one produced item to another. The aforementioned characteristics can be achieved by using planar technologies and microelectromechanical systems (MEMS) in such advanced sensors.

The work describes a complete R&D cycle, from creating the computer model of the sensor under study to manufacturing of a working prototype. To assess the effect of the geometry and material properties, the Jiles–Atherton model is implemented which, unlike the majority of the models used, allows considering the non-linearity of the core, its hysteresis properties and influence of residual magnetization.

The dimensions of the developed sensor are 40×20×5 mm, while the technology allows its further diminishment. The sensor has demonstrated the linearity of its properties in the range of magnetic field strength from 0.1 nT to 50 µT for a rms current of excitation of 1.25 mA at a frequency of 30 kHz. The average sensitivity for the second harmonic is 54 µV/nT.

магнитометрпланарный феррозондовый датчикмагнитная индукциямодель Джилса–Атертонапечатная платаmagnetometerplanar fluxgatemagnetic inductionJiles–Atherton modelprinted circuit boardThe investigation was performed at Tomsk Polytechnic University within the Programme for Promoting the Competitiveness and with the support of the Russian Foundation for Basic Research (RFBR) (project no. 19-37 90061) and Grant № МК-873.2020.8 of the President of the Russian Federation.ReferencesRipka P. Magnetic Sensors and Magnetometers. Boston, Artech house, 2000, 494 p.Ripka P. Magnetic Sensors and Magnetometers. Boston, Artech house, 2000, 494 p.Carr C. The Double Star magnetic fi investigation. Ann. Geophys, 2005, no. 23, pp. 2713− 2732. DOI: 10.5194/angeo-23-2713-2005Carr C. The Double Star magnetic fi investigation. Ann. Geophys, 2005, no. 23, pp. 2713− 2732. DOI: 10.5194/angeo-23-2713-2005Can H., Topal U. Design of Ring Core Fluxgate Magnetometer as Attitude Control Sensor for Low and High Orbit Satellites. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism March, 2015, vol. 28, no. 3, pp. 1093−1096. DOI: 10.1007/s10948-014-2788-5Can H., Topal U. Design of Ring Core Fluxgate Magnetometer as Attitude Control Sensor for Low and High Orbit Satellites. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism March, 2015, vol. 28, no. 3, pp. 1093−1096. DOI: 10.1007/s10948-014-2788-5Johnson M.W., Amin M.H., Gildert S., Lanting T., Hamze F., Dickson N., Harris R., Berkley A.J., Johansson J., Bunyk P., Chapple E.M., Enderud C., Hilton J.P., Karimi K., Ladizinsky E., Ladizinsky N., Oh T., Perminov I., Rich C., Thom M.C., Tolkacheva E., Truncik C.J., Uchaikin S., Wang J., Wilson B., Rose G. Quantum annealing with manufactured spins. Nature, 2011, vol. 473, no. 7346. pp. 194−198. DOI: 10.1038/nature10012Johnson M.W., Amin M.H., Gildert S., Lanting T., Hamze F., Dickson N., Harris R., Berkley A.J., Johansson J., Bunyk P., Chapple E.M., Enderud C., Hilton J.P., Karimi K., Ladizinsky E., Ladizinsky N., Oh T., Perminov I., Rich C., Thom M.C., Tolkacheva E., Truncik C.J., Uchaikin S., Wang J., Wilson B., Rose G. Quantum annealing with manufactured spins. Nature, 2011, vol. 473, no. 7346. pp. 194−198. DOI: 10.1038/nature10012Uchaikin S., Likhachev A., Cioata F., Perminov I., Sanghera H., Singh I., Spear P., Chavez P., Han X., Petroff C., Rich C. Sample 3D magnetometer for a dilution refrigerator. Journal of Physics Conference Series, 2012, vol. 400, pp. 052037. DOI: 10.1088/1742-6596/400/5/052037Uchaikin S., Likhachev A., Cioata F., Perminov I., Sanghera H., Singh I., Spear P., Chavez P., Han X., Petroff C., Rich C. Sample 3D magnetometer for a dilution refrigerator. Journal of Physics Conference Series, 2012, vol. 400, pp. 052037. DOI: 10.1088/1742-6596/400/5/052037Uchaikin S.V. Fluxgate Magnetometer for Cryogenics. In Proc. of the 21st International Conference on Low Temperature Physics (LT21), Czechoslovak Journal of Physics, 1996, pp. 2809.Uchaikin S.V. Fluxgate Magnetometer for Cryogenics. In Proc. of the 21st International Conference on Low Temperature Physics (LT21), Czechoslovak Journal of Physics, 1996, pp. 2809.Sukhanov D.Y. [Magnetic introscopy with a magnetic sensor array]. Izvestiya vishih uchebnih zavedeniy. Phizika [Izvestiya vyshin educational institutions. Physics], 2013, vol. 56, no. 8/2, pp. 23−26 (in Russian).Sukhanov D.Y. [Magnetic introscopy with a magnetic sensor array]. Izvestiya vishih uchebnih zavedeniy. Phizika [Izvestiya vyshin educational institutions. Physics], 2013, vol. 56, no. 8/2, pp. 23−26 (in Russian).Fagaly R.L. Superconducting quantum interference device instruments and applications. Rev. Sci. Instrum., 2006, vol. 77, no. 10, pp. 101101-101101-45. DOI: 10.1063/1.2354545Fagaly R.L. Superconducting quantum interference device instruments and applications. Rev. Sci. Instrum., 2006, vol. 77, no. 10, pp. 101101-101101-45. DOI: 10.1063/1.2354545Shirai Y. Hirao K., Shibuya T., Okawa S., Hasegawa Y., Adachi Y., Sekihara K., Kawabata S. Magnetocardiography using a magnetoresistive sensor array. Int Heart J., 2019, vol. 60, no. 1, pp. 50−54. DOI: 10.1536/ihj.18-002.Shirai Y. Hirao K., Shibuya T., Okawa S., Hasegawa Y., Adachi Y., Sekihara K., Kawabata S. Magnetocardiography using a magnetoresistive sensor array. Int Heart J., 2019, vol. 60, no. 1, pp. 50−54. DOI: 10.1536/ihj.18-002.Karo H., Sasada I., Magnetocardiogram measured by fundamental mode orthogonal fl array. J. Appl. Phys., 2015, vol. 117, no. 17, pp. 17B322. DOI: 10.1063/1.4918958Karo H., Sasada I., Magnetocardiogram measured by fundamental mode orthogonal fl array. J. Appl. Phys., 2015, vol. 117, no. 17, pp. 17B322. DOI: 10.1063/1.4918958Adachi Y., Higuchi M., Oyama D., Haruta Y., Kawabata S., Uehara G. Calibration for a multichannel magnetic sensor array of a magnetospinography system. IEEE Trans. Magn., 2014, vol. 50, no. 11, pp. 1−4. DOI: 10.1109/TMAG.2014.2326869Adachi Y., Higuchi M., Oyama D., Haruta Y., Kawabata S., Uehara G. Calibration for a multichannel magnetic sensor array of a magnetospinography system. IEEE Trans. Magn., 2014, vol. 50, no. 11, pp. 1−4. DOI: 10.1109/TMAG.2014.2326869Harada S., Sasada I., Hang F. Development of a One Dimensional Fluxgate Array and Its Application to Magnetocardiogram Measurements. Electronics and Communications in Japan, Translated from Denki Gakkai Ronbunshi, 2015, vol. 98, no. 4. DOI: 10.1002/ecj.11645Harada S., Sasada I., Hang F. Development of a One Dimensional Fluxgate Array and Its Application to Magnetocardiogram Measurements. Electronics and Communications in Japan, Translated from Denki Gakkai Ronbunshi, 2015, vol. 98, no. 4. DOI: 10.1002/ecj.11645Vetoshko P.M., Gusev N.A., Chepurnova D.A., Samoilova E., Zvezdin A., Korotaeva A., Belotelov V. Rat Magnetocardiography Using a Flux-Gate Sensor Based on Iron Garnet Films. Biomed Eng., 2016, vol. 50, pp. 237–240. DOI: 10.1007/s10527-016-9628-9Vetoshko P.M., Gusev N.A., Chepurnova D.A., Samoilova E., Zvezdin A., Korotaeva A., Belotelov V. Rat Magnetocardiography Using a Flux-Gate Sensor Based on Iron Garnet Films. Biomed Eng., 2016, vol. 50, pp. 237–240. DOI: 10.1007/s10527-016-9628-9Gusev N.A., Vetoshko P.M., Kuzmichev A.N., Chepurnova D., Samoilova E., Zvezdin A., Korotaeva A., Belotelov V. Ultra-Sensitive Vector Magnetometer for Magnetocardiographic Mapping. Biomed Eng., 2017, vol. 51, pp. 157–161. DOI: 10.1007/s10527-017-9705-8Gusev N.A., Vetoshko P.M., Kuzmichev A.N., Chepurnova D., Samoilova E., Zvezdin A., Korotaeva A., Belotelov V. Ultra-Sensitive Vector Magnetometer for Magnetocardiographic Mapping. Biomed Eng., 2017, vol. 51, pp. 157–161. DOI: 10.1007/s10527-017-9705-8Baranova V.E., Baranov P.F., Muravyov S.V., Uchaikin S. The Production of a Uniform Magnetic Field Using a System of Axial Coils for Calibrating Magnetometers. Meas Tech., 2015, vol. 58, pp. 550–555. DOI: 10.1007/s11018-015-0752-9Baranova V.E., Baranov P.F., Muravyov S.V., Uchaikin S. The Production of a Uniform Magnetic Field Using a System of Axial Coils for Calibrating Magnetometers. Meas Tech., 2015, vol. 58, pp. 550–555. DOI: 10.1007/s11018-015-0752-9Baranov P., Borikov V., Ivanova V., Duc B.B., Uchaikin S., Liu C.-Y. Lock-in amplifi with a high common-mode rejection ratio in the range of 0.02 to 100 kHz. ACTA IMEKO, 2019, vol. 8, no. 1. DOI: 10.21014/acta_imeko.v8i1.672Baranov P., Borikov V., Ivanova V., Duc B.B., Uchaikin S., Liu C.-Y. Lock-in amplifi with a high common-mode rejection ratio in the range of 0.02 to 100 kHz. ACTA IMEKO, 2019, vol. 8, no. 1. DOI: 10.21014/acta_imeko.v8i1.672

The authors declare that there are no conflicts of interest present.