专利名称：磁场测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量磁场的设备，这种类型的设备包括磁电阻或磁电导传感器和测量链，它的输入端与该磁电阻或磁电导传感器相连，其输出端能够提供代表传感器区域内的磁场的信息。
背景技术：
为了控制集成电路或者为了测量由电路在工作期间产生的辐射，已知在电路的上方布置一个或多个传感器，以确定由电路工作产生的磁场或电场。为了检测磁场，这些设备使用天线或“SQUIDS”，即超导量子干涉设备。
最近，已经设想出使用磁电阻传感器，更精确地，GMR型传感器(巨磁电阻传感器)测量电路在工作期间产生的磁场。
这种磁电阻传感器是一种电阻随所在磁场而改变的电子元件。那些部件被相对地定向，使得它们的电阻只随着磁场的一个分量改变，其中该分量沿着传感器的所选测量轴。
在目前已知的设备中，布置在被分析电子电路上方的磁电阻传感器与波谱分析器和同步探测器相连。
波谱分析器允许为预定范围内的全部频率确定来自磁电阻传感器的信号的频率成分。
同步探测器依次使传感器输出端的测量结果与发送到该同一传感器输入端的参考频率同步化。
测量结果的获得非常长，可能需要30秒。因此，这种设备只能够用于在被分析电路的表面上执行有限数目的测量。
由于存在波谱分析器和同步探测器，那些设备还非常昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量磁场的设备，其成本较为低廉，并允许快速地获得可用的测量结果。
为实现这一目的，本发明涉及一种上述类型的用于测量磁场的设备，其特征在于，测量链包括如下的装置，其用于隔离来自传感器的代表磁场的信号中具有单一预定频率的频率成分。
根据具体的实施例，该设备包括一个或多个下述特征-包括一个交变电源发生器，其以一个激励频率为磁电阻或磁电导传感器提供电力，并且该激励频率大于或等于待隔离频率成分的预定频率；-测量链包括一个带通滤波器，其被配置成只隔离来自传感器的代表磁场的信号中处于该单一预定频率的频率成分；-带通滤波器包括一个运算放大器；-测量链包括一个参考信号发生器，该参考信号的频率大于或等于待隔离频率成分的单一预定频率，并且该发生器包括一个乘法器，其能够将来自传感器的信号与参考信号相乘；-该乘法器适合于执行两个信号的模拟乘法；和-测量链包括两个模拟/数字转换器，其能够转换来自传感器的信号和参考信号，还包括一个数字处理器，其能够将来自模拟/数字转换器的两个数字信号相乘。
本发明还涉及一种用于分析电路在工作期间产生的磁场的设备，其包括用于以预定激励频率激励电路的装置和一个测量设备，其特征在于，待隔离频率成分的单一预定频率等于电路的激励频率。
通过阅读下面的说明并参考附图，将能够更好地理解本发明，它们只是作为实例给出的，附图中图1是用于分析集成电路的设备的透视图；图2是解释图1中设备的工作的流程图；
图3是根据本发明的用于测量磁场的设备的第一实施例的示意图；图4和5是与图3相同的简图，测量设备的结构变型。
具体实施例方式
图1所示的设备用于分析工作中的电路。
该设备基本上包括用于集成电路C的支持平板12，用于以预定频率FC激励集成电路的电路14，用于分析电路C在工作期间产生的磁场的设备16，和用于执行在磁场分析设备16的输出端获得的结果的装置18。该设备进一步包括用于在工作期间观察集成电路的装置20。那些装置本身是已知的，所以省略其详细说明。
放置电路C的支架12由一个镍铁高导磁合金(mu metal)平板构成，或者在其下部远离该电路的位置包括一个镍铁高导磁合金平板，它形成一个对磁场的屏障。有利地，电路C被限制在一个镍铁高导磁合金盒中。
激励电路14由例如一个频率发生器形成，其能够以预定的频率FC向电路提供功率。该激励频率FC是例如160kHz。
分析装置16包括一个操作臂22，在其自由端具有一个测量探头24，其能够确定探头位置处的磁场的特性值。
操作臂22与一个用于布置探头的机构26相连，正如已知的，其允许探头沿着三个彼此垂直的方向加以布置，并能够以一种精确的方式获知探头相对于电路的位置。
分析装置16还包括与探头24相连的处理链28，以处理来自探头的信号。该处理链与处理装置18相连，以便向处理装置提供一个或多个由探头24测得的磁场的处理值。
处理装置18由例如一个PC型计算机构成，其包括与处理链28的输出端相连的输入卡。它进一步包括控制卡，其允许控制分析装置16，更精确地讲，控制位移装置26、处理链28和激励电路14。
处理装置18包括软件模块，其允许控制用于分析磁场的装置16，特别地，控制激励电路14、位移装置26和处理链28。软件模块进一步包括用于处理来自用于分析场的装置的信号的软件模块。
特别地，处理装置18能够执行图2所示的算法，其中为算法的每一步提供软件模块。
为了在工作期间对电子电路进行分析，首先在步骤50根据电路的图解表示对电路进行建模。该例如向量化的建模可以用任何合适的软件工具执行。该建模意在用于确定构成电路C的各种迹线和各种电子部件的位置。
在建模完成以后，在步骤52对电路的工作进行模拟。通过该模拟操作，特别是通过应用麦克斯韦方程，确定在电路的每个点处电路上方磁场的特性。这样，为电路的每个元件确定其中的电流，并确定磁场在电路正上方测量点处的和在测量探头24可以占据的不同预定点处的三个分量Bx、By和Bz。
与建模和模拟步骤同时地，处理装置18在模拟期间利用场分析装置16控制每一相关测量点处磁场的有效测量(effectivemeasurement)。
在步骤60期间，场分析装置16首先被初始化和校准。同时对它们的校正操作进行验证。而且，在已知的校准测试件上进行参考测量，其中该校准测试件产生的磁场的分量是已知的。
然后在步骤62，采集各个测量点。该步骤包括在工作期间测量磁场在电路C上方多个预定测量点处的至少一个分量。为实现这一目的，使探头处于位移装置26的控制之下，以便例如沿着左右行交互方式的路径对电路表面进行扫描。在每次采集测量操作之前，将测量探头停止在测量点处，从而使测量结果不受探头移动的影响。
下面说明每次测量的实际采集。
有利地但非必需地，当电路C不工作时，步骤62也提供测量点的采集，以便测量环境磁场在每个测量点处的分量。
在步骤64期间，处理为每个测量点获取的信号，以便尤其是用于修正测量所产生的误差和差异，这些误差和差异通过与在步骤60期间用参考测试件采集的数据表进行比较的技术进行修正。
在步骤64期间，计算来自沿一个或多个方向的场测量的值Bx，By和Bz，特别是沿着三个方向的场分量的空间变分，记为dBx/dy，dBx/dz，dBy/dz，dBy/dx，dBz/dx和dBz/dy。
而且，通过应用麦克斯韦定律J＝Rot B，确定测量点下方电路中电流的幅度和方向特性，其中J是电流矢量，B是磁场矢量。
在步骤66期间，比较来自信号处理步骤64的数值与在步骤52期间进行模拟后获得的数值，以便推断电路的实际工作是否正确，并确定在工作期间理论电路与实际电路之间的差异带。
图3示意性地显示了用于分析磁场的装置16，更精确地，显示了根据本发明第一实施例构建的探头24和处理链28。
附图所示的探头24能够测量只沿着与电路14的平面平行的方向的磁场的分量。为实现这一目的，它包括单一的磁电阻传感器。
有利地，通过一种变型，该探头包括多个磁电阻传感器，它们沿着多个方向布置，这些方向角度上相互偏移并且有利地彼此相互垂直，每个传感器均与专门的处理链28相连，如图3所示。
测量头24包括测量探头100，其由集成电路构成，该集成电路包括磁电阻传感器102。该磁电阻传感器是一个电阻随所在磁场而改变的部件。这种传感器的所选测量轴由箭头示意地表示。该部件的电阻主要受沿着所选测量轴的磁场分量的影响。
该磁电阻传感器可以是GMR型(巨磁电阻)、GMI型(巨磁电抗)、CMR型(Collossal磁电阻)或TMR型(隧道磁电阻)。优选地，磁电阻传感器是最后一种类型。可以有例如MTJ型(磁隧道结)或SDT型(自旋依赖隧道)传感器。
如图3所示，磁电阻传感器102集成在Weston桥104中，该桥包括另外三个具有预定值的固定电阻器106、108和110。四个电阻器串联连接从而形成一个回路，其本身在Weston桥结构中是已知的。Weston桥的两个相对接线端形成探头100的测量输出端112A、112B。Weston桥的另外两个接线端114A、114B形成Weston桥的电力供应输入端。它们与发生器116的接线端相连，其中该发生器产生一个具有预定频率f的正弦信号，该频率远远大于期望确定的场的频率成分。其等于例如1.60MHz。
而且，本身已知的，测量探头100包括与外部交变电压源120相连的绕组118。该绕组118适合于在磁电阻传感器的区域内产生一个极化场，以便将传感器设置在灵敏度是最佳的并且磁滞现象是最小的的工作区间内。
测量探头的输出端112A、112B与处理链28相连。
它们在输入端与微分放大级122相连，该微分放大级通过两个高通滤波器124A、124B形成一个减法器，其中两个高通滤波器的输入端分别与输出端112A和112B相连。
该微分放大级122被配置成产生一个例如等于100的增益。
高通滤波器是RC型无源滤波器，其包括一个电容器126，该电容器的一个接线端通过电阻器128与地相连。
该微分放大级可以是任何合适的已知类型，包括例如运算放大器130，其反馈回路具有一个电阻器132，该运算放大器的倒相和非倒相输入端通过两个输入电阻器134与滤波器124A、124B的输出端相连。运算放大器的非倒相端通过电阻器136与地相连，用于固定输入电压。
微分放大器120的输出端与隔离装置138的输入端相连，隔离装置138具有一个代表来自测量探头的磁场的信号的预定频率成分。待确定场分量的频率记为FI。该频率是例如160kHz。
在图3所示的实施例中，那些隔离装置138包括一个带通型有源选择滤波器，其通带以待隔离频率成分的频率FI为中心。该频率等于电路C的激励频率F。
该滤波器包括一个运算放大器140，其非倒相端接地。该滤波器的倒相端通过输入电阻器142与微分放大级122的输出端相连。微分放大器140的反馈回路包括一个电容器144，其与电阻器146并联，而电阻器146自身与线圈148串联。
在输出端，选择滤波器138具有一个BAT型二极管150，之后是两个无源低通滤波器152、154，其中构成每一个无源低通滤波器的电阻器的输出端通过电容器158与地相连。
处理链28允许使用非常简单的电路获得被磁电阻传感器探测的磁场的频率成分。
在该磁场测量设备工作期间，磁电阻传感器102的电阻值随沿着传感器所选测量轴的磁场的幅度而改变。这样，在输出端112A、112B处测得的信号振幅随磁场而变化。
两个高通滤波器124A、124B对由于外部环境导致的干扰频率进行过滤。
微分放大电路122在输出端产生一个信号，其幅度与两接线端122A、122B之间的电势差成比例。以电路C的激励频率为中心的选择滤波器138将该频率的场频率成分隔离。
两个低通滤波器152、154执行一个新的过滤操作，允许抑制干扰成分。
能够有利地添加一个输出级160，从而由其输出在未负载传感器的接线端测得的连续电压值。为实现这一目的，再次使用微分放大器。将上述的输出信号施加给微分放大器的倒相输入端，而将连续参考信号施加给非倒相输入端。
通过调节可调节电阻的数值对参考电压进行控制，从而在该第二微分放大器的输出端测得一个零值。该测量的执行是通过将传感器磁极化(以补偿磁滞循环)，而不将电路C极化。
处理装置18接收来自处理链的信号。
这样，可以理解，处理链允许非常快速地获得磁场的测量值，更精确地讲，是磁场分量的测量值。
图4和5图解了根据本发明的测量设备的结构变型。在这些实施例中，与图3中相同或相似的元件用相同的指代数字表示。
在这两种结构变型中，由于在微分放大级122的下游使用的装置，只有处理链不同。
在这两个实例中，针对预定频率的磁场的频率成分的隔离装置包括乘法电路180，其允许将来自微分放大级122的信号与一个参考信号结合，该参考信号的频率FC大于或者等于由激励电路14施加的电路工作频率f。乘法器的使用可以灵活地对频率(160kHz)进行选择。
在图4的实施例中，隔离装置包括模拟乘法电路180，其一个输入端与微分放大级122的输出端相连，另一个输入端与一个正弦电压发生器182相连，该正弦电压发生器的参考频率F大于待隔离频率成分的预定频率FI。
低通滤波器184由一个电阻器186构成，并且在乘法电路的输出端提供一个电容器188。有利地，在低通滤波器184的输出端提供一个减法电路190，从而将在输出端获得的经过滤波的信号与所施加参考信号Vref进行比较。该减法电路包括运算放大器192，其反馈回路具有一个适应性电阻器194，并且向其非倒相端施加电压Vref。
正如在图3的实施例中那样，在减法电路的输出端布置一个输出级160。
根据一个具体的实施例，电压源182由向Weston桥104供电的电压源116形成。
在那样的方法中，传感器的电源频率与寻求的频率成分的频率相同。
在图5的实施例中，用于隔离预定频率成分的装置由一个数字处理器形成，其将在微分放大级122的输出端获得的信号与参考信号相乘。
如图5所示，在微分放大级的输出端提供一个由电阻器202和电容器204构成的低通滤波器200。滤波器200的输出端与一个模拟/数字转换器206相连，以保证将信号数字化。
而且，如上所述，处理链包括一个正弦参考电压的源，其也用182表示。模拟/数字转换器208与该源182的输出端相连。模拟/数字转换器的采样频率远远大于所接收信号的频率。也就是例如大于500kHz。
在处理链中提供一个高速处理器210，例如一个DSP型电路，其在输入端接收来自两个模拟转换器206和208的信号，并被编程将两个信号相乘。
这样，将经过相乘的信号发送到数据处理单元18，其或者经由一个数字连接，例如RS232型连接212，或者经由一个模拟连接，在处理器210的输出端连接一个数字/模拟转换器214。
在此实例中，两个信号的乘法运算由处理器210执行。在图3和4中由输出级160执行的减法操作也由处理器210执行。
在一种变型中，磁电阻传感器用磁电导传感器代替。
权利要求
1.用于测量磁场的至少一个分量的设备(16)，包括一个磁电阻或磁电导传感器(102)和一个测量链(28)，它的一个输出端与该磁电阻或磁电导传感器(102)相连，其输出端能够提供代表传感器区域内的磁场的信息，其特征在于，测量链(28)包括用于隔离代表针对单一预定频率(FI)的磁场的、来自传感器的信号的频率成分的装置(138；178；198)。
2.根据权利要求1的测量设备，其特征在于，它包括一个交变电源发生器(116)，其以一个激励频率(f)用于磁电阻或磁电导传感器(102)，并且该激励频率(f)大于或等于待隔离频率成分的预定频率(FI)。
3.根据权利要求1或2的测量设备，其特征在于，测量链(28)包括带通滤波器(138)，其配置成使得只隔离来自传感器的代表磁场的信号中处于单一预定频率(FI)的频率成分。
4.根据权利要求3的测量设备，其特征在于，带通滤波器(138)包括运算放大器(130)。
5.根据权利要求1或2的测量设备，其特征在于，测量链(28)包括用于参考信号的发生器，该参考信号的频率(F)大于或等于待隔离频率成分的单一预定频率(FI)，并且它包括一个乘法器(180，210)，其能够将来自传感器的信号与参考信号相乘。
6.根据权利要求5的测量设备，其特征在于，乘法器(180)适合于执行两个信号的模拟乘法。
7.根据权利要求5的测量设备，其特征在于，测量链(24)包括两个模拟/数字转换器(206，208)，它们能够转换来自传感器的信号和参考信号，还包括数字处理器(210)，其能够将来自模拟/数字转换器(206，210)的两个数字信号相乘。
8.用于分析电路在工作期间产生的磁场的设备，包括用于以预定激励频率(FC)激励电路的装置(14)，和根据前述任何一个权利要求的测量设备(16)，其特征在于，待隔离频率成分的单一预定频率(FI)等于电路的激励频率(FC)。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量磁场的至少一个分量的设备(16)。本发明的设备包括磁电阻传感器(102)和测量链(28)。根据本发明，前述测量链的输入端连接于磁电阻传感器(102)，而其输出端用于提供代表传感器区域中的磁场的信息。此外，测量链(28)包括用于隔离代表针对单一预定频率(FI)的磁场的、来自传感器的信号的频率成分的装置(136)。
文档编号G01R33/06GK1879024SQ200480033094
公开日2006年12月13日 申请日期2004年10月8日 优先权日2003年10月8日
发明者罗迈因·德斯朴拉特斯, 奥利弗·卡里普尔, 菲利克斯·博杜安, 菲利普·佩尔都 申请人:国家空间研究中心