ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ GSR
GSR SENSITIVE ELEMENT

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к технологии улучшения чувствительности и уменьшения энергопотребления в чувствительном элементе GSR (GHz spin rotation, спиновое вращение на ГГц частотах), имеющем только одну магнитную проволоку в одной катушке, посредством обеспечения в одной катушке пары магнитных проволок, в которых направления тока противоположны друг другу.
Уровень техники
[0002] Широко применяется лечение с использованием катетера. Однако это вызвало проблемы, касающиеся рентгеновского облучения, чрезмерного использования контрастного вещества и облучения, при различиях в уровне квалификации врачей. Для решения таких проблем было бы желательно разработать методику лечения на основе катетера дистанционного управления, для которого используются значения положения или направления наконечника катетера, измеряемые магнитным датчиком, встроенным в этот катетер.
[0003] Однако датчик GSR, описанный в Патентной литературе 1, не являлся достаточным в отношении линейности, чувствительности, компактности по размеру и энергопотребления.
То есть если принято обнаружение возрастающего импульса, не является предпочтительной линейность, а если принято обнаружение спадающего импульса, не являются предпочтительными чувствительность и энергопотребление. Таким образом, было трудно уменьшать размер специализированной ИС элемента.
Кроме того, если размер элемента уменьшается, то ухудшается чувствительность. Таким образом, было трудно значительно уменьшать размер элемента. Решение такой проблемы было найдено.
[0004] Настоящее изобретение улучшает чувствительность и энергопотребление, в то же время обеспечивая превосходную линейность, даже в том случае, когда принято обнаружение возрастающего импульса. Кроме того, настоящее изобретение значительно улучшает чувствительность, что обеспечивает возможность уменьшения размера элемента. Уменьшение энергопотребления значительно уменьшает емкость конденсатора в специализированной ИС, что также уменьшает ее размер.
Список ссылок
Патентная литература
[0005] Патентная литература 1: патент Японии №5839527
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача
[0006] Известно, что в датчике GSR в том случае, когда в одной катушке расположены две магнитные проволоки, удваивается чувствительность, и если принято обнаружение возрастающего импульса, тогда импульсное энергопотребление может быть уменьшено на порядок, с 0,4 мВт до 0,04 мВт.
Здесь датчик GSR представляет собой микромагнитный датчик со сверхвысокой чувствительностью на основе эффекта спинового вращения на ГГц частотах.
Однако выходное напряжение чувствительного элемента GSR содержит два типа напряжений: напряжение, индуцированное импульсным током (далее называемое индуцированным напряжением), и выходное напряжение, пропорциональное напряженности внешнего магнитного поля (далее называемое напряжением магнитного поля).
Кроме того, вызывает затруднения то, что магнитное поле изменяет сопротивление магнитной проволоки и, таким образом, оказывает влияние на изменение напряжения проволоки и индуцированное напряжение.
При обнаружении спадающего импульса момент времени tm пика напряжения магнитного поля отделен от момента ti времени пика индуцированного напряжения, и в момент времени tm индуцированное напряжение затухает в достаточной степени (фиг. 7).
В то же время при обнаружении возрастающего импульса в момент времени tm близко к ti, и в момент времени tm индуцированное напряжение существенно высоко. Таким образом, изменение, связанное с магнитным полем, будет обязательно учитываться (фиг. 8). Настоящее изобретение способствует устранению индуцированного напряжения из выходного напряжения элемента GSR и получению датчика GSR для системы обнаружения возрастающего импульса.
Решение задачи
[0007] В результате тщательного изучения описанной выше технической задачи авторы изобретения обнаружили, что полярность индуцированного напряжения становится противоположной относительно направления тока, проходящего в магнитной проволоке. Затем они пришли к технической идее настоящего изобретения, состоящей в том, что если одна катушка содержит две магнитные проволоки, в которых проходят токи противоположных направлений, индуцированное напряжение устраняется, обеспечивая возможность обнаружения только напряжения, пропорционального магнитному полю.
[0008] Что касается типичного размера катушки в чувствительном элементе GSR с одной магнитной проволокой, ширина канавки равна 20 мкм, а ширина катушки равна 40 мкм. В чувствительном элементе GSR с двумя магнитными проволоками ширина канавки равна 40 мкм, в которой расположены две магнитные проволоки с разделительной стенкой (или изоляционной стенкой) в центре, а ширина катушки равна 50 мкм. Размер чувствительного элемента GSR для одной магнитной проволоки и для двух магнитных проволок является почти одинаковым.
[0009] Для этого элемента существуют три типа конструкций.
Первая конструкция представляет собой тип, в котором две магнитные проволоки расположены в канавке, более глубокой, чем магнитная проволока, при этом нижняя катушка имеет углубленную форму, а верхняя катушка имеет форму плоской поверхности. Вторая конструкция представляет собой тип, в котором две магнитные проволоки расположены в неглубокой канавке, равной приблизительно половине диаметра магнитной проволоки, при этом нижняя катушка имеет углубленную форму, а верхняя катушка имеет выпуклую форму.
Третья конструкция представляет собой тип, в котором на плоской поверхности выполнена V-образная направляющая, и каждая из двух магнитных проволок расположена в ней, при этом нижняя катушка имеет форму плоской поверхности, а верхняя катушка имеет выпуклую форму.
В любом типе конструкции между двумя магнитными проволоками выполнена разделительная стенка.
[0010] Нижняя катушка расположена с отклонением на половину шага от верхней катушки, и они электрически соединены на своей поверхности соединения на плате с плоской поверхностью таким образом, чтобы образовывать спиральную катушку. Каждая из двух концевых частей катушки соединена с двумя электродами катушки.
[0011] Изоляция между магнитной проволокой и катушкой достигается при помощи способа применения магнитной проволоки, покрытой изоляционным материалом, способа вставки магнитной проволоки в изоляционный резист, заделанный в канавку, или при помощи способа, объединяющего оба эти способа. Для обеспечения изоляции предпочтительно использование магнитной проволоки, покрытой изоляционным материалом.
В концевой части магнитной проволоки ее металлическая часть освобождена от изоляционного материала с разводкой для электрического соединения с электродами проволоки.
[0012] Выходной сигнал чувствительного элемента GSR, использующего две магнитные проволоки, сохраняет превосходную линейность даже при обнаружении возрастающего импульса только для напряжения магнитного поля, пропорционального магнитному полю.
Выходное напряжение для обнаружения возрастающего импульса в 2,5 раза больше выходного напряжения для обнаружения спадающего импульса. Кроме того, такой чувствительный элемент GSR имеет две магнитные проволоки, и, таким образом, возможно получение выходного напряжения в 5 раз больше. Это указывает на возможность уменьшения размера элемента, поскольку количество N витков катушки может быть уменьшено до 1/5, и длина катушки элемента может быть уменьшена до 1/5.
[0013] В дополнение, ширина импульса импульсного тока может быть достаточно большой шириной импульса, требуемой для обнаружения возрастающего импульса, например, от 10 нс до 1 нс или меньше. Это снижает энергопотребление импульсного тока на порядок или еще больше.
[0014] Специализированная ИС датчика GSR содержит конденсатор для хранения энергии для передачи импульсного тока. Размер этого конденсатора занимает 50% специализированной ИС. Если размер конденсатора может быть уменьшен на порядок, то размер специализированной ИС может быть уменьшен почти до половины.
Полезные эффекты изобретения
[0015] Чувствительный элемент GSR с двумя магнитными проволоками в одной катушке устраняет компоненты индуцированного напряжения для напряжения катушки для улучшения линейности выходного напряжения, которое зависит от магнитного поля, при обнаружении возрастающего импульса, увеличения чувствительности (выходное напряжение на единицу напряженности магнитного поля 1 Гс) в пять раз и уменьшения энергопотребления импульсного тока на порядок или еще больше. Таким способом, при одинаковых условиях выходных напряжений, возможно уменьшить размер указанного элемента и специализированной ИС элемента.
Краткое описание чертежей
[0016] На фиг. 1 показана схематическое изображение, иллюстрирующее переднюю поверхность чувствительного элемента GSR в соответствии с вариантом осуществления изобретения и примером;
на фиг. 2А показан вид в разрезе, иллюстрирующий чувствительный элемент GSR, видимый по линии А1-А2, показанной на фиг. 1, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 2В показан вид в разрезе, иллюстрирующий чувствительный элемент GSR, видимый по линии А3-А4, показанной на фиг. 1, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 2С показан вид в разрезе, иллюстрирующий чувствительный элемент GSR, видимый по линии А5-А6, показанной на фиг. 1, в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
На фиг. 3 показан вид в разрезе, иллюстрирующий другой тип (углубленная форма) чувствительного элемента GSR в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
На фиг. 4 показан вид в разрезе, иллюстрирующий другой тип (выпуклая форма) чувствительного элемента GSR в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 5 показана блок-схема соединений, иллюстрирующая электронную схему датчика GSR в соответствии с примером;
на фиг. 6 показан график характеристик, иллюстрирующий отношения между внешним магнитным полем и выходным напряжением магнитного датчика в датчике GSR в соответствии с указанным примером и сравнительными примерами;
на фиг. 7 показан график развития временного изменения напряжения магнитного поля и индуцированного напряжения при обнаружении спадающего импульса; и
на фиг. 8 показан график развития временного изменения напряжения магнитного поля и индуцированного напряжения при обнаружении возрастающего импульса.
Осуществление изобретения
[0017] Чувствительный элемент 1 GSR в соответствии с настоящим изобретением содержит на электродной монтажной плате 10 магнитную проволоку 2 (21 и 22) из кобальтового сплава, покрытую изоляционной пленкой, катушку 3 (31 и 32), намотанную вокруг магнитной проволоки 2, и четыре вывода (23 и 25, 34 и 36), как показано на фиг. 1, фиг. 2А, фиг. 2В и фиг. 2С.
[0018] В качестве магнитной проволоки 2 в канавке 11 на центральной части платы расположены две магнитные проволоки 21 и 22, которые разделены изоляционной стенкой 41.
Верхняя часть магнитной проволоки 21 на стороне входного электрода 26(+) проволоки, иллюстрированного на правой стороне фиг. 1, соединена с входным электродом 26(+) проволоки через вывод 23 проволоки и соединительную часть 21А проволоки (правая часть фиг. 2В).
Нижняя часть магнитной проволоки 21 соединена с нижней частью магнитной проволоки 22 на стороне выходного электрода 27(-) проволоки через соединительную часть 21 В проволоки, иллюстрированную на левой стороне, а также через соединительную часть 21 В проволоки и соединительную часть 24 проволоки (фиг. 2С).
Верхняя часть магнитной проволоки 22 соединена с выходным электродом 27(-) проволоки через вывод 25 проволоки (левая часть фиг. 2В).
[0019] Далее, катушка 3 содержит нижнюю катушку 31, верхнюю катушку 32 и соединительную часть 33, соединяющую обе катушки.
Нижняя катушка 31 образована в углубленной форме в канавке 11 на плате 10, в то время как верхняя катушка 32 образована от верхней части пары магнитных проволок 21 и 22 в сторону через изоляционный материал 4 и затем на плате 10.
Для соединения друг с другом концевая часть нижней катушки 31 и концевая часть верхней катушки 32 образуют соединительную часть 33 на плате 10.
Следует отметить, что пара магнитных проволок 2 (21 и 22) изолированы друг от друга изоляционной стенкой 41, а магнитная проволока 2 изолирована от катушки 3 изоляционным материалом 4.
[0020] Таким образом, на правой стороне в магнитной проволоке 21 ток протекает вниз, тогда как на левой стороне в магнитной проволоке 22 ток протекает вверх, в силу чего направления токов в одной катушке через изоляционный материал противоположны друг другу, что устраняет индуцированное напряжение.
[0021] В соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения пара магнитных проволок, образованная из двух магнитных проволок, расположена в одной катушке таким образом, что их направления тока через изоляционный материал противоположны друг другу. Однако в одной катушке может быть расположено множество пар магнитных проволок.
[0022] Кроме того, в соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения в качестве магнитной проволоки использована магнитная проволока, покрытая стеклом, которое является изоляционным материалом. Однако также возможно использование магнитной проволоки, не покрытой изоляционным материалом.
[0023] В соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения конструкция элемента представляет собой такой тип, в котором две магнитные проволоки (21 и 22) расположены в неглубокой канавке 11, равной приблизительно половине диаметра магнитной проволоки 2, при этом нижняя катушка 31 имеет углубленную форму, а верхняя катушка 32 имеет выпуклую форму, как показано на фиг. 2А.
[0024] В качестве другого типа конструкции, две магнитные проволоки (21 и 22) расположены в канавке 11, более глубокой, чем магнитная проволока 2, при этом нижняя катушка 31 имеет углубленную форму, а верхняя катушка 32 имеет форму плоской поверхности, как показано на фиг. 3. Кроме того, третий тип конструкции представляет собой тип, в котором на плоской поверхности образована V-образная направляющая, и каждая из двух магнитных проволок (21 и 22) расположена в ней, при этом нижняя катушка 31 имеет форму плоской поверхности, а верхняя катушка 32 имеет выпуклую форму, как показано на фиг. 4.
[0025] В любом типе конструкции между двумя магнитными проволоками (21 и 22) обеспечена изоляционная стенка 41. Для образования катушки 3 обеспечена соединительная часть 33, соединяющая концевую часть нижней катушки 31 и концевую часть верхней катушки 32.
[0026] Далее будет описан способ изготовления чувствительного элемента GSR.
Для электродной монтажной платы используют подложку из Si, покрытую SiN. Для магнитной проволоки 2 используют аморфную проволоку, имеющую диаметр от 1 до 20 мкм и длину от 0,07 до 1,0 мм и покрытую стеклянной изоляционной пленкой.
Сначала в центральной части элемента 1, имеющего ширину 0,25 мм, образуют канавку с шириной от 20 до 60 мкм и глубиной от 2 до 20 мкм.
[0027] Далее выполняют разводку электродов в нижней катушке 31 и на поверхности платы вдоль канавки 11. Затем в центральной части канавки 11 образуют изоляционную стенку 41 таким образом, чтобы получить форму, состоящую из двух канавок, в которой располагают каждую из двух магнитных проволок 21 и 22. После чего на всю поверхность платы наносят изоляционный резист. Изоляционный резист тонко наносят на верхнюю часть двух магнитных проволок (21 и 22). На этой части при помощи фотолиграфической технологии образуют верхнюю катушку 32.
Для диагонального соединения концевых частей нижней катушки 31 и верхней катушки 32 на поверхности платы образуют соединительную часть 33 таким образом, чтобы образовывать катушку 3 с шагом обмотки катушки от 2 до 10 мкм. Вывод 34 катушки соединяют с выходным электродом 35(+) катушки, а вывод 36 катушки соединяют с заземляющим электродом 37(-) катушки.
[0028] На четырех концах двух магнитных проволок удаляют стекло в виде изоляционной пленки. На одном из указанных двух концов образуют вывод 23 проволоки и соединительную часть 21А при помощи осаждения металла из паровой фазы для обеспечения возможности металлического соединения с входным электродом 26(+) проволоки, в то время на другом конце образуют вывод 25 проволоки и соединительную часть 22А при помощи осаждения металла из паровой фазы для обеспечения возможности металлического соединения с выходным электродом 27(-) проволоки.
Затем другие две концевые части подвергают осаждению (21В и 22В) металла из паровой фазы, и при помощи осаждения металла из паровой фазы образуют соединительную часть 23, соединяющую две концевые части.
Таким образом, выполняют разводку от выходного электрода 26(+) проволоки к выходному электроду 27(-) проволоки.
[0029] В соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения выходное напряжение проявляет синусоидальные выходные характеристики относительно магнитного поля Н, а линейность в измеряемом диапазоне от ±3 до 90 Гс равна 0,3% или ниже, что является превосходным.
Чувствительность составляет от 50 до 2000 мВ/Гс, что приблизительно в пять раз выше, чем у чувствительного элемента GSR, имеющего ту же длину магнитной проволоки.
Импульсное энергопотребление составляет 0,3 мВт (0,15 мА).
[Пример]
[0030] Далее будет описан чувствительный элемент GSR в соответствии с примером, согласно настоящего изобретени, со ссылкой на фиг. 1, фиг. 5 и фиг. 6.
[0031] Плата 10 выполнена из подложки из Si, изолированной и покрытой SiN. Размер платы 10 составляет 0,2 мм в длину, 0,2 мм в ширину и 0,2 мм в высоту. Магнитная проволока 2 представляет собой аморфную проволоку из сплава на основе CoFeSiB с диаметром 10 мкм и длиной 0,20 мм, покрытую стеклом.
[0032] Ширина канавки 11 платы 10 составляет 40 мкм, а ее глубина составляет 6 мкм. Размер изоляционной стенки 41, образованной изоляционным резистом в канавке 11, составляет 2 мкм в ширину и 6 мкм в высоту.
[0033] Катушка 3 имеет ширину 50 мкм, высоту 14 мкм и средний внутренний диаметр (диаметр окружности, эквивалентной площади сечения катушки, образованной высотой и шириной), равный 26 мкм. Шаг обмотки катушки составляет 5 мкм, и количество витков катушки равно 28.
[0034] Далее характеристики чувствительного элемента 1 GSR были оценены с использованием электронной схемы для датчика МИ, показанной на фиг. 5.
Электронная схема 5 содержит генератор 51 импульсов, чувствительный элемент 1 GSR и схему 52 обработки сигнала, содержащую буферную схему 53. Сигнал представляет собой импульсный сигнал с интенсивностью 100 мА, эквивалентной 1 ГГц, и подается на вход импульсный ток с временем возрастания 0,5 нс, длительностью импульса 1 нс и временем спада 0,5 нс.
Импульсный сигнал является входным сигналом для аморфной проволоки 2, и в течение операции подачи импульса в магнитной катушке 3 возникает напряжение, пропорциональное внешнему магнитному полю, которое является объектом обнаружения возрастающего импульса.
[0035] Схема 52 обработки сигнала подает напряжение, возникающее в катушке 3, на буферную схему 53, а выход буферной схемы 53 является входом для схемы 56 выборки и хранения через электронный переключатель 55. Временные настройки открытия и закрытия электронного переключателя 55 регулируются схемой 54 регулировки временных настроек обнаружения импульса для обеспечения возможности обнаружения с временными настройками, соответствующими возрастающим импульсным сигналам, и напряжение в этот момент времени отбирается и сохраняется. Затем напряжение усиливается до заданного напряжения при помощи усилителя 57.
[0036] На фиг. 6 показан выход датчика от электронной схемы. На фиг. 6 горизонтальная ось изображает напряженность внешнего магнитного поля, а вертикальная ось изображает выходное напряжение датчика.
Выход датчика проявляет синусоидальные выходные характеристики и показывает линейность в диапазоне ±90 Гс посредством преобразования арксинуса. Нелинейность составляет 0,3%. Чувствительность равна 210 мВ/Гс.
[0037] Измерительной оценке с использованием той же электронной схемы были подвергнуты элемент МИ для продукта AMI306 на рынке (длина: 0,6 мм, ширина: 0,3 мм), используемый в качестве сравнительного примера 1, и чувствительный элемент GSR для транспортных средств (длина: 0,15 мм, ширина: 0,20 мм), используемый в качестве сравнительного примера 2. Результаты для сравнительных примеров 1 и 2 показаны на фиг. 6.
Что касается выходного напряжения датчика при напряженности магнитного поля 90 Э, датчик GSR в соответствии с настоящим изобретением приобретает превосходную чувствительность 1,5 В относительно 0,1 В для датчика МИ в сравнительном примере 1 и 0,3 В для датчика GSR в сравнительном примере 2.
Промышленная применимость
[0038] Как описано выше, чувствительный элемент GSR в соответствии с настоящим изобретением является в значительной степени компактным по размеру и достигает высокой чувствительности. Таким образом, датчик GSR, образованный указанным элементом, достигает в значительной степени высокой чувствительности, компактности по размеру и низкого энергопотребления, и, таким образом, может быть встроен в катетеры. Кроме того, он также может быть приспособлен для более широких областей применения, таких как смартфоны.
Список ссылочных обозначений
[0039]
1 плата чувствительного элемента GSR
10 плата
11 канавка на подложке
2 магнитная проволока
21 одна из пары магнитных проволок
22 другая из пары магнитных проволок
21А соединительная часть между выводом проволоки и входным электродом(+) проволоки
22А соединительная часть между выводом проволоки и выходным электродом(-) проволоки
21В соединительная часть проволоки
22В соединительная часть проволоки
23 вывод магнитной проволоки
24 соединительная часть между проволоками
25 вывод магнитной проволоки
26 входной электрод(+) проволоки
27 выходной электрод(-) проволоки
3 катушка
31 нижняя катушка
32 верхняя катушка
33 соединительная часть
4 изоляционный материал
41 изоляционная стенка
5 электронная схема
51 генератор импульсов
52 схема обработки сигнала
53 буферная схема
54 схема регулировки временных настроек обнаружения импульса
55 электронный переключатель
56 схема выборки и хранения
57 усилитель.