1

鄭振宗 (Jen-Tzong Jeng)

國立高雄應用科技大學機械工程系

磁感測器技術與應用簡介Introduction to Magnetic Sensor Technologies

and its Applications

微磁技術實驗室 (MMT Lab)

Micro Magnetic Technologies Laboratory

2

微磁技術實驗室–研究主題磁強計 (magnetometers) 超導量子干涉元件 (Superconducting Quantum Interference Devices, SQUID) 巨磁阻 (giant magnetoresistance, GMR) 通量閘 (fluxgate)

渦電流偵測器 (eddy-current detectors)低頻(10 Hz~10 kHz)：渦電流缺陷偵測器高頻(10 kHz~10 MHz)：非接觸式距離偵測器

磁感測器應用心臟磁場量測：SQUID磁場圖掃描、磁源電流逆算：GMR硬幣辨識：高頻渦電流偵測器

結語

3

鄭振宗 高雄應用科技大學 機械系、機械與精密工程研究所

研究生：蔡博任、許智銘、楊倩惠(SQUID)余昇峰、許廷宇(eddy-current, coin validation, & GMR)

研究助理：劉柏宏 (SQUID)

呂志誠 台北科技大學 機械系、機電整合研究所

研究生：黃文聖、陳彥廷(fluxgate)，郭冠易(GMR)研究助理：王志成 (coin validation)

吳秋賢 中興大學 物理系、奈米科學研究所

合作研究群

4

微磁技術實驗室–主要儀器

磁控濺鍍、離子束蝕刻系統

頻譜分析儀電路板彫刻機

二維磁場掃描系統

5

磁控濺鍍、離子束蝕刻系統

規格：(1)磁控濺鍍•交、直流磁控濺鍍電源•雙濺鍍槍(2”)•溫控加熱器(800ºC, PID)

(2)離子束蝕刻•離子槍(3 cm, Ar)•可旋轉蝕刻台(360º)

用途：•成長YBCO磊晶薄膜•銀薄膜製作•氬離子束蝕刻•晶片退火(O2, N2, Ar)

6

微磁技術實驗室–其它儀器設備

•晶片(鋁線)銲線機–在無塵室內•任意波形產生器•鎖相放大器•可程式濾波放大器•數位儲存示波器•六位半多功能電表•霍耳高斯計(單軸, 3 T~ 10–4 T)•通量閘磁強計(XYZ三軸, 10–4 T~ 10–10 T)•渦輪真空抽氣系統(可移動式)•低溫致冷機

7

微磁技術實驗室–研究主題磁強計 (magnetometers) 超導量子干涉元件 (Superconducting Quantum Interference Devices, SQUID) 巨磁阻 (giant magnetoresistance, GMR) 通量閘 (fluxgate)

渦電流偵測器 (eddy-current detectors)低頻(10 Hz~10 kHz)：渦電流缺陷偵測器高頻(10 kHz~10 MHz)：非接觸式距離偵測器

磁感測器應用心臟磁場量測：SQUID磁場圖掃描、磁源電流逆算：GMR硬幣辨識：高頻渦電流偵測器

結語

8

Biomagnetic

fields

Hall effect(霍爾效應)

Giant magneto-inductive(GMI, 巨磁感)

Giant magneto-resistive(GMR, 巨磁阻)

Anisotropic magneto-resistive(AMR, 異向磁阻)

Fluxgate*(磁通閘)

Atomic magnetometer*(原子磁力計)

SQUID*(超導量子干涉元件)

Magnetic field sensors Detectable field @ 10 Hz (Tesla)10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 100

Sensor size(mm)

0.001 –0.1

3

0.002 –2

10

2 –20

3 –50

0.01 –10

磁強計之感測範圍比較

9

Motion tracking (fluxgate)Aviation navigation (fluxgate)Electronic compass (fluxgate)Current sensing (Hall, GMR)Rotation sensing (Hall, GMR)Vehicle detection (AMR, GMR, fluxgate)Audio sensor (GMR)Eddy-current probe (GMR, fluxgate, SQUID)Micro-magnetic imaging (Hall , GMR, SQUID)Geophysical applications (fluxgate, SQUID)Active Magnetic Shielding (fluxgate, SQUID)Active biomagnetic fields (SQUID):MagnetoCardioGram (MCG, 心磁圖)MagnetoEncephaloGram (MEG, 腦磁圖)

Low-field magnetic resonance imaging (SQUID)

磁感測器的應用範圍

何謂超導體

超導體 = 沒有電阻的導體,

I

V

超導體

R = = 0VI

V = 0 !

V

IIC臨界電流

R = 0

R > 0

超導材料傳統超導體 (金屬)

Al (1.2 K), Sn(3.7 K), Pb (7.2 K), Nb (9.3 K)Nb3Sn (18 K), Nb3Ge (23 K)

R

TTC臨界溫度

R = 0

R > 0

高溫超導體 (陶瓷)La1.8Sr0.2CuO4 (40 K)YBa2Cu3O7-y (92 K)(Tl0.5Pb0.5)Ba2Ca2Cu3O10-y (125 K)HgSr2Ca2Cu3O10-y (150 K)MgB2 (40 K)

12

0 100 200 300

T (K)

0

1

2

3

R(

)

YBa2Cu3O7-x film

Tc = 90 K

Crystalline YBa2Cu3O7-x (YBCO) Superconductor Film

CuO

BaO

CuO2

CuO2

Y

BaO

CuO

a = 3.82 Åb = 3.88 Å

c=

11.6

8Å

SrTiO3

YBCO

c-axis

13

High-Tc YBa2Cu3O7-x (YBCO) Josephson junctions

Coherence lengths ~ 3 nm in the a-b plane~ 0.4 nm along the c-axis

CuO

BaO

CuO2

CuO2

Y

BaO

CuO

a = 3.82 Åb = 3.88 Å

c=

11.6

8Å

= |1|ei1 = |2|ei2

Current-phase relation (CPR)

Voltage-phase relation

sin0II

Vdtd

0

2

21

Junction area= 2 m 0.15 m= 0.3 m2

Bi-crystal Josephson junction

c-axis

約瑟夫森接面

14

超導量子干涉元件 (SQUID)

SQUID = Superconducting QUantum Interference Device超導 量子

約瑟夫森接面Josephson Junctions

IB

V

超導體Superconductor

基板Substrate

國科會計畫NSC98-2112-M-151-002-MY3

15

0 0.5-0.5Current, I

Vol

tage

,V

Ib

Magnetic flux,

V

I

V

= n 0

= (n+1/2)0

Ib

VSQUID

SQUID之磁通-電壓轉換特性

16

Flux-locked loop for dc SQUID

Vout : Vout= (Rf /Mf)

Oscillator

Amplifier IntegratorLock-indetector

Rf Vout

Mf

FeedbackFeedback + Modulation

fM

IB

VL

VSQUID

17

SQUID 磁場測量系統

SQUID驅動電路

SQUID

液態氮 (77 K)

低溫杜耳瓶(玻璃纖維)

VoutB

待測物

18

Superconducting Quantum Interference Grating (SQIG)

N junctions,N –1 loops (N ≥3)

†J. H. Miller et al., Appl. Phys. Lett. 59, 3330 (1991).††J. T. Jeng et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, 691 –694 (2007).

IN

NI

1218.0 2

SQIG,0

4

0

4

8

12

I c/I

0

2-junction SQUID

11-junction SQIG

-10 -5 0 5 10Total magnetic flux (0)

ANA )1(SQIG

VN

NV

1436.0

SQIG,

I

I

6.2SQIG,

peak

SQIG,peak

5.5 I

I

19

(YBa2Cu3O7-x on a 12/12SrTiO3 bicrystal substrate)

SQIG11 Josephson junctions in

parallel (2 m in width)Aeff 0.0083 mm2

SQUIDtwo Josephson junctions in

parallel (2 m in width)Aeff 0.0015 mm2

60 m60 m

11-junctionSQIG

11-junctionSQIG

SQUID

J. T. Jeng et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, 691 –694 (2007).

SQIG and SQUID with bicrystal junctions

bicrystal boundary

20

20

30

-3 -2 -1 0 1 2 3

Magnetic flux (0)

0

10

20

30

40

V(

V)

2-junction SQUID

11-junction SQIG

0.2

0.4

0.6

0.8

-3 -2 -1 0 1 2 3

Magnetic flux (0)

2

4

6

8

I c(

A)

2-junction SQUID

11-junction SQIG

Voltage-Flux and Current-Flux curves of a 11-junction SQIGV, SQIG 115 V/0

Enhanced by a factor of 4.6

V, SQUID 25 V/0

I, SQIG 38 A/0

Enhanced by a factor of 45

I, SQUID 0.85 A/0

4.4436.0SQUID,

SQIG,

NV

V26218.0 2

SQUID,

SQIG,

NI

I

21

Summingamplifier

Integrator

Rf Vout

Feedback current

VsFeedbackcoil

GMRmagnetometer

Poweramplifier

VHb

L +

Inversion

The GMR magnetometer is the analog magnetoresistive (MR) sensorAA-002 available from the Nonvolatile Electronics (NVE)

GMR磁強計之磁場回授電路

22

有磁場回授之GMR磁強計的特性

2.7

1.8

1.5

SB1/2 @1 kHz

(nT/Hz1/2)

2.940.013GMR 3

2.830.028GMR 2

2.800.025GMR 1

VB

(V/mT)

Sensor

#

0.01 0.1 1 10

f (kHz)

0.1

1

10

with feedback

without feedbackdV/d

B(V

/mT

)0.01 0.1 1 10

f (kHz)

0.1

1

10

with feedback

without feedbackdV/d

B(V

/mT

)

23

VI

~

power amp. summing amp.

phaseshifter

mixer

oscillatorVout

Ro

integratorGMRsensor

Vb

feedbackcurrent

Amp.

交流驅動之GMR磁強計

24

磁穿隧接面(magnetic tunneling junction, MTJ)

上電極

下電極

Si substrate

Ti (seed layer)

Ag (wiring)

Ni-Fe

AlOx

Co-Fe

上電極

下電極 MTJ

MTJ

25

通量閘(fluxgate)元件

雙磁芯 跑道型

拾波線圈

感測方向

環型

激磁線圈

激磁線圈

拾波線圈拾波線圈

激磁線圈

平面型

磁芯HexHex

+

+

+

+

26

通量閘(fluxgate)原理

0 1 2t

V

V

1

V1 V2

2

V1 V2H

B

0

1

t

H0

27

通量閘(fluxgate)元件

1 mm

感測方向

繞線式fluxgate Planar Micro fluxgate(TSMC CMOS-MEMS 0.35µm)

28

通量閘驅動電路：二次諧波偵測

PA

IA

功率放大器

移相器

混波器

振盪器Vf

Rf

積分器通量閘

拾波線圈

倍頻器

回授線圈

儀表放大器

磁芯

感測方向

PA

功率放大器

Vs

29

通量閘應用: 主動式磁屏蔽(Active Magnetic Shielding)

Rf Vout

L

Preamplifier Low passfilter

Integrator Poweramplifier

Feedback current

Fluxgatemagnetometer

Feedbackcoil

Rf Vout

L

Preamplifier Low passfilter

Integrator Poweramplifier

Feedback current

Rf Vout

L

Preamplifier Low passfilter

Integrator Poweramplifier

Feedback current

Fluxgatemagnetometer

Feedbackcoil

0 10 20 30 40 50 60time (min)

-2

0

2

Bz,

res

(T)

24

26

28

Bz,

env

(T)

Environmental magnetic field

With active shielding

30

微磁技術實驗室–研究主題磁強計 (magnetometers) 超導量子干涉元件 (Superconducting Quantum Interference Devices, SQUID) 巨磁阻 (giant magnetoresistance, GMR) 通量閘 (fluxgate)

渦電流偵測器 (eddy-current detectors)低頻(10 Hz~10 kHz)：渦電流缺陷偵測器高頻(10 kHz~10 MHz)：非接觸式距離偵測器

磁感測器應用心臟磁場量測：SQUID磁場圖掃描、磁源電流逆算：GMR硬幣辨識：高頻渦電流偵測器

結語

31

利用「低頻 」渦電流探頭偵測裂隙深度

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15缺陷深度(mm)

相位

角(d

eg)

20 kHz

10.1 kHz

5.05 kHz

2.27 Hz

1.01 kHz

0.505 kHz

0.8 kHz

0.6 kHz

0.4 kHz

Laminated stainless steel 304

深度

LF EC NDE system

GMR Inductioncoil

32

GMR-based Eddy-Current Probe

GMR magnetometerFeedback coil

exciterScan direction

Axis ofsensitivity

Aluminum sheets

33

Defect signal of a hidden crack in layeredaluminum sheets

-20 0 20x (mm)

20

40

60

B(µ

T)

-270

-180

-90

0

90

diff

(deg

)

Bi

Bq

f = 200 Hz Flaw depth= 5.5 mm Spatial resolution

limited by the size ofmagnetometer(IC package andfeedback coil)

Signal-to-noise ratio:>104 dB at 200Hz

comparable toHTS-SQUID-basededdy-current probe

34驅動電路「高頻」渦電流探頭

2 MHz (in)

V (out)

『非接觸式位移感測器研究開發』計畫

主 辦 單 位 ： 經 濟 部 工 業 局

委 辦 單 位 ： 財團法人密機械研究發展中心

執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學

99年3月~10月

35

0

20

40

60

80

100

120

1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150

f (kHz)

|Z|(

kohm

)

「高頻」渦電流偵測器

Distance

Vout

C

Target

VAC

R1

R

L

磁場

總阻抗

222

222

)(+)-1(

])-1)((-[+1=

RCωLCω

LCωRL

RCωRZLC

ω1

=c

共振角頻率

36

渦電流距離偵測器特性(檢測物體: SS304 φ100 mm×19 mm)

0-10 mm, non-linearity 15 ﹪ 2-4 mm, non-linearity 2 ﹪

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10 12

距離 (mm)

電壓

(V)

實驗值擬合直線

0

1

2

3

4

5

6

2 2.5 3 3.5 4 4.5

距離 (mm)電

壓(V

)

實驗值擬合直線

37

微磁技術實驗室–研究主題磁強計 (magnetometers) 超導量子干涉元件 (Superconducting Quantum Interference Devices, SQUID) 巨磁阻 (giant magnetoresistance, GMR) 通量閘 (fluxgate)

渦電流偵測器 (eddy-current detectors)低頻(10 Hz~10 kHz)：渦電流缺陷偵測器高頻(10 kHz~10 MHz)：非接觸式距離偵測器

磁感測器應用心臟磁場量測：SQUID磁場圖掃描、磁源電流逆算：GMR硬幣辨識：高頻渦電流偵測器

結語

38

SQUIDNDE

flaw 1flaw 2

Sample

心臟磁場 (QRS)

誘發腦波

(非破壞性檢測, NDE)P

Q

R

S

T

10-15

10-14

10-13

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4磁

場強

度(T

esla

)地球靜磁場

汽車、電子儀器

渦電流感應磁場

SQUID 雜訊(測量極限)

自發腦波(波)

(60 Hz交流電源)

微小磁場強度表

39

Magnetocardiogram (MCG, 心磁圖) in an unshielded environment

IEEE Tran. Appl. Supercond. 13, 360 (2003)

0 2 4 6 8 10t (sec)

0

40

80

B(p

T)

MCG0.0

0.5

1.0

V(m

V) ECG

0 2 4 6 8 10t (sec)

0 2 4 6 8 10t (sec)

0

40

80

B(p

T)

MCG

0

40

80

B(p

T)

0

40

80

B(p

T)

MCG0.0

0.5

1.0

V(m

V) ECG

0.0

0.5

1.0

V(m

V)

0.0

0.5

1.0

V(m

V) ECG

X

SQUID electronics

Filters

SQUID electronics

SQUID electronics

D/Aconverter

Y

2nd-orderSQUID

Gradiometer

PC

Gradiometerelectronics

40

SQUIDMCG

system

cameras

translation stage

MCGelectronics

computer

心臟磁場影像對位心臟磁場影像對位

41

3D體型測量結果 (phantom)

cloud mesh shaded

42

Current injection

Feedback

Error signal

Feedbackcircuit

Vout

Printed circuit

GMRmagnetometer Magnetic

flux density

Computer

3 4 5 mm

I

I

40m

m

SR-830Lock-in amplifier &Function generator

磁場圖掃描、磁源電流逆算

43

『渦電流式硬幣辨識模組開發』計畫 (優聯科技)

98年7月~12月

辨識電路模組構想與設計鄭振宗(共同主持人, 高應科大副教授)

機構研發汪家昌(共同主持人, 台北科大助理教授)

計畫統籌, 執行進度控管呂志誠(計畫主持人, 台北科大助理教授)

44

渦電流硬幣辨識–PC程式

45

結語

三種磁強計比較 靈敏度：SQUID > fluxgate > GMR 頻寬： SQUID > GMR > fluxgate 功率消耗： SQUID < GMR < fluxgate

研究領域特性：基礎研究(論文發表)：SQUID, fluxgate, GMR, MTJ應用研究(產學合作)：eddy-current, coin validation

研究工作需要全方位的能力

未來有無限的可能性，唯一限制在於想像力