![Page 1: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/5.jpg)
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)
![Page 6: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/6.jpg)
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
![Page 7: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/9.jpg)
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
![Page 10: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/11.jpg)
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)
![Page 12: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/12.jpg)
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
![Page 13: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Flux-locked loop for dc SQUID
Vout : Vout= (Rf /Mf)
Oscillator
Amplifier IntegratorLock-indetector
Rf Vout
Mf
FeedbackFeedback + Modulation
fM
IB
VL
VSQUID
![Page 17: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/19.jpg)
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
![Page 20: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/21.jpg)
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
![Page 22: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/22.jpg)
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
)
![Page 23: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/23.jpg)
23
VI
~
power amp. summing amp.
phaseshifter
mixer
oscillatorVout
Ro
integratorGMRsensor
Vb
feedbackcurrent
Amp.
交流驅動之GMR磁強計
![Page 24: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/25.jpg)
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
+
+
+
+
![Page 26: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/26.jpg)
26
通量閘(fluxgate)原理
0 1 2t
V
V
1
V1 V2
2
V1 V2H
B
0
1
t
H0
![Page 27: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/27.jpg)
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)
![Page 28: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/28.jpg)
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
![Page 29: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 31: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/32.jpg)
32
GMR-based Eddy-Current Probe
GMR magnetometerFeedback coil
exciterScan direction
Axis ofsensitivity
Aluminum sheets
![Page 33: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/36.jpg)
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
![Page 37: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/37.jpg)
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
![Page 38: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/40.jpg)
40
SQUIDMCG
system
cameras
translation stage
MCGelectronics
computer
心臟磁場影像對位心臟磁場影像對位
![Page 41: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/41.jpg)
41
3D體型測量結果 (phantom)
cloud mesh shaded
![Page 42: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/42.jpg)
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
![Page 43: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/43.jpg)
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)
![Page 44: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/44.jpg)
44
渦電流硬幣辨識–PC程式
![Page 45: 磁感測器技術與應用簡介 - kuas.edu.t · 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,](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022040709/5e0de544cf49b85e766ce15d/html5/thumbnails/45.jpg)
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