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1、(10)申请公布号 CN 103901362 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103901362 A (21)申请号 201410139130.3 (22)申请日 2014.04.09 G01R 33/035(2006.01) G01V 3/40(2006.01) (71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路 865 号 (72)发明人 徐婷 王会武 荣亮亮 常凯 侍文 蒋坤 邱隆清 伍俊 谢晓明 (74)专利代理机构 上海智信专利代理有限公司 31002 代理人 潘振甦 (54) 发明名称 基于多通道 SQUID 磁传感器。
2、的三轴磁探测模 块 (57) 摘要 本发明涉及一种基于多通道 SQUID 磁传感 器的三轴磁探测模块， 其特征在于所述的三轴磁 场探测模块， 三个方向相互正交， 分别对应空间 的 XYZ 方向， 对每一个方向的磁场测量由多个通 道超导 SQUID 磁传感器器件完成 ； 多个通道超导 SQUID 传感器构成串联阵列或通过改变连接次序 构成并联阵列。 串联阵列可以提高测量的灵敏度， 并联阵列可以提高测量的信噪比和工作效率。变 化模块中每个组件的连接方法， 可以构造出不同 结构的探测模块， 以满足实际应用对探测模块的 不同要求， 提高探测系统的灵活性和效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 。
3、页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103901362 A CN 103901362 A 1/2 页 2 1. 一种基于多通道 SQUID 磁传感器的三轴磁探测模块， 其特征在于所述的三轴磁场探 测模块， 三个方向相互正交， 分别对应空间的 XYZ 方向， 对每一个方向的磁场测量由多个通 道超导 SQUID 磁传感器器件完成 ； 多个通道超导 SQUID 传感器构成串联阵列或通过改变连 接次序构成并联阵列。 2. 按权利要求 1 所述的模块， 其特征在于待测磁场信号按照 3。
4、 个相互正交的方向进行 分解， 每个方向的磁传感器测量对应其方向的磁场， 并由此三个信号计算出磁场矢量。 3. 按权利要求 1 所述的模块， 其特征在于 ： (a) 所述的串联阵列是前一个超导 SQUID 磁传感器器件的负极端连接到相邻超导 SQUID 磁传感器器件的正极端 ； (b)在串联阵列中每个超导SQUID磁传感器器件所感应的磁场变化B， 其输出电压为 V， 则磁场 电压转换系数为 V/B， 当 n 个超导 SQUID 磁传感器器件构成串联 SQUID 组 件时， 当磁场变化为B时， 其阵列的输出电压为n*V， 磁场 电压转换系数为n*V/B， 比单个超导 SQUID 磁传感器器件提高。
5、了 n 倍 ； (c)磁场 电压转换系数的提高使得SQUID读出电路可以采用直读电路方式， 具有达到 MHz 量级的摆率和带宽。 4. 按权利要求 1 所述的模块， 其特征在于 ： (a)所述的并联阵列是多个超导SQUID磁传感器器件之间互不相连， 每个超导SQUID磁 传感器分别感应外界磁场信号 ； (b) 阵列灵敏度由阵列中单个器件的灵敏度决定 ； (c) 并联的超导 SQUID 磁传感器器件阵列系统的信噪比提高 n1/2。 5. 按权利要求 1、 3 或 4 所述的模块， 其特征在于超导 SQUID 磁传感器器件间的串联阵 列和并联阵列不同形式通过开关完成切换。 6. 按权利要求 1 所。
6、述的模块， 其特征在于将串联阵列和并联阵列间混合使用， 构成具 有高摆率、 大带宽和高信噪比的测量系统。 7. 按权利要求 6 所述的模块， 其特征在于每个磁场测量方向上使用 2 行 2 列的并联阵 列， 每一单元由 4 个超导 SQUID 磁传感器器件串联构成。 8. 制作如权利要求 14 所述的模块的方法， 其特征在于采用从上而下的方式制作， 所 述的三轴模块分为载体和器件两大部分， 而且载体和器件制作可以分开并行完成 ； 在制作 模块的过程中， 先分别完成载体和超导 SQUID 磁传感器器件制作， 然后将这两部分集成在 一起， 构成 3 轴模块 ； 22 通道的具体制作步骤是 ： 首先，。
7、 确定三轴模块的尺寸参数， 根据由模块提供低温环境的杜瓦尺寸确定模块尺寸， 模块的尺寸与载体的尺寸相同， 通常模块的载体设计为立方体结构， 载体材料的选择是在 低温环境下性能稳定的环氧材料， 并利用机械加工技术制造出立方体载体， 在载体上制作 出螺孔辅助的机械结构 ； 在制作完成后， 测量立方体的表面平整度和各平面之间的角度， 比 对设计参数， 调整并减小载体的结构误差 ； 第二， 在载体制作的同时， 利用微加工工艺来制备超导 SQUID 磁传感器器件， 在器件制 备完成后， 根据三轴模块每一个方向的尺寸， 对器件进行封装 ； 在每一面上排列 22 通道 阵列， 为防止器件之间的串扰问题， 需。
8、要在器件之间留有几个厘米的间距 ； 在器件封装之 后， 将超导 SQUID 磁传感器安装于模块之前， 对每一个器件进行包括器件噪声、 磁场电压转 权 利 要 求 书 CN 103901362 A 2 2/2 页 3 换参数性能的测试性能测试和标定， 并选择性能接近的器件来制造磁探测模块， 保证器件 性能的均一性 ； 第三， 按照模块的设计， 将超导 SQUID 磁传感器器件安装于三轴模块上， 并对每一个方 向的阵列进行性能测试， 根据性能参数的测量反馈结果， 不断改进和完善三轴模块 ； 第四， 通过对器件、 组件、 模块制作步骤中的每一步的检测， 保证磁探测模块的质量。 9. 按权利要求 8 。
9、所述的方法， 其特征在于立方体结构的模块的载体的边长小于 10 厘 米。 权 利 要 求 书 CN 103901362 A 3 1/4 页 4 基于多通道 SQUID 磁传感器的三轴磁探测模块 技术领域 0001 本发明涉及超导 SQUID 磁传感器对地球磁场的测量， 更确切地说本发明涉及一种 基于多通道 SQUID 磁传感器的三轴磁探测模块。属于磁场测量技术领域。 背景技术 0002 超导量子干涉器 （SQUID） 是一种由超导约瑟夫森结和超导环组成的超导量子器 件， 它的工作原理主要基于约瑟夫森效应和磁场量子化， 其能够将磁场的微弱变化转化为 可测量的电压， 磁场灵敏度可达到 fT 量级，。
10、 是目前最灵敏的磁场传感器， 因此其在微弱磁 场探测领域如生物磁场探测、 无损检测、 地球磁场探测等方面具有极大的发展和应用潜力。 例如在地球物理探测中的大地电磁测深 （Magnetotelluric， MT） 和可控源音频大地电磁测 深 （CSAMT） 应用中都需要高性能的磁场传感器来对目标磁场信号进行测量。 0003 MT 是对天然存在的区域性电磁场进行探测， 这类天然电磁场具有很宽的频带， 通 过对这些天然电磁场的测量和数据分析， 可了解地球岩石圈的电性结构， 是研究深部地质 构造和寻找油气田的基本勘探方法之一， 近年来 MT 得到了很大的发展。由于 MT 天然场源 的信号微弱， 因此在。
11、应用中需要使用高灵敏度的磁传感器。 0004 CSAMT 与 MT 同属频率电磁测深范畴， 两者的差异在于 CSAMT 的激励场源可以人工 控制， 针对 MT 场源的随机性和信号微弱， 以致观测十分困难的状况， CSAMT 采用可以人工控 制发射电流及其频率的电偶极子或磁偶极子作为场源， 通过测量距场源较远地点位置的不 同发射频率下的电磁场信号， 来计算出不同频率下的视电阻率， 以反映出地下电阻率的分 布特征。 0005 在进行大地电磁测量时， 通常既进行MT测量， 也进行CSAMT测量， 它们都需要灵敏 的磁传感器。另外， CSAMT 的目标信号是不同发射频率所引发的磁场， 地球环境磁场看作。
12、噪 声， 因此， 其系统的信噪比性能是其关注的一个重点指标， 通常利用多次叠加的方法来降低 地球环境磁场噪声的影响， 因此需要对单一频率的场进行长时间测量。 0006 然而， 将超导SQUID磁传感器应用于MT和CSAMT时， 目前都使用单通道SQUID传感 器进行磁场测量， 采用磁通调制锁定电路来读出 SQUID 所感应的磁信号 （DANTSKER,E etc. HIGH-T-C3-AXIS DC SQUID MAGNETOMETER FOR GEOPHYSICAL APPLICATIONS） ， 据报道， 至今 中国科学院上海微系统与信息技术研究所也只利用超导 SQUID 磁传感器器件进行。
13、了 MT 和 CSAMT 方面的应用研究。在磁测过程中， MT 测量具有频带比较宽的特点， 而 CSAMT 为了改善 系统的信噪比， 采用信号平均的处理方法， 因此需要在一个测量点进行长时间测量， 测量时 间大于半小时， 不利于工程化应用。 0007 本发明拟针对上述超导 SQUID 磁传感器的测量特点， 试图提供一种基于多通道 SQUID 传感器的三轴探测模块， 它不但能够测量三个正交方向的磁场， 而且可以针对 MT 和 CSAMT的不同要求， 灵活改变模块结构以适应其要求， 进而可以提高工作效率。 另外， 这种探 测模块同样有望可以应用于其它微弱磁场探测领域之中。 说 明 书 CN 103。
14、901362 A 4 2/4 页 5 发明内容 0008 本发明的目的在于提供一种基于多通道 SQUID 磁传感器的三轴磁探测模块。本发 明设计一种三轴磁场探测模块， 三个方向相互正交， 分别对应空间中 XYZ 方向。对每一个方 向的磁场测量由多个通道超导SQUID传感器完成， 多个通道SQUID既能够构成串联阵列， 也 可以通过改变连接次序构成并联阵列， 串联阵列可以提高测量的灵敏度， 并联阵列可以提 高测量的信噪比和工作效率。进一步特征描述如下 ： 0009 （1） 三轴磁场探测模块 0010 超导 SQUID 磁传感器是一种矢量传感器， 只能测量垂直于器件平面方向的磁场变 化量。在进行微。
15、弱磁场信号测量时， 因为微弱磁场信号与超导 SQUID 磁传感器器件平面不 是完全垂直的， 因此SQUID磁传感器所感应的是待测磁场信号垂直于SQUID平面的分量， 甚 至在某些情况下， 单轴 SQUID 测量不到磁场信号， 如磁偶极子的电流环产生的磁场分布如 图 1， 从图中可以看出来， 在 A、 B、 C、 D 和 E 这些列出的点上， 若采用单轴测试， 箭头标注的方 向磁场就测不到了， 导致测量出来的磁场值其实不准确， 另外， 不仅仅是这些特殊点， 在偏 离这些特殊点不远的附近， 有时候磁场信号是非常微弱的， 测量出来的效果并不满意。 采用 三轴磁探测模块可以解决上述问题， 三轴模块由3。
16、个方向的磁传感器构成， 如图2所示， 这3 个方向相互正交， 如此， 待测磁场信号可以按照这三个方向进行分解， 每个方向的磁传感器 测量对应其方向的磁场， 并可以由此三个信号计算出磁场矢量。 0011 （2） 串联 SQUID 阵列 0012 在三轴探测模块中， 探测每一个方向的磁探测组件是由多个 SQUID 磁传感器构 成， 将这些超导 SQUID 磁传感器器件按照串联的方式可以构成串联 SQUID 组件， 如图 3 所 示， 即前一个超导 SQUID 磁传感器器件的负极端连接到相邻超导 SQUID 磁传感器器件的正 极端。这种串联 SQUID 组件具有较大的磁场电压转换系数， 设每个超导 。
17、SQUID 磁传感器 器件所感应的磁场变化 B， 其输出电压为 V， 那么其磁场电压转换系数为 V/B， 当 n 个超导 SQUID 磁传感器器件构成串联 SQUID 组件时， 当磁场变化为 B 时， 其阵列的输出 电压为 n*V， 其磁场电压转换系数为 n*V/B， 比单个超导 SQUID 磁传感器器件提高 了 n 倍。磁场电压转换系数的提高使得 SQUID 读出电路可以采用直读电路方式， 这种电 路方式不仅结构简单， 方便使用， 而且具有很高的摆率和很大的带宽， 可以达到 MHz 量级， 这些优点使其在要求高摆率和大带宽的磁场测量时具有很强的应用潜力。 0013 （3） 并联 SQUID 。
18、阵列 0014 在三轴探测模块中， 探测每一个方向的磁探测组件也可以由多个 SQUID 磁传感器 构成的并联阵列， 如图 4 所示， 即多个 SQUID 传感器之间互不相连， 每个 SQUID 磁传感器分 别感应外界磁场信号， 阵列灵敏度由阵列中单个器件的灵敏度决定， 但是由于每个 SQUID 传感器感应的环境噪声具有随机性和不相关性， 不相关的磁场噪声叠加在一起， 可以在理 论上将磁场噪声降低 n1/2， 因此并联 SQUID 阵列能够将系统的信噪比提高 n1/2。 0015 另外， 由于并联 SQUID 安装于一个平面上， 器件的间距在几个厘米， 因此可以 由相邻的两个超导 SQUID 磁。
19、传感器器件构成一个磁场梯度计， 如图 4 所示， SQUID1 测量的是位置 1 处的磁场， SQUID2 测量的是位置 2 处的磁场， 那么根据这两个位 置的磁场可以计算出磁场梯度根据位置 1 和位置 3 处的磁场测量值， 可以计 算出磁场梯度同样， 通过其它两个方向的 SQUID 阵列， 可以计算出磁场梯度 说 明 书 CN 103901362 A 5 3/4 页 6 这些磁场梯度数据更加丰富了磁场信息， 有助于进 行更精确的磁场反演， 在地球物理探测中发挥重要作用。 0016 在 3 轴磁探测模块中， 测量每一个方向的磁探测组件既可以构成串联形式， 也可 以构成并联形式， 在不同形式之间。
20、可以通过开关来完成切换。在需要高摆率和大带宽的测 量场合， 可应用串联形式 ； 在探测需要高信噪比的场合， 可应用并联形式， 如此更增加了三 轴磁场测量模块的使用灵活性。 0017 除了单独使用串联阵列或并联阵列之外， 在 SQUID 磁测量应用中， 也可以将串联 阵列和并联阵列混合使用， 构成具有高摆率、 大带宽和高信噪比的测量系统， 比如每一个磁 场测量方向上使用 2 行 2 列的并联阵列， 而每一个单元由 4 个超导 SQUID 传感器串联构成。 但若如此设计， 传感器数量增加 4 倍， 增加了系统成本， 在应用中需加以衡量。 0018 总之， 本发明涉及一种基于多通道 SQUID 磁传。
21、感器的三轴磁探测模块， 其特征在 于所述的三轴磁场探测模块， 三个方向相互正交， 分别对应空间的 XYZ 方向， 对每一个方向 的磁场测量由多个通道超导 SQUID 磁传感器器件完成 ； 多个通道超导 SQUID 传感器构成串 联阵列或通过改变连接次序构成并联阵列。串联阵列可以提高测量的灵敏度， 并联阵列可 以提高测量的信噪比和工作效率。变化模块中每个组件的连接方法， 可以构造出不同结构 的探测模块， 以满足实际应用对探测模块的不同要求， 提高探测系统的灵活性和效率。 附图说明 0019 图 1 磁偶极子产生的磁场分布示意图 ； 0020 图 2 三轴磁场探测模块示意图 ； 0021 图 3 。
22、串联 SQUID 连接示意图 ； 0022 图 4 并联 SQUID 连接示意图， 其中 (a) 是三轴模块中一个方向上的并联阵列示意 图， (b) 是整个三轴模块示意图， (a) 和 (b) 中的超导 SQUID 磁传感器器件相互对应 ； 0023 图 5 三轴探测模块制作方法。 具体实施方式 0024 根据前面所述的设计， 本发明所述的 3 轴探测模块采用从上而下的方式来制作， 如图 5 所示。 0025 三轴模块主要分为载体和器件两大部分， 而且载体和器件制作可以分开并行完 成， 因此， 在制作模块的过程中， 先分别完成载体和 SQUID 制作， 然后将这两部分集成在一 起， 构成 3 。
23、轴模块。22 通道的具体制作步骤是 ： 0026 首先， 确定三轴模块的尺寸参数， 根据给模块提供低温环境的杜瓦尺寸确定模块 尺寸， 这个模块的尺寸通常与载体的尺寸相同。 通常模块的载体设计为立方体结构， 边长小 于 10 厘米， 载体材料选择在低温环境下性能稳定的环氧材料， 并利用机械加工技术制造出 立方体载体， 在载体上制作出一些辅助的机械结构， 如螺孔等。在制作完成后， 测量立方体 的表面平整度和各平面之间的角度， 比对设计参数， 调整并减小载体的结构误差。 0027 第二， 在载体制作的同时， 利用微加工工艺来制备超导 SQUID 磁传感器器件， 在器 件制备完成后， 根据三轴模块每一。
24、个方向的尺寸， 对器件进行封装， 因为每一面上排列 22 通道阵列， 而且为防止器件之间的串扰问题， 需要在器件之间留有几个厘米的间距。 在器件 说 明 书 CN 103901362 A 6 4/4 页 7 封装之后， 将超导 SQUID 传感器安装于模块之前， 对每一个器件进行性能测试和标定， 包括 器件噪声、 磁场电压转换参数等性能的测试， 并选择性能接近的器件来制造磁探测模块， 保 证器件性能的均一性。 0028 第三， 按照模块的设计， 将超导 SQUID 磁传感器器件安装于三轴模块上， 并对每一 个方向的阵列进行性能测试， 根据性能参数的测量反馈结果， 不断改进和完善三轴模块。 0029 第四， 通过对器件、 组件、 模块制备步骤中的每一步的检测， 来保证磁探测模块的 质量， 使 3 轴探测模块在微弱磁场探测应用发挥重要的作用。 说 明 书 CN 103901362 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103901362 A 8 2/4 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103901362 A 9 3/4 页 10 图 4 说 明 书 附 图 CN 103901362 A 10 4/4 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103901362 A 11 。