[發明專利]磁傳感器

在審

• 申請號: 201710847115.8
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107703465A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 羅豪甦;馬甲帥;方聰;姚蒙;狄文寧;李曉兵;楊林榮;林迪
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: G01R33/06
• 分類號: G01R33/06
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙)31261
• 代理人: 曹芳玲,姚佳雯

技術領域

本發明涉及一種磁傳感器，尤其涉及一種應用于室內精確定位或者內窺鏡膠囊定位的微型矢量磁傳感器。

背景技術

無線膠囊內窺鏡是內窺鏡檢查術的一個重大突破，它克服了傳統纜線內窺鏡的兩大缺陷：難以實現完整的小腸檢查并且給病人帶來巨大的痛苦，所以發展潛力巨大。但是，要進一步推廣膠囊內窺鏡還要解決病理組織位置確定、膠囊運動主動控制、圖像質量、病理組織觀測等問題，這些問題與膠囊的定位相關，膠囊內窺鏡模塊原理圖如圖1所示。膠囊內窺鏡的定位有多種方法。其中一種方法是基于矢量磁傳感器對特定磁信號響應的定位技術，稱為磁近場定位技術，如圖1所示。此外，3D超聲，醫學影像，如X線成像、CT和MRI都可以用來定位。但這些方法要么過程復雜，要么精度太低，都難以滿足要求。

在內窺鏡或者內窺鏡膠囊的磁近場定位技術中包括兩種實施方法。第一種是在體外固定由三個以上磁信號發生器（線圈）組成的磁信號發生器陣列，然后內窺鏡內矢量磁傳感器對特定交變磁信號響應并輸出電信號然后根據算法計算出膠囊位置，如圖2所示。第二種方法是在內窺鏡內放置一磁信號發生器（線圈），在人體外固定由多個磁傳感器組成的磁信號探測陣列，然后根據磁傳感器陣列的響應信號計算出內窺鏡位置。第一種方法的特點是將磁傳感器放置在人體內，磁傳感器功耗低，可以用微型電池供電或者內部的低功率集能器為其供電。所以采用第一種方法的優點是可以放置在內窺鏡膠囊中采用無線通信的方式與外界通信。第二種方式要求的功耗大，只應用于有線纜的內窺鏡中。本發明是在采用第一種方法放置磁傳感器的基礎上進一步研究。

為了達到現代醫學上要求的以高精度手術或者定點藥物釋放的精度要求，醫學上對內窺鏡膠囊定位精度的要求越來越高，這就對磁傳感器的靈敏度和分辨率提出更高的要求。

近10年來由磁電效應發展而來的磁電型弱磁傳感器靈敏度高，諧振下可達10^-15T量級，體積小，mm量級。磁電型磁傳感器的分數帶寬可低至1/1000，具有超高的窄帶通特性。在基于磁信號的近場定位原理中，一般所施加的磁信號都是某特定頻率的磁信號。現在在內窺鏡或內窺鏡膠囊定位中應用的大分數帶寬型磁傳感器需要在后端信號處理中增加模擬或者數字鎖相放大器件。所以采用高分數帶寬的磁電型弱磁傳感器可以取消后端信號處理部分的鎖相放大器件，既降低了后端電路的復雜性與成本，也提高了信號處理的效率。

典型的磁電型弱磁傳感器是基于磁電效應的磁傳感器，由磁致伸縮材料與壓電材料層狀復合而成的復相磁電復合材料的磁電效應比傳統的單相磁電材料的磁電效應高2個數量級以上。現在學術中主要的磁電型弱磁傳感器均是基于磁致伸縮材料與壓電材料層狀復合而成的異質結層狀磁電復合材料作為磁靈敏元，如圖3所示，該復合材料從上至下依次為磁致伸縮材料12，粘合劑13，壓電材料19，粘合劑13和磁致伸縮材料12，兩端為偏置磁鐵15。然而這種結構需要比較大的磁鐵提供偏置磁場，在醫療環境中，很多種醫療設備都不允許將鐵磁性材料引入到醫療環境中。況且磁鐵會對鐵磁性手術器材（如剪刀，鑷子）等產生影響，會嚴重影響醫生手術時下刀的精準性。所以這種結構的磁電型磁傳感器不能應用在醫療行業中，更不能應用于精密膠囊式內窺鏡中。

發明內容

鑒于以上存在的問題，本發明旨在提供一種功耗低、體積小、穩定度高、分數帶寬小、矢量型、正交性好的磁傳感器。本傳感器是基于一種新型原理——磁-彈-電耦合方式進行磁場精密探測，是一種自偏置的無磁鐵磁傳感器，能夠在不需要引入偏置磁場就達到高磁電效應的目的。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種磁傳感器，包括：支撐結構；和嵌于所述支撐結構上的三個相互正交的層狀磁電復合材料，每個所述層狀磁電復合材料均由一層壓電材料，兩層磁致伸縮材料，兩層自偏置材料和四層粘合劑材料組成。

本發明所描述的一種三軸矢量型磁電弱磁傳感器以自偏置異質結層狀磁電復合材料作為靈敏元。復合材料中采用粘合劑將各層的自偏置材料、磁致伸縮材料和壓電材料層狀耦合在一起，其中自偏置材料產生的弱磁化梯度場為磁致伸縮材料提供偏置。此磁化梯度場極弱，不會對周圍醫療器械產生影響。本發明功耗低，僅為毫瓦量級，體積小，例如可以有利于集成到內窺鏡膠囊中，分數帶寬小，極大的簡化了后端信號處理電路，提高信號處理效率，探測靈敏度高，諧振下靈敏度達10^-15T量級，使磁近場定位精度達到mm量級。本發明的磁傳感器也可以適用于室內精確定位。