[发明专利]磁传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁传感器，尤其涉及一种应用于室内精确定位或者内窥镜胶囊定位的微型矢量磁传感器。

背景技术

无线胶囊内窥镜是内窥镜检查术的一个重大突破，它克服了传统缆线内窥镜的两大缺陷：难以实现完整的小肠检查并且给病人带来巨大的痛苦，所以发展潜力巨大。但是，要进一步推广胶囊内窥镜还要解决病理组织位置确定、胶囊运动主动控制、图像质量、病理组织观测等问题，这些问题与胶囊的定位相关，胶囊内窥镜模块原理图如图1所示。胶囊内窥镜的定位有多种方法。其中一种方法是基于矢量磁传感器对特定磁信号响应的定位技术，称为磁近场定位技术，如图1所示。此外，3D超声，医学影像，如X线成像、CT和MRI都可以用来定位。但这些方法要么过程复杂，要么精度太低，都难以满足要求。

在内窥镜或者内窥镜胶囊的磁近场定位技术中包括两种实施方法。第一种是在体外固定由三个以上磁信号发生器（线圈）组成的磁信号发生器阵列，然后内窥镜内矢量磁传感器对特定交变磁信号响应并输出电信号然后根据算法计算出胶囊位置，如图2所示。第二种方法是在内窥镜内放置一磁信号发生器（线圈），在人体外固定由多个磁传感器组成的磁信号探测阵列，然后根据磁传感器阵列的响应信号计算出内窥镜位置。第一种方法的特点是将磁传感器放置在人体内，磁传感器功耗低，可以用微型电池供电或者内部的低功率集能器为其供电。所以采用第一种方法的优点是可以放置在内窥镜胶囊中采用无线通信的方式与外界通信。第二种方式要求的功耗大，只应用于有线缆的内窥镜中。本发明是在采用第一种方法放置磁传感器的基础上进一步研究。

为了达到现代医学上要求的以高精度手术或者定点药物释放的精度要求，医学上对内窥镜胶囊定位精度的要求越来越高，这就对磁传感器的灵敏度和分辨率提出更高的要求。

近10年来由磁电效应发展而来的磁电型弱磁传感器灵敏度高，谐振下可达10^-15T量级，体积小，mm量级。磁电型磁传感器的分数带宽可低至1/1000，具有超高的窄带通特性。在基于磁信号的近场定位原理中，一般所施加的磁信号都是某特定频率的磁信号。现在在内窥镜或内窥镜胶囊定位中应用的大分数带宽型磁传感器需要在后端信号处理中增加模拟或者数字锁相放大器件。所以采用高分数带宽的磁电型弱磁传感器可以取消后端信号处理部分的锁相放大器件，既降低了后端电路的复杂性与成本，也提高了信号处理的效率。

典型的磁电型弱磁传感器是基于磁电效应的磁传感器，由磁致伸缩材料与压电材料层状复合而成的复相磁电复合材料的磁电效应比传统的单相磁电材料的磁电效应高2个数量级以上。现在学术中主要的磁电型弱磁传感器均是基于磁致伸缩材料与压电材料层状复合而成的异质结层状磁电复合材料作为磁灵敏元，如图3所示，该复合材料从上至下依次为磁致伸缩材料12，粘合剂13，压电材料19，粘合剂13和磁致伸缩材料12，两端为偏置磁铁15。然而这种结构需要比较大的磁铁提供偏置磁场，在医疗环境中，很多种医疗设备都不允许将铁磁性材料引入到医疗环境中。况且磁铁会对铁磁性手术器材（如剪刀，镊子）等产生影响，会严重影响医生手术时下刀的精准性。所以这种结构的磁电型磁传感器不能应用在医疗行业中，更不能应用于精密胶囊式内窥镜中。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明旨在提供一种功耗低、体积小、稳定度高、分数带宽小、矢量型、正交性好的磁传感器。本传感器是基于一种新型原理——磁-弹-电耦合方式进行磁场精密探测，是一种自偏置的无磁铁磁传感器，能够在不需要引入偏置磁场就达到高磁电效应的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁传感器，包括：支撑结构；和嵌于所述支撑结构上的三个相互正交的层状磁电复合材料，每个所述层状磁电复合材料均由一层压电材料，两层磁致伸缩材料，两层自偏置材料和四层粘合剂材料组成。

本发明所描述的一种三轴矢量型磁电弱磁传感器以自偏置异质结层状磁电复合材料作为灵敏元。复合材料中采用粘合剂将各层的自偏置材料、磁致伸缩材料和压电材料层状耦合在一起，其中自偏置材料产生的弱磁化梯度场为磁致伸缩材料提供偏置。此磁化梯度场极弱，不会对周围医疗器械产生影响。本发明功耗低，仅为毫瓦量级，体积小，例如可以有利于集成到内窥镜胶囊中，分数带宽小，极大的简化了后端信号处理电路，提高信号处理效率，探测灵敏度高，谐振下灵敏度达10^-15T量级，使磁近场定位精度达到mm量级。本发明的磁传感器也可以适用于室内精确定位。