基于石墨烯的EMR类磁场传感器技术研究
发布时间：2022-02-16 16:31
空间科学研究在近年来获得了快速发展,同时对空间探测技术也提出了新的要求。对于磁强计的研制,需要在保证精度的前提下尽量减小体积、质量,提高可靠性并缩短研发周期。开发基于新材料、新原理的磁场传感器是实现上述目标的重要途径之一。石墨烯具有优异的电学、机械特性,它的EMR效应和Hall效应均可在室温下测量磁场,但目前将其用于弱磁测量的研究还较为匮乏。论文开展了基于石墨烯的弱磁传感器技术研究,对石墨烯EMR类器件（包括EMR元件、霍尔元件）的性能进行了理论分析和仿真计算,设计了器件几何结构,在此基础上研制了石墨烯弱磁传感器,测试了它们的磁响应特性,并对测试结果进行了详细的理论分析,进一步地搭建了低噪声磁探测系统,探索了石墨烯用于弱磁测量的可行性。论文在分析石墨烯EMR物理效应的基础上,建立了石墨烯EMR元件的有限元模型,提出了金属分流结构偏心的器件几何结构设计,仿真分析了偏心距和偏心角对EMR元件输出灵敏度的影响,完成了器件的最优结构设计。进一步,工艺实现了偏心范德堡形石墨烯EMR元件,并对其磁响应特性进行了测试。测试发现偏心范德堡形石墨烯EMR元件在±0.1 T磁场范围内灵敏度为2.6 V/（...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 高精度磁场探测的应用方向和研究意义
1.1.1 空间磁场探测
1.1.2 地球物理勘探
1.1.3 导航定位
1.1.4 生物医学
1.2 磁场传感器概述
1.2.1 磁通门传感器
1.2.2 霍尔传感器
1.2.3 感应式磁场传感器
1.2.4 磁阻传感器
1.2.5 原子磁场传感器
1.2.6 量子超导磁场传感器
1.3 石墨烯概述
1.3.1 石墨烯物理特性简介
1.3.2 石墨烯的磁效应
1.4 本文的选题依据和主要内容
1.4.1 选题依据
1.4.2 本文的主要内容和结构安排
第2章 石墨烯EMR类器件的原理分析和几何结构设计
2.1 引言
2.1.1 石墨烯EMR元件研究现状和存在问题
2.1.2 石墨烯霍尔元件研究现状和存在问题
2.2 石墨烯EMR效应分析和器件几何结构设计
2.2.1 EMR效应的物理原理
2.2.2 EMR效应的有限元模型
2.2.3 石墨烯EMR元件的几何结构设计
2.3 石墨烯霍尔效应分析和器件几何结构设计
2.4 本章小结
第3章 偏心范德堡形石墨烯EMR元件的加工、测试和分析
3.1 引言
3.2 偏心范德堡形石墨烯EMR元件工艺实现
3.2.1 石墨烯材料制备
3.2.2 石墨烯EMR元件加工工艺流程
3.3 偏心范德堡形石墨烯EMR元件磁响应特性测试
3.3.1 石墨烯EMR元件测试方法
3.3.2 石墨烯EMR元件测试结果
3.3.3 讨论
3.4 本章小结
第4章 石墨烯霍尔元件的加工、测试和分析
4.1 引言
4.2 石墨烯霍尔元件工艺实现
4.2.1 石墨烯材料制备
4.2.2 石墨烯霍尔元件加工工艺流程
4.2.3 石墨烯材料的测试与表征
4.3 噪声测试方式对比研究
4.3.1 交流调制法
4.3.2 互功率谱法
4.3.3 直流测试法
4.3.4 噪声测试方法对比和适用条件
4.3.5 小结
4.4 石墨烯器件霍尔元件噪声特性测试
4.4.1 石墨烯霍尔元件噪声测试方式选择
4.4.2 石墨烯霍尔元件噪声测试系统搭建
4.4.3 石墨烯霍尔噪声特性测试
4.4.4 石墨烯霍尔噪声特性理论分析
4.4.5 小结
4.5 本章小结
第5章 基于石墨烯磁敏感元件的低噪声磁探测系统实现
5.1 引言
5.2 石墨烯磁敏感元件的调制降噪原理和实现
5.2.1 旋转电流调制法简介
5.2.2 石墨烯霍尔元件旋转电流调制法测试电路、测试结果
5.2.3 小结
5.3 Hall传感器与磁阻传感器的调制降噪方式对比
5.3.1 磁阻传感器的调制降噪方式分析
5.3.2 霍尔传感器与磁阻传感器调制降噪方式的对比分析
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 本文工作总结
6.2 未来工作展望
附录
附录1 功率谱密度估计Matlab程序
附录2 低噪声仪表放大器的选用方法
附录3 石墨烯霍尔元件电流相对灵敏度的推导
参考文献
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]High precision magnetometer for geomagnetic exploration onboard of the China Seismo-Electromagnetic Satellite[J]. CHENG BingJun,ZHOU Bin,MAGNES Werner,LAMMEGGER Roland,POLLINGER Andreas. Science China（Technological Sciences）. 2018(05)
本文编号：3628287
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 高精度磁场探测的应用方向和研究意义
1.1.1 空间磁场探测
1.1.2 地球物理勘探
1.1.3 导航定位
1.1.4 生物医学
1.2 磁场传感器概述
1.2.1 磁通门传感器
1.2.2 霍尔传感器
1.2.3 感应式磁场传感器
1.2.4 磁阻传感器
1.2.5 原子磁场传感器
1.2.6 量子超导磁场传感器
1.3 石墨烯概述
1.3.1 石墨烯物理特性简介
1.3.2 石墨烯的磁效应
1.4 本文的选题依据和主要内容
1.4.1 选题依据
1.4.2 本文的主要内容和结构安排
第2章 石墨烯EMR类器件的原理分析和几何结构设计
2.1 引言
2.1.1 石墨烯EMR元件研究现状和存在问题
2.1.2 石墨烯霍尔元件研究现状和存在问题
2.2 石墨烯EMR效应分析和器件几何结构设计
2.2.1 EMR效应的物理原理
2.2.2 EMR效应的有限元模型
2.2.3 石墨烯EMR元件的几何结构设计
2.3 石墨烯霍尔效应分析和器件几何结构设计
2.4 本章小结
第3章 偏心范德堡形石墨烯EMR元件的加工、测试和分析
3.1 引言
3.2 偏心范德堡形石墨烯EMR元件工艺实现
3.2.1 石墨烯材料制备
3.2.2 石墨烯EMR元件加工工艺流程
3.3 偏心范德堡形石墨烯EMR元件磁响应特性测试
3.3.1 石墨烯EMR元件测试方法
3.3.2 石墨烯EMR元件测试结果
3.3.3 讨论
3.4 本章小结
第4章 石墨烯霍尔元件的加工、测试和分析
4.1 引言
4.2 石墨烯霍尔元件工艺实现
4.2.1 石墨烯材料制备
4.2.2 石墨烯霍尔元件加工工艺流程
4.2.3 石墨烯材料的测试与表征
4.3 噪声测试方式对比研究
4.3.1 交流调制法
4.3.2 互功率谱法
4.3.3 直流测试法
4.3.4 噪声测试方法对比和适用条件
4.3.5 小结
4.4 石墨烯器件霍尔元件噪声特性测试
4.4.1 石墨烯霍尔元件噪声测试方式选择
4.4.2 石墨烯霍尔元件噪声测试系统搭建
4.4.3 石墨烯霍尔噪声特性测试
4.4.4 石墨烯霍尔噪声特性理论分析
4.4.5 小结
4.5 本章小结
第5章 基于石墨烯磁敏感元件的低噪声磁探测系统实现
5.1 引言
5.2 石墨烯磁敏感元件的调制降噪原理和实现
5.2.1 旋转电流调制法简介
5.2.2 石墨烯霍尔元件旋转电流调制法测试电路、测试结果
5.2.3 小结
5.3 Hall传感器与磁阻传感器的调制降噪方式对比
5.3.1 磁阻传感器的调制降噪方式分析
5.3.2 霍尔传感器与磁阻传感器调制降噪方式的对比分析
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 本文工作总结
6.2 未来工作展望
附录
附录1 功率谱密度估计Matlab程序
附录2 低噪声仪表放大器的选用方法
附录3 石墨烯霍尔元件电流相对灵敏度的推导
参考文献
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]High precision magnetometer for geomagnetic exploration onboard of the China Seismo-Electromagnetic Satellite[J]. CHENG BingJun,ZHOU Bin,MAGNES Werner,LAMMEGGER Roland,POLLINGER Andreas. Science China（Technological Sciences）. 2018(05)
本文编号：3628287
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