磁場傳感器簡介

　　磁場傳感器是可以將各種磁場及其變化的量轉(zhuǎn)變成電信號輸出的裝置。自然界和人類社會生活的許多地方都存在磁場或與磁場相關(guān)的信息。利用人工設(shè)置的永久磁體產(chǎn)生的磁場， 可作為許多種信息的載體。因此，探測、采集、存儲、轉(zhuǎn)換、復(fù)現(xiàn)和監(jiān)控各種磁場和磁場中承載的各種信息的任務(wù)，自然就落在磁場傳感器身上。在當(dāng)今的信息社會中，磁場傳感器已成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的基礎(chǔ)元件。目前，人們已研制出利用各種物理、化學(xué)和生物效應(yīng)的磁場傳感器，并已在科研、生產(chǎn)和社會生活的各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用，承擔(dān)起探究種種信息的任務(wù)。

　　早先的磁場傳感器，是伴隨測磁儀器的進(jìn)步而逐步發(fā)展的。在眾多的測磁方法中，大都將磁場信息變成電訊號進(jìn)行測量。在測磁儀器中“探頭”或“取樣裝置”就是磁場傳感器。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化、交通運(yùn)輸、電力電子技術(shù)、辦公自動化、家用電器、醫(yī)療儀器等等的飛速發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，需用大量的傳感器將需進(jìn)行測量和控制的非電參量，轉(zhuǎn)換成可與計(jì)算機(jī)兼容的訊號，作為它們的輸入訊號，這就給磁場傳感器的快速發(fā)展提供了機(jī)會，形成了相當(dāng)可觀的磁場傳感器產(chǎn)業(yè)。

　　常見磁場傳感器_原理、特性及應(yīng)用

　　磁場單位換算（空氣中）

　　1T=104Oe=104Gs=109nT（gamma）=1012pT=1015fT=1/4πx107amper-turns/meter

　　分類：

　　弱磁（低于地磁強(qiáng)度）、地磁、強(qiáng)磁（高于地磁強(qiáng)度）。地球磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度約0.1-1Gs或104-105nT。

　　1、低靈敏度磁強(qiáng)計(jì)（B》1Gs or 105nT）：測量比地磁強(qiáng)的磁場。工業(yè)應(yīng)用較廣，如非接觸開關(guān)、電流測量、磁存儲讀取等。最常用傳感器包括探測線圈、霍爾效應(yīng)傳感器、磁致伸縮磁強(qiáng)計(jì)等

　　2、中靈敏度磁強(qiáng)計(jì)（10-5Gs~1Gs）：測量地磁量級的磁場，測量永久偶極子（permanent dipole）引起的地磁方向或強(qiáng)度的擾動。主要應(yīng)用包括磁羅盤、導(dǎo)航，軍火探測、探礦、交通控制等。最常用傳感器包括探測線圈、磁通門計(jì)、磁阻磁強(qiáng)計(jì)等。地磁因太陽、地質(zhì)、潮汐等影響波動在1/10百萬~1/10000，近似呈1/f關(guān)系。地磁波動噪聲是該類傳感器性能的主要影響因素。

　　3、高靈敏度磁強(qiáng)計(jì)（B〈10-5Gs or 1nT）：弱磁探測，測量磁場梯度或永久偶極矩（permanent dipole moment）引起的磁場變化量。如腦功能圖譜測繪，磁異常探測（MAD如遠(yuǎn)距離探測導(dǎo)彈、艦船、坦克、飛行器等引起的磁異常）等。最常用傳感器包括SQUID梯度計(jì)（gradiometer）、光泵磁強(qiáng)計(jì)等。

　　4、醫(yī)學(xué)/生物磁強(qiáng)計(jì)：磁傳感器也可用于醫(yī)學(xué)生物領(lǐng)域，該類別不是按照探測強(qiáng)度劃分出來的。例如用微磁珠作為磁標(biāo)簽，用于DNA核酸雜交的分析。SQUID用于腦磁檢測等。

　　（一）矢量探測器（vectro magnetometer）：flux sensiTIve 能同時(shí)探測磁場強(qiáng)度和方向。

　　1、探測線圈磁強(qiáng)計(jì) - Search-coil magnetometer

　　工作原理：法拉第電磁感應(yīng)定律，通過線圈的磁通量變化，開路線圈兩頭產(chǎn)生感生電壓/閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過檢測電壓或電流（或LC電路振蕩頻率）變化來測量磁場。

　　探測能力：20fT以上

　　帶寬：1Hz-1MHz

　　特點(diǎn)：可靠性高，不能測穩(wěn)恒磁場

　　應(yīng)用：地磁監(jiān)測，空間科學(xué)，飛行器地面檢查，飛機(jī)縫翼或著陸齒輪位置指示等。

　　2、磁通門計(jì) - Fluxgate magnetometer

　　工作原理：法拉第電磁感應(yīng)定律。利用被測磁場中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的一種傳感器

　　探測能力：10-2nT-107nT （10pT-10mT）

　　帶寬：0-10kHz

　　特點(diǎn)：可測靜態(tài)磁場，比探測線圈要更耗電（5倍）

　　應(yīng)用：地磁（方位）探測、環(huán)境磁場監(jiān)測、機(jī)場安檢、慣性導(dǎo)航

　　3、超導(dǎo)量子磁強(qiáng)計(jì) - SQUID（Superconductor QUantum Interference Device）

　　目前最為靈敏的低頻磁場探測器

　　工作原理：超導(dǎo)線圈的約瑟夫（Josephson）效應(yīng)。超導(dǎo)線圈的磁通量是量子化的，只能是基礎(chǔ)通量量子ch/2e的整數(shù)倍。通過測量該電流可測得磁通量。超導(dǎo)環(huán)內(nèi)的超導(dǎo)電流在基點(diǎn)干涉，干涉信號通過射頻電路感應(yīng)讀出。

　　探測能力：10fT以上

　　帶寬：〈1Hz

　　特點(diǎn)：極其靈敏，但需要冷卻到線圈材料的超導(dǎo)溫度以下（液氦4K），因此體積大、笨重。可測外磁場分量在任意方向的梯度。

　　應(yīng)用：天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、醫(yī)學(xué)、量子計(jì)算。

　　4、邁斯納效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì) - Meissner effect magnetometer

　　工作原理：超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零，磁場不能穿過超導(dǎo)體［4］，超導(dǎo)體將磁場排斥在外。

　　探測能力：32fT

　　特點(diǎn)：可工作在77K（液氮）。新型器件。

　　應(yīng)用：同SQUID

　　5、霍爾效應(yīng)傳感器 - Hall effect sensor

　　工作原理：霍爾效應(yīng)。通電導(dǎo)體置于磁場中時(shí)，因?qū)�體中電荷受洛倫茲力作用，在導(dǎo)體垂直于磁場和電流方向的兩端積累，產(chǎn)生電壓。通過測量霍爾電壓，測量磁場。

　　探測能力：10-1000Gs or 106-108nT

　　帶寬：0-1MHz

　　特點(diǎn)：應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉。可測靜態(tài)磁場。功耗0.1-0.2W。

　　應(yīng)用：電流測量、轉(zhuǎn)速測量、磁控開關(guān)等

　　6、磁電阻磁強(qiáng)計(jì) - MagnetoresisTIve magnetometers

　　（1） 異向磁阻傳感器 - Anisotropic magnetoresistance （AMR）sensor

　　工作原理：磁阻效應(yīng)。磁場改變材料的電阻。通以恒定電流，檢測電阻或電壓變化（變化很小，檢測電路是關(guān)鍵）。各項(xiàng)異性磁阻材料（如坡莫合金），電阻大小與電流與磁化方向間夾角有個(gè)，外界磁場改變磁化方向，從而改變電阻大小。電流與磁場垂直時(shí)電阻最小。可測得磁場方向和大小。

　　探測能力：0.01-50Gs or 103-5x106nT （open loop）， 可達(dá)0.1nT（closed-loop feedback）

　　帶寬：0-1GHz

　　特點(diǎn)：價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單。功耗0.1-0.5門W， 工作溫度-55℃-200℃

　　應(yīng)用：磁帶機(jī)或磁盤的磁頭，慣性導(dǎo)航、車輛探測等

　　（2）巨磁阻傳感器 - Giant magnetoresistance （GMR） sensor

　　工作原理：某些材料的巨磁阻效應(yīng)。材料電阻在外加磁場下變化巨大。1988年發(fā)現(xiàn)，2007年獲諾獎(jiǎng)。最簡單結(jié)構(gòu)是由一導(dǎo)體夾于兩鐵磁材料中間構(gòu)成。每一層都只有nm厚度。

　　測量范圍：10-108nT

　　應(yīng)用：廣泛用于硬盤的讀出磁頭，磁開關(guān)。

　　（3）磁隧道結(jié)傳感器 - MagneTIc tunnel juncTIon （MTJ） sensor

　　工作原理：隧穿磁阻效應(yīng)。結(jié)構(gòu)與GMR類似，只是中間夾層不是導(dǎo)體而是絕緣體（1nm厚，Al2O3）。1995年首次報(bào)導(dǎo)。

　　特點(diǎn)：阻值和阻抗值比GMR高，功耗比GMR低。本征噪聲較大。

　　應(yīng)用：在低成本、低功耗、高靈敏度磁場傳感器方面有潛在應(yīng)用。

　　（4） 異常磁電阻效應(yīng)傳感器 - Extraordianry magnetoresistanc sensor

　　工作原理：異常磁電阻效應(yīng)。 InSb銻化銦環(huán)套金盤。0磁場阻值最低，磁場正/負(fù)方向增加，電阻都變大。

　　類似的還有彈道磁電阻（Ballistic magnetoresistance，兩磁體間夾一極小的金屬觸點(diǎn)）

　　7、自旋閥晶體管 - Spin-valve transistor

　　工作原理：自旋閥夾于一對半導(dǎo)體之間構(gòu)成的器件。電流隨磁場變化可達(dá)200%。

　　特點(diǎn)：目前階段輸出電流只有微A量級，尚難實(shí)用。

　　8、巨磁阻抗磁場傳感器 - Giant magnetoimpedance （GMI） magnetic sensor

　　工作原理：巨磁阻抗效應(yīng)。交變磁場通過某些材料時(shí)所引起材料的阻抗產(chǎn)生明顯變化的現(xiàn)象。

　　特點(diǎn)：阻抗與磁場及驅(qū)動電流頻率有關(guān)。對NiFe/Cu合金線阻抗峰值在幾MHz。要利用該效應(yīng)，驅(qū)動電流頻率需達(dá)GHz。

　　9、磁二極管 - Magnetodiode

　　工作原理：實(shí)際上就是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，只是以藍(lán)寶石為襯底，p區(qū)和n區(qū)用未摻雜的硅進(jìn)行了分割。p加正壓、n加負(fù)壓，空穴和電子會被注入中間的硅層。部分載流子，特別是硅與氧化硅或硅與藍(lán)寶石界面處的載流子會發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致材料阻值升高。無場情況下，二者均對阻值變化有貢獻(xiàn)。沿垂直于載流子移動方向施加磁場，會使載流子按磁場方向上/下偏離，因電子和空穴運(yùn)動方向相反，二者被偏離到同一側(cè)。硅-藍(lán)寶石界面處復(fù)合幾率比硅-氧化硅界面處高。所以電阻隨磁場變化。

　　特點(diǎn)：磁二極管對磁場的響應(yīng)要比硅基霍爾器件強(qiáng)幾十倍。

　　10、磁晶體管 - Magnetotransistor

　　工作原理：與磁二極管類似。結(jié)構(gòu)與npn二極管類似，n型射極與n型集極間隔一p型基極。不同之處在于集極有兩個(gè)，根據(jù)磁場方向不同，兩集極測得的電壓不一樣。

　　特點(diǎn)：磁場可基于霍爾效應(yīng)或Suhl 效應(yīng)檢測。

　　11、磁致伸縮磁強(qiáng)計(jì) - Magnetostrictive magnetometers

　　（1）光纖磁場傳感器 - Fiber-optic magnetometers

　　工作原理：基于某種光纖干涉儀（MZ，Sagnac，Michlson等），通過磁致伸縮材料驅(qū)動光纖，實(shí)現(xiàn)非平衡相位調(diào)制，干涉解調(diào)。

　　探測能力：10-7-10Gs or 10-2-106nT

　　帶寬：0-60kHz。

　　特點(diǎn)：可感知磁場方向，甚至可以用來測量磁力線的曲率。

　　（2）磁電傳感器 - Magnetoelectric sensor

　　工作原理：磁致伸縮材料和壓電材料相互作用，將磁致伸縮變?yōu)殡妷盒盘栞敵觥?/P>

　　探測能力：具有測到pT量級的潛力。

　　特點(diǎn)：不需要額外供電，但需要100Oe以上的偏置來避免弱場情況下的非線性響應(yīng)區(qū)。

　　12、磁光傳感器 - Magnetooptical sensor

　　工作原理：法拉第磁致旋光效應(yīng)。線偏光通過某些晶體后偏振方向隨磁場大小而偏轉(zhuǎn)。

　　帶寬：最大優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，可到GHz

　　特點(diǎn)：靈敏度可達(dá)30pT。

　　13、MEMS磁強(qiáng)計(jì) - MEMS based magnetometers

　　工作原理：主要是利用洛倫茲力作用下微結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動。

　　探測能力：最低已可探測到200nT

　　（二）標(biāo)量/總場探測器（scalar/total field magnetometer）

　　field sensitive 僅探測磁場強(qiáng)度，不能分辨方向。優(yōu)點(diǎn)是不受探測器方向、晃動等影響。基本原理是利用某些電子或原子核自旋能級能量差隨磁場而變（如塞曼效應(yīng)）來實(shí)現(xiàn)測量。要獲得高的靈敏度，需要與原子的長壽命、窄帶能級諧振，因此10Hz以上傳感器的靈敏度會急劇下降。

　　1、光泵磁強(qiáng)計(jì) - Optically pumped magnetometer

　　工作原理：

　　利用銫/銣/鉀等堿金屬元素氣體的塞曼效應(yīng)工作。以單價(jià)銫原子為例，光泵磁力儀利用它的三個(gè)能態(tài)：一個(gè)高能態(tài)和兩個(gè)非常接近的低能態(tài)。兩低能態(tài)間的能量差對應(yīng)一條射頻/微波頻率的譜線，而兩低能態(tài)與高能態(tài)間的躍遷均對應(yīng)一條光譜線。兩低能態(tài)的能量差源于電子自旋的取向不同。電子自旋方向只有兩個(gè)選擇：平行/垂軸于外磁場方向，兩者所需能量不同，二者差一個(gè)自旋角動量量子單位。所選高能態(tài)的特殊之處在于，它與兩個(gè)低能態(tài)中的一個(gè)具有相同的自旋角動量。用圓偏振光泵浦含銫原子的氣體，初始狀態(tài)下氣體中原子的電子在兩個(gè)低能態(tài)都有分布。當(dāng)原子吸收圓偏光的光子后，它們的角動量改變一個(gè)單位。這樣，處于與高能態(tài)相差一個(gè)單位角動量的能態(tài)的電子會吸收光子，而與高能態(tài)角動量相同的電子則不吸收光子。探測器探測到的光束因吸收而衰減。高能態(tài)的電子會迅速地躍遷到下面的某個(gè)低能態(tài)能級。電子每次躍遷都有一定的幾率回到不吸收光子的那個(gè)能態(tài)。經(jīng)過足夠的時(shí)間，幾乎所有電子都會轉(zhuǎn)換到這個(gè)能態(tài)，氣體對光的吸收下降。即，氣體經(jīng)過充分泵浦后變得對入射光透明。如果沿平行于光路的方向施加一個(gè)合適頻率（Larmor frequency）的射頻電場，電子的自旋角動量會發(fā)生反轉(zhuǎn)。這相當(dāng)于射頻場使電子從一個(gè)低能態(tài)穿梭到了另一個(gè)低能態(tài)，消除了光泵的作用，氣體重新開始對光有吸收。射頻和光的相互作用產(chǎn)生一種特殊的尖峰振蕩，光泵磁力計(jì)就是基于這種振蕩來實(shí)現(xiàn)對磁場測量的。

　　使電子自旋反轉(zhuǎn)的能量，即射頻電場的頻率，與磁場強(qiáng)度有關(guān)（因塞曼效應(yīng)磁場會影響兩個(gè)低能態(tài)的能量差）。在磁力計(jì)中，用一個(gè)反饋電路來控制射頻頻率使光的透過率最低。該頻率反映了磁場的大小。［5-6］

　　探測能力：靈敏度和動態(tài)范圍受檢測電路制約。700kHz/Gs （cesium）， 2.8MHz/Gs（helium）。 10-8-1Gs or 10-3-105nT。通過消除自旋交叉馳豫，靈敏度甚至可以做到10fT或10-5nT/Hz-1/2［7］。

　　特點(diǎn)：光泵磁力計(jì)測的是總磁場，與磁場方向無關(guān)；體積大、造價(jià)高、功耗大（幾W）；自旋馳豫時(shí)間長所以吸收線窄，使得靈敏度較高，但也因此限制了頻率響應(yīng)特性；某些方向存在死區(qū)（可通過采用多個(gè)相對泵浦光不同取向的sensor來消除）；傳感器本身的磁特征可以做到非常低。目前主要受限于價(jià)格和堿氣瓶體積。

　　應(yīng)用：水下排雷

　　2、核進(jìn)動磁強(qiáng)計(jì) - Nuclear-precession magnetometer

　　工作原理：原子矩和原子核矩的大小取決于波爾磁子eh/（2πm），e為電子電量，h為普朗克常數(shù)，m是質(zhì)量。因?yàn)樵�子核比電子質(zhì)量大得多，所以核磁矩（nuclear magnetic moment）遠(yuǎn)小于電矩（electronic moment）。通過一個(gè)通電線圈產(chǎn)生的磁場，可以使某些碳?xì)浠�合物液體（如苯）中的質(zhì)子暫時(shí)沿磁場排列。撤去線圈中的電流后，質(zhì)子在外磁場作用下開始進(jìn)動，偏離恒定磁場（待測）的質(zhì)子自旋軸（好比陀螺儀軸向偏離地球磁場）繞平行于場方向的直線作圓周運(yùn)動。該院周運(yùn)動的速率（稱為進(jìn)動頻率）與磁場強(qiáng)度成正比。所以，撤去電流后質(zhì)子進(jìn)動在線圈中會產(chǎn)生一個(gè)信號，其頻率與待測磁場強(qiáng)度有關(guān)。也可利用光泵下原子核自選來實(shí)現(xiàn)磁場檢測。比如氦的同位素H3， 經(jīng)光泵后，其原子核的進(jìn)動頻率也可以用線圈捕獲。因馳豫時(shí)間很長，這種傳感器僅需在激發(fā)自旋時(shí)的很短時(shí)間內(nèi)有能耗。

　　探測能力：10-6-1Gs or 10-1-105nT。10-8Gs或10-3nT（光泵原子自旋進(jìn)動）

　　3、Overhauser磁強(qiáng)計(jì) - Overhauser magnetometer

　　工作原理：Overhauser核效應(yīng)。在核磁共振中，兩個(gè)（組）不同類型的質(zhì)子若空間距離較接近，照射其中一個(gè)（組）質(zhì)子會使另一個(gè)（組）質(zhì)子的信號強(qiáng)度增強(qiáng)。這種現(xiàn)象稱為核Overhauser效應(yīng)，簡稱NOE。1950年伯克利在讀研究生Overhouser預(yù)言，在某些系統(tǒng)中，通過使電子自旋共振飽和可以將核偏振提高1000倍，該提高源于質(zhì)子自旋與電子自旋間通過一個(gè)漢密爾頓超精細(xì)項(xiàng)的相互作用，而該項(xiàng)正比于電子自旋與核自旋之積。Overhouser磁強(qiáng)計(jì)中的物質(zhì)為包含質(zhì)子和自由基的液體。自由基是包含未配對電子的分子，其電子共振線寬極窄，約1Oe。 應(yīng)線寬窄，用不大的能量就可以使電子共振飽和，從而提高質(zhì)子偏振。因質(zhì)子進(jìn)動頻率正比于磁場強(qiáng)隊(duì)，因此通過測量該頻率可以實(shí)現(xiàn)對磁場的測量。

　　特點(diǎn)：Overhauser磁強(qiáng)計(jì)的噪聲很低，可達(dá)0.015nT/rt Hz @1Hz. 靈敏度比質(zhì)子進(jìn)動磁強(qiáng)計(jì)搞一個(gè)數(shù)量級，且無死區(qū)。

　　4、光學(xué)原子磁強(qiáng)計(jì) - optical atomic magnetometer

　　工作原理：與光泵磁強(qiáng)計(jì)類似（光泵磁強(qiáng)計(jì)可視為該類的一種），但光學(xué)檢測。氣室通常通入兩束光：泵浦光和探測光，也有合二為一的。通過檢測探測光的偏振態(tài)或光強(qiáng)來解調(diào)磁場。偏振探測可檢測極小的偏振變化，且可避免光源的光強(qiáng)波動噪聲。

　　特點(diǎn)：目前最靈敏的磁強(qiáng)計(jì)是SERF（Spin-exchange relaxiation-free magnetometer），靈敏度達(dá)10-6nT/Hz-1/2，理論極限10-8nT/Hz-1/2。