常见磁场传感器_原理、特性及应用

　　磁场传感器简介

　　磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永久磁体产生的磁场， 可作为许多种信息的载体。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。

　　早先的磁场传感器，是伴随测磁仪器的进步而逐步发展的。在众多的测磁方法中，大都将磁场信息变成电讯号进行测量。在测磁仪器中“探头”或“取样装置”就是磁场传感器。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等等的飞速发展和电子计算机应用的普及，需用大量的传感器将需进行测量和控制的非电参量，转换成可与计算机兼容的讯号，作为它们的输入讯号，这就给磁场传感器的快速发展提供了机会，形成了相当可观的磁场传感器产业。

　　

　　常见磁场传感器_原理、特性及应用

　　磁场单位换算（空气中）

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

　　分类：

　　弱磁（低于地磁强度）、地磁、强磁（高于地磁强度）。地球磁场的磁感应强度约0.1-1Gs或104-105nT。

　　1、低灵敏度磁强计（B》1Gs or 105nT）：测量比地磁强的磁场。工业应用较广，如非接触开关、电流测量、磁存储读取等。最常用传感器包括探测线圈、霍尔效应传感器、磁致伸缩磁强计等

　　2、中灵敏度磁强计（10-5Gs~1Gs）：测量地磁量级的磁场，测量永久偶极子（permanent dipole）引起的地磁方向或强度的扰动。主要应用包括磁罗盘、导航，军火探测、探矿、交通控制等。最常用传感器包括探测线圈、磁通门计、磁阻磁强计等。地磁因太阳、地质、潮汐等影响波动在1/10百万~1/10000，近似呈1/f关系。地磁波动噪声是该类传感器性能的主要影响因素。

　　3、高灵敏度磁强计（B〈10-5Gs or 1nT）：弱磁探测，测量磁场梯度或永久偶极矩（permanent dipole moment）引起的磁场变化量。如脑功能图谱测绘，磁异常探测（MAD如远距离探测导弹、舰船、坦克、飞行器等引起的磁异常）等。最常用传感器包括SQUID梯度计（gradiometer）、光泵磁强计等。

　　4、医学/生物磁强计：磁传感器也可用于医学生物领域，该类别不是按照探测强度划分出来的。例如用微磁珠作为磁标签，用于DNA核酸杂交的分析。SQUID用于脑磁检测等。

　　

　　（一）矢量探测器（vectro magnetometer）：flux sensitive 能同时探测磁场强度和方向。

　　1、探测线圈磁强计 - Search-coil magnetometer

　　工作原理：法拉第电磁感应定律，通过线圈的磁通量变化，开路线圈两头产生感生电压/闭合线圈中产生感应电流，通过检测电压或电流（或LC电路振荡频率）变化来测量磁场。

　　探测能力：20fT以上

　　带宽：1Hz-1MHz

　　特点：可靠性高，不能测稳恒磁场

　　应用：地磁监测，空间科学，飞行器地面检查，飞机缝翼或着陆齿轮位置指示等。

　　2、磁通门计 - Fluxgate magnetometer

　　工作原理：法拉第电磁感应定律。利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器

　　探测能力：10-2nT-107nT （10pT-10mT）

　　带宽：0-10kHz

　　特点：可测静态磁场，比探测线圈要更耗电（5倍）

　　应用：地磁（方位）探测、环境磁场监测、机场安检、惯性导航

　　3、超导量子磁强计 - SQUID（Superconductor QUantum Interference Device）

　　目前最为灵敏的低频磁场探测器

　　工作原理：超导线圈的约瑟夫（Josephson）效应。超导线圈的磁通量是量子化的，只能是基础通量量子ch/2e的整数倍。通过测量该电流可测得磁通量。超导环内的超导电流在基点干涉，干涉信号通过射频电路感应读出。

　　探测能力：10fT以上

　　带宽：〈1Hz

　　特点：极其灵敏，但需要冷却到线圈材料的超导温度以下（液氦4K），因此体积大、笨重。可测外磁场分量在任意方向的梯度。

　　应用：天文学、地质学、医学、量子计算。

　　4、迈斯纳效应磁强计 - Meissner effect magnetometer

　　工作原理：超导体的迈斯纳效应。超导体内部磁场为零，磁场不能穿过超导体［4］，超导体将磁场排斥在外。

　　探测能力：32fT

　　特点：可工作在77K（液氮）。新型器件。

　　应用：同SQUID

　　

　　5、霍尔效应传感器 - Hall effect sensor

　　工作原理：霍尔效应。通电导体置于磁场中时，因导体中电荷受洛伦兹力作用，在导体垂直于磁场和电流方向的两端积累，产生电压。通过测量霍尔电压，测量磁场。

　　探测能力：10-1000Gs or 106-108nT

　　带宽：0-1MHz

　　特点：应用广泛，价格低廉。可测静态磁场。功耗0.1-0.2W。

　　应用：电流测量、转速测量、磁控开关等

　　6、磁电阻磁强计 - Magnetoresistive magnetometers

　　（1） 异向磁阻传感器 - Anisotropic magnetoresistance （AMR）sensor

　　工作原理：磁阻效应。磁场改变材料的电阻。通以恒定电流，检测电阻或电压变化（变化很小，检测电路是关键）。各项异性磁阻材料（如坡莫合金），电阻大小与电流与磁化方向间夹角有个，外界磁场改变磁化方向，从而改变电阻大小。电流与磁场垂直时电阻最小。可测得磁场方向和大小。

　　探测能力：0.01-50Gs or 103-5x106nT （open loop）， 可达0.1nT（closed-loop feedback）

　　带宽：0-1GHz

　　特点：价格低廉，结构简单。功耗0.1-0.5门W， 工作温度-55℃-200℃

　　应用：磁带机或磁盘的磁头，惯性导航、车辆探测等

　　（2）巨磁阻传感器 - Giant magnetoresistance （GMR） sensor

　　工作原理：某些材料的巨磁阻效应。材料电阻在外加磁场下变化巨大。1988年发现，2007年获诺奖。最简单结构是由一导体夹于两铁磁材料中间构成。每一层都只有nm厚度。

　　测量范围：10-108nT

　　应用：广泛用于硬盘的读出磁头，磁开关。

　　（3）磁隧道结传感器 - Magnetic tunnel junction （MTJ） sensor

　　工作原理：隧穿磁阻效应。结构与GMR类似，只是中间夹层不是导体而是绝缘体（1nm厚，Al2O3）。1995年首次报导。

　　特点：阻值和阻抗值比GMR高，功耗比GMR低。本征噪声较大。

　　应用：在低成本、低功耗、高灵敏度磁场传感器方面有潜在应用。

　　（4） 异常磁电阻效应传感器 - Extraordianry magnetoresistanc sensor

　　工作原理：异常磁电阻效应。 InSb锑化铟环套金盘。0磁场阻值最低，磁场正/负方向增加，电阻都变大。

　　类似的还有弹道磁电阻（Ballistic magnetoresistance，两磁体间夹一极小的金属触点）

　　

　　7、自旋阀晶体管 - Spin-valve transistor

　　工作原理：自旋阀夹于一对半导体之间构成的器件。电流随磁场变化可达200%。

　　特点：目前阶段输出电流只有微A量级，尚难实用。

　　8、巨磁阻抗磁场传感器 - Giant magnetoimpedance （GMI） magnetic sensor

　　工作原理：巨磁阻抗效应。交变磁场通过某些材料时所引起材料的阻抗产生明显变化的现象。

　　特点：阻抗与磁场及驱动电流频率有关。对NiFe/Cu合金线阻抗峰值在几MHz。要利用该效应，驱动电流频率需达GHz。

　　9、磁二极管 - Magnetodiode

　　工作原理：实际上就是一个半导体二极管，只是以蓝宝石为衬底，p区和n区用未掺杂的硅进行了分割。p加正压、n加负压，空穴和电子会被注入中间的硅层。部分载流子，特别是硅与氧化硅或硅与蓝宝石界面处的载流子会发生复合，导致材料阻值升高。无场情况下，二者均对阻值变化有贡献。沿垂直于载流子移动方向施加磁场，会使载流子按磁场方向上/下偏离，因电子和空穴运动方向相反，二者被偏离到同一侧。硅-蓝宝石界面处复合几率比硅-氧化硅界面处高。所以电阻随磁场变化。

　　特点：磁二极管对磁场的响应要比硅基霍尔器件强几十倍。

　　10、磁晶体管 - Magnetotransistor

　　工作原理：与磁二极管类似。结构与npn二极管类似，n型射极与n型集极间隔一p型基极。不同之处在于集极有两个，根据磁场方向不同，两集极测得的电压不一样。

　　特点：磁场可基于霍尔效应或Suhl 效应检测。

　　11、磁致伸缩磁强计 - Magnetostrictive magnetometers

　　（1）光纤磁场传感器 - Fiber-optic magnetometers

　　工作原理：基于某种光纤干涉仪（MZ，Sagnac，Michlson等），通过磁致伸缩材料驱动光纤，实现非平衡相位调制，干涉解调。

　　探测能力：10-7-10Gs or 10-2-106nT

　　带宽：0-60kHz。

　　特点：可感知磁场方向，甚至可以用来测量磁力线的曲率。

　　（2）磁电传感器 - Magnetoelectric sensor

　　工作原理：磁致伸缩材料和压电材料相互作用，将磁致伸缩变为电压信号输出。

　　探测能力：具有测到pT量级的潜力。

　　特点：不需要额外供电，但需要100Oe以上的偏置来避免弱场情况下的非线性响应区。

　　12、磁光传感器 - Magnetooptical sensor

　　工作原理：法拉第磁致旋光效应。线偏光通过某些晶体后偏振方向随磁场大小而偏转。

　　带宽：最大优点是响应快，可到GHz

　　特点：灵敏度可达30pT。

　　13、MEMS磁强计 - MEMS based magnetometers

　　工作原理：主要是利用洛伦兹力作用下微结构的转动。

　　探测能力：最低已可探测到200nT

　　

　　（二）标量/总场探测器（scalar/total field magnetometer）

　　field sensitive 仅探测磁场强度，不能分辨方向。优点是不受探测器方向、晃动等影响。基本原理是利用某些电子或原子核自旋能级能量差随磁场而变（如塞曼效应）来实现测量。要获得高的灵敏度，需要与原子的长寿命、窄带能级谐振，因此10Hz以上传感器的灵敏度会急剧下降。

　　1、光泵磁强计 - Optically pumped magnetometer

　　工作原理：

　　利用铯/铷/钾等碱金属元素气体的塞曼效应工作。以单价铯原子为例，光泵磁力仪利用它的三个能态：一个高能态和两个非常接近的低能态。两低能态间的能量差对应一条射频/微波频率的谱线，而两低能态与高能态间的跃迁均对应一条光谱线。两低能态的能量差源于电子自旋的取向不同。电子自旋方向只有两个选择：平行/垂轴于外磁场方向，两者所需能量不同，二者差一个自旋角动量量子单位。所选高能态的特殊之处在于，它与两个低能态中的一个具有相同的自旋角动量。用圆偏振光泵浦含铯原子的气体，初始状态下气体中原子的电子在两个低能态都有分布。当原子吸收圆偏光的光子后，它们的角动量改变一个单位。这样，处于与高能态相差一个单位角动量的能态的电子会吸收光子，而与高能态角动量相同的电子则不吸收光子。探测器探测到的光束因吸收而衰减。高能态的电子会迅速地跃迁到下面的某个低能态能级。电子每次跃迁都有一定的几率回到不吸收光子的那个能态。经过足够的时间，几乎所有电子都会转换到这个能态，气体对光的吸收下降。即，气体经过充分泵浦后变得对入射光透明。如果沿平行于光路的方向施加一个合适频率（Larmor frequency）的射频电场，电子的自旋角动量会发生反转。这相当于射频场使电子从一个低能态穿梭到了另一个低能态，消除了光泵的作用，气体重新开始对光有吸收。射频和光的相互作用产生一种特殊的尖峰振荡，光泵磁力计就是基于这种振荡来实现对磁场测量的。

　　使电子自旋反转的能量，即射频电场的频率，与磁场强度有关（因塞曼效应磁场会影响两个低能态的能量差）。在磁力计中，用一个反馈电路来控制射频频率使光的透过率最低。该频率反映了磁场的大小。［5-6］

　　探测能力：灵敏度和动态范围受检测电路制约。700kHz/Gs （cesium）， 2.8MHz/Gs（helium）。 10-8-1Gs or 10-3-105nT。通过消除自旋交叉驰豫，灵敏度甚至可以做到10fT或10-5nT/Hz-1/2［7］。

　　特点：光泵磁力计测的是总磁场，与磁场方向无关；体积大、造价高、功耗大（几W）；自旋驰豫时间长所以吸收线窄，使得灵敏度较高，但也因此限制了频率响应特性；某些方向存在死区（可通过采用多个相对泵浦光不同取向的sensor来消除）；传感器本身的磁特征可以做到非常低。目前主要受限于价格和碱气瓶体积。

　　应用：水下排雷

　　2、核进动磁强计 - Nuclear-precession magnetometer

　　工作原理：原子矩和原子核矩的大小取决于波尔磁子eh/（2πm），e为电子电量，h为普朗克常数，m是质量。因为原子核比电子质量大得多，所以核磁矩（nuclear magnetic moment）远小于电矩（electronic moment）。通过一个通电线圈产生的磁场，可以使某些碳氢化合物液体（如苯）中的质子暂时沿磁场排列。撤去线圈中的电流后，质子在外磁场作用下开始进动，偏离恒定磁场（待测）的质子自旋轴（好比陀螺仪轴向偏离地球磁场）绕平行于场方向的直线作圆周运动。该院周运动的速率（称为进动频率）与磁场强度成正比。所以，撤去电流后质子进动在线圈中会产生一个信号，其频率与待测磁场强度有关。也可利用光泵下原子核自选来实现磁场检测。比如氦的同位素H3， 经光泵后，其原子核的进动频率也可以用线圈捕获。因驰豫时间很长，这种传感器仅需在激发自旋时的很短时间内有能耗。

　　探测能力：10-6-1Gs or 10-1-105nT。10-8Gs或10-3nT（光泵原子自旋进动）

　　

　　3、Overhauser磁强计 - Overhauser magnetometer

　　工作原理：Overhauser核效应。在核磁共振中，两个（组）不同类型的质子若空间距离较接近，照射其中一个（组）质子会使另一个（组）质子的信号强度增强。这种现象称为核Overhauser效应，简称NOE。1950年伯克利在读研究生Overhouser预言，在某些系统中，通过使电子自旋共振饱和可以将核偏振提高1000倍，该提高源于质子自旋与电子自旋间通过一个汉密尔顿超精细项的相互作用，而该项正比于电子自旋与核自旋之积。Overhouser磁强计中的物质为包含质子和自由基的液体。自由基是包含未配对电子的分子，其电子共振线宽极窄，约1Oe。 应线宽窄，用不大的能量就可以使电子共振饱和，从而提高质子偏振。因质子进动频率正比于磁场强队，因此通过测量该频率可以实现对磁场的测量。

　　特点：Overhauser磁强计的噪声很低，可达0.015nT/rt Hz @1Hz. 灵敏度比质子进动磁强计搞一个数量级，且无死区。

　　4、光学原子磁强计 - optical atomic magnetometer

　　工作原理：与光泵磁强计类似（光泵磁强计可视为该类的一种），但光学检测。气室通常通入两束光：泵浦光和探测光，也有合二为一的。通过检测探测光的偏振态或光强来解调磁场。偏振探测可检测极小的偏振变化，且可避免光源的光强波动噪声。

　　特点：目前最灵敏的磁强计是SERF（Spin-exchange relaxiation-free magnetometer），灵敏度达10-6nT/Hz-1/2，理论极限10-8nT/Hz-1/2。