磁場傳感器簡介

　　磁場傳(chuan) 感器是可以將各種磁場及其變化的量轉變成電信號輸出的裝置。自然界和人類社會(hui) 生活的許多地方都存在磁場或與(yu) 磁場相關(guan) 的信息。利用人工設置的永久磁體(ti) 產(chan) 生的磁場， 可作為(wei) 許多種信息的載體(ti) 。因此，探測、采集、存儲(chu) 、轉換、複現和監控各種磁場和磁場中承載的各種信息的任務，自然就落在磁場傳(chuan) 感器身上。在當今的信息社會(hui) 中，磁場傳(chuan) 感器已成為(wei) 信息技術和信息產(chan) 業(ye) 中不可缺少的基礎元件。目前，人們(men) 已研製出利用各種物理、化學和生物效應的磁場傳(chuan) 感器，並已在科研、生產(chan) 和社會(hui) 生活的各個(ge) 方麵得到廣泛應用，承擔起探究種種信息的任務。

　　早先的磁場傳(chuan) 感器，是伴隨測磁儀(yi) 器的進步而逐步發展的。在眾(zhong) 多的測磁方法中，大都將磁場信息變成電訊號進行測量。在測磁儀(yi) 器中“探頭”或“取樣裝置”就是磁場傳(chuan) 感器。隨著信息產(chan) 業(ye) 、工業(ye) 自動化、交通運輸、電力電子技術、辦公自動化、家用電器、醫療儀(yi) 器等等的飛速發展和電子計算機應用的普及，需用大量的傳(chuan) 感器將需進行測量和控製的非電參量，轉換成可與(yu) 計算機兼容的訊號，作為(wei) 它們(men) 的輸入訊號，這就給磁場傳(chuan) 感器的快速發展提供了機會(hui) ，形成了相當可觀的磁場傳(chuan) 感器產(chan) 業(ye) 。

　　

　　常見磁場傳感器_原理、特性及應用

　　磁場單位換算（空氣中）

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

　　分類：

　　弱磁（低於(yu) 地磁強度）、地磁、強磁（高於(yu) 地磁強度）。地球磁場的磁感應強度約0.1-1Gs或104-105nT。

　　1、低靈敏度磁強計（B》1Gs or 105nT）：測量比地磁強的磁場。工業(ye) 應用較廣，如非接觸開關(guan) 、電流測量、磁存儲(chu) 讀取等。最常用傳(chuan) 感器包括探測線圈、霍爾效應傳(chuan) 感器、磁致伸縮磁強計等

　　2、中靈敏度磁強計（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度的擾動。主要應用包括磁羅盤、導航，軍(jun) 火探測、探礦、交通控製等。最常用傳(chuan) 感器包括探測線圈、磁通門計、磁阻磁強計等。地磁因太陽、地質、潮汐等影響波動在1/10百萬(wan) ~1/10000，近似呈1/f關(guan) 係。地磁波動噪聲是該類傳(chuan) 感器性能的主要影響因素。

　　3、高靈敏度磁強計（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如遠距離探測導彈、艦船、坦克、飛行器等引起的磁異常）等。最常用傳(chuan) 感器包括SQUID梯度計（gradiometer）、光泵磁強計等。

　　4、醫學/生物磁強計：磁傳(chuan) 感器也可用於(yu) 醫學生物領域，該類別不是按照探測強度劃分出來的。例如用微磁珠作為(wei) 磁標簽，用於(yu) DNA核酸雜交的分析。SQUID用於(yu) 腦磁檢測等。

　　

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

　　1、探測線圈磁強計 - Search-coil magnetometer

　　工作原理：法拉第電磁感應定律，通過線圈的磁通量變化，開路線圈兩(liang) 頭產(chan) 生感生電壓/閉合線圈中產(chan) 生感應電流，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：可靠性高，不能測穩恒磁場

　　應用：地磁監測，空間科學，飛行器地麵檢查，飛機縫翼或著陸齒輪位置指示等。

　　2、磁通門計 - Fluxgate magnetometer

　　工作原理：法拉第電磁感應定律。利用被測磁場中高導磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與(yu) 磁場強度的非線性關(guan) 係來測量弱磁場的一種傳(chuan) 感器

　　探測能力：10-2nT-107nT （10pT-10mT）

　　帶寬：0-10kHz

　　特點：可測靜態磁場，比探測線圈要更耗電（5倍）

　　應用：地磁（方位）探測、環境磁場監測、機場安檢、慣性導航

　　3、超導量子磁強計 - SQUID（Superconductor QUantum Interference Device）

　　目前最為(wei) 靈敏的低頻磁場探測器

　　工作原理：超導線圈的約瑟夫（Josephson）效應。超導線圈的磁通量是量子化的，隻能是基礎通量量子ch/2e的整數倍。通過測量該電流可測得磁通量。超導環內(nei) 的超導電流在基點幹涉，幹涉信號通過射頻電路感應讀出。

　　探測能力：10fT以上

　　帶寬：〈1Hz

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

　　應用：天文學、地質學、醫學、量子計算。

　　4、邁斯納效應磁強計 - Meissner effect magnetometer

　　工作原理：超導體(ti) 的邁斯納效應。超導體(ti) 內(nei) 部磁場為(wei) 零，磁場不能穿過超導體(ti) ［4］，超導體(ti) 將磁場排斥在外。

　　探測能力：32fT

　　特點：可工作在77K（液氮）。新型器件。

　　應用：同SQUID

　　

　　5、霍爾效應傳(chuan) 感器 - Hall effect sensor

　　工作原理：霍爾效應。通電導體(ti) 置於(yu) 磁場中時，因導體(ti) 中電荷受洛倫(lun) 茲(zi) 力作用，在導體(ti) 垂直於(yu) 磁場和電流方向的兩(liang) 端積累，產(chan) 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：應用廣泛，價(jia) 格低廉。可測靜態磁場。功耗0.1-0.2W。

　　應用：電流測量、轉速測量、磁控開關(guan) 等

　　6、磁電阻磁強計 - MagnetoresisTIve magnetometers

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

　　工作原理：磁阻效應。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(guan) 鍵）。各項異性磁阻材料（如坡莫合金），電阻大小與(yu) 電流與(yu) 磁化方向間夾角有個(ge) ，外界磁場改變磁化方向，從(cong) 而改變電阻大小。電流與(yu) 磁場垂直時電阻最小。可測得磁場方向和大小。

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

　　帶寬：0-1GHz

　　特點：價(jia) 格低廉，結構簡單。功耗0.1-0.5門W， 工作溫度-55℃-200℃

　　應用：磁帶機或磁盤的磁頭，慣性導航、車輛探測等

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

　　工作原理：某些材料的巨磁阻效應。材料電阻在外加磁場下變化巨大。1988年發現，2007年獲諾獎。最簡單結構是由一導體(ti) 夾於(yu) 兩(liang) 鐵磁材料中間構成。每一層都隻有nm厚度。

　　測量範圍：10-108nT

　　應用：廣泛用於(yu) 硬盤的讀出磁頭，磁開關(guan) 。

　　（3）磁隧道結傳(chuan) 感器 - MagneTIc tunnel juncTIon （MTJ） sensor

　　工作原理：隧穿磁阻效應。結構與(yu) GMR類似，隻是中間夾層不是導體(ti) 而是絕緣體(ti) （1nm厚，Al2O3）。1995年首次報導。

　　特點：阻值和阻抗值比GMR高，功耗比GMR低。本征噪聲較大。

　　應用：在低成本、低功耗、高靈敏度磁場傳(chuan) 感器方麵有潛在應用。

　　（4） 異常磁電阻效應傳(chuan) 感器 - Extraordianry magnetoresistanc sensor

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

　　類似的還有彈道磁電阻（Ballistic magnetoresistance，兩(liang) 磁體(ti) 間夾一極小的金屬觸點）

　　

　　7、自旋閥晶體(ti) 管 - Spin-valve transistor

　　工作原理：自旋閥夾於(yu) 一對半導體(ti) 之間構成的器件。電流隨磁場變化可達200%。

　　特點：目前階段輸出電流隻有微A量級，尚難實用。

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

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

　　特點：阻抗與(yu) 磁場及驅動電流頻率有關(guan) 。對NiFe/Cu合金線阻抗峰值在幾MHz。要利用該效應，驅動電流頻率需達GHz。

　　9、磁二極管 - Magnetodiode

　　工作原理：實際上就是一個(ge) 半導體(ti) 二極管，隻是以藍寶石為(wei) 襯底，p區和n區用未摻雜的矽進行了分割。p加正壓、n加負壓，空穴和電子會(hui) 被注入中間的矽層。部分載流子，特別是矽與(yu) 氧化矽或矽與(yu) 藍寶石界麵處的載流子會(hui) 發生複合，導致材料阻值升高。無場情況下，二者均對阻值變化有貢獻。沿垂直於(yu) 載流子移動方向施加磁場，會(hui) 使載流子按磁場方向上/下偏離，因電子和空穴運動方向相反，二者被偏離到同一側(ce) 。矽-藍寶石界麵處複合幾率比矽-氧化矽界麵處高。所以電阻隨磁場變化。

　　特點：磁二極管對磁場的響應要比矽基霍爾器件強幾十倍。

　　10、磁晶體(ti) 管 - Magnetotransistor

　　工作原理：與(yu) 磁二極管類似。結構與(yu) npn二極管類似，n型射極與(yu) n型集極間隔一p型基極。不同之處在於(yu) 集極有兩(liang) 個(ge) ，根據磁場方向不同，兩(liang) 集極測得的電壓不一樣。

　　特點：磁場可基於(yu) 霍爾效應或Suhl 效應檢測。

　　11、磁致伸縮磁強計 - Magnetostrictive magnetometers

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

　　工作原理：基於(yu) 某種光纖幹涉儀(yi) （MZ，Sagnac，Michlson等），通過磁致伸縮材料驅動光纖，實現非平衡相位調製，幹涉解調。

　　探測能力：10-7-10Gs or 10-2-106nT

　　帶寬：0-60kHz。

　　特點：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(chuan) 感器 - Magnetoelectric sensor

　　工作原理：磁致伸縮材料和壓電材料相互作用，將磁致伸縮變為(wei) 電壓信號輸出。

　　探測能力：具有測到pT量級的潛力。

　　特點：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區。

　　12、磁光傳(chuan) 感器 - Magnetooptical sensor

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

　　帶寬：最大優(you) 點是響應快，可到GHz

　　特點：靈敏度可達30pT。

　　13、MEMS磁強計 - MEMS based magnetometers

　　工作原理：主要是利用洛倫(lun) 茲(zi) 力作用下微結構的轉動。

　　探測能力：最低已可探測到200nT

　　

　　（二）標量/總場探測器（scalar/total field magnetometer）

　　field sensitive 僅(jin) 探測磁場強度，不能分辨方向。優(you) 點是不受探測器方向、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）來實現測量。要獲得高的靈敏度，需要與(yu) 原子的長壽命、窄帶能級諧振，因此10Hz以上傳(chuan) 感器的靈敏度會(hui) 急劇下降。

　　1、光泵磁強計 - Optically pumped magnetometer

　　工作原理：

　　利用銫/銣/鉀等堿金屬元素氣體(ti) 的塞曼效應工作。以單價(jia) 銫原子為(wei) 例，光泵磁力儀(yi) 利用它的三個(ge) 能態：一個(ge) 高能態和兩(liang) 個(ge) 非常接近的低能態。兩(liang) 低能態間的能量差對應一條射頻/微波頻率的譜線，而兩(liang) 低能態與(yu) 高能態間的躍遷均對應一條光譜線。兩(liang) 低能態的能量差源於(yu) 電子自旋的取向不同。電子自旋方向隻有兩(liang) 個(ge) 選擇：平行/垂軸於(yu) 外磁場方向，兩(liang) 者所需能量不同，二者差一個(ge) 自旋角動量量子單位。所選高能態的特殊之處在於(yu) ，它與(yu) 兩(liang) 個(ge) 低能態中的一個(ge) 具有相同的自旋角動量。用圓偏振光泵浦含銫原子的氣體(ti) ，初始狀態下氣體(ti) 中原子的電子在兩(liang) 個(ge) 低能態都有分布。當原子吸收圓偏光的光子後，它們(men) 的角動量改變一個(ge) 單位。這樣，處於(yu) 與(yu) 高能態相差一個(ge) 單位角動量的能態的電子會(hui) 吸收光子，而與(yu) 高能態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。高能態的電子會(hui) 迅速地躍遷到下麵的某個(ge) 低能態能級。電子每次躍遷都有一定的幾率回到不吸收光子的那個(ge) 能態。經過足夠的時間，幾乎所有電子都會(hui) 轉換到這個(ge) 能態，氣體(ti) 對光的吸收下降。即，氣體(ti) 經過充分泵浦後變得對入射光透明。如果沿平行於(yu) 光路的方向施加一個(ge) 合適頻率（Larmor frequency）的射頻電場，電子的自旋角動量會(hui) 發生反轉。這相當於(yu) 射頻場使電子從(cong) 一個(ge) 低能態穿梭到了另一個(ge) 低能態，消除了光泵的作用，氣體(ti) 重新開始對光有吸收。射頻和光的相互作用產(chan) 生一種特殊的尖峰振蕩，光泵磁力計就是基於(yu) 這種振蕩來實現對磁場測量的。

　　使電子自旋反轉的能量，即射頻電場的頻率，與(yu) 磁場強度有關(guan) （因塞曼效應磁場會(hui) 影響兩(liang) 個(ge) 低能態的能量差）。在磁力計中，用一個(ge) 反饋電路來控製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：靈敏度和動態範圍受檢測電路製約。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：光泵磁力計測的是總磁場，與(yu) 磁場方向無關(guan) ；體(ti) 積大、造價(jia) 高、功耗大（幾W）；自旋馳豫時間長所以吸收線窄，使得靈敏度較高，但也因此限製了頻率響應特性；某些方向存在死區（可通過采用多個(ge) 相對泵浦光不同取向的sensor來消除）；傳(chuan) 感器本身的磁特征可以做到非常低。目前主要受限於(yu) 價(jia) 格和堿氣瓶體(ti) 積。

　　應用：水下排雷

　　2、核進動磁強計 - Nuclear-precession magnetometer

　　工作原理：原子矩和原子核矩的大小取決(jue) 於(yu) 波爾磁子eh/（2πm），e為(wei) 電子電量，h為(wei) 普朗克常數，m是質量。因為(wei) 原子核比電子質量大得多，所以核磁矩（nuclear magnetic moment）遠小於(yu) 電矩（electronic moment）。通過一個(ge) 通電線圈產(chan) 生的磁場，可以使某些碳氫化合物液體(ti) （如苯）中的質子暫時沿磁場排列。撤去線圈中的電流後，質子在外磁場作用下開始進動，偏離恒定磁場（待測）的質子自旋軸（好比陀螺儀(yi) 軸向偏離地球磁場）繞平行於(yu) 場方向的直線作圓周運動。該院周運動的速率（稱為(wei) 進動頻率）與(yu) 磁場強度成正比。所以，撤去電流後質子進動在線圈中會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 信號，其頻率與(yu) 待測磁場強度有關(guan) 。也可利用光泵下原子核自選來實現磁場檢測。比如氦的同位素H3， 經光泵後，其原子核的進動頻率也可以用線圈捕獲。因馳豫時間很長，這種傳(chuan) 感器僅(jin) 需在激發自旋時的很短時間內(nei) 有能耗。

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

　　

　　3、Overhauser磁強計 - Overhauser magnetometer

　　工作原理：Overhauser核效應。在核磁共振中，兩(liang) 個(ge) （組）不同類型的質子若空間距離較接近，照射其中一個(ge) （組）質子會(hui) 使另一個(ge) （組）質子的信號強度增強。這種現象稱為(wei) 核Overhauser效應，簡稱NOE。1950年伯克利在讀研究生Overhouser預言，在某些係統中，通過使電子自旋共振飽和可以將核偏振提高1000倍，該提高源於(yu) 質子自旋與(yu) 電子自旋間通過一個(ge) 漢密爾頓超精細項的相互作用，而該項正比於(yu) 電子自旋與(yu) 核自旋之積。Overhouser磁強計中的物質為(wei) 包含質子和自由基的液體(ti) 。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。 應線寬窄，用不大的能量就可以使電子共振飽和，從(cong) 而提高質子偏振。因質子進動頻率正比於(yu) 磁場強隊，因此通過測量該頻率可以實現對磁場的測量。

　　特點：Overhauser磁強計的噪聲很低，可達0.015nT/rt Hz @1Hz. 靈敏度比質子進動磁強計搞一個(ge) 數量級，且無死區。

　　4、光學原子磁強計 - optical atomic magnetometer

　　工作原理：與(yu) 光泵磁強計類似（光泵磁強計可視為(wei) 該類的一種），但光學檢測。氣室通常通入兩(liang) 束光：泵浦光和探測光，也有合二為(wei) 一的。通過檢測探測光的偏振態或光強來解調磁場。偏振探測可檢測極小的偏振變化，且可避免光源的光強波動噪聲。

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