现代磁场传感器技术的最新进展

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1、现代磁场传感器技术的最新进展磁场传感器已在科研、生产和 社会生活的方方面面得到广泛的应用。磁场传感器与其 它探测 器的不 同之处 在于它们不是 直接测量物理 特性。其它如 温度、压力、应变或流 量等传感器直接给出所需 要参数 的信息，而磁 场传感 器探测 在磁场 内出现的变化 或干扰，从中 得到如方向、 压力、旋转、角度 或电流 等的信 息。这 些传感 器的输 出信号 需要进 行一些信号处理来翻译成 所需的 参数。 尽管磁 探测器 用起来 有些困 难，但 无需物 理接触，它们 提供的数据却 非常精确可 靠。有许多物理定律可用 于实现 磁传感 器，它 们包括：磁感应、电 磁效应、核子 运动、 超

2、导量 子干涉、磁致 效应、 磁一光效应等。磁传感器通常可按照低、中、高磁场感应范围分为3类。大于10G的被称为偏置磁场传感器；在1G到10G范围中的是地球磁场传感器；探测磁场小于1G的装置被认为是微磁场传感器。2偏置磁场传感器大多数工业传 感器使用永久磁铁作为探测的磁场来源。这些磁铁通过将靠近它的铁磁体磁化或偏置，然后测量在它周围总的磁场的变化来确定磁场对所测铁磁体的影响。偏置磁场传 感器只 能用来 测量比 地球磁 场大得 多的磁 场，但 不会被 大磁场 临时倒 置极性 或永久 影响。在这个 范围内的传 感器有：簧片 开关、InSb磁敏电阻、霍尔 器件、 巨磁敏 电阻（GMR ）传感器等。2.

3、1簧片开关簧片开关被认为是能产生工业控制可用输出信号的最简单的磁传感器。它由一对柔性的铁磁触片密封在一充满惰性气体的容器（通常是玻璃的）中而构成。磁场沿触片长轴磁化触片并使它们互相吸 引而闭 合电路。因为 通常在 使电路 闭合和 断开的 磁场间 有相当 大的磁 滞现象，簧片 开关 完全不受磁场中小波动的影响。2.2 霍尔传感器霍尔传感器的基本原理是：如果对位于磁场中的导体施加一个电压，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，则在既与磁 场垂直 又和所 施加电 流方向 垂直的 方向上 会产生 另一个与磁场强度成比例关系的电压。通过检测这一电压值大小就可确定磁场大小。不同情况下，霍 尔器 件中的 导体

4、可 以选用 不同的 材料:在需要 考虑成 本的情 况下，霍尔器 件通常用n -type硅制造;而在高 温情况 下。就 需用GaAs材料制 造；InAs、InSb和其它的半导体材料具有高电子迁移率的特性，这使得它们具有比硅霍尔器件通常1020 kHz更高的灵敏度和频率响应能力，通常用于制造高灵敏度和高频响霍尔器件。此外，因为霍尔传感器通常和其它一些半导体结构一起集成使用，霍尔器件材料和半导体基体的兼容性也显得非常重要。2.3 巨磁敏电阻（GMR ）传感器巨磁敏电阻（GMR）传感器是通过检测多层薄膜铁磁/非磁性金属会随着磁场变化而变化的阻抗来检测磁场的。最早在1988年，Baibich等在Fe/C

5、r超晶格和由 磁性和 非磁性 金属薄 膜交替 组成的 多层膜 内发现了 GMR 效应，其 磁敏电 阻的变 化可高 达3%45%。但这一效 应由于 存在强 的 层间耦合 作用，饱和场 强太高，难于 应用。1991年至1992年，Dienyt和Coworkers等发现，如 果把两 个无磁 耦合铁 磁膜中 间用非 磁性金 属层隔 开，形 成一个 自旋 阀”多层膜，其磁敏电 阻的变 化率可 达4%10% 以上，且用它 们做成 磁头，不但灵敏度高，线性度和 稳定性 好，而且 噪声也 小。90年代中期， 各先进 工业国 在讨论 硬磁盘 实现高 密度化（例如 达到100 G字节）时认 为，读 出头是 技术关

6、 键。经过 紧张的 攻关，1996年日本东 芝宣布， 用自旋 阀膜开 发成功 可读出 面密度为5 Gb/in2 的磁头。至U 1999年，IBM 研制 成功了 可的应用。达12 Gb/in2 的自旋阀膜 GMR头，可读出在3.5英寸硬 盘中记录的100 G 字节的信 息。至 此，巨 磁敏电 阻得到了广泛2.4巨磁致阻抗(Giant magnetoimpedance) 传感器巨磁致阻抗的原理是 在非晶 体线上 通以高 频（10kHz以上）电流 时，在磁 场作用 下，线两 端的电 压会发生巨大 的变化,即其阻抗发生 了巨大变化，且这种变化与线的长短无关。这种阻抗变化可高达10%100%/Oe（AM

7、R 的 磁灵敏 度为0.1%/Oe,GMR 为1%/O e）。而且， 用在科 尔皮兹 振荡器 或多谐荡器中 做线路 元件，发生谐 振时，电压变化还会增强。这种元件组成的上述两 种电路 已成功 地做成 器件，并可以 集成应 用。这 种传感 器可用 在计算 机硬盘 读头、 高分 辨率磁编码器读头、汽车导航和电力配电网络、材料无损探伤方面。3地球磁场（中磁场）传感器中磁场范围传 感器通常被用于在旅途中确定方向，侦察交通的异常状况及在航行或飞行中确定轮船或飞机的偏航率。此范围内的传感器有磁通门传感器、磁感应磁力计、向异性磁敏电阻器等。3.1 磁通门(Flux gate)磁通门传感器是罗盘导航系统中使用

8、最普遍的传感器。它最早于1928年发展起 来,之后在军事上被改良用于侦察潜艇。这种设备也在地质勘探、考古、空间磁场探测、航天器飞行姿态控制等许多领域中得到应用。最普遍的磁通门种类称为二次谐波装置。它由两个线圈初级线圈和次级线圈组成，绕在同一个高磁通性铁磁芯上，磁芯的磁感随外磁场变化而变化，加在初级线圈上的驱动信号频率（如 10 kHz）使磁芯在饱和点间振荡。次级线圈输出一个 由初级 线圈通 过磁心 耦合而 成的信 号，信号受磁芯磁通性变化影响并表现为感应线圈输出的振幅变化。这一信号可以通过相敏检波器和低通滤波器检波得到磁场值。设计良好的磁通门磁力计可以感应到几十微高斯范围的信号，也可以测量静磁

9、场的大小和方向。磁通门传感器的微型化和集成化具有十分重要的意义。它能检测10-10T10-4T的弱 磁场，分辨 率约为10-11T10-9T ,还可 检测梯 度场和 向量场。但因其探 头以及 电路装 置体积 重量都 较大而 限制了它们的 广泛应 用。实现微 型化和 集 成化之后，体积和重量大大减小，可大量生产和降低价格，是弱磁场检测的一种重要的传感器。3.2感应磁力计 (Inductive magnetomet ers)感应磁力计是一种价格便宜、结构简单的磁场传感器。这种传感器的核心部分是一个缠绕在随磁场变化而改变磁通性的铁磁芯上的简单的单绕组线圈。这种传感器通常有两对振荡信号检波产生一个电压

10、信号。这一电压信号与磁场也成一定比例关系，由此可以确定磁场的大小；另一种是用 振荡电 路产生 一个固 有的频 率电流，让这 一电流通过单绕组线圈，就会产生一个电压。传感器通过检测这一电压确定磁场的大小。3.3 各向异性磁敏电阻器(AMR)WilliamThompson和 Lord Kelvin分别于1856年发现铁磁性金属中的磁敏电阻效应。他们的发现直到100年后薄 膜技术 出现时 才得以 实际用 于制造 传感器，AMR传感器非常适合测量线性和角度位置及地球磁场的位移，这类装置是由镍铁合金沉淀在硅晶片上构成灵敏薄膜带而制成的。 单层膜的磁敏电阻变化率为2%3%。在一个典型结构中，4个这种电阻被

11、连成一个惠灵顿平衡桥，以便同时测量磁场的量值和方向，测量带宽通常在1-5 MHz 范围内，它的磁敏效应非常快，并且不受线圈数量和振荡频率的限制。这类传感器已于20世纪70年代初形成产品，可以做成各种形状和排列，被成功地大量应用于磁带和磁驱的高密度读 取头及 磁编码 器，也 用于测 量轮速、机轴 测量、罗盘导航、车辆探测和电流感应。此外，还出现了薄膜线性磁敏电阻器、磁敏电阻开关电路、二维和三维磁强计等产品。在长期应用中发现，它们存在对磁场响应非线性，有退磁场、磁滞、为LC振荡器中的自感应元件，并产生振荡，其振荡频率就会与待测的磁场成一定比例关系。由一个滤波电路滤去干扰，最后通过线圈成巴克豪森噪声

12、等限制。种形式： 一种是通过用使这一单绕组4微磁场传感器相比其它的磁力设备，微磁场 传感器 往往巨 大且昂 贵。地 球磁场 的影响 必须被 重点注 意，它的 日常变 化可 能会超 过传感 器的测 量范围。设备多被用于医学和军事监视，在这个范围内的传感4.1超导量子干涉设备(SQU ID )超导量子干涉设备是目前灵敏度最高的测磁仪器。用SQU ID对地球磁场进行航空测量，有助于寻找矿藏，还可以发现远离海岸的敌方潜艇。它可测出10-11T的极弱磁场，灵敏度高，噪声低，可以检测心脏跳动产生的微弱的磁场心磁图。它最早是于1962年在Brian J.Josephson用于测量超低电流的点接触连接工作的基

13、础上发展起来的。其基本工作原理是基 于约瑟 夫森效 应，又称为 电子对 隧道对 应，是一种 在超导 体中特 有的物 理现象(超导 必须在 低温下 形成，其性质是 直流阻 抗为零，即完全导电性，存在永器有超导量子干涉设备、搜索线圈、光泵光谱磁力计等。久电流,磁力线电流，当通过隧道结的电流超过这个临界值时，在结上将产生电压降，这时在伏安特性曲线中，将沿着测量负载线排列正常电子隧道曲线上。这种在隧道结中有隧道电流通过而不产生电压降的现象称为直流约瑟夫森效应，该隧道电流称为直流约瑟夫森电流。另外，当通过绝缘层的电流超过某一临 界值时，绝缘 层处就 出现电 阻，使 绝缘层两侧出现有限的电压降V，电子对由此电压降所获得的能量则以电磁辐射的形式放出，在隧道结两超导体之间将有一个频率为f的射频电流通过，上述现象称为射频约瑟夫森效应。构成约瑟夫森效应的超导体隧道称为约瑟夫森结，用约瑟夫森效应制成的高灵敏度磁隧道传感器件叫做超导量子干涉设备(SQ UID )，分 为直 流超导 干涉设 备(DCS QUID)及射频超量子化)。当超导隧道结构的绝缘层很薄时(如约10 A)，在结两边超导的特性在许多方面类似于单体超导体，若通过隧道结的伏安特性曲线中存在一个零电压的导干涉设备(RFSS QUID)。SQUID磁力计能够测量从几个亿万