常见磁场传感器-原理、特性及应用

资讯 2021-02-19 易泵网 手机阅读

一、关于磁感应强度和磁场强度的单位

1. 磁感应强度 B - magnetic flux density

磁感应强度（又称磁通量密度）的单位为特斯拉（tesla），符号为T。在1960年巴黎召开的国际计量大会上此单位被命名，以纪念在电磁学领域做出重要贡献的美籍塞尔维亚发明家、电子工程师尼古拉·特斯拉。

在厘米克秒(CGS)单位制中，磁感应强度的单位为高斯（gauss），为纪念德国数学家约翰·卡尔·弗里德里希·高斯而命名。常用符号G或Gs表示。 换算关系

例如，在外太空，磁感应强度在0.1到10 nT之间；一个冰箱贴的磁感应强度约10Gs；实验室中产生的最强瞬间磁场记录为80T；最强的人造磁场是2800T（爆炸产生）。

2. 磁场强度H - magnetic field strength

国际单位制中磁场强度的单位为A/m。在CGS单位制中的对应单位为奥斯特（oersted），符号为Oe。1930年，国际电工委员会为了纪念丹麦物理学者汉斯·奥斯特而命名。换算关系

1Oe=1000/4π≈79.5774715 A/m。

二、磁场传感器分类

按照能探测的磁场大小或者灵敏度高低，磁场传感器可以分为如下几类：

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、磁致伸缩磁力计等。

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、磁阻磁力计等。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。

用于弱磁探测，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）、光泵磁力计等。

4.医学/生物磁力计

磁场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。

三、常见磁场传感器原理及应用

（一）矢量探测器（vectro magnetometer）：

矢量磁场传感器对磁通量敏感（Flux sensitive）， 能同时探测磁场大小和方向。

1. 探测线圈 - Search-coil magnetometer

  • 工作原理：法拉第电磁感应定律。当通过线圈的磁通量发生变化时，开路线圈两端会产生感生电压，而闭合线圈中会产生感应电流，通过检测该电压或电流（或LC电路振荡频率）变化即可实现对磁场的测量。
  • 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。
  • 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.超导量子磁力计 - SQUID（Superconductor QUantum Interference Device）

    SQUID是目前最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.迈斯纳效应磁力计 - 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。
  • 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.磁阻磁力计 - 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关，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。
  • 带宽：0-1GHz
  • 特点：价格低廉，结构简单。功耗0.1-0.5mW， 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。该效应于1988年首次被发现，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。
  • 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（如1nm厚的Al2O3）。1995年首次 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。无磁场情况下，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.磁致伸缩磁力计 - 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，通过光的干涉谱变化实现解调。
  • 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100Gs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磁力计 - 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)

    标量探测器对磁场大小敏感（Field sensitive）， 仅探测磁场大小，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.光泵磁力计 - 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，光泵磁力计利用它的三个能态：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]

    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.核进动磁力计 - Nuclear-precession magnetometer

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

    4.光学原子磁力计 - optical atomic magnetometer

    工作原理：与光泵磁力计类似（光泵磁力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。

    参考文献

    [1] J. Lenz and S. Edelstein, "Magnetic sensors and their applications," IEEE Sensors Journal, vol. 6, no. 3, pp. 631-649, 2006.

    [2] M. J. caruso, T. Bratland, C. H.Smith, and R. Schneider, "A New Perspective on Magnetic Field Sensing," Sensors, no. pp. 24-36, 1998.

    [3] S. Gontarz, P. Szulim, J. Seńko, and J. Dyba?a, "Use of magnetic monitoring of vehicles for proactive strategy development," Transportation Research Part C: Emerging Technologies, vol. 52, no. pp. 102-115, 2015.

    [4] M. Pannetieret al.,“Femtotesla magneticfield measurement with magnetoresistive sensors,” Science, vol. 304, pp. 1648–1650, 2004

    [5] W. Happer,“Optical pumping,”Rev. Mod. Phys., vol. 44, pp. 169–249,1972.

    [6] D. Budker, W. Gawlik, D. F. Kimball, S. M. Rochester, V. V. Yashchuk, and A. Weis,“Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms,”Rev. Mod. Phys., vol. 74, pp. 1153–1201, 2002

    [7] J. C. Allred, R. N. Lyman, T. W. Kornack, and M. V. Romalis,“High sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation,”Phys. Rev. Lett., vol. 89, pp. 130 801/1–130 801/4, 2002.

    [8] Kominis, I. K., Kornack, T. W., Allred, J. C. & Romalis, M. V. A subfemtotesla multichannel atomic

    magnetometer. Nature 422,596–599 (2003).

    [9] D. Budker and M. Romalis, "Optical magnetometry," Nat Phys, vol. 3, no. 4, pp. 227-234, 2007.