现代磁场传感器技术的最新进展

现代磁场传感器技术的最新进展!1引言 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、超导量子干涉、磁致效应、磁光效应等。 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。2.1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/Cr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。到1999年，IBM研制成功了可达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的应用。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(AMR的磁灵敏度为0.1%/Oe,GMR为1%/Oe)。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。用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、材料无损探伤等方面。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、各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 magnetometers) 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种形式：一种是通过用使这一单绕组线圈成为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，最后通过对振荡信号检波产生一个电压信号。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、巴克豪森噪声等限制。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器有超导量子干涉设备、搜索线圈、光泵光谱磁力计等。4.1超导量子干涉设备(SQUID) 超导量子干涉设备是目前灵敏度最高的测磁仪器。用SQUID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，存在永久电流，磁力线量子化)。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(SQUID)，分为直流超导干涉设备(DCSQUID)及射频超导干涉设备(RFSSQUID)。 SQUID磁力计能够测量从几个亿万分之一特斯拉到9特斯拉的超过15个量级顺序范围的磁场。用铌(Nb)或铅(Pb)薄膜制成的SQUID，在液氦的沸点温度(4.2 K)下工作，可得到10-15T的磁场分辨率，是目前能检测的最弱磁场。近年来，用钇钡铜氧高Tc陶瓷膜来制作SQUID，虽然牺牲了一些分辨率但可在液氮中(77 K)使用，极大地扩大了使用范围，降低了使用成本。因为人脑的神经磁场只有亿万分之一特斯拉的几十倍，相较之下，地球磁场约有50微特斯拉，所以它在医学应用上非常重要。4.2搜索线圈(Searching coil) 搜索线圈磁力计的基本原理是基于法拉第的电磁感应定律：线圈中的感生电压与线圈中的磁场变化是成正比的。通过检测线圈在穿过磁场时产生的感生电压，就可以算出通过线圈的磁场大小。 搜索线圈的灵敏度由线圈中包裹磁芯的磁场渗透性及线圈的多少和测量面积决定。虽然它的灵敏度很高，但由于搜索线圈磁力计只能在变化很快的磁场里或穿过一个磁场时才起作用，不能测量静止的或缓慢改变的磁场，所以测量范围具有一定的局限性。不过因为其便宜且容易制造，这种设备经常被用于道路交通控制信号、探雷、安全检查等方面。4.3光泵光谱磁力计(Optical pump-probe device) 光泵探针光谱学是最近才出现的一种磁场检测手段，通过它可以研究时域宏观磁化的高频动力学。这种技术可用于直接研究磁响应的相位和衰减，其原理是用光敏开关或脉冲发生器产生的光触发磁场脉冲冲击待测样本，并用线性或非线性磁光Kerr效应(MOKE)测量法来探测输出信号。4.4其它微磁场传感器