磁传感器调研

1、磁传感器技术根据对磁场的测量范围将磁传感器分为三类：低强度磁场传感器、中强度磁 场传感器及高强度磁场传感器。低强度磁场传感器通常检测10-ioT以下的磁场； 中强度磁场传感器通常检测10-1010-3T的磁场；高强度磁场传感器检测范围通常 在10-3T以上。1、低强度磁场传感器低强度磁场传感器通常检测10-10T以下的磁场，多用于医学、磁性材料研究 及军事领域。与其他磁场传感器相比，低强度磁传感器结构笨重复杂而且成本高， 被测磁场比地磁场（地磁场强度的数量级为10-5T）小，地磁场的微弱变化均比 低强度磁场传感器测量范围大。超导测磁超导测磁方法是20世纪60年代中期利用超导技术发展起来的一种新

2、型测磁 方法，根据目前的仪器设计，其灵敏度可达10-12T10-15T，量程可从0到数千高 斯，能响应零到几兆甚至到1000MHz的快速磁场变化。超导测磁方法利用超导结的临界电流随磁场周期起伏的原理来测磁。如图 1.1所示，在超导结两端加上电源，电压表V无显示时，电流表A显示的电流为 超导电流；电压表开始有显示时，电流表所显示的电流为临界电流。当加入磁场 后，临界电流将有周期性起伏，其极大值逐渐衰减，振荡的次数乘以磁通量子即 透入超导结的磁通量。由于磁通与外磁场成正比，求出磁通也就求出了磁场。若 磁场有变化，则磁通也变化，临界电流的振荡次数乘以磁通量子就可反映磁场变 化的大小。这样，利用超导结

3、就可测量磁场的大小及其变化。超导体.建导体超导站图1 1超导隧道姑户由于低温较难达到，为了使超导材料具有实用性，现有超导测磁仪器主要是 对高温超导进行研究的成果。超导量子干涉装置（Superconducting Quantuminterference Device,简称SQUID）是典型的高温超导测磁仪器，是目 前已知的灵敏度最高的低强度磁传感器。SQUID磁强计可测量的磁场范围从 10-119T，而人脑产生的磁场数量级为10-11T，这使得它在医学领域广泛应用。目 前，高精度的SQUID主要应用于医学、磁性材料特性和生物磁性研究。感应线圈测磁感应线圈磁强计建立在法拉第电磁感应定律基础上，即线

4、圈中感应电压和线 圈中磁场的变化率成比例。感应线圈磁传感器的灵敏度依赖于铁芯的磁导率、线 圈面积和匝数。这种类型的磁传感器对磁场的最高分辨率为10-14T，频率响应范 围为1Hz1MHz，所需功率为110毫瓦。Claude通过对线圈闭环控制，扩展了感 应线圈磁传感器的频率响应范围，可达0.1Hz50MHz。感应线圈不能测量静态磁 场，多用于距离探测。核子自旋进动测磁在磁场作用下，核子产生进动，其进动频率与磁场强度成正比，利用这一原 理进行测磁。自旋核子磁矩绕被测磁场的旋进运动相当于一个小磁铁绕被测磁场 并与其保持固定角度的运动，显然这将使其周围的磁场发生周期性的变化，其变 化频率就是进动频率。

5、如果放置一个固定线圈，则线圈内部磁通发生周期性的变 化，在线圈中就会产生感应电压，其频率与核子进动频率一致，测出线圈感应电 压的频率就可测出磁场大小。所谓核磁共振式测磁，就是通过测量自旋核子在外磁场中的进动频率来测量 外部磁场，只不过核磁共振磁强计利用共振原理来获取进动频率。光泵测磁光泵测磁法的原理是：采用光学技术，选择出一定频率的光照射含有碱金属 蒸汽的吸收室，将其泵激励到特定的某个能级（这种技术称为光泵技术），然后 对吸收室加载交变磁场，当交变磁场的频率与电子两能级之间的跃迁频率相等时 （这个频率被称作共振频率），就会改变吸收室的吸收程度，使其透明度变差， 由于这一共振频率与磁场成正比，故

6、通过测量共振频率就可测量磁场。光泵磁场 测量仪器是利用近30年来新发展起来的光泵技术制成的高灵敏度磁场测量仪器， 其灵敏度可达10-讶以上。由于元素的弛豫时间长，吸收线窄，因此精度高，不 足的是长弛豫时间限制了频率响应。目前，这种传感器体积庞大，高功耗，价格 昂贵等限制了该技术在实际中的应用。磁光传感器磁光效应磁传感器利用磁场改变光的偏振状态来对磁场进行测量。当一束偏 振光通过介质时，若在光传播方向存在磁场，那么光通过偏振面将偏转一个角度， 这就是磁光效应。可通过测量偏转的角度来测量磁场，偏转的角度和输出的光强 成正比，将输出光照射激光二极管，可获得数字化的光强。这种磁传感器的灵敏 度可达到1

7、0-11T，它具有优良的电绝缘性能和抗干扰、频响宽、响应快、安全防 爆等特性，因此适合一些特殊场合的磁场测量，尤其在电力系统中高压大电流的 测量方面有明显的优势。2、中强度磁场传感器中强度磁场传感器测量的磁场范围为10-1010-3T，由于地磁场强度的数量级 为10-5T，故中强度磁场传感器也被称为地磁场传感器。磁通门式磁场传感器磁通门磁场传感器在导航系统中运用最为广泛，约于1928年发展起来，后 来被军方用于潜艇探测。磁通门磁强计可测量大小为10-1110-2T的直流或缓慢变 化的磁场，其频率带宽约为数千赫兹。0)山饱和高磁导率、低磁阻通路(b)饱和低磁导率、高磁阻通路图1.2尴通门基本原理

8、12基本磁通门如图1.2所示，它包括绕有两个线圈的铁芯，主线圈或称做激励 线圈，辅线圈或称做收集线圈。运行时，主线圈中加有频率为f0的激励电流Ie“， 其大小足以使具有磁导率U的铁芯达到饱和磁感应强度。当铁芯不饱和时，因其 磁导率U高给外部磁场B。的磁力线提供低磁阻通路，如图1.2(a)所示；当铁芯 饱和时铁芯磁阻增加，磁力线溢出铁芯，如图1.2(b)。可通过二次谐波原理、 脉冲定位原理或脉冲高度原理从输出信号中提取外磁场B0。磁通门大都用在闭环直流磁强计中，其分辨率可达10-ioT。增加传感器频带 会引起直流特性下降，还有可能引起稳定性问题。近20多年的研究表明，使用 有效的铁芯材料，可显著

9、提高磁通门磁强计在低磁场中的的性能，降低磁场噪声， 提高热稳定性。Co Fe Si B或Vacoperm 100作为线圈铁芯制成的TFS-3型68.54.512.25 15磁强计，在-75C45C的范围内，温度漂移仅有0.0310.02nT/C。磁通门磁强计具有高分辨率，这使得它被广泛应用于探空、探潜、地磁测量 （空中、海上和水下的地磁测量）、探矿及星际间的磁场测量，以及应用于宇航 空间技术中。与霍尔传感器和磁阻传感器相比，其价格较高。然而，如果磁通门 能成功的小型化并和微电子电路集成，进行批量生产以降低价格，这使得集成磁 通门将是高性能霍尔元件与磁阻传感器强有力的竞争者。各向异性磁阻传感器采

10、用诸如镍铁导磁合金（含镍80%，含铁20%）的各向异性材料，根据磁阻 效应原理制作而成磁场传感器称为各向异性磁阻式（Anisotropic MagnetoResistance，简称AMR）传感器。这种传感器重量轻，体积小，功耗为 0.10.5毫瓦，适合的温度范围为-55C200C。采用开环电路时的灵敏度范围 是10-610-3T，频率响应动态范围为01GHz；采用闭环电路时的灵敏度是10-8T， 频率带宽较低。由于ARM磁传感器具有二次函数的缺点，对低磁场灵敏度不高， 并且不能测量磁场方向，因此必须对传感器进行线性化。线性化后的AMR磁阻传 感器能够感应磁场大小和方向，且在低磁场中具有很高的灵

11、敏度。William Thompson和Lord Kelvin早在1856年就观察到了铁磁物质磁阻效 应，但直到100多年后（约1971年）薄膜技术的问世，磁阻传感器才得到蓬勃 发展。AMR磁传感器典型频率带宽为5MHz，具有响应速度快，能够大批量生产， 并和电子设备相兼容的特点。它广泛应用于高密度磁带与硬盘磁头、汽车速度传 感、机轴感应、罗盘导航、车辆探测、电流测量等许多方面。3、高强度磁场传感器高强度磁场传感器又称为偏置磁场传感器，这种类型的磁传感器大多用于测 量比地磁场大的磁场。包括簧片开关、半导体锑化铟（InSb）磁强计、霍尔磁传 感器和巨磁阻（Giant Magneto Resist

12、ance，简称GMR）传感器。簧片开关簧片开关是用于工业控制最简单的磁场传感器。它包括一对韧性很好的铁磁 触点，触点密封在充满惰性气体的容器中，通常是玻璃。沿触点长轴方向的磁场 磁化触点，吸引另一触点接通电路。簧片开关存在较大磁滞，使开关对小扰动磁 场不敏感。低成本、简单化、可靠及低损耗使簧片开关得到大量应用。簧片开关加上一 个小型磁体能制成简单的邻近开关，经常用在监视门或窗户开、关的安全系统中。 当两者相距足够近时，附着在活动部件上的磁铁内簧片开关工作。在汽车工业中， 常用许多簧片开关来感应汽车的部件。洛仑兹力磁场传感器1）半导体磁阻传感器最简单的洛仑兹力磁传感器是半导体磁阻传感器，如InS

13、b和InAs。沿半导 体薄片长度方向加上电压，薄片上有电流流过，可以测量出电阻，此时如加载与 薄片长度方向垂直的磁场，洛仑兹力使电荷发生偏转。磁场的影响增加了电荷运 动路径的长度，从而增加了电阻。在强磁场中，电阻的增加可达数倍。为使传感 器产生数百到数千欧姆电阻，使用平板印刷技术产生几微米宽的长窄半导体带， 在电流路径上周期性产生低阻金属短路条，可得到所需的长宽比例。半导体带上 每个短路条等电势。由InSb构成的半导体磁阻传感器在低磁场中灵敏度极低，但在高磁场中电 阻变化却很大，灵敏度高。电阻变化约和磁场的平方成正比。这种磁传感器仅对 垂直于半导体片的磁场大小敏感，对磁场的正负不敏感，因此不能

14、用于检测磁场 方向。由于电荷运动受温度影响大，因而电阻的温度系数高。半导体磁阻传感器 常用于测量大于0.01T的磁场；和永磁体相结合，可用来制作邻近探测器。由于 半导体传感器温度依赖性大并且非线性强，磁阻传感器一般不用于精确测量磁场。2）霍尔传感器霍尔效应是半导体材料洛仑兹力所产生的结果。霍尔传感器电压方向的长度 远比宽度长，载流子偏移到侧面产生霍尔电压，电场力和洛仑兹力大小相等、方 向相反。在磁场作用下，两端电阻几乎没有变化，而两侧面的霍尔电压与垂直于 半导体片的磁场成正比，其符号随外加磁场方向的改变而改变，因此可测量磁场大小和方向。霍尔磁场传感器大多使用N型硅和砷化镓（GaAs），因为它们

15、具有较大空隙 带和较高的抗温度变化的能力。另外，InAs和InSb等材料由于其载流子的高迁 移率可获得较大的磁场灵敏度和较高的频率响应。霍尔磁场传感器典型频率带宽 可达1020kHz,采用硅做成的霍尔磁传感器的灵敏度为10-310-1T,采用锑化铟 做成的霍尔传感器分辨率为10-6T。霍尔传感器可用于测量静态磁场和动态磁场; 上限频率为1MHz,所需功耗0.10.2瓦。霍尔磁场传感器的基本特性好，运行原理及结构简单，和微电子电路兼容。 这种优良特性使其广泛应用于与磁场相关的各种测量控制中。结构简单使其在不 同应用中易于优化及小型化，并且对灵敏度影响不大。霍尔磁传感器作为一种半 导体器件，与微电

16、子电路兼容，使它可利用微电子工业中高质量的半导体材料， 促进自身的持续发展。霍尔元件和及信号处理电子电路的集成将会导致高性价比 的新型磁场传感器的发展。巨磁阻磁传感器巨磁阻效应，是指某些磁性或合金材料的电阻在一定磁场作用下急剧减小， 而电阻变化率急剧增大，增大的幅度比普通磁性合金材料的电阻高10倍。巨磁 阻效应只有在纳米尺度的薄膜中才能观测到，因此纳米材料以及超薄膜制备技术 的发展使巨磁阻传感器芯片得以实现。目前， GMR磁传感器灵敏度范围为 10-广0.1T。GMR磁传感器的应用集中在数据读出磁头及存储器、弱磁检测和位置类传感 器方面，其频率带宽可高达1MHz。GMR磁传感器大都采用多层膜电

17、阻形成的惠斯 通电桥电路，这种结构提高了传感器的分辨率、信噪比及温度稳定性。4、复合原理磁场传感器磁致伸缩材料与光纤复合1980年，A.Yariv和H. V.Winsor首先提出采用磁致伸缩材料Ni粘贴在光 纤上构成磁传感器，当Ni磁致伸缩时，导致光纤的光程发生变化，引起光的传 播相位发生变化，利用干涉仪测量光的相位变化来测量磁场。1983年，英国肯 特大学的A. D. Kersey采用这种原理成功研制了光纤磁传感器，把相位调制转 变成振幅调制加以检测，可用于测量直流磁场和频率小于60kHz的交流磁场。超磁致伸缩材料与压电材料复合Shuxiang Dong等人采用超磁致伸缩材料Terfenol

18、-D和压电材料PZT构成 的“三明治”磁电复合结构，Terfenol-D磁致伸缩产生的应变使PZT产生感应 电压，因此通过测量电压可以测量外部磁场。这种磁传感器灵敏度可达到10-11T。超磁致伸缩材料和SAW谐振器复合图1.3是SAW谐振器和GMM复合结构的示意图。在螺栓螺母的作用下GMM、 SAW谐振器和硬质刚体材料框架紧密接触。框架同时起导轨作用，限制SAW谐振 器和Terfenol-D只能在长度方向发生形变。调整螺栓的长度可调节施加在超磁 致伸缩材料上的预应力，使其在磁场中获得较大的磁致伸缩。图1.3始枳.:直图GMM选用工作在33模式下的Terfenol-D(Tb0 37Dy0 63Fe2),在沿长度方向磁场 的作用下，在同方向产生伸缩。由于两端被紧固,Terfenol-D材料