磁場信息探測技術——磁傳感器

我們使用磁傳感器的主要目的是通過測量磁場來間接測量其他與我們生產和生活更為相關的另一類參數，比如車輪的轉速和轉向、磁性墨水的特征、物體移動的速度、轉動的角度、電流或電壓的大小等。這些參數無法直接測量，但可以從磁場的變化或擾動信息中提取并轉換成電信號進行檢測。

非磁性傳感器檢測與磁性傳感器檢測

現代科學技術的發(fā)展，需要產生和應用各種范圍的磁場。受各個領域的應用需求驅動，更高靈敏度、更低功耗、更小尺寸和更好系統(tǒng)兼容性成為磁信息探測傳感器的發(fā)展趨勢。下文將簡述包括硅基磁傳感器在內的各種類型的磁傳感器，簡要說明這種傳感器是什么，以及它是如何檢測磁場的。

霍爾傳感器 Hall effect sensors

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應是霍爾（A.H.Hall，1855-1938）于1879年發(fā)現的，在通電的導體或半導體中，在垂直于電流和磁場的方向上產生感應電動勢的現象?；魻杺鞲衅饕褟V泛地應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術及信息處理等諸多領域。

磁阻傳感器 MR sensors

一種薄膜材料的電阻值隨外加磁場變化而變化的磁敏元件，其理論基礎為磁阻效應，目前市場上已被廣泛應用的磁阻元件包擴各向異性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)以及隧道磁阻（TMR）。

磁通門 Fluxgates

利用某些高導磁率的軟磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交變磁場作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應原理研制成的測磁裝置。適合在零磁場附近工作的弱磁場進行測量，既可測縱向向量T、垂直向量Z，也可測ΔT、ΔZ，不受磁場梯度影響，廣泛用于航空、地面、測井等方面的磁法勘探以及國防與軍事、地震監(jiān)測、空間磁測等領域。

超導量子干涉儀 Superconducting quantum interference devices (SQUID)

以約瑟夫遜效應為理論基礎，用超導材料制成，在超導狀態(tài)下它不僅可以測量磁通量的變化，還可以測量能轉換為磁通的其他物理量，如電壓、電流、電阻、電感、磁感應強度、磁場梯度、磁化率等。SQUID作為磁場探測器，具有靈敏度極高、測量范圍寬、頻帶寬等典型優(yōu)勢，可以用于深地勘探、地理勘探、重力勘探、地震監(jiān)測、生物磁檢測等諸多領域。

磁光效應傳感器 Magneto-opticalsensors

利用激光技術發(fā)展而成的高性能傳感器。當一束偏振光通過介質時，若在光束傳播方向存在著一個外磁場，那么光通過偏振面將旋轉一個角度，這就是磁光效應。磁光效應傳感器是一種非常重要的工業(yè)傳感器，在使用過程中，通過選擇不同的磁光介質和激光器，則在靈敏度、工作范圍方面會有不同的能力。

探測線圈 Search coils

是一種基于楞次定律的磁場探測設備，它是一種矢量磁力儀，可以測量磁場中一個或多個矢量分量。

磁感應式傳感器Magneto-inductivesensors

以天然場或人工場為場源，根據法拉第電磁感應原理，采用某些特殊技術研制成的測磁裝置，可用于測量交變場中磁場變化率。

磁敏二極管Magneto-diodes/磁敏晶體管Magneto-transistors

磁敏二極管、晶體管是繼霍爾元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的新型磁電轉換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數百甚至數千倍）；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點，因而正日益得到重視，在檢測、控制等方面得到普遍應用。

光泵原子磁力儀 Optically pumped magnetometers

利用激光極化原子氣體，導致外磁場與原子相互作用使原子光學性質發(fā)生變化，進而改變探測光的偏振方向或光強以實現對磁場的精密測量。

各種磁信息探測技術的探測能力

在所有磁信息探測技術中，MR磁阻傳感器可以通過晶圓制備實現大規(guī)模生產，具有很好的商業(yè)前景，目前已逐步進入工業(yè)、汽車和高端應用領域的諸多細分市場，且發(fā)展迅猛。采用TMR敏感元件的磁傳感器性能卓越，利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，代表了固態(tài)傳感器技術發(fā)展方向，具有高靈敏度、低噪聲、小尺寸等顯著特點。

半導體磁信息探測傳感器

磁場測量的發(fā)展歷史

磁場測量是磁測量的一個重要內容，磁測量是從磁場測量開始發(fā)展的。我國古人對磁現象的發(fā)現和應用做出了巨大貢獻。早在公元前3世紀春秋戰(zhàn)國時代，《呂氏春秋》上就有“磁石召鐵”的記載。公元1世紀初，東漢的學者王充在《論衡》中記載了司南的一些重要性質：“司南之杓（勺），投之于地（放置司南的盤子），其柢（勺柄）指南?！彼灸霞创帕_盤的雛形，也可以說是最早的磁場測量儀器。公園12世紀初，我國已經把磁羅盤應用于航海，這比歐洲要早幾百年。宋代的杰出科學家沈括在《夢溪筆談》中就有關于地磁偏角的記載，比1492年意大利人哥倫布橫渡大西洋時發(fā)現這一現象要早四百多年。

1600年英國醫(yī)生吉伯（Gilbert）在他的著作中首先應用科學的方法對磁現象進行了系統(tǒng)的探索，同時發(fā)現地球本身就是一個大磁體，16世紀以后，磁針應用于研究磁性的科學儀器中，并用來測定地磁場，1785年庫倫提出了用磁針在磁場中的自由振蕩周期來確定地磁場的方法。18世紀后，英國等發(fā)達國家作為海上王國擴張的需要，要求發(fā)展精密的磁場測量儀器。1819年丹麥物理學家奧斯特發(fā)現了電流的磁效應。1832年高斯提出了以長度、質量和時間為基礎的絕對測量地磁場強度的方法。當時研究地磁變動基準測量的第一個國際協(xié)會采用了由高斯設計的磁針儀器。為紀念吉伯、奧斯特和高斯的科學功績，后來分別以他們的名字作為磁動勢、磁場強度和磁感應強度的單位名稱。

1831年，英國科學家法拉第發(fā)現了電磁感應現象，使磁現象和電現象建立起了定量的聯系。1873年，英國的物理學家麥克斯韋在他的《論電與磁》的經典著作中創(chuàng)立了嚴密的電磁場理論，從而為磁場測量奠定了理論基礎。

20世紀初，由于電工技術的推廣和應用，對磁場的測量也提出更加迫切的要求，例如，為了保證電機、儀器儀表等的質量，要求測量其內部的間隙磁場，為了合理的選擇和應用各種磁性材料，要求測量和材料性質相關的磁參量和樣品的表面磁場強度，為了進行磁法勘探和研究古地磁學，要求測量和地磁場有關的磁場參量，等等。由此，在磁力法、電磁感應法的基礎上，1930年又發(fā)展出了磁飽和法的磁場測量儀器。這是后來發(fā)展磁通門磁強計的基礎。這種磁強計在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于探潛和引爆等的需要，得到了進一步的應用。

現代的精密磁場測量技術從1940年左右開始，一方面，由于物理學中發(fā)現了一些新的物理效應以及電子學和半導體技術有了迅速的發(fā)展，從而使經典的磁場測量方法獲得了新的生命力；另一方面，由于近代的高能粒子加速器、受控熱核聚變裝置和宇航工程等尖端工程技術的發(fā)展，對磁場的測量在空間和時間上都提出了更加苛刻的要求。磁場測量遍布于科研、生產、國防等各個領域之中。1879年發(fā)現了霍爾效應（Hall Effect），由于利用了新的半導體材料，在1960年代初便形成了商品化的霍爾效應磁強計。1948年，三軸磁通門磁強計被用到探空火箭上，1958年蘇聯首次把磁通門磁強計應用到人造衛(wèi)星上。1846年法拉第發(fā)現了磁光效應，1960年由于把激光發(fā)生器應用到磁光效應中，從而提高了磁光效應磁強計的技術性能。應特別提及的是，兩項獲諾貝爾物理學獎的物理效應的發(fā)現，對磁場測量技術的發(fā)展具有劃時代的意義，一個是，1946年有布洛赫和柏塞爾同時發(fā)現的核磁共振現象，使磁場的測量有可能獲得10-6的精確度；另一個是，1962年劍橋大學的研究生約瑟夫森預言了超導結的隧道效應，于次年即得到了實驗上的證實，從而使磁場測量的下限擴展到10-14T，并且有可能接近這種方法的理論極限10-15T，這兩項發(fā)現，提供了有可能利用原子內部的參數為基礎來絕對地測量磁場強度的方法。1945年，蘇聯科學家札沃依斯基提出了電子順磁共振，1951年觀測到了章動法核磁共振，1953年研制出了核吸收法共振磁強計，1954年研制出了核感法共振磁強計，1958年研制出了銣光泵磁強計，19世紀70年代初，又研制出了直流超導量子干涉器件和交流超導量子干涉器件。

與此同時，許多新效應也應用于磁場傳感器，特別引起注意的是磁電阻效應。湯姆孫于1857年發(fā)現了鐵磁多晶體的各向異性磁電阻（Anisotropy Magnetoresistance,AMR）效應。由于科學發(fā)展水平及技術條件的局限，數值不大的AMR磁電阻效應在一個多世紀的歷史時期內并未引起人們太多的關注。1971年Hunt提出可以利用鐵磁金屬的各向異性磁電阻效應來制作磁盤系統(tǒng)的讀出磁頭，在隨后的二十多年里，就是這樣一個非常小的磁電阻效應卻對計算機磁存儲技術產生了深刻的影響。1985年IBM公司將Hunt的設想付諸實現，并將這樣的讀出磁頭用于IBM3408磁帶機上；1990年又將感應式的寫入薄膜磁頭與坡莫合金制作的磁電阻式讀出磁頭組合成雙元件一體化的磁頭，在CoPtCr合金薄膜磁記錄介質盤上實現了面密度為1Gb/in2的高密度記錄方式。1991年日立公司報道了在3.5 in硬盤上利用雙元件磁頭實現了1Gb/in2的高記錄密度。所有這些當時都采用坡莫合金薄膜的AMR磁電阻效應，室溫值僅為2.5%左右。

20世紀80年代末期，在法國巴黎大學Fert教授研究小組工作的巴西學者Baibich發(fā)現（Fe/Cr）多層膜的磁電阻效應比坡莫合金大一個數量級，命名為巨磁電阻（Giant Magnetoresistance,GMR）效應，立刻引起了全世界的轟動，在隨后的幾年中，有關巨磁電阻效應的研究成果接踵而至，人們不但在“鐵磁金屬/非磁金屬”多層膜中發(fā)現了巨磁電阻效應，隨后又在“鐵磁金屬/非磁金屬”的顆粒膜中發(fā)現同樣存在巨磁電阻效應，之后1994年在類鈣鈦礦La-Ca-Mn-O系列中發(fā)現了龐磁電阻（Colossal Magnetoresistance, CMR）效應。而“鐵磁金屬/非磁絕緣體/鐵磁金屬”磁隧道閥的研究在多層膜巨磁電子研究的促進下又有了突飛猛進的發(fā)展，1994年在Fe/Al2O3/Fe組成的三明治結構中發(fā)現其隧道結磁電阻值在室溫下可達18%，1995年在Co-Al-O顆粒膜中同樣發(fā)現了類似的大的隧道結磁電阻（Tunneling Magnetoresistance, TMR）效應。

磁場信息探測的對象

指南針是人類最早的磁場信息探測應用，它通過感應地磁場使遠洋航行不會迷失方向。如今，磁信息探測技術的應用范圍已經大大擴展，工業(yè)領域需要探測磁場的存在、強度或方向，而且探測的磁場已不僅限于地磁場，還包括永磁體、軟磁體、地磁干擾、生物弱磁場以及電流感生的磁場等。磁傳感器可以檢測到這些磁信息而不需要物理接觸，已經成為現代工業(yè)領域中各種監(jiān)測和控制系統(tǒng)的眼睛。

任何磁現象都是以磁場的形式表現的。磁場大小的表征主要基于以下兩種觀點：1、按“磁荷”的觀點，定義磁場強度H是表征磁場強弱的物理量，磁場是通過磁荷在磁場中受力的大小來確定（磁的庫倫定律）；2、按“電流”的觀點，定義磁感應強度B是表征磁場強弱的物理量，磁場是通過載流導體在磁場中受力的大小來確定（安培定律），或通過放置磁場中回路的感應電動勢來確定（電磁感應定律）。磁場強度H和磁感應強度B這兩種觀點中只有一個是表征磁場的物理量，另一個是輔助量，但兩者的量綱不一樣，H的單位是安培/米（A/m），B的單位是特斯拉（T）。

在國際單位制中，把磁場強度H在真空中引起的磁感應強度記為B0，兩者的關系為B0=μ0H（μ0=4π×10-7H/m，是常數，即真空磁導率）。

磁場參量是指表征磁場性質的物理量。他們包括：磁感應強度B，磁通量φ，磁場非均勻性量（磁場梯度），以及這些量的分量和模數。磁場參量中，對于恒定磁場和交變磁場具有不同的形態(tài)和測量方式。