分享磁信息探测技术的原理和应用

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磁场信息探测技术——磁传感器

我们使用磁传感器的主要目的是通过测量磁场来间接测量其他与我们生产和生活更为相关的另一类参数，比如车轮的转速和转向、磁性墨水的特征、物体移动的速度、转动的角度、电流或电压的大小等。这些参数无法直接测量，但可以从磁场的变化或扰动信息中提取并转换成电信号进行检测。

非磁性传感器检测与磁性传感器检测

现代科学技术的发展，需要产生和应用各种范围的磁场。受各个领域的应用需求驱动，更高灵敏度、更低功耗、更小尺寸和更好系统兼容性成为磁信息探测传感器的发展趋势。下文将简述包括硅基磁传感器在内的各种类型的磁传感器，简要说明这种传感器是什么，以及它是如何检测磁场的。

霍尔传感器 Hall effect sensors

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是霍尔（A.H.Hall，1855-1938）于1879年发现的，在通电的导体或半导体中，在垂直于电流和磁场的方向上产生感应电动势的现象。霍尔传感器已广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等诸多领域。

磁阻传感器 MR sensors

一种薄膜材料的电阻值随外加磁场变化而变化的磁敏元件，其理论基础为磁阻效应，目前市场上已被广泛应用的磁阻元件包扩各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)以及隧道磁阻（TMR）。

磁通门 Fluxgates

利用某些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量，既可测纵向向量T、垂直向量Z，也可测ΔT、ΔZ，不受磁场梯度影响，广泛用于航空、地面、测井等方面的磁法勘探以及国防与军事、地震监测、空间磁测等领域。

超导量子干涉仪 Superconducting quantum interference devices (SQUID)

以约瑟夫逊效应为理论基础，用超导材料制成，在超导状态下它不仅可以测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。SQUID作为磁场探测器，具有灵敏度极高、测量范围宽、频带宽等典型优势，可以用于深地勘探、地理勘探、重力勘探、地震监测、生物磁检测等诸多领域。

磁光效应传感器 Magneto-opticalsensors

利用激光技术发展而成的高性能传感器。当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。磁光效应传感器是一种非常重要的工业传感器，在使用过程中，通过选择不同的磁光介质和激光器，则在灵敏度、工作范围方面会有不同的能力。

探测线圈 Search coils

是一种基于楞次定律的磁场探测设备，它是一种矢量磁力仪，可以测量磁场中一个或多个矢量分量。

磁感应式传感器Magneto-inductivesensors

以天然场或人工场为场源，根据法拉第电磁感应原理，采用某些特殊技术研制成的测磁装置，可用于测量交变场中磁场变化率。

磁敏二极管Magneto-diodes/磁敏晶体管Magneto-transistors

磁敏二极管、晶体管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视，在检测、控制等方面得到普遍应用。

光泵原子磁力仪 Optically pumped magnetometers

利用激光极化原子气体，导致外磁场与原子相互作用使原子光学性质发生变化，进而改变探测光的偏振方向或光强以实现对磁场的精密测量。

各种磁信息探测技术的探测能力

在所有磁信息探测技术中，MR磁阻传感器可以通过晶圆制备实现大规模生产，具有很好的商业前景，目前已逐步进入工业、汽车和高端应用领域的诸多细分市场，且发展迅猛。采用TMR敏感元件的磁传感器性能卓越，利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，代表了固态传感器技术发展方向，具有高灵敏度、低噪声、小尺寸等显著特点。

半导体磁信息探测传感器

磁场测量的发展历史

磁场测量是磁测量的一个重要内容，磁测量是从磁场测量开始发展的。我国古人对磁现象的发现和应用做出了巨大贡献。早在公元前3世纪春秋战国时代，《吕氏春秋》上就有“磁石召铁”的记载。公元1世纪初，东汉的学者王充在《论衡》中记载了司南的一些重要性质：“司南之杓（勺），投之于地（放置司南的盘子），其柢（勺柄）指南。”司南即磁罗盘的雏形，也可以说是最早的磁场测量仪器。公园12世纪初，我国已经把磁罗盘应用于航海，这比欧洲要早几百年。宋代的杰出科学家沈括在《梦溪笔谈》中就有关于地磁偏角的记载，比1492年意大利人哥伦布横渡大西洋时发现这一现象要早四百多年。

1600年英国医生吉伯（Gilbert）在他的著作中首先应用科学的方法对磁现象进行了系统的探索，同时发现地球本身就是一个大磁体，16世纪以后，磁针应用于研究磁性的科学仪器中，并用来测定地磁场，1785年库伦提出了用磁针在磁场中的自由振荡周期来确定地磁场的方法。18世纪后，英国等发达国家作为海上王国扩张的需要，要求发展精密的磁场测量仪器。1819年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。1832年高斯提出了以长度、质量和时间为基础的绝对测量地磁场强度的方法。当时研究地磁变动基准测量的第一个国际协会采用了由高斯设计的磁针仪器。为纪念吉伯、奥斯特和高斯的科学功绩，后来分别以他们的名字作为磁动势、磁场强度和磁感应强度的单位名称。

1831年，英国科学家法拉第发现了电磁感应现象，使磁现象和电现象建立起了定量的联系。1873年，英国的物理学家麦克斯韦在他的《论电与磁》的经典著作中创立了严密的电磁场理论，从而为磁场测量奠定了理论基础。

20世纪初，由于电工技术的推广和应用，对磁场的测量也提出更加迫切的要求，例如，为了保证电机、仪器仪表等的质量，要求测量其内部的间隙磁场，为了合理的选择和应用各种磁性材料，要求测量和材料性质相关的磁参量和样品的表面磁场强度，为了进行磁法勘探和研究古地磁学，要求测量和地磁场有关的磁场参量，等等。由此，在磁力法、电磁感应法的基础上，1930年又发展出了磁饱和法的磁场测量仪器。这是后来发展磁通门磁强计的基础。这种磁强计在第二次世界大战期间，由于探潜和引爆等的需要，得到了进一步的应用。

现代的精密磁场测量技术从1940年左右开始，一方面，由于物理学中发现了一些新的物理效应以及电子学和半导体技术有了迅速的发展，从而使经典的磁场测量方法获得了新的生命力；另一方面，由于近代的高能粒子加速器、受控热核聚变装置和宇航工程等尖端工程技术的发展，对磁场的测量在空间和时间上都提出了更加苛刻的要求。磁场测量遍布于科研、生产、国防等各个领域之中。1879年发现了霍尔效应（Hall Effect），由于利用了新的半导体材料，在1960年代初便形成了商品化的霍尔效应磁强计。1948年，三轴磁通门磁强计被用到探空火箭上，1958年苏联首次把磁通门磁强计应用到人造卫星上。1846年法拉第发现了磁光效应，1960年由于把激光发生器应用到磁光效应中，从而提高了磁光效应磁强计的技术性能。应特别提及的是，两项获诺贝尔物理学奖的物理效应的发现，对磁场测量技术的发展具有划时代的意义，一个是，1946年有布洛赫和柏塞尔同时发现的核磁共振现象，使磁场的测量有可能获得10-6的精确度；另一个是，1962年剑桥大学的研究生约瑟夫森预言了超导结的隧道效应，于次年即得到了实验上的证实，从而使磁场测量的下限扩展到10-14T，并且有可能接近这种方法的理论极限10-15T，这两项发现，提供了有可能利用原子内部的参数为基础来绝对地测量磁场强度的方法。1945年，苏联科学家札沃依斯基提出了电子顺磁共振，1951年观测到了章动法核磁共振，1953年研制出了核吸收法共振磁强计，1954年研制出了核感法共振磁强计，1958年研制出了铷光泵磁强计，19世纪70年代初，又研制出了直流超导量子干涉器件和交流超导量子干涉器件。

与此同时，许多新效应也应用于磁场传感器，特别引起注意的是磁电阻效应。汤姆孙于1857年发现了铁磁多晶体的各向异性磁电阻（Anisotropy Magnetoresistance,AMR）效应。由于科学发展水平及技术条件的局限，数值不大的AMR磁电阻效应在一个多世纪的历史时期内并未引起人们太多的关注。1971年Hunt提出可以利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应来制作磁盘系统的读出磁头，在随后的二十多年里，就是这样一个非常小的磁电阻效应却对计算机磁存储技术产生了深刻的影响。1985年IBM公司将Hunt的设想付诸实现，并将这样的读出磁头用于IBM3408磁带机上；1990年又将感应式的写入薄膜磁头与坡莫合金制作的磁电阻式读出磁头组合成双元件一体化的磁头，在CoPtCr合金薄膜磁记录介质盘上实现了面密度为1Gb/in2的高密度记录方式。1991年日立公司报道了在3.5 in硬盘上利用双元件磁头实现了1Gb/in2的高记录密度。所有这些当时都采用坡莫合金薄膜的AMR磁电阻效应，室温值仅为2.5%左右。

20世纪80年代末期，在法国巴黎大学Fert教授研究小组工作的巴西学者Baibich发现（Fe/Cr）多层膜的磁电阻效应比坡莫合金大一个数量级，命名为巨磁电阻（Giant Magnetoresistance,GMR）效应，立刻引起了全世界的轰动，在随后的几年中，有关巨磁电阻效应的研究成果接踵而至，人们不但在“铁磁金属/非磁金属”多层膜中发现了巨磁电阻效应，随后又在“铁磁金属/非磁金属”的颗粒膜中发现同样存在巨磁电阻效应，之后1994年在类钙钛矿La-Ca-Mn-O系列中发现了庞磁电阻（Colossal Magnetoresistance, CMR）效应。而“铁磁金属/非磁绝缘体/铁磁金属”磁隧道阀的研究在多层膜巨磁电子研究的促进下又有了突飞猛进的发展，1994年在Fe/Al2O3/Fe组成的三明治结构中发现其隧道结磁电阻值在室温下可达18%，1995年在Co-Al-O颗粒膜中同样发现了类似的大的隧道结磁电阻（Tunneling Magnetoresistance, TMR）效应。

磁场信息探测的对象

指南针是人类最早的磁场信息探测应用，它通过感应地磁场使远洋航行不会迷失方向。如今，磁信息探测技术的应用范围已经大大扩展，工业领域需要探测磁场的存在、强度或方向，而且探测的磁场已不仅限于地磁场，还包括永磁体、软磁体、地磁干扰、生物弱磁场以及电流感生的磁场等。磁传感器可以检测到这些磁信息而不需要物理接触，已经成为现代工业领域中各种监测和控制系统的眼睛。

任何磁现象都是以磁场的形式表现的。磁场大小的表征主要基于以下两种观点：1、按“磁荷”的观点，定义磁场强度H是表征磁场强弱的物理量，磁场是通过磁荷在磁场中受力的大小来确定（磁的库伦定律）；2、按“电流”的观点，定义磁感应强度B是表征磁场强弱的物理量，磁场是通过载流导体在磁场中受力的大小来确定（安培定律），或通过放置磁场中回路的感应电动势来确定（电磁感应定律）。磁场强度H和磁感应强度B这两种观点中只有一个是表征磁场的物理量，另一个是辅助量，但两者的量纲不一样，H的单位是安培/米（A/m），B的单位是特斯拉（T）。

在国际单位制中，把磁场强度H在真空中引起的磁感应强度记为B0，两者的关系为B0=μ0H（μ0=4π×10-7H/m，是常数，即真空磁导率）。

磁场参量是指表征磁场性质的物理量。他们包括：磁感应强度B，磁通量φ，磁场非均匀性量（磁场梯度），以及这些量的分量和模数。磁场参量中，对于恒定磁场和交变磁场具有不同的形态和测量方式。