分享磁信息探測(cè)技術(shù)的原理和應(yīng)用

磁場(chǎng)信息探測(cè)技術(shù)——磁傳感器

我們使用磁傳感器的主要目的是通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)來(lái)間接測(cè)量其他與我們生產(chǎn)和生活更為相關(guān)的另一類參數(shù)，比如車輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向、磁性墨水的特征、物體移動(dòng)的速度、轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、電流或電壓的大小等。這些參數(shù)無(wú)法直接測(cè)量，但可以從磁場(chǎng)的變化或擾動(dòng)信息中提取并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

非磁性傳感器檢測(cè)與磁性傳感器檢測(cè)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要產(chǎn)生和應(yīng)用各種范圍的磁場(chǎng)。受各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)，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(cè)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。下文將簡(jiǎn)述包括硅基磁傳感器在內(nèi)的各種類型的磁傳感器，簡(jiǎn)要說(shuō)明這種傳感器是什么，以及它是如何檢測(cè)磁場(chǎng)的。

霍爾傳感器 Hall effect sensors

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是霍爾（A.H.Hall，1855-1938）于1879年發(fā)現(xiàn)的，在通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象?；魻杺鞲衅饕褟V泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等諸多領(lǐng)域。

磁阻傳感器 MR sensors

一種薄膜材料的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，其理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)，目前市場(chǎng)上已被廣泛應(yīng)用的磁阻元件包擴(kuò)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(dǎo)磁率的軟磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交變磁場(chǎng)作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制成的測(cè)磁裝置。適合在零磁場(chǎng)附近工作的弱磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，既可測(cè)縱向向量T、垂直向量Z，也可測(cè)ΔT、ΔZ，不受磁場(chǎng)梯度影響，廣泛用于航空、地面、測(cè)井等方面的磁法勘探以及國(guó)防與軍事、地震監(jiān)測(cè)、空間磁測(cè)等領(lǐng)域。

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

以約瑟夫遜效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成，在超導(dǎo)狀態(tài)下它不僅可以測(cè)量磁通量的變化，還可以測(cè)量能轉(zhuǎn)換為磁通的其他物理量，如電壓、電流、電阻、電感、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度、磁化率等。SQUID作為磁場(chǎng)探測(cè)器，具有靈敏度極高、測(cè)量范圍寬、頻帶寬等典型優(yōu)勢(shì)，可以用于深地勘探、地理勘探、重力勘探、地震監(jiān)測(cè)、生物磁檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。

磁光效應(yīng)傳感器 Magneto-opticalsensors

利用激光技術(shù)發(fā)展而成的高性能傳感器。當(dāng)一束偏振光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，若在光束傳播方向存在著一個(gè)外磁場(chǎng)，那么光通過(guò)偏振面將旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這就是磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)傳感器是一種非常重要的工業(yè)傳感器，在使用過(guò)程中，通過(guò)選擇不同的磁光介質(zhì)和激光器，則在靈敏度、工作范圍方面會(huì)有不同的能力。

探測(cè)線圈 Search coils

是一種基于楞次定律的磁場(chǎng)探測(cè)設(shè)備，它是一種矢量磁力儀，可以測(cè)量磁場(chǎng)中一個(gè)或多個(gè)矢量分量。

磁感應(yīng)式傳感器Magneto-inductivesensors

以天然場(chǎng)或人工場(chǎng)為場(chǎng)源，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，采用某些特殊技術(shù)研制成的測(cè)磁裝置，可用于測(cè)量交變場(chǎng)中磁場(chǎng)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(lái)的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識(shí)別磁場(chǎng)的極性；體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視，在檢測(cè)、控制等方面得到普遍應(yīng)用。

光泵原子磁力儀 Optically pumped magnetometers

利用激光極化原子氣體，導(dǎo)致外磁場(chǎng)與原子相互作用使原子光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而改變探測(cè)光的偏振方向或光強(qiáng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的精密測(cè)量。

各種磁信息探測(cè)技術(shù)的探測(cè)能力

在所有磁信息探測(cè)技術(shù)中，MR磁阻傳感器可以通過(guò)晶圓制備實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，具有很好的商業(yè)前景，目前已逐步進(jìn)入工業(yè)、汽車和高端應(yīng)用領(lǐng)域的諸多細(xì)分市場(chǎng)，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(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，代表了固態(tài)傳感器技術(shù)發(fā)展方向，具有高靈敏度、低噪聲、小尺寸等顯著特點(diǎn)。

半導(dǎo)體磁信息探測(cè)傳感器

磁場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展歷史

磁場(chǎng)測(cè)量是磁測(cè)量的一個(gè)重要內(nèi)容，磁測(cè)量是從磁場(chǎng)測(cè)量開始發(fā)展的。我國(guó)古人對(duì)磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用做出了巨大貢獻(xiàn)。早在公元前3世紀(jì)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，《呂氏春秋》上就有“磁石召鐵”的記載。公元1世紀(jì)初，東漢的學(xué)者王充在《論衡》中記載了司南的一些重要性質(zhì)：“司南之杓（勺），投之于地（放置司南的盤子），其柢（勺柄）指南。”司南即磁羅盤的雛形，也可以說(shuō)是最早的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。公園12世紀(jì)初，我國(guó)已經(jīng)把磁羅盤應(yīng)用于航海，這比歐洲要早幾百年。宋代的杰出科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》中就有關(guān)于地磁偏角的記載，比1492年意大利人哥倫布橫渡大西洋時(shí)發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象要早四百多年。

1600年英國(guó)醫(yī)生吉伯（Gilbert）在他的著作中首先應(yīng)用科學(xué)的方法對(duì)磁現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的探索，同時(shí)發(fā)現(xiàn)地球本身就是一個(gè)大磁體，16世紀(jì)以后，磁針應(yīng)用于研究磁性的科學(xué)儀器中，并用來(lái)測(cè)定地磁場(chǎng)，1785年庫(kù)倫提出了用磁針在磁場(chǎng)中的自由振蕩周期來(lái)確定地磁場(chǎng)的方法。18世紀(jì)后，英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家作為海上王國(guó)擴(kuò)張的需要，要求發(fā)展精密的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。1819年丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。1832年高斯提出了以長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間為基礎(chǔ)的絕對(duì)測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法。當(dāng)時(shí)研究地磁變動(dòng)基準(zhǔn)測(cè)量的第一個(gè)國(guó)際協(xié)會(huì)采用了由高斯設(shè)計(jì)的磁針儀器。為紀(jì)念吉伯、奧斯特和高斯的科學(xué)功績(jī)，后來(lái)分別以他們的名字作為磁動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位名稱。

1831年，英國(guó)科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，使磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象建立起了定量的聯(lián)系。1873年，英國(guó)的物理學(xué)家麥克斯韋在他的《論電與磁》的經(jīng)典著作中創(chuàng)立了嚴(yán)密的電磁場(chǎng)理論，從而為磁場(chǎng)測(cè)量奠定了理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)初，由于電工技術(shù)的推廣和應(yīng)用，對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量也提出更加迫切的要求，例如，為了保證電機(jī)、儀器儀表等的質(zhì)量，要求測(cè)量其內(nèi)部的間隙磁場(chǎng)，為了合理的選擇和應(yīng)用各種磁性材料，要求測(cè)量和材料性質(zhì)相關(guān)的磁參量和樣品的表面磁場(chǎng)強(qiáng)度，為了進(jìn)行磁法勘探和研究古地磁學(xué)，要求測(cè)量和地磁場(chǎng)有關(guān)的磁場(chǎng)參量，等等。由此，在磁力法、電磁感應(yīng)法的基礎(chǔ)上，1930年又發(fā)展出了磁飽和法的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。這是后來(lái)發(fā)展磁通門磁強(qiáng)計(jì)的基礎(chǔ)。這種磁強(qiáng)計(jì)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(jìn)一步的應(yīng)用。

現(xiàn)代的精密磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)從1940年左右開始，一方面，由于物理學(xué)中發(fā)現(xiàn)了一些新的物理效應(yīng)以及電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)有了迅速的發(fā)展，從而使經(jīng)典的磁場(chǎng)測(cè)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?zé)岷司圩冄b置和宇航工程等尖端工程技術(shù)的發(fā)展，對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量在空間和時(shí)間上都提出了更加苛刻的要求。磁場(chǎng)測(cè)量遍布于科研、生產(chǎn)、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域之中。1879年發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)（Hall Effect），由于利用了新的半導(dǎo)體材料，在1960年代初便形成了商品化的霍爾效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)。1948年，三軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)被用到探空火箭上，1958年蘇聯(lián)首次把磁通門磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)用到人造衛(wèi)星上。1846年法拉第發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)，1960年由于把激光發(fā)生器應(yīng)用到磁光效應(yīng)中，從而提高了磁光效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)的技術(shù)性能。應(yīng)特別提及的是，兩項(xiàng)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的物理效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義，一個(gè)是，1946年有布洛赫和柏塞爾同時(shí)發(fā)現(xiàn)的核磁共振現(xiàn)象，使磁場(chǎng)的測(cè)量有可能獲得10-6的精確度；另一個(gè)是，1962年劍橋大學(xué)的研究生約瑟夫森預(yù)言了超導(dǎo)結(jié)的隧道效應(yīng)，于次年即得到了實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)，從而使磁場(chǎng)測(cè)量的下限擴(kuò)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(xiàng)發(fā)現(xiàn)，提供了有可能利用原子內(nèi)部的參數(shù)為基礎(chǔ)來(lái)絕對(duì)地測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法。1945年，蘇聯(lián)科學(xué)家札沃依斯基提出了電子順磁共振，1951年觀測(cè)到了章動(dòng)法核磁共振，1953年研制出了核吸收法共振磁強(qiáng)計(jì)，1954年研制出了核感法共振磁強(qiáng)計(jì)，1958年研制出了銣光泵磁強(qiáng)計(jì)，19世紀(jì)70年代初，又研制出了直流超導(dǎo)量子干涉器件和交流超導(dǎo)量子干涉器件。

與此同時(shí)，許多新效應(yīng)也應(yīng)用于磁場(chǎng)傳感器，特別引起注意的是磁電阻效應(yīng)。湯姆孫于1857年發(fā)現(xiàn)了鐵磁多晶體的各向異性磁電阻（Anisotropy Magnetoresistance,AMR）效應(yīng)。由于科學(xué)發(fā)展水平及技術(shù)條件的局限，數(shù)值不大的AMR磁電阻效應(yīng)在一個(gè)多世紀(jì)的歷史時(shí)期內(nèi)并未引起人們太多的關(guān)注。1971年Hunt提出可以利用鐵磁金屬的各向異性磁電阻效應(yīng)來(lái)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(gè)非常小的磁電阻效應(yīng)卻對(duì)計(jì)算機(jī)磁存儲(chǔ)技術(shù)產(chǎn)生了深刻的影響。1985年IBM公司將Hunt的設(shè)想付諸實(shí)現(xiàn)，并將這樣的讀出磁頭用于IBM3408磁帶機(jī)上；1990年又將感應(yīng)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(zhì)盤上實(shí)現(xiàn)了面密度為1Gb/in2的高密度記錄方式。1991年日立公司報(bào)道了在3.5 in硬盤上利用雙元件磁頭實(shí)現(xiàn)了1Gb/in2的高記錄密度。所有這些當(dāng)時(shí)都采用坡莫合金薄膜的AMR磁電阻效應(yīng)，室溫值僅為2.5%左右。

20世紀(jì)80年代末期，在法國(guó)巴黎大學(xué)Fert教授研究小組工作的巴西學(xué)者Baibich發(fā)現(xiàn)（Fe/Cr）多層膜的磁電阻效應(yīng)比坡莫合金大一個(gè)數(shù)量級(jí)，命名為巨磁電阻（Giant Magnetoresistance,GMR）效應(yīng)，立刻引起了全世界的轟動(dòng)，在隨后的幾年中，有關(guān)巨磁電阻效應(yīng)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(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，隨后又在“鐵磁金屬/非磁金屬”的顆粒膜中發(fā)現(xiàn)同樣存在巨磁電阻效應(yīng)，之后1994年在類鈣鈦礦La-Ca-Mn-O系列中發(fā)現(xiàn)了龐磁電阻（Colossal Magnetoresistance, CMR）效應(yīng)。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(jìn)下又有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，1994年在Fe/Al2O3/Fe組成的三明治結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)其隧道結(jié)磁電阻值在室溫下可達(dá)18%，1995年在Co-Al-O顆粒膜中同樣發(fā)現(xiàn)了類似的大的隧道結(jié)磁電阻（Tunneling Magnetoresistance, TMR）效應(yīng)。

磁場(chǎng)信息探測(cè)的對(duì)象

指南針是人類最早的磁場(chǎng)信息探測(cè)應(yīng)用，它通過(guò)感應(yīng)地磁場(chǎng)使遠(yuǎn)洋航行不會(huì)迷失方向。如今，磁信息探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍已經(jīng)大大擴(kuò)展，工業(yè)領(lǐng)域需要探測(cè)磁場(chǎng)的存在、強(qiáng)度或方向，而且探測(cè)的磁場(chǎng)已不僅限于地磁場(chǎng)，還包括永磁體、軟磁體、地磁干擾、生物弱磁場(chǎng)以及電流感生的磁場(chǎng)等。磁傳感器可以檢測(cè)到這些磁信息而不需要物理接觸，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中各種監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的眼睛。

任何磁現(xiàn)象都是以磁場(chǎng)的形式表現(xiàn)的。磁場(chǎng)大小的表征主要基于以下兩種觀點(diǎn)：1、按“磁荷”的觀點(diǎn)，定義磁場(chǎng)強(qiáng)度H是表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量，磁場(chǎng)是通過(guò)磁荷在磁場(chǎng)中受力的大小來(lái)確定（磁的庫(kù)倫定律）；2、按“電流”的觀點(diǎn)，定義磁感應(yīng)強(qiáng)度B是表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量，磁場(chǎng)是通過(guò)載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的大小來(lái)確定（安培定律），或通過(guò)放置磁場(chǎng)中回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定（電磁感應(yīng)定律）。磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B這兩種觀點(diǎn)中只有一個(gè)是表征磁場(chǎng)的物理量，另一個(gè)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(guó)際單位制中，把磁場(chǎng)強(qiáng)度H在真空中引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度記為B0，兩者的關(guān)系為B0=μ0H（μ0=4π×10-7H/m，是常數(shù)，即真空磁導(dǎo)率）。

磁場(chǎng)參量是指表征磁場(chǎng)性質(zhì)的物理量。他們包括：磁感應(yīng)強(qiáng)度B，磁通量φ，磁場(chǎng)非均勻性量（磁場(chǎng)梯度），以及這些量的分量和模數(shù)。磁場(chǎng)參量中，對(duì)于恒定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)具有不同的形態(tài)和測(cè)量方式。