磁傳感器調(diào)研(共9頁)

1、磁傳感器技術(jsh)根據(jù)對磁場(cchng)的測量范圍將磁傳感器分為三類：低強度磁場傳感器、中強度磁場傳感器及高強度磁場傳感器。低強度磁場傳感器通常檢測10-10T以下的磁場(cchng)；中強度磁場傳感器通常檢測10-1010-3T的磁場；高強度磁場傳感器檢測范圍通常在10-3T以上。低強度磁場傳感器低強度磁場傳感器通常檢測10-10T以下的磁場，多用于醫(yī)學、磁性材料研究及軍事領域。與其他磁場傳感器相比，低強度磁傳感器結(jié)構(gòu)笨重復雜而且成本高，被測磁場比地磁場（地磁場強度的數(shù)量級為10-5T）小，地磁場的微弱變化均比低強度磁場傳感器測量范圍大。超導測磁超導測磁方法是20世紀60年代中期利用超

2、導技術發(fā)展起來的一種新型測磁方法，根據(jù)目前的儀器設計，其靈敏度可達10-12T10-15T，量程可從0到數(shù)千高斯，能響應零到幾兆甚至到1000MHz的快速磁場變化。超導測磁方法利用超導結(jié)的臨界電流隨磁場周期起伏的原理來測磁。如圖1.1所示，在超導結(jié)兩端加上電源，電壓表V無顯示時，電流表A顯示的電流為超導電流；電壓表開始有顯示時，電流表所顯示的電流為臨界電流。當加入磁場后，臨界電流將有周期性起伏，其極大值逐漸衰減，振蕩的次數(shù)乘以磁通量子即透入超導結(jié)的磁通量。由于磁通與外磁場成正比，求出磁通也就求出了磁場。若磁場有變化，則磁通也變化，臨界電流的振蕩次數(shù)乘以磁通量子就可反映磁場變化的大小。這樣，利用

3、超導結(jié)就可測量磁場的大小及其變化。由于(yuy)低溫較難達到，為了使超導材料具有實用性，現(xiàn)有超導(cho do)測磁儀器主要是對高溫超導進行研究(ynji)的成果。超導量子干涉裝置（Superconducting Quantum Interference Device，簡稱SQUID）是典型的高溫超導測磁儀器，是目前已知的靈敏度最高的低強度磁傳感器。SQUID磁強計可測量的磁場范圍從10-119T，而人腦產(chǎn)生的磁場數(shù)量級為10-11T，這使得它在醫(yī)學領域廣泛應用。目前，高精度的SQUID主要應用于醫(yī)學、磁性材料特性和生物磁性研究。感應線圈測磁感應線圈磁強計建立在法拉第電磁感應定律基礎上，即線圈

4、中感應電壓和線圈中磁場的變化率成比例。感應線圈磁傳感器的靈敏度依賴于鐵芯的磁導率、線圈面積和匝數(shù)。這種類型的磁傳感器對磁場的最高分辨率為10-14T，頻率響應范圍為1Hz1MHz，所需功率為110毫瓦。Claude通過對線圈閉環(huán)控制，擴展了感應線圈磁傳感器的頻率響應范圍，可達0.1Hz50MHz。感應線圈不能測量靜態(tài)磁場，多用于距離探測。核子自旋進動測磁在磁場作用下，核子產(chǎn)生進動，其進動頻率與磁場強度成正比，利用這一原理進行測磁。自旋核子磁矩繞被測磁場的旋進運動相當于一個小磁鐵繞被測磁場并與其保持固定角度的運動，顯然這將使其周圍的磁場發(fā)生周期性的變化，其變化頻率就是進動頻率。如果放置一個固定線

5、圈，則線圈內(nèi)部磁通發(fā)生周期性的變化，在線圈中就會產(chǎn)生感應電壓，其頻率與核子進動頻率一致，測出線圈感應電壓的頻率就可測出磁場大小。所謂(suwi)核磁共振式測磁，就是通過測量自旋(z xun)核子在外磁場中的進動頻率來測量外部磁場，只不過核磁共振磁強計利用共振原理來獲取進動頻率。光泵測磁光泵測磁法的原理是：采用光學(gungxu)技術，選擇出一定頻率的光照射含有堿金屬蒸汽的吸收室，將其泵激勵到特定的某個能級（這種技術稱為光泵技術），然后對吸收室加載交變磁場，當交變磁場的頻率與電子兩能級之間的躍遷頻率相等時（這個頻率被稱作共振頻率），就會改變吸收室的吸收程度，使其透明度變差，由于這一共振頻率與磁場

6、成正比，故通過測量共振頻率就可測量磁場。光泵磁場測量儀器是利用近30年來新發(fā)展起來的光泵技術制成的高靈敏度磁場測量儀器，其靈敏度可達10-12T以上。由于元素的弛豫時間長，吸收線窄，因此精度高，不足的是長弛豫時間限制了頻率響應。目前，這種傳感器體積龐大，高功耗，價格昂貴等限制了該技術在實際中的應用。磁光傳感器磁光效應磁傳感器利用磁場改變光的偏振狀態(tài)來對磁場進行測量。當一束偏振光通過介質(zhì)時，若在光傳播方向存在磁場，那么光通過偏振面將偏轉(zhuǎn)一個角度，這就是磁光效應?？赏ㄟ^測量偏轉(zhuǎn)的角度來測量磁場，偏轉(zhuǎn)的角度和輸出的光強成正比，將輸出光照射激光二極管，可獲得數(shù)字化的光強。這種磁傳感器的靈敏度可達到10

7、-11T，它具有優(yōu)良的電絕緣性能和抗干擾、頻響寬、響應快、安全防爆等特性，因此適合一些特殊場合的磁場測量，尤其在電力系統(tǒng)中高壓大電流的測量方面有明顯的優(yōu)勢。中強度磁場傳感器中強度磁場傳感器測量的磁場范圍為10-1010-3T，由于地磁場強度的數(shù)量級為10-5T，故中強度磁場傳感器也被稱為地磁場傳感器。磁通門式磁場傳感器磁通門磁場傳感器在導航系統(tǒng)中運用最為廣泛，約于1928年發(fā)展起來，后來被軍方用于潛艇(qintng)探測。磁通門磁強計可測量大小為10-1110-2T的直流或緩慢變化的磁場，其頻率帶寬(di kun)約為數(shù)千赫茲(hz)。基本磁通門如圖1.2所示，它包括繞有兩個線圈的鐵芯，主線圈

8、或稱做激勵線圈，輔線圈或稱做收集線圈。運行時，主線圈中加有頻率為f0的激勵電流Iexc，其大小足以使具有磁導率的鐵芯達到飽和磁感應強度。當鐵芯不飽和時，因其磁導率高給外部磁場B0的磁力線提供低磁阻通路，如圖1.2(a)所示；當鐵芯飽和時鐵芯磁阻增加，磁力線溢出鐵芯，如圖1.2(b)?？赏ㄟ^二次諧波原理、脈沖定位原理或脈沖高度原理從輸出信號中提取外磁場B0。磁通門大都用在閉環(huán)直流磁強計中，其分辨率可達10-10T。增加傳感器頻帶會引起直流特性下降，還有可能引起穩(wěn)定性問題。近20多年的研究表明，使用有效的鐵芯材料，可顯著提高磁通門磁強計在低磁場中的的性能，降低磁場噪聲，提高熱穩(wěn)定性。Co68.5F

9、e4.5Si12.25B15或Vacoperm 100作為線圈鐵芯制成的TFS3型磁強計，在7545的范圍內(nèi)，溫度漂移僅有0.0310.02nT/。磁通門磁強計具有高分辨率，這使得它被廣泛應用于探空、探潛、地磁測量（空中、海上和水下的地磁測量）、探礦及星際間的磁場測量，以及應用于宇航空間技術中。與霍爾傳感器和磁阻傳感器相比，其價格較高。然而，如果磁通門能成功的小型化并和微電子電路集成，進行批量生產(chǎn)以降低價格，這使得集成磁通門將是高性能霍爾元件與磁阻傳感器強有力的競爭者。各向異性磁阻傳感器采用諸如鎳鐵導磁合金（含鎳80%，含鐵20%）的各向異性材料，根據(jù)(gnj)磁阻效應原理制作而成磁場傳感器稱

10、為各向異性磁阻式（Anisotropic Magneto Resistance，簡稱AMR）傳感器。這種傳感器重量輕，體積小，功耗為0.10.5毫瓦，適合的溫度范圍為-55200。采用(ciyng)開環(huán)電路時的靈敏度范圍是10-610-3T，頻率響應(pn l xin yn)動態(tài)范圍為01GHz；采用閉環(huán)電路時的靈敏度是10-8T，頻率帶寬較低。由于ARM磁傳感器具有二次函數(shù)的缺點，對低磁場靈敏度不高，并且不能測量磁場方向，因此必須對傳感器進行線性化。線性化后的AMR磁阻傳感器能夠感應磁場大小和方向，且在低磁場中具有很高的靈敏度。William Thompson和Lord Kelvin早在18

11、56年就觀察到了鐵磁物質(zhì)磁阻效應，但直到100多年后（約1971年）薄膜技術的問世，磁阻傳感器才得到蓬勃發(fā)展。AMR磁傳感器典型頻率帶寬為5MHz，具有響應速度快，能夠大批量生產(chǎn)，并和電子設備相兼容的特點。它廣泛應用于高密度磁帶與硬盤磁頭、汽車速度傳感、機軸感應、羅盤導航、車輛探測、電流測量等許多方面。高強度磁場傳感器高強度磁場傳感器又稱為偏置磁場傳感器，這種類型的磁傳感器大多用于測量比地磁場大的磁場。包括簧片開關、半導體銻化銦（InSb）磁強計、霍爾磁傳感器和巨磁阻（Giant Magneto Resistance，簡稱GMR）傳感器?；善_關簧片開關是用于工業(yè)控制最簡單的磁場傳感器。它包括

12、一對韌性很好的鐵磁觸點，觸點密封在充滿惰性氣體的容器中，通常是玻璃。沿觸點長軸方向的磁場磁化觸點，吸引另一觸點接通電路?；善_關存在較大磁滯，使開關對小擾動磁場不敏感。低成本、簡單化、可靠及低損耗使簧片開關得到大量應用?；善_關加上一個小型磁體能制成簡單的鄰近開關，經(jīng)常用在監(jiān)視門或窗戶開、關的安全系統(tǒng)中。當兩者相距足夠近時，附著在活動部件上的磁鐵內(nèi)簧片開關工作。在汽車工業(yè)中，常用許多簧片開關來感應汽車的部件。洛侖茲力磁場傳感器1)半導體磁阻傳感器最簡單(jindn)的洛侖茲力磁傳感器是半導體磁阻傳感器，如InSb和InAs。沿半導體薄片長度方向加上電壓，薄片上有電流流過，可以測量出電阻，此時如

13、加載與薄片長度方向垂直(chuzh)的磁場，洛侖茲力使電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)。磁場的影響增加了電荷運動路徑的長度，從而增加了電阻。在強磁場中，電阻的增加可達數(shù)倍。為使傳感器產(chǎn)生數(shù)百到數(shù)千歐姆電阻，使用平板印刷技術產(chǎn)生幾微米寬的長窄半導體帶，在電流路徑上周期性產(chǎn)生低阻金屬短路條，可得到所需的長寬比例。半導體帶上每個短路條等電勢。由InSb構(gòu)成的半導體磁阻傳感器在低磁場中靈敏度極低，但在高磁場中電阻變化卻很大，靈敏度高。電阻變化約和磁場的平方成正比。這種磁傳感器僅對垂直于半導體片的磁場大小敏感，對磁場的正負不敏感，因此不能用于檢測磁場方向。由于電荷運動受溫度影響大，因而電阻的溫度系數(shù)(xsh)高。半導體磁阻

14、傳感器常用于測量大于0.01T的磁場；和永磁體相結(jié)合，可用來制作鄰近探測器。由于半導體傳感器溫度依賴性大并且非線性強，磁阻傳感器一般不用于精確測量磁場。2)霍爾傳感器霍爾效應是半導體材料洛侖茲力所產(chǎn)生的結(jié)果。霍爾傳感器電壓方向的長度遠比寬度長，載流子偏移到側(cè)面產(chǎn)生霍爾電壓，電場力和洛侖茲力大小相等、方向相反。在磁場作用下，兩端電阻幾乎沒有變化，而兩側(cè)面的霍爾電壓與垂直于半導體片的磁場成正比，其符號隨外加磁場方向的改變而改變，因此可測量磁場大小和方向?；魻柎艌鰝鞲衅鞔蠖嗍褂肗型硅和砷化鎵（GaAs），因為它們具有較大空隙帶和較高的抗溫度變化的能力。另外，InAs和InSb等材料由于其載流子的高遷

15、移率可獲得較大的磁場靈敏度和較高的頻率響應?；魻柎艌鰝鞲衅鞯湫皖l率帶寬可達1020kHz，采用硅做成的霍爾磁傳感器的靈敏度為10-310-1T，采用銻化銦做成的霍爾傳感器分辨率為10-6T?；魻杺鞲衅骺捎糜跍y量靜態(tài)磁場和動態(tài)磁場；上限頻率為1MHz，所需功耗0.10.2瓦?；魻柎艌鰝鞲衅鞯幕咎匦院?，運行原理及結(jié)構(gòu)簡單，和微電子電路兼容。這種優(yōu)良特性使其廣泛應用于與磁場相關的各種測量控制中。結(jié)構(gòu)簡單使其在不同應用中易于優(yōu)化及小型化，并且對靈敏度影響不大?；魻柎艂鞲衅髯鳛橐环N半導體器件，與微電子電路兼容，使它可利用微電子工業(yè)中高質(zhì)量的半導體材料，促進自身的持續(xù)發(fā)展。霍爾元件和及信號處理電子電路的

16、集成將會導致高性價比的新型磁場傳感器的發(fā)展。巨磁阻磁傳感器巨磁阻效應，是指某些磁性或合金材料的電阻在一定磁場作用下急劇減小，而電阻變化率急劇增大，增大的幅度比普通磁性合金材料的電阻高10倍。巨磁阻效應只有(zhyu)在納米尺度的薄膜中才能觀測到，因此納米材料以及超薄膜制備技術的發(fā)展(fzhn)使巨磁阻傳感器芯片得以(dy)實現(xiàn)。目前，GMR磁傳感器靈敏度范圍為10-80.1T。GMR磁傳感器的應用集中在數(shù)據(jù)讀出磁頭及存儲器、弱磁檢測和位置類傳感器方面，其頻率帶寬可高達1MHz。GMR磁傳感器大都采用多層膜電阻形成的惠斯通電橋電路，這種結(jié)構(gòu)提高了傳感器的分辨率、信噪比及溫度穩(wěn)定性。復合原理磁場傳

17、感器磁致伸縮材料與光纖復合1980年，A. Yariv和H. V.Winsor首先提出采用磁致伸縮材料Ni粘貼在光纖上構(gòu)成磁傳感器，當Ni磁致伸縮時，導致光纖的光程發(fā)生變化，引起光的傳播相位發(fā)生變化，利用干涉儀測量光的相位變化來測量磁場。1983年，英國肯特大學的A. D. Kersey采用這種原理成功研制了光纖磁傳感器，把相位調(diào)制轉(zhuǎn)變成振幅調(diào)制加以檢測，可用于測量直流磁場和頻率小于60kHz的交流磁場。超磁致伸縮材料與壓電材料復合Shuxiang Dong等人采用超磁致伸縮材料Terfenol-D和壓電材料PZT構(gòu)成的“三明治”磁電復合結(jié)構(gòu)，Terfenol-D磁致伸縮產(chǎn)生的應變使PZT產(chǎn)生

18、感應電壓，因此通過測量電壓可以測量外部磁場。這種磁傳感器靈敏度可達到10-11T。超磁致伸縮材料和SAW諧振器復合圖1.3是SAW諧振器和GMM復合結(jié)構(gòu)的示意圖。在螺栓螺母的作用下GMM、SAW諧振器和硬質(zhì)剛體材料框架緊密接觸。框架同時起導軌作用,限制SAW諧振器和Terfenol-D只能在長度方向發(fā)生形變。調(diào)整螺栓的長度可調(diào)節(jié)施加在超磁致伸縮材料上的預應力,使其在磁場中獲得較大的磁致伸縮。1.3GMM選用(xunyng)工作在33模式下的Terfenol-D(Tb0.37Dy0.63Fe2),在沿長度方向磁場(cchng)的作用下,在同方向產(chǎn)生伸縮。由于兩端被緊固,Terfenol-D材料的應力和應變將導致SAW諧振器的諧振頻率發(fā)生變化(binhu)。通過檢測SAW諧振器諧振頻率的變