磁场传感器简介
磁场传感器是能够将各种磁场及其改动的量转变成电信号输出的设备。天然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。使用人工设置的永久磁体发作的磁场， 可作为许多种信息的载体。因而，勘探、收集、存储、转化、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的使命，天然就落在磁场传感器身上。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息工业中不行短少的根底元件。现在，人们已研制出使用各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并已在科研、出产和社会生活的各个方面得到广泛使用，承担起探求种种信息的使命。
新近的磁场传感器，是随同测磁仪器的前进而逐渐开展的。在很多的测磁办法中，大都将磁场信息变成电信号进行丈量。在测磁仪器中“探头”或“取样设备”便是磁场传感器。跟着信息工业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等等的飞速开展和电子核算机使用的遍及，需用很多的传感器将需进行丈量和操控的非电参量，转化成可与核算机兼容的信号，作为它们的输入信号，这就给磁场传感器的快速开展供给了时机，形成了相当可观的磁场传感器工业。
常见磁场传感器_原理、特性及使用
磁场单位换算（空气中）
1T=104Oe=104Gs=109nT（gamma）=1012pT=1015fT=1/4πx107amper-turns/meter
分类：
弱磁（低于地磁强度）、地磁、强磁（高于地磁强度）。地球磁场的磁感应强度约0.1-1Gs或104-105nT。
1、低活络度磁强计（B》1Gs or 105nT）：丈量比地磁强的磁场。工业使用较广，如非触摸开关、电流丈量、磁存储读取等。最常用传感器包括勘探线圈、霍尔效应传感器、磁致弹性磁强计等
2、中活络度磁强计（10-5Gs~1Gs）：丈量地磁量级的磁场，丈量永久偶极子（permanent dipole）引起的地磁方向或强度的扰动。首要使用包括磁罗盘、导航，军械勘探、探矿、交通操控等。最常用传感器包括勘探线圈、磁通门计、磁阻磁强计等。地磁因太阳、地质、潮汐等影响动摇在1/10百万~1/10000，近似呈1/f联系。地磁动摇噪声是该类传感器功用的首要影响要素。
3、高活络度磁强计（B〈10-5Gs or 1nT）：弱磁勘探，丈量磁场梯度或永久偶极矩（permanent dipole moment）引起的磁场改动量。如脑功用图谱测绘，磁反常勘探（MAD如远间隔勘探导弹、舰船、坦克、飞行器等引起的磁反常）等。最常用传感器包括SQUID梯度计（gradiometer）、光泵磁强计等。
4、医学/生物磁强计：磁传感器也可用于医学生物范畴，该类别不是依照勘探强度区分出来的。例如用微磁珠作为磁标签，用于DNA核酸杂交的剖析。SQUID用于脑磁检测等。
（一）矢量勘探器（vectro magnetometer）：flux sensiTIve 能一起勘探磁场强度和方向。
1、勘探线圈磁强计 – Search-coil magnetometer
作业原理：法拉第电磁感应定律，经过线圈的磁通量改动，开路线圈两头发作感生电压/闭合线圈中发作感应电流，经过检测电压或电流（或LC电路振动频率）改动来丈量磁场。
勘探才能：20fT以上
带宽：1Hz-1MHz
特色：可靠性高，不能测稳恒磁场
使用：地磁监测，空间科学，飞行器地上查看，飞机缝翼或着陆齿轮方位指示等。
2、磁通门计 – Fluxgate magnetometer
作业原理：法拉第电磁感应定律。使用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱满鼓励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性联系来丈量弱磁场的一种传感器
勘探才能：10-2nT-107nT （10pT-10mT）
带宽：0-10kHz
特色：可测静态磁场，比勘探线圈要更耗电（5倍）
使用：地磁（方位）勘探、环境磁场监测、机场安检、惯性导航
3、超导量子磁强计 – SQUID（Superconductor QUantum Interference Device）
现在最为活络的低频磁场勘探器
作业原理：超导线圈的约瑟夫（Josephson）效应。超导线圈的磁通量是量子化的，只能是根底通量量子ch/2e的整数倍。经过丈量该电流可测得磁通量。超导环内的超导电流在基点干与，干与信号经过射频电路感应读出。
勘探才能：10fT以上
带宽：〈1Hz
特色：极端活络，但需求冷却到线圈资料的超导温度以下（液氦4K），因而体积大、粗笨。可测外磁场重量在恣意方向的梯度。
使用：天文学、地质学、医学、量子核算。
4、迈斯纳效应磁强计 – Meissner effect magnetometer
作业原理：超导体的迈斯纳效应。超导体内部磁场为零，磁场不能穿过超导体［4］，超导体将磁场排挤在外。
勘探才能：32fT
特色：可作业在77K（液氮）。新式器材。
使用：同SQUID
5、霍尔效应传感器 – Hall effect sensor
作业原理：霍尔效应。通电导体置于磁场中时，因导体中电荷受洛伦兹力效果，在导体笔直于磁场和电流方向的两头堆集，发作电压。经过丈量霍尔电压，丈量磁场。
勘探才能：10-1000Gs or 106-108nT
带宽：0-1MHz
特色：使用广泛，价格低廉。可测静态磁场。功耗0.1-0.2W。
使用：电流丈量、转速丈量、磁控开关等
6、磁电阻磁强计 – MagnetoresisTIve magnetometers
（1） 异向磁阻传感器 – Anisotropic magnetoresistance （AMR）sensor
作业原理：磁阻效应。磁场改动资料的电阻。通以稳定电流，检测电阻或电压改动（改动很小，检测电路是要害）。各项异性磁阻资料（如坡莫合金），电阻巨细与电流与磁化方向间夹角有个，外界磁场改动磁化方向，然后改动电阻巨细。电流与磁场笔直时电阻最小。可测得磁场方向和巨细。
勘探才能：0.01-50Gs or 103-5x106nT （open loop）， 可达0.1nT（closed-loop feedback）
带宽：0-1GHz
特色：价格低廉，结构简略。功耗0.1-0.5门W， 作业温度-55℃-200℃
使用：磁带机或磁盘的磁头，惯性导航、车辆勘探等
（2）巨磁阻传感器 – Giant magnetoresistance （GMR） sensor
作业原理：某些资料的巨磁阻效应。资料电阻在外加磁场下改动巨大。1988年发现，2007年获诺奖。最简略结构是由一导体夹于两铁磁资料中心构成。每一层都只要nm厚度。
丈量规模：10-108nT
使用：广泛用于硬盘的读出磁头，磁开关。
（3）磁地道结传感器 – MagneTIc tunnel juncTIon （MTJ） sensor
作业原理：隧穿磁阻效应。结构与GMR相似，仅仅中心夹层不是导体而是绝缘体（1nm厚，Al2O3）。1995年初次报道。
特色：阻值和阻抗值比GMR高，功耗比GMR低。本征噪声较大。
使用：在低成本、低功耗、高活络度磁场传感器方面有潜在使用。
（4） 反常磁电阻效应传感器 – Extraordianry magnetoresistanc sensor
作业原理：反常磁电阻效应。 InSb锑化铟环套金盘。0磁场阻值最低，磁场正/负方向添加，电阻都变大。
相似的还有弹道磁电阻（Ballistic magnetoresistance，两磁体间夹一极小的金属触点）
7、自旋阀晶体管 – Spin-valve transistor
作业原理：自旋阀夹于一对半导体之间构成的器材。电流随磁场改动可达200%。
特色：现在阶段输出电流只要微A量级，尚难有用。
8、巨磁阻抗磁场传感器 – Giant magnetoimpedance （GMI） magnetic sensor
作业原理：巨磁阻抗效应。交变磁场经过某些资料时所引起资料的阻抗发作明显改动的现象。
特色：阻抗与磁场及驱动电流频率有关。对NiFe/Cu合金线阻抗峰值在几MHz。要使用该效应，驱动电流频率需达GHz。
9、磁二极管 – Magnetodiode
作业原理：实际上便是一个半导体二极管，仅仅以蓝宝石为衬底，p区和n区用未掺杂的硅进行了切割。p加正压、n加负压，空穴和电子会被注入中心的硅层。部分载流子，特别是硅与氧化硅或硅与蓝宝石界面处的载流子会发作复合，导致资料阻值升高。无场情况下，二者均对阻值改动有贡献。沿笔直于载流子移动方向施加磁场，会使载流子按磁场方向上/下违背，因电子和空穴运动方向相反，二者被违背到同一侧。硅-蓝宝石界面处复合几率比硅-氧化硅界面处高。所以电阻随磁场改动。
特色：磁二极管对磁场的呼应要比硅基霍尔器材强几十倍。
10、磁晶体管 – Magnetotransistor
作业原理：与磁二极管相似。结构与npn二极管相似，n型射极与n型集极间隔一p型基极。不同之处在于集极有两个，依据磁场方向不同，两集极测得的电压不一样。
特色：磁场可根据霍尔效应或Suhl 效应检测。
11、磁致弹性磁强计 – Magnetostrictive magnetometers
（1）光纤磁场传感器 – Fiber-optic magnetometers
作业原理：根据某种光纤干与仪（MZ，Sagnac，Michlson等），经过磁致弹性资料驱动光纤，完成非平衡相位调制，干与解调。
勘探才能：10-7-10Gs or 10-2-106nT
带宽：0-60kHz。
特色：可感知磁场方向，乃至能够用来丈量磁力线的曲率。
（2）磁电传感器 – Magnetoelectric sensor
作业原理：磁致弹性资料和压电资料相互效果，将磁致弹性变为电压信号输出。
勘探才能：具有测到pT量级的潜力。
特色：不需求额定供电，但需求100Oe以上的偏置来防止弱场情况下的非线性呼应区。
12、磁光传感器 – Magnetooptical sensor
作业原理：法拉第磁致旋光效应。线偏光经过某些晶体后偏振方向随磁场巨细而偏转。
带宽：最大长处是呼应快，可到GHz
特色：活络度可达30pT。
13、MEMS磁强计 – MEMS based magnetometers
作业原理：首要是使用洛伦兹力效果下微结构的滚动。
勘探才能：最低已可勘探到200nT
（二）标量/总场勘探器（scalar/total field magnetometer）
field sensitive 仅勘探磁场强度，不能分辩方向。长处是不受勘探器方向、晃动等影响。基本原理是使用某些电子或原子核自旋能级能量差随磁场而变（如塞曼效应）来完成丈量。要取得高的活络度，需求与原子的长寿命、窄带能级谐振，因而10Hz以上传感器的活络度会急剧下降。
1、光泵磁强计 – Optically pumped magnetometer
作业原理：
使用铯/铷/钾等碱金属元素气体的塞曼效应作业。以单价铯原子为例，光泵磁力仪使用它的三个能态：一个高能态和两个十分挨近的低能态。两低能态间的能量差对应一条射频/微波频率的谱线，而两低能态与高能态间的跃迁均对应一条光谱线。两低能态的能量差源于电子自旋的取向不同。电子自旋方向只要两个挑选：平行/垂轴于外磁场方向，两者所需能量不同，二者差一个自旋角动量量子单位。所选高能态的特别之处在于，它与两个低能态中的一个具有相同的自旋角动量。用圆偏振光泵浦含铯原子的气体，初始状态下气体中原子的电子在两个低能态都有散布。当原子吸收圆偏光的光子后，它们的角动量改动一个单位。这样，处于与高能态相差一个单位角动量的能态的电子会吸收光子，而与高能态角动量相同的电子则不吸收光子。勘探器勘探到的光束因吸收而衰减。高能态的电子会迅速地跃迁到下面的某个低能态能级。电子每次跃迁都有必定的几率回到不吸收光子的那个能态。经过满足的时刻，简直一切电子都会转化到这个能态，气体对光的吸收下降。即，气体经过充沛泵浦后变得对入射光通明。假如沿平行于光路的方向施加一个适宜频率（Larmor frequency）的射频电场，电子的自旋角动量会发作回转。这相当于射频场使电子从一个低能态络绎到了另一个低能态，消除了光泵的效果，气体重新开端对光有吸收。射频和光的相互效果发作一种特别的尖峰振动，光泵磁力计便是根据这种振动来完成对磁场丈量的。
使电子自旋回转的能量，即射频电场的频率，与磁场强度有关（因塞曼效应磁场会影响两个低能态的能量差）。在磁力计中，用一个反应电路来操控射频频率使光的透过率最低。该频率反映了磁场的巨细。［5-6］
勘探才能：活络度和动态规模受检测电路约束。700kHz/Gs （cesium）， 2.8MHz/Gs（helium）。 10-8-1Gs or 10-3-105nT。经过消除自旋穿插驰豫，活络度乃至能够做到10fT或10-5nT/Hz-1/2［7］。
特色：光泵磁力计测的是总磁场，与磁场方向无关；体积大、造价高、功耗大（几W）；自旋驰豫时刻长所以吸收线窄，使得活络度较高，但也因而约束了频率呼应特性；某些方向存在死区（可经过选用多个相对泵浦光不同取向的sensor来消除）；传感器自身的磁特征能够做到十分低。现在首要受限于价格和碱气瓶体积。
使用：水下排雷
2、核进动磁强计 – Nuclear-precession magnetometer
作业原理：原子矩和原子核矩的巨细取决于波尔磁子eh/（2πm），e为电子电量，h为普朗克常数，m是质量。由于原子核比电子质量大得多，所以核磁矩（nuclear magnetic moment）远小于电矩（electronic moment）。经过一个通电线圈发作的磁场，能够使某些碳氢化合物液体（如苯）中的质子暂时沿磁场摆放。撤去线圈中的电流后，质子在外磁场效果下开端进动，违背稳定磁场（待测）的质子自旋轴（比方陀螺仪轴向违背地球磁场）绕平行于场方向的直线作圆周运动。该院周运动的速率（称为进动频率）与磁场强度成正比。所以，撤去电流后质子进动在线圈中会发作一个信号，其频率与待测磁场强度有关。也可使用光泵下原子核自选来完成磁场检测。比方氦的同位素H3， 经光泵后，其原子核的进动频率也能够用线圈捕获。因驰豫时刻很长，这种传感器仅需在激起自旋时的很短时刻内有能耗。
勘探才能：10-6-1Gs or 10-1-105nT。10-8Gs或10-3nT（光泵原子自旋进动）
3、Overhauser磁强计 – Overhauser magnetometer
作业原理：Overhauser核效应。在核磁共振中，两个（组）不同类型的质子若空间间隔较挨近，照耀其间一个（组）质子会使另一个（组）质子的信号强度增强。这种现象称为核Overhauser效应，简称NOE。1950年伯克利在读研究生Overhouser预言，在某些体系中，经过使电子自旋共振饱满能够将核偏振进步1000倍，该进步源于质子自旋与电子自旋间经过一个汉密尔顿超精密项的相互效果，而该项正比于电子自旋与核自旋之积。Overhouser磁强计中的物质为包括质子和自由基的液体。自由基是包括未配对电子的分子，其电子共振线宽极窄，约1Oe。 应线宽窄，用不大的能量就能够使电子共振饱满，然后进步质子偏振。因质子进动频率正比于磁场强队，因而经过丈量该频率能够完成对磁场的丈量。
特色：Overhauser磁强计的噪声很低，可达0.015nT/rt Hz @1Hz. 活络度比质子进动磁强计搞一个数量级，且无死区。
4、光学原子磁强计 – optical atomic magnetometer
作业原理：与光泵磁强计相似（光泵磁强计可视为该类的一种），但光学检测。气室一般通入两束光：泵浦光和勘探光，也有合二为一的。经过检测勘探光的偏振态或光强来解调磁场。偏振勘探可检测极小的偏振改动，且可防止光源的光强动摇噪声。
特色：现在最活络的磁强计是SERF（Spin-exchange relaxiation-free magnetometer），活络度达10-6nT/Hz-1/2，理论极限10-8nT/Hz-1/2。
