磁傳感器發(fā)展的四個階段

磁傳感器種類繁多，性能和應(yīng)用場合各異。事實上，人們一直都在追求一種性能優(yōu)越的磁傳感器，而其中具有高性能、小型化、低功耗、低成本發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅黝愋透莻涫荜P(guān)注，如基于超導(dǎo)量子干涉（SQUID）磁力儀、光泵原子磁力儀、TMR磁傳感器、磁通門傳感器等。

（一）高溫超導(dǎo)材料為SQUID帶來了新的生機(jī)

SQUID可作為一種基于磁通穿越超導(dǎo)環(huán)感生超導(dǎo)電流原理的磁傳感器，其分辨力可達(dá)fT級，而一般商用SQUID的磁場分辨力也可達(dá)到10fT量級，可以說，SQUID是目前探測能力強的一種磁傳感器。但因超導(dǎo)環(huán)在極低溫下才能工作，所以SQUID必須配備制冷裝置，導(dǎo)致其體積、重量及使用成本的大幅增加，制約了SQUID應(yīng)用范圍。而高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，為SQUID帶來了新的生機(jī)。1987年，M.K.Wu等報道了一種臨界溫度為93K的YBaCuO高溫超導(dǎo)材料體系，這意味著該材料體系在液氮環(huán)境下（77K）即可進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，與在液氦（4K）環(huán)境下工作的超導(dǎo)材料相比具有明顯的優(yōu)勢，這是因為液氮的制備難度和成本大大小于液氦。因此，基于高溫超導(dǎo)材料的SQUID很快被應(yīng)用于生物醫(yī)療、地球物探、材料研究等領(lǐng)域。

目前，通過微納加工技術(shù)制備高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)薄膜來制造微型化SQUID探頭成為一個熱門，據(jù)報道一種由微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）平面線圈和YBaCuO薄膜相結(jié)合SQUID磁傳感器已經(jīng)問世，其分辨力達(dá)到了50fT/sqr（Hz）左右（@1Hz）。雖然由于高溫SQUID中探測線圈電熱噪聲和超導(dǎo)環(huán)溫度波動的增加，導(dǎo)致關(guān)鍵指標(biāo)低于液氦環(huán)境下工作的SQUID，但不可否認(rèn)，SQUID正朝著小型化和高溫化而努力發(fā)展，高溫超導(dǎo)薄膜材料及降噪技術(shù)已成為SQUID主要的突破方向。

（二）MEMS技術(shù)助推光泵原子磁力儀的發(fā)展

光泵原子磁力儀是一種總量式磁傳感器，其基本原理是利用光泵作用激發(fā)封閉腔內(nèi)堿金屬氣態(tài)原子處于自旋一致的進(jìn)動狀態(tài)，在外磁場作用下原子自旋進(jìn)動頻率產(chǎn)生線性變化，通過光探測器檢測光譜頻移來獲得被測磁場。光泵原子磁力儀的分辨力也可達(dá)1fT/sqr（Hz）（@1Hz），與SQUID相當(dāng)。光泵原子磁力儀的性能主要取決于密封腔內(nèi)堿金屬原子自旋態(tài)的一致程度。

目前，大多數(shù)光泵原子磁力儀的體積和重量都較大，價格昂貴，在應(yīng)用上受到較大限制，而將光泵原子磁力儀小型化成為一種吸引力的方向。美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究院（NIST）成功地利用MEMS技術(shù)研制出了一種毫米級的光泵原子磁力儀，有效地降低了體積和成本。但因其密封腔體積很小，可灌注堿金屬量較少，造成磁場分辨力下降，約為6pT/sqr（Hz）（10Hz-1kHz頻帶內(nèi)）?？上驳氖牵环N稱之為“自旋交換-釋放自由”（SERF）的新機(jī)制正被用于MEMS光泵原子磁力儀來提升自旋一致性，使磁場分辨力大幅提升至幾十fT/sqr（Hz）（@1Hz）。雖然目前只能在極弱磁場條件下形成SERF機(jī)制，但它的出現(xiàn)本身就具有重要意義，開辟了一條實現(xiàn)高性能MEMS光泵原子磁力儀的可能途徑。

（三）磁通門傳感器微型化成為一種挑戰(zhàn)

磁通門傳感器誕生于20世紀(jì)30年代，是為了克服電磁感應(yīng)線圈無法測量直流磁場而衍生發(fā)展出的一種分量式磁傳感器，它利用外磁場影響磁芯磁化的原理來實現(xiàn)磁場測量，結(jié)構(gòu)上主要由磁芯、激勵線圈及探測線圈組成，而決定探測能力的關(guān)鍵是磁芯。當(dāng)激勵線圈產(chǎn)生的高頻磁場反復(fù)磁化磁芯時，探測線圈能夠感應(yīng)到一個畸變電壓信號，外磁場變化時，該信號也會隨之變化，根據(jù)畸變信號偶次分量的變化即可探知被測磁場。通過提升磁芯的軟磁性能，可使磁通門傳感器的分辨力達(dá)到pT級水平。

隨著微納技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，微型磁通門的概念開始出現(xiàn)，人們期望通過微納加工技術(shù)減小高性能磁通門傳感器的體積和功耗。但大量研究表明：隨著微型磁通門傳感器體積的減小，其靈敏度和分辨力都會迅速下降。主要原因是：微型磁通門傳感器的線圈和磁芯一般都是薄膜形態(tài)，熱噪聲水平明顯高于通常的線圈和磁芯。近年來，A.Baschirotto等對微型磁通門傳感器開展了系統(tǒng)的研究，從PCB磁通門到基于CMOS工藝的IC磁通門都具有很高的水平，分辨力約為幾nT/sqr（Hz）（@1Hz），相比傳統(tǒng)磁通門傳感器尚有較大差距。所以，通過改進(jìn)設(shè)計和制備工藝降低微型磁通門傳感器的噪聲水平雖是大勢所趨，但面臨的挑戰(zhàn)不小。

（四）GMR（MTJ）磁傳感器研究如火如荼

GMR磁傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高等顯著特點，有望應(yīng)用于無人機(jī)反潛、微納衛(wèi)星及智能引信等領(lǐng)域，是當(dāng)前小型化高性能磁傳感器研究的熱點方向。

自1988年發(fā)現(xiàn)GMR效應(yīng)以來，有關(guān)GMR的結(jié)構(gòu)和理論得到迅速發(fā)展，從初的三明治結(jié)構(gòu)到多層膜結(jié)構(gòu)，再到自旋閥結(jié)構(gòu)及新的磁隧道結(jié)（MTJ）結(jié)構(gòu)等，磁阻變化率和磁場靈敏度不斷提高。2006年，S.Yuasa等發(fā)表了在室溫氧化鎂基MTJ中獲得大磁阻變化率410%的結(jié)果。2007年，R.C.Chaves等在直徑26微米的柱狀氧化鎂基MTJ中（帶磁偏置和磁力線聚集器）獲得了極高的磁場靈敏度（87%/Oe），但其低頻磁場分辨力仍只有330pT/sqr（Hz）（@2.5Hz）。人們在對多種GMR磁阻材料進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，隨著磁場靈敏度的提高，磁性噪聲也隨之增加，且隨頻率呈1/f特征變化。2009年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究院、特拉華大學(xué)及美國陸軍實驗室合作研究得出了MTJ的噪聲理論模型，模型顯示提高磁場靈敏度無法抑制磁性熱噪聲和磁性1/f噪聲，且體積越小噪聲特性越差。

近年，美國陸軍實驗室的A.S.Edelstein等提出了磁力線聚集調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)利用MEMS結(jié)構(gòu)驅(qū)動磁力線聚集器，使其磁場增益產(chǎn)生周期性變化，進(jìn)而使處于磁力線聚集器附近的GMR敏感單元能夠探測到一個調(diào)制后的交流磁場信號，有效克服磁性1/f噪聲的影響，使GMR磁傳感器的分辨力有望達(dá)到pT級。

然而，現(xiàn)有的磁力線調(diào)制方法存在調(diào)制效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，對此國內(nèi)有學(xué)者提出了一種垂動式的磁力線調(diào)制方法，并研制出了基于GMR的三軸一體化磁傳感器樣機(jī)，如圖4所示，其低頻磁場分辨力從調(diào)制前的幾十nT/sqr（Hz）提升至80pT/sqr（Hz）左右（@1Hz）。同時，正在利用石墨烯等新型低維納米材料，開展新一代的高靈敏MTJ研制工作，有望使磁傳感器分辨力提升到1pT/sqr（Hz）（@1Hz）左右。目前，石墨烯基磁隧道結(jié)的隧穿磁阻效應(yīng)已經(jīng)得到實驗驗證，這為高性能磁傳感器的研制打開了一扇新大門。