磁傳感器調(diào)研(共9頁(yè))

1、磁傳感器技術(shù)(jsh)根據(jù)對(duì)磁場(chǎng)(cchng)的測(cè)量范圍將磁傳感器分為三類(lèi)：低強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器、中強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器及高強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器。低強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器通常檢測(cè)10-10T以下的磁場(chǎng)(cchng)；中強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器通常檢測(cè)10-1010-3T的磁場(chǎng)；高強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器檢測(cè)范圍通常在10-3T以上。低強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器低強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器通常檢測(cè)10-10T以下的磁場(chǎng)，多用于醫(yī)學(xué)、磁性材料研究及軍事領(lǐng)域。與其他磁場(chǎng)傳感器相比，低強(qiáng)度磁傳感器結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜而且成本高，被測(cè)磁場(chǎng)比地磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)為10-5T）小，地磁場(chǎng)的微弱變化均比低強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器測(cè)量范圍大。超導(dǎo)測(cè)磁超導(dǎo)測(cè)磁方法是20世紀(jì)60年代中期利用超

2、導(dǎo)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)磁方法，根據(jù)目前的儀器設(shè)計(jì)，其靈敏度可達(dá)10-12T10-15T，量程可從0到數(shù)千高斯，能響應(yīng)零到幾兆甚至到1000MHz的快速磁場(chǎng)變化。超導(dǎo)測(cè)磁方法利用超導(dǎo)結(jié)的臨界電流隨磁場(chǎng)周期起伏的原理來(lái)測(cè)磁。如圖1.1所示，在超導(dǎo)結(jié)兩端加上電源，電壓表V無(wú)顯示時(shí)，電流表A顯示的電流為超導(dǎo)電流；電壓表開(kāi)始有顯示時(shí)，電流表所顯示的電流為臨界電流。當(dāng)加入磁場(chǎng)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(dǎo)結(jié)的磁通量。由于磁通與外磁場(chǎng)成正比，求出磁通也就求出了磁場(chǎng)。若磁場(chǎng)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(chǎng)變化的大小。這樣，利用

3、超導(dǎo)結(jié)就可測(cè)量磁場(chǎng)的大小及其變化。由于(yuy)低溫較難達(dá)到，為了使超導(dǎo)材料具有實(shí)用性，現(xiàn)有超導(dǎo)(cho do)測(cè)磁儀器主要是對(duì)高溫超導(dǎo)進(jìn)行研究(ynji)的成果。超導(dǎo)量子干涉裝置（Superconducting Quantum Interference Device，簡(jiǎn)稱(chēng)SQUID）是典型的高溫超導(dǎo)測(cè)磁儀器，是目前已知的靈敏度最高的低強(qiáng)度磁傳感器。SQUID磁強(qiáng)計(jì)可測(cè)量的磁場(chǎng)范圍從10-119T，而人腦產(chǎn)生的磁場(chǎng)數(shù)量級(jí)為10-11T，這使得它在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，高精度的SQUID主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、磁性材料特性和生物磁性研究。感應(yīng)線(xiàn)圈測(cè)磁感應(yīng)線(xiàn)圈磁強(qiáng)計(jì)建立在法拉第電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上，即線(xiàn)圈

4、中感應(yīng)電壓和線(xiàn)圈中磁場(chǎng)的變化率成比例。感應(yīng)線(xiàn)圈磁傳感器的靈敏度依賴(lài)于鐵芯的磁導(dǎo)率、線(xiàn)圈面積和匝數(shù)。這種類(lèi)型的磁傳感器對(duì)磁場(chǎng)的最高分辨率為10-14T，頻率響應(yīng)范圍為1Hz1MHz，所需功率為110毫瓦。Claude通過(guò)對(duì)線(xiàn)圈閉環(huán)控制，擴(kuò)展了感應(yīng)線(xiàn)圈磁傳感器的頻率響應(yīng)范圍，可達(dá)0.1Hz50MHz。感應(yīng)線(xiàn)圈不能測(cè)量靜態(tài)磁場(chǎng)，多用于距離探測(cè)。核子自旋進(jìn)動(dòng)測(cè)磁在磁場(chǎng)作用下，核子產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，其進(jìn)動(dòng)頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，利用這一原理進(jìn)行測(cè)磁。自旋核子磁矩繞被測(cè)磁場(chǎng)的旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵繞被測(cè)磁場(chǎng)并與其保持固定角度的運(yùn)動(dòng)，顯然這將使其周?chē)拇艌?chǎng)發(fā)生周期性的變化，其變化頻率就是進(jìn)動(dòng)頻率。如果放置一個(gè)固定線(xiàn)

5、圈，則線(xiàn)圈內(nèi)部磁通發(fā)生周期性的變化，在線(xiàn)圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其頻率與核子進(jìn)動(dòng)頻率一致，測(cè)出線(xiàn)圈感應(yīng)電壓的頻率就可測(cè)出磁場(chǎng)大小。所謂(suwi)核磁共振式測(cè)磁，就是通過(guò)測(cè)量自旋(z xun)核子在外磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)頻率來(lái)測(cè)量外部磁場(chǎng)，只不過(guò)核磁共振磁強(qiáng)計(jì)利用共振原理來(lái)獲取進(jìn)動(dòng)頻率。光泵測(cè)磁光泵測(cè)磁法的原理是：采用光學(xué)(gungxu)技術(shù)，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(lì)到特定的某個(gè)能級(jí)（這種技術(shù)稱(chēng)為光泵技術(shù)），然后對(duì)吸收室加載交變磁場(chǎng)，當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率與電子兩能級(jí)之間的躍遷頻率相等時(shí)（這個(gè)頻率被稱(chēng)作共振頻率），就會(huì)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(chǎng)

6、成正比，故通過(guò)測(cè)量共振頻率就可測(cè)量磁場(chǎng)。光泵磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器是利用近30年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的光泵技術(shù)制成的高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，其靈敏度可達(dá)10-12T以上。由于元素的弛豫時(shí)間長(zhǎng)，吸收線(xiàn)窄，因此精度高，不足的是長(zhǎng)弛豫時(shí)間限制了頻率響應(yīng)。目前，這種傳感器體積龐大，高功耗，價(jià)格昂貴等限制了該技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。磁光傳感器磁光效應(yīng)磁傳感器利用磁場(chǎng)改變光的偏振狀態(tài)來(lái)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)一束偏振光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，若在光傳播方向存在磁場(chǎng)，那么光通過(guò)偏振面將偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這就是磁光效應(yīng)。可通過(guò)測(cè)量偏轉(zhuǎn)的角度來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)，偏轉(zhuǎn)的角度和輸出的光強(qiáng)成正比，將輸出光照射激光二極管，可獲得數(shù)字化的光強(qiáng)。這種磁傳感器的靈敏度可達(dá)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(yīng)快、安全防爆等特性，因此適合一些特殊場(chǎng)合的磁場(chǎng)測(cè)量，尤其在電力系統(tǒng)中高壓大電流的測(cè)量方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。中強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器中強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)范圍為10-1010-3T，由于地磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)為10-5T，故中強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器也被稱(chēng)為地磁場(chǎng)傳感器。磁通門(mén)式磁場(chǎng)傳感器磁通門(mén)磁場(chǎng)傳感器在導(dǎo)航系統(tǒng)中運(yùn)用最為廣泛，約于1928年發(fā)展起來(lái)，后來(lái)被軍方用于潛艇(qintng)探測(cè)。磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)可測(cè)量大小為10-1110-2T的直流或緩慢變化的磁場(chǎng)，其頻率帶寬(di kun)約為數(shù)千赫茲(hz)。基本磁通門(mén)如圖1.2所示，它包括繞有兩個(gè)線(xiàn)圈的鐵芯，主線(xiàn)圈

8、或稱(chēng)做激勵(lì)線(xiàn)圈，輔線(xiàn)圈或稱(chēng)做收集線(xiàn)圈。運(yùn)行時(shí)，主線(xiàn)圈中加有頻率為f0的激勵(lì)電流Iexc，其大小足以使具有磁導(dǎo)率的鐵芯達(dá)到飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)鐵芯不飽和時(shí)，因其磁導(dǎo)率高給外部磁場(chǎng)B0的磁力線(xiàn)提供低磁阻通路，如圖1.2(a)所示；當(dāng)鐵芯飽和時(shí)鐵芯磁阻增加，磁力線(xiàn)溢出鐵芯，如圖1.2(b)?？赏ㄟ^(guò)二次諧波原理、脈沖定位原理或脈沖高度原理從輸出信號(hào)中提取外磁場(chǎng)B0。磁通門(mén)大都用在閉環(huán)直流磁強(qiáng)計(jì)中，其分辨率可達(dá)10-10T。增加傳感器頻帶會(huì)引起直流特性下降，還有可能引起穩(wěn)定性問(wèn)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(mén)磁強(qiáng)計(jì)在低磁場(chǎng)中的的性能，降低磁場(chǎng)噪聲，提高熱穩(wěn)定性。Co68.5F

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

10、為各向異性磁阻式（Anisotropic Magneto Resistance，簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)環(huán)電路時(shí)的靈敏度范圍是10-610-3T，頻率響應(yīng)(pn l xin yn)動(dòng)態(tài)范圍為01GHz；采用閉環(huán)電路時(shí)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(diǎn)，對(duì)低磁場(chǎng)靈敏度不高，并且不能測(cè)量磁場(chǎng)方向，因此必須對(duì)傳感器進(jìn)行線(xiàn)性化。線(xiàn)性化后的AMR磁阻傳感器能夠感應(yīng)磁場(chǎng)大小和方向，且在低磁場(chǎng)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(yīng)，但直到100多年后（約1971年）薄膜技術(shù)的問(wèn)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(yīng)速度快，能夠大批量生產(chǎn)，并和電子設(shè)備相兼容的特點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于高密度磁帶與硬盤(pán)磁頭、汽車(chē)速度傳感、機(jī)軸感應(yīng)、羅盤(pán)導(dǎo)航、車(chē)輛探測(cè)、電流測(cè)量等許多方面。高強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器高強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器又稱(chēng)為偏置磁場(chǎng)傳感器，這種類(lèi)型的磁傳感器大多用于測(cè)量比地磁場(chǎng)大的磁場(chǎng)。包括簧片開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體銻化銦（InSb）磁強(qiáng)計(jì)、霍爾磁傳感器和巨磁阻（Giant Magneto Resistance，簡(jiǎn)稱(chēng)GMR）傳感器?；善_(kāi)關(guān)簧片開(kāi)關(guān)是用于工業(yè)控制最簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)傳感器。它包括

12、一對(duì)韌性很好的鐵磁觸點(diǎn)，觸點(diǎn)密封在充滿(mǎn)惰性氣體的容器中，通常是玻璃。沿觸點(diǎn)長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)磁化觸點(diǎn)，吸引另一觸點(diǎn)接通電路。簧片開(kāi)關(guān)存在較大磁滯，使開(kāi)關(guān)對(duì)小擾動(dòng)磁場(chǎng)不敏感。低成本、簡(jiǎn)單化、可靠及低損耗使簧片開(kāi)關(guān)得到大量應(yīng)用?；善_(kāi)關(guān)加上一個(gè)小型磁體能制成簡(jiǎn)單的鄰近開(kāi)關(guān)，經(jīng)常用在監(jiān)視門(mén)或窗戶(hù)開(kāi)、關(guān)的安全系統(tǒng)中。當(dāng)兩者相距足夠近時(shí)，附著在活動(dòng)部件上的磁鐵內(nèi)簧片開(kāi)關(guān)工作。在汽車(chē)工業(yè)中，常用許多簧片開(kāi)關(guān)來(lái)感應(yīng)汽車(chē)的部件。洛侖茲力磁場(chǎng)傳感器1)半導(dǎo)體磁阻傳感器最簡(jiǎn)單(jindn)的洛侖茲力磁傳感器是半導(dǎo)體磁阻傳感器，如InSb和InAs。沿半導(dǎo)體薄片長(zhǎng)度方向加上電壓，薄片上有電流流過(guò)，可以測(cè)量出電阻，此時(shí)如

13、加載與薄片長(zhǎng)度方向垂直(chuzh)的磁場(chǎng)，洛侖茲力使電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)的影響增加了電荷運(yùn)動(dòng)路徑的長(zhǎng)度，從而增加了電阻。在強(qiáng)磁場(chǎng)中，電阻的增加可達(dá)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(shù)產(chǎn)生幾微米寬的長(zhǎng)窄半導(dǎo)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(zhǎng)寬比例。半導(dǎo)體帶上每個(gè)短路條等電勢(shì)。由InSb構(gòu)成的半導(dǎo)體磁阻傳感器在低磁場(chǎng)中靈敏度極低，但在高磁場(chǎng)中電阻變化卻很大，靈敏度高。電阻變化約和磁場(chǎng)的平方成正比。這種磁傳感器僅對(duì)垂直于半導(dǎo)體片的磁場(chǎng)大小敏感，對(duì)磁場(chǎng)的正負(fù)不敏感，因此不能用于檢測(cè)磁場(chǎng)方向。由于電荷運(yùn)動(dòng)受溫度影響大，因而電阻的溫度系數(shù)(xsh)高。半導(dǎo)體磁阻

14、傳感器常用于測(cè)量大于0.01T的磁場(chǎng)；和永磁體相結(jié)合，可用來(lái)制作鄰近探測(cè)器。由于半導(dǎo)體傳感器溫度依賴(lài)性大并且非線(xiàn)性強(qiáng)，磁阻傳感器一般不用于精確測(cè)量磁場(chǎng)。2)霍爾傳感器霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體材料洛侖茲力所產(chǎn)生的結(jié)果?；魻杺鞲衅麟妷悍较虻拈L(zhǎng)度遠(yuǎn)比寬度長(zhǎng)，載流子偏移到側(cè)面產(chǎn)生霍爾電壓，電場(chǎng)力和洛侖茲力大小相等、方向相反。在磁場(chǎng)作用下，兩端電阻幾乎沒(méi)有變化，而兩側(cè)面的霍爾電壓與垂直于半導(dǎo)體片的磁場(chǎng)成正比，其符號(hào)隨外加磁場(chǎng)方向的改變而改變，因此可測(cè)量磁場(chǎng)大小和方向?；魻柎艌?chǎng)傳感器大多使用N型硅和砷化鎵（GaAs），因?yàn)樗鼈兙哂休^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(chǎng)靈敏度和較高的頻率響應(yīng)?；魻柎艌?chǎng)傳感器典型頻率帶寬可達(dá)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(cè)量靜態(tài)磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)；上限頻率為1MHz，所需功耗0.10.2瓦?；魻柎艌?chǎng)傳感器的基本特性好，運(yùn)行原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，和微電子電路兼容。這種優(yōu)良特性使其廣泛應(yīng)用于與磁場(chǎng)相關(guān)的各種測(cè)量控制中。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使其在不同應(yīng)用中易于優(yōu)化及小型化，并且對(duì)靈敏度影響不大?；魻柎艂鞲衅髯鳛橐环N半導(dǎo)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(dǎo)體材料，促進(jìn)自身的持續(xù)發(fā)展。霍爾元件和及信號(hào)處理電子電路的

16、集成將會(huì)導(dǎo)致高性?xún)r(jià)比的新型磁場(chǎng)傳感器的發(fā)展。巨磁阻磁傳感器巨磁阻效應(yīng)，是指某些磁性或合金材料的電阻在一定磁場(chǎng)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(yīng)只有(zhyu)在納米尺度的薄膜中才能觀測(cè)到，因此納米材料以及超薄膜制備技術(shù)的發(fā)展(fzhn)使巨磁阻傳感器芯片得以(dy)實(shí)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(yīng)用集中在數(shù)據(jù)讀出磁頭及存儲(chǔ)器、弱磁檢測(cè)和位置類(lèi)傳感器方面，其頻率帶寬可高達(dá)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(fù)合原理磁場(chǎng)傳

17、感器磁致伸縮材料與光纖復(fù)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(dāng)Ni磁致伸縮時(shí)，導(dǎo)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(cè)量光的相位變化來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。1983年，英國(guó)肯特大學(xué)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(cè)，可用于測(cè)量直流磁場(chǎng)和頻率小于60kHz的交流磁場(chǎng)。超磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)，Terfenol-D磁致伸縮產(chǎn)生的應(yīng)變使PZT產(chǎn)生

18、感應(yīng)電壓，因此通過(guò)測(cè)量電壓可以測(cè)量外部磁場(chǎng)。這種磁傳感器靈敏度可達(dá)到10-11T。超磁致伸縮材料和SAW諧振器復(fù)合圖1.3是SAW諧振器和GMM復(fù)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?？蚣芡瑫r(shí)起導(dǎo)軌作用,限制SAW諧振器和Terfenol-D只能在長(zhǎng)度方向發(fā)生形變。調(diào)整螺栓的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)施加在超磁致伸縮材料上的預(yù)應(yīng)力,使其在磁場(chǎng)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(zhǎng)度方向磁場(chǎng)(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(yīng)力和應(yīng)變將導(dǎo)致SAW諧振器的諧振頻率發(fā)生變化(binhu)。通過(guò)檢測(cè)SAW諧振器諧振頻率的變