磁传感器技术的发展
2016-08-16 07:44:50   来源：微迷   评论：0   点击：

磁传感器种类繁多，性能和应用场合各异。 图1给出了各型磁传感器的分辨力水平。事实上，人们一直都在追求一种性能优越的磁传感器， 而其中具有高性能、小型化、低功耗、低成本发展潜力的传感器类型更是备受关注， 如基于超导量子干涉（SQUID）磁力仪、光泵原子磁力仪、TMR磁传感器、磁通门传感器等。

图1 各型磁传感器的分辨力水平及其发展潜力

（一）高温超导材料为SQUID带来了新的生机

SQUID可作为一种基于磁通穿越超导环感生超导电流原理的磁传感器，其分辨力可达fT级，而一般商用SQUID的磁场分辨 力也可达到10fT量级，可以说，SQUID是目前探测能力最强的一种磁传感器。但因超导环在极低温下才能工作，所以SQUID必须配备制冷装置，导致其体积、重量及使用成本的大幅增加，制约了SQUID应用 范围。 而高温超导材料的出现，为SQUID带来了新的生机。1987年，M. K. Wu等首次报道了一种临界温度为93K的YBaCuO高温超导材料体系，这意味着该材料体系在液氮环境下（77K）即可进入超导状态，与在液氦（4K）环境下工作的超导材料相比具有明显的优势， 这是因为液氮的制备难度和成本大大小于液氦。因此，基于高温超导材料的SQUID很快被应用于生物医疗、地球物探、材料研究等领域。目前，通过微纳加工技术制备高质量的高温超导薄膜来制造微型化SQUID探头成为一个热门，据报道一种由微机电系统（MEMS）平面线圈和YBaCuO薄膜相结合SQUID磁传感器已经问世，其分辨力达到了50fT/sqr(Hz)左右（@1Hz）。 虽然由于高温SQUID中探测线圈电热噪声和超导环温度波动的增加，导致关键指标低于液氦环境下工作的SQUID， 但不可否认，SQUID正朝着小型化和高温化而努力发展，高温超导薄膜材料及降噪技术已成为SQUID主要的突破方向。

（二）MEMS技术助推光泵原子磁力仪的发展

光泵原子磁力仪是一种总量式磁传感器，其基本原理是利用光泵作用激发封闭腔内碱金属气态原子处于自旋一致的进动状态，在外磁场作用下原子自旋进动频率产生线性变化，通过光探测器检测光谱频移来获得被测磁场。光泵原子磁力仪的分辨力也可达1fT/sqr(Hz)（@1Hz），与SQUID相当。光泵原子磁力仪的性能主要取决于密封腔内碱金属原子自旋态的一致程度。目前，大多数光泵原子磁力仪的体积和重量都较大，价格昂贵，在应用上受到较大限制， 而将光泵原子磁力仪小型化成为一种极具吸引力的方向。美国国家标准及技术研究院（NIST）成功地利用MEMS技术研制出了一种毫米级的光泵原子磁力仪， 有效地降低了体积和成本。 但因其密封腔体积很小，可灌注碱金属量较少，造成磁场分辨力下降，约为 6pT/sqr(Hz)（10Hz-1kHz频带内）。可喜的是，一种称之为“自旋交换-释放自由”（SERF） 的新机制正被用于MEMS光泵原子磁力仪来提升自旋一致性， 使磁场分辨力大幅提升至几十 fT/sqr(Hz)（@1Hz）。虽然目前只能在极弱磁场 条件下形成SERF机制，但它的出现本身就具有重要意义， 开辟了一条实现高性能MEMS光泵原子磁力仪的可能途径。

图2 NIST制造的MEMS光泵原子磁力仪

（三）磁通门传感器微型化成为一种挑战

磁通门传感器诞生于20世纪30年代，是为了克服电磁感应线圈无法测量直流磁场而衍生发展出的一种分量式磁传感器， 它利用外磁场影响磁芯磁化的原理来实现磁场测量， 结构上主要由磁芯、激励线圈及探测线圈组成，而决定探测能力的关键是磁芯。当激励线圈产生的高频磁场反复磁化磁芯时， 探测线圈能够感应到一个畸变电压信号，外磁场变化时，该信号也会随之变化，根据畸变信号偶次分量的变化即可探知被测磁场。通过提升磁芯的软磁性能，可使磁通门传感器的分辨力达到pT级水平。随着微纳技术的发展进步，微型磁通门的概念开始出现，人们期望通过微纳加工技术减小高性能磁通门传感器的体积和功耗。但大量研究表明：随着微型磁通门传感器体积的减小，其灵敏度和分辨力都会迅速下降。主要原因是： 微型磁通门传感器的线圈和磁芯一般都是薄膜形态，热噪声水平明显高于通常的线圈和磁芯。近年来，A. Baschirotto等对微型磁通门传感器开展了系统的研究，从PCB磁通门到基于CMOS工艺的IC磁通门都具有很高的水平，分辨力约为几nT/sqr(Hz)（@1Hz），相比传统磁通门传感器尚有较大差距。所以，通过改进设计和制备工艺降低微型磁通门传感器的噪声水平虽是大势所趋，但面临的挑战不小。

（四）GMR（MTJ）磁传感器研究如火如荼

GMR磁传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高等显著特点，有望应用于无人机反潜、微纳卫星及智能引信等领域，是当前小型化高性能磁传感器研究的热点方向。

自1988年首次发现GMR效应以来，有关GMR的结构和理论得到迅速发展，从最初的三明治结构到多层膜结构，再到自旋阀结构及最新的磁隧道结（MTJ）结构等，磁阻变化率和磁场灵敏度不断提高。2006年，S.Yuasa等发表了在室温氧化镁基MTJ中获得最大磁阻变化率410%的结果。2007年，R.C.Chaves等在直径26微米的柱状氧化镁基MTJ中（带磁偏置和磁力线聚集器）获得了极高的磁场灵敏度（87%/Oe），但其低频磁场分辨力仍只有330pT/sqr(Hz)（@2.5Hz）。人们在对多种GMR磁阻材料进行研究后发现，随着磁场灵敏度的提高，磁性噪声也随之增加，且随频率呈1/f特征变化。2009年，美国国家标准及技术研究院、特拉华大学及美国陆军实验室合作研究得出了MTJ的噪声理论模型，模型显示提高磁场灵敏度无法抑制磁性热噪声和磁性1/f噪声，且体积越小噪声特性越差。

近年，美国陆军实验室的A.S.Edelstein等首次提出了磁力线聚集调制技术，该技术利用MEMS结构驱动磁力线聚集器，使其磁场增益产生周期性变化， 进而使处于磁力线聚集器附近的GMR 敏感单元能够探测到一个调制后的 交流磁场信号，有效克服磁性1/f噪声的影响，使GMR磁传感器的分辨力有望达到pT级。

图3 美陆军实验室等提出的磁力线聚集调制方案

然而，现有的磁力线调制方法存在调制效率低、结构复杂等问题，对此国内有学者提出了一种垂动式的磁力线调制方法，并研制出了基于GMR的三轴一体化磁传感器样机，如图4所示，其低频磁场分辨力从调制前的几十nT/sqr(Hz)提升至80pT/sqr(Hz)左右（@1Hz）。同时，正在利用石墨烯等新型低维纳米材料，开展新一代的高灵敏MTJ研制工作，有望使磁传感器分辨力提升到1pT/sqr(Hz)（@1Hz）左右。目前，石墨烯基磁隧道结的隧穿磁阻效应已经得到实验验证，这为高性能磁传感器的研制打开了一扇新大门。

图4 三轴一体化磁传感器样机局部显微照