弱磁測(cè)量傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

銀 鴻，楊生勝，鄭闊海，文 軒，莊建宏，王 俊

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

弱磁測(cè)量傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

銀 鴻，楊生勝，鄭闊海，文 軒，莊建宏，王 俊

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

弱磁測(cè)量技術(shù)在許多諸如生物醫(yī)學(xué)、資源勘測(cè)、軍事工程和空間探測(cè)等重要領(lǐng)域中占有不可或缺的地位，磁場(chǎng)測(cè)量也代表了國(guó)家磁測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外弱磁測(cè)量主要用到質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀、原子磁力儀、磁通門、SQUID、光纖磁力儀和磁電阻傳感器，按照測(cè)量磁場(chǎng)的類型將其分為標(biāo)量和矢量型，通過(guò)其基本原理、特性、研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，對(duì)其發(fā)展方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了綜述，為后續(xù)的理論研究和工程實(shí)踐提供參考。

弱磁測(cè)量；磁傳感器；靈敏度

0 引言

從磁場(chǎng)感應(yīng)范圍的角度出發(fā)，可以將磁場(chǎng)傳感器分為三類：低強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器、中強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器、高強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器。低強(qiáng)度磁場(chǎng)傳感器又稱弱磁測(cè)量傳感器，通常被用來(lái)探測(cè)0.1 nT以下的磁場(chǎng)[1]，常涉及到軍事領(lǐng)域、資源勘探、地震預(yù)警、科學(xué)研究、工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)療等方面。如軍事上艦艇的消磁、探潛、魚雷制導(dǎo)及衛(wèi)星測(cè)距等用到弱磁測(cè)量?jī)x器；航磁、地磁測(cè)量使用的是弱磁測(cè)量?jī)x器；高精度的磁測(cè)儀器是資源勘查的主要設(shè)備；生物醫(yī)療工程中如核磁共振CT、肺磁、胃磁和腦磁的診斷離不開弱磁測(cè)量?jī)x器。弱磁傳感器技術(shù)在很大程度上代表了國(guó)家磁測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平，是當(dāng)今高新技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)[2]，分析當(dāng)前弱磁測(cè)量傳感器的發(fā)展與應(yīng)用狀況，研制高性能、小型化、低功耗、低成本的弱磁測(cè)量傳感器，對(duì)我國(guó)國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

弱磁傳感器種類繁多，性能和應(yīng)用場(chǎng)合各異，當(dāng)前弱磁測(cè)量主要是利用超導(dǎo)效應(yīng)法、磁共振法、磁光效應(yīng)法、磁電阻效應(yīng)法等測(cè)量方法，其采用的弱磁傳感器主要有磁通門磁力儀、光泵磁力儀、原子磁力儀、光纖磁力儀、質(zhì)子磁力儀、超導(dǎo)量子干涉儀和磁電阻傳感器。根據(jù)測(cè)量磁場(chǎng)的類型可將其分為標(biāo)量磁傳感器和矢量磁傳感器，就其的原理、性能、發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用范圍展開詳細(xì)論述。

1 標(biāo)量磁傳感器及其應(yīng)用

磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，在磁場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)中，標(biāo)量磁傳感器能獲得磁場(chǎng)的模量大小，常被用于測(cè)量磁場(chǎng)模量（或模量之差）和模量梯度（水平梯度和垂直梯度）[3]。在磁梯度張量系統(tǒng)出現(xiàn)之前其是主要的航空磁測(cè)儀器，通過(guò)繪制地磁分布圖、磁異常圖和磁梯度異常圖來(lái)確定地下或水下磁場(chǎng)的分布和礦體、金屬物的位置；而在梯度張量系統(tǒng)出現(xiàn)后常作為矢量磁測(cè)系統(tǒng)重要的系統(tǒng)校正和標(biāo)定的儀器，在地質(zhì)探測(cè)、反潛作戰(zhàn)、金屬探測(cè)中具有重要意義。弱磁標(biāo)量傳感器主要有質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀和原子磁力儀等三類量子磁力儀。

1.1 質(zhì)子磁力儀（Proton magnetometer）

質(zhì)子磁力儀是美國(guó)于1955年研制的，又被稱為核子旋進(jìn)或質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀[4]，是利用水、酒精、煤油、苯、丙酮等工作介質(zhì)中的氫質(zhì)子磁矩在磁場(chǎng)中自由旋進(jìn)的頻率來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。如圖1所示，在強(qiáng)磁場(chǎng)激勵(lì)下，氫質(zhì)子的核磁矩會(huì)出現(xiàn)順磁性，核磁矩沿強(qiáng)磁場(chǎng)方向定向排列呈現(xiàn)宏觀磁性；而當(dāng)強(qiáng)勵(lì)磁場(chǎng)撤消后，由于核磁矩和外磁場(chǎng)的相互作用，使得質(zhì)子產(chǎn)生自旋軸線沿磁場(chǎng)方向的拉莫爾進(jìn)動(dòng)并具有固定夾角（進(jìn)動(dòng)角）[5-6]，該拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率f與外磁場(chǎng)B有關(guān)，且滿足式（1）的關(guān)系[7]：

式中：γ0是質(zhì)子旋磁比，只需測(cè)量質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)頻率就可得到外磁場(chǎng)值。

質(zhì)子磁力儀因極化方式不同而分為常規(guī)質(zhì)子磁力儀和歐弗豪澤效應(yīng)質(zhì)子磁力儀（Overhauser），常規(guī)質(zhì)子磁力儀采用直流極化或靜態(tài)極化的方式，分辨率約0.1 nT/Hz1/2，但具有極化頻率高，存在進(jìn)向誤差，功耗較大，且由于受勵(lì)磁極化時(shí)間的限制而不能長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量的缺點(diǎn)；Overhauser質(zhì)子磁力儀采用動(dòng)態(tài)極化的方式，具有更高的靈敏度（達(dá)到10 pT/Hz1/2），更低的功耗和信噪比，因不需要周期性的激勵(lì)，能夠連續(xù)的探測(cè)磁場(chǎng)，但價(jià)格較高，約為常規(guī)磁力儀的2倍[8-9]。

圖1 質(zhì)子磁力儀的原理圖Fig.1 Fundamental diagram of proton magnetometer

質(zhì)子磁力儀由于以原子與磁場(chǎng)作用的固有進(jìn)動(dòng)頻率作為測(cè)量基準(zhǔn)，因此穩(wěn)定性高，可靠性強(qiáng)，工作時(shí)不受溫度、濕度等氣象因素的影響[5]。同時(shí)技術(shù)較為成熟，被廣泛應(yīng)用于海洋、陸地、空中的探測(cè)工作，尤其在野外地質(zhì)勘察、地震臺(tái)站的地震預(yù)報(bào)、水文工程勘測(cè)等方面有很大的用途。一個(gè)典型的應(yīng)用是地下未爆炸物（Unexploded Ordnance，UXO）的排查[9]，無(wú)論是在作戰(zhàn)時(shí)期還是在戰(zhàn)后和平時(shí)期，UXO都嚴(yán)重威脅著人們的生命安全。UXO埋藏深度一般在0～5 m，很難用磁探測(cè)之外的手段對(duì)其進(jìn)行排查，但隨著炮彈小型化技術(shù)的發(fā)展，其產(chǎn)生的磁信號(hào)非常微弱，Overhauser磁力儀憑著高靈敏度和高穩(wěn)定性成為UXO探測(cè)的首選儀器[10-11]，此外還可以用來(lái)探測(cè)地下埋藏的未知金屬管道和礦藏等。

1.2 光泵磁力儀（Optical pumping magnetometer）

光泵磁力儀是利用某些元素的原子（3He、4He、39K、85Rb、87Rb、133Cs、Hg）在外磁場(chǎng)作用下的塞曼分裂效應(yīng)和能級(jí)躍遷原理來(lái)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的。當(dāng)原子處于外磁場(chǎng)中時(shí)，其能級(jí)將會(huì)分裂為等間距的子能級(jí)（塞曼子能級(jí)），原能級(jí)上的原子會(huì)平均分布在塞曼子能級(jí)上，當(dāng)加入射頻磁場(chǎng)后，透射光強(qiáng)與射頻磁場(chǎng)頻率存在相關(guān)性，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量[13-14]，該效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)50年代中期。圖2為光泵磁力儀的典型原理。

光泵磁力儀的突出優(yōu)點(diǎn)是：（1）靈敏度高（達(dá)fT量級(jí)），如美國(guó)Polatomic公司利用單一激光源設(shè)計(jì)的氦光泵磁儀P-2000磁力儀的靈敏度達(dá)100 fT/Hz1/2，是氦光泵磁力儀的代表；美國(guó)Geometrics公司的G858的靈敏度達(dá)到10fT/Hz1/2，基本代表了銫光泵的技術(shù)水平[12]；（2）響應(yīng)頻率高，可以進(jìn)行高速測(cè)量，對(duì)于軍事目標(biāo)動(dòng)態(tài)信號(hào)探測(cè)有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

圖2 光泵磁力儀原理圖Fig.2 Fundamental diagram of optical pumping magnetometer

光泵磁力儀的主要缺點(diǎn)是由于光學(xué)系統(tǒng)和氣室體積大，導(dǎo)致體積、質(zhì)量和功耗都較大，在應(yīng)用上受限[2]。所以小型化是光泵磁力儀當(dāng)前的發(fā)展方向，如近些年美國(guó)NIST利用MEMS技術(shù)成功研制出一種毫米級(jí)別的光泵磁力儀，大幅降低了體積、功耗和成本，分辨率約6 pT/Hz1/2（10 Hz～1 kHz）。當(dāng)前基于“自旋交換-釋放自由”（SERF）機(jī)制的光泵磁力儀可以提升自旋一致性，其低頻弱磁場(chǎng)分辨率可達(dá)幾十fT/Hz1/2（@1 Hz）[15]，為高性能的光泵磁力儀研制提供了一種新的思路。

在弱磁測(cè)量方面，光泵磁力儀更適合在大型平臺(tái)裝備，目前是航空磁測(cè)最常用的磁強(qiáng)計(jì)[16]，用來(lái)進(jìn)行地質(zhì)勘探、軍事反潛。如當(dāng)前世界各國(guó)的反潛機(jī)上幾乎都裝有光泵磁力儀來(lái)進(jìn)行反潛。

1.3 原子磁力儀（Atomic magnetometer）

原子磁力儀是通過(guò)測(cè)量原子在弱磁場(chǎng)中能級(jí)移動(dòng)、退極化過(guò)程中光強(qiáng)吸收特性的改變來(lái)進(jìn)行微弱磁場(chǎng)的測(cè)量，如圖3所示，一束圓偏振的泵浦激光使原子自旋沿泵浦光傳播方向極化，一束線偏振的檢測(cè)激光沿垂直于泵浦光的方向檢測(cè)原子的極化投影。當(dāng)有垂直于泵浦光和檢測(cè)光平面的外磁場(chǎng)存在時(shí)，原子自旋磁矩在磁場(chǎng)的作用下會(huì)作拉莫進(jìn)動(dòng)，拉莫進(jìn)動(dòng)頻率與磁場(chǎng)大小呈正比，通過(guò)確定頻率即可測(cè)得磁場(chǎng)[17]。

圖3 原子磁力儀原理圖Fig.3 Fundamental diagram of atomic magnetometer

原子磁力儀具有非常高的極限靈敏度，美國(guó)NIST在2004年研制的原子磁力儀的靈敏度達(dá)40 pT/Hz1/2，采用聚磁技術(shù)改進(jìn)后，其靈敏度達(dá)10 fT/Hz1/2；普林斯頓大學(xué)研制的原子磁力儀的靈敏度可達(dá)0.54 fT/Hz1/2，有望達(dá)到aT量級(jí)，是目前靈敏度最高的磁強(qiáng)計(jì)[8，18]。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)利用單激光搭建了一種原子磁力儀樣機(jī)，其靈敏度達(dá)到0.5 pT/Hz1/2；蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的激光抽運(yùn)銣原子磁力儀，其靈敏度達(dá)到1 pT/Hz1/2，磁場(chǎng)波動(dòng)范圍優(yōu)于0.4 nT。

原子磁力儀具有靈敏度高、能耗低、體積小等優(yōu)勢(shì)，在生物磁場(chǎng)探測(cè)、核磁共振成像、質(zhì)量控制、化學(xué)反應(yīng)的監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力[18]。此外，原子磁力儀在空間與地球物理、空間磁場(chǎng)探測(cè)、軍事中也有著廣泛的應(yīng)用前景。

1.4 標(biāo)量磁傳感器的應(yīng)用

在軍事中，磁探測(cè)是反潛、反水雷的有力手段，美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室研究表明：鐵磁性目標(biāo)在地磁場(chǎng)中引起的磁異常信號(hào)與探測(cè)距離成三次方反比，常規(guī)潛艇在500 m處的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度約為10 nT量級(jí)，實(shí)現(xiàn)潛艇探測(cè)所用磁傳感器的測(cè)量精度至少應(yīng)在納特?cái)?shù)量級(jí)[19]。在標(biāo)量磁傳感器中，分辨率和頻響高的光泵磁力儀能實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的快速測(cè)量，一直被搭載在反潛機(jī)或艦艇上進(jìn)行磁異探測(cè)；原子磁力儀作為新型磁力儀，比光泵磁力儀具有更高的靈敏度和較小的體積、功耗，在反潛方面很有潛力。美國(guó)Tristan公司研發(fā)了一種新型飛特級(jí)的原子磁力儀，并擬定了開發(fā)機(jī)載磁異探測(cè)系統(tǒng)的計(jì)劃，預(yù)計(jì)其探測(cè)距離約達(dá)2 743 m[20]。此外，在磁引信方面，原子磁力儀的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)很突出，1輛坦克在1 000 m處的磁異信號(hào)僅幾pT[19]，微小的高靈敏度原子磁力儀能很好地集成于彈藥引信裝置中，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)捕獲并摧毀諸如坦克、艦艇等高價(jià)值目標(biāo)。

在資源勘探中，利用標(biāo)量磁傳感器繪制區(qū)域磁異常分布圖來(lái)確定礦體的方位是其常用的辦法，磁傳感器的分辨率決定了探測(cè)的準(zhǔn)確程度，光泵磁力儀和質(zhì)子磁力儀較為常用，光泵磁力儀較質(zhì)子磁力儀有更高的分辨率，但體積較大、穩(wěn)定性略差，常搭載在飛機(jī)上或拖拽在艦艇上工作，而質(zhì)子磁力儀因便攜性適合于更多場(chǎng)合的勘測(cè)。

在醫(yī)療中，大腦產(chǎn)生的磁場(chǎng)在0.1 pT左右，光泵磁力儀存在測(cè)量死區(qū)，遠(yuǎn)不能滿足需求；微小原子磁力儀的發(fā)展有望改善腦磁測(cè)試條件，測(cè)試時(shí)用導(dǎo)磁合金作屏蔽室，形成零磁空間來(lái)測(cè)量極微弱的磁場(chǎng)，NIST將其用于動(dòng)物腦磁研究，已取得良好的效果[12]。

2 矢量磁傳感器及其應(yīng)用

相對(duì)于標(biāo)量磁傳感器，矢量磁傳感器能同時(shí)獲得磁場(chǎng)的模量大小和方向信息，在磁探測(cè)系統(tǒng)中常被用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)分量、分量梯度和梯度張量，通過(guò)矢量測(cè)量可有效減少磁測(cè)反演中的多解性，有助于對(duì)磁性體的定性和定量解釋，能提高弱磁探測(cè)的分辨率、定位精度和導(dǎo)航精度。在軍事反潛、磁引信、地球物理勘測(cè)、空間磁場(chǎng)探測(cè)、生物醫(yī)療、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用。目前，反潛技術(shù)中的梯度張量反潛系統(tǒng)，導(dǎo)航技術(shù)中的地磁匹配導(dǎo)航系統(tǒng)以及地球物理技術(shù)中的航空全張量磁力梯度系統(tǒng)都是各國(guó)研究的熱點(diǎn)[21-23]，而高性能的弱磁矢量傳感器是關(guān)鍵儀器。弱磁矢量傳感器主要有磁通門磁力儀、超導(dǎo)量子干涉儀、光纖傳感器和磁電阻傳感器。

2.1 磁通門磁力儀（Fluxgate）

磁通門磁力儀又稱磁飽和磁力儀，是相對(duì)最為成熟的矢量磁傳感器，基本原理是基于高磁導(dǎo)率軟磁材料磁芯的非線性磁化特性，在交變激勵(lì)磁場(chǎng)中磁芯的導(dǎo)磁特性會(huì)發(fā)生周期性飽和與非飽和的變化，從而在感應(yīng)線圈中感應(yīng)出與外磁場(chǎng)成正比的調(diào)制信號(hào)，信號(hào)中的二次諧波對(duì)應(yīng)著外磁場(chǎng)的信息，通過(guò)特定的檢測(cè)電路可提取外磁場(chǎng)信息[23-24]。

磁通門磁力儀最大特點(diǎn)是良好的低頻弱磁場(chǎng)測(cè)量能力，靈敏度高達(dá)0.1 pT/Hz1/2，并具有寬量程（10-12～10-3T）和恒定/變化磁場(chǎng)的測(cè)試能力。目前，德國(guó)的STL公司（DM系列）和英國(guó)的Bartington公司（SN系列）是世界級(jí)磁通門供貨商其中DM-005的分辨率達(dá)0.1 pT/Hz1/2，帶寬可達(dá)3 kHz，具有極大的動(dòng)態(tài)范圍和極高的穩(wěn)定性[8]。

磁通門作為一種通量傳感器，其靈敏度由線圈中包裹磁芯的磁場(chǎng)滲透性和線圈的測(cè)量面積決定，所以高分辨率磁通門的體積和重量都較大，大幅限制了應(yīng)用[25]。磁通門磁力儀的應(yīng)用范圍十分廣泛：在宇航工程方面，磁通門磁力儀是進(jìn)行空間磁場(chǎng)測(cè)繪的重要磁測(cè)儀器之一[26-27]；在地磁導(dǎo)航領(lǐng)域具有巨大的軍事潛力，地磁導(dǎo)航是通過(guò)磁傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)地磁數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配來(lái)導(dǎo)航，弱磁傳感器是決定導(dǎo)航精度的關(guān)鍵，高穩(wěn)定性的磁通門在地磁導(dǎo)航中倍受青睞[28]。此外，磁通門磁力儀在反潛、艦艇磁場(chǎng)測(cè)量、磁性檢測(cè)站的磁場(chǎng)測(cè)量、水上救援、金屬物探測(cè)、地震預(yù)報(bào)、磁探傷等場(chǎng)合均有應(yīng)用。

2.2 超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）

SQUID是基于超導(dǎo)狀態(tài)下物質(zhì)的量子隧穿特性，并通過(guò)使用超導(dǎo)回路與一對(duì)約瑟弗森結(jié)實(shí)現(xiàn)微弱磁場(chǎng)絕對(duì)測(cè)量的儀器。如圖4所示，一對(duì)由超導(dǎo)材料制作的閉合環(huán)，環(huán)中間有一個(gè)很薄的絕緣隧道結(jié)（約瑟弗森結(jié)），在超導(dǎo)態(tài)下電子由于隧穿效應(yīng)可通過(guò)該絕緣層形成電流，當(dāng)電流通過(guò)隧道結(jié)時(shí)，結(jié)區(qū)會(huì)出現(xiàn)高頻周期性振蕩電流，這種高頻電流會(huì)向外輻射電磁波，根據(jù)電磁波的特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直于超導(dǎo)環(huán)路平面磁場(chǎng)的測(cè)量[29-30]。

圖4 SQUD工作原理圖Fig.4 Fundamental diagram of SQUID

SQUID分為低溫SQUID和高溫SQUID[4]，低溫SQUID的超導(dǎo)介質(zhì)是10%的金或銦的鉛合金，整個(gè)超導(dǎo)介質(zhì)需工作在4.2 K以下的液氦環(huán)境。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了高溫SQUID，其采用釔鋇銅氧YBCO（YBa2Cu3O7-x）為介質(zhì)，工作在77 K的液氮環(huán)境，用液氮比用液氦要便宜且易于實(shí)現(xiàn)。

SQUID的優(yōu)點(diǎn)就是靈敏度高（達(dá)1 fT/Hz1/2）；測(cè)量范圍寬，可從零場(chǎng)測(cè)量到數(shù)千特斯拉，并能測(cè)量恒定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)；響應(yīng)頻率也高，可從直流到幾千兆赫茲；這些特性是其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常用的磁通門磁力儀和質(zhì)子磁力儀。

由于SQUID工作需要冷卻裝置，導(dǎo)致系統(tǒng)的體積、功耗和成本都較大。所以，基于微納加工技術(shù)的SQUID探頭微型化一直是研究的熱點(diǎn)[31]。據(jù)報(bào)道，一種MEMS平面線圈和YBaCuO薄膜相結(jié)合的SQUID已問(wèn)世，其靈敏度達(dá)到50 fT/Hz1/2，這推動(dòng)了SQUID向微型化和高溫化的發(fā)展。

SQUID目前多使用于醫(yī)療、軍事和科學(xué)研究等大平臺(tái)。在軍事方面，利用三軸SQUID制成的航磁全張量系統(tǒng)可對(duì)地下或水下隱藏目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)并定位，如美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用多個(gè)高溫SQUID組成磁梯度探測(cè)系統(tǒng)，安裝在直升機(jī)上進(jìn)行UXO排查；德國(guó)海軍則利用SQUID探測(cè)潛水艇；澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)研究組織（CSIRO）則用來(lái)地質(zhì)調(diào)查和礦藏普查[32]。

2.3 光纖傳感器（Fiber-optic）

光纖傳感器出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)較晚，是利用磁場(chǎng)對(duì)光和介質(zhì)的相互作用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的，多用于測(cè)量直流或者頻率不超過(guò)60 kHz的交流磁場(chǎng)。光纖傳感器的磁測(cè)量方法可分為三類：法拉第磁光效應(yīng)法、洛侖茲力法、磁致伸縮法。其中，基于磁致伸縮法的干涉型光纖傳感器具有較高的靈敏度和潛力，是利用附著在光纖上的材料在外磁場(chǎng)中的磁致伸縮效應(yīng)引起光纖長(zhǎng)度改變，導(dǎo)致兩干涉光纖內(nèi)光相位差的變化進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量[33-34]。

干涉型光纖磁場(chǎng)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）靈敏度較高（達(dá)0.7 fT/Hz1/2）；（2）體積小、重量輕；（3）耐腐蝕，電絕緣性好，可工作于易爆或者強(qiáng)腐蝕性環(huán)境。其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，易受外界環(huán)境因素的干擾會(huì)出現(xiàn)“隨機(jī)相位漂移”，研究者提出了一些提高光纖穩(wěn)定性方法，如輸入光波偏振態(tài)反饋控制技術(shù)、分集檢測(cè)消偏振衰落技術(shù)等[35-36]。

雖然干涉型光纖磁傳感器發(fā)展歷史較短，很多目前仍在研究中，但由于存在靈敏度極高、精度高、體積小、耐腐蝕等特點(diǎn)，在弱磁探測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已應(yīng)用于地質(zhì)探礦、軍事制導(dǎo)和反潛、物聯(lián)網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)、車輛檢測(cè)等場(chǎng)合，隨著以后穩(wěn)定性和其他性能的提升，必將在更多空間探測(cè)等弱磁探測(cè)領(lǐng)域中嶄露頭角。

2.4 磁電阻傳感器（Magnetoresistance）

磁電阻傳感器是利用某些金屬或半導(dǎo)體材料在磁場(chǎng)中的電阻變化來(lái)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的，不僅適于測(cè)量恒定磁場(chǎng)，還能測(cè)量梯度較大的不均勻磁場(chǎng)和隨時(shí)間快速變化的磁場(chǎng)，具有廣闊的前景。基于20世紀(jì)70年代問(wèn)世的薄膜技術(shù)，陸續(xù)出現(xiàn)了各向異性磁電阻（AMR）、巨磁電阻（GMR）以及隧道結(jié)磁電阻（TMR）等傳感器。其中AMR傳感器是利用磁性材料的磁各向異性制備而得，靈敏度取決于磁致電阻效應(yīng)（＜5%）的大小，目前能達(dá)到50 pT/Hz1/2左右，其低頻噪聲較GMR和TMR低，但是由于磁電阻效應(yīng)低導(dǎo)致輸出信號(hào)弱小；GMR是利用相鄰磁性層間磁化方向發(fā)生改變而導(dǎo)致磁電阻發(fā)生巨大變化的現(xiàn)象而制得，磁電阻效應(yīng)達(dá)70%，靈敏度達(dá)1 nT/Hz1/2，具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，但缺點(diǎn)是低頻噪聲高；TMR是最新一代的磁電阻傳感器，是利用兩電極電子遂穿電阻的變化而制成的器件，磁致電阻高達(dá)604%，靈敏度可達(dá)1 pT/Hz1/2，并兼AMR和GMR器件的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有很廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，不過(guò)低頻噪聲依然是其技術(shù)難點(diǎn)[27，37-39]。近年，美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室提出了磁通聚集調(diào)制技術(shù)（圖5），利用MEMS結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)磁通聚集器使其磁場(chǎng)增益發(fā)生周期性變化，使GMR/TMR內(nèi)部敏感單元檢測(cè)到調(diào)制后的交流磁場(chǎng)信號(hào)，可有效降低其低頻噪聲[40]；美國(guó)Nebraska大學(xué)也通過(guò)改善隧道結(jié)工藝和磁通聚集器來(lái)研制低噪聲高靈敏度TMR，該項(xiàng)研究目前仍在繼續(xù)，其目標(biāo)是研制飛特量級(jí)磁噪聲的磁傳感器。

圖5 磁通調(diào)制技術(shù)原理圖Fig.6 Fundamental diagram of flux modulation

磁電阻傳感器具有靈敏度高、小型化、低成本、低功耗、可集成、頻響高且不需要特殊的測(cè)量環(huán)境等一系列特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都具有應(yīng)用潛力[37]，目前新型的磁電阻傳感器TMR的應(yīng)用研究正處于探索階段，如軍事、空間等重要領(lǐng)域的應(yīng)用也正在推進(jìn)，隨著其應(yīng)用驗(yàn)證的深入，相信以后高性能的磁電阻傳感器將占有更大的市場(chǎng)。

2.5 矢量傳感器的應(yīng)用

矢量傳感器能測(cè)量磁場(chǎng)方向，比標(biāo)量傳感器有更廣泛的應(yīng)用。典型的梯度張量系統(tǒng)無(wú)需嚴(yán)格定向就能充分獲取磁異常信息并能有效消除地磁場(chǎng)的影響，多用于軍事探潛、探爆、和資源勘探，受到各國(guó)研究者的重視。其中所用到的矢量磁傳感器有SQUID、磁通門磁力儀和磁電阻傳感器，基于SQUID和磁通門的梯度張量系統(tǒng)出現(xiàn)較早，技術(shù)成熟，但體積較大。目前利用磁阻傳感器配置微型低耗的梯度張量系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)。

在空間探測(cè)中，磁傳感器作為航天器的重要載荷，不僅可提供航天器姿態(tài)控制和內(nèi)部結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)所需要的磁信息，而且還能同步監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)，為空間天氣學(xué)、深空探測(cè)和空間環(huán)境預(yù)警提供關(guān)鍵參數(shù)。航天器對(duì)磁傳感器的質(zhì)量、體積和功耗有嚴(yán)格的要求，目前常用到的磁傳感器有磁通門和磁電阻傳感器，磁通門在空間應(yīng)用技術(shù)成熟；磁電阻傳感器比磁通門雖然穩(wěn)定性稍差，但在質(zhì)量、功耗及尺寸方面占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，陣列化的磁阻傳感器適合于空間磁場(chǎng)的精確測(cè)量以實(shí)現(xiàn)航天器的姿態(tài)控制和航天器關(guān)鍵部位的無(wú)損探傷。如2003年美國(guó)發(fā)射的Ion-f衛(wèi)星，加拿大發(fā)射的CanX-1衛(wèi)星都搭載了AMR來(lái)執(zhí)行空間磁場(chǎng)測(cè)量或姿態(tài)控制任務(wù)[27]。

在生物醫(yī)療中，利用生物磁性與器官組織結(jié)構(gòu)和生理病相關(guān)的特性，通過(guò)高靈敏度的磁傳感器可實(shí)現(xiàn)疾病診斷，目前占主導(dǎo)地位的是SQUID，具有極限靈敏度，可以檢測(cè)腦磁場(chǎng)和胎兒心磁，SQUID能抑制母體的心磁信號(hào)而準(zhǔn)確地把微弱的胎兒心磁信號(hào)檢測(cè)出來(lái)；但SQUID體積較大，不利于微小局部的探測(cè)。目前發(fā)展的TMR傳感器能夠檢測(cè)納米級(jí)別的磁性粒子，通過(guò)磁性納米顆粒和生物分子的合理配置，實(shí)現(xiàn)超高靈敏度、定量的生物檢測(cè)技術(shù)，具有較大的潛力。

在工業(yè)中，磁傳感器廣泛用于儀器儀表、無(wú)損探傷、數(shù)字羅盤、偽鈔鑒別、車輛檢測(cè)、位置檢測(cè)等方面，較為常見(jiàn)的是磁通門和磁電阻傳感器。磁電阻傳感器出現(xiàn)比磁通門較晚，但體積微小，易集成在電路中制成如汽車速度表、里程表、液體檢測(cè)器、角度或電流傳感器等儀器。

3 結(jié)論

通過(guò)分析當(dāng)前弱磁場(chǎng)測(cè)量主要用到的磁傳感器，可以看出：（1）在標(biāo)量傳感器中，質(zhì)子磁力儀的突出特點(diǎn)是高穩(wěn)定性和小巧，尤其適合在野外勘探作業(yè)，動(dòng)態(tài)極化方式的磁力儀是其研究方向；光泵磁力儀的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高和響應(yīng)頻率高，特別適合航空高速磁測(cè)，小型化是當(dāng)前的發(fā)展方向；原子磁力儀的分辨率極高，體積和功耗很小，作為新型的磁力儀最具應(yīng)用潛力；（2）在矢量傳感器中，磁通門磁力儀技術(shù)應(yīng)用廣泛，特別在空間磁場(chǎng)測(cè)量和地磁導(dǎo)航中技術(shù)較為成熟；SQUID的突出特點(diǎn)是靈敏度高、體積大、成本高，目前在醫(yī)學(xué)診斷和軍事反潛中占有重要地位，且隨著高溫SQUID技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大；干涉型光纖磁力儀的特點(diǎn)是分辨率高、耐腐蝕，穩(wěn)定性一般，在軍事、物聯(lián)網(wǎng)中有重要應(yīng)用，提高穩(wěn)定性并研制高性能的光纖磁力儀是其發(fā)展的方向；新型的磁電阻傳感器具有體積小、靈敏度高、線性好、線性范圍寬，成本低等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在弱磁測(cè)量領(lǐng)域已顯現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，隨著低噪聲高靈敏度磁電阻傳感器技術(shù)的進(jìn)步，其必將成為更多領(lǐng)域中完成磁測(cè)任務(wù)的主角。

總之，隨著MEMS、微納加工等新技術(shù)的發(fā)展以及新材料和新工藝的出現(xiàn)，弱磁傳感器將沿著高分辨率、高穩(wěn)定度、高準(zhǔn)確度、微小型化、低功耗、低成本的方向發(fā)展，在未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域中必將迸發(fā)出更耀眼的光芒。

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DEVELOPMENT AND APPLICATION OF THE DETECTING INSTRUMENT FOR WEAK MAGNETIC FIELD

YIN Hong，YANG Sheng-sheng，ZHENG Kuo-hai，WEN Xuan，ZHUANG Jian-hong，WANG Jun
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The technology of detecting weak magnetic field plays an indispensable role in lots of momentous areas，such as bio-medicine，resources exploration，military and aerospace engineering.It is the direction of the current magnetic measurement technology；to a great extent，it also represents the level of detecting magnetic field of a country.The major sensors of detecting weak magnetic field currently are Proton Magnetometer，Optical pumping，Atomic Magnetometer，F(xiàn)luxgate，SQUID，F(xiàn)iber-optic and Magneto resistance，which are used at home and abroad，and can be divided into scalar and vector type as the type of measuring magnetic field，according to analyzing their principle，property and state of technology and application，future research orientation and application foreground are all reviewed in this thesis，which will provide the reference for further theoretical research and engineering practice.

weak magnetic measurement；magnetic sensor；sensitivity

V439

A

1006-7086（2017）05-0304-07

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.05.011

2017-06-12

“十三五”全軍共作信息系統(tǒng)裝備預(yù)先研究課題（No.31512030101）

銀鴻（1992-）男，甘肅武威人，碩士研究生，從事弱磁場(chǎng)探測(cè)和空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究。E-mail：1033826425@qq.com。