磁敏材料与磁传感器ppt课件.ppt

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1、磁敏材料与新型磁传感器,磁传感器： 对磁参量敏感的器件或装置， 具有把磁学量转换为电信号的 功能。磁场参量主要包括磁场 强度、磁感强度、磁通、磁矩、 磁化强度、磁导率等。磁敏传感器的种类： 质子旋进式、光泵式、超导量 子干涉器(SQUID)式、磁通门式、 感应式磁敏器件、半导体器件 (霍耳、磁敏二极管、磁敏晶体 管、磁敏电阻)、机械式等。,1. 概述,以磁性材料为主体，磁敏器件把磁场强度转换成电压、电阻等电量，与相应检测技术结合构成不同传感器 从10-14T25T以上的强磁场，都有可用的相应器件。 磁传感器在197080年代形成发展高潮，1990年代进入成熟和完善期。 发展中的新型磁传感技术得

2、益于如下方面：IC技术的应用 应用IC技术，已开发出磁敏电阻电路、巨磁阻电路等多种功能性的集成磁敏器件。InSb薄膜技术开发成功 使霍尔元件产量大增，成本大幅下降. 强磁性合金薄膜 在与薄膜表面平行的磁场作用下，以坡莫合金为代表的强磁性合金薄膜的电阻率呈现出25的变化。,1. 概述,1. 概述,巨磁电阻多层膜 由不同金属、不同层数和层间材料的不同组合，可制成不同机制的巨磁电阻磁敏器件。它们呈现出随磁场变化的电阻率，比单层的各向异性磁敏电阻器的变化要高出若干倍。采用各种不同成分和比例的非晶合金材料及各种工艺用非晶合金的高导磁率特性和可制成细丝的机械特性，取代坡莫合金芯用于磁通门等器件，其性能得到

3、很大改善。V族半导体异质结构材料 用这种材料制作霍尔元件，其灵敏度在296K时达22.5V/T；灵敏度的温度系数也有大改善，用恒流驱动时为-0.0084/K。,1. 概述,每年所需的磁传感器数以十亿计，主要应用方面如下:(1)电机：转速、转矩、电流(2)电力电子技术：监测、控制和保护大功率器件的各种电流传感器(3)能源管理：自动监控系统的各控制环节都可利用以磁传感器为基础的电流传感器、互感器等来实施。(4)磁信息读写 (5)汽车工业：电机、ABS(防抱制动系统)、点火定时用的速度传感器及点火器。(6)工业自动化、机器人、办公自动化、家电及各种安全系统等,2. 磁性材料及其效应,1. 半导体材料

4、的霍耳效应（略）2. 非磁体的磁电阻效应 在通电流的非磁金属或半导体上加磁场时，其电阻值变化。此现象称磁致电阻变化效应或洛仑兹(Lorentz)磁电阻效应，简称磁电阻(MR)效应。产生原因：磁场改变载流子的漂移路径，使得与外加电场同向的电流分量减小，等价于电阻增大。通常，以磁场引起的电阻率相对变化度量磁(电)阻效应。物理磁阻效应：弱磁场中材料电阻率随磁场增大的效应几何磁阻效应 ：磁电阻效应与样品形状有关，不同几何形状的样品，在相同强度磁场作用下，其电阻不同。这种只由半导体形状引起的磁阻效应称几何磁电阻效应。,2. 磁性材料及其效应,3. 各向异性磁电阻效应 具有高磁导率的金属称强磁性金属，如N

5、i-Fe,Ni-Co基合金。强磁场中其电阻率随磁场增强而减小，称强磁阻效应。 在弱磁场中，当磁场强度大于某值时，强磁性金属的电阻率与磁场强度无关，只与磁场和电流间的方向角有关，磁阻呈各向异性，此现象称为定向（或各向异性）磁阻（AMR）效应，也即与外磁场方向平行的强磁性金属磁敏电阻的电流方向的电阻率/和与外磁场方向垂直的电流方向的电阻率发生变化的效应。 AMR效应源自各向异性的散射。强磁性磁阻器件主要利用AMR效应。,2. 磁性材料及其效应,4. 巨磁电阻(GMR)效应 于1988年在Fe/Cr多层膜中被发现。最初是(100)GaAs基片上用分子束外延(MBE)生长的单晶(100)Fe/Cr/F

6、e三层膜和Fe/Cr超晶格薄膜，发现在4.2K低温时Cr层厚度为0.9nm的膜中，加磁感应强度为20kx79.578A/m)的外场使相邻Fe层的磁矩平行排列，相对不加外场时相邻Fe层磁矩反平行排列的情况，电阻值下降一半，即磁阻变化了50。这一结果远远超过多层膜中Fe层磁阻效应(MR)的总和，故命名为巨磁电阻效应。类似效应：庞磁电阻(CMR)效应、巨磁阻抗(GMI)效应,2. 磁性材料及其效应,5. 磁弹性效应和磁致伸缩 某些铁磁物质在外力作用下，其内部产生机械应力引起磁导率改变，此现象称磁弹性效应（例如压磁效应）。相反，某些铁磁物质在外磁场作用下会变形，有些伸长，有些压缩，这种现象称磁致伸缩。

7、 当材料受拉时，在受力方向上磁导率增高、在与作用力垂直的方向上磁导率降低的现象称为正磁致伸缩。与此相反，某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而垂直方向上磁导率增高，这种现象称逆磁致伸缩。6. 非晶态合金（另外章节详细介绍） 这是一类新型电磁功能材料，它不仅有独特的微观结构和优良的宏观性能，且有丰富的敏感功能和物理效应,3. 磁敏元件和磁传感器,3.1 强磁性金属薄膜磁敏电阻及传感器1）磁敏电阻工作原理 基于强磁材料的磁致伸缩效应制成。利用真空镀膜或溅射技术在氧化铝、二氧化硅等绝缘基片上形成Ni-Co合金等强磁体金属薄膜；再刻蚀成如下图形。该图形的膜置于磁场作用下，当磁场方向与图形金属条平行

8、时，金属条呈正磁致伸缩效应，其阻值R|增大；磁场方向与金属条垂直时，金属条呈负磁致伸缩效应，其阻值R减小；当磁场方向与图形金属条夹角呈45度角时，则金属条无磁致伸缩效应，其阻值无变化； R|和R阻值变化量大小相等、 方向相反。当磁场方垂直于图形 平面时，其阻值不变。,强磁性金属薄膜磁敏电阻刻蚀图,当无磁信号或磁信号的磁场方向与金属条成45角时，强磁性金属膜的磁敏电阻RARBRO，RA与RB电阻条相互垂直。其阻值变化与磁场强度H变化的关系曲线如图示。该曲线分三部分：第一部分为零至Hr段，为不可逆段，即H、R|、R与H、R|、R是不可逆的，这是磁滞所致。Hr称可逆磁场强度，约为1 mT；第二部分为

9、Hr至Hs段，该段是线性很好的一段；第三部分为Hs 后段，为饱和段。在该段其阻值不随磁场强度变化而变化， Hs称为饱和磁场强度。 Hs因材料和工艺条件不同而异。,RA、RB阻值与磁场强度H的关系曲线,2）磁敏电阻的特性 对磁场强度敏感：在弱磁场下有较高灵敏度。从上图可知这种元件对磁场强度敏感。当信号磁场在元件饱和磁场强度以下、电源电压为6VDC时，场强灵敏度可达1 mV/mT。 方向性强：强磁性金属膜MR在弱磁场下无洛伦兹力和霍尔效应 信号磁场垂直于元件图形平面时对元件无作用，有磁屏蔽作用；信号磁场方向平行元件图形平面，并与元件金属条及电流方向夹角为零度(即R|)时，元件阻值变为最大，角度为9

10、0(即R)时，元件阻值变为最小；为45时不变，有RARBRO。 元件在信号磁场作用下阻值变化量为RR| (在饱和磁场下)；阻值变化率即元件灵敏度，为R/R46，R与元件的材料及制作工艺条件有关。,元件的等效电路如图所示。磁场方向与金属条夹角为任意角度时有： UB ()=Ucc/2 cos(2)UccR/(4R0)B点输出电压变化量为：UB ()=-cos(2)UccR/(4R0) 可见，当元件和电源电压选定后，R/R0与Ucc均为常数，UB()的变化只与角度变化有关。Ucc6V时，灵敏度为13 mV/度。UB()与角度变化关系曲线如右图所示。峰值Upp在90270mV，精度为1FS，在Upp的

11、80处精度为0.5，在Upp的20处为0.1，分辨率为0.001。在饱和磁场情况下，磁体与元件的距离在020mm范围内，输出电压不受距离变化的影响。,等效电路,U0与H关系曲线图,饱和特性：元件阻值随外加磁场强度增大而增加，当信号磁场强度大于元件饱和磁场强度时，信号磁场强度的变化对元件无作用，这时元件对磁场强度有限幅作用。利用该特性可检测磁场方向变化，如GPS导航系统、地磁场角度变化等。 倍频特性：从输出式和波形图可知，元件对旋转磁信号有2倍频作用，输入一个脉冲磁信号，输出2个脉冲磁信号。对转体材料，可提高精度50。,温度特性：全电阻温度系数：2.610-3；输出电压温度系数：2.610-4；

12、工作温度范围宽：模拟量为-20100，开关量为-40200； 温度系数线性好，易于补偿。其它特性：频率响应高，工作频率范围为010MHz。抗冲击振动，环境适应能力强。元件本身在信号磁场作用下，可随意使其阻值增大或减小，可使灵敏度提高一倍。应用：已用于磁敏无触点开关、转速、流量、液位传感器、汽车点火器、角位移传感器、线位移传感器等。,例1：NiFe-NiCo合金薄膜磁阻元件及电流传感器,NiFe-NiCo合金Barber结构桥式电路磁阻元件有灵敏度高、工作频率特性好、温度稳定性好、结构简单、体积小等特点，可制成高密度磁阻磁头、磁性编码器、磁阻位移传感器、磁阻电流传感器等。1）结构和工作原理利用薄

13、膜工艺和微细加工技术，将NiFe-NiCo合金用真空镀膜或溅射工艺制作在硅片或铁氧体基片上，通过微细加工技术制成一定形状的磁阻图形，形成三端式、四端式以及多端式器件。 将各向异性磁阻效应完全相同的薄膜磁阻条A、B、C、D按下图所的方式连接成Barber (理发店招牌）结构的桥式电路。,磁阻元件结构示意图和等效电路图,由于电阻变化为对称曲线，在45附近存在一个线性区。在元件制作时，使AMR薄膜中的电流以45方向流动，如图所示(惠斯通电桥中的4个AMR电阻)。在薄膜宽度方向上制备低电阻材料层实现薄膜之间的电路，利用电流趋向于最短路径通过AMR薄膜的特性，控制电流以45角流过薄膜条。,AMR元件的“

14、理发店招牌式偏置”,AMR磁阻变化率与角度之间的关系,当外磁场H与薄膜平面平行，并与电流流向成角时，其电阻R()将随变化，出现各向异性变化，各磁阻条A、B、C、D的电阻为 R()AR()CR|sin2(+45)+ Rcos2(+45) R()BR()DR|sin2(+135)+ Rcos2(+135) = R|cos2(+45)+ Rsin2(+45) R()A+R()BR()D+R()CR|+ R, , 所以桥式电路输出端表达式为 U()=0.5(RR0)Uicos2 其中：RR| - R，R0(R|+ R)/2。R/R0为各向异性磁阻比，由材料本身所决定。 可知，不管作用于薄膜平面内的磁场

15、方向如何改变，磁阻条A和B、C和D连接成的总阻值保持不变，从而有较宽频带，达100MHz。,为保证无外加磁场时薄膜桥式磁阻输出信号为零，可采用激光修正附加电阻元件的方法，如下左图所示。为改善器件的工作稳定性、线性度，扩大磁敏器件磁场检测范围,可采用磁偏置技术，但一定程度上降低了器件的灵敏度，如图所示。,磁阻元件的结构,元件在磁偏条件下的工作特性曲线,MR磁敏器件的特点和应用领域,4. 巨磁电阻效应及传感器,1）巨磁阻（GMR）效应 一般磁阻材料的R/R最大约6，巨磁阻材料引起的R/R可达50以上。一般的磁阻现象是洛伦兹力作用的结果(运动载流子在电流方向发生偏转，使阻抗增加）。巨磁阻效应基于磁介

16、质材料中的电子流动方式。这类材料中，螺旋运动方向与主磁场方向(磁矩)相反的电子所受散射作用比运动方向和主磁场相同的电子大得多。 已发现，将某些磁性材料(如铁和钴)与薄的非磁材料(如铬、铜、银)按精确厚度层叠，会制成连续的“反铁磁”耦合，即相邻磁性层间的磁化方向相反。典型情况为纳米级磁层和非磁层交互层叠，如15层Co(3nm)/Cu(5nm)/NiFe(3nm)/Cu(5nm)。电子通过巨磁阻材料时，每进入一层磁性材料就受到一次散射作用；电子的平均自由路径比非磁层的厚度长。但是这种反铁磁耦合效应，能被充分高的外磁场克服。当外磁场使GMR材料各层的磁化方向很大程度上趋于一致时，有一半电子的散射作用

17、大大减小，导致电阻大幅下降。,由下图可看出电子散射在反平行与平行磁场条件下的不同，电子磁力矩方向与局部磁力矩方向相反时更容易散射。,图 多层薄膜的巨磁阻效应,2）巨磁阻效应的二流体模型解释： 对自旋平行和反平行排列的两种磁状态所测量的电阻存在明显差别，这种情形能用电阻网络直观表示，如图所示。低阻态表示大电阻和小电阻并联，有一低电阻通路，高阻态则表示为大电阻和小电阻串联后并联，无低电阻通路。 除在具有反铁磁耦合的多层膜中观察到GMR效应外, 非耦合型的夹层膜也可出现GMR效应。如自旋阀结构型的夹层膜,利用两磁性层矫顽力不同或一磁层的磁矩由反铁磁耦合被钉扎,而另一磁层的磁矩则由外场来调节, 从而使

18、两磁层的磁矩反平行或平行排列,获得磁电阻的变化。,多层膜铁磁层磁矩的排列状态及其等效电阻,3)自旋阀结构 考虑到磁头及传感器等方面的应用对低饱和磁场GMR材料的需要，制出了铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层自旋阀(spin valve)结构 下图为典型自旋阀结构图。它主要由铁磁层(自由层F)隔离层(非磁性层NM)/铁磁层(钉扎层)/反铁磁层AF组成。自旋阀中出现巨磁电阻效应必须满足的条件：传导电子在铁磁层中或在铁磁/非铁磁(F/NM)界面上的散射几率必须是自旋相关的；传导电子可来回穿过两铁磁层并能记住自己身份(自旋取向)，即自旋自由程、平均自由程大于隔离层厚度。,(a)典型的自旋阀结构；(b)自

19、旋阀的磁滞曲线；(c)磁电阻随磁场的变化曲线,(a)顶自旋阀 (b)底自旋阀 (c)不同铁磁层的自旋阀,上面右图中C图为磁电阻随磁场变化曲线，未加磁场时，由于在制备自旋阀时基片上外加了一偏置磁场，两磁性层磁矩平行排列，这时自旋阀电阻小；在外加反向磁场作用下，自由层首先发生磁化反转，两磁性层磁矩反平行排列，自旋阀电阻大。自旋阀电阻大小取决于两铁磁层磁矩(自旋)的相对取向，因此称为自旋阀。 自由层反转磁场由各向异性场和通过非磁性层产生的耦合作用引起的矫顽场(HC1)和零漂移场(Hf)决定。这里零漂移场指由钉扎层和反铁磁层引起自由层交换耦合引起的偏置场时，钉扎层发生磁化反转，自旋阀电阻变小。 为满足

20、应用要求，需要低饱和场、稳定性好、GMR效应大的自旋阀。目前自旋阀面临的最大问题是抗腐蚀和热稳定性问题。注：目前所有模型都只能对GMR效应的作用机理作定性解释, 无定量模型。故实际应用中必须根据现场实验结果标定传感器的特性。,4）巨磁电阻传感器的应用,GMR传感器从实验室到应用仅用6年时间。1994年IBM公司研制出基于GMR效应的磁记录读出头, 随后成功用于微弱磁场检测随机存储器、位移、速度等方面。相对其它磁敏器件，GMR体积小、灵敏度高、能抗恶劣环境, 虽还有理论问题没解决, 但应用前景广。,部分磁敏传感器的磁场测试范围及市场价格,（1）GMR电流传感器的原理 GMR效应电流传感器普遍用电

21、桥式结构设计传感头(如左图)。GMR为自旋阀结构多层膜,软磁材料对电阻4起屏蔽作用,对电阻3则起聚磁作用。该结构有助于提高传感器输出灵敏度。 实用传感器放置方式如图3。即保证GMR的敏感轴方向与电流导体相垂直, 使电流产生的磁场方向与GMR的敏感轴方向相同。,GMR传感器的结构图 GMR电流传感器方案,以此结构研制成高线性度GMR电流传感器,在15.92kA/m 的磁场范围内线性度高达0.99993, 下图为实测结果。目前已研制成可测量010000A 电流的GMR电流传感器, 其响应频率达1MHz。 各公司GMR传感器的性能见下表。,（2）GMR 传感器在电力系统中的应用 基于GMR效应的电流

22、测试系统结构见图5,虚线表明其供电方式，有多种,实用中通常取某一种。图中传感元件为GMR传感器, 可参考前图放置方式。传感器输出信号为电压, 用A/D转换其为数字信号,经光纤传输数据到低压侧，再经光电转换及D/A转换后即还原成模拟电信号送入相应的测量、继电保护设备。该电流测试系统尚在实验研究,测试结果可满足0.2级TA准确度要求, 但最终准确度等级还需在电力系统的实际测量中来确认。,利用这种GMR传感器的高线性特性也可测量位移。如图所示,在滑杆下放置一圆柱形永磁体, 位置A与位置B在磁场的线性变化区域内。当GMR传感器在A、B之间滑动, 就会得到一条线性变化的曲线, 通过调试和电路显示, 就能

23、将GMR传感器的电压变化显示为位移的变化。目前, 这种位移传感器测量位移灵敏度可达到1m以下, 适合于高精密数显机床、精密点胶机等。,GMR 位移传感器,5. 超巨磁阻效应,1993 年，Helmolt 等在LaBaMnO3 薄膜中观察到更巨大的负磁阻效应，其MR效应可达105106，这预示了巨磁电阻效应的研究不仅由金属、合金样品扩展到了氧化物材料，还提出许多前沿的物理问题，无疑将对巨磁电阻材料的实际应用起到巨大的推动作用。 随后的研究发现，掺杂稀土锰氧化物在磁场作用下的反常输运性质不同于金属磁性超晶格样品中的巨磁电阻效应，而是与氧化物高温超导体中电子的强关联和输运更相近。因而掺杂稀土锰氧化物

24、的磁电阻随外磁场变化的现象又称为超巨磁电阻效应（Colossal Magnetoresistance, CMR），并与强关联物理联系在一起。,CMR传感器可用来探测地磁场。地球表面的磁场大约0.5Oe，地磁场平行于地面并指向北方。当可以同时探测平面磁场X和Y向分量的CMR磁场传感器固定在交通工具如船、车辆上时，瞬间航向与地球北极夹角可通过CMR传感器的X和Y向电压的相对改变而确定。原理如图，CMR传感器随船舶运动，船航行的方向改变，传感器与地磁场方向的夹角也随之改变。相对而言，地磁场方向在变。,利用CMR 效应可制作数字脉冲式传感器，以测量角速度、角位移。 在汽车工业中，这种数字脉冲式CMR

25、传感器可用于ABS防爆刹车系统，用于测量车轮在不同情况下的角速度。 与AMR、GMR 材料相比，CMR 材料具有更大地磁电阻变化率。它不但克服了AMR 材料固有的巴克豪森噪声，而且能耐高温、抗腐蚀。此外，现代先进的半导体集成工艺又可使得CMR 传感器的体积非常小。这种体积小、灵敏度高、低成本且适应恶劣环境的CMR 传感器无疑大大拓展了传感器的应用空间。,6. 超导量子干涉器件(SQUID)*,SQUID(也称约瑟夫逊干涉仪)是将磁通量化现象和约瑟夫逊隧穿现象相结合的磁通-电压转换器。磁通量化：指超导环中的磁通为磁通量子0=h/29=2.068fWb的整数倍, 超导性意味着零电阻。 约瑟夫逊隧穿

26、现象是两个用薄(1nml0nm)绝缘层(约瑟夫逊结)隔开的超导体之间，在无任何压降的情况下由隧道效应引起的电子流。 高于临界电流Ic时，约瑟夫逊结仍具有一定的电阻。超导电流Ic的大小取决于结上磁通，且随磁通呈周期变化。在n0 (n是任意整数)处呈现最大电流，在(n+1/2)0处则呈现最小电流，周期为0。大的磁通将减小Ic。,水银的电阻温度特性曲线,约瑟夫逊效应伏安特性曲线,若超导材料形成一个环，则超导环链合的可变磁场的任何磁力线都会感应出超导电流。若超导环被约瑟夫逊结中断且偏流超过Ic(通常为2Ic)，由约瑟夫逊效应，根据结两端的周期电压可测超导电流。 依据偏流情况，有直流(DC) SQUID

27、和射频(RF) SQUID。RF SQUID利用单一约瑟夫逊结。DC SQUID利用超导环上并联的两个匹配约瑟夫逊结。两种情况下，与每个结并联的电阻都能消除其I-V特性的滞后现象，并有与SQUID呈电感耦合的输入线圈。这个输入线圈可与磁场检测线圈相连，以便在更大的范围聚集，或者输入线圈可与待测量的电压或电流相连。,大多数直流SQUID都工作在负反馈环内，反馈环将频率为fm(100kHz500kHz)的调制磁通加到SQUID上。若调制磁通为0/2，当SQUID中的准静态磁通为n0时，输出电压是输入信号的整流形式，即输出电压频率为2fm，所以只对频率为fm的信号进行检测的放大器将产生零输出。若准静

28、态磁通为(n+1/4)0，则输出电压频率为fm，输出达最大。输出电压经冷却变压器或经LC电路耦合后，接相干解调器的交流放大器上解调或检波。,SQUID检测的并非磁场绝对值，而是磁场在某个任意强度下的变化。它们的工作需要低温。不过，在其他方面则极其灵敏并有极佳的线性、直流响应和达数兆赫的带宽。其低频响应受1/f噪声限制。带负反馈的SQUID能实现180dB的动态范围。对于10mm2的典型面积，磁通周期0对应于200pT的磁通密度周期。,应用：SQUID用来测量磁场(磁强计)及其梯度(梯度计)、磁化率以及可转换成磁通量的任何物理量，如电压、位移。 SQUID常用于古磁学(测量岩石样品的磁场取向)和

29、大地电磁学(根据地壳的磁场和电场来测定地壳的电阻，用于油田勘探)，以及用于分析高温超导体的属性。因具有直流响应和高灵敏度，在无损检测方面优于涡流传感器。 医学方面，SQUID通过心磁波造影，可检测由人体内部离子电流产生的微弱磁场、绘制大脑功能图、确定失调神经细胞活动部位，不仅能据供结构信息，亦能提供功能信息。它们还能跟踪人体中吞咽下的磁性材料和测量肝脏中铁的磁化率。,SQUID仪器的特性,典型直流SQUID电路,7. 隧道磁力计,隧道传感器用来测量微机械器件的微小运动，这种方法可用于多种传感器中，作为精密测量的工具。Millier等(1996)应用这种原理实现的微机械隧道磁力计的分辨率可以达到

30、nT级。该器件是针对航空应用而设计的。在航空应用中，低功耗、低体积质量比是关键的设计准则。对比需要低温的超导体量子干涉仪，这种设计因其低功耗而备受青睐。 带有隧道反电极的2.5X2.5mm2低应力氮化硅薄膜在静电力作用下不断向隧道尖端靠近，直到闭环控制电路锁定在预先确定的隧道电流（从非常尖的顶端通过一个很窄的间隙形成隧道电流）上。薄膜的另一面加工有三圈薄膜线圈，采用振荡电流对其进行激励，产生的洛伦兹力由下式给出：,采用振荡电流对其进行激励，产生的洛伦兹力由下式给出： F=NLwIBsin() 式中，N为线圈匝数；Lw是由柔性薄膜支撑的线圈部分的长度(注意不是自感应系数符号)，单位：m；I是线圈

31、电流，单位：A；为磁场矢量与薄膜上的线圈部分之间的夹角。 隧道电流大约为1nA，间隙灵敏度小于100fm。在交流激励下(频率大约200Hz)，产生的洛伦兹力也发生振荡，这样可通过同步检波探测静态磁场(同步检波抗低频噪声的能力很强)。相应于最小可探测磁场的等效噪声带宽(NEB)是6.6T/ 。不包括外部电路，隧道磁力计大小为10l00.6mm3，功耗100dB，带宽10 kHz。在增加线圈匝数和加大偏置电压后，理论分辨率大约可达约lnT。 虽然迄今为止隧道磁力计在商业方面的应用还很少，但其高性能意味着在某些应用领域，相对于其他器件如SQUIDs，有很强的竞争力。,8. 磁通门传感技术,磁通门现象

32、是一种普遍存在的电磁感应现象，磁通门传感器是一种稍加改造的变压器式器件。 磁通门传感器利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。与其他类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨率高(最高可达10-11T)、测量弱磁场范围宽(在10-8T以下)、可靠、简易、经济、耐用、能直接测磁场分量和适合于在高速运动系统中使用等特点。 自1930年代问世以来，磁通门得到了不断的发展和改进，广泛应用于各领域，如地磁研究、地质勘探、武器、侦察、材料无损探伤以及空间磁场测量等。,基本原理：基本的磁通门传感器由铁磁性铁心和耦合线圈组成。外部磁场He在平均面积为A的磁心

33、中产生的磁通密度为Be0He，磁通为BA。对低强度场，B和Be成正比，BaBe，其中，a是有效磁导率。B的变化将在N匝耦合线圈中感应出电压： vo=NA dB/dt (1)由B0(H+M)0rH=aBe得: MH(r-1) (2) 内磁场可表示为 HHe- DxM (3)式中，D是退磁因数。对上式中的求解得 a=r(1+D(r-1)-1 (4) 若r随时间改变，对式(1)取导数，得 vo=NABe(1-D)(1+D(r-1)-2dr /dt (5),改变r的方法之一是利用交流激励使磁心周期性饱和。由于高r材料能使磁力线集中，而低r材料无此功能，所以交流激励可使磁通集中器或磁通闸门接通和切断。

34、如果下图中的激励电流是频率为f 的正弦电流，由于每半周期磁心将饱和，故耦合电压包含f的偶次谐波。按式(5)，谐波的幅度与沿检测轴的(低频)磁通密度Be成正比。随后的电子线路采集二次谐波并对其幅度解调，因而取名为二次谐波传感器。,图 磁通闸门传感器至少包括一个激励线圈、一个耦合线圈和一个软铁磁性铁心,磁通门传感器探头磁芯材料：磁通门传感器探头要求磁芯材料具有很高的导磁率，很小的矫顽力，磁滞回线为窄而陡的非矩形曲线。这样该磁滞回线对外磁场变化十分敏感，外磁场H有微小变化，就引起磁感应B显著变化。另外，还要求材料有尽可能少的结构缺陷、小的内部应力、均匀截面、光滑表面。低饱和磁化强度有利于降低功耗，高电阻率有利于减少涡流损耗，小的磁致伸缩系数可提高传感器的信噪比。适合磁通门的磁性材料主要是坡莫合金(7880的Ni)和非晶态磁性合金，由于铁氧体材料制成的磁通门传感器的灵敏度低而很少采用。,