磁强计调研报告

磁强计调查总结
1、什么是磁强计：
磁强计(magnetometer）：通常指的是测量给定方向磁感应强度的仪表.按照全国科学技术名词审定委员会的公布的概念，磁强计:矢量型磁敏感器。

用于测定地磁场的大小与方向，即测定航天器所在处地磁场强度矢量在本体系中的分量.是测量磁感应强度的仪器。

根据小磁针在磁场作用下能产生偏转或振动的原理制成.而从电磁感应定律可以推出，对于给定的电阻R的闭合回路来说，只要测出流过此回路的电荷q，就可以知道此回路内磁通量的变化。

这也就是磁强计的设计原理，用途之一是用来探测地磁场的变化。

2、磁强计的发展历史、现状以及磁强计发展趋势]3~[]1[
磁场的测量有着悠久的历史。

在我国东汉时期学者王充的著作《论衡》中就有司南的记载.司南是磁罗盘的雏形，也是最原始的磁场测量仪器。

12 世纪初，我国已把磁罗盘用于航海。

然而在漫长的几千年内,人们只知道磁力及方向.
在西方，磁场的测量最早可以追溯到15世纪。

1600年,英国医生Gilbert 在他的著作中首先用应用科学的方法对磁现象进行了系统的探索，同时发现了地球本身是一个大磁体。

1785年，库伦提出了用磁针在磁场中的自由震荡周期来确定地磁场的方法。

1819年丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应。

1832年高斯提出了以长度、质量、时间为为基础的绝对测量地磁场强度的方法，由此磁感应强度的单位与长度、质量和时间的单位建立了一定的关系,使磁感应强度单位成为重要的物理单位。

1831年，法拉第发现了电磁感应现象,使磁现象与电现象建立了一定的量的关系.1873年，英国物理学家麦克斯韦在他的经典著作《论电与礠》中创立了严密的电磁场理论,从而为电磁场的测量奠定了理论基础.
20世纪30年代初，出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计.1946年由布格赫(F.B1ech)和柏塞尔(E。

M.PvrceH）同时发现的核磁共振现象,使磁场测量的精确度可能达到108-T；1962年约瑟夫逊(B.D。

Josephson)预言了超导结的隧道效应，并于次年得到实验的证实，从而使磁场测量的下限达到1015-T.近年来,由于有效地利用了自然现象的物理定律和物质的物理效应，加之半导体和电子技术的飞速发展，利用各种磁效应进行磁场测量的方法有了很大的进步，各种磁强计应运而生例如霍尔磁强计、磁通门磁强计、磁阻效应磁强计、磁敏效应磁强计、磁光效应磁强计、超导量子干涉磁强计等测.
目前比较成熟的磁场测量方法有：磁力法、电磁感应法、磁饱和法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法和磁光效应法等.依据这些方法, 相继实现了不同原理的各种磁强计。

到目前为止，磁场测量的范围已达到
1015-～103T。

随着现代科技的进步，磁强计的应用越来越广泛，已经广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古学等许多领域。

随着磁场应用范围的不断拓展，为满足特定工作环境内磁场的测量、强磁场及超强磁场的测量、弱磁场及微弱磁场的测量，以及间隙磁场和不均匀磁场的测量需求，必须寻求和应用新效应、新现象、新材料和新工艺, 进一步提高磁场测量仪器的水平，更新和发展精密的磁场测量仪器，如今磁强计正向着高准确度、高稳定度、高分辨率、微小型化、数字化和智能化的方向发展。

3、磁强计的分类
按照磁强计的发展历史和物理原理，磁强计可以分为三代：
（1）、第一代磁强计：利用永磁体与磁场之间的相互力矩作用原理或者利用感应线圈和辅助机械装置制作例如:机械式磁强计，感应式航空磁强计。

(2）、第二代磁强计：根据核磁共振特征，高磁导率软磁合金的磁通门原理，利用复杂的电子线路制作,如核磁共振磁强计、磁通门磁强计等。

（3）、第三代磁强计:根据量子效应原理制作，如核子旋进磁强计、质子磁强计、光泵磁强计、原子磁强计、超导量子干涉磁强计。

磁强计还可以按照其他的分类标准进行分类，比如：按照内部结构和工作原理磁强计可以分为机械式磁强计和电子式磁强等；按照磁强计所测得地磁参数和量值可以分为相对测量磁强计和绝对测量磁强计；按照磁强计的使用领域可以分为地面磁强计、航空磁强计、海洋磁强计以及井中磁强计等。

4、目前比较成熟的磁强计的原理]8~1[
（1）、磁力法磁强计
原理：磁力法磁强计是利用被测磁场中的磁化物体或通电线圈与被测磁场之间相互作用的机械力(或力矩）来测量磁场的一种经典方法。

按磁力法原理制成的磁场测量仪器可分为磁强计式和电动式的两类。

其中，以可动的小磁针(棒）与被测磁场之间的相互作用使磁针偏转而构成的磁场测量仪器, 按习惯叫法称为“磁强计”。

这种磁强计可以把磁场的测量直接归结为对磁针在所处水平面内运动的振荡周期和偏转角的测量。

利用磁强计能够测量较弱的均匀、非均匀以及变化的磁场，其分辨力可达109-T以上。

而利用通电线圈与被测磁场之间相互作用使线圈偏转的原理构成的电动法磁
场测量仪器。

（2）、感应线圈（电子积分器)式磁强计
原理:电磁感应法是以法拉第电磁感应定律为基础的磁场测量方法, 其应用十分广泛，.随着电子积分器和电压–频率变换器应用于以此法的实现, 其测量磁场的范围已扩大为1013-~ 103T, 测量准确度约为±( 0。

1～3)%。

探测线圈是电磁感应法磁强计的传感器，它的灵敏度取决于铁心材料的磁
导率、线圈的面积和匝数。

根据探测线圈相对于被测磁感应强度的变化关系，电磁感应法可以分为固定线圈法、抛移线圈法、旋转线圈法及振动线圈法。

固定线圈法主要用于测量交变磁场, 也可测量恒定磁场。

由于探测线圈不动, 线圈中的感应电动势是由被测磁场的变化引起的.抛移线圈法主要用于测量恒定磁场的磁感应强度.当把探测线圈由磁场所在位置迅速移至没有磁场作用的位置时，线圈中感应电动势的积分值与线圈所在位置的磁感应强度值成正比。

旋转线圈法（又称测量发电机法)和振动线圈法是电磁感应法的直接应用, 它们主要用于测量恒定磁场.
(3)、霍尔效应磁强计
原理:霍尔效应，霍尔效应是指当外磁场垂直于金属或半导体中流过的电流时, 会在金属或半导体中垂直于电流和外磁场方向产生电动势的现象。

（4）磁阻效应磁强计
原理：磁阻效应，是指某些金属或半导体材料在磁场中其电阻随磁场增加而升高的现象. 而所谓“磁阻”, 就是由外磁场的变化而引起的电阻变化。

磁阻效应在横向磁场和纵向磁场中都能观察到。

利用这一效应, 可以很方便地通过测量相应材料电阻的变化间接实现对磁场的测量.磁阻效应和霍尔效应一样, 都是由作用在运动导体中的载流子的洛伦兹力引起的.不同材料的磁阻是不同的。

基于上世纪七十年代问世的薄膜技术, 磁阻效应磁强计有了很大的发展,随之出现的薄膜磁阻效应磁强计.伴随着一些新材料的研制，人们又相继发现了巨磁阻(Giant Magneto—resistance———GMR）效应和巨磁阻抗（Giant Magneto- impedance-——GMI）效应，基于它们的磁测量技术也得到了较深入的研究。

巨磁阻效应是指在一定的磁场下电阻急剧减小的现象，一般电阻减小的幅度比通常磁性金属及合金材料磁电阻的数值高一个数量级。

以巨磁阻效应为基础制成的超微磁场传感器。

（5）、磁通门磁强计
原理：磁通门磁强计利用材料的磁饱和特性制造的磁强计，基于磁调制原理，即利用在交变磁场的饱和激励下处在被测磁场中磁芯的磁感应强度与被测磁场的磁场强度间呈非线性关系来测量磁场的方法。

这种方法主要用于测量恒定或缓慢变化的磁场; 其测量电路稍加改变，也可测量低频交变磁场。

磁饱和法分为谐波选择法和谐波非选择法两类。

谐波选择法就是只考虑探头感应电动势的偶次谐波(主要是二次谐波) , 而滤去其它谐波, 具体还可细分为二次谐波选择法和偶次谐波选择法。

谐波非选择法是不经滤波而直接测量探头感应电动势的全部频谱, 它又可细分为幅度比例输出法和时间比例输出法。

其中幅度比例输出法因所需测量仪器设备的结构比较复杂、稳定性较差, 没有得到推广。

近年来，随着磁通门传感器应用领域的拓展，为满足磁场“点”测量的需要, 利用微机械技术, 如各向异性腐蚀、牺牲层技术和LIGA工艺以及MEMS技术制作微型磁通门传感器，已经成为磁通门传感器构建和制造发展的必然趋势。

目前按基片材料划分的微型磁通门传感器主要有三种，分别是利用PCB 板、在非半导体（如钒、玻璃等）衬底上以及在半导体材料特别是硅衬底上加工制作的磁通门传感器。

（6）、磁共振磁强计
基本原理:塞曼( P。

Zee-man)效应原理，即在外磁场作用下原子的能级将发生分裂；如果交变磁场作用到原子上，当交变磁场的频率与原子自旋系统的自然频率同步时，原子自旋系统便会从交变磁场中吸收能量，这种现象就被称为磁共振。

由于频率测量可以做到非常准确，从而，利用磁共振法便可大大提高测量磁场的准确度。

用磁共振原理测量磁场的方法主要有核磁共振（NMR）、顺磁共振( EPR)和光泵磁共振等方法。

核磁共振法是利用具有角动量（自旋）及磁矩不为零的原子核作共振物质（样品) ，根据核激励方式和样品的不同, 它又可分为核吸收法（强迫核进动）、核感应法(自由核进动)及章动法（流动水样品）。

顺磁共振法是指利用顺磁物质中电子或由抗磁物质中顺磁中心的电子所引起磁共振的方法。

光泵磁共振法是利用原子的塞曼效应原理绝对测量弱磁场的一种精密方法，它是通过光(红外线或
可见光）照射物质，使物质的原子产生往复的能级跃迁，并最终使原子由低能级升到高能级.
（7）、超导量子磁强计(SQUID）
原理：约瑟夫逊效应,利用弱耦合超导体中超导电流与外部磁场间的函数关系而测量恒定或交变磁场的一种磁强计, 主要用于测量恒定的弱磁场.其
特点是具有极高的灵敏度和分辨力。

超导量子干涉器件（SQUID）是超导量子干涉磁强计的主要组成部分，就其功能来说是一种磁通传感器。

SQUID 根据所使用的超导材料，可分为低温超导SQUID 和高温超导SQUID；又可根据超导环中插入的约瑟夫森结的个数，分为直流超导量子干涉器件（DC—SQUID）和交流超导量子干涉器件(RF- SQUID）。

直流超导量子干涉器件(DC—SQUID）加有直流偏置，制成双结的形式；交流超导量子干涉器件(RF—SQUID）由射频信号作偏置，具体采用的是单结形式.
（8）、磁光效应磁强计
原理:基于磁光效应当偏振光通过磁场作用下的某些各向异性介质时, 会造成介质电磁特性的变化，并使光的偏振面(电场振动面）发生旋转, 这种现象被称为磁光效应.磁光效应法即是利用磁场对光和介质的相互作用而产生的磁光效应来测量磁场的一种方法。

根据产生磁光效应时通过介质(样品)的光是透射的还是反射的, 磁光效应具体又有法拉第( Farady）磁光效应和克尔(Kerr）磁光效应之分.磁光效应法可用于恒定磁场、交变磁场和脉冲磁场的测量。

近年来，随着基于磁致伸缩效应的光纤微弱磁场传感技术的发展, 光纤磁场测量仪器的灵敏度已可做得很高。

（9)震动样品磁强计（VSM）
原理：VSM采用电磁感应原理，测量在一组探测线圈中心以固定频率和振幅作微振动的样品的磁矩。

对于足够小的样品，它在探测线圈中振动所产生的感应电压与样品磁矩、振幅、振动频率成正比.在保证振幅、振动
频率不变的基础上，用锁相放大器测量这一电压，即可计算出待测样品的磁矩.震动样品磁强计实际上是一种感应线圈式磁强计。

综上所述,磁场测量的设备由于测量原理、测量范围、应用范围的不同而分很多种，将其特性列下表1所示：
6、几种MEMS磁强计的原理工艺及相关单位]21[~]9[
与传统的磁强计相比，微磁强计具有重量轻、研制周期短、造价低等特点.目前的MEMS 磁强计主要有霍尔效应式磁强计、磁阻式磁强计、磁通门式磁强计、隧道效应式磁强计、谐振式磁强计等.
（1）、MEMS磁通门式磁强计（MFGM）]13[
研究单位:(1．清华大学精密仪器与机械学系；
2．中国科学与技术大学国家同步辐射实验室)
作者：杨建中1，尤政1，刘刚2，康春磊2，田扬超2
原理：MFGM从原理上而言，是遵循法拉第电磁感应定律和磁通门效应
的。

MFGM的基本结构包括三个部分：磁芯、激励线圈和检测线圈，见图1.磁芯采用高磁导率、低矫顽力的软磁材料做成.激励和检测线圈都以螺线管的形式螺绕在磁芯上。

这种单磁芯的简单结构形式，测量的是环境磁场矢量沿传感器敏感轴方向的磁场分量。

Memsmag的设计：
下图2是依据磁通门原理设计的基于MEMS技术的磁通门磁敏感器（MEMSMag)的结构示意图。

这种微型磁通门磁敏感器结构具有对称结构、闭合磁路、差动形式、柔性连接等显著特点.
图2 MEMSMag的结构示意图
该微型磁通门磁敏感器采用氧化后的硅做基底。

磁芯呈方形形状的环状结构。

磁芯每边长5mm，横截面长400um，厚20um。

在拐角处为了降低磁
感应强度变化的剧烈程度，进行倒圆角处理(内半径20um，外半径420um).
图3 MEMSMag 的横截面结构图
磁芯的材料选用电镀工艺加工形成的镍铁合金软磁薄膜,其磁性能为各向同性,确保X和Y方向的磁芯结构、磁性能和电气性能等参数的对称。

采用电镀工艺，与溅射镀、蒸发镀等工艺比较，能够容
易实现10一20um等较大厚度的软磁性磁芯薄膜的加工，获得更大的磁芯横截面面积.由于磁敏感器的灵敏度和磁芯的横截面积成正比,这样采用电镀工艺，增大磁芯的横截面积，也就提高了灵敏度。

另一方面,磁通门式磁敏感器中,要求磁芯具有较大的有效磁导率、很小的矫顽力和较小的饱和磁场强度等磁性能。

而电镀工艺形成的镍铁合金镀膜，具有良好的软磁性磁学性能，完全符合器件性能的要求。

这种环形的结构形状对磁通来说具有闭合磁路。

和开路磁芯相比，具有闭合磁路的磁芯，对于磁通来说，由于软磁材料的磁导率远远大于周围空间空气的，所以磁力线几乎都在磁芯内部聚合,漏磁通极低，退磁场系数几乎为零.因此闭合磁路的方形环状磁芯几乎可以忽略退磁场的影响.磁芯的有效磁导率能够得到显著的提高,磁芯内的磁化强度和磁感应强度更容易达到饱和，形成更为陡峭的动态磁滞回线，只需要较小的凋制磁场就能实现对磁芯的过饱和磁化和励磁功耗的降低。

磁芯四周共12个匝数和旋向都相同的线圈，每边3个，每个38匝.以螺绕方式缠绕在被绝缘过的磁芯上.在利用微细加工工艺时，每个线圈都是在相同的工艺步骤中形成，所以电气参数都是相同的。

每一个线圈都可以作为激磁、检测或者补偿线圈。

线圈的旋向都相同，对于结构中心和两条正交轴线来说具有对称性.线圈的材料选用铜.底层的直导线每根长460um，宽15um，厚(高）10um；导线之间的间距30um，形成的节距(相邻两匝导线之问的距离)为45um。

线圈具有立体的螺绕形式。

平面线圈只能将一部分磁通包围在线圈内部。

如果采用平面线圈形式，为了达到过饱和励磁，就需要更大的励磁电流或者是更多匝数的励磁线圈，这不利于功耗的降低。

另外，对于检测线圈来说，未能将磁通全部包围在线圈内，为了获得感应电动势，就需要更多匝数的检测线圈，不利于尺寸的减小。

还有一个原因，平面线圈多和开路的磁芯联合使用。

对于开路磁芯来说，意味着较大的退磁场，和较小的表观磁导率,一方面降低了灵敏度，另一方面不利于磁芯的快速饱和.在磁芯和线圈之间由绝缘体材料填充,为一个
内含空腔的封闭结构。

绝缘材料选用光刻胶经处理后形成，起到隔离支撑和电气绝缘的双层作用。

在磁芯和底层导线之间的绝缘层厚度为10um，磁芯和顶层导线之间的绝缘层厚度也为10um。

在磁芯侧面，磁芯和立柱导线之间的绝缘层宽度为20um。

设计中将磁芯和检测线圈做成对称的差分形式，从结构上消除作为噪声的奇次谐波分量，加倍增强偶次谐波分量，提高输出信号中的信噪比。

并且考虑到退磁场的影响，将磁芯的磁通路径设计成环状的闭合形式,以此来降低退磁系数,提高视在磁导率，使磁芯更容易进入过饱和状态.构成差动结构的方式有两种,如图4和5所示。

一种方式是两个检测线圈分别螺绕在两个磁通反向的磁芯上，这时检测线圈内部的感应电动势正好是大小相等、极性相反,然后再将线圈同向串联。

另外一种方式是单个检测线圈缠绕在两个内部磁通反向的磁芯上。

图4 差动形式的构成方式(1）
图5 差动形式的构成方式(2)
在MEMSMag中采用第一种差动结构形式。

这样做的用意主要是考虑到
线圈的对称性。

如图6所示，顺时针的把十二个线圈分别标记为X
1、X
2
、
X
3、Y
1
、Y
2
、Y
3
、X'
1
、X'
2
、X'
3
、Y'
1
、Y'
2
、Y'
3。

这样X
1
和X'
1
就构成一
组线圈,其余同理。

通过这种形式，十二个线圈组成六组线圈对,具有相同的结构参数和电气参数,至于利用哪一组线圈作为励磁、检测和补偿线圈，可以根据应用需要在使用时决定，而不是在设计和加工时就确定，扩大了使用的灵活性。

磁芯的形状是方形的环状结构，具有对称性，选用各向同性的软磁材料，这样四条边的电磁参数都相同。

线圈的旋向相同，匝数相同,也具有对称性。

x方向的两条边构成一组双磁芯的磁探头，用于X方向磁场分量的测量；同样，Y方向的两条边构成另一组双磁芯的磁探头,用于Y方向磁场分量的测量。

由于磁芯和线圈是对称的,又具有差动结构,使得这种结构很容易形成一个两轴的磁敏感器,也可以形成一个一轴的磁敏感器，这主要是由于线
圈具有柔性的连接性能。

如果把线圈对X
1和X'
1
正向串联作为激磁线圈，X
3
和X'
3正向串联作为补偿线圈，X
2
和X'
2
反向串联作为检测线圈，就可形成
一个检测Y轴方向的一轴磁敏感器。

对另外三组线圈也进行同样的连接，也形成一个检测x轴方向的一轴磁敏感器.这样整个就形成了一个两轴的磁敏感器，可用于测量磁场强度在x和Y轴两个正交轴方向上的分量。

图6 MEMSMag的连结方式示意图
除上述连接方式之外，这种结构形式通过不同的连接方式还可以形成一轴磁通门磁敏感器结构，如表2所示。

表2 MEMSMag 中线圈的不同连结方式
（2）、MEMS 谐振式磁强计[]11[]9[、、
基本原理：谐振式磁强计基本工作原理是利用通电导线在磁场中产生的洛仑兹力来检测磁场强度的大小。

在悬臂梁中通过一定频率的交变电流，其频率等于悬臂梁的谐振频率，这样，当外界有磁场时， 悬臂梁中的电流将受到洛仑兹力的作用使悬臂梁产生振动，其振幅和外界磁场强度的大小成正比关系,通过检测振幅的大小，即可得到磁场强度的信息.由于其工作在谐振状态下,因此其振幅可以被放大 Q 倍，从而使检测精度和灵敏度得到大幅提高.
谐振式磁强计按照其结构基本可以分为扭摆式和水平式两种。

扭摆式谐振式MEMS磁强计：
单位:清华大学精密仪器与机械学系
作者:任大海，阎梅芝，尤政
结构：图7所示是结合国内MEMS 加工条件设计的基于扭摆结构的谐振式磁强计，它采用电容检测方式，扭摆式结构靠差动力矩驱动扭梁扭转，灵敏度高. 另外，由于谐振式磁强计要求具有高Q 值，若不考虑谐振器在空气中的阻尼，则Q 值主要取决于通过支撑结构将谐
振器能量传递到基底所损失的能量及由于机械结构阻尼所损失的能量。

扭摆式结构能够有效地减小上述2个方面的能量损失。

同时，在实际应用中, 由于机械结构总是有一定的质量，所以必须考虑加速度对检测输出信号的影响. 而扭摆由于其具有对称式结构,能够有效抑制重力及加速度产生的惯性力与磁场通过线圈产生的洛伦兹力之间的耦合,所以采用扭摆式谐振磁强计方案。

两端固支梁在加工过程中产生的应力较大,将严重影响器件的成品率,且当扭转角较大时,弹性系数随扭转角做非线性变化，所以设计了“L"形梁, 能够有效释放应力, 且当扭摆尺寸较大时,“L"形梁有利于系统稳固支撑.。

图7 谐振式磁强计的测量原理
水平式磁强计的结构运动方向与结构平面平行。

如1999年Robert Bosch公司的Emmerich H等人研制的水平谐振式磁强计，在谐振梁中通以交变电流并通过电容方式进行检测，如图8所示
图8 Robert Bosch公司研制的水平谐振式磁强计
清华大学的汤学华在2005 年研制了采用该原理制作的磁强计，并使用隧穿电流的方式进行检测，其原理如图9所示
图9 清华大学研制的水平谐振式磁强计
扭摆式磁强计可以制作多匝线圈，具有灵敏度高等特点，但是在采用电容检测形式时，电容极板位移和电容值变化之间是非线性关系，会对其性能产生较大的影响.而水平式谐振磁强计的位移是在结构平面内运动，当采用电
容方式检测时，其电容变化的线性度较好，并且制作相对简单，具有明显的优势。

（3）、隧道效应式MEMS磁强计
隧穿磁强计是一种利用量子力学中隧道效应原理测量磁场强度的新型磁强计。

水平式隧穿磁强计：
单位：（1．清华大学精密仪器与机械学系;
2．河北半导体研究所微米／纳米中心）
作者:汤学华1，何洪涛2，罗蓉2，李倩2，郭荣辉2，吝海峰2
特点：是磁场产生的洛伦兹力方向和磁强计敏感元件（质量弹簧系统)的结构平面在同一水平面内。

原理：图10为水平式隧穿磁强计表头的结构原理图。

这种磁强计的工作原理是：首先由梳齿电极将质量弹簧系统往左边拉一个期望位移,约为4um （检测电极与硅尖之间的原始距离为4um）,使得检测电极与硅尖之间的距离为1 nm(即隧道间隙为1 nm），此时在驱动电压的作用下，产生约1.4 nA的隧道电流，然后再给线圈通上交流电，通电线圈在被测磁场(磁场方向垂直于纸面)的作用下将产生洛伦兹力，该力使质量弹簧系统作谐振运动,导致隧道间隙发生变化，使得隧道电流的大小也跟着变化，通过测量隧道电流的变化量可以确定磁场强度的大小.。