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基于磁电效应的磁场传感器
1.磁场传感器的概述
在20世纪初磁传感技术就开始发展起来。磁场传感器能够将磁信号转化为电信号。转化的过程一般涉及磁场和电子的运动，自旋-轨道耦合之间的相互作用，或者基于磁场对原子能级，超导电流和材料畴结构的影响。如图1所示，磁传感的典型应用包括：空间磁场探测、地磁异常探测（国防应用）、工业自动化，手机导航、生物磁探测以及磁存储。不同的磁场探测场景对磁传感器的性能要求差异较大。一般衡量测传感器性能的核心参数是：探测极限（LoD: Limit of Detection）、分辨率（Resolution）和灵敏度（Sensitivity）。表1给出了它们的含义和单位。
表1 磁场传感器的代表性性能参数
参数
单位
含义
LoD
pT/√Hz
在特定工作频率的磁场噪声水平
Resolution
T
最小可探测的磁场
Sensitivity
V/T
单位磁场对应的电压信号输出
图1. 磁场传感器的典型应用。不同的应用场景对应的磁场探测范围从宏观尺寸直至微观尺寸。此外，不同的磁场探测场景对磁传感器的性能要求差异也比较大
注意一般磁性系统的单位使用比较混乱，目前公认的是国际单位SI制，但是由于历史原因，实验中常常使用高斯制CGS。在磁传感器中主要涉及磁通密度B（特斯拉：T）和磁场强度H（A/m）。高斯制中两者的单位分别为:高斯（Gs）和奥斯特（Oe）。从Oe到T 的转换公式：
$$μ_0*1 Oe =1 Gs=10^-4 T\tag{式1}$$
注意在高斯制中真空磁导率μ_0=1。一般生物磁测量和一些国防应用对磁场测量的噪声水平要求达到0.1-10 pT/√Hz[1]。但是文献中常常会混着使用磁场噪声和磁场分辨率这两个参数。表1中的三个参数是可以通过测量系统的等效噪声带宽（equivalent noise bandwidth ：ENBW）进行关联的：
$$LoD = \frac{(Resolution(T))}{\sqrt{ENBW(Hz)}}\tag{式2}$$
所以一般在谈及传感器的分辨率和噪声水平的时候需要指明测试仪器的参数设置和等效噪声带宽。对于锁相放大器和频谱分析仪，低等效噪声带宽带来的代价是长的数据采集时间（积分时间，时间常数）。传感器的LoD在文献中更多的又可以表达为：
$$LoD = \frac{(Voltage Noise Floor(V/(\sqrt{Hz})))}{\sqrt{sensitivity(V/T)}}\tag{式3}$$
但是需要说明的是式3中电压噪声水平和灵敏度往往使用的是不同的仪器测量得到的结果，在不能确定传感器的线性度和线性范围时需要慎重使用该式。除了这里谈论的三个性能参数，其他相关的性能参数主要包括：带宽，线性度，测量范围，功耗，体积，成本，温漂和零漂[3]。
2.磁电磁场传感器介绍
图2.（a）在450 Oe偏置磁场下，PMN-PT/Tb1−xDyxFe2磁电复合材料对1 Hz 和77.5 kHz (谐振频率)的磁场灵敏度的测量[3],（b）AlN/FeCoSiB MEMS磁电悬臂梁的谐振磁场探测水平[4]
经过近三十年的发展，磁电复合材料中超强的磁电耦合能力为实现其在磁场传感中的应用奠定了坚实基础。作为一个声学共振器件，磁电复合材料在谐振频率表现了优异的磁探测性能。2005年，董蜀湘等人在推拉模式（push-pull mode）的PMN-PT/Tb1−xDyxFe2磁电复合材料已经获得了1.2 pT谐振磁场的分辨率（图2(a)）[3]。如图2.(b)所示，利用MEMS磁电悬臂梁结构，E. Yarar等人在2016年更是报道了接近400 fT/√Hz的谐振探测极限[4]。虽然磁电传感器的谐振探测极限可以接近fT的水平，但是谐振磁传感器的一个突出问题是窄的带宽（<100 Hz）。此外工程实际中往往应用更为广泛是准静态的直流磁场探测（0.01-1 Hz）和低频磁场探测（1-100 Hz）。
图3.（a）早期磁电Bimorph的低频（1Hz）磁探测性能[5]，（b）工作在多重推拉模式下（2-1）型FeBSiC/piezofiber磁电复合材料的低频磁探测性能[6,7]
图3给出了磁电传感器的低频（1 Hz）探测性能。早在1987年，M. D. Mermelstei就利用非晶金属带和PZT-5A制备了一个磁电的Bimorph结构（见图3(a)插图）[5]。该结构中两端自由，中部固定。利用逆磁电效应，该简单的结构在1 Hz下成功获得了8.7 pT/√Hz的磁噪声水平[5]。利用多重推拉模式的2-1型磁电复合结构在低频下超高的磁电耦合性能，并通过优化整个测试系统的噪声水平，2011年汪尧进等人的实验测试结果表明（图3(b)）：在被动条件下，等效的低频磁场噪声可以低至5.1 pT/√Hz[6,7]。此外，最近几年学者们也提出利用压磁材料磁滞伸缩的非线性特性可以将低频磁场信号调制到磁电传感器的谐振频率，从而可以通过磁电传感器的谐振增强特性来获得高的低频探测性能[8-10]。
图4.（a）磁电NPR的谐振频率和外加直流磁场的关系。（b）在12 Oe直流磁场偏置下，基于磁电NPR的磁电传感器的DC磁场探测性能。插图给出的是磁电NPR的结构示意图[11]
对于直流磁场的探测，高的1/f噪声极大限制了传感器的探测极限。2011年高俊奇等人利用多重推拉模式的2-1型磁电复合结构，在谐振激励下获得了1 nT的直流磁场分辨率[12]。对于NMES磁电器件，孙年祥等人利用FeGaB软磁材料中的Delta-E效应（图4），在磁电NPR结构中，成功实现了低于1 nT的直流探测极限[11]。基于Delta-E效应的磁电传感器利用电场激励，读取信号可以是谐振器的频移，导纳变化或者是传感器的反射电压[11,13,14]。为了清晰了解目前磁电传感器的性能指标，读者可以参考表2。
表2. 磁电传感器性能总结
材料组成
传感模式
LoD
低频磁场传感
Metglas/Mn-PMNT[15]
被动模式
0.87 pT/√Hz@ 30 Hz
Metglas/PMN-PT[6]
被动模式
5.1 pT/√Hz @ 1 Hz
Metglas/PMN-PZT[16]
主动调制
33 pT/√Hz @ 0.1 Hz
谐振磁场传感
Metglas/ LiNbO3[17]
直接探测
92 fT√Hz
FeCoSiB/(Pt)/AlN[4]
直接探测
400 fT√Hz
Metglas/PMN-PZT[18]
直接探测
123 fT√Hz
直流磁场传感
Metglas/PMN-PZT[19]
直接探测
1 nT
FeCoSiB/(Pt)/AlN[11]
频移测量
0.8 nT
FeCoSiB/(Pt)/AlN[13]
直接探测
0.4 nT
参考文献
[1] J. Reermann, E. Elzenheimer and G. Schmidt, IEEE Sensors Journal 19 (11), 4237-4249 (2019).
[2] 赵书涛，葛玉敏译, edited by 赵丽玲 (北京：机械工业出版社, 北京, 2013).
[3] S. Dong, J. Zhai, F. Bai, J.-F. Li and D. Viehland, Applied Physics Letters 87 (6), 062502 (2005).
[4] E. Yarar, S. Salzer, V. Hrkac, A. Piorra, M. Höft, R. Knöchel, L. Kienle and E. Quandt, Applied Physics Letters 109 (2), 022901 (2016).
[5] M. D. Mermelstein and A. Dandridge, Applied Physics Letters 51 (7), 545-547 (1987).
[6] Y. Wang, D. Gray, D. Berry, J. Gao, M. Li, J. Li and D. Viehland, Advanced Materilas 23 (35), 4111-4114 (2011).
[7] J. Zhai, Z. Xing, S. Dong, J. Li and D. Viehland, Applied Physics Letters 88 (6), 062510 (2006).
[8] S. Salzer, V. Robisch, M. Klug, P. Durdaut, J. McCord, D. Meyners, J. Reermann, M. Hoft and R. Knochel, IEEE Sensors Journal 18 (2), 596-604 (2018).
[9] R. Jahns, H. Greve, E. Woltermann, E. Quandt and R. Knöchel, Sensors and Actuators A: Physical 183 (1), 16-21 (2012).
[10] J. Petrie, D. Viehland, D. Gray, S. Mandal, G. Sreenivasulu, G. Srinivasan and A. S. Edelstein, Journal of Applied Physics 110 (12), 124506 (2011).
[11] M. Li, A. Matyushov, C. Dong, H. Chen, H. Lin, T. Nan, Z. Qian, M. Rinaldi, Y. Lin and N. X. Sun, Applied Physics Letters 110 (14), 143510 (2017).
[12] J. Gao, L. Shen, Y. Wang, D. Gray, J. Li and D. Viehland, Journal of Applied Physics 109 (7), 074507 (2011).
[13] T. Nan, Y. Hui, M. Rinaldi and N. X. Sun, Scientific Reports 3, 1985 (2013).
[14] S. Zabel, J. Reermann, S. Fichtner, C. Kirchhof, E. Quandt, B. Wagner, G. Schmidt and F. Faupel, Applied Physics Letters 108 (22), 222401 (2016).
[15] C. Fang, J. Jiao, J. Ma, D. Lin, H. Xu, X. Zhao and H. Luo, Journal of Physics D: Applied Physics 48 (46), 465002 (2015).
[16] Z. Chu, Z. Yu, M. PourhosseiniAsl, C. Tu and S. Dong, Applied Physics Letters 114 (13), 132901 (2019).
[17] A. V. Turutin, J. V. Vidal, I. V. Kubasov, A. M. Kislyuk, M. D. Malinkovich, Y. N. Parkhomenko, S. P. Kobeleva, O. V. Pakhomov, A. L. Kholkin and N. A. Sobolev, Applied Physics Letters 112 (26), 262906 (2018).
[18] Z. Chu, H. Shi, W. Shi, G. Liu, J. Wu, J. Yang and S. Dong, Advanced Materials 29 (19), 1606022 (2017).
[19] M. PourhosseiniAsl, X. Gao, S. Kamalisiahroudi, Z. Yu, Z. Chu, J. Yang, H.-Y. Lee and S. Dong, Nano Energy 70, 104506 (2020).
基于磁电效应的磁场传感器
1.磁场传感器的概述
在20世纪初磁传感技术就开始发展起来。磁场传感器能够将磁信号转化为电信号。转化的过程一般涉及磁场和电子的运动，自旋-轨道耦合之间的相互作用，或者基于磁场对原子能级，超导电流和材料畴结构的影响。如图1所示，磁传感的典型应用包括：空间磁场探测、地磁异常探测（国防应用）、工业自动化，手机导航、生物磁探测以及磁存储。不同的磁场探测场景对磁传感器的性能要求差异较大。一般衡量测传感器性能的核心参数是：探测极限（LoD: Limit of Detection）、分辨率（Resolution）和灵敏度（Sensitivity）。表1给出了它们的含义和单位。
表1 磁场传感器的代表性性能参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| LoD | pT/√Hz | 在特定工作频率的磁场噪声水平 |
| Resolution | T | 最小可探测的磁场 |
| Sensitivity | V/T | 单位磁场对应的电压信号输出 |
图1. 磁场传感器的典型应用。不同的应用场景对应的磁场探测范围从宏观尺寸直至微观尺寸。此外，不同的磁场探测场景对磁传感器的性能要求差异也比较大
注意一般磁性系统的单位使用比较混乱，目前公认的是国际单位SI制，但是由于历史原因，实验中常常使用高斯制CGS。在磁传感器中主要涉及磁通密度B（特斯拉：T）和磁场强度H（A/m）。高斯制中两者的单位分别为:高斯（Gs）和奥斯特（Oe）。从Oe到T 的转换公式：
注意在高斯制中真空磁导率μ_0=1。一般生物磁测量和一些国防应用对磁场测量的噪声水平要求达到0.1-10 pT/√Hz[1]。但是文献中常常会混着使用磁场噪声和磁场分辨率这两个参数。表1中的三个参数是可以通过测量系统的等效噪声带宽（equivalent noise bandwidth ：ENBW）进行关联的：
所以一般在谈及传感器的分辨率和噪声水平的时候需要指明测试仪器的参数设置和等效噪声带宽。对于锁相放大器和频谱分析仪，低等效噪声带宽带来的代价是长的数据采集时间（积分时间，时间常数）。传感器的LoD在文献中更多的又可以表达为：
但是需要说明的是式3中电压噪声水平和灵敏度往往使用的是不同的仪器测量得到的结果，在不能确定传感器的线性度和线性范围时需要慎重使用该式。除了这里谈论的三个性能参数，其他相关的性能参数主要包括：带宽，线性度，测量范围，功耗，体积，成本，温漂和零漂[3]。
2.磁电磁场传感器介绍
图2.（a）在450 Oe偏置磁场下，PMN-PT/Tb1−xDyxFe2磁电复合材料对1 Hz 和77.5 kHz (谐振频率)的磁场灵敏度的测量[3],（b）AlN/FeCoSiB MEMS磁电悬臂梁的谐振磁场探测水平[4]
经过近三十年的发展，磁电复合材料中超强的磁电耦合能力为实现其在磁场传感中的应用奠定了坚实基础。作为一个声学共振器件，磁电复合材料在谐振频率表现了优异的磁探测性能。2005年，董蜀湘等人在推拉模式（push-pull mode）的PMN-PT/Tb1−xDyxFe2磁电复合材料已经获得了1.2 pT谐振磁场的分辨率（图2(a)）[3]。如图2.(b)所示，利用MEMS磁电悬臂梁结构，E. Yarar等人在2016年更是报道了接近400 fT/√Hz的谐振探测极限[4]。虽然磁电传感器的谐振探测极限可以接近fT的水平，但是谐振磁传感器的一个突出问题是窄的带宽（<100 Hz）。此外工程实际中往往应用更为广泛是准静态的直流磁场探测（0.01-1 Hz）和低频磁场探测（1-100 Hz）。
图3.（a）早期磁电Bimorph的低频（1Hz）磁探测性能[5]，（b）工作在多重推拉模式下（2-1）型FeBSiC/piezofiber磁电复合材料的低频磁探测性能[6,7]
图3给出了磁电传感器的低频（1 Hz）探测性能。早在1987年，M. D. Mermelstei就利用非晶金属带和PZT-5A制备了一个磁电的Bimorph结构（见图3(a)插图）[5]。该结构中两端自由，中部固定。利用逆磁电效应，该简单的结构在1 Hz下成功获得了8.7 pT/√Hz的磁噪声水平[5]。利用多重推拉模式的2-1型磁电复合结构在低频下超高的磁电耦合性能，并通过优化整个测试系统的噪声水平，2011年汪尧进等人的实验测试结果表明（图3(b)）：在被动条件下，等效的低频磁场噪声可以低至5.1 pT/√Hz[6,7]。此外，最近几年学者们也提出利用压磁材料磁滞伸缩的非线性特性可以将低频磁场信号调制到磁电传感器的谐振频率，从而可以通过磁电传感器的谐振增强特性来获得高的低频探测性能[8-10]。
图4.（a）磁电NPR的谐振频率和外加直流磁场的关系。（b）在12 Oe直流磁场偏置下，基于磁电NPR的磁电传感器的DC磁场探测性能。插图给出的是磁电NPR的结构示意图[11]
对于直流磁场的探测，高的1/f噪声极大限制了传感器的探测极限。2011年高俊奇等人利用多重推拉模式的2-1型磁电复合结构，在谐振激励下获得了1 nT的直流磁场分辨率[12]。对于NMES磁电器件，孙年祥等人利用FeGaB软磁材料中的Delta-E效应（图4），在磁电NPR结构中，成功实现了低于1 nT的直流探测极限[11]。基于Delta-E效应的磁电传感器利用电场激励，读取信号可以是谐振器的频移，导纳变化或者是传感器的反射电压[11,13,14]。为了清晰了解目前磁电传感器的性能指标，读者可以参考表2。
表2. 磁电传感器性能总结
| 材料组成 | 传感模式 | LoD | |
|---|---|---|---|
| 低频磁场传感 | Metglas/Mn-PMNT[15] | 被动模式 | 0.87 pT/√Hz@ 30 Hz |
| Metglas/PMN-PT[6] | 被动模式 | 5.1 pT/√Hz @ 1 Hz | |
| Metglas/PMN-PZT[16] | 主动调制 | 33 pT/√Hz @ 0.1 Hz | |
| 谐振磁场传感 | Metglas/ LiNbO3[17] | 直接探测 | 92 fT√Hz |
| FeCoSiB/(Pt)/AlN[4] | 直接探测 | 400 fT√Hz | |
| Metglas/PMN-PZT[18] | 直接探测 | 123 fT√Hz | |
| 直流磁场传感 | Metglas/PMN-PZT[19] | 直接探测 | 1 nT |
| FeCoSiB/(Pt)/AlN[11] | 频移测量 | 0.8 nT | |
| FeCoSiB/(Pt)/AlN[13] | 直接探测 | 0.4 nT |
参考文献
[1] J. Reermann, E. Elzenheimer and G. Schmidt, IEEE Sensors Journal 19 (11), 4237-4249 (2019).
[2] 赵书涛，葛玉敏译, edited by 赵丽玲 (北京：机械工业出版社, 北京, 2013).
[3] S. Dong, J. Zhai, F. Bai, J.-F. Li and D. Viehland, Applied Physics Letters 87 (6), 062502 (2005).
[4] E. Yarar, S. Salzer, V. Hrkac, A. Piorra, M. Höft, R. Knöchel, L. Kienle and E. Quandt, Applied Physics Letters 109 (2), 022901 (2016).
[5] M. D. Mermelstein and A. Dandridge, Applied Physics Letters 51 (7), 545-547 (1987).
[6] Y. Wang, D. Gray, D. Berry, J. Gao, M. Li, J. Li and D. Viehland, Advanced Materilas 23 (35), 4111-4114 (2011).
[7] J. Zhai, Z. Xing, S. Dong, J. Li and D. Viehland, Applied Physics Letters 88 (6), 062510 (2006).
[8] S. Salzer, V. Robisch, M. Klug, P. Durdaut, J. McCord, D. Meyners, J. Reermann, M. Hoft and R. Knochel, IEEE Sensors Journal 18 (2), 596-604 (2018).
[9] R. Jahns, H. Greve, E. Woltermann, E. Quandt and R. Knöchel, Sensors and Actuators A: Physical 183 (1), 16-21 (2012).
[10] J. Petrie, D. Viehland, D. Gray, S. Mandal, G. Sreenivasulu, G. Srinivasan and A. S. Edelstein, Journal of Applied Physics 110 (12), 124506 (2011).
[11] M. Li, A. Matyushov, C. Dong, H. Chen, H. Lin, T. Nan, Z. Qian, M. Rinaldi, Y. Lin and N. X. Sun, Applied Physics Letters 110 (14), 143510 (2017).
[12] J. Gao, L. Shen, Y. Wang, D. Gray, J. Li and D. Viehland, Journal of Applied Physics 109 (7), 074507 (2011).
[13] T. Nan, Y. Hui, M. Rinaldi and N. X. Sun, Scientific Reports 3, 1985 (2013).
[14] S. Zabel, J. Reermann, S. Fichtner, C. Kirchhof, E. Quandt, B. Wagner, G. Schmidt and F. Faupel, Applied Physics Letters 108 (22), 222401 (2016).
[15] C. Fang, J. Jiao, J. Ma, D. Lin, H. Xu, X. Zhao and H. Luo, Journal of Physics D: Applied Physics 48 (46), 465002 (2015).
[16] Z. Chu, Z. Yu, M. PourhosseiniAsl, C. Tu and S. Dong, Applied Physics Letters 114 (13), 132901 (2019).
[17] A. V. Turutin, J. V. Vidal, I. V. Kubasov, A. M. Kislyuk, M. D. Malinkovich, Y. N. Parkhomenko, S. P. Kobeleva, O. V. Pakhomov, A. L. Kholkin and N. A. Sobolev, Applied Physics Letters 112 (26), 262906 (2018).
[18] Z. Chu, H. Shi, W. Shi, G. Liu, J. Wu, J. Yang and S. Dong, Advanced Materials 29 (19), 1606022 (2017).
[19] M. PourhosseiniAsl, X. Gao, S. Kamalisiahroudi, Z. Yu, Z. Chu, J. Yang, H.-Y. Lee and S. Dong, Nano Energy 70, 104506 (2020).