高灵敏磁传感器：从经典到量子传感

|作者：柴国志

(1 兰州大学 磁学与磁功能材料教育部重点实验室）

(2 兰州大学物理科学与技术学院)

本文选自《物理》2026年第1期

摘要从古代就用于导航的指南针和罗盘，到地球物理勘探中磁场异常探测，到心、脑磁图中捕捉的生物电活动磁信号，再到物质微观结构与宏观物理现象研究，磁测量的精度直接决定了相关科学发现的深度与技术应用的广度。高灵敏磁传感器是磁测量器件的核心，其精度已成为磁传感技术发展的核心驱动力与关键评判标准。文章对各种高灵敏度磁传感器进行了梳理总结，以期对磁传感器在不同领域的应用提供参考。

关键词磁传感器，磁通门，磁电阻，磁阻抗，量子磁力仪

01

磁测量精度的科学意义与技术挑战

高精度的磁传感器在几次工业革命中都起到了重要的作用[1]。在第一次工业革命中，蒸汽机的发明极大地促进了机械化的科技革命，与此同时，机械化又催生了大航海时代，基于静磁力(力矩)的磁传感器(罗盘)在地磁场下的精度可达到μT量级，实现了对地磁分量的测量，可以进行高精度的导航和定位。在第二次工业革命中，由于电磁学的发展，人类进入到电气时代；电力网络运行中电压通常是标准化的，通过高精度的电流测量实现对电能功率的精准测量。在该应用场景下，基于电磁感应和洛伦兹力的电流互感器、磁通门电流传感器、霍尔传感器等快速发展，将磁传感器测量精度提升到nT级别。第三次工业革命中，半导体技术和信息化成为了主要动力。在信息存储方面，由于磁电阻效应传感器便于集成，且响应速度快，在磁记录硬盘中的广泛应用极大地提升了信息存储密度，使得人类进入到大数据、大信息的年代。在工业4.0智能制造的大背景下[2]，磁传感器作为信息获取的主要途径之一，对其测量精度有了更高的要求，需要结合传统电磁感应、基于自旋散射的磁电阻效应和塞曼效应等原理来进一步提升磁传感器的测量精度到pT(10-12 T)，甚至fT(10-15 T)量级，以满足未来工业智能化的需求。

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图1　不同应用场景对磁场测量精度的需求

在当前的工业应用与前沿研究中，不同领域对磁测量精度的需求差异巨大，如图1所示。(1)工业应用中，无人机和工业机器人机械臂的姿态控制通常需要保证0.1°以内的姿态感知精度，这要求磁传感器具有小型化低成本特点，精度优于0.1 μT。(2)在地球物理应用中，矿产资源产生的磁异常信号有可能小于1 nT，这要求磁探系统峰值噪声低于0.1 nT；岩石应力变化导致的磁异常小于0.1 nT，要求磁测系统的长期稳定性小于0.01 nT/h；而在商业标准中，航空磁测系统峰值噪声需小于0.01 nT(最高级别噪声评级下)[3]。(3)在生物医疗应用中，心电活动产生10—100 pT的磁场，心磁图(MCG)测量要求磁传感器噪声小于10 pT/Hz1/2，在临床诊断方面可比心电图(ECG)更早检测到心肌缺血，同时也解决了无法对腹中胎儿进行心电信号测量的难题[4]；神经突触活动产生10—1000 fT的磁场，脑磁图(MEG)测量要求系统噪声小于5 fT/Hz1/2 [5]。(4)在基础物理研究中，原子磁传感器可以从奇异自旋相关相互作用的角度对暗物质候选粒子(如类轴子粒子)进行搜寻[6]；它们也是中子或电子等粒子存在永久电偶极矩的重要诱因[7]，一般需要磁传感器具备优于pT的磁场探测精度，有些模型甚至要求磁场分辨达到fT甚至aT级。综上所述，现代高精度磁测的应用场景对磁场分辨的要求已从早期的地磁范围mT/μT级跃升至pT/fT级，跨越了超过9个数量级，这驱动了磁传感原理从基于经典电磁学原理到半经典的自旋相关散射，再 到电子、质子等粒子自旋和轨道磁矩量子化相关的量子物理的演进。

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图2　可用于磁传感的相关物理原理 (a)洛伦兹力和电磁感应原理；(b)基于自旋相关散射的磁电阻效应；(c)基于超导约瑟夫森结的超导量子干涉器件；(d)基于电子、质子自旋角动量量子化在磁场中的自旋拉莫尔进动效应

磁传感技术的发展是一部磁测量精度提升史。根据其物理原理，可划分为如图2所属的四类：第一类是基于经典电磁感应效应的感应线圈、磁通门计，基于洛伦兹力产生的霍尔效应传感器和20世纪90年代提出的磁阻抗效应(magnetic impedance, MI)传感器等(图2(a))；第二类传感器是基于半经典物理的各类磁电阻效应的传感器，具体有各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance, AMR)、巨磁电阻(giant magnetoresistance, GMR)和隧穿磁电阻传感器(tunneling magnetoresistance, TMR)等(图2(b))；第三类是基于低温量子效应，如基于超导约瑟夫森结的超导量子干涉仪(superconducting quantum interference device, SQUID)(图2(c))；第四类是基于室温量子效应的二能级系统的磁共振类传感器，包括质子旋进磁力仪、光泵原子磁力仪和NV(nitrogen-vacancy)色心传感器等(图2(d))。这些磁传感器的物理原理、发现历史、磁场测量范围和应用场景总结见表1[8—22]。噪声谱密度是噪声功率谱密度(数学定义为单位频率带宽内的噪声功率)的平方根，物理含义为在1 Hz带宽内，平均噪声的数值，是衡量磁传感器测量精度的主要标准。图3给出了美国标准计量局(NIST)测试过的多种磁传感器磁场噪声谱密度的测试数据[23]。

表1　常见磁传感器的物理原理、发现历史、测量范围和应用场景总结

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图3 美国标准计量局(NIST)测试过的多种磁传感器噪声谱密度总结[23]

02

基于经典原理的高精度磁传感器

基于经典原理的磁传感器包括三类：(1)感应线圈磁传感器和磁通门磁强计主要基于电磁感应原理；(2)磁阻抗传感器则是基于非共振磁矩进动的电磁感应效应和涡流效应综合产生的磁阻抗效应；(3)霍尔传感器是基于载流子洛伦兹力的霍尔效应。在这些传感器中，霍尔传感器因基于半导体工艺成本极低，因此，通常的便携式手持磁力仪都是基于霍尔传感器开发的，量程为1 T，磁场分辨能力在1 μT左右，不适用于高精度磁场测量场景。下面主要针对感应线圈磁传感器、磁通门磁强计和磁阻抗传感器进行详细介绍。

2.1　感应线圈式磁传感器

感应线圈式磁传感器基于法拉第电磁感应定律，如图2(a)所示。在闭合回路中感应电动势与穿过回路的磁通量变化率之间呈正比关系，可直接实现磁场测量。在电流检测模型中，磁通量感应出来的电流通过跨阻放大器转换为输出电压，这意味着无需传统的积分器即可在宽频带内获得与磁场强度成正比的平坦电压响应信号。电流检测模式的优势是跨阻放大器的高增益，在低频段，其灵敏度是电压检测模式的数倍，这对于线圈电阻较小的系统提升尤为显著；通过优化设计，可实现从数十Hz到数十kHz的线性测量。

由于感应电压与环境磁场间的传递函数简单，感应线圈的匝数和横截面积等因素都可以准确确定，传感器便于设计。又由于传递函数不包含材料因素，电压对磁场具有线性依赖关系，并且没有理论磁场上限。然而，线圈传感器也存在一些不足之处，因为输出信号并非取决于磁场值，而是取决于该磁场随时间的变化量，所以其灵敏度由传感器的面积和匝数决定，这使得很难将感应线圈传感器微型化。尽管带有铁磁芯的线圈传感器可以适当减小线圈尺寸，但由于磁芯磁导率依赖于磁场值和温度，而使得影响因素更复杂，性能会有所下降。

2.2　磁通门磁强计

磁通门磁强计(磁通门计)能够测量大约在10-11—10-3 T范围内的直流或低频交流磁场的强度和方向。磁通门计通常选取磁导率较高的软磁性材料(坡莫合金、钴基非晶合金等)作磁芯。其测量原理为：在周期性交变激励磁场的作用下，敏感磁芯单元达到周期性过饱和状态；外磁场将被调制成磁芯的磁感应强度，在感应线圈中产生携带被测磁场信息的二次谐波感应电压，其与所测量的磁场成正比。在线圈后端采用相敏检波器从感应电压中提取二次谐波分量，并且在电路中设计负反馈回路来补偿环境磁场，使磁芯一直工作在零磁场附近的线性区域来保证磁通门计的线性度。

磁通门计作为固态传感器，具有抗环境干扰能力强、坚固耐用、可靠、能耗低、工作温区范围宽等优势，能够达到10 pT的分辨率和1 nT的长期稳定性。国际上比较著名的有英国公司研制的Mag13系列磁通门计，在内部集成有温度补偿电路，磁场探测精度可以达到4 pT/Hz1/2@1 Hz。许多高精度直流磁通门计的截止频率为几十Hz，但必要时，磁通门计也可以通过提高调制频率使其带宽提高到kHz频率。磁通门计的线性度可达30 ppm，温度漂移可低至0.1 nT/℃，灵敏度温度系数通常在30 ppm/℃左右，有些磁通门计甚至可通过温度补偿降至1 ppm/℃[24]。磁通门计被用于地质勘探、航空磁测绘、地磁台站实时监测地球磁场的变化，还用于太空磁环境探测。磁通门原理还可以应用于铁磁材料的无损检测和高精度的电流传感器中。目前为止，磁通门计仍是工业上最常用的高精度矢量磁场传感器。

2.3　磁阻抗传感器

1994年，日本名古屋大学K. Mohri等人发现CoFeSiB非晶丝两端的交流阻抗随着外加直流磁场的增加而急剧改变[10]。其工作原理可以用图4的示意图来理解：当丝状磁性材料中通入交流电流

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图4　磁阻抗效应原理示意图

基于磁阻抗效应研制的磁场传感器主要用于弱磁场探测。由于磁阻抗效应所利用的非晶软磁材料具有极高磁导率和极低矫顽力，因此，磁阻抗传感器具有非常高的灵敏度和很小的磁滞效应。磁阻抗传感器综合了电磁感应效应和高频阻抗对磁场的响应，即不仅利用了材料的电阻属性，还利用了其高磁导率产生的电感效应；因此理论上比仅利用电磁感应效应或磁电阻效应的传感器具有更高的灵敏度。典型的磁阻抗磁场传感器敏感材料为非晶丝、非晶带和磁性薄膜等。如果进一步对磁阻抗敏感头进行结构设计，可以将磁噪声的背景白噪声降到1 pT量级。目前文献报道的最优参数来自于名古屋大学，他们研制的磁阻抗传感器噪声已经优于2 pT/Hz1/2，日本爱知公司商业磁阻抗传感器产品中最低的磁场测量噪声谱密度为10 pT/Hz1/2。

2.4　基于经典电磁学理论的传感器精度讨论

上述介绍的三类传感器都基于法拉第电磁感应原理，产生的电压信号幅值正比于单位时间内的磁通变化率。非晶材料在具有更高磁导率的同时具有更小的矫顽力，其磁滞更弱，是磁芯材料的良好候选；另一方面，频率越高，器件感应到的电压幅值越大。磁通门的激励频率一般为10—100 kHz，磁阻抗为100 kHz—10 MHz，磁阻抗传感器的频率最高，材料磁导率也更高，原理上也具有更高的感应电压信号。目前有些高精度磁通门也开始用非晶材料代替坡莫合金用于敏感探头中。

03

基于电子自旋散射的固态磁电阻传感器

磁电阻效应是指材料电阻随外加磁场变化的物理现象，是磁电阻传感技术的物理基础。磁电阻传感器可利用三个不同效应：各向异性磁电阻、巨磁电阻和隧穿磁电阻。自巨磁电阻效应发现以来，磁电阻效应及其传感器的相关中文综述较多[25]，本文主要针对磁电阻传感器的测量精度进行简要讨论。

3.1　各向异性磁电阻传感器

各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance, AMR)效应最早于1857年由英国物理学家W. Thomson报道[12]。现在对AMR的物理原理的认识为：在铁磁材料中，自旋—轨道耦合的存在使得电子的散射几率及其自旋方向与电流方向的夹角相关，其电阻也呈各向异性[12]。由于当时实验条件的限制，这一发现在其后的一百多年间并未获得大量应用。直到20世纪70年代，随着计算机存储技术的发展和对高密度信息读取的需求，AMR效应才重新进入研究视野。1985年IBM公司利用AMR效应制作了磁盘的读出磁头，并将其用于IBM 3480磁带机，标志着AMR技术从理论走向大规模商业应用的开始。

AMR传感器通常采用坡莫合金(NiFe)作为敏感材料，并设计成惠斯通电桥结构来实现电阻测量，电桥可消除共模误差并提高电阻测量精度。AMR传感器的优势在于工艺简单、成本低、温度稳定性较好。其磁电阻变化率通常为2%—5%，饱和磁场较低(几个至数十奥斯特)，磁场噪声谱密度一般为nT/Hz1/2，西班牙Mateos等人[26]通过优化电路将最低磁场噪声降至0.15 nT/Hz1/2。作为小型磁传感器，AMR传感器的测量精度显著优于霍尔传感器，但与pT级精度仍有较大差距。它非常适合性能要求不高但对成本敏感的应用，如汽车节气门位置传感器、电子罗盘和低速旋转检测等。

3.2　巨磁电阻效应传感器

巨磁电阻(GMR)效应的发现是自旋电子学领域的一个里程碑。1988年，法国物理学家A. Fert团队在Fe/Cr金属超晶格中观察到高达50%的电阻变化率，远远超过当时已知的AMR效应[13]。几乎同时，德国科学家P. Grunberg在Fe/Cr/Fe三明治结构中也独立发现了类似现象[14]。GMR磁头在硬盘里的应用极大地提升了硬盘的存储密度，开启了高密度磁存储的新时代，这使两位科学家共同荣获了2007年诺贝尔物理学奖。

GMR效应的物理本质源于铁磁金属中自旋相关的散射机制，如图2(b)所示。在描述输运过程时，GMR传感器采用双电流模型理解：首先电子的两种自旋状态(↑和↓)在铁磁体中的散射几率不同(即平均自由程不同)，可同时将传导电子划分为两个独立的通道，每个通道有自己的电阻率(

GMR技术作为自旋电子学的第一个大规模商业应用成果，彻底改变了磁存储和磁传感技术的格局，其发展历程体现了基础研究与应用开发的深度融合。虽然目前在硬盘中GMR磁头已经被更高性能的TMR磁头取代，但GMR在磁记录发展过程中起到的推动作用是巨大的。

3.3　隧穿磁电阻效应传感器

隧穿磁电阻效应(TMR)的物理基础是量子隧穿效应，它是三种磁电阻技术中磁电阻变化率最高的，室温下可达20%—600%。1975年，Julliere在Fe/非晶Ge/Co结中首次观察到TMR效应。TMR的核心机制是，电子在铁磁电极之间的量子隧穿概率与电极磁化方向的相对取向密切相关。在磁性隧道结(magnetic tunnel junction, MTJ)中，当两个铁磁层的磁化方向平行时，自旋电子可以从其中一个电极的多数自旋能带隧穿到另一个电极的多数自旋能带，隧穿概率大，电阻小；当反平行时，电极的多数自旋能带与另一个电极的少数自旋能带对应，隧穿概率小，电阻大。TMR与GMR最大的不同在于，TMR需要采用纳米级厚度的非金属层作为隧穿层。

MTJ的材料性能改进主要包括势垒层材料的优选和铁磁电极材料的优化。1995年Moodera等人将非晶AlO

TMR的工作频率最高可达GHz量级，很快在硬盘中代替GMR成为硬盘读出磁头的最优选择。经过多年发展，目前商业TMR传感器单器件可实现0.15 nT/Hz1/2@1 Hz的噪声谱密度，加上磁通聚集器后，等效的磁场噪声谱密度可低于10 pT/Hz1/2@1 Hz。

3.4　磁电阻类传感器灵敏度与性能特征讨论

磁电阻类传感器的测量灵敏度与其磁电阻值密切相关。TMR的磁性隧道结具有最大的磁电阻效应，也具有磁电阻类传感器中最高的磁电转换系数。AMR的磁电阻值最低，磁电转换系数也较低。GMR传感器的磁电阻值适中，灵敏度也适中，样品制备难度较AMR来说要高，但又不像TMR一样需要高质量的1 nm左右的隧穿层，因此性价比较高，仍然在电流、位置和角度传感等场景下大量使用。虽然从磁电阻效应上来讲是TMR>GMR>AMR，但由于AMR仅使用单层FeNi磁性层，具有优良的软磁特性，在膜较厚时其贡献的载流子噪声也较小，而GMR和TMR都包括超薄的非磁性金属和绝缘体中间层，导致它们的电阻噪声较大。综合来看，噪声谱密度的优劣排序为：TMR(0.1 nT级)>AMR(0.5 nT级)>GMR(1 nT级)。

同时需要指出，磁电阻类传感器所采用的磁性材料相对于非晶和块体坡莫合金来讲，矫顽力较大，导致器件具有较大的磁滞现象，这限制了它们在对磁场绝对精度有较高要求场景下的使用。但是，现在研究者们也针对这一缺陷开发出了补偿措施，例如在AMR中采用置位复位电路将磁芯不断地沿着某个磁场方向饱和磁化，保证所有的测量都在同一剩磁态下进行，从而可降低磁滞的影响。在TMR传感器中也可引入负反馈线圈补偿环境磁场，使磁性隧道结工作在零磁场附近的线性区，也可降低一部分磁滞。即使如此，在线性度和零场偏移等指标上，磁电阻类传感器仍比不上传统的磁通门传感器。

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超导量子干涉器件

早在1964年，Jaklevic等人就观察到了两个超导结并联存在的量子干涉效应[18]。超导量子干涉仪通常与一个超导磁通变压器耦合，该变压器包含两个线圈，一个拾取线圈环境磁场，另一个与超导量子干涉仪回路耦合(图2(c))。结合感应线圈中的磁通感应，Jaklevic等研制了早期的超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)[18]。1981年，Ketchen和Jaycox提出了平面方形垫圈型的SQUID结构，通过垫圈上方多匝输入线圈与SQUID垫圈进行磁通耦合，构成磁通变压器从而将外磁场耦合到SOUID器件中，实现了直流SQUID的低噪声、高灵敏度，也称为Ketchen构型SQUID[29]，其核心结构在接下来的几十年内基本无变化。在直流SQUID中[30]，两个约瑟夫森结的干涉还会引起一种较慢的振荡，其整体响应类似于通过两个狭缝进行光学衍射时的夫琅禾费衍射图样。SQUID的输出电压会呈现出一种调制，每个周期与回路中的单个量子磁通

超导量子干涉仪需要冷却到超导回路的临界温度以下使用，低温SQUID(通常由铌制成)使用液氦冷却，高温SQUID则使用液氮冷却。其对于静态或低频信号的灵敏度极高，尤其是低温SQUID噪声极低，具有可逼近量子极限的噪声性能，器件等效磁场灵敏度达到了1 fT级。

迄今为止，SQUID仍是最为灵敏的磁通传感器，通常用于磁场计量、实验室微弱磁信号测量或地磁场测量等，其主要商业应用是心磁图仪和脑磁图仪。目前基于高温超导的SQUID可以将使用温度提高至液氮温区，其最小磁场分辨大约为0.1 pT级别。尽管在液氮温区，但仍需要低温装置，这限制了其在某些轻量化场景的应用。

05

原子磁共振类磁传感器

原子磁共振类传感器包括质子磁力仪、光泵原子磁力仪、NV色心传感器等，原理都是利用微观粒子的自旋磁矩在外磁场下的共振效应，也可理解为由于量子化的自旋磁矩存在，使得原子能级在磁场下产生不同的能级劈裂现象，即塞曼效应。质子磁力仪利用的是原子核磁矩进动产生的磁通来感应电压信号，光泵原子磁力仪利用的是He或碱金属原子中电子磁矩在外磁场中进动对相同频率电磁波的吸收来测量磁场。

例如，质子的核磁共振能级劈裂为42.6 MHz/T，He光泵的23

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5.1　质子旋进磁力仪

质子旋进磁力仪是一种基于氢原子核(质子)在环境磁场中的旋进效应制成的磁场测量仪器。质子磁力仪的探头中充满含氢液体，这些氢质子在无极化磁场时，处于无规律的排列状态；当极化电感线圈接通电源从而建立极化磁场后，质子磁矩在极化磁场作用下有序排列，对外显示出宏观磁矩；在质子溶液被充分极化之后，去除极化磁场，此时极化的质子将绕外磁场做旋进运动。根据电磁感应定律，每个旋进的质子磁矩都会在线圈中感应出电动势，并随时间以指数形式衰减。由于线圈中感应电动势的频率与宏观磁矩旋转频率相同，可以通过测量感应电动势的频率来得到拉莫尔频率，进而得到外磁场值。

在测量方法优化方面，利用动态核极化(Overhauser效应[32])可显著提高信噪比，降低功耗，并实现连续测量。其主要原理为：由于未配对电子与原子核内质子自旋之间的耦合，当电子自旋由于电子顺磁共振被极化后，质子也会相应被极化，由于电子的极化相对于质子更加容易，Overhauser效应采用极化电子来实现核磁矩的间接极化方案。共振效应会放大微波场的效果，从而极大地降低了所需要的极化场。当微波场撤掉时，质子仍处于激发状态，和前述传统质子磁力仪一样，核磁矩会在外磁场方向的作用下自由弛豫进动，进动频率为核磁共振频率。在这种工作模式下，由于电子顺磁共振的线宽非常窄，相对于传统极化方式来讲极化效率更高，因此对磁场的分辨精度也更高，1 Hz磁场分辨可达0.2nT，通常用于物探领域[33]。

5.2 He光泵和碱金属原子磁力仪

光泵原子磁力仪利用的是某些气态碱金属原子或He原子电子壳层结构最外层未配对电子自旋磁矩在磁场中的进动来测量磁场。与质子磁力仪的不同之处在于，电子的拉莫尔进动旋磁比与质子不同，其他物理图像基本一致。光泵磁力仪的工作过程可以分为三个阶段(图5)[20]，首先是光学泵浦阶段，利用圆偏振光将原子泵浦到特定的磁激发能级，实现原子的自旋极化。在这个过程中，选择合适的泵浦光源和偏振状态至关重要，这直接影响到原子的极化效率和最终的测量精度。之后是磁共振阶段，极化的原子在外部磁场作用下产生拉莫尔进动，当施加的射频场频率与拉莫尔频率一致时发生磁共振现象，这会减少由光泵浦产生的粒子数而引起光的强烈吸收。最后是信号检测阶段，通过探测透射光强度或偏振状态的变化来获取磁共振信号，进而反演出磁场强度。

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图5　基于光诱导磁共振的磁场探测原理

碱金属原子磁力仪与He光泵相比，利用的是基态电子磁矩，可以兼具较高的相互作用原子数密度以及较长的自旋弛豫时间，磁场探测极限灵敏度单项指标是最优的(0.1 pT/Hz1/2)。He光泵磁力仪则由于核自旋为零的优势使得能级差与外磁场呈线性关系，不存在非线性塞曼效应，因此抗干扰能力更强，在绝对磁场测量方面具有优势。目前，基于He和碱金属的原子磁力仪均已经将测量噪声谱密度降至1 pT/Hz1/2以内。

1973年，Happer等首次报道了自旋交换展宽随着温度升高而下降的现象[34]，即无自旋交换弛豫(SERF)现象，其原理是在高原子密度、低磁场下，温度的升高使原子快速碰撞达到了抑制自旋交换弛豫的效果，从而降低了磁共振的展宽，提高了对频率的分辨率。2002年，美国普林斯顿大学的Romalis等首次将SERF效应应用于光学原子磁力仪[21]，达到了在高原子数密度条件下的原子自旋极化信号增强而磁共振线宽不增加的效果，实现了灵敏度为10 fT/Hz1/2的SERF原子磁力仪。经过近些年的发展，SERF原子磁力仪的测量精度达到甚至超越了SQUID的测量精度[35]。但需要指出，SERF态需要较高的温度，并且由于该效应仅在低磁场下有效，其测量量程往往只有nT级别，在工作时需要较大的屏蔽装置来屏蔽环境磁场以达到工作所需的弱磁场环境。

5.3　氮空位缺陷NV色心传感器

基于金刚石氮空位(NV)等固体色心的量子传感技术，是近年来量子精密测量领域的重要突破之一。NV色心是金刚石晶格中的一种点缺陷结构，由一个替代位氮原子(N)和相邻的晶格空位(V)组成。其基态为自旋量子数

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图6　氮空位缺陷NV色心传感器的原理图

5.4　基于自旋共振类传感器的精度讨论

如前所述，提高此类传感器的测量精度的根本途径是增大统计系综中的粒子数。具体而言，对于碱金属原子磁力仪，可通过升高气室温度以增加单位体积内的碱金属蒸气数密度

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其他高精度磁传感器候选

除上述磁传感器外，还有磁致伸缩原理、磁力耦合、磁光效应等原理的高精度磁测量技术，在本节稍做介绍。

(1)基于材料磁致伸缩效应的传感器可以采用磁电耦合方法将磁致伸缩材料与压电材料耦合，将磁致伸缩材料的形变通过压电效应转变为电压输出实现磁场测量。也可以将磁致伸缩材料覆盖在光纤或者光学微腔表面，利用磁致伸缩涂层在外磁场作用下的尺寸变化，通过测量光纤的相位或微腔的频率变化来实现对外磁场的响应。基于磁电耦合和微腔的磁传感器依赖于机械谐振频率，在谐振频率下会具有非常高的磁场分辨力，当微腔或压电/磁致伸缩复合结构的品质因子(谐振频率与共振线宽比值)足够好时，其测量精度在谐振频率处可达pT量级。但需要指出，这类传感器往往会与环境的振动耦合到一起，从而限制了其在复杂环境下的应用。

(2)利用微加工悬臂梁测量磁场的方案则是在悬臂梁中通入交变电流，在外磁场中悬臂梁会受到交变的洛伦兹力，通过测量洛伦兹力引起的压敏电阻变化可以感应环境磁场大小。

(3)偏振光打到磁性材料上时会发生偏振方向偏转的磁光效应，透射时称为法拉第效应，反射时为磁光克尔效应。磁光效应磁传感器通常用来测量磁性材料中的磁矩在磁场中的取向和磁畴结构。

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总结与展望

本文介绍了多种可能用于高精度磁场测量领域的磁传感器，也讨论了不同类型传感器精度提升的思路和限制发展的各种瓶颈，希望可以对高精度磁传感器的研发和应用起到一定的借鉴作用。如果简单从最优的噪声谱密度来考虑，低温的SQUID和SERF原子磁力仪具有fT级别的测量精度；磁通门计、感应线圈、磁阻抗传感器和原子磁力仪则是在pT级别；磁电阻传感器在0.1 nT级别。但需要指出的是，技术发展始终在“极限精度”与“系统复杂性”间寻求平衡点：SQUID精度最高(fT/Hz1/2)，但需液氦冷却；SERF精度相当(fT/Hz1/2)，在室温工作，但其只能测量标量磁场，且需要高温加热，量程仅为nT级；NV色心传感器精度略低(pT/Hz1/2)，但空间分辨率高，在微磁探测和磁成像方面有较大应用潜力。感应线圈与磁通门等经典磁传感器虽然仍是基于两个世纪前提出的电磁感应原理，但这类磁传感器可靠耐用，环境适应性强，目前仍然是使用规模最大的高精度磁传感器。例如，在对生物磁场测量方面，基于感应线圈的心磁图仪并不比SERF传感器测量效果差多少。

因此，在高精度磁传感器领域，没有最好的磁传感器，只有最适合的磁传感器。

致 谢感谢中国科学院物理研究所刘刚钦研究员，以及兰州大学俞周路、曹雨萌、谢樱楠、刘一朋、张宗原、张豪、王元保、曾庆璨等同学帮助调研相关磁传感器资料。

参考文献

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