随着智能时代的到来, 磁场传感器已经广泛应用于移动设备中, 为用户提供定位和导航等服务。目前, 基于霍尔效应的磁场传感器和基于磁性材料的磁阻式传感器是人们普遍采用的 2种磁场检测传感器。基于霍尔效应的磁场传感器的优点是成本低, 不需要外加磁性材料, 且制作工艺和互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容。这种传感器的工作范围一般为 10 μT~1 T, 并可以通过增加功耗的方式来提高分辨力。磁阻式磁场传感器拥有较高的分辨力和较宽的工作范围(0.1 nT~1 T), 其性能主要取决于磁性材料。除了以上 2种方式外, 由硅基微机电系统(MEMS)谐振器构成的谐振式磁场传感器利用洛伦兹力对磁场的依赖性实现了对磁场的检测, 具有体积小、功耗低、性能优异且与 CMOS工艺兼容等优点, 近年来受到研究人员的广泛关注。本文回顾了由 MEMS硅基谐振器构成的磁场传感器的最新发展动态和性能提升方法, 并总结了当前存在的关键挑战和未来机遇。

光纤磁场传感器具有抗干扰能力强、小型化、低成本等技术优势。为了实现对空间磁场矢量的测量，基于磁光晶体提出了一种光纤三维磁场传感器。然后，设计和构建了光纤三维磁场传感器传感探头，搭建了光纤三维磁场测量系统。分析基于磁光晶体光纤三维磁场传感器的非正交误差，通过对基于磁光晶体的光纤三维磁场传感器三个传感单元两两夹角的准确测量，对系统三轴非正交误差进行标定补偿。实验测试装置利用一对通电线圈构建一维磁场对光纤三维磁场传感器系统进行三维正交标定，三轴标定精度分别为0.19°、0.26°和0.22°。实验结果表明，该基于磁光晶体光纤三维磁场传感器可实现0.2 μT磁场强度分辨率和0.5°角度分辨率的磁场矢量测量。

光纤磁场传感器具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀以及抗电磁干扰等优点，弥补了传统磁场传感器的不足，在**、工业、电网等多个领域发挥着重要作用。使用二氧化碳激光器分别在标准通信单模光纤和光敏光纤上制备了两种类型的长周期光纤光栅（LPFG），将LPFG浸入磁流体中制备磁场传感器。当施加外部磁场时，LPFG的谐振波长会发生偏移。当磁场强度在1.6~25.5 mT范围内变化时，可达到的最大磁场灵敏度为126.5 pm/mT。该传感器在磁场或电场系统中具有潜在的应用。

针对在柔性衬底上制备非晶软磁薄膜的技术难题, 该文研究并制作了一种基于柔性聚酰亚胺(PI)衬底的磁声表面波(MSAW)谐振器。通过在柔性PI衬底上溅射沉积了非晶FeCoSiB磁致伸缩薄膜和ScAlN压电薄膜, 光刻制备了叉指电极, 并形成IDT/ScAlN/FeCoSiB/PI层状结构, 成功获得了柔性MSAW谐振器。采用X线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析了薄膜的结构和表面形貌及利用振动样品磁强计(VSM)和短路微带线法测试了FeCoSiB薄膜的静态磁性和高频磁谱特性, 最后在探针台上利用矢量网络分析仪对器件进行测试, 并与COMSOL仿真结果进行对比。实验结果表明, 该MSAW器件有两个谐振峰, 其中瑞利波出现在28.32 MHz, 兰姆波出现在93.69 MHz。

安培力与磁场大小成正比,基于安培力的磁场传感器具有很好的线性度。基于安培力的原理和 正交双频光纤激光器,通过在光纤激光器表面溅镀一层金膜,实现了一种结构紧凑的微型光纤 激光磁场传感器。在垂直磁场的作用下,在所提出的溅镀金膜光纤激光器两端施加交流电流,所产 生的安培力会施加在激光腔上并在腔内引入双折射,引起激光器拍频频率变化,从而实现对磁场的测量。 结果表明所提出的光纤激光磁场传感器具有良好的线性度和抗干扰能力。

基于法拉第效应，正交双频光纤激光器已经被证明可用于实现磁场传感。但这种传感器对磁场的灵敏度与激光器初始的拍频频率相关。因此对这种传感器的磁场灵敏度与拍频频率的关系进行了研究。理论和实验结果表明，传感器对磁场的灵敏度与拍频频率间呈非线性关系，并且灵敏度随着拍频频率的减小而增大。该灵敏度存在一个由费尔德常数决定的上限值。对于实验中基于掺铒光纤制备的短腔光纤激光器，通过将初始拍频频率降至2 MHz，获得了激光器对磁场响应的最大灵敏度43 Hz/μT。此外，激光器初始拍频频率与抽运激光的偏振态也有关系。实验表明，通过调谐抽运激光的偏振态，可以动态地调谐传感器对磁场的灵敏度。

在分析光纤光栅传感原理的基础上, 设计了一种基于超磁致伸缩材料的光纤光栅磁场传感器。先将一根光纤光栅粘贴在超磁致伸缩材料上; 为补偿温度对磁场测量光纤光栅传感器的影响, 再将另一根光纤光栅的一端固定在有机玻璃上并保持自由状态。对设计的传感器进行温度和磁场强度响应特性实验, 在0~40 ℃的范围内, 磁场测量和温度补偿光纤光栅的温度灵敏度分别为22和9.9 pm/℃。在0~1 200×10-4 T范围内, 传感器的磁场强度检测灵敏度约为1 pm/1×10-4 T, 分辨率为1×10-4 T, 线性度为0.996 3, 稳定性约为±3×10-4 T, 为弱磁场的测量提供了一种新方法。

利用法拉第效应,正交双偏振光纤激光器已被证明可用来实现灵活小巧的磁场传感器。 为了发展适宜的封装结构以优化对磁场的传感灵敏度,有必要研究双偏振光纤激光磁场传感器在磁场中的空间响应特性。 对长度为21 mm的光纤激光器在磁场宽度为3 mm、5 mm、7 mm以及磁场强度为0.5 T、0.75 T和1 T时的 纵向空间响应进行了实验研究。研究表明,沿着双偏振光纤激光磁场传感器的纵向,其各个部分对 磁场的空间响应是不均匀的。空间响应的峰值出现在激光腔的中间并沿激光器纵向呈对称的高斯分布。 这种空间响应的分布特性与光纤光栅的分布式布拉格反射有关。

设计了一种基于光纤布拉格光栅啁啾效应的磁场传感器, 导出了光纤布拉格光栅的反射谱带宽与磁感应强度的关系。传感器工作时, 磁场中的圆盘形软铁受到通电螺旋管线圈磁场力的作用, 引起矩形悬臂梁变形, 从而导致粘贴在悬臂梁侧边的光纤布拉格光栅的反射光谱带宽发生变化; 利用光谱分析仪, 通过检测光纤布拉格光栅反射谱带宽的变化量, 即可得到被测磁场磁感应强度的大小。当光谱分析仪的分辨率为0.001 nm时, 可测量磁感应强度为6~70 mT。实验结果表明: 该光纤布拉格光栅反射光谱带宽的变化量对温度变化不敏感, 当温度从0℃变化到45℃时, 3 dB带宽的变化小于8 pm。实验结果和理论分析一致, 表明该方案切实可行。