磁場傳感器是探測磁場強度或其變化并將其轉換成電信號輸出的裝置，基于磁場傳感器可開發(fā)多種傳感功能，包括電流、功率、位置、距離、速度、角度等。磁傳感器是一種應用極其普遍的傳感器，其性能優(yōu)異，抗干擾能力強，在電力傳輸、無刷電機、能源管理、讀寫磁頭、汽車工業(yè)、工業(yè)控制、機器人、安全系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等領域內(nèi)都占有一席之地，已經(jīng)成為了經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)升級不可缺少的一類重要傳感器。

現(xiàn)有的磁場傳感器，包括磁通門傳感器、霍爾傳感器、磁阻傳感器、超導量子干涉儀（SQUID）等，各有優(yōu)缺點。霍爾傳感器成本低但靈敏度小，磁電阻傳感器靈敏度高但工藝復雜、成本高、磁滯和溫漂大，磁通門傳感器功耗大、響應慢，SQUID傳感器體積龐大、造價昂貴，巨磁阻抗（GMI）傳感器具有滯回度低、溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高等優(yōu)點。現(xiàn)有的磁阻抗傳感器由于加工工藝復雜、驅動信號頻率高等問題導致了其價格居高不下，這也直接導致其應用和發(fā)展受到限制。因此，開發(fā)靈敏度高、驅動信號頻率低、價格低廉的GMI傳感器具有廣闊的應用前景。

近日，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院劉明教授課題組開發(fā)了一種基于傳統(tǒng)磁芯繞線電感的新型高靈敏度GMI傳感器。傳統(tǒng)磁芯螺線圈制成的線圈感應磁強計，根據(jù)法拉第電磁感應定律，通過線圈的磁通量變化帶來感應電流及電壓的變化，可以制成具有fT靈敏度的磁場傳感器，但是其缺點在于體積大且不能探測靜態(tài)磁場。本課題組采用全新的探測模式，通過單一的電感器件構建了LC諧振電路，可以實現(xiàn)諧振頻率附近41036%的磁阻抗變化，遠高于傳統(tǒng)磁阻器件普遍小于100%的變化率。同時，新型GMI相比傳統(tǒng)GMI器件，可以將驅動頻率降低到kHz量級，并可以實現(xiàn)靜態(tài)磁場的測試。采用市場上直接購買的普通電感（成本<1元），可以實現(xiàn)磁場分辨力25nT@0.2Hz、10nT@1Hz。通過電路仿真優(yōu)化改進后，研究人員將電感元件與電容串聯(lián)，組成新的LC串聯(lián)型GMI傳感器，降低了驅動信號頻率及器件本征阻抗，將磁場分辨力提高到625pT@1Hz（磁場大小約為地磁場的1/100000）。本研究所采用的電感及電容均為市面上的普通電子元件，通過材料及器件的優(yōu)化設計，有望進一步提高其探測靈敏度。新型GMI傳感器所具有的器件簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點預示了其重大的應用潛力。

該成果以“Magnetic sensor based on giant magneto-impedance in commercial inductors”為題發(fā)表在國際頂級期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics（IF=7.5），并申請國家發(fā)明專利一項。電子科學與工程學院教授王志廣和博士生溫濤為論文共同第一作者，王志廣教授、劉明教授為論文通訊作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、陜西省重點研發(fā)計劃等項目的支持。

劉明教授的“磁電耦合功能材料團隊”長期從事磁電復合材料及器件應用研究，在可調(diào)微波濾波器、柔性磁場傳感器、磁阻傳感器（AMR、TMR、GMR）、磁阻抗傳感器、磁電傳感器、自旋電子器件等應用方面取得一系列進展。