磁傳感器種類繁多，性能和應用場合各異。事實上，人們一直都在追求一種性能優(yōu)越的磁傳感器，而其中具有高性能、小型化、低功耗、低成本發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅黝愋透莻涫荜P注，如基于超導量子干涉（SQUID）磁力儀、光泵原子磁力儀、TMR磁傳感器、磁通門傳感器等。

（一）高溫超導材料為SQUID帶來了新的生機

SQUID可作為一種基于磁通穿越超導環(huán)感生超導電流原理的磁傳感器，其分辨力可達fT級，而一般商用SQUID的磁場分辨力也可達到10fT量級，可以說，SQUID是目前探測能力強的一種磁傳感器。但因超導環(huán)在極低溫下才能工作，所以SQUID必須配備制冷裝置，導致其體積、重量及使用成本的大幅增加，制約了SQUID應用范圍。而高溫超導材料的出現(xiàn)，為SQUID帶來了新的生機。1987年，M.K.Wu等報道了一種臨界溫度為93K的YBaCuO高溫超導材料體系，這意味著該材料體系在液氮環(huán)境下（77K）即可進入超導狀態(tài)，與在液氦（4K）環(huán)境下工作的超導材料相比具有明顯的優(yōu)勢，這是因為液氮的制備難度和成本大大小于液氦。因此，基于高溫超導材料的SQUID很快被應用于生物醫(yī)療、地球物探、材料研究等領域。

目前，通過微納加工技術制備高質量的高溫超導薄膜來制造微型化SQUID探頭成為一個熱門，據報道一種由微機電系統(tǒng)（MEMS）平面線圈和YBaCuO薄膜相結合SQUID磁傳感器已經問世，其分辨力達到了50fT/sqr（Hz）左右（@1Hz）。雖然由于高溫SQUID中探測線圈電熱噪聲和超導環(huán)溫度波動的增加，導致關鍵指標低于液氦環(huán)境下工作的SQUID，但不可否認，SQUID正朝著小型化和高溫化而努力發(fā)展，高溫超導薄膜材料及降噪技術已成為SQUID主要的突破方向。

（二）MEMS技術助推光泵原子磁力儀的發(fā)展

光泵原子磁力儀是一種總量式磁傳感器，其基本原理是利用光泵作用激發(fā)封閉腔內堿金屬氣態(tài)原子處于自旋一致的進動狀態(tài)，在外磁場作用下原子自旋進動頻率產生線性變化，通過光探測器檢測光譜頻移來獲得被測磁場。光泵原子磁力儀的分辨力也可達1fT/sqr（Hz）（@1Hz），與SQUID相當。光泵原子磁力儀的性能主要取決于密封腔內堿金屬原子自旋態(tài)的一致程度。

目前，大多數(shù)光泵原子磁力儀的體積和重量都較大，價格昂貴，在應用上受到較大限制，而將光泵原子磁力儀小型化成為一種吸引力的方向。美國國家標準及技術研究院（NIST）成功地利用MEMS技術研制出了一種毫米級的光泵原子磁力儀，有效地降低了體積和成本。但因其密封腔體積很小，可灌注堿金屬量較少，造成磁場分辨力下降，約為6pT/sqr（Hz）（10Hz-1kHz頻帶內）?？上驳氖?，一種稱之為“自旋交換-釋放自由”（SERF）的新機制正被用于MEMS光泵原子磁力儀來提升自旋一致性，使磁場分辨力大幅提升至幾十fT/sqr（Hz）（@1Hz）。雖然目前只能在極弱磁場條件下形成SERF機制，但它的出現(xiàn)本身就具有重要意義，開辟了一條實現(xiàn)高性能MEMS光泵原子磁力儀的可能途徑。

（三）磁通門傳感器微型化成為一種挑戰(zhàn)

磁通門傳感器誕生于20世紀30年代，是為了克服電磁感應線圈無法測量直流磁場而衍生發(fā)展出的一種分量式磁傳感器，它利用外磁場影響磁芯磁化的原理來實現(xiàn)磁場測量，結構上主要由磁芯、激勵線圈及探測線圈組成，而決定探測能力的關鍵是磁芯。當激勵線圈產生的高頻磁場反復磁化磁芯時，探測線圈能夠感應到一個畸變電壓信號，外磁場變化時，該信號也會隨之變化，根據畸變信號偶次分量的變化即可探知被測磁場。通過提升磁芯的軟磁性能，可使磁通門傳感器的分辨力達到pT級水平。

隨著微納技術的發(fā)展進步，微型磁通門的概念開始出現(xiàn)，人們期望通過微納加工技術減小高性能磁通門傳感器的體積和功耗。但大量研究表明：隨著微型磁通門傳感器體積的減小，其靈敏度和分辨力都會迅速下降。主要原因是：微型磁通門傳感器的線圈和磁芯一般都是薄膜形態(tài)，熱噪聲水平明顯高于通常的線圈和磁芯。近年來，A.Baschirotto等對微型磁通門傳感器開展了系統(tǒng)的研究，從PCB磁通門到基于CMOS工藝的IC磁通門都具有很高的水平，分辨力約為幾nT/sqr（Hz）（@1Hz），相比傳統(tǒng)磁通門傳感器尚有較大差距。所以，通過改進設計和制備工藝降低微型磁通門傳感器的噪聲水平雖是大勢所趨，但面臨的挑戰(zhàn)不小。

（四）GMR（MTJ）磁傳感器研究如火如荼

GMR磁傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高等顯著特點，有望應用于無人機反潛、微納衛(wèi)星及智能引信等領域，是當前小型化高性能磁傳感器研究的熱點方向。

自1988年發(fā)現(xiàn)GMR效應以來，有關GMR的結構和理論得到迅速發(fā)展，從初的三明治結構到多層膜結構，再到自旋閥結構及新的磁隧道結（MTJ）結構等，磁阻變化率和磁場靈敏度不斷提高。2006年，S.Yuasa等發(fā)表了在室溫氧化鎂基MTJ中獲得大磁阻變化率410%的結果。2007年，R.C.Chaves等在直徑26微米的柱狀氧化鎂基MTJ中（帶磁偏置和磁力線聚集器）獲得了極高的磁場靈敏度（87%/Oe），但其低頻磁場分辨力仍只有330pT/sqr（Hz）（@2.5Hz）。人們在對多種GMR磁阻材料進行研究后發(fā)現(xiàn)，隨著磁場靈敏度的提高，磁性噪聲也隨之增加，且隨頻率呈1/f特征變化。2009年，美國國家標準及技術研究院、特拉華大學及美國陸軍實驗室合作研究得出了MTJ的噪聲理論模型，模型顯示提高磁場靈敏度無法抑制磁性熱噪聲和磁性1/f噪聲，且體積越小噪聲特性越差。

近年，美國陸軍實驗室的A.S.Edelstein等提出了磁力線聚集調制技術，該技術利用MEMS結構驅動磁力線聚集器，使其磁場增益產生周期性變化，進而使處于磁力線聚集器附近的GMR敏感單元能夠探測到一個調制后的交流磁場信號，有效克服磁性1/f噪聲的影響，使GMR磁傳感器的分辨力有望達到pT級。

然而，現(xiàn)有的磁力線調制方法存在調制效率低、結構復雜等問題，對此國內有學者提出了一種垂動式的磁力線調制方法，并研制出了基于GMR的三軸一體化磁傳感器樣機，如圖4所示，其低頻磁場分辨力從調制前的幾十nT/sqr（Hz）提升至80pT/sqr（Hz）左右（@1Hz）。同時，正在利用石墨烯等新型低維納米材料，開展新一代的高靈敏MTJ研制工作，有望使磁傳感器分辨力提升到1pT/sqr（Hz）（@1Hz）左右。目前，石墨烯基磁隧道結的隧穿磁阻效應已經得到實驗驗證，這為高性能磁傳感器的研制打開了一扇新大門。