科技导报

作者：金珍虎, 张成龙, 陈嘉民

单位：1中国科学院空天信息创新研究院，传感器技术全国重点实验室，北京100010；2中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京100049；

关键词：微弱磁场检测,磁通聚集器,软磁材料,微机电系统,磁传感器

基金：国家重点研发计划项目(2023YFB2407800)

微弱磁场检测技术赋予人类感知极其微弱磁信号的能力，在生物医学成像、地磁测量、无损检测及空间探测等领域具有重要应用价值：脑磁图和心磁图能够在非侵入条件下反映神经与心肌的电活动，通过高灵敏度、低噪声磁传感器获取人体心磁信号的时间、空间分布信息，对早期疾病的无创诊断具有独特意义[1−3]；地磁与空间磁场测量是资源勘探、地质结构探测及行星磁层研究的重要技术手段，需要可在复杂环境下提供高磁场分辨率的小型磁传感器以满足航空磁测资源勘探、海洋磁测及近地轨道磁层探测的应用需求[4−6]；在工业与国防领域，微弱磁场检测亦广泛应用于无损检测、磁异常识别，以及高精度姿态测量等[7−9]。此类应用对磁传感器提出了更高要求，须兼具宽动态范围与低噪声特性，用于满足复杂工作场景的需求。随着物联网、全屋智能与新能源汽车等新兴数字化系统的快速发展，磁传感器的角色由单一物理量测量技术提升为连接电能、运动与结构状态的关键感知技术。在全屋智能与消费电子中，磁传感器具备位置检测、旋转与速度感知、无线充电对位、微电机控制与故障诊断等功能，在保持磁传感器低成本、低功耗、小体积等优势的同时，还需要兼顾外界磁干扰环境下的高灵敏度与快速响应能力[10−11]；而在智能电网、新能源汽车与储能系统中，磁传感器可直接用于检测架空线路及电缆的安培级稳态、暂态电流，也可检测避雷器、绝缘子的毫安级漏电流，还可检测光伏、风电逆变器的输入、输出电流，以及测量储能站电池的充放电直流电流，这些工作场景中面临的强杂散磁场、宽温区、瞬态冲击等因素，对磁传感器的低噪声、宽动态范围、温漂抑制、封装一致性与可靠性提出了更高要求[12−14]。以上传统及新兴的磁传感技术领域通常涉及微特斯拉（μT）至皮特斯拉（pT）级磁信号的感知，对传感器的灵敏度、噪声特性及温度稳定性提出了极高要求。目前，感应式、霍尔式及磁阻式磁传感技术通过引入新型磁敏感材料并优化传感元件结构，可以有效提高灵敏度并抑制本征噪声[15]。然而，在极弱磁场检测场景中，这些基于经典磁电转换机理的传感器仍受限于固有噪声与工作机理，导致磁场分辨率受限、信噪比偏低。相较而言，以超导量子干涉仪（superconducting quantum interference device，SQUID）、光泵磁强计（optically pumped magnetometer，OPM）及 无自旋交换弛豫光泵磁强计（spin–exchange relaxation–free optically pumped magnetometer，SERF–OPM）为代表的量子传感技术，凭借其超高灵敏度，能够探测皮特斯拉（pT）至飞特斯拉（fT）量级磁场变化，在生物磁成像、脑科学及基础物理等领域展现出广阔前景[16−18]。然而，此类量子传感器仍面临空间分辨率不足、有效量程难以拓宽及外界磁噪声屏蔽难度大等方面的挑战。因此，在微弱磁场检测中如何实现灵敏度提升、噪声抑制与系统稳定性的协同提升，已成为目前各类磁传感器面临的关键问题[19−20]。

来源：2026年第9期

《科技导报》期刊编辑部

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