磁电阻传感器实验报告 TMR 磁传感器

发布时间：2024-11-25 14:11:21

TMR 磁传感器

磁传感器

磁传感器是种类繁多的传感器中的一种，它能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息，广泛应用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动控制及生物医学等领域。

随着科技进步和信息技术的发展，人们对磁传感器的尺寸、灵敏度、热稳定性及功耗等提出了越来越高的要求。

广泛应用的磁传感器主要是基于电磁感应原理、霍尔效应及磁电阻效应等。其中基于磁电阻效应的传感器由于其高灵敏度、小体积、低功耗及易集成等特点正在取代传统的磁传感器。目前市场上主要的磁传感器芯片是基于霍尔效应、各向异性磁电阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)效应而开发的，而由于 TMR 磁传感器芯片拥有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高响应频率和高灵敏度特性，使其将会成为未来竞争的制高点。

TMR 隧道磁阻传感器

主流的磁传感器仍然是半导体霍尔器件，但其本身存在的灵敏度低、容易受应力和温度影响、响应频率低以及功耗大的缺点，使其主导地位正不断受到磁电阻传感器的冲击。

国外薄膜磁电阻传感器(AMR／Sl，in-Valve／TMR)技术已经成熟并已开始大规模量产。TMR 传感器目前主要应用在硬盘磁头和磁性内存领域，代表厂商：Seagate／WD／TDK；AMR 器件代表厂商有：HoneyWell／NEC／日本旭化成／西门子；美国 NVE 公司小规模量产 GMR 传感器和少量的 Spin—Valve 传感器。

TMR 磁传感器芯片的研发和生产依赖于纳米薄膜及纳米级电子元器件的生产设备、生产工艺与技术以及芯片的设计等多个环节。TMR 技术主要掌握在国外的硬盘制造企业手中，而磁传感器制造企业普遍缺乏 n 很芯片制各技术、人才和生产经验。

在全世界范围内，国际上也只有美国的两家公司能够小批量生产 TIvIR 磁传感器芯片，包括美国的 NVE 和 Micro Magnetics，而国内受设备和人才的限制，直到 2010 年，才逐渐填补这一领域的空白。

TMR 传感器的原理和特性

基于磁电阻效应磁信号可以转变为电信号，除了电磁电阻(CMR)效应受到温度区间和工作磁场的限制而很难应用以外，其他 AMR、GMR、TMR 三种磁电阻效应都可以应用于磁传感器中。

目前，AMR 传感器已经大规模应用；GMR 传感器正方兴未艾，快速发展。TMR 传感技术最早应用于硬盘驱动器读出磁头，大大提高了硬盘驱动器的记录密度。它集 AMR 的高灵敏度和 GMR 的宽动态范围优点于一体，因而在各类磁传感器技术中，TMR 磁传感器具有无可比拟的技术优势，其各项性能指标均远优于其他类型的传感器，表 1 给出了三种效应的传感器技术比较。

TMR 效应的产生机理和特点

在铁磁材料中, 由于量子力学交换作用, 铁磁金属的 3d 轨道局域电子能带发生劈裂, 使费米 ( Ferm i)面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度。

在磁性隧道结 MTJs 中, TMR 效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。 MTJs 的一般结构为铁磁层 / 非磁绝缘层 / 铁磁层 ( FM / I/FM )的三明治结构 .。饱和磁化时,两铁磁层的磁化方向互相平行, 而通常两铁磁层的矫顽力不同, 因此反向磁化时, 矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转, 使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。

TMR 效应的产生机理示意图

若两层磁化方向互相平行, 则在一个磁性层中, 多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态, 少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态, 总的隧穿电流较大; 若两磁性层的磁化方向反平行, 情况则刚好相反, 即在一个磁性层中, 多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态, 而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态, 这种状态的隧穿电流比较小。因此, 隧穿电导随着两铁磁层磁化方向的改变而变化, 磁化矢量平行时的电导高于反平行时的电导。通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向, 从而使得隧穿电阻发生变化, 导致 TMR 效应的出现。

MTJs 中两铁磁层电极的自旋极化率定义为

在研究中，不同的学者对 TMR 值的定义不同, 有的学者采用(2)式的定义, 但最近几年, 大部分学者都采用(3)式的定义。

TMR 磁传感器产品应用

TMR 磁传感器产品应用 TMR 磁传感器的应用非常广泛，包括工业控制、金融器具、生物医疗、消费电子、汽车领域等，其典型特征是低功耗、小尺寸、高灵敏度。薛松生博士给我们举了几个案例。

在流量计领域中，智能水表、智能热量表一般都采用电池供电，因此对传感器的功耗要求非常苛刻。当前水表方案采用干簧管、低功耗霍尔器件以及韦根传感器等，要么频率响应非常低导致测量精度不够，要么就是功耗很大导致电池寿命很短。而采用韦根传感器的智能热量表电路复杂，可靠性差，小流量的测量也不精确。另外，采用霍尔器件的传统电表方案温度性能比较差，由于灵敏度低需要额外增加聚磁环，导致体积和成本增加。目前，采用两个 TMR 超低功耗磁传感器的方案，根据叶轮转动的磁场变化测量转速，得到水表的瞬时流量，并且功耗非常低（超低功耗全极磁开关 MMS2X1H，双极磁开关 MMS1X1H，全时供电下只有 1.5uA 电流，频率大于 1KHZ）。在智能电表中，基于 TMR 磁传感器（如 TMR501、TMR503）的电表比传统霍尔器件电表体积更小、成本更低、精度更高、温度特性更好。

智能水表

智能气表

在金融器具领域，国内的金融设备主要采用电感线圈和锑化铟磁头，无论是检测精度和信噪比，还是磁头的尺寸，均无法与其他发达国家尤其是日本的金融磁头相比，更加严重的是产品一致性存在问题，量产工艺不稳定，无法大批量生产。时至今日，全球（包括中国）高端金融磁头市场都被日本公司垄断。TMR 磁性识别传感器（如 MMGB015、MMGB065、MMGB18S）是专门用于纸币、银行票据、证券磁特性的检测、识别的新型纯阻抗验钞磁头，主要应用于点验钞机、清分设备、ATM、各类自动售货机读钞、验钞模组和磁卡读头，具有高灵敏度、高信噪比、高频响等特点。

(左)单通道 TMR 金融磁头 (右上)6 通道 TMR 金融磁头 (右下)18 通道 TMR 金融磁头

在电梯、矿洞、桥梁等钢丝绳无损探伤方面，基于 TMR 磁传感器的产品（如 TMR2703、TMR2705、TMR2901、TMR2903）能够利用弱磁检测精确定位绳索的表面缺陷和内部缺陷，与目前几万、几十万的检测系统相比精度更高、价格更加亲民、检测更加方便。

在智能停车管理系统领域，与传统的地感线圈、超声波、RFID、红外线等判断停车位上有无车辆相比，TMR 线性磁传感器能够根据车辆对地磁的扰动特征识别出来，精度高、体积小、易于安装维护、全天候工作。

在医疗领域，例如血槽中磁珠外表的生物膜跟血液中不同的病毒结合的实验，通过血液中的磁珠体积变化从而判断病人的病情，而 TMR 磁传感器能够精准的监测出磁珠体积是否变大。

基于 TMR 磁传感器的产品在智慧家庭和智能汽车领域将会拓展更多的应用。

由于 TMR 材料同时具备工作磁场低、灵敏度高、热稳定性好等特性，因此，与 GMR 效应相比，TMR 效应具有更为广阔的应用前景。研究与开发室温 TMR 值高、热稳定性好、 RA 值低、成本低的 TMR 材料将是今后磁电阻材料领域工作的重点和关键

常见磁场传感器-原理、特性及应用

一、关于磁感应强度和磁场强度的单位

1. 磁感应强度 B - magnetic flux density

磁感应强度（又称磁通量密度）的单位为特斯拉（tesla），符号为T。在1960年巴黎召开的国际计量大会上此单位被命名，以纪念在电磁学领域做出重要贡献的美籍塞尔维亚发明家、电子工程师尼古拉·特斯拉。

1 T = 1 V· s·m = 1 kg·s·A = 1 N·A · m = 1 Wb·m

在厘米克秒(CGS)单位制中，磁感应强度的单位为高斯（gauss），为纪念德国数学家约翰·卡尔·弗里德里希·高斯而命名。常用符号G或Gs表示。换算关系

1Gs=1×10 T。

例如，在外太空，磁感应强度在0.1到10 nT之间；一个冰箱贴的磁感应强度约10Gs；实验室中产生的最强瞬间磁场记录为80T；最强的人造磁场是2800T（爆炸产生）。

2. 磁场强度 H - magnetic field strength

国际单位制中磁场强度的单位为A/m。在CGS单位制中的对应单位为奥斯特（oersted），符号为Oe。1930年，国际电工委员会为了纪念丹麦物理学者汉斯·奥斯特而命名。换算关系

1Oe=1000/4π≈79.5774715 A/m。

磁场强度H的单位奥斯特与磁感应强度B的单位高斯密切相关。在磁导率为的介质里，

在真空中，1Oe=1Gs。地球磁场的强度约0.1-1Gs或nT。

二、磁场传感器分类

按照能探测的磁场大小或者灵敏度高低，磁场传感器可以分为如下几类：

1.低灵敏度磁力计 (B > 1 Gs or nT)

测量比地磁强的磁场。工业应用较广，如非接触开关、电流测量、磁存储读取等。最常用传感器包括探测线圈、霍尔效应传感器、磁致伸缩磁力计等。

2. 中 灵敏度磁力计 (Gs~1 Gs)

测量地磁量级的磁场，测量永久偶极子（permanent dipole）引起的地磁方向或强度的扰动。主要应用包括磁罗盘、导航，军火探测、探矿、交通控制等。最常用传感器包括探测线圈、磁通门计、磁阻磁力计等。地磁因太阳、地质、潮汐等影响波动在1/10百万~1/10000，近似呈1/f关系。地磁波动噪声是该类传感器性能的主要影响因素。

3.高灵敏度磁力计 （B <Gs or 1nT）

用于弱磁探测，测量磁场梯度或永久偶极矩（permanent dipole moment）引起的磁场变化量。如脑功能图谱测绘，磁异常探测（MAD如远距离探测导弹、舰船、坦克、飞行器等引起的磁异常）等。最常用传感器包括SQUID梯度计（gradiometer）、光泵磁力计等。

4.医学/生物磁力计

磁场传感器也可用于医学生物领域，该类别不是按照探测强度划分出来的。例如用微磁珠作为磁标签，用于DNA核酸杂交的分析。SQUID用于脑磁检测等。

三、常见磁场传感器原理及应用

（一）矢量探测器（vectro magnetometer）：

矢量磁场传感器对磁通量敏感（Flux sensitive），能同时探测磁场大小和方向。

1. 探测线圈 - Search-coil magnetometer

工作原理：法拉第电磁感应定律。当通过线圈的磁通量发生变化时，开路线圈两端会产生感生电压，而闭合线圈中会产生感应电流，通过检测该电压或电流（或LC电路振荡频率）变化即可实现对磁场的测量。探测能力：20fT以上带宽：1Hz-1MHz特点：可靠性高，不能测稳恒磁场应用：地磁监测，空间科学，飞行器地面检查，飞机缝翼或着陆齿轮位置指示等。

2.磁通门计 - Fluxgate magnetometer

工作原理：法拉第电磁感应定律。利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。探测能力：nT (10pT-10mT)带宽：0-10kHz特点：可测静态磁场，比探测线圈要更耗电（5倍）应用：地磁（方位）探测、环境磁场监测、机场安检、惯性导航

3.超导量子磁力计 - SQUID（Superconductor QUantum Interference Device）

SQUID是目前最灵敏的低频磁场探测器

工作原理：超导线圈的约瑟夫（Josephson）效应。超导线圈的磁通量是量子化的，只能是基础通量量子ch/2e的整数倍。通过测量该电流可测得磁通量。超导环内的超导电流在基点干涉，干涉信号通过射频电路感应读出。探测能力：10fT以上带宽：<1Hz特点：极其灵敏，但需要冷却到线圈材料的超导温度以下（液氦4K），因此体积大、笨重。可测外磁场分量在任意方向的梯度。应用：天文学、地质学、医学、量子计算。

4.迈斯纳效应磁力计 - Meissner effect magnetometer

工作原理：超导体的迈斯纳效应。超导体内部磁场为零，磁场不能穿过超导体[4]，超导体将磁场排斥在外。探测能力：32fT特点：可工作在77K（液氮）。新型器件。应用：同SQUID

5.霍尔效应传感器 - Hall effect sensor

工作原理：霍尔效应。通电导体置于磁场中时，因导体中电荷受洛伦兹力作用，在导体垂直于磁场和电流方向的两端积累，产生电压。通过测量霍尔电压，测量磁场。探测能力：10-1000Gs or nT带宽：0-1MHz特点：应用广泛，价格低廉。可测静态磁场。功耗0.1-0.2W。应用：电流测量、转速测量、磁控开关等

6.磁阻磁力计 - Magnetoresistive magnetometers

(1) 异向磁阻传感器 - Anisotropic magnetoresistance （AMR）sensor

工作原理：磁阻效应。磁场改变材料的电阻。通以恒定电流，检测电阻或电压变化（变化很小，检测电路是关键）。各项异性磁阻材料（如坡莫合金），电阻大小与电流与磁化方向间夹角有关，外界磁场改变磁化方向，从而改变电阻大小。电流与磁场垂直时电阻最小。可测得磁场方向和大小。探测能力：0.01-50Gs or 1nT （open loop），可达0.1nT（closed-loop feedback）带宽：0-1GHz特点：价格低廉，结构简单。功耗0.1-0.5mW，工作温度-55℃-200℃应用：磁带机或磁盘的磁头，惯性导航、车辆探测等

(2) 巨磁阻传感器 - Giant magnetoresistance (GMR) sensor

工作原理：某些材料的巨磁阻效应。材料电阻在外加磁场下变化巨大。该效应于1988年首次被发现，2007年获诺奖。最简单结构是由一导体夹于两铁磁材料中间构成。每一层都只有nm厚度。测量范围：nT应用：广泛用于硬盘的读出磁头，磁开关。

(3) 磁隧道结传感器 - Magnetic tunnel junction (MTJ) sensor

工作原理：隧穿磁阻效应。结构与GMR类似，只是中间夹层不是导体而是绝缘体（如1nm厚的Al2O3）。1995年首次报导。特点：阻值和阻抗值比GMR高，功耗比GMR低。本征噪声较大。应用：在低成本、低功耗、高灵敏度磁场传感器方面有潜在应用。

(4) 异常磁电阻效应传感器 - Extraordianry magnetoresistanc sensor

工作原理：异常磁电阻效应。 InSb锑化铟环套金盘。0磁场阻值最低，磁场正/负方向增加，电阻都变大。类似的还有弹道磁电阻（Ballistic magnetoresistance，两磁体间夹一极小的金属触点）

7.自旋阀晶体管 - Spin-valve transistor

工作原理：自旋阀夹于一对半导体之间构成的器件。电流随磁场变化可达200%。特点：目前阶段输出电流只有微A量级，尚难实用。

8.巨磁阻抗传感器 - Giant magnetoimpedance (GMI) magnetic sensor

工作原理：巨磁阻抗效应。交变磁场通过某些材料时所引起材料的阻抗产生明显变化的现象。特点：阻抗与磁场及驱动电流频率有关。对NiFe/Cu合金线阻抗峰值在几MHz。要利用该效应，驱动电流频率需达GHz。

9.磁二极管 - Magnetodiode

工作原理：实际上就是一个半导体二极管，只是以蓝宝石为衬底，p区和n区用未掺杂的硅进行了分割。p加正压、n加负压，空穴和电子会被注入中间的硅层。部分载流子，特别是硅与氧化硅或硅与蓝宝石界面处的载流子会发生复合，导致材料阻值升高。无磁场情况下，二者均对阻值变化有贡献。沿垂直于载流子移动方向施加磁场，会使载流子按磁场方向上/下偏离，因电子和空穴运动方向相反，二者被偏离到同一侧。硅-蓝宝石界面处复合几率比硅-氧化硅界面处高。所以电阻随磁场变化。特点：磁二极管对磁场的响应要比硅基霍尔器件强几十倍。

10.磁晶体管 - Magnetotransistor

工作原理：与磁二极管类似。结构与npn二极管类似，n型射极与n型集极间隔一p型基极。不同之处在于集极有两个，根据磁场方向不同，两集极测得的电压不一样。特点：磁场可基于霍尔效应或Suhl 效应检测。

11.磁致伸缩磁力计 - Magnetostrictive magnetometers

(1) 光纤磁场传感器 - Fiber-optic magnetometers

工作原理：基于某种光纤干涉仪（MZ，Sagnac，Michlson等），通过磁致伸缩材料驱动光纤，实现非平衡相位调制，通过光的干涉谱变化实现解调。探测能力：nT带宽：0-60kHz。特点：可感知磁场方向，甚至可以用来测量磁力线的曲率。

(2) 磁电传感器 - Magnetoelectric sensor

工作原理：磁致伸缩材料和压电材料相互作用，将磁致伸缩变为电压信号输出。探测能力：具有测到pT量级的潜力。特点：不需要额外供电，但需要100Gs以上的偏置来避免弱场情况下的非线性响应区。

12. 磁光传感器 - Magnetooptical sensor

工作原理：法拉第磁致旋光效应。线偏光通过某些晶体后偏振方向随磁场大小而偏转。带宽：最大优点是响应快，可到GHz特点：灵敏度可达30pT。

13.MEMS磁力计 - MEMS based magnetometers

工作原理：主要是利用洛伦兹力作用下微结构的转动。探测能力：最低已可探测到200nT

（二）标量/总场探测器(scalar/total field magnetometer)

标量探测器对磁场大小敏感（Field sensitive），仅探测磁场大小，不能分辨方向。优点是不受探测器方向、晃动等影响。基本原理是利用某些电子或原子核自旋能级能量差随磁场而变（如塞曼效应）来实现测量。要获得高的灵敏度，需要与原子的长寿命、窄带能级谐振，因此10Hz以上传感器的灵敏度会急剧下降。

1.光泵磁力计 - Optically pumped magnetometer

工作原理： 利用铯/铷/钾等碱金属元素气体的塞曼效应工作。以单价铯原子为例，光泵磁力计利用它的三个能态：一个高能态和两个非常接近的低能态。两低能态间的能量差对应一条射频/微波频率的谱线，而两低能态与高能态间的跃迁均对应一条光谱线。两低能态的能量差源于电子自旋的取向不同。电子自旋方向只有两个选择：平行/垂轴于外磁场方向，两者所需能量不同，二者差一个自旋角动量量子单位。所选高能态的特殊之处在于，它与两个低能态中的一个具有相同的自旋角动量。用圆偏振光泵浦含铯原子的气体，初始状态下气体中原子的电子在两个低能态都有分布。当原子吸收圆偏光的光子后，它们的角动量改变一个单位。这样，处于与高能态相差一个单位角动量的能态的电子会吸收光子，而与高能态角动量相同的电子则不吸收光子。探测器探测到的光束因吸收而衰减。高能态的电子会迅速地跃迁到下面的某个低能态能级。电子每次跃迁都有一定的几率回到不吸收光子的那个能态。经过足够的时间，几乎所有电子都会转换到这个能态，气体对光的吸收下降。即，气体经过充分泵浦后变得对入射光透明。如果沿平行于光路的方向施加一个合适频率（Larmor frequency）的射频电场，电子的自旋角动量会发生反转。这相当于射频场使电子从一个低能态穿梭到了另一个低能态，消除了光泵的作用，气体重新开始对光有吸收。射频和光的相互作用产生一种特殊的尖峰振荡，光泵磁力计就是基于这种振荡来实现对磁场测量的。

使电子自旋反转的能量，即射频电场的频率，与磁场强度有关（因塞曼效应磁场会影响两个低能态的能量差）。在磁力计中，用一个反馈电路来控制射频频率使光的透过率最低。该频率反映了磁场的大小。[5-6]

探测能力 ：灵敏度和动态范围受检测电路制约。700kHz/Gs (cesium), 2.8MHz/Gs(helium). 10-1Gs or nT。通过消除自旋交叉驰豫，灵敏度甚至可以做到10fT或nT/Hz-1/2[7]。

特点：光泵磁力计测的是总磁场，与磁场方向无关；体积大、造价高、功耗大（几W）；自旋驰豫时间长所以吸收线窄，使得灵敏度较高，但也因此限制了频率响应特性；某些方向存在死区（可通过采用多个相对泵浦光不同取向的sensor来消除）；传感器本身的磁特征可以做到非常低。目前主要受限于价格和碱气瓶体积。

应用：水下排雷

2.核进动磁力计 - Nuclear-precession magnetometer

工作原理： 原子矩和原子核矩的大小取决于波尔磁子eh/(2πm)，e为电子电量，h为普朗克常数，m是质量。因为原子核比电子质量大得多，所以核磁矩（nuclear magnetic moment）远小于电矩（electronic moment）。通过一个通电线圈产生的磁场，可以使某些碳氢化合物液体（如苯）中的质子暂时沿磁场排列。撤去线圈中的电流后，质子在外磁场作用下开始进动，偏离恒定磁场（待测）的质子自旋轴（好比陀螺仪轴向偏离地球磁场）绕平行于场方向的直线作圆周运动。该院周运动的速率（称为进动频率）与磁场强度成正比。所以，撤去电流后质子进动在线圈中会产生一个信号，其频率与待测磁场强度有关。也可利用光泵下原子核自选来实现磁场检测。比如氦的同位素H3, 经光泵后，其原子核的进动频率也可以用线圈捕获。因驰豫时间很长，这种传感器仅需在激发自旋时的很短时间内有能耗。

探测能力 ：Gs or nT。Gs或nT（光泵原子自旋进动）

3. Overhauser磁力计 - Overhauser magnetometer

工作原理： Overhauser核效应。在核磁共振中，两个（组）不同类型的质子若空间距离较接近，照射其中一个（组）质子会使另一个（组）质子的信号强度增强。这种现象称为核Overhauser效应，简称NOE。1950年伯克利在读研究生Overhouser预言，在某些系统中，通过使电子自旋共振饱和可以将核偏振提高1000倍，该提高源于质子自旋与电子自旋间通过一个汉密尔顿超精细项的相互作用，而该项正比于电子自旋与核自旋之积。Overhouser磁力计中的物质为包含质子和自由基的液体。自由基是包含未配对电子的分子，其电子共振线宽极窄，约1Oe。应线宽窄，用不大的能量就可以使电子共振饱和，从而提高质子偏振。因质子进动频率正比于磁场强队，因此通过测量该频率可以实现对磁场的测量。

特点： Overhauser磁力计的噪声很低，可达0.015nT/rt Hz @1Hz. 灵敏度比质子进动磁力计搞一个数量级，且无死区。

4.光学原子磁力计 - optical atomic magnetometer

工作原理： 与光泵磁力计类似（光泵磁力计可视为该类的一种），但光学检测。气室通常通入两束光：泵浦光和探测光，也有合二为一的。通过检测探测光的偏振态或光强来解调磁场。偏振探测可检测极小的偏振变化，且可避免光源的光强波动噪声。

特点：目前最灵敏的磁力计是SERF（Spin-exchange relaxiation-free magnetometer）,灵敏度达nT/Hz-1/2，理论极限nT/Hz-1/2[8]

参考文献

[1] J. Lenz and S. Edelstein, "Magnetic sensors and their applications," IEEE Sensors Journal, vol. 6, no. 3, pp. 631-649, 2006.

[2] M. J. caruso, T. Bratland, C. H.Smith, and R. Schneider, "A New Perspective on Magnetic Field Sensing," Sensors, no. pp. 24-36, 1998.

[3] S. Gontarz, P. Szulim, J. Seńko, and J. Dybała, "Use of magnetic monitoring of vehicles for proactive strategy development," Transportation Research Part C: Emerging Technologies, vol. 52, no. pp. 102-115, 2015.

[4] M. Pannetieret al.,“Femtotesla magneticfield measurement with magnetoresistive sensors,” Science, vol. 304, pp. 1648–1650, 2004

[5] W. Happer,“Optical pumping,”Rev. Mod. Phys., vol. 44, pp. 169–249,1972.

[6] D. Budker, W. Gawlik, D. F. Kimball, S. M. Rochester, V. V. Yashchuk, and A. Weis,“Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms,”Rev. Mod. Phys., vol. 74, pp. 1153–1201, 2002

[7] J. C. Allred, R. N. Lyman, T. W. Kornack, and M. V. Romalis,“High sensitivity atomic magnetometer unaffected by spin-exchange relaxation,”Phys. Rev. Lett., vol. 89, pp. 130 801/1–130 801/4, 2002.

[8] Kominis, I. K., Kornack, T. W., Allred, J. C. & Romalis, M. V. A subfemtotesla multichannel atomic

magnetometer. Nature 422,596–599 (2003).

[9] D. Budker and M. Romalis, "Optical magnetometry," Nat Phys, vol. 3, no. 4, pp. 227-234, 2007.