【導(dǎo)讀】超高精度磁傳感器在生物磁測(cè)量、地磁導(dǎo)航、天文觀測(cè)、基礎(chǔ)物理特性分析等科研領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和迫切需求。比如，在生物磁信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域，典型的心臟磁場(chǎng)為 10-9—10-10T，腦磁場(chǎng)為10-11—10-12 T，目前能夠滿足檢測(cè)pT(10-12 T)量級(jí)測(cè)量精度的磁傳感器有光泵磁傳感器、探測(cè)線圈磁傳感器、磁通門(mén)傳感器、超導(dǎo)量子干涉器件(superconducting quantum interference device，SQUID)傳感器等。
1、引言
超高精度磁傳感器在生物磁測(cè)量、地磁導(dǎo)航、天文觀測(cè)、基礎(chǔ)物理特性分析等科研領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和迫切需求。比如，在生物磁信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域，典型的心臟磁場(chǎng)為 10-9—10-10T，腦磁場(chǎng)為10-11—10-12 T，目前能夠滿足檢測(cè)pT(10-12 T)量級(jí)測(cè)量精度的磁傳感器有光泵磁傳感器、探測(cè)線圈磁傳感器、磁通門(mén)傳感器、超導(dǎo)量子干涉器件(superconducting quantum interference device，SQUID)傳感器等。其中SQUID傳感器是目前探測(cè)精度最高的磁傳感器，可以達(dá)到10-14T(高溫超導(dǎo)SQUID)和10-15 T(低溫超導(dǎo)SQUID)，但是由于設(shè)計(jì)制作和使用的復(fù)雜性，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。而探測(cè)線圈磁傳感器、磁通門(mén)傳感器和光泵傳感器難于小型化，因此也不適用于微電子的集成系統(tǒng)。只有巨磁阻傳感器和巨磁阻抗傳感器既可以滿足高靈敏探測(cè)的要求，又可以兼顧高性能和微型化，并且與微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro-mechanical systems，MEMS)技術(shù)兼容，近年來(lái)受到更多關(guān)注。
而在近十幾年間，隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，高溫超導(dǎo)技術(shù)得到了極大的提高，將巨磁阻技術(shù)或巨磁阻抗技術(shù)結(jié)合高溫超導(dǎo)薄膜結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一種新的磁傳感器，這種磁傳感器具有可以媲美SQUID 的測(cè)量精度，并且在微型化方面具有SQUID無(wú)法具備的優(yōu)越性，可以預(yù)見(jiàn)，這種技術(shù)的發(fā)展將會(huì)促進(jìn)磁傳感器領(lǐng)域的發(fā)展。但是由于巨磁電阻(giant magnetoresistance，GMR)元件本身的復(fù)雜性，其高達(dá)10 余層的膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要非常精確的參數(shù)控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，難度較大。復(fù)合結(jié)構(gòu)中超導(dǎo)環(huán)部分的尺寸直徑達(dá)到2.5 cm 以上，這樣會(huì)增大系統(tǒng)體積和耦合面積，從而增加引入的磁通。理論分析方面，GMR元件忽略了材料的電感變化，因此探測(cè)精度也沒(méi)有巨磁阻抗(giant magneto impedance，GMI)器件高，綜合上述因素，GMI/超導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)可以兼顧小型化和制作上的方便性，并且可以達(dá)到更高的精度。
本文下面分三部分對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)在微磁傳感器方面的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行闡述。
2、高溫超導(dǎo)量子干涉器件傳感器原理、應(yīng)用與發(fā)展
超導(dǎo)量子干涉儀是基于超導(dǎo)約瑟夫森(Josephson)結(jié)效應(yīng)制作的磁傳感器，因?yàn)槠錁O高的探測(cè)精度，廣泛用于生物磁測(cè)量、無(wú)損探傷、軍事探潛等領(lǐng)域，是高溫超導(dǎo)最早走向?qū)嵱没念I(lǐng)域之一。而高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展提高了SQUID的工作溫度，另一方面，高溫超導(dǎo)薄膜技術(shù)的發(fā)展也提高了SQUID 的靈敏度。本節(jié)將主要說(shuō)明SQUID的測(cè)量原理及高溫SQUID近幾年的發(fā)展，簡(jiǎn)單闡述近期高溫超導(dǎo)SQUID的應(yīng)用。
SQUID實(shí)質(zhì)是基于約瑟夫森結(jié)效應(yīng)的一種將磁通轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器，利用了超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)效應(yīng)和磁通量子化現(xiàn)象。如圖1 所示，被一薄勢(shì)壘層分開(kāi)的兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)約瑟夫森隧道結(jié)。當(dāng)含有約瑟夫森隧道結(jié)的超導(dǎo)體閉合環(huán)路被適當(dāng)大小的電流I 偏置后，會(huì)呈現(xiàn)一種宏觀量子干涉現(xiàn)象，即隧道結(jié)兩端的電壓是隨閉合環(huán)路環(huán)孔中的磁通量Φ變化的周期性函數(shù)，其周期為磁通量變化的最小單位(磁通量量子Φ0)。這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)量子干涉現(xiàn)象。
圖1 超導(dǎo)量子干涉儀的原理示意圖(I 為通過(guò)超導(dǎo)體閉合環(huán)路的總電流，Ia和Ib為通過(guò)上下約瑟夫森隧道結(jié)的直流電流，Φ為外加磁通)
從發(fā)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)效應(yīng)以來(lái)，人們很快就利用這種效應(yīng)制成了利用直流電流進(jìn)行偏置的超導(dǎo)量子干涉器件(DC-SQUID)，這種器件實(shí)質(zhì)上就是一種磁通檢測(cè)器。隨后，又發(fā)明了利用約瑟夫森結(jié)和超導(dǎo)體連成閉合回路，再用射頻電流進(jìn)行偏置的超導(dǎo)量子干涉器件(RF-SQUID)，這種結(jié)構(gòu)更容易制備，并且與室溫電路的耦合問(wèn)題更易于解決，其靈敏度也比當(dāng)時(shí)的DC-SQUID高。1976年，J.Clarke 等人研制成功薄膜隧道結(jié)DC-SQUID，其測(cè)量原理如圖2 所示，利用線圈之間的互感諧振，解決了與室溫電路的耦合問(wèn)題，其靈敏度比RF-SQUID要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖2 DC-SQUID的電路測(cè)量示意圖(Φex為環(huán)內(nèi)總磁通，Ibias為偏置電流，Vout為輸出電壓)
低溫超導(dǎo)量子干涉器大多數(shù)是直流SQUID，而高溫超導(dǎo)薄膜可以制成直流SQUID 或者射頻SQUID，現(xiàn)在一般為YBCO薄膜材料制成。這種傳感器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于沒(méi)有成熟的高溫約瑟夫森結(jié)工藝，并且在77 K溫度下，熱噪聲對(duì)傳感器的測(cè)量干擾很大。目前比較成熟的制作高溫SQUID的方式是使用SrTiO3 或者LaAlO3 晶體作為襯底，在它們的雙晶或者含有臺(tái)階的單晶基片上外延生長(zhǎng)YBCO薄膜，再用半導(dǎo)體光刻技術(shù)將SQUID的圖形刻在YBCO薄膜上(圖3)，制成SQUID 器件。
圖3 高溫超導(dǎo)DC-SQUID的原理示意圖
目前，對(duì)高溫SQUID的研究主要集中在兩個(gè)方面： 一是高溫超導(dǎo)SQUID基本理論的研究，主要指高溫超導(dǎo)SQUID 電壓與電流特性，電壓與磁通之間的變換系數(shù)等數(shù)值仿真；二是各種高溫超導(dǎo)SQUID 器件的研制以及在相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)。
近幾年，超導(dǎo)薄膜技術(shù)的提高使得薄膜質(zhì)量有顯著提高，將超導(dǎo)薄膜的磁通噪聲減小了近8個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)使用超導(dǎo)環(huán)的焊接技術(shù)、YBCO的微橋技術(shù)以及多層膜的復(fù)合技術(shù)，使得高溫超導(dǎo)的噪聲系數(shù)提高到1 kHz 時(shí)的9.7 fT/ √Hz ，而在1 Hz 時(shí)能達(dá)到53 fT/ √Hz 。
Yang等人采用諧振型耦合電路結(jié)合常規(guī)銅拾取線圈，將SQUID的磁場(chǎng)噪聲降低到26 fT/ √Hz 。Kang 等人將兩個(gè)SQUID 串聯(lián)，其中一個(gè)作為信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，另外一個(gè)作為參考信號(hào)端，構(gòu)成多通道雙弛豫振蕩的SQUID 磁傳感器和平面梯度計(jì)，在100 Hz 下，其噪聲分別達(dá)到3 fT/ √Hz 和4 fT/ √Hz 。而Kawai集成了9 通道的平面式梯度計(jì)，噪聲水平達(dá)到10 fT/ √Hz，梯度計(jì)結(jié)構(gòu)可以避免使用昂貴的磁屏蔽室，對(duì)SQUID的廣泛應(yīng)用十分有利。
3、GMR/超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器原理、應(yīng)用與發(fā)展
GMR傳感器是一種通過(guò)金屬薄層將軟磁層和硬磁層分離開(kāi)的結(jié)構(gòu)，其發(fā)展是隨著各向異性磁阻(MR)傳感器的發(fā)展一起發(fā)展的。要了解GMR傳感器與超導(dǎo)復(fù)合傳感器的發(fā)展，首先要分析GMR傳感器的機(jī)理與現(xiàn)狀，然后在此基礎(chǔ)上闡述超導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)。
3.1 GMR 磁傳感器的原理
由磁性材料制作的導(dǎo)體的電阻在磁場(chǎng)作用下發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做磁阻現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)100 多年了。R.P. Hunt 發(fā)現(xiàn)，對(duì)坡莫合金薄膜施加的磁場(chǎng)方向改變90°時(shí)，薄膜的電阻有2%的變化，可以作為磁傳感器的制作材料。更重要的是，這種薄膜可以制成微型化傳感器，當(dāng)磁化方向設(shè)置成單一方向時(shí)，傳感器的噪聲會(huì)非常小，只受到熱噪聲的影響，其信噪比可以達(dá)到97 dB。在磁記錄方面的應(yīng)用中，大約有20 dB的磁記錄噪聲，因此，MR 技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他方式，MR技術(shù)隨之被廣泛應(yīng)用于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并在微型化方面也有了很多應(yīng)用。
巨磁阻抗效應(yīng)最先是由Baibich等人提出的。他發(fā)現(xiàn)在低溫條件下(4 K)，如果將鐵、鉻多層膜放置在上千高斯磁場(chǎng)中，其阻抗會(huì)發(fā)生50%以上的變化。由于在磁記錄重放時(shí)磁頭和小磁場(chǎng)檢測(cè)方面的需要，使得利用巨磁阻抗效應(yīng)的設(shè)備飛速發(fā)展。如今GMR磁傳感器的尺寸能夠達(dá)到微米級(jí)別，并能在室溫環(huán)境下產(chǎn)生大于10%/Oe 的電阻變化。
不同GMR 系統(tǒng)的自旋軸其特征是不一樣的，例如Baibich 等人的GMR系統(tǒng)是Fe/Cr 交替的多層膜，當(dāng)所有這些層的磁化方向相同時(shí)，一半傳導(dǎo)電流的自旋極化電子可以通過(guò)夾層移動(dòng)而沒(méi)有明顯的磁性材料散射現(xiàn)象(低電阻)，而交替層的磁化方向反轉(zhuǎn)時(shí)，所有的電子都會(huì)發(fā)生散射，不管這些電子是提速還是降速。四層薄膜的磁化軸方向要簡(jiǎn)單得多，反鐵磁性的交替膜(例如Mn，F(xiàn)e)復(fù)合到Co 膜上，表明磁化方向在橫軸方向，第二層磁化膜與軟磁層NiFe 層通過(guò)一個(gè)很薄的導(dǎo)電層(Cu 層)分離開(kāi)，這樣的磁性薄膜具有可變的磁化方向，其兩層膜之間的磁化角的改變引起了散射電子通過(guò)組合結(jié)構(gòu)方式的多樣性，這就使得這種結(jié)構(gòu)的電阻變化比簡(jiǎn)單的MR電阻變化要大得多。
在靈敏度方面，GMR傳感器在100 Hz 磁場(chǎng)中的噪聲大約為20 pT/ √Hz ，大于1 kHz 時(shí)的約瑟夫森噪聲極限(小于6 pT/ √Hz )。
3.2 GMR/超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀
2004 年法國(guó)科學(xué)家Myrian 等在Science 上發(fā)表文章，報(bào)道了一種GMR/超導(dǎo)復(fù)合高精度磁傳感器，它可以測(cè)量30 fT 量級(jí)的微弱磁場(chǎng)，這已經(jīng)達(dá)到高溫超導(dǎo)SQUID的測(cè)量精度。其原理如圖4 所示，其結(jié)構(gòu)包含一個(gè)GMR磁傳感器和一個(gè)特制的超導(dǎo)環(huán)，超導(dǎo)環(huán)含有微橋結(jié)構(gòu)，具有微橋結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)環(huán)具備放大磁場(chǎng)的作用。
圖4 GMR/復(fù)合磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)
超導(dǎo)環(huán)磁場(chǎng)放大是通過(guò)一個(gè)具有微米級(jí)微橋結(jié)構(gòu)的大面積(幾毫米寬)超導(dǎo)環(huán)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)垂直施加在此環(huán)時(shí)，在超導(dǎo)體中產(chǎn)生的超導(dǎo)電流會(huì)阻止磁通的進(jìn)入，當(dāng)超導(dǎo)電流通過(guò)微橋結(jié)構(gòu)時(shí)，局部電流密度升高，該電流產(chǎn)生一定強(qiáng)度遠(yuǎn)高于被測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。此時(shí)，將一個(gè)磁敏元件如GMR 磁傳感器，放置于此環(huán)微橋結(jié)構(gòu)的上部或者下部，就可以檢測(cè)被放大的磁場(chǎng)。圖5為理論計(jì)算得到的超導(dǎo)環(huán)周?chē)艌?chǎng)分布圖。這幅圖中利用GMR 磁傳感器測(cè)量微橋周?chē)^強(qiáng)的磁場(chǎng)，推算出相對(duì)微弱的外界磁場(chǎng)，從而提高傳感器的探測(cè)靈敏度。圖中環(huán)的直徑約為3 mm，微橋結(jié)構(gòu)處的超導(dǎo)環(huán)寬度約為25 μm，根據(jù)理論計(jì)算，其磁場(chǎng)大概被放大120 倍，經(jīng)過(guò)磁光設(shè)備實(shí)際檢測(cè)，其磁場(chǎng)被放大100 倍，用超導(dǎo)環(huán)復(fù)合了具有3.11%/mT靈敏度的GMR磁傳感器之后，傳感器的靈敏度大概為311%/mT。
圖5 超導(dǎo)環(huán)周?chē)艌?chǎng)分布
在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，GMR傳感器是NiFe 層耦合CoFe層，硬磁層由反鐵磁性層(如IrMn，MnPt)耦合鐵磁性層(CoFe)。整個(gè)層結(jié)構(gòu)的電阻隨兩個(gè)層的磁化軸之間的角度變化，工業(yè)條件下制作的150 mm的晶片上可以得到6%/mT—8%/mT 的電阻變化，微米尺寸的MR傳感器可以得到5%/mT的電阻變化。在原型機(jī)里，得到電阻的變化為2.13%/mT。
這個(gè)結(jié)構(gòu)中的主要噪聲包括熱噪聲和1/f 噪聲。室溫下的熱噪聲NT可以由下式給出：
NT = 2[(kBTR )1/2] ， (1)式中kB是玻爾茲曼常數(shù)，值為1.3806505 ×10-23，T 是溫度，R 是電阻值，當(dāng)噪聲為350 pT/ √Hz時(shí)，這個(gè)微橋結(jié)構(gòu)的電流為1 mA。在4.2 K 時(shí)，這個(gè)微橋的靈敏度為40 pT/√ Hz 。測(cè)量電阻時(shí)，信號(hào)正比于感應(yīng)電流，因此，該結(jié)構(gòu)的靈敏度可以通過(guò)通入大電流的方式相應(yīng)提高，但是要注意大電流所帶來(lái)的熱效應(yīng)。
在低頻時(shí)，噪聲主要由1/f 噪聲決定，它使這一傳感器的探測(cè)能力降低到幾百fT/ √Hz 。表1 給出了在4 K和77 K溫度環(huán)境中的熱噪聲值。
表1 復(fù)合磁強(qiáng)計(jì)的低溫噪聲
和SQUID一樣，復(fù)合傳感器對(duì)較大范圍的頻率信號(hào)都具有平坦的頻率響應(yīng)，因此有希望應(yīng)用于共振信號(hào)的探測(cè)。在低磁場(chǎng)中，相應(yīng)的低共振頻率下，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)諧線圈有很低的靈敏度，因而平坦的頻率響應(yīng)變得更敏感。該課題組還制作了一套核磁共振裝置，其偏振磁場(chǎng)只有幾mT，信號(hào)檢測(cè)使用了在液氮中冷卻的復(fù)合傳感器。圖6展示了水樣品在一個(gè)自旋回波序列期間的相位和核磁共振信號(hào)積分的檢測(cè)結(jié)果(頻率320 kHz，8 mT)。
圖6 核磁共振的信號(hào)在320 kHz的幅值響應(yīng)
此外，該課題組還于2012 年提出利用GMR/超導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列實(shí)現(xiàn)多通道腦磁成像(圖7)，并進(jìn)行了平面梯度配置和測(cè)試，這種模式可以有效地降低環(huán)境中50 Hz 的噪聲信號(hào)，并用心磁信號(hào)模擬腦磁信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該傳感器在測(cè)量的實(shí)時(shí)性方面有顯著的優(yōu)勢(shì)，但將其真正用于腦磁測(cè)量，還需進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。
圖7 GMR/超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的腦磁成像設(shè)備原理框圖和噪聲分析
4、GMI/超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的原理、應(yīng)用與發(fā)展
自從1992 年日本名古屋大學(xué)的K.Mohri 等人首次在CoFeSiB 軟磁非晶絲中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)，人們?cè)诜蔷А⒓{晶帶、薄膜、三明治/多層膜中相繼發(fā)現(xiàn)GMI效應(yīng)，這為GMI效應(yīng)在傳感器中的實(shí)際應(yīng)用提供了更多的材料選擇。
4.1 GMI/超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的原理
GMI 即巨磁阻抗效應(yīng)，是1992 年日本科學(xué)家K. Mohri 在CoFeSiB 軟磁非晶絲中通入交變激勵(lì)電流，其阻抗值隨沿著縱向施加的外磁場(chǎng)變化而發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。GMI傳感器的發(fā)現(xiàn)為研制一種新型高靈敏度傳感器提供了可能。在巨磁阻抗效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之初，其研究主要集中于非晶絲，但是非晶絲相對(duì)較脆，容易斷裂，這就給絲傳感器的制備和使用帶來(lái)難度。而非晶帶和薄膜在制備和使用上相對(duì)簡(jiǎn)單，并且薄膜結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)小型化。對(duì)于薄膜來(lái)說(shuō)，單層膜的GMI效應(yīng)比較小，主要是因?yàn)閱螌幽さ内吥w效應(yīng)比較小。為了提高GMI效應(yīng)，Panina 又提出一種三明治結(jié)構(gòu)(F/M/F)，F(xiàn)為鐵磁材料層(通常為CoSiB，CoFeSiB，F(xiàn)eSiCuNb 等)，M 表示導(dǎo)體材料層(通常為Cu，Ag，Au)。由于中間導(dǎo)體層M 的存在，三明治結(jié)構(gòu)的電阻率比較低，只要鐵磁層F 的電感發(fā)生較大的變化，即可獲得較大的巨磁阻抗效應(yīng)。MoriKawa等人制作的三明治膜CoSiB/Ag/CoSiB 的阻抗變化率可以達(dá)到440 %，靈敏度達(dá)到49 %/Oe，偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度為9 Oe，激勵(lì)頻率為10 MHz，其三明治結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示。為了進(jìn)一步增強(qiáng)GMI效應(yīng)，Morikawa等人又做了帶有絕緣層的多層膜結(jié)構(gòu)(CoSiB/SiO2/Ag/SiO2/CoSiB)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8(b)所示。其阻抗變化率可以達(dá)到700%，靈敏度達(dá)到300 %/Oe，這種增強(qiáng)效應(yīng)的原理被解釋為絕緣層SiO2的存在導(dǎo)致激勵(lì)電流從導(dǎo)體層M流過(guò)而不從鐵磁層F流過(guò)導(dǎo)致。
圖8 (a)三明治結(jié)構(gòu)示意圖；(b)帶有絕緣層的多層膜結(jié)構(gòu)
通常GMI磁傳感器是基于測(cè)量阻抗幅值的變化制作的，而近期巴西科學(xué)家Silva 等人利用測(cè)量GMI器件的相位隨磁場(chǎng)的變化也可以制作更高精度的磁傳感器。這種磁傳感器測(cè)量的是阻抗相位隨弱磁場(chǎng)變化的特性，有望將GMI磁傳感器的靈敏度提高10 倍，并且非常適合于制作小型化傳感器。經(jīng)過(guò)理論仿真，這種傳感器的靈敏度可以達(dá)到887.91 V/Oe。本課題組對(duì)GMI 磁傳感器也做了相關(guān)研究，并研究了激勵(lì)源頻率、激勵(lì)電流幅值、直流偏置等對(duì)磁傳感器靈敏度的影響，結(jié)果表明，基于相位的GMI磁傳感器減小了激勵(lì)電流頻率到120 kHz 左右，增加了傳感器的靈敏度，在微弱磁場(chǎng)測(cè)量方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
4.2 GMI/超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的原理
GMR/超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的精度已經(jīng)到達(dá)30 fT量級(jí)，但是進(jìn)一步提高精度就需要將外磁場(chǎng)進(jìn)一步放大，理論計(jì)算需放大到4000 倍以上，需要的超導(dǎo)樣品直徑需達(dá)到2.5 cm。這樣增大了系統(tǒng)體積和耦合難度，而理論分析表明，GMI元件的探測(cè)精度比GMR傳感器高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且GMI元件的多層膜制作也比GMR 膜簡(jiǎn)單，一般是3層，最多5 層。而GMR元件的多層膜結(jié)構(gòu)則多達(dá)10 余層，制作要求也較高。基于上述情況，采用高靈敏GMI 多層膜元件代替GMR 元件的傳感器，既可以兼顧小型化和制作上的可行性，又可以達(dá)到超高精度。這種思路由本課題組首先提出并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金資助。
本課題組提出了一種GMI/超導(dǎo)復(fù)合高精度磁傳感器，理論上可以測(cè)量fT 量級(jí)以上的微弱磁場(chǎng)，這已經(jīng)達(dá)到了高溫超導(dǎo)SQUID 的測(cè)量精度。其原理如圖9 所示，該結(jié)構(gòu)包含一個(gè)GMI薄膜磁傳感器和一個(gè)含有微橋結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)環(huán)。
圖9 GMI/復(fù)合磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)(a)整體結(jié)構(gòu)圖；(b)放大結(jié)構(gòu)圖
超導(dǎo)環(huán)具有磁場(chǎng)放大作用，當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，微橋附近磁場(chǎng)直接數(shù)倍于外界探測(cè)磁場(chǎng)，而GMI 敏感器件的阻抗會(huì)隨外界磁場(chǎng)的變化而變化，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，從而利用磁敏感器件探測(cè)出微橋磁場(chǎng)，就可以推算出外界磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的測(cè)量。
在前期工作中，本課題組利用雙離子束沉積薄膜技術(shù)(dual-ion beam sputtering deposition films technology，DIBSD)制備CoSiB薄膜，探究不同參數(shù)下GMI薄膜的阻抗變化比，單層膜的最大變化可以達(dá)到15.8 %/Oe。同時(shí)嘗試?yán)没瘜W(xué)溶液腐蝕法和離子束刻蝕法，加工具備微橋結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)超導(dǎo)環(huán)，并取得一定的成果。利用交流磁化率方法和電輸運(yùn)方法，搭建了兩種高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量裝置，對(duì)超導(dǎo)環(huán)是否進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)進(jìn)行了測(cè)試。搭建高溫超導(dǎo)臨界電流密度三次諧波無(wú)損測(cè)量裝置，對(duì)超導(dǎo)環(huán)的性能進(jìn)行測(cè)試。并初步搭建出GMI傳感器的原理樣機(jī)，通過(guò)電路設(shè)計(jì)提高傳感器的靈敏度，目前可以達(dá)到219 mV/Oe。
5、結(jié)束語(yǔ)
目前，SQUID 磁傳感器仍然是所有磁傳感器技術(shù)中靈敏度最高的設(shè)備。然而，盡管在技術(shù)上仍然有所進(jìn)步，在過(guò)去的幾十年中，基于SQUID技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用仍然有限。SQUID系統(tǒng)的高價(jià)格是首要的限制因素。隨著高溫超導(dǎo)薄膜技術(shù)的發(fā)展， 為SQUID 技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了條件。GMR磁傳感器和GMI 磁傳感器的發(fā)展，特別是多層膜結(jié)構(gòu)薄膜技術(shù)的發(fā)展，為磁傳感器的微型化提供了可能，而GMR/超導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)和GMI/超導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)的提出，則提供了一種超越或替代SQUID測(cè)量精度的方法，并且在微型化方面具備SQUID無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，預(yù)期可以獲得較大的發(fā)展和應(yīng)用。
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