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高温超导技术在微磁传感器中的应用

导读: 超高精度磁传感器在生物磁测量、地磁导航、天文观测、基础物理特性分析等科研领域具有广泛的应用前景和迫切需求。

1、引言

超高精度磁传感器在生物磁测量、地磁导航、天文观测、基础物理特性分析等科研领域具有广泛的应用前景和迫切需求。比如,在生物磁信号探测领域,典型的心脏磁场为 10-9—10-10T,脑磁场为10-11—10-12 T,目前能够满足检测pT(10-12 T)量级测量精度的磁传感器有光泵磁传感器、探测线圈磁传感器、磁通门传感器、超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)传感器等。其中SQUID传感器是目前探测精度最高的磁传感器,可以达到10-14T(高温超导SQUID)和10-15 T(低温超导SQUID),但是由于设计制作和使用的复杂性,限制了其大规模应用。而探测线圈磁传感器、磁通门传感器和光泵传感器难于小型化,因此也不适用于微电子的集成系统。只有巨磁阻传感器和巨磁阻抗传感器既可以满足高灵敏探测的要求,又可以兼顾高性能和微型化,并且与微机电系统(micro electro-mechanical systems,MEMS)技术兼容,近年来受到更多关注。

而在近十几年间,随着薄膜技术的发展,高温超导技术得到了极大的提高,将巨磁阻技术或巨磁阻抗技术结合高温超导薄膜结构,构成了一种新的磁传感器,这种磁传感器具有可以媲美SQUID 的测量精度,并且在微型化方面具有SQUID无法具备的优越性,可以预见,这种技术的发展将会促进磁传感器领域的发展。但是由于巨磁电阻(giant magnetoresistance,GMR)元件本身的复杂性,其高达10 余层的膜结构实现起来需要非常精确的参数控制和结构设计,难度较大。复合结构中超导环部分的尺寸直径达到2.5 cm 以上,这样会增大系统体积和耦合面积,从而增加引入的磁通。理论分析方面,GMR元件忽略了材料的电感变化,因此探测精度也没有巨磁阻抗(giant magneto impedance,GMI)器件高,综合上述因素,GMI/超导复合结构可以兼顾小型化和制作上的方便性,并且可以达到更高的精度。

本文下面分三部分对高温超导技术在微磁传感器方面的应用与发展进行阐述。

2、高温超导量子干涉器件传感器原理、应用与发展

超导量子干涉仪是基于超导约瑟夫森(Josephson)结效应制作的磁传感器,因为其极高的探测精度,广泛用于生物磁测量、无损探伤、军事探潜等领域,是高温超导最早走向实用化的领域之一。而高温超导技术的发展提高了SQUID的工作温度,另一方面,高温超导薄膜技术的发展也提高了SQUID 的灵敏度。本节将主要说明SQUID的测量原理及高温SQUID近几年的发展,简单阐述近期高温超导SQUID的应用。

SQUID实质是基于约瑟夫森结效应的一种将磁通转化为电压的磁通传感器,利用了超导约瑟夫森结效应和磁通量子化现象。如图1 所示,被一薄势垒层分开的两块超导体构成一个约瑟夫森隧道结。当含有约瑟夫森隧道结的超导体闭合环路被适当大小的电流I 偏置后,会呈现一种宏观量子干涉现象,即隧道结两端的电压是随闭合环路环孔中的磁通量Φ变化的周期性函数,其周期为磁通量变化的最小单位(磁通量量子Φ0)。这种现象称为超导量子干涉现象。

高温超导技术在微磁传感器中的应用

图1 超导量子干涉仪的原理示意图(I 为通过超导体闭合环路的总电流,Ia和Ib为通过上下约瑟夫森隧道结的直流电流,Φ为外加磁通)

从发现约瑟夫森结效应以来,人们很快就利用这种效应制成了利用直流电流进行偏置的超导量子干涉器件(DC-SQUID),这种器件实质上就是一种磁通检测器。随后,又发明了利用约瑟夫森结和超导体连成闭合回路,再用射频电流进行偏置的超导量子干涉器件(RF-SQUID),这种结构更容易制备,并且与室温电路的耦合问题更易于解决,其灵敏度也比当时的DC-SQUID高。1976年,J.Clarke 等人研制成功薄膜隧道结DC-SQUID,其测量原理如图2 所示,利用线圈之间的互感谐振,解决了与室温电路的耦合问题,其灵敏度比RF-SQUID要高一个数量级。

高温超导技术在微磁传感器中的应用

图2 DC-SQUID的电路测量示意图(Φex为环内总磁通,Ibias为偏置电流,Vout为输出电压)

低温超导量子干涉器大多数是直流SQUID,而高温超导薄膜可以制成直流SQUID 或者射频SQUID,现在一般为YBCO薄膜材料制成。这种传感器设计的难点在于没有成熟的高温约瑟夫森结工艺,并且在77 K温度下,热噪声对传感器的测量干扰很大。目前比较成熟的制作高温SQUID的方式是使用SrTiO3 或者LaAlO3 晶体作为衬底,在它们的双晶或者含有台阶的单晶基片上外延生长YBCO薄膜,再用半导体光刻技术将SQUID的图形刻在YBCO薄膜上(图3),制成SQUID 器件。

高温超导技术在微磁传感器中的应用

图3 高温超导DC-SQUID的原理示意图

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