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摘要 弱磁探測(cè)在科研、工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中已起到越來(lái)越重要的作用。近年來(lái)，利用超導(dǎo)技術(shù)與磁電阻傳感器相結(jié)合，人們研制成功一種新型的磁電阻材料/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器，其探測(cè)精度有望達(dá)到fT量級(jí)，并在弱磁探測(cè)領(lǐng)域具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。文章介紹了該類磁傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理，并根據(jù)磁電阻材料的不同，分別對(duì)巨磁電阻(GMR)和由作者所在實(shí)驗(yàn)室制備的隧道磁電阻(TMR)/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明。 關(guān)鍵詞復(fù)合式磁傳感器，超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器，巨磁電阻磁傳感器，隧道磁電阻磁傳感器 弱磁探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，歸根結(jié)底依靠的是磁傳感器技術(shù)的進(jìn)步。近年來(lái)，隨著各種物理效應(yīng)在磁場(chǎng)測(cè)量中的應(yīng)用，各種弱磁測(cè)量的方法已經(jīng)逐漸趨于完善，而根據(jù)不同測(cè)量方法，各類磁傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。從霍爾效應(yīng)磁傳感器、磁通門磁傳感器、磁電阻傳感器到光泵磁強(qiáng)計(jì)和超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)，磁傳感器技術(shù)不斷的向前發(fā)展[1，2]。這其中，最為熟知的探測(cè)精度達(dá)到fT量級(jí)的弱磁傳感器當(dāng)屬基于超導(dǎo)約瑟夫森效應(yīng)的超導(dǎo)量子干涉器件[3]。目前，單獨(dú)的SQUID 器件在低溫下靈敏度可以達(dá)到0.2—2 pT，而通過(guò)加入耦合線圈磁通放大器，在4.2 K靈敏度可以達(dá)到10 fT 以下。然而，對(duì)于低溫超導(dǎo)SQUID 而言[4]，需要昂貴的低溫制冷設(shè)備(液氦、低溫制冷機(jī)等)；高溫超導(dǎo)SQUID[5]由于超導(dǎo)材料的相干長(zhǎng)度短，在約瑟夫森結(jié)的制備方面存在困難。這些因素都制約了SQUID的大規(guī)模應(yīng)用。伴隨著科技進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，除了靈敏度之外，人們也對(duì)磁傳感器的尺寸、穩(wěn)定性、功耗、制備工藝的簡(jiǎn)單化等提出了越來(lái)越高的要求。其中基于磁電阻效應(yīng)[6]的傳感器因其具備高靈敏度、功耗低、體積小、加工技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)正在越來(lái)越大規(guī)模的使用。其中，基于巨磁電阻(GMR)[7]及隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)[8]制備的磁電阻傳感器因其飽和磁場(chǎng)較低、單位磁場(chǎng)靈敏度高、溫度特性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛用于生產(chǎn)應(yīng)用中。特別是TMR磁傳感器，擁有小型化、低成本、低功耗、高集成性、高相應(yīng)頻率和高靈敏度特性，使其成為未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)[9]另一方面，作為高靈敏度傳感器而言，GMR和TMR的固有噪聲仍然較大，特別是在低頻下，傳感器存在明顯的1/f 噪聲。并且在探測(cè)精度方面(pT—nT 量級(jí))相比于SQUID、光泵磁力儀等高靈敏度磁傳感器仍然有較大差距[1，6]，這也限制了其在生物磁性、軍工等一些弱磁探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。為了提高傳感器的探測(cè)精度，可以借助磁場(chǎng)放大器放大待測(cè)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)精度的提高。常規(guī)的磁場(chǎng)放大器是利用高磁導(dǎo)率的材料制備磁通聚集器，通過(guò)將軟磁材料制備成特殊形狀，使磁通聚集器間隙的磁場(chǎng)增強(qiáng)[10]。這種磁場(chǎng)放大器存在磁場(chǎng)放大倍數(shù)有限、制備工藝復(fù)雜、磁通聚集器自身會(huì)引入磁場(chǎng)噪聲等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成了一種新型的基于磁電阻傳感器薄膜與超導(dǎo)薄膜相結(jié)合的磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器[11]。該類傳感器使得原本的磁電阻器件靈敏度大幅提升，此外，該類器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作為一種新型的高靈敏度磁傳感器，磁場(chǎng)探測(cè)精度可以達(dá)到接近SQUID 的水平。同時(shí)這類傳感器又具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)有巨大發(fā)展?jié)摿?。本文針?duì)這一類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行介紹，并對(duì)該類磁傳感器的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行闡述。2 磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器原理磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器最早由D. Robbes等人[12]提出，該類傳感器主要由磁電阻傳感器和超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。其中超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器是一個(gè)由超導(dǎo)薄膜構(gòu)成的閉合環(huán)路。超導(dǎo)環(huán)路中有一段寬度狹窄區(qū)域。磁電阻傳感器位于超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器環(huán)路狹窄區(qū)域上方并由絕緣層分隔。圖1 (a)磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器原理圖[13]器件工作原理如下：在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下，當(dāng)有外磁場(chǎng)Ba垂直穿過(guò)超導(dǎo)環(huán)路時(shí)，會(huì)由于超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)(Meissner)在超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器環(huán)路中產(chǎn)生屏蔽電流I： 式中S 為超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的有效面積，L為超導(dǎo)環(huán)路自感。當(dāng)屏蔽電流通過(guò)狹窄區(qū)域時(shí)，受其寬度所限，電流密度會(huì)迅速增大，同時(shí)在狹窄區(qū)域上下方附近形成局域磁場(chǎng)增強(qiáng)。 對(duì)于超導(dǎo)體而言，由于邁斯納效應(yīng)的存在，流經(jīng)超導(dǎo)體的電流在材料內(nèi)部并非均勻分布，而是沿著法線方向向內(nèi)部迅速衰減。對(duì)于超導(dǎo)薄膜傳輸線來(lái)說(shuō)，令其薄膜寬度為w， 膜厚為h， λ 為倫敦(London) 穿透深度， 且w ? h ， h ? λ ，因此可以認(rèn)為電流在膜厚方向是均勻分布的，而電流密度分布可以簡(jiǎn)化為[14]通過(guò)狹窄區(qū)域的電流產(chǎn)生的放大磁感應(yīng)強(qiáng)度可以通過(guò)畢奧薩伐爾(Biot—Savart)定律計(jì)算獲得。圖2(a，b)分別為超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器狹窄區(qū)域磁場(chǎng)分布的理論計(jì)算及磁光實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[15]，對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器環(huán)路直徑為3 mm，狹窄區(qū)域?qū)挾葹? μm。根據(jù)理論計(jì)算，其磁場(chǎng)被放大約240倍，磁光設(shè)備測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算相符，磁場(chǎng)放大倍數(shù)為250 倍。位于超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器環(huán)路狹窄區(qū)域上方的磁電阻傳感器靈敏度也會(huì)提升相應(yīng)的倍數(shù)，從而使得器件的探測(cè)精度大幅提升。 圖2 超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器狹窄區(qū)域磁場(chǎng)分布(a)理論計(jì)算結(jié)果；(b)磁光設(shè)備測(cè)試結(jié)果[15]對(duì)于超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器而言，其磁場(chǎng)放大倍數(shù)主要由放大器的尺寸和狹窄區(qū)域?qū)挾葲Q定。增大超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的尺寸，以及減小狹窄區(qū)域的寬度，都會(huì)顯著增加超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的磁場(chǎng)放大倍數(shù)。例如，理論計(jì)算表明，當(dāng)超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器直徑達(dá)到25 mm，狹窄區(qū)域?qū)挾葹? μm時(shí)，磁場(chǎng)放大倍數(shù)將達(dá)到3500 倍[16]，而相應(yīng)的磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的磁場(chǎng)探測(cè)能力將有望達(dá)到1 fT，甚至更低的磁場(chǎng)。磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的性能不僅取決于超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的磁場(chǎng)放大能力，同時(shí)也取決于磁電阻傳感器的靈敏度、噪聲等特性。目前在磁電阻傳感器領(lǐng)域性能最為優(yōu)異、同時(shí)最具有應(yīng)用價(jià)值及潛力的當(dāng)屬GMR和TMR磁傳感器。下面將分別對(duì)GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的發(fā)展及本課題組在TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器制備、測(cè)試方面開(kāi)展的工作進(jìn)行介紹。 磁電阻效應(yīng)是對(duì)于一些磁性材料，當(dāng)施加外磁場(chǎng)時(shí)，材料的電阻會(huì)發(fā)生變化的效應(yīng)。這種磁電阻效應(yīng)第一次由William Thomson 于1857 年在鐵樣品中發(fā)現(xiàn)[17]。這一發(fā)現(xiàn)的材料磁阻變化率很小，只有1%，此效應(yīng)即被稱為各向異性磁電阻(AMR)效應(yīng)。1988 年，Grunberg 和Baibich 等人通過(guò)分子束外延的方法制備了Fe/Cr 多層膜，并在其中首次發(fā)現(xiàn)了磁阻變化率達(dá)到50%以上。這種巨大的磁電阻變化效應(yīng)被稱為巨磁電阻(GMR)效應(yīng)[7， 18]。GMR效應(yīng)來(lái)源于載流電子在不同的自旋狀態(tài)下與磁場(chǎng)的作用不同導(dǎo)致的電阻變化。GMR由鐵磁—非磁性金屬—鐵磁多層膜交疊組成。兩層鐵磁層的矯頑力不同。當(dāng)鐵磁層的磁矩互相平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料具有最小的電阻。而當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，載流子與自旋相關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。對(duì)于GMR效應(yīng)可以由Mott 提出的雙電流模型解釋[19]。在非磁性層中，不同自旋的電子能帶相同，但是在鐵磁金屬中，不同自旋的能帶發(fā)生劈裂，導(dǎo)致在費(fèi)米能級(jí)處，自旋向上和向下的電子態(tài)密度不同。在雙電流模型中，假設(shè)自旋向上和向下的電子沿層面流動(dòng)對(duì)應(yīng)兩個(gè)互相獨(dú)立的導(dǎo)電通道，其中自旋向上的電子，其平均自由程遠(yuǎn)大于自旋向下的電子。在鐵磁層磁矩反平行排列下，自旋向上和自旋向下的電子散射概率相同；而在平行排列下，自旋向上的電子散射要遠(yuǎn)小于自旋向下的電子，從而造成平行和反平行排列下電阻的差別。目前，GMR器件已廣泛應(yīng)用于傳感器、磁存儲(chǔ)等領(lǐng)域。器件的電阻變化率可以達(dá)到50%以上，靈敏度可以達(dá)到0.6%/Oe 以上，傳感器在100 Hz下的磁場(chǎng)噪聲約為20 pT/Hz1/22004 年，Myriam Pannetier 小組通過(guò)將CoFe/Cu/NiFe 多層膜構(gòu)成的GMR器件與YBCO超導(dǎo)磁放大器相結(jié)合，首次成功制備出GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器[11]。其中超導(dǎo)磁放大器磁場(chǎng)放大倍數(shù)達(dá)到了108倍。在4.2 K下，結(jié)合超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的GMR靈敏度達(dá)到了21.3%/Oe(圖3(a))，4.2 K下，器件的熱噪聲水平達(dá)到了32 fT/Hz1/2(圖3(b))。在150 Hz以下，1/f 噪聲開(kāi)始出現(xiàn)。圖3 (a)GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的磁阻曲線；(b)器件在77 K和4.2 K下的低頻噪聲頻譜[11]GMR/超導(dǎo)復(fù)合式傳感器的噪聲主要來(lái)自GMR器件的熱噪聲及1/f 磁噪聲[21]，其中，低頻下GMR器件的1/f 磁噪聲起主要作用。降低器件的1/f 噪聲主要通過(guò)如下方式：(1)將GMR器件設(shè)計(jì)成Yoke 型結(jié)構(gòu)(圖4(a))：GMR低頻下的1/f 磁噪聲主要由鐵磁層中出現(xiàn)分疇導(dǎo)致，采用磁軛結(jié)構(gòu)將有效抑制鐵磁層多疇?wèi)B(tài)的出現(xiàn)；(2)利用斬波技術(shù)進(jìn)行調(diào)頻：采用調(diào)制外磁場(chǎng)的方法，將外加恒定磁場(chǎng)調(diào)制為交流磁場(chǎng)，從而提高GMR 器件的工作頻率，可以有效降低傳感器的低頻噪聲[22]。例如，Myriam Pannetier 小組在超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的超導(dǎo)狹窄區(qū)域接入加熱電路，加熱電路通入交變電流對(duì)狹窄區(qū)域進(jìn)行周期加熱， 超導(dǎo)磁放大器處于周期失超—恢復(fù)的過(guò)程，從而達(dá)到磁場(chǎng)調(diào)頻的作用(圖4(a))。圖4(b)為利用斬波技術(shù)測(cè)得的100 nT 正弦波信號(hào)，圖4(c)為器件是否利用斬波技術(shù)的低頻噪聲對(duì)比。此外，為了提升器件的靈敏度，可以提高通入GMR器件的工作電流，同時(shí)選用磁場(chǎng)放大倍數(shù)更高的超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器。表1 列出了目前國(guó)際上(主要是該課題組)研制的不同規(guī)格GMR/超導(dǎo)復(fù)合式傳感器及其性能[16，23]。可以看出，器件在77 K和4.2 K時(shí)，熱噪聲水平已經(jīng)分別可以達(dá)到10 fT/Hz1/2和2 fT/Hz1/2。這一噪聲水平已接近SQUID 器件。圖4 (a)GMR磁軛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(b) 利用斬波技術(shù)測(cè)得的100 nT正弦波信號(hào)[21]；(c)未使用斬波技術(shù)和使用斬波技術(shù)時(shí)GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的低頻噪聲信號(hào)對(duì)比基于其高靈敏度，目前，該類傳感器已經(jīng)開(kāi)始在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)試[24]。圖5 是通過(guò)該類傳感器獲得的心磁圖信號(hào)，并與傳統(tǒng)心電圖信號(hào)進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，該傳感器的靈敏度已經(jīng)可以完全滿足心磁信號(hào)的測(cè)量。圖5 (a)GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器獲得的心磁信號(hào)；(b)心電圖測(cè)試結(jié)果不僅如此，利用該類傳感器體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)將傳感器制備成陣列，可以實(shí)現(xiàn)多通道生物磁信號(hào)成像。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工作已經(jīng)于2012 年開(kāi)展[25]。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)4 個(gè)GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器組成陣列對(duì)心磁金屬導(dǎo)線磁信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試(圖6)，證實(shí)了該傳感器在實(shí)時(shí)測(cè)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該傳感器陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，若能進(jìn)一步提高器件的靈敏度，將有望實(shí)現(xiàn)腦磁測(cè)量。圖6 (a)GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖；(b)傳感器陣列對(duì)金屬導(dǎo)線的磁成像[25]除了高靈敏度，GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器同時(shí)具有較大的頻帶寬度[26]。圖7(a)是不同背景磁場(chǎng)下傳感器磁場(chǎng)的響應(yīng)隨磁場(chǎng)頻率的變化。背景磁場(chǎng)為0 時(shí)，傳感器對(duì)于磁場(chǎng)信號(hào)在1 GHz 的頻率范圍內(nèi)都具有平坦的響應(yīng)(更高的頻率會(huì)引起GMR鐵磁層發(fā)生鐵磁共振)。此外，該復(fù)合式傳感器具有非?？斓捻憫?yīng)恢復(fù)速度，圖7(b)是該復(fù)合式傳感器對(duì)一個(gè)50 μs 方波脈沖的響應(yīng)及恢復(fù)。通過(guò)對(duì)比可以看出，其響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間要明顯優(yōu)于共振線圈。圖7 (a)不同磁場(chǎng)下復(fù)合式傳感器信號(hào)隨頻率的變化；(b)GMR/超導(dǎo)復(fù)合式傳感器與共振線圈在800 kHz 時(shí)對(duì)50 μs 脈沖的響應(yīng)恢復(fù)[26]利用其優(yōu)異的頻帶特性，該傳感器有望應(yīng)用于低場(chǎng)核磁共振(NMR)、核四級(jí)共振(NQR)以及磁共振成像(MRI)等共振信號(hào)測(cè)試領(lǐng)域。目前相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作已經(jīng)開(kāi)展[23，27，28]。其中Myriam Pannetier 小組利用GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器作為信號(hào)檢測(cè)器件，搭建了一套低場(chǎng)核磁共振系統(tǒng)。圖8(a)為利用該系統(tǒng)測(cè)得的3 ml的CuSO4溶液的自由感應(yīng)衰減信號(hào)(頻率210 kHz，5 mT)[23]。圖8(b)是利用該系統(tǒng)獲得的MRI圖像[27]，被成像物體為一個(gè)多孔的塑料球，孔內(nèi)注有液體(圖8(b)插圖)，MRI圖像空間分辨率達(dá)到了1 mm。圖8 (a) 3 ml 的CuSO4[32]；(b)一個(gè)帶孔的塑料球的圖像，孔內(nèi)注有液體。插圖為帶孔塑料球[27]作為一種新型的弱磁探測(cè)器，GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的磁場(chǎng)探測(cè)精度目前已經(jīng)達(dá)到fT 量級(jí)。若要進(jìn)一步提升器件的磁場(chǎng)探測(cè)精度，就需要用靈敏度更高、性能更加優(yōu)異的磁傳感器代替GMR。 1995 年，由美國(guó)麻省理工學(xué)院和日本東北大學(xué)的兩個(gè)研究小組獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，將兩個(gè)磁性電極層之間用極薄的絕緣層分開(kāi)會(huì)產(chǎn)生很大的磁電阻效應(yīng)(室溫下達(dá)到11%)[8]。這種由磁性層/絕緣層/磁性層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，稱為磁性隧道結(jié)(MTJ)。在MTJ 中，中間的絕緣層很薄(幾個(gè)納米)，使得可以有大量電子隧穿通過(guò)。通過(guò)隧道結(jié)的電流依賴于兩個(gè)磁性層的磁化強(qiáng)度矢量的相對(duì)取向。這種隧穿電流隨外磁場(chǎng)變化的效應(yīng)被稱為隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)。隧道磁電阻效應(yīng)可以由Julliere 雙電流模型解釋[29]。假定電子在隧穿過(guò)程中自旋不發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并且隧穿電流正比于費(fèi)米面附近電子的態(tài)密度。當(dāng)MTJ兩側(cè)鐵磁層處于平行排列時(shí)，左側(cè)的少子電子向右側(cè)的少子空態(tài)隧穿，左側(cè)的多子電子向右側(cè)的多子空態(tài)隧穿，MTJ 處于低阻態(tài)；當(dāng)MTJ兩側(cè)鐵磁層處于反平行排列時(shí)，左側(cè)的少子電子向右側(cè)的多子空態(tài)隧穿，而左側(cè)的多子電子向右側(cè)的少子空態(tài)隧穿，MTJ 呈現(xiàn)高阻態(tài)。過(guò)去的十幾年中，TMR電阻變化率在被不斷提高。例如2005 年， Djayaprawira 等人得到了230%的基于氧化鎂絕緣層的TMR 磁電阻變化率[30]。不久之后，日立及IBM兩家公司分別報(bào)導(dǎo)了350%的TMR變化率[31]。2006 年，日立公司又報(bào)導(dǎo)了磁阻變化率為472%的TMR材料[32]。與此同時(shí)，理論工作表明，對(duì)于氧化鎂基的TMR 材料，其磁電阻變化率可達(dá)1000%[33]表2 列出了AMR器件、GMR器件以及TMR器件的典型技術(shù)參數(shù)對(duì)比。可以看出，相比GMR來(lái)說(shuō)，TMR具有更好的溫度穩(wěn)定性、更高的靈敏度、更低的功耗，以及更寬的線性范圍。用TMR代替GMR制備TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器，將會(huì)進(jìn)一步提升器件的靈敏度，并且預(yù)計(jì)噪聲水平將降低至1 fT/Hz1/2水平。然而目前尚未有TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，其主要原因是TMR電極制備較為復(fù)雜，超導(dǎo)薄膜(例如YBCO)和TMR傳感器都需要分別進(jìn)行高溫退火處理，這將會(huì)對(duì)超導(dǎo)薄膜的超導(dǎo)電性以及TMR 傳感器的性能造成破壞，使得TMR與超導(dǎo)的復(fù)合薄膜難以制備。表2 各類磁電阻器件的典型技術(shù)參數(shù)對(duì)比 本課題組首先采用貼合的方式將TMR傳感器對(duì)準(zhǔn)貼合在超導(dǎo)磁放大器狹窄區(qū)域上方，成功制備了不同超導(dǎo)磁放大器狹窄區(qū)域?qū)挾鹊腡MR/超導(dǎo)復(fù)合式弱磁傳感器。相比于TMR 與超導(dǎo)復(fù)合薄膜存在的制備困難，這種貼合方式具有操作簡(jiǎn)單，且不影響超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器與TMR 器件各自的性能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)對(duì)該傳感器靈敏度、噪聲水平等進(jìn)行了測(cè)試[34]。為避免單個(gè)TMR 隧道結(jié)被靜電擊穿，以及提高磁場(chǎng)檢測(cè)精度，實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的TMR 傳感器電路采用8個(gè)隧道結(jié)串聯(lián)組成(圖9(a))。TMR器件靈敏度在77 K 為0.86%/Oe。實(shí)驗(yàn)中選用YBCO作為超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的材料(圖9(b))。 圖9 (a)TMR 串聯(lián)器件掃描電子顯微鏡照片；(b)超導(dǎo)磁放大器顯微照片；(c)狹窄區(qū)域?qū)挾葹?00 μm、50 μm和20 μm的TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器在7 K的TMR曲線；(d)TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器在77 K的低頻噪聲[34]圖9(c) 為TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器在77 K 的TMR曲線。其中TMR曲線在零場(chǎng)附近或閉合回路兩側(cè)線性區(qū)間的斜率即為器件的靈敏度。器件的靈敏度較之TMR 傳感器自身得到了明顯提高，并且靈敏度隨著狹窄區(qū)域的寬度減小而顯著增加。對(duì)于狹窄區(qū)域?qū)挾葹?0 μm的器件，在77 K 時(shí)靈敏度達(dá)到了18.1%/Oe，相比于TMR傳感器自身提高了約21倍。 狹窄區(qū)域?qū)挾葹?0 μm的器件的低頻噪聲頻譜密度測(cè)試結(jié)果如圖9(d)所示。器件在500 Hz 噪聲水平約為6.6 pT/Hz1/2。在110 Hz 以下的低頻范圍內(nèi)，1/f 噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位，在2 Hz 噪聲水平達(dá)到67 pT/Hz1/2。由于貼合TMR器件與超導(dǎo)磁放大器的低溫膠過(guò)厚導(dǎo)致TMR—超導(dǎo)磁放大器間距過(guò)大(50 μm)，使得TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的靈敏度、探測(cè)精度較GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器、SQUID 等器件仍有明顯差距。理論計(jì)算表明，減小TMR—超導(dǎo)磁放大器間距將使得磁場(chǎng)放大倍數(shù)呈指數(shù)形式上升；若能將TMR—超導(dǎo)磁放大器間距降低至0.5 μm以內(nèi)，磁場(chǎng)放大倍數(shù)可接近1000 倍。今后可通過(guò)熱壓印等技術(shù)減小TMR—超導(dǎo)磁放大器間距，從而提高器件的靈敏度。 磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器作為一種新型的高靈敏度磁探測(cè)器， 其探測(cè)精度目前已接近SQUID器件并已達(dá)到fT 量級(jí)。同時(shí)這類傳感器又具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，使其在未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮蟆＞驮搹?fù)合式磁傳感器而言，進(jìn)一步提升器件的探測(cè)精度是其未來(lái)研究發(fā)展的主要方向。一方面，繼續(xù)減小超導(dǎo)磁場(chǎng)放大器的狹窄區(qū)域?qū)挾戎? μm以下，同時(shí)增大磁場(chǎng)放大器的有效面積都可以將磁場(chǎng)放大倍數(shù)繼續(xù)提升至幾千甚至上萬(wàn)倍，但是同時(shí)會(huì)對(duì)傳感器的工作區(qū)間以及小型化造成影響。另一方面，使用靈敏度更高的磁電阻傳感器件(TMR、巨磁阻抗器件(GMI)等[35])，將有望使得該復(fù)合式傳感器的磁場(chǎng)探測(cè)精度達(dá)到1fT，甚至0.1 fT 的量級(jí)。參考文獻(xiàn) [1] Lenz J，Edelstein A S. 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