高溫超導技術(shù)在微磁傳感器中的應用說明

1、引言

超高精度磁傳感器在生物磁測量、地磁導航、天文觀測、基礎(chǔ)物理特性分析等科研領(lǐng)域具有廣泛的應用前景和迫切需求。比如，在生物磁信號探測領(lǐng)域，典型的心臟磁場為 10-9—10-10T，腦磁場為10-11—10-12 T，目前能夠滿足檢測pT（10-12 T）量級測量精度的磁傳感器有光泵磁傳感器、探測線圈磁傳感器、磁通門傳感器、超導量子干涉器件（superconducting quantum interference device，SQUID）傳感器等。其中SQUID傳感器是目前探測精度最高的磁傳感器，可以達到10-14T（高溫超導SQUID）和10-15 T（低溫超導SQUID），但是由于設(shè)計制作和使用的復雜性，限制了其大規(guī)模應用。而探測線圈磁傳感器、磁通門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的要求，又可以兼顧高性能和微型化，并且與微機電系統(tǒng)（micro electro-mechanical systems，MEMS）技術(shù)兼容，近年來受到更多關(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 的測量精度，并且在微型化方面具有SQUID無法具備的優(yōu)越性，可以預見，這種技術(shù)的發(fā)展將會促進磁傳感器領(lǐng)域的發(fā)展。但是由于巨磁電阻（giant magnetoresistance，GMR）元件本身的復雜性，其高達10 余層的膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)起來需要非常精確的參數(shù)控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計，難度較大。復合結(jié)構(gòu)中超導環(huán)部分的尺寸直徑達到2.5 cm 以上，這樣會增大系統(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，因此探測精度也沒有巨磁阻抗（giant magneto impedance，GMI）器件高，綜合上述因素，GMI/超導復合結(jié)構(gòu)可以兼顧小型化和制作上的方便性，并且可以達到更高的精度。

本文下面分三部分對高溫超導技術(shù)在微磁傳感器方面的應用與發(fā)展進行闡述。

2、高溫超導量子干涉器件傳感器原理、應用與發(fā)展

超導量子干涉儀是基于超導約瑟夫森（Josephson）結(jié)效應制作的磁傳感器，因為其極高的探測精度，廣泛用于生物磁測量、無損探傷、軍事探潛等領(lǐng)域，是高溫超導最早走向?qū)嵱没念I(lǐng)域之一。而高溫超導技術(shù)的發(fā)展提高了SQUID的工作溫度，另一方面，高溫超導薄膜技術(shù)的發(fā)展也提高了SQUID 的靈敏度。本節(jié)將主要說明SQUID的測量原理及高溫SQUID近幾年的發(fā)展，簡單闡述近期高溫超導SQUID的應用。

SQUID實質(zhì)是基于約瑟夫森結(jié)效應的一種將磁通轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器，利用了超導約瑟夫森結(jié)效應和磁通量子化現(xiàn)象。如圖1 所示，被一薄勢壘層分開的兩塊超導體構(gòu)成一個約瑟夫森隧道結(jié)。當含有約瑟夫森隧道結(jié)的超導體閉合環(huán)路被適當大小的電流I 偏置后，會呈現(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)象稱為超導量子干涉現(xiàn)象。

圖1 超導量子干涉儀的原理示意圖（I 為通過超導體閉合環(huán)路的總電流，Ia和Ib為通過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)效應以來，人們很快就利用這種效應制成了利用直流電流進行偏置的超導量子干涉器件（DC-SQUID），這種器件實質(zhì)上就是一種磁通檢測器。隨后，又發(fā)明了利用約瑟夫森結(jié)和超導體連成閉合回路，再用射頻電流進行偏置的超導量子干涉器件（RF-SQUID），這種結(jié)構(gòu)更容易制備，并且與室溫電路的耦合問題更易于解決，其靈敏度也比當時的DC-SQUID高。1976年，J.Clarke 等人研制成功薄膜隧道結(jié)DC-SQUID，其測量原理如圖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題，其靈敏度比RF-SQUID要高一個數(shù)量級。

圖2 DC-SQUID的電路測量示意圖（Φex為環(huán)內(nèi)總磁通，Ibias為偏置電流，Vout為輸出電壓）

低溫超導量子干涉器大多數(shù)是直流SQUID，而高溫超導薄膜可以制成直流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)計的難點在于沒有成熟的高溫約瑟夫森結(jié)工藝，并且在77 K溫度下，熱噪聲對傳感器的測量干擾很大。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階的單晶基片上外延生長YBCO薄膜，再用半導體光刻技術(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DC-SQUID的原理示意圖