高温超导技术在微磁传感器中的应用（二）
目前，对高温SQUID的研究主要集中在两个方面： 一是高温超导SQUID基本理论的研究，主要指高温超导SQUID 电压与电流特性，电压与磁通之间的变换系数等数值仿真；二是各种高温超导SQUID 器件的研制以及在相关领域实现对微弱磁场信号的检测。
近几年，超导薄膜技术的提高使得薄膜质量有显著提高，将超导薄膜的磁通噪声减小了近8个数量级。通过使用超导环的焊接技术、YBCO的微桥技术以及多层膜的复合技术，使得高温超导的噪声系数提高到1 kHz 时的9.7 fT/ √Hz ，而在1 Hz 时能达到53 fT/ √Hz 。
Yang等人采用谐振型耦合电路结合常规铜拾取线圈，将SQUID的磁场噪声降低到26 fT/ √Hz 。Kang 等人将两个SQUID 串联，其中一个作为信号检测系统，另外一个作为参考信号端，构成多通道双弛豫振荡的SQUID 磁传感器和平面梯度计，在100 Hz 下，其噪声分别达到3 fT/ √Hz 和4 fT/ √Hz 。而Kawai集成了9 通道的平面式梯度计，噪声水平达到10 fT/ √Hz，梯度计结构可以避免使用昂贵的磁屏蔽室，对SQUID的广泛应用十分有利。
3、GMR/超导复合磁传感器原理、应用与发展
GMR传感器是一种通过金属薄层将软磁层和硬磁层分离开的结构，其发展是随着各向异性磁阻（MR）传感器的发展一起发展的。要了解GMR传感器与超导复合传感器的发展，首先要分析GMR传感器的机理与现状，然后在此基础上阐述超导复合结构。
3.1 GMR 磁传感器的原理
由磁性材料制作的导体的电阻在磁场作用下发生变化的现象叫做磁阻现象，这种现象被发现已经100 多年了。R.P. Hunt 发现，对坡莫合金薄膜施加的磁场方向改变90°时，薄膜的电阻有2%的变化，可以作为磁传感器的制作材料。更重要的是，这种薄膜可以制成微型化传感器，当磁化方向设置成单一方向时，传感器的噪声会非常小，只受到热噪声的影响，其信噪比可以达到97 dB。在磁记录方面的应用中，大约有20 dB的磁记录噪声，因此，MR 技术远远优于其他方式，MR技术随之被广泛应用于硬盘驱动数据存储，并在微型化方面也有了很多应用。
巨磁阻抗效应最先是由Baibich等人提出的。他发现在低温条件下（4 K），如果将铁、铬多层膜放置在上千高斯磁场中，其阻抗会发生50%以上的变化。由于在磁记录重放时磁头和小磁场检测方面的需要，使得利用巨磁阻抗效应的设备飞速发展。如今GMR磁传感器的尺寸能够达到微米级别，并能在室温环境下产生大于10%/Oe 的电阻变化。
不同GMR 系统的自旋轴其特征是不一样的，例如Baibich 等人的GMR系统是Fe/Cr 交替的多层膜，当所有这些层的磁化方向相同时，一半传导电流的自旋极化电子可以通过夹层移动而没有明显的磁性材料散射现象（低电阻），而交替层的磁化方向反转时，所有的电子都会发生散射，不管这些电子是提速还是降速。四层薄膜的磁化轴方向要简单得多，反铁磁性的交替膜（例如Mn，Fe）复合到Co 膜上，表明磁化方向在横轴方向，第二层磁化膜与软磁层NiFe 层通过一个很薄的导电层（Cu 层）分离开，这样的磁性薄膜具有可变的磁化方向，其两层膜之间的磁化角的改变引起了散射电子通过组合结构方式的多样性，这就使得这种结构的电阻变化比简单的MR电阻变化要大得多。
在灵敏度方面，GMR传感器在100 Hz 磁场中的噪声大约为20 pT/ √Hz ，大于1 kHz 时的约瑟夫森噪声极限（小于6 pT/ √Hz ）。
3.2 GMR/超导复合磁传感器的发展现状
2004 年法国科学家Myrian 等在Science 上发表文章，报道了一种GMR/超导复合高精度磁传感器，它可以测量30 fT 量级的微弱磁场，这已经达到高温超导SQUID的测量精度。其原理如图4 所示，其结构包含一个GMR磁传感器和一个特制的超导环，超导环含有微桥结构，具有微桥结构的超导环具备放大磁场的作用。
超导环磁场放大是通过一个具有微米级微桥结构的大面积（几毫米宽）超导环实现的。当被测磁场垂直施加在此环时，在超导体中产生的超导电流会阻止磁通的进入，当超导电流通过微桥结构时，局部电流密度升高，该电流产生一定强度远高于被测磁场的磁场强度。此时，将一个磁敏元件如GMR 磁传感器，放置于此环微桥结构的上部或者下部，就可以检测被放大的磁场。图5为理论计算得到的超导环周围磁场分布图。这幅图中利用GMR 磁传感器测量微桥周围较强的磁场，推算出相对微弱的外界磁场，从而提高传感器的探测灵敏度。图中环的直径约为3 mm，微桥结构处的超导环宽度约为25 μm，根据理论计算，其磁场大概被放大120 倍，经过磁光设备实际检测，其磁场被放大100 倍，用超导环复合了具有3.11%/mT灵敏度的GMR磁传感器之后，传感器的灵敏度大概为311%/mT。
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