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高温超导技术在微磁传感器中的应用（三）

2020.10.26

在这个结构中，GMR传感器是NiFe 层耦合CoFe层，硬磁层由反铁磁性层（如IrMn，MnPt）耦合铁磁性层（CoFe）。整个层结构的电阻随两个层的磁化轴之间的角度变化，工业条件下制作的150 mm的晶片上可以得到6%/mT—8%/mT 的电阻变化，微米尺寸的MR传感器可以得到5%/mT的电阻变化。在原型机里，得到电阻的变化为2.13%/mT。

这个结构中的主要噪声包括热噪声和1/f 噪声。室温下的热噪声NT可以由下式给出：

NT = 2[（kBTR ）1/2] ，（1）式中kB是玻尔兹曼常数，值为1.3806505 ×10-23，T 是温度，R 是电阻值，当噪声为350 pT/ √Hz时，这个微桥结构的电流为1 mA。在4.2 K 时，这个微桥的灵敏度为40 pT/√ Hz 。测量电阻时，信号正比于感应电流，因此，该结构的灵敏度可以通过通入大电流的方式相应提高，但是要注意大电流所带来的热效应。

在低频时，噪声主要由1/f 噪声决定，它使这一传感器的探测能力降低到几百fT/ √Hz 。表1 给出了在4 K和77 K温度环境中的热噪声值。

和SQUID一样，复合传感器对较大范围的频率信号都具有平坦的频率响应，因此有希望应用于共振信号的探测。在低磁场中，相应的低共振频率下，标准调谐线圈有很低的灵敏度，因而平坦的频率响应变得更敏感。该课题组还制作了一套核磁共振装置，其偏振磁场只有几mT，信号检测使用了在液氮中冷却的复合传感器。图6展示了水样品在一个自旋回波序列期间的相位和核磁共振信号积分的检测结果（频率320 kHz，8 mT）。

此外，该课题组还于2012 年提出利用GMR/超导复合结构阵列实现多通道脑磁成像（图7），并进行了平面梯度配置和测试，这种模式可以有效地降低环境中50 Hz 的噪声信号，并用心磁信号模拟脑磁信号进行了测试。实验证实，该传感器在测量的实时性方面有显著的优势，但将其真正用于脑磁测量，还需进一步提高传感器的灵敏度。

4、GMI/超导复合磁传感器的原理、应用与发展

自从1992 年日本名古屋大学的K.Mohri 等人首次在CoFeSiB 软磁非晶丝中发现巨磁阻抗效应，人们在非晶带、纳晶带、薄膜、三明治/多层膜中相继发现GMI效应，这为GMI效应在传感器中的实际应用提供了更多的材料选择。

4.1 GMI/超导复合磁传感器的原理

GMI 即巨磁阻抗效应，是1992 年日本科学家K. Mohri 在CoFeSiB 软磁非晶丝中通入交变激励电流，其阻抗值随沿着纵向施加的外磁场变化而发生显著变化的现象。GMI传感器的发现为研制一种新型高灵敏度传感器提供了可能。在巨磁阻抗效应发现之初，其研究主要集中于非晶丝，但是非晶丝相对较脆，容易断裂，这就给丝传感器的制备和使用带来难度。而非晶带和薄膜在制备和使用上相对简单，并且薄膜结构更易于实现小型化。对于薄膜来说，单层膜的GMI效应比较小，主要是因为单层膜的趋肤效应比较小。为了提高GMI效应，Panina 又提出一种三明治结构（F/M/F），F为铁磁材料层（通常为CoSiB，CoFeSiB，FeSiCuNb 等），M 表示导体材料层（通常为Cu，Ag，Au）。由于中间导体层M 的存在，三明治结构的电阻率比较低，只要铁磁层F 的电感发生较大的变化，即可获得较大的巨磁阻抗效应。MoriKawa等人制作的三明治膜CoSiB/Ag/CoSiB 的阻抗变化率可以达到440 %，灵敏度达到49 %/Oe，偏置磁场强度为9 Oe，激励频率为10 MHz，其三明治结构如图8（a）所示。为了进一步增强GMI效应，Morikawa等人又做了带有绝缘层的多层膜结构（CoSiB/SiO2/Ag/SiO2/CoSiB），其结构示意图如图8（b）所示。其阻抗变化率可以达到700%，灵敏度达到300 %/Oe，这种增强效应的原理被解释为绝缘层SiO2的存在导致激励电流从导体层M流过而不从铁磁层F流过导致。

通常GMI磁传感器是基于测量阻抗幅值的变化制作的，而近期巴西科学家Silva 等人利用测量GMI器件的相位随磁场的变化也可以制作更高精度的磁传感器。这种磁传感器测量的是阻抗相位随弱磁场变化的特性，有望将GMI磁传感器的灵敏度提高10 倍，并且非常适合于制作小型化传感器。经过理论仿真，这种传感器的灵敏度可以达到887.91 V/Oe。本课题组对GMI 磁传感器也做了相关研究，并研究了激励源频率、激励电流幅值、直流偏置等对磁传感器灵敏度的影响，结果表明，基于相位的GMI磁传感器减小了激励电流频率到120 kHz 左右，增加了传感器的灵敏度，在微弱磁场测量方面具有显著优势。

4.2 GMI/超导复合磁传感器的原理

GMR/超导复合磁传感器的精度已经到达30 fT量级，但是进一步提高精度就需要将外磁场进一步放大，理论计算需放大到4000 倍以上，需要的超导样品直径需达到2.5 cm。这样增大了系统体积和耦合难度，而理论分析表明，GMI元件的探测精度比GMR传感器高几个数量级，并且GMI元件的多层膜制作也比GMR 膜简单，一般是3层，最多5 层。而GMR元件的多层膜结构则多达10 余层，制作要求也较高。基于上述情况，采用高灵敏GMI 多层膜元件代替GMR 元件的传感器，既可以兼顾小型化和制作上的可行性，又可以达到超高精度。这种思路由本课题组首先提出并获得国家自然科学基金资助。

本课题组提出了一种GMI/超导复合高精度磁传感器，理论上可以测量fT 量级以上的微弱磁场，这已经达到了高温超导SQUID 的测量精度。其原理如图9 所示，该结构包含一个GMI薄膜磁传感器和一个含有微桥结构的超导环。

超导环具有磁场放大作用，当施加外磁场时，微桥附近磁场直接数倍于外界探测磁场，而GMI 敏感器件的阻抗会随外界磁场的变化而变化，将磁信号转化成电信号，从而利用磁敏感器件探测出微桥磁场，就可以推算出外界磁场实现磁场的测量。

在前期工作中，本课题组利用双离子束沉积薄膜技术（dual-ion beam sputtering deposition films technology，DIBSD）制备CoSiB薄膜，探究不同参数下GMI薄膜的阻抗变化比，单层膜的最大变化可以达到15.8 %/Oe。同时尝试利用化学溶液腐蚀法和离子束刻蚀法，加工具备微桥结构的高温超导超导环，并取得一定的成果。利用交流磁化率方法和电输运方法，搭建了两种高温超导转变温度测量装置，对超导环是否进入超导态进行了测试。搭建高温超导临界电流密度三次谐波无损测量装置，对超导环的性能进行测试。并初步搭建出GMI传感器的原理样机，通过电路设计提高传感器的灵敏度，目前可以达到219 mV/Oe。

5、结束语

目前，SQUID 磁传感器仍然是所有磁传感器技术中灵敏度最高的设备。然而，尽管在技术上仍然有所进步，在过去的几十年中，基于SQUID技术的商业应用仍然有限。SQUID系统的高价格是首要的限制因素。随着高温超导薄膜技术的发展，为SQUID 技术的广泛应用提供了条件。GMR磁传感器和GMI 磁传感器的发展，特别是多层膜结构薄膜技术的发展，为磁传感器的微型化提供了可能，而GMR/超导复合结构和GMI/超导复合结构的提出，则提供了一种超越或替代SQUID测量精度的方法，并且在微型化方面具备SQUID无法比拟的优势，预期可以获得较大的发展和应用。

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周锦帆