【導讀】超高精度磁傳感器在生物磁測量、地磁導航、天文觀測、基礎物理特性分析等科研領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。
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、基礎物理特性分析等科研領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)技術兼容，近年來受到更多關注。
而在近十幾年間，隨著薄膜技術的發(fā)展，高溫超導技術得到了極大的提高，將巨磁阻技術或巨磁阻抗技術結合高溫超導薄膜結構，構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，這種技術的發(fā)展將會促進磁傳感器領域的發(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 余層的膜結構實現(xiàn)起來需要非常精確的參數(shù)控制和結構設計，難度較大。復合結構中超導環(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/超導復合結構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、軍事探潛等領域，是高溫超導最早走向實用化的領域之一。而高溫超導技術的發(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實質是基于約瑟夫森結效應的一種將磁通轉化為電壓的磁通傳感器，利用了超導約瑟夫森結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成一個約瑟夫森隧道結。當含有約瑟夫森隧道結的超導體閉合環(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的直流電流，Φ為外加磁通)
從發(fā)現(xiàn)約瑟夫森結效應以來，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)，這種器件實質上就是一種磁通檢測器。隨后，又發(fā)明了利用約瑟夫森結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)，這種結構更容易制備，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。這種傳感器設計的難點在于沒有成熟的高溫約瑟夫森結工藝，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
目前，對高溫SQUID的研究主要集中在兩個方面： 一是高溫超導SQUID基本理論的研究，主要指高溫超導SQUID 電壓與電流特性，電壓與磁通之間的變換系數(shù)等數(shù)值仿真；二是各種高溫超導SQUID 器件的研制以及在相關領域實現(xiàn)對微弱磁場信號的檢測。
近幾年，超導薄膜技術的提高使得薄膜質量有顯著提高，將超導薄膜的磁通噪聲減小了近8個數(shù)量級。通過使用超導環(huán)的焊接技術、YBCO的微橋技術以及多層膜的復合技術，使得高溫超導的噪聲系數(shù)提高到1 kHz 時的9.7 fT/ √Hz ，而在1 Hz 時能達到53 fT/ √Hz 。
Yang等人采用諧振型耦合電路結合常規(guī)銅拾取線圈，將SQUID的磁場噪聲降低到26 fT/ √Hz 。Kang 等人將兩個SQUID 串聯(lián)，其中一個作為信號檢測系統(tǒng)，另外一個作為參考信號端，構成多通道雙弛豫振蕩的SQUID 磁傳感器和平面梯度計，在100 Hz 下，其噪聲分別達到3 fT/ √Hz 和4 fT/ √Hz 。而Kawai集成了9 通道的平面式梯度計，噪聲水平達到10 fT/ √Hz，梯度計結構可以避免使用昂貴的磁屏蔽室，對SQUID的廣泛應用十分有利。
3、GMR/超導復合磁傳感器原理、應用與發(fā)展
GMR傳感器是一種通過金屬薄層將軟磁層和硬磁層分離開的結構，其發(fā)展是隨著各向異性磁阻(MR)傳感器的發(fā)展一起發(fā)展的。要了解GMR傳感器與超導復合傳感器的發(fā)展，首先要分析GMR傳感器的機理與現(xiàn)狀，然后在此基礎上闡述超導復合結構。
3.1 GMR 磁傳感器的原理
由磁性材料制作的導體的電阻在磁場作用下發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做磁阻現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)100 多年了。R.P. Hunt 發(fā)現(xiàn)，對坡莫合金薄膜施加的磁場方向改變90°時，薄膜的電阻有2%的變化，可以作為磁傳感器的制作材料。更重要的是，這種薄膜可以制成微型化傳感器，當磁化方向設置成單一方向時，傳感器的噪聲會非常小，只受到熱噪聲的影響，其信噪比可以達到97 dB。在磁記錄方面的應用中，大約有20 dB的磁記錄噪聲，因此，MR 技術遠遠優(yōu)于其他方式，MR技術隨之被廣泛應用于硬盤驅動數(shù)據(jù)存儲，并在微型化方面也有了很多應用。
巨磁阻抗效應最先是由Baibich等人提出的。他發(fā)現(xiàn)在低溫條件下(4 K)，如果將鐵、鉻多層膜放置在上千高斯磁場中，其阻抗會發(fā)生50%以上的變化。由于在磁記錄重放時磁頭和小磁場檢測方面的需要，使得利用巨磁阻抗效應的設備飛速發(fā)展。如今GMR磁傳感器的尺寸能夠達到微米級別，并能在室溫環(huán)境下產(chǎn)生大于10%/Oe 的電阻變化。
不同GMR 系統(tǒng)的自旋軸其特征是不一樣的，例如Baibich 等人的GMR系統(tǒng)是Fe/Cr 交替的多層膜，當所有這些層的磁化方向相同時，一半傳導電流的自旋極化電子可以通過夾層移動而沒有明顯的磁性材料散射現(xiàn)象(低電阻)，而交替層的磁化方向反轉時，所有的電子都會發(fā)生散射，不管這些電子是提速還是降速。四層薄膜的磁化軸方向要簡單得多，反鐵磁性的交替膜(例如Mn，F(xiàn)e)復合到Co 膜上，表明磁化方向在橫軸方向，第二層磁化膜與軟磁層NiFe 層通過一個很薄的導電層(Cu 層)分離開，這樣的磁性薄膜具有可變的磁化方向，其兩層膜之間的磁化角的改變引起了散射電子通過組合結構方式的多樣性，這就使得這種結構的電阻變化比簡單的MR電阻變化要大得多。
在靈敏度方面，GMR傳感器在100 Hz 磁場中的噪聲大約為20 pT/ √Hz ，大于1 kHz 時的約瑟夫森噪聲極限(小于6 pT/ √Hz )。
3.2 GMR/超導復合磁傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀
2004 年法國科學家Myrian 等在Science 上發(fā)表文章，報道了一種GMR/超導復合高精度磁傳感器，它可以測量30 fT 量級的微弱磁場，這已經(jīng)達到高溫超導SQUID的測量精度。其原理如圖4 所示，其結構包含一個GMR磁傳感器和一個特制的超導環(huán)，超導環(huán)含有微橋結構，具有微橋結構的超導環(huán)具備放大磁場的作用。
圖4 GMR/復合磁強計結構
超導環(huán)磁場放大是通過一個具有微米級微橋結構的大面積(幾毫米寬)超導環(huán)實現(xiàn)的。當被測磁場垂直施加在此環(huán)時，在超導體中產(chǎn)生的超導電流會阻止磁通的進入，當超導電流通過微橋結構時，局部電流密度升高，該電流產(chǎn)生一定強度遠高于被測磁場的磁場強度。此時，將一個磁敏元件如GMR 磁傳感器，放置于此環(huán)微橋結構的上部或者下部，就可以檢測被放大的磁場。圖5為理論計算得到的超導環(huán)周圍磁場分布圖。這幅圖中利用GMR 磁傳感器測量微橋周圍較強的磁場，推算出相對微弱的外界磁場，從而提高傳感器的探測靈敏度。圖中環(huán)的直徑約為3 mm，微橋結構處的超導環(huán)寬度約為25 μm，根據(jù)理論計算，其磁場大概被放大120 倍，經(jīng)過磁光設備實際檢測，其磁場被放大100 倍，用超導環(huán)復合了具有3.11%/mT靈敏度的GMR磁傳感器之后，傳感器的靈敏度大概為311%/mT。
圖5 超導環(huán)周圍磁場分布
在這個結構中，GMR傳感器是NiFe 層耦合CoFe層，硬磁層由反鐵磁性層(如IrMn，MnPt)耦合鐵磁性層(CoFe)。整個層結構的電阻隨兩個層的磁化軸之間的角度變化，工業(yè)條件下制作的150 mm的晶片上可以得到6%/mT—8%/mT 的電阻變化，微米尺寸的MR傳感器可以得到5%/mT的電阻變化。在原型機里，得到電阻的變化為2.13%/mT。
這個結構中的主要噪聲包括熱噪聲和1/f 噪聲。室溫下的熱噪聲NT可以由下式給出：
NT = 2[(kBTR )1/2] ， (1)式中kB是玻爾茲曼常數(shù)，值為1.3806505 ×10-23，T 是溫度，R 是電阻值，當噪聲為350 pT/ √Hz時，這個微橋結構的電流為1 mA。在4.2 K 時，這個微橋的靈敏度為40 pT/√ Hz 。測量電阻時，信號正比于感應電流，因此，該結構的靈敏度可以通過通入大電流的方式相應提高，但是要注意大電流所帶來的熱效應。
在低頻時，噪聲主要由1/f 噪聲決定，它使這一傳感器的探測能力降低到幾百fT/ √Hz 。表1 給出了在4 K和77 K溫度環(huán)境中的熱噪聲值。
表1 復合磁強計的低溫噪聲
和SQUID一樣，復合傳感器對較大范圍的頻率信號都具有平坦的頻率響應，因此有希望應用于共振信號的探測。在低磁場中，相應的低共振頻率下，標準調諧線圈有很低的靈敏度，因而平坦的頻率響應變得更敏感。該課題組還制作了一套核磁共振裝置，其偏振磁場只有幾mT，信號檢測使用了在液氮中冷卻的復合傳感器。圖6展示了水樣品在一個自旋回波序列期間的相位和核磁共振信號積分的檢測結果(頻率320 kHz，8 mT)。
圖6 核磁共振的信號在320 kHz的幅值響應
此外，該課題組還于2012 年提出利用GMR/超導復合結構陣列實現(xiàn)多通道腦磁成像(圖7)，并進行了平面梯度配置和測試，這種模式可以有效地降低環(huán)境中50 Hz 的噪聲信號，并用心磁信號模擬腦磁信號進行了測試。實驗證實，該傳感器在測量的實時性方面有顯著的優(yōu)勢，但將其真正用于腦磁測量，還需進一步提高傳感器的靈敏度。
圖7 GMR/超導復合磁傳感器的腦磁成像設備原理框圖和噪聲分析
4、GMI/超導復合磁傳感器的原理、應用與發(fā)展
自從1992 年日本名古屋大學的K.Mohri 等人首次在CoFeSiB 軟磁非晶絲中發(fā)現(xiàn)巨磁阻抗效應，人們在非晶帶、納晶帶、薄膜、三明治/多層膜中相繼發(fā)現(xiàn)GMI效應，這為GMI效應在傳感器中的實際應用提供了更多的材料選擇。
4.1 GMI/超導復合磁傳感器的原理
GMI 即巨磁阻抗效應，是1992 年日本科學家K. Mohri 在CoFeSiB 軟磁非晶絲中通入交變激勵電流，其阻抗值隨沿著縱向施加的外磁場變化而發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。GMI傳感器的發(fā)現(xiàn)為研制一種新型高靈敏度傳感器提供了可能。在巨磁阻抗效應發(fā)現(xiàn)之初，其研究主要集中于非晶絲，但是非晶絲相對較脆，容易斷裂，這就給絲傳感器的制備和使用帶來難度。而非晶帶和薄膜在制備和使用上相對簡單，并且薄膜結構更易于實現(xiàn)小型化。對于薄膜來說，單層膜的GMI效應比較小，主要是因為單層膜的趨膚效應比較小。為了提高GMI效應，Panina 又提出一種三明治結構(F/M/F)，F(xiàn)為鐵磁材料層(通常為CoSiB，CoFeSiB，F(xiàn)eSiCuNb 等)，M 表示導體材料層(通常為Cu，Ag，Au)。由于中間導體層M 的存在，三明治結構的電阻率比較低，只要鐵磁層F 的電感發(fā)生較大的變化，即可獲得較大的巨磁阻抗效應。MoriKawa等人制作的三明治膜CoSiB/Ag/CoSiB 的阻抗變化率可以達到440 %，靈敏度達到49 %/Oe，偏置磁場強度為9 Oe，激勵頻率為10 MHz，其三明治結構如圖8(a)所示。為了進一步增強GMI效應，Morikawa等人又做了帶有絕緣層的多層膜結構(CoSiB/SiO2/Ag/SiO2/CoSiB)，其結構示意圖如圖8(b)所示。其阻抗變化率可以達到700%，靈敏度達到300 %/Oe，這種增強效應的原理被解釋為絕緣層SiO2的存在導致激勵電流從導體層M流過而不從鐵磁層F流過導致。
圖8 (a)三明治結構示意圖；(b)帶有絕緣層的多層膜結構
通常GMI磁傳感器是基于測量阻抗幅值的變化制作的，而近期巴西科學家Silva 等人利用測量GMI器件的相位隨磁場的變化也可以制作更高精度的磁傳感器。這種磁傳感器測量的是阻抗相位隨弱磁場變化的特性，有望將GMI磁傳感器的靈敏度提高10 倍，并且非常適合于制作小型化傳感器。經(jīng)過理論仿真，這種傳感器的靈敏度可以達到887.91 V/Oe。本課題組對GMI 磁傳感器也做了相關研究，并研究了激勵源頻率、激勵電流幅值、直流偏置等對磁傳感器靈敏度的影響，結果表明，基于相位的GMI磁傳感器減小了激勵電流頻率到120 kHz 左右，增加了傳感器的靈敏度，在微弱磁場測量方面具有顯著優(yōu)勢。
4.2 GMI/超導復合磁傳感器的原理
GMR/超導復合磁傳感器的精度已經(jīng)到達30 fT量級，但是進一步提高精度就需要將外磁場進一步放大，理論計算需放大到4000 倍以上，需要的超導樣品直徑需達到2.5 cm。這樣增大了系統(tǒng)體積和耦合難度，而理論分析表明，GMI元件的探測精度比GMR傳感器高幾個數(shù)量級，并且GMI元件的多層膜制作也比GMR 膜簡單，一般是3層，最多5 層。而GMR元件的多層膜結構則多達10 余層，制作要求也較高?；谏鲜銮闆r，采用高靈敏GMI 多層膜元件代替GMR 元件的傳感器，既可以兼顧小型化和制作上的可行性，又可以達到超高精度。這種思路由本課題組首先提出并獲得國家自然科學基金資助。
本課題組提出了一種GMI/超導復合高精度磁傳感器，理論上可以測量fT 量級以上的微弱磁場，這已經(jīng)達到了高溫超導SQUID 的測量精度。其原理如圖9 所示，該結構包含一個GMI薄膜磁傳感器和一個含有微橋結構的超導環(huán)。
圖9 GMI/復合磁強計結構(a)整體結構圖；(b)放大結構圖
超導環(huán)具有磁場放大作用，當施加外磁場時，微橋附近磁場直接數(shù)倍于外界探測磁場，而GMI 敏感器件的阻抗會隨外界磁場的變化而變化，將磁信號轉化成電信號，從而利用磁敏感器件探測出微橋磁場，就可以推算出外界磁場實現(xiàn)磁場的測量。
在前期工作中，本課題組利用雙離子束沉積薄膜技術(dual-ion beam sputtering deposition films technology，DIBSD)制備CoSiB薄膜，探究不同參數(shù)下GMI薄膜的阻抗變化比，單層膜的最大變化可以達到15.8 %/Oe。同時嘗試利用化學溶液腐蝕法和離子束刻蝕法，加工具備微橋結構的高溫超導超導環(huán)，并取得一定的成果。利用交流磁化率方法和電輸運方法，搭建了兩種高溫超導轉變溫度測量裝置，對超導環(huán)是否進入超導態(tài)進行了測試。搭建高溫超導臨界電流密度三次諧波無損測量裝置，對超導環(huán)的性能進行測試。并初步搭建出GMI傳感器的原理樣機，通過電路設計提高傳感器的靈敏度，目前可以達到219 mV/Oe。
5、結束語
目前，SQUID 磁傳感器仍然是所有磁傳感器技術中靈敏度最高的設備。然而，盡管在技術上仍然有所進步，在過去的幾十年中，基于SQUID技術的商業(yè)應用仍然有限。SQUID系統(tǒng)的高價格是首要的限制因素。隨著高溫超導薄膜技術的發(fā)展， 為SQUID 技術的廣泛應用提供了條件。GMR磁傳感器和GMI 磁傳感器的發(fā)展，特別是多層膜結構薄膜技術的發(fā)展，為磁傳感器的微型化提供了可能，而GMR/超導復合結構和GMI/超導復合結構的提出，則提供了一種超越或替代SQUID測量精度的方法，并且在微型化方面具備SQUID無法比擬的優(yōu)勢，預期可以獲得較大的發(fā)展和應用。
推薦閱讀：
