1、引言

超高精度磁傳感器在生物磁測(cè)量、地磁導(dǎo)航、天文觀測(cè)、基礎(chǔ)物理特性分析等科研領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和迫切需求。比如，在生物磁信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域，典型的心臟磁場(chǎng)為 10-9—10-10T，腦磁場(chǎng)為10-11—10-12 T，目前能夠滿(mǎn)足檢測(cè)pT（10-12 T）量級(jí)測(cè)量精度的磁傳感器有光泵磁傳感器、探測(cè)線(xiàn)圈磁傳感器、磁通門(mén)傳感器、超導(dǎo)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(cè)精度最高的磁傳感器，可以達(dá)到10-14T（高溫超導(dǎo)SQUID）和10-15 T（低溫超導(dǎo)SQUID），但是由于設(shè)計(jì)制作和使用的復(fù)雜性，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。而探測(cè)線(xiàn)圈磁傳感器、磁通門(mén)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(mǎn)足高靈敏探測(cè)的要求，又可以兼顧高性能和微型化，并且與微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro-mechanical systems，MEMS）技術(shù)兼容，近年來(lái)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(dǎo)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(dǎo)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(cè)量精度，并且在微型化方面具有SQUID無(wú)法具備的優(yōu)越性，可以預(yù)見(jiàn)，這種技術(shù)的發(fā)展將會(huì)促進(jìn)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(fù)雜性，其高達(dá)10 余層的膜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要非常精確的參數(shù)控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，難度較大。復(fù)合結(jié)構(gòu)中超導(dǎo)環(huán)部分的尺寸直徑達(dá)到2.5 cm 以上，這樣會(huì)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(cè)精度也沒(méi)有巨磁阻抗（giant magneto impedance，GMI）器件高，綜合上述因素，GMI/超導(dǎo)復(fù)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(dá)到更高的精度。

本文下面分三部分對(duì)高溫超導(dǎo)技術(shù)在微磁傳感器方面的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行闡述。

2、高溫超導(dǎo)量子干涉器件傳感器原理、應(yīng)用與發(fā)展

超導(dǎo)量子干涉儀是基于超導(dǎo)約瑟夫森（Josephson）結(jié)效應(yīng)制作的磁傳感器，因?yàn)槠錁O高的探測(cè)精度，廣泛用于生物磁測(cè)量、無(wú)損探傷、軍事探潛等領(lǐng)域，是高溫超導(dǎo)最早走向?qū)嵱没念I(lǐng)域之一。而高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展提高了SQUID的工作溫度，另一方面，高溫超導(dǎo)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(shuō)明SQUID的測(cè)量原理及高溫SQUID近幾年的發(fā)展，簡(jiǎn)單闡述近期高溫超導(dǎo)SQUID的應(yīng)用。

SQUID實(shí)質(zhì)是基于約瑟夫森結(jié)效應(yīng)的一種將磁通轉(zhuǎn)化為電壓的磁通傳感器，利用了超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)效應(yīng)和磁通量子化現(xiàn)象。如圖1 所示，被一薄勢(shì)壘層分開(kāi)的兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)約瑟夫森隧道結(jié)。當(dāng)含有約瑟夫森隧道結(jié)的超導(dǎo)體閉合環(huán)路被適當(dāng)大小的電流I 偏置后，會(huì)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(chēng)為超導(dǎo)量子干涉現(xiàn)象。

圖1 超導(dǎo)量子干涉儀的原理示意圖（I 為通過(guò)超導(dǎo)體閉合環(huán)路的總電流，Ia和Ib為通過(guò)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(yīng)以來(lái)，人們很快就利用這種效應(yīng)制成了利用直流電流進(jìn)行偏置的超導(dǎo)量子干涉器件（DC-SQUID），這種器件實(shí)質(zhì)上就是一種磁通檢測(cè)器。隨后，又發(fā)明了利用約瑟夫森結(jié)和超導(dǎo)體連成閉合回路，再用射頻電流進(jìn)行偏置的超導(dǎo)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(wèn)題更易于解決，其靈敏度也比當(dāng)時(shí)的DC-SQUID高。1976年，J.Clarke 等人研制成功薄膜隧道結(jié)DC-SQUID，其測(cè)量原理如圖2 所示，利用線(xiàn)圈之間的互感諧振，解決了與室溫電路的耦合問(wèn)題，其靈敏度比RF-SQUID要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2 DC-SQUID的電路測(cè)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(dǎo)量子干涉器大多數(shù)是直流SQUID，而高溫超導(dǎo)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(jì)的難點(diǎn)在于沒(méi)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(duì)傳感器的測(cè)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(tái)階的單晶基片上外延生長(zhǎng)YBCO薄膜，再用半導(dǎo)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(dǎo)DC-SQUID的原理示意圖