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佛山市賀迪傳感儀器有限公司
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閱讀：3發(fā)布時(shí)間：2024-12-26
1、引言
超高精度磁傳感器在生物磁丈量、地磁導(dǎo)航、天文觀測、基礎(chǔ)物理特性剖析等科研范疇具有廣泛的使用遠(yuǎn)景和迫切需求。比方，在生物磁信號(hào)勘探范疇，典型的心臟磁場為 10-9—10-10T，腦磁場為10-11—10-12 T，現(xiàn)在能夠滿意檢測pT（10-12 T）量級(jí)丈量精度的磁傳感器有光泵磁傳感器、勘探線圈磁傳感器、磁通門傳感器、超導(dǎo)量子干與器材（superconducting quantum interference device，SQUID）傳感器等。其中廣東壓力傳感器是現(xiàn)在勘探精度的磁傳感器，能夠到達(dá)10-14T（高溫超導(dǎo)SQUID）和10-15 T（低溫超導(dǎo)SQUID），但是因?yàn)?font color="#2086ee">電子壓力開關(guān)定制規(guī)劃制作和使用的復(fù)雜性，約束了其大規(guī)模使用。而勘探線圈磁傳感器、磁通門傳感器和光泵傳感器難于小型化，因而也不適用于微電子的集成體系。只有巨磁阻傳感器和巨磁阻抗傳感器既能夠滿意高活絡(luò)勘探的要求，又能夠兼顧高性能和微型化，而且與微機(jī)電體系（micro electro-mechanical systems，MEMS）技能兼容，近年來受到更多重視。
而在近十幾年間，跟著薄膜技能的開展，高溫超導(dǎo)技能得到了極大的進(jìn)步，將巨磁阻技能或巨磁阻抗技能結(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，這種磁傳感器具有能夠媲美SQUID 的丈量精度，而且在微型化方面具有SQUID無法具有的性，能夠預(yù)見，這種技能的開展將會(huì)促進(jìn)磁傳感器范疇的開展。但是因?yàn)榫薮烹娮瑁╣iant magnetoresistance，GMR）元件自身的復(fù)雜性，其高達(dá)10 余層的膜結(jié)構(gòu)完成起來需要非常準(zhǔn)確的參數(shù)操控和結(jié)構(gòu)規(guī)劃，難度較大。復(fù)合結(jié)構(gòu)中超導(dǎo)環(huán)部分的尺寸直徑到達(dá)2.5 cm 以上，這樣超高溫壓力變送器會(huì)增大體系體積和耦合面積，然后添加引進(jìn)的磁通。理論剖析方面，GMR元件忽略了資料的電感變化，因而勘探精度也沒有巨磁阻抗（giant magneto impedance，GMI）器材高，歸納上述因素，GMI/超導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠兼顧小型化和制作上的方便性，而且能夠到達(dá)更高的精度。
2、高溫超導(dǎo)量子干與器材傳感器原理、使用與開展
超導(dǎo)量子干與儀是基于超導(dǎo)約瑟夫森（Josephson）結(jié)效應(yīng)制作的磁傳感器，因?yàn)槠涞目碧骄?，廣泛用于生物磁丈量、無損探傷、軍事探潛等范疇，是高溫超導(dǎo)走向?qū)嵱没姆懂犞?。而高溫超?dǎo)技能的開展進(jìn)步了SQUID的工作溫度，另一方面，高溫超導(dǎo)薄膜技能的開展也進(jìn)步了SQUID 的活絡(luò)度。本節(jié)將主要說明SQUID的丈量原理及高溫SQUID近幾年的開展，簡略論述近期高溫超導(dǎo)SQUID的使用。
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，使用了超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)效應(yīng)和磁通量子化現(xiàn)象。如圖1 所示，被一薄勢壘層分開的兩塊超導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)約瑟夫森地道結(jié)。當(dāng)含有約瑟夫森地道結(jié)的超導(dǎo)體閉合環(huán)路被適當(dāng)巨細(xì)的電流I 偏置后，會(huì)呈現(xiàn)一種宏觀量子干與現(xiàn)象，即地道結(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(dǎo)量子干與現(xiàn)象。
從發(fā)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)效應(yīng)以來，人們很快就使用這種效應(yīng)制成了使用直流電流進(jìn)行偏置的超導(dǎo)量子干與器材（DC-SQUID），這種器材實(shí)質(zhì)上便是一種磁通檢測器。隨后，又發(fā)明晰使用約瑟夫森結(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)量子干與器材（RF-SQUID），這種結(jié)構(gòu)更簡單制備，而且與室溫電路的耦合問題更易于處理，其活絡(luò)度也比其時(shí)的DC-SQUID高。1976年，J.Clarke 等人研制成功薄膜地道結(jié)DC-SQUID，其丈量原理如圖2 所示，使用線圈之間的互感諧振，處理了與室溫電路的耦合問題，其活絡(luò)度比RF-SQUID要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
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