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。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（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無法具備的優越性，可以預見，這種技術的發展將會促進磁傳感器領域的發展。但是由于巨磁電阻（giant magnetoresistance，GMR）元件本身的復雜性，其高達10 余層的膜結構實現起來需要非常精確的參數控制和結構設計，難度較大。復合結構中超導環部分的尺寸直徑達到2.5 cm 以上，這樣會增大系統體積和耦合面積，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展提高了SQUID的工作溫度，另一方面，高溫超導薄膜技術的發展也提高了SQUID 的靈敏度。本節將主要說明SQUID的測量原理及高溫SQUID近幾年的發展，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路被適當大小的電流I 偏置后，會呈現一種宏觀量子干涉現象，即隧道結兩端的電壓是隨閉合環路環孔中的磁通量Φ變化的周期性函數，其周期為磁通量變化的最小單位（磁通量量子Φ0）。這種現象稱為超導量子干涉現象。

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）

從發現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要高一個數量級。

圖2 DC-SQUID的電路測量示意圖（Φex為環內總磁通，Ibias為偏置電流，Vout為輸出電壓）

低溫超導量子干涉器大多數是直流SQUID，而高溫超導薄膜可以制成直流SQUID 或者射頻SQUID，現在一般為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