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佛山市賀迪傳感儀器有限公司
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閱讀：10發(fā)布時間：2025-2-27
1、引言
超高精度磁傳感器在生物磁丈量、地磁導航、天文觀測、基礎物理特性剖析等科研范疇具有廣泛的使用遠景和迫切需求。比方，在生物磁信號勘探范疇，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10-14T（高溫超導SQUID）和10-15 T（低溫超導SQUID），但是因為電子壓力開關定制規(guī)劃制作和使用的復雜性，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勘探的要求，又能夠兼顧高性能和微型化，而且與微機電體系（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，高溫超導技能得到了極大的進步，將巨磁阻技能或巨磁阻抗技能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，能夠預見，這種技能的開展將會促進磁傳感器范疇的開展。但是因為巨磁電阻（giant magnetoresistance，GMR）元件自身的復雜性，其高達10 余層的膜結構完成起來需要非常準確的參數(shù)操控和結構規(guī)劃，難度較大。復合結構中超導環(huán)部分的尺寸直徑到達2.5 cm 以上，這樣超高溫壓力變送器會增大體系體積和耦合面積，然后添加引進的磁通。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/超導復合結構能夠兼顧小型化和制作上的方便性，而且能夠到達更高的精度。
2、高溫超導量子干與器材傳感器原理、使用與開展
超導量子干與儀是基于超導約瑟夫森（Josephson）結效應制作的磁傳感器，因為其的勘探精度，廣泛用于生物磁丈量、無損探傷、軍事探潛等范疇，是高溫超導走向實用化的范疇之一。而高溫超導技能的開展進步了SQUID的工作溫度，另一方面，高溫超導薄膜技能的開展也進步了SQUID 的活絡度。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SQUID的使用。
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，使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地道結。當含有約瑟夫森地道結的超導體閉合環(huán)路被適當巨細的電流I 偏置后，會呈現(xiàn)一種宏觀量子干與現(xiàn)象，即地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)象稱為超導量子干與現(xiàn)象。
從發(fā)現(xiàn)約瑟夫森結效應以來，人們很快就使用這種效應制成了使用直流電流進行偏置的超導量子干與器材（DC-SQUID），這種器材實質上便是一種磁通檢測器。隨后，又發(fā)明晰使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與器材（RF-SQUID），這種結構更簡單制備，而且與室溫電路的耦合問題更易于處理，其活絡度也比其時的DC-SQUID高。1976年，J.Clarke 等人研制成功薄膜地道結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，其活絡度比RF-SQUID要高一個數(shù)量級。
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