新型TMR-超导混合式弱磁传感器的研究

The detection of extremely low magnetic signals is very important in the field of biotechnology, medical science, geological exploration and so on. Recently, a new magnetic sensor has been proposed. It is composed by a superconducting flux-to field transformer and a high-sensitivity Giant Magnetoresistive sensor (GMR). There are many advantages of this new magnetic sensor. First, the sensitivity of this mixed sensor can reach few tens of femtotesla. Second, the structure of this mixed sensor is simple and reliable. By replacing the GMR sensor by a Tunnel Magnetoresistance (TMR) sensor, the detection level should reach higher level.This project focus on the research of the TMR-superconductor mixed sensor. Keyelements conclude as follows: theoretical analysis and calculation of the superconducting flux-to-field transformer characteristics, research the performance of the sensitivity and noise level of this new mixed sensor, and the coupling effect between TMR and superconductor. The above research will be very helpful for the exploration of new high sensitive magnetic sensor.

弱磁探测无论是在生物、医学、地质等众多领域都有极为重要的应用。近年来，一种新型的由巨磁阻（GMR）和作为磁放大器的超导环构成的混合式磁传感器因结构简单、性能稳定、灵敏度高（理论预计可以达到fT量级）等优点，在弱磁探测领域具有大规模应用的潜力。本项目使用磁阻效应更加优异的隧道磁电阻（TMR）代替GMR，并通过理论分析与实验相结合的手段，对该类传感器进行研究。具体内容包括：超导磁放大器的放大性能的理论与实验分析；并对传感器的噪声来源、TMR与超导磁放大器之间耦合机理进行探索；在此基础上，研制高质量TMR-超导混合式磁传感器，并研究温度、磁场、工作电流等因素对于器件饱和磁场、灵敏度、低频噪声特性的影响。上述研究工作将为新型高灵敏度磁传感器的探索及生产应用提供理论和实验基础。

弱磁探测无论是在生物、医学、地质等众多领域都有极为重要的应用。近年来，一种新型的由巨磁阻（GMR）和作为磁放大器的超导环构成的混合式磁传感器因结构简单、性能稳定、灵敏度高等优点，在弱磁探测领域具有大规模应用的潜力。本课题利用灵敏度更高的TMR代替GMR并与超导磁放大器结合，研制了新型TMR-超导磁传感器，并对传感器的性能进行了研究。取得了如下成果：.（1）对超导磁放大器的性能进行了系统分析，确定了狭窄区域宽度、距离高度等因素对磁场放大倍数的影响，对TMR-超导复合式磁传感器的设计提供了理论基础。. （2）率先采用贴合工艺制备了TMR-超导磁传感器，器件的噪声水平达到了0.66 pT/Hz1/2（@2Hz）和5.4 pT/Hz1/2（@10kHz），该研究验证了键合工艺的可行性，明确了器件的噪声来自TMR器件自身；同时为该类器件的制备提供了新的方法。. （3）采用倒装焊工艺有效改善了贴合制备技术存在的TMR与超导层间距过大的问题，器件灵敏度超过了目前的GMR-超导磁传感器，在10kHz和2Hz的噪声水平分别达到了~200fT/Hz1/2和~1.8pT/Hz1/2，表明传感器具备fT级别磁场的探测能力。. （4）利用复合薄膜技术制备了TMR-超导复合式磁传感器，在减小TMR与超导层间距的同时，磁场放大倍数进一步提升至130倍以上。. 本项目的实施为今后磁电阻-超导复合磁传感器的进一步发展及应用提供了有力的理论与实验基础。