超高精度GMI/超导复合磁强计器件设计与关键结构材料制作研究

超高精度磁强计（磁传感器）在生物磁测量、地磁导航、天文观测、基础物理特性分析等科研领域具有广泛的应用前景和迫切需求。目前能够真正满足检测pT量级测量精度的磁传感器有光泵磁强计、探测线圈磁强计、磁通门磁强计、巨磁阻抗（GMI）磁强计、超导量子干涉仪。新形势对传感器提出了新的要求:小型化、高分辨率、低功耗。巨磁阻抗效应及其在微磁传感器方面的应用正是这些优点的集大成者，符合传感器发展趋势。. 通过适当的热处理或施加外界因素作用（如应力，磁场等）可以改善GMI材料的软磁特性，提高GMI阻抗变化率和磁场分辨率,从而可以提高GMI磁传感器的探测精度。在低频下，多层膜结构（如三明治结构）比单层膜具有更好的GMI效应。为了进一步提高探测精度，课题组在前期工作的基础上，基于超导体的基本特性，提出巨磁阻抗（GMI）/超导复合结构超高精度磁传感器的研究方案与计划，制作具有fT量级的新型磁强计。

超高精度磁强计（磁传感器）在生物磁测量、地磁导航、天文观测、基础物理特性分析等科研领域具有广泛的应用前景和迫切需求。目前能够真正满足检测pT量级测量精度的磁传感器有光泵磁强计、探测线圈磁强计、磁通门磁强计、巨磁阻抗（GMI）磁强计、超导量子干涉仪。新形势对传感器提出了新的要求:小型化、高分辨率、低功耗。巨磁阻抗效应及其在微磁传感器方面的应用正是这些优点的集大成者，符合传感器发展趋势。. 本项目从薄膜制备，微结构器件制备，以及集成电路设计和器件标定四个方面入手，来研究影响巨磁阻抗效应的磁传感器的物理因素和工艺需求。主要结论是：双离子束辅助沉积由于制备薄膜的内部应力小，薄膜与衬底的附着力好，因而特别适合长厚膜，并且制备的CoSiB薄膜的GMI效应非常好，GMI比达到20%，而且其基于相位变化的GMI效应突出，其GMI比值达到48%。采用射频溅射方法制备的CoSiB薄膜与前者方法相比，虽然其GMI效应小，但是通过我们调控制备工艺，包括控制生长气氛压强，生长温度，生长功率，偏压以及退火，外加磁场退火，电流退火也发现CoSiB薄膜也会出现较为明显的GMI效应。其中电流退火效应最显著，它能够使得GMI效应提高了2-5倍；其次，在GMI多层结构制备中，寻找出了一种有效的湿法刻蚀的工艺，能够完整的制备多层结构。GMI和超导复合结构，从传统的电磁理论出发，设计出了yoke-type和U-type型复合结构；采用磁光手段分析了超导磁通变换器的磁场分布特征，验证了所设计的超导磁通变换器的放大功能，为复合结构奠定了基础；最后从电路设计、信号处理方面，探讨了敏感元件激励电流频率、敏感元件激励电流幅值和外加正、负磁场顺序性对传感器系统输出响应的影响。