CN101034145B - 一种集成的三维超导复合磁场传感器及其制法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成的三维超导复合磁场传感器，其包括三个两两垂直的一维磁场传感器，每个一维传感器包括：一个片基和其上的缓冲层，在缓冲层上依次沉积了磁场测量单元和电极层，覆盖在磁场测量单元和电极层周围和之上的绝缘层，沉积在绝缘层之上的超导环路和绝缘层之上的覆盖层。该集成的三维超导复合磁场传感器是利用磁控溅射仪在片基上依次沉积各层而得。与现有的磁场传感器相比，本发明提供的集成的三维超导复合磁场传感器分辨率很高，能够用来测量地磁场甚至更小的磁场。同时，本发明提供的传感器是三维磁场的传感器，比一般的一维传感器应用范围更广。

Description

一种集成的三维超导复合磁场传感器及其制法和用途 
技术领域
本发明属于传感器件领域，具体地说是涉及一种集成的三维超导复合磁场传感器，及其制备方法，和在三维方向上探测弱磁场用途。 
背景技术
磁场传感器有广泛的商业用途，其应用诸如线形或环形编码器，地磁场磁力仪等。目前一种通用的磁场传感器是以霍尔效应为基础，用以感知100Oe至1000Oe范围的磁场。另一种通用的磁场传感器是以半导体或铁磁材料中的磁阻(MR)效应为基础，用以感知相对较小的磁场和在较远距离上的磁场。例如，由各向异性磁阻(AMR)材料和巨磁电阻(GMR)材料制成的磁场传感器可以感知50Oe以下的磁场。 
磁场传感器的一个重要用途是用于地磁场传感器，但是地磁场只有0.5Oe左右，而现有的磁场传感器的精度还比较小，不能很好地感测地磁场以及地磁场量级以下的磁场。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有的磁场传感器的精度较小，不能有效感测地磁场(0.5Oe左右)以及地磁场量级以下的磁场的缺陷，从而提供一种利用超导环路结合隧道结磁阻(TMR)元件，或超导环路结合巨磁电阻(GMR)元件，可以高精度测量微弱磁场的集成的三维超导复合磁场传感器、及其制备方法和用途。 
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的： 
本发明提供一种集成的三维超导复合磁场传感器，其包括三个两两垂直的一维磁场传感器，每一个一维传感器如图1和3所示，包括：一个片基1和其上的缓冲层2，在缓冲层2上依次沉积了磁场测量单元3和电极层4，覆盖在磁场测量单元3和电极层4周围和之上的绝缘层5，沉积在绝缘层之上的超导材料层6和超导材料层之上的覆盖层7；所述的超导材料层是具有特殊形状的环路，该环路有一1～1000mm宽度的环，环上有一10～200μm缺口，缺口用线条宽度1～100μm的线条连接起来，此线 条和下面的磁场测量单元的位置重合。 
所述的磁场测量单元3为磁性多层膜构成的隧道结磁阻(TMR)单元或巨磁电阻(GMR)单元，例如，所述的隧道结磁阻元件为自旋阀型磁性隧道结元件；所述的巨磁电阻材料的磁阻元件为自旋阀型或层间耦合型多层膜。 
所述的磁场测量单元3包括反铁磁层31，钉扎层32，非磁性层33，自由层34，其中钉扎层的磁化强度方向和自由层的磁化强度方向均在一个片基平面内，且互相垂直； 
所述的磁场测量单元3的反铁磁层31的组成材料为具有反铁磁性的合金，优选Ir-Mn，Fe-Mn，Pt-Mn，或Cr-Mn合金，厚度为2～20nm； 
所述的磁场测量单元3的钉扎层32的组成材料为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，为Fe、Co、Ni及其合金，优选Co-Fe合金，Ni-Fe合金，非晶CoFeB合金，厚度为2～20nm； 
对于隧道结材料，每一个磁场测量单元3的非磁性层33的组成材料一般采用Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO或TiO2等绝缘材料，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料，每一个磁性传感器单元3的非磁性层33的组成材料一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm； 
所述的磁场测量单元3的自由层34的组成材料为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，优选Co，Co-Fe(如：Co75Fe25、Co90Fe10)，Co-Fe-B(如：Co40Fe40B20、Co60Fe20B20)，或Ni-Fe合金(如：Ni81Fe19)，厚度为1.0～10nm； 
所述的片基1为Si衬底或Si-SiO2衬底，厚度为0.3～1mm； 
所述的缓冲层2的组成材料为电阻较大的金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Pt，厚度为3～10nm； 
所述电极层4的组成材料为电阻率较低的金属，优选Au、Cu，厚度为10～500nm； 
所述的绝缘层5的组成材料为Al2O3或SiO2，厚度为10～500nm； 
所述的超导材料层6的组成材料为Nb、Sn、Pb、In、Ta、Nb-Ti、Mo-Re、V3Si、NbN、Nb3Sn、Nb3Ge、Pb-In-Au、Pb-Au、MgB2以及氧化物YBaCuO等，厚度为10～500nm； 
所述的覆盖层7的组成材料为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化。 
本发明提供一种上述集成的三维超导复合磁场传感器的制备方法，具体包括以下步骤： 
1)选择一个片基1，经过常规方法清洗之后，在磁控溅射仪上沉积缓冲层2； 
所述的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，衬底厚度为0.3～1mm； 
所述的缓冲层为电阻较大的金属材料，优选Ta、Ru、Cr、Pt，厚度为3～10nm； 
2)利用磁控溅射仪，在缓冲层2之上依次沉积磁场测量单元3的反铁磁层31、钉扎层32、非磁性层33和自由层34；沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，要加上诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直； 
所述的磁场测量单元由叠加的隧道结或巨磁电阻材料的磁阻元件形成，其中隧道结磁阻元件为自旋阀型磁性隧道结元件，巨磁电阻材料的磁阻元件为自旋阀型或层间耦合型多层膜； 
磁场测量单元的反铁磁层为具有反铁磁性的合金，优选Ir-Mn，Fe-Mn，Pt-Mn或Cr-Mn，厚度为2～20nm； 
钉扎层为具有较高自旋极化率的铁磁性金属，为Fe、Co、Ni及其合金，优选Co-Fe合金，Ni-Fe合金，非晶CoFeB合金，厚度为2～20nm； 
对于隧道结材料，每一个磁场测量单元的非磁性层一般采用Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO、或TiO2等绝缘材料，厚度为0.5～5nm；对于巨磁电阻材料，每一个磁性传感器单元的非磁性层一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm； 
磁场测量单元的自由层为矫顽力较小的具有较高自旋极化率的铁磁性金属及其合金，优选Co，Co-Fe(如：Co75Fe25、Co90Fe10)，Co-Fe-B(如：Co40Fe40B20、Co60Fe20B20)，或Ni-Fe合金(如：Ni81Fe19)，厚度为1.0～10nm； 
所述的诱导磁场为50～5000Oe； 
3)对磁场测量单元3的磁性多层膜采用常规的半导体微加工工艺，加工成具有一定形状(比如长条形)的测量单元； 
所述的常规半导体微加工工艺具体为：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把磁场测量单元刻成便于应用的形状，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
4)利用磁控溅射仪，在磁场测量单元3上沉积电极层4；然后对电极层4采用常规的半导体微加工工艺，加工出四个与磁场测量单元良好接触的电极； 
所述电极层为电阻率较低的金属，优选Au、Cu，厚度为10～500nm； 
所述的常规半导体微加工工艺具体为：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把电极层刻出电极的形状，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
5)利用磁控溅射仪，在磁场测量单元3和电极层4周围和之上沉积绝缘层5； 
所述的绝缘层为Al2O3或SiO2，厚度为10～500nm； 
6)利用磁控溅射仪，在绝缘层5之上沉积超导材料层6；然后对超导材料层采用常规的半导体加工工艺，加工成具有特定形状的超导环路； 
所述的超导材料层是具有特殊形状的环路，该环路有一1～1000mm宽度的环，环上有一10～200μm缺口，缺口用线条宽度1～100μm的线条连接起来，此线条和下面的磁场测量单元的位置重合。 
所述的超导材料层的组成材料为Nb、Sn、Pb、In、Ta、Nb-Ti、Mo-Re、V3Si、NbN、Nb3Sn、Nb3Ge、Pb-In-Au、Pb-Au、MgB2以及氧化物YBaCuO等，厚度为10～500nm； 
所述的常规半导体微加工工艺具体为：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把环路形状刻出，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
7)在超导层6上沉积覆盖层7； 
所述的覆盖层为不易被氧化的且具有较大电阻的金属材料，优选Ta、Cu、Ru、Pt、Ag、Au等，厚度为2～10nm，用于保护材料不被氧化； 
8)按步骤1)～7)的方法制备同样的两个一维磁场传感器，然后将三个传感器分别固定在一个非磁性金属材料做成的立方体(如图4所示)的三个相邻的面上，使这三个传感器的平面两两垂直，即得到本发明的集成的三维超导复合磁场传感器。 
所述的非磁性金属材料，优选Cu、Al、不锈钢和其它有机材料(如：聚四氟乙烯)等。 
本发明提供的集成的三维超导复合磁场传感器可用于检测微弱磁场，其磁场测量单元3处的剖面和磁场方向如图3所示。传感器工作时，在四个电极中的Ui端输入一个恒流源或恒压源，在Uo即另外两个电极测量输出电压。当有外磁场时，超导环路中将有电流产生，环路中的电流在超导周围产生磁场。其中在环路宽度较小的部分，由于电流密度较大，产生高于外磁场几个数量级的磁场，磁场测量单元对此感应磁场进行测量。当外磁场发生变化时，感应磁场也会相应发生变化，磁场测量单元的磁电 阻同时发生变化，导致输出电压发生变化。在一定范围内输出电压与外磁场的变化成线性关系，由输出电压即可得出外磁场的大小。 
对本发明提供的传感器的磁场的测量精度进行计算如下(示意图如图5所示)： 
超导环“变窄部分”产生的磁场Bsc(通过磁场测量单元平面，方向与x-轴平行，与电流Jy垂直)是x-分量， 
B sc x = μ 0 Jsc 4 πs ( arctg s + x y + arctg s - x y ) - - - ( 1 )
其中，Jsc是流过超导环的电流，“变窄部分”的宽度为2s. 
超导环均匀的外部的面积为A，电感为L。待测磁场Bext，得到， 
Bext·A＝L·Jsc    (2) 
可以看到，靠增大超导环面积A达到增大超导电流Jsc。 
结合(1)和(2)两式，得到 
B sc x ( x , y ) = Bext μ 0 4 πs ( A L ) ( arctg s + x y + arctg s - x y ) - - - ( 3 )
如图5，超导环变窄部分处于y＝0，磁场测量单元处于其下(或上)面很近的位置，二者距离远远小于窄部的宽度2s：y＝h＜＜2s 
可以验证，此时Bsc基本不随x变化。即，方向平行x-轴，强度不变。为简单，可以令x＝0。得到： 
Bsc x ( 0 , h ) ≈ Bext μ 0 2 πs ( A L ) arctg ( s h ) ≡ Bsc - - - ( 4 )
超导环的外边长为D，超导环宽度为l时，计算可得 
A L ≅ π · D 2 μ 0 ln ( D / l ) - - - ( 5 )
放大倍数： 
β = Beff Bext ≈ Bsc Bext
将(4)代入上式，得到 β ≈ μ 0 2 πs ( A L ) arctg ( s h ) ,
其中A/L由式(5)确定。所以，放大倍数 
β ≈ ( 1 2 arctg s h ) ( D 2 s ) ( 1 ln ( D / l ) ) - - - ( 6 )
放大倍数(6)式的数值估计： 
2s＝20μ，l＝1000μ，D＝4,000μ 
x＝0，h＝0.1μ， 
s h = 10 0.1 = 100 , arctg s h = 1.5608 , D 2 s = 4,000 20 = 200 , D l = 4,000 1000 = 4 , ln ( D l ) = 1.3863
超导环的放大系数就是： 
β ≈ ( 1 2 arctg s h ) ( D 2 s ) ( 1 ln ( D / l ) ) = 0.5 * 1.5608 * 200 * 1 1.3863 ≈ 112.6
即磁场测量单元处的磁场比待测磁场大了112.6倍。而目前现有的磁场测量单元能达到的精度是大于0.5mv/Oe，其只有在大于1mv的输出电压才能被较好地检测到，即磁场测量单元能检测的最小磁场为2Oe左右，考虑超导环的放大作用，整个传感器能检测的最小磁场将小于0.018Oe，如果超导环的尺寸参数再优化，精度可以更高。因此可以满足测量地磁场(约0.5Oe)甚至更小的磁场的要求。 
综上所述，与现有的磁场传感器相比，本发明提供的集成的三维超导复合磁场传感器有显著的优点。该超导复合磁场传感器的分辨率很高，经过超导环路的放大作用，可以使本发明的磁场分辨率比一般磁电阻传感器提高100到1000倍，能够用来测量地磁场甚至更小的磁场。同时，本发明提供的传感器是三维磁场的传感器，比一般的一维传感器应用范围更广。 
附图说明
图1为本发明提供的集成的三维超导复合磁场传感器中的一个一维磁场传感器的俯视图； 
图2为图1中虚线框中(磁场测量单元附近)的俯视图的局部放大图； 
图3为本发明提供的集成的三维超导复合磁场传感器的磁场测量单元3处的剖面和磁场方向的示意图； 
图4是本发明提供的集成的三维超导复合磁场传感器的拼装示意图； 
图5是辅助计算传感器磁场测量精度的示意图； 
其中，1片基1，2缓冲层，3磁场测量单元，4电极层，5绝缘层，6超导材 料层，7覆盖层，31反铁磁层，32钉扎层，33非磁性层，34自由层。 
具体实施方式
实施例1 
带有隧道结磁阻(TMR)元件的集成的三维超导复合磁场传感器 
1、选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为片基1，并在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该片基上沉积5nm Ta缓冲层2； 
2、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积磁场测量单元3的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为反铁磁层31，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为钉扎层32，1.0nm Al2O3作为非磁性层33，4.0nm Co75Fe25作为自由层34。沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，加上100Oe诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直； 
3、对磁场测量单元的磁性多层膜采用常规的半导体加工工艺，加工成100μm×20μm的长条状，长条的长的边方向与磁性测量单元的自由层磁化强度方向平行； 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
4、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁场测量单元3上沉积20nm的Au电极层4。 
5、对电极层采用常规的半导体加工工艺，加工出四个与磁场测量单元良好接触的电极。 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
6、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积100nm的SiO2绝缘层5。 
7、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在绝缘层之上沉积100nm的Ni超导层6。 
8、对超导材料层采用常规的半导体加工工艺，加工成超导环路。超导环路如图2所示，为特殊的正方形环，其中外边长为4mm，内边长为2mm，环有100μm的缺口，缺口用100μm×20μm的长条连接起来。长条的位置与下面的磁场测量单元的位置重合。 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
9、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积5nm的Ru覆盖层7。即得到一个一维的磁场传感器。 
10、按1～9的方法制备同样的两个一维磁场传感器。然后将三个传感器分别固定在一个非磁性不锈钢材料做成的立方体的三个相邻的面上，使这三个传感器的平面两两垂直，即得到本发明的集成的三维超导复合磁场传感器，如图4所示。 
实施例2 
带有巨磁电阻(GMR)元件的集成的三维超导复合磁场传感器 
1、选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为片基1，并在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该片基上沉积5nm Ta缓冲层2； 
2、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积磁场测量单元3的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为反铁磁层31，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为钉扎层32，2.0nm Cu作为非磁性层33，4.0nm Co75Fe25作为自由层34。沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，加上100Oe诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直； 
3、对磁场测量单元的磁性多层膜采用常规的半导体加工工艺，加工成100μm×20μm的长条状，长条的长的边方向与磁性测量单元的自由层磁化强度方向平行； 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
4、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa 的条件，在磁场测量单元3上沉积20nm的Au电极层4。 
5、对电极层采用常规的半导体加工工艺，加工出四个与磁场测量单元良好接触的电极。 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
6、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积100nm的SiO2绝缘层5。 
7、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在绝缘层之上沉积100nm的Ni超导层6。 
8、对超导材料层采用常规的半导体加工工艺，加工成超导环路。超导环路超导环路如图2所示，为特殊的正方形环，其中外边长为4mm，内边长为2mm，环有100μm的缺口，缺口用100μm×20μm的长条连接起来。这个100μm×20μm的长条的位置与下面的磁场测量单元的位置重合。 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
9、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积5nm的Ru覆盖层7。即得到一个一维的磁场传感器。 
10、按1～9的方法制备同样的两个一维磁场传感器。然后将三个传感器分别固定在一个非磁性Cu材料做成的立方体的三个相邻的面上，使这三个传感器的平面两两垂直，即得到本发明的集成的三维超导复合磁场传感器。 
实施例3 
带有圆环形状超导环路的集成的三维超导复合磁场传感器 
1、选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为片基1，并在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该片基上沉积5nm Ta缓冲层2； 
2、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层2上依次沉积磁场测量单元3的各层，首先是沉积10nm的IrMn作为反铁磁层31，然后依次是4.0nm Co75Fe25作为钉扎层32，1.0nm Al2O3作为非磁 性层33，4.0nm Co75Fe25作为自由层34。沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，加上100Oe诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直； 
3、对磁场测量单元的磁性多层膜采用常规的半导体加工工艺，加工成100μm×20μm的长条状，长条的长的边方向与磁性测量单元的自由层磁化强度方向平行。 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
4、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁场测量单元3上沉积20nm的Au电极层4。 
5、对电极层采用常规的半导体加工工艺，加工出四个与磁场测量单元良好接触的电极。 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
6、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积100nm的SiO2绝缘层5。 
7、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在绝缘层之上沉积100nm的Ni超导层6。 
8、对超导材料层采用常规的半导体加工工艺，加工成超导环路。超导环路为特殊的圆环，其中外径为2mm，内径为1mm，环有100μm的缺口，缺口用100μm×20μm的长条连接起来。这个100μm×20μm的长条的位置与下面的磁场测量单元的位置重合。 
所述的常规半导体微加工工艺包括：首先经过涂胶、前烘，再在紫外曝光机上，利用带有待加工图案的光刻版进行曝光，接着显影、定影、后烘，然后用离子刻蚀方法把三个磁性传感器单元刻成图案，最后用丙酮浸泡进行去胶； 
9、在磁控溅射设备上以真空优于5×10-5Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，沉积5nm的Ru覆盖层7。即得到一个一维的磁场传感器。 
10、按1～9的方法制备同样的两个一维磁场传感器。然后将三个传感器分别固定在一个非磁性Al材料做成的立方体的三个相邻的面上，使这三个传感器的平面两两垂 直，即得到本发明的集成的三维超导复合磁场传感器。 
实施例4～51 
按照实施例1～3相同的方法，制备本发明的集成的三维超导复合磁场传感器，其磁性多层膜的各层材料和厚度列于表1～8。 
表1、本发明的用于集成的三维超导复合磁场传感器的磁性多层膜的结构 
实施例     4     5     6   7   8     9
 片基 成分     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2     Si-SiO2
厚度     1mm     1mm     1mm   1mm   1mm     1mm
缓冲 层 成分     Ta     Ta     Ta   Ta   Ta     Ta
厚度     3nm     3nm     3nm   3nm   3nm     3nm
反铁 磁层 成分     IrMn     Fe-Mn     Pt-Mn   IrMn   Fe-Mn     Fe-Mn
厚度     2nm     2nm     2nm   2nm   2nm     2nm
钉扎 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co   Ni   Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm     1nm   1nm   1nm     1nm
非磁 性层 成分     Al2O3     TiO2     MgO   AlN   Ta2O5     ZnO
厚度     0.5nm     0.5nm     0.5nm   0.5nm   0.5nm     0.5nm
自由 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co   Ni   Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm     1nm   1nm   1nm     1nm
电极 层 成分     Au     Au     Au   Au   Au     Au
厚度     20nm     20nm     20nm   20nm   20nm     20nm
绝缘 层 成分     SiO2     SiO2     SiO2   SiO2   SiO2     SiO2
厚度     100nm     100nm   100nm   100nm   100nm     100nm
超导 层 成分     Ni     Nb     Sn   Pb   In     YBaCuO
厚度     100nm     100nm   100nm   100nm   100nm     100nm
覆盖 层 成分     Ta     Cu     Ru   Pt   Ag     Au
厚度     5nm     5nm     5nm   5nm   5nm     5nm
 表2、本发明的用于集成的三维超导复合磁场传感器的磁性多层膜的结构 
实施例     10     11   12   13   14     15
片基 成分     Si-SiO2     Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2     Si-SiO2
厚度     1mm     1mm   1mm   1mm   1mm     1mm
缓冲 层 成分     Ru     Ru   Ru   Ru   Ru     Ru
厚度     3nm     3nm   3nm   3nm   3nm     3nm
反铁 磁层 成分     IrMn     Fe-Mn   Pt-Mn   IrMn   Fe-Mn     Fe-Mn
厚度     2nm     2nm   2nm   2nm   2nm     2nm
钉扎 层 成分     Co75Fe25     Fe   Co   Ni   Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm   1nm   1nm   1nm     1nm
非磁 性层 成分     Al2O3     TiO2   MgO   AlN   Ta2O5     ZnO
厚度     0.5nm     0.5nm   0.5nm   0.5nm   0.5nm     0.5nm
自由 层 成分     Co75Fe25     Fe   Co   Ni   Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm   1nm   1nm   1nm     1nm
电极 层 成分     Cu     Cu   Cu   Cu   Cu     Cu
厚度     20nm     20nm   20nm   20nm   20nm     20nm
绝缘 层 成分     SiO2     SiO2   SiO2   SiO2   SiO2     SiO2
厚度     100nm     100nm   100nm   100nm   100nm     100nm
超导 层 成分     Ni     Nb   Sn   Pb   In     YBaCuO
厚度     100nm     100nm   100nm   100nm   100nm     100nm
覆盖 层 成分     Ta     Cu   Ru   Pt   Ag     Au
厚度     5nm     5nm   5nm   5nm   5nm     5nm
表3、本发明的用于集成的三维超导复合磁场传感器的磁性多层膜的结构 
实施例   16   17   18   19   20   21
片基 成分   Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2
厚度   1mm   1mm   1mm   1mm   1mm   1mm
缓冲 层 成分   Cr   Cr   Cr   Cr   Cr   Cr
厚度   3nm   3nm   3nm   3nm   3nm   3nm
反铁 成分   IrMn   Fe-Mn   Pt-Mn   IrMn   Fe-Mn   Fe-Mn
 
磁层 厚度     2nm     2nm     2nm     2nm     2nm     2nm
钉扎 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co     Ni     Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm
非磁 性层 成分     Al2O3     TiO2     MgO     AlN     Ta2O5     ZnO
厚度     0.5nm     0.5nm     0.5nm     0.5nm     0.5nm     0.5nm
自由 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co     Ni     Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm
电极 层 成分     Cu     Cu     Cu     Cu     Cu     Cu
厚度     20nm     20nm     20nm     20nm     20nm     20nm
绝缘 层 成分     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm
超导 层 成分     Ni     Nb     Sn     Pb     In     YBaCuO
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm
覆盖 层 成分     Ta     Cu     Ru     Pt     Ag     Au
厚度     5nm     5nm     5nm     5nm     5nm     5nm
表4、本发明的用于集成的三维超导复合磁场传感器的磁性多层膜的结构 
实施例     22     23     24   25   26     27
片基 成分     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2     Si-SiO2
厚度     1mm     1mm     1mm   1mm   1mm     1mm
缓冲 层 成分     Ta     Ta     Ta   Ta   Ta     Ta
厚度     10nm     10nm     10nm   10nm   10nm     10nm
反铁 磁层 成分     IrMn     Fe-Mn     Pt-Mn   IrMn   Fe-Mn     Fe-Mn
厚度     2nm     2nm     2nm   2nm   2nm     2nm
钉扎 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co   Ni   Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm     1nm   1nm   1nm     1nm
非磁 性层 成分     Al2O3     TiO2     MgO   AlN   Ta2O5     ZnO
厚度     0.5nm     0.5nm     0.5nm   0.5nm   0.5nm     0.5nm
自由 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co   Ni   Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm     1nm   1nm   1nm     1nm
 
电极 层 成分     Cu     Cu     Cu     Cu     Cu     Cu
厚度     20nm     20nm     20nm     20nm     20nm     20nm
绝缘 层 成分     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm
超导 层 成分     Ni     Nb     Sn     Pb     In     YBaCuO
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm
覆盖 层 成分     Ta     Cu     Ru     Pt     Ag     Au
厚度     5nm     5nm     5nm     5nm     5nm     5nm
表5、本发明的用于集成的三维超导复合磁场传感器的磁性多层膜的结构 
实施例   28     29     30   31   32     33
片基 成分   Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2   Si-SiO2   Si-SiO2     Si-SiO2
厚度   1mm     1mm     1mm   1mm   1mm     1mm
缓冲 层 成分   Ru     Ru     Ru   Ru   Ru     Ru
厚度   10nm     10nm     10nm   10nm   10nm     10nm
反铁 磁层 成分   IrMn     Fe-Mn     Pt-Mn   IrMn   Fe-Mn     Fe-Mn
厚度   2nm     2nm     2nm   2nm   2nm     2nm
钉扎 层 成分   Co75Fe25     Fe     Co   Ni   Ni81Fe19     CoFeB
厚度   1nm     1nm     1nm   1nm   1nm     1nm
非磁 性层 成分   Al2O3     TiO2     MgO   AlN   Ta2O5     ZnO
厚度   0.5nm     0.5nm     0.5nm   0.5nm   0.5nm     0.5nm
自由 层 成分   Co75Fe25     Fe     Co   Ni   Ni81Fe19     CoFeB
厚度   1nm     1nm     1nm   1nm   1nm     1nm
电极 层 成分   Cu     Cu     Cu   Cu   Cu     Cu
厚度   20nm     20nm     20nm   20nm   20nm     20nm
绝缘 层 成分   SiO2     SiO2     SiO2   SiO2   SiO2     SiO2
厚度   100nm     100nm     100nm   100nm   100nm     100nm
超导 层 成分   Ni     Nb     Sn   Pb   In     YBaCuO
厚度   100nm     100nm     100nm   100nm   100nm     100nm
覆盖 层 成分   Ta     Cu     Ru   Pt   Ag     Au
厚度   5nm     5nm     5nm   5nm   5nm     5nm
 表6、本发明的用于集成的三维超导复合磁场传感器的磁性多层膜的结构 
实施例     34     35     36     37     38     39
片基 成分     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2
厚度     1mm     1mm     1mm     1mm     1mm     1mm
缓冲 层 成分     Cr     Cr     Cr     Cr     Cr     Cr
厚度     10nm     10nm     10nm     10nm     10nm     10nm
反铁 磁层 成分     IrMn     Fe-Mn     Pt-Mn     IrMn     Fe-Mn     Fe-Mn
厚度     2nm     2nm     2nm     2nm     2nm     2nm
钉扎 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co     Ni     Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm
非磁 性层 成分     Al2O3     TiO2     MgO     AlN     Ta2O5     ZnO
厚度     5nm     5nm     5nm     5nm     5nm     5nm
自由 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co     Ni     Ni81Fe19     CoFeB
厚度     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm
电极 层 成分     Cu     Cu     Cu     Cu     Cu     Cu
厚度     20nm     20nm     20nm     20nm     20nm     20nm
绝缘 层 成分     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm
超导 层 成分     Ni     Nb     Sn     Pb     In     YBaCuO
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm
覆盖 层 成分     Ta     Cu     Ru     Pt     Ag     Au
厚度     2nm     2nm     2nm     2nm     2nm     2nm
表7、本发明的用于集成的三维超导复合磁场传感器的磁性多层膜的结构 
实施例     40   41     42   43     44     45
片基 成分     Si-SiO2   Si-SiO2     Si-SiO2   Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2
厚度     1mm   1mm     1mm   1mm     1mm     1mm
缓冲 层 成分     Cr   Cr     Cr   Cr     Cr     Cr
厚度     10nm   10nm     10nm   10nm     10nm     10nm
 
反铁 磁层 成分     IrMn     Fe-Mn     Pt-Mn     IrMn   Fe-Mn   Fe-Mn
厚度     10nm     10nm     10nm     10nm   10nm   10nm
钉扎 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co     Ni   Ni81Fe19   CoFeB
厚度     4nm     4nm     4nm     4nm   4nm   4nm
非磁 性层 成分     Al2O3     TiO2     MgO     AlN   Ta2O5   ZnO
厚度     0.5nm     0.5nm     0.5nm     0.5nm   0.5nm   0.5nm
自由 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co     Ni   Ni81Fe19   CoFeB
厚度     4nm     4nm     4nm     4nm   4nm   4nm
电极 层 成分     Cu     Cu     Cu     Cu   Cu   Cu
厚度     20nm     20nm     20nm     20nm   20nm   20nm
绝缘 层 成分     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2   SiO2   SiO2
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm   100nm   100nm
超导 层 成分     Ni     Nb     Sn     Pb   In   YBaCuO
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm   100nm   100nm
覆盖 层 成分     Ta     Cu     Ru     Pt   Ag   Au
厚度     10nm     10nm     10nm     10nm   10nm   10nm
表8、本发明的用于集成的三维超导复合磁场传感器的磁性多层膜的结构 
实施例     46     47     48     49     50   51
片基 成分     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2     Si-SiO2   Si-SiO2
厚度     1mm     1mm     1mm     1mm     1mm   1mm
缓冲 层 成分     Cr     Cr     Cr     Cr     Cr   Cr
厚度     10nm     10nm     10nm     10nm     10nm   10nm
反铁 磁层 成分     IrMn     Fe-Mn     Pt-Mn     IrMn     Fe-Mn   Fe-Mn
厚度     7nm     7nm     7nm     7nm     7nm   7nm
钉扎 层 成分     Co75Fe25     Fe     Co     Ni     Ni81Fe19   CoFeB
厚度     10nm     10nm     10nm     10nm     10nm   10nm
非磁 性层 成分     Al2O3     TiO2     MgO     AlN     Ta2O5   ZnO
厚度     1nm     1nm     1nm     1nm     1nm   1nm
自由 成分     Co75Fe25     Fe     Co     Ni     Ni81Fe19   CoFeB
 
层 厚度     10nm     10nm     10nm     10nm     10nm     10nm
电极 层 成分     Cu     Cu     Cu     Cu     Cu     Cu
厚度     20nm     20nm     20nm     20nm     20nm     20nm
绝缘 层 成分     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2     SiO2
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm
超导 层 成分     Ni     Nb     Sn     Pb     In     YBaCuO
厚度     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm     100nm
覆盖 层 成分     Ta     Cu     Ru     Pt     Ag     Au
厚度     5nm     5nm     5nm     5nm     5nm     5nm
本发明提供的上述集成的三维磁场传感器可用于检测三维磁场。在工作中，三个传感器a、b、c的Ui端各自接一恒压源或是恒流源，这时三个传感器上的电流相同，在a、b、c的Uo端给出输出信号，分别对应x、y、z三个方向。当有外磁场时，超导环路中将有电流产生，环路中的电流在超导周围产生磁场。其中在环路宽度较小的部分，由于电流密度较大，产生高于外磁场几个数量级的磁场，磁场测量单元对此感应磁场进行测量。当外磁场发生变化时，感应磁场也会相应发生变化，引起a、b、c三个传感器的磁电阻的变化，导致输出信号的变化。每个自旋阀当自由层与钉扎层的方向垂直时，在一定范围内输出电压与外磁场的变化呈线性关系，由输出电压即可得出外磁场的大小。 

Claims (6)

1.一种集成的三维超导复合磁场传感器，包括三个两两垂直的一维磁场传感器，每个一维传感器包括：一个片基和其上的缓冲层，在缓冲层上依次沉积了磁场测量单元和电极层，覆盖在磁场测量单元和电极层周围和之上的绝缘层，其特征在于，还包括：沉积在绝缘层之上的超导材料层和超导材料层之上的覆盖层；超导材料层具有环状的超导环路，该环状的超导环路为一个1～1000mm宽度的环，环上有一10～200μm缺口，缺口用线条宽度1～100μm的线条连接起来，此线条和该线条下面的磁场测量单元的位置重合，其中所述的磁场测量单元包括反铁磁层，钉扎层，非磁性层，自由层，其中钉扎层的磁化强度方向和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且互相垂直。
2.如权利要求1所述的集成的三维超导复合磁场传感器，其特征在于：所述的磁场测量单元为磁性多层膜构成的隧道结磁阻单元。
3.如权利要求1所述的集成的三维超导复合磁场传感器，其特征在于：
所述的反铁磁层的组成材料为Ir-Mn，Fe-Mn、Pt-Mn或Cr-Mn，厚度为2～20nm；
所述的钉扎层的组成材料为Fe、Co、Ni或其合金，厚度为2～20nm；
所述的非磁性层的组成材料为Al2O3、MgO、AlN、Ta2O5、ZnO或TiO2、厚度为0.5～5nm；所述的非磁性层的组成材料或者为Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为1.0～10nm层；
所述的自由层的组成材料为Co75Fe25、Co90Fe10、Co40Fe40B20、Co60Fe20B20或Ni81Fe19，厚度为1.0～10nm。
4.如权利要求1所述的集成的三维超导复合磁场传感器，其特征在于：
所述的片基为Si衬底或Si-SiO2衬底，厚度为0.3～1mm；
所述的缓冲层的组成材料为Ta、Ru、Cr、或Pt，厚度为3～10nm；
所述电极层的组成材料为Au或Cu，厚度为10～500nm；
所述的绝缘层的组成材料为Al2O3或SiO2，厚度为10～500nm；
所述的超导材料层的组成材料为Nb、Sn、Pb、In、Ta、Nb-Ti、Mo-Re、V3Si、NbN、Nb3Sn、Nb3Ge、Pb-In-Au、Pb-Au、MgB2或氧化物YBaCuO，厚度为10～500nm；
所述的覆盖层的组成材料为Ta、Cu、Ru、Pt、Ag或Au，厚度为2～10nm。
5.一种权利要求1～4之一所述的集成的三维超导复合磁场传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
1)选择一个片基，经过清洗之后，在磁控溅射仪上沉积缓冲层；
2)利用磁控溅射仪，在缓冲层之上依次沉积磁场测量单元的反铁磁层、钉扎层、非磁性层和自由层；沉积反铁磁层、钉扎层、自由层时，要加上诱导磁场，其中反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向相同，自由层诱导磁场与反铁磁层、钉扎层的诱导磁场方向垂直，最后得到钉扎层和自由层的磁化强度方向均在片基平面内，且磁化强度方向相互垂直；
所述的诱导磁场为50～50000e；
3)对磁场测量单元的磁性多层膜采用常规的半导体微加工工艺，加工成长条形状的测量单元；
4)利用磁控溅射仪，在磁场测量单元上沉积电极层；然后对电极层采用常规的半导体微加工工艺，加工出四个与磁场测量单元良好接触的电极；
5)利用磁控溅射仪，在磁场测量单元和电极层周围和之上沉积绝缘层；
6)利用磁控溅射仪，在绝缘层之上沉积超导材料层；然后对超导材料层采用常规的半导体加工工艺，加工成具有环状的超导环路，该环状的超导环路为一个1～1000mm宽度的环，环上有一10～200μm缺口，缺口用线条宽度1～100μm的线条连接起来；
7)在超导层上沉积覆盖层；
8)按步骤1)～7)的方法制备同样的两个一维磁场传感器，然后将三个传感器分别固定在一个非磁性材料做成的立方体的三个相邻的面上，使这三个传感器的平面两两垂直，得到本发明的集成的三维超导复合磁场传感器。
6.权利要求1至4所述之一的集成的三维超导复合磁场传感器在检测微弱磁场中的用途。
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