CN115561683A - 双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器及其制备方法。双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器包括：双超导环、超导窄区和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；双超导环基于两个结构相同的超导环构成，且每个超导环相同位置设有单个超导窄区；超导环在每个超导窄区的一侧对应放置有两个隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；其中，双超导环和布置的隧道磁阻效应磁电阻传感器组件的尺寸相同且对称分布。采用本结构能够通过双超导环的超导窄区形成局域放大的磁场，在双超导环之间区域耦合叠加，形成磁场的次级增强，增加探测磁场的精度，同时通过对称结构设计可以消除超导环和磁传感器中不同因素引起的失配，提高了弱磁传感器的探测灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及电磁技术领域，特别是涉及一种双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器及其制备方法。
背景技术
随着空间探测、量子计算、固态核磁共振和脑磁图等领域对弱磁场探测的需求，弱磁传感技术逐渐引起广泛的关注。特别地，在特定的领域如神经信号探测等，甚至其探测精度需达到fT(10-15T)量级,这给弱磁传感器的开发提出了新的挑战。目前，探测精度能达到fT量级的弱磁传感器主要是基于超导约瑟夫效应的超导量子干涉(SQUID)器件。然而，SQUID器件需要昂贵的低温制冷设备，制备工艺复杂，这极大程度限制其应用。TMR(tunnelmagnetoresistance effect，隧道磁阻效应)作为新型磁电阻传感器，具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗和更宽的线性范围。它与超导磁通转换放大器相结合可以维持磁传感器这些优异性能基础上，通过超导磁通转换放大器对磁场的放大作用，极大的提高探测磁场的精度，在弱磁探测领域展现出巨大的应用潜力。但是，目前制备的超导/TMR复合磁传感器为单个超导环即单个窄区的结构，这限制了器件的量程和灵敏度。
因此，目前的超导/TMR复合磁传感器存在灵敏度低的缺陷。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高灵敏度的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器及其制备方法。
第一方面，本申请提供了一种双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，包括：双超导环、超导窄区和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；
所述双超导环基于两个结构相同的超导环构成，且每个超导环相同位置设有单个超导窄区；
所述超导环在每个超导窄区的一侧对应放置有两个隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；
其中，所述双超导环和布置的隧道磁阻效应磁电阻传感器组件的尺寸相同且对称分布。
在其中一个实施例中，所述双超导环为基于高温超导薄膜制备得到的方形环状薄膜。
在其中一个实施例中，所述隧道磁阻效应磁电阻传感器组件为基于隧穿磁阻技术的磁场传感器元件，其敏感轴方向为所述磁场传感器元件的面内短轴方向。
在其中一个实施例中，所述高温超导薄膜为制备在蓝宝石衬底上的钇钡铜氧薄膜，且厚度为100～500nm。
在其中一个实施例中，氮化铝绝缘层沉积在高温超导薄膜表面，表面抛光光滑处理。
在其中一个实施例中，所述双超导环之间的间距小于5um，所述超导窄区宽度小于5um。
在其中一个实施例中，所述双超导环和超导窄区为同一超导薄膜通过离子减薄或等离子体刻实现。
在其中一个实施例中，所述双超导环和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件为双层结构，所述双层结构为磁控溅射或射频溅射逐层生长或粘胶键合制备而成；
所述隧道磁阻效应磁电阻传感器组件位于超导窄区的正上方，且隧道磁阻效应磁电阻传感器组件和超导窄区之间采用氮化铝绝缘层分隔。
在其中一个实施例中，所述隧道磁阻效应磁电阻传感器组件包括四个轭形隧穿磁电阻磁传感器，且四个隧穿磁电阻磁传感器组成惠斯通电桥。
第二方面，本申请提供了一种双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器的制备方法，所述方法包括：
在蓝宝石衬底上利用脉冲激光沉积、光刻工艺和离子减薄技术制备含有超导窄区的双超导环；
基于溅射工艺、光刻工艺和离子减薄技术在MgO衬底上制备隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；
分别在双超导环和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件表面沉积氮化硅绝缘材料，并对氮化硅表面利用机械抛光达到原子级别平整度；
将所述双超导环和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件利用键合技术粘结，形成双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器。
上述双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器及其制备方法，通过双超导环的超导窄区形成局域放大的磁场，在双超导环之间区域耦合叠加，形成磁场的次级增强，增加探测磁场的精度，同时通过对称结构设计可以消除超导环和磁传感器中不同因素引起的失配，提高了弱磁传感器的探测灵敏度。
附图说明
图1为一个实施例中双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器的俯视结构示意图；
图2为一个实施例中单超导环窄区和双超导窄区的磁场耦合分布主视图示意图；
图3为一个实施例中双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器的A-A剖视结构示意图；
图4为一个实施例中双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器中的隧道磁阻效应磁电阻传感器组件的放大结构俯视图；
图5为一个实施例中双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，图1示出了本发明一实施例中的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器的俯视结构示意图，本发明一实施例提供了的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，包括：双超导环1、超导窄区2和TMR(tunnel magnetoresistance effect，隧道磁阻效应)磁电阻传感器组件3；
其中，双超导环1基于两个结构相同的超导环构成，且每个超导环相同位置设有单个超导窄区2；超导环在每个超导窄区2的一侧对应放置有两个隧道磁阻效应磁电阻传感器组件3；其中，双超导环1和布置的隧道磁阻效应磁电阻传感器组件3的尺寸相同且对称分布。
本实施例中，垂直于环面磁场中的超导环是复连通超导体，遵守全磁通守恒，其冻结磁通是量子化的，环上有无阻持久电流以维持冻结磁通不变，可作为磁能储存和永久类磁体使用等。图1中xy表示双超导环面内的方向。超导窄区2可以是如图1所示的双超导环1的中间位置的区域，该区域的大小小于双超导环1中其他位置的大小，因此被称为窄区。目前磁传感器包括多种效应的磁传感器，包括：AMR(Anisotropic MagnetoresistiveSensor，各向异性磁阻效应)磁传感器、GMR(Giant Magneto Resistance，巨磁阻效应)磁传感器和TMR(tunnel magnetoresistance effect，隧道磁阻效应)磁传感器等。其中，各向异性磁阻效应磁传感器可以是目前应用比较广泛的磁阻传感器，已经大规模生产。各向异性磁阻效应磁传感器具有可靠性好、抗干扰能力强、尺寸小便于安装等优点。但是各向异性磁阻效应磁传感器检测磁场动态较窄且精度不高。巨磁阻效应磁传感器对比各向异性磁阻效应磁传感器拥有更高灵敏度和更广的测量范围。但是由于巨磁阻效应磁传感器的价格偏高、尺寸较大等缺点，尚没有大范围的推广使用。隧道磁阻效应磁传感器是第四代磁传感器应用技术。隧道磁阻效应磁传感器具有精度高、灵敏度高、功耗低、尺寸小、温度稳定性好、工作温度范围宽等优点。并且，磁阻式元件与HALL元件相比，具有体积小，灵敏度高等优点，并且具有更好的磁场稳定性。各向异性磁阻效应元件的灵敏度比HALL元件的灵敏度高很多，但是各向异性磁阻效应元件的工作范围很窄，并且各向异性磁阻效应元件本身带有巴克豪森噪声，外加磁场很强的时候，各向异性磁阻效应元件会因为磁场强度过强而出现输出反向的问题。各向异性磁阻效应元件的磁场灵敏度比HALL元件高出了很多，但是其分辨率和线性度较低，体积比较大，制作工艺相对来说比较复杂，并且各向异性磁阻效应元件存在层间耦合效应，应用受到了很大限制。隧道磁阻效应元件的磁场灵敏度是四种元件中最高的，并且工作范围广、分辨率高、功耗低、体积小，可以制成各种高灵敏度的磁传感器。因此上述TMR磁电阻传感器组件3可以是一种TMR线性磁电阻传感器组件，通过改变外部磁场能够引起隧道磁阻效应传感器的电阻变化。
其中，隧道磁阻效应效应就是一种关于自旋极化运输过程的现象。隧道磁阻效应效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应，隧道磁阻效应磁传感器的结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，而通常两铁磁层的矫顽力不同。因此反向磁化时,矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。
电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。若两层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小。因此，隧穿电导随着两铁磁层磁化方向的改变而变化，磁化矢量平行时的电导高于反平行时的电导。通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，导致隧道磁阻效应的出现。当磁体在隧道磁阻效应传感器上旋转时，自由层的磁化方向跟随磁体的磁场方向，元件的电阻不断变化。由于电阻值与钉扎层和自由层的磁化方向之间的相对角度成正比，因此隧道磁阻效应元件可以用作角度传感器。因为隧道磁阻效应传感器的电阻值与钉扎层和自由层的磁化方向之间的相对角度成正比，所以它可以进行360°角度检测。另外隧道磁阻效应传感器的输出是霍尔元件的500倍，而且功耗低，非常适合用作汽车应用的传感器。例如，它们可以替代使用霍尔元件的传统角度传感器，如汽车转向角度传感器或EPS(电动助力转向)电机角度传感器。同时隧道磁阻效应传感器的低温漂性非常适合汽车以及各类工业设备。
其中，上述双超导环1可以基于两个结构相同的超导环构成，并且每个超导环相同位置设置有单个超导窄区，利用双超导环1中的超导窄区2工作于超导态时的迈斯纳效应，迈斯纳效应是超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象。在有磁场的情况下，样品被冷却至它们的超导相变温度以下。在相变温度以下时，样品几乎抵消掉所有里面的磁场。因为超导体的磁通量守恒，当里面的场减少时，外面的场就会增加。这实验最早证明超导体不只是完美的导电体，并为超导态提供一个独特的定义性质。具体地，当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流在超导体内部形成的磁场，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。这两个磁场抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B＝0，即超导体排斥体内的磁场。即超导态材料会对磁场产生排斥现象，使得周围磁力线需要绕过超导材料，导致超导材料附近的磁通量密度增大效应，将超导窄区周围磁场强度聚集放大，其原理为当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。并且，每个超导环在每个超导窄区的一侧可以放置有两个TMR磁传感器组件3，并且双超导环和不知的TMR磁传感器组件3的尺寸相同且对称分布，双超导环结构能进一步将局部放大磁场耦合叠加。其中，每个超导环都能提高周围的磁通量密度，而两个超导环周围区域叠加，可以实现更高倍数的磁场放大，同时也可以消除磁阻传感器和超导环中的失配，从而较大幅度提高磁电阻传感器的探测精度。
上述双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，通过双超导环的超导窄区形成局域放大的磁场，在双超导环之间区域耦合叠加，形成磁场的次级增强，增加探测磁场的精度，同时通过对称结构设计可以消除超导环和磁传感器中不同因素引起的失配，提高了弱磁传感器的探测灵敏度。
在一个实施例中，上述双超导环1为基于高温超导薄膜制备得到的方形环状薄膜。即双超导环1中包含的超导环为一种超导薄膜，超导薄膜为一种高温超导材料薄膜。并且，在一些实施例中，上述高温超导材料薄膜高温超导薄膜为制备在蓝宝石衬底上的钇钡铜氧薄膜，其化学式为Y2Ba2Cu2O7，且上述高温超导薄膜的厚度可以是100～500nm。
其中，超导薄膜可以是利用蒸发、喷涂等方法淀积的厚度小于1微米的超导材料。超导薄膜除几何尺寸与块状超导体不同外，其结构和超导性质也有较大差别。对于块状超导体，磁场穿透层很薄，可以忽略不计，具有完全的抗磁性。但是超导薄膜的磁场穿透层与薄膜相比，就不能忽略不计。此外，当超导薄膜厚度很小时，例如小于10纳米，它的超导临界转变温度将下降。已实用的超导薄膜分为低温和高温两类。低温超导薄膜是制造电子器件的主要薄膜材料。高温超导薄膜在液氮温度下工作，已研究并有实用价值的有钇系薄膜、铋系薄膜和铊系薄膜。铊系氧化物是超导临界温度最高的超导体，达125K。高温超导薄膜的质量和性能均已达到相当高的水准，利用高温超导薄膜制成的超导量子干涉器和微波器件等，其性能均达到实用要求。上述双超导环1采用高温超导薄膜制备，上述高温超导薄膜的制备可以采用射频溅射技术，从而可以实现大批量化制备。并且，上述双超导环1和超导窄区2为对同一超导薄膜进行离子减薄或等离子体刻蚀结合光刻工艺得到，使得加工简单方便。需要说明的是，还可以使用其他工艺图形化实现上述双超导环1和超导窄区2。
在一个实施例中，隧道磁阻效应磁电阻传感器组件为基于隧穿磁阻技术的磁场传感器元件，其敏感轴方向为所述磁场传感器元件的面内短轴方向。
本实施例中，上述TMR磁电阻传感器组件可以基于隧穿磁阻技术的磁场传感器元件，例如磁隧道结元件或TMR元件，该器件可以制备在MgO衬底上，并且其敏感轴方向为上述磁场传感器元件的面内短轴方向。
在一个实施例中，上述高温超导薄膜表面可以沉积有氮化铝绝缘层，并且表面可以对高温超导薄膜进行抛光光滑处理。其中，氮化铝膜是指用气相沉积、液相沉积、表面转化或其它表面技术制备的氮化铝覆盖层。氮化铝(AIN)是AI-N二元系中唯一稳定的相，它具有共价键、六方纤锌矿结构，在常压下不能熔化，而是在2500K分解它的直接能带间隙高达6.2eV，也可以通过掺杂成为宽带隙半导体材料。
在一个实施例中，上述双超导环1之间的间距可以小于5um，上述超导窄区2的宽度小于5um。
本实施例中，参照图2，如图2所示，图2为一个实施例中单超导环窄区和双超导窄区的磁场耦合分布主视图示意图。双超导环1之间的区域构成了公有的环外区域，在此区域中的磁场分别受到超导窄区2的影响，并且宽度越窄，其磁场耦合叠加效果越明显。因此，上述双超导窄区2的间距设计应该尽量窄，以获得更高的测量灵敏度。其中，最窄宽度受工艺条件限制，本实施例中双超导环1之间的间距可以小于5um，双超导窄区间距宽度可以是小于5um。
具体地，图2中左、右分别为单超导环窄区和双超导窄区2的磁场耦合分布主视图示意图，外加磁场方向为垂直于双超导环平面的z方向，箭头为磁力线的方向。通过对双超导窄区2的电流磁场转换放大器仿真计算可以得知，放大磁场随间距的减小而迅速增加，当双超导窄区2的间距为5um情况下，放大磁场倍数可以达到800倍，具体磁场分布情况可以如图2右所示，其中，外加磁场方向为z轴，且垂直于双超导环1平面。图2左为单超导环结构，按照上述间距进行双超导窄区2的设置，可以比如图2左所示的单超导环结构的理论磁场放大倍数更高。
在一个实施例中，双超导环1和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件3为双层结构，双层结构为磁控溅射或射频溅射逐层生长或粘胶键合制备而成；隧道磁阻效应磁电阻传感器组件3位于超导窄区2的正上方，且隧道磁阻效应磁电阻传感器组件3和超导窄区2之间采用氮化铝绝缘层分隔。
本实施例中，参照图3，如图3所示，图3为一个实施例中双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器的A-A剖视结构示意图。上述双超导环1和TMR磁电阻传感器组件3可以是双层结构，并且上述TMR磁电阻传感器组件3位于超导窄区2的同一侧，即所有窄区对应的TMR磁电阻传感器组件3布置于超导环的同一侧，例如TMR磁电阻传感器组件3可以位于超导窄区2的正上方。
上述双超导环1与TMR磁电阻传感器组件3的双层结构可以通过磁控溅射或射频溅射逐层生长，还可以由粘胶键合制备得到。例如，上述双层结构可以通过磁控溅射或射频溅射多层膜生长工艺集成，还可以通过两层结构生长后由粘胶键合制备而成。另外，上述TMR磁电阻传感器组件3和超导窄区2之间还可以采用氮化铝绝缘层进行分隔。通过将上述TMR磁电阻传感器组件3放置在超导窄区2的正上方，TMR磁电阻传感器组件3通过与超导窄区2的磁场耦合来实现对超导窄区2形成的放大后的磁信号检测。
具体地，如图3所示，双超导环1和TMR磁电阻传感器组件3为双层结构，TMR磁电阻传感器组件3位于超导窄区2的正上方，且TMR磁电阻传感器组件3和超导窄区2之间采用氮化铝绝缘层进行分隔。通过磁控或射频溅射工艺自下逐层生长，或者将氮化铝绝缘层分别沉积在双超导环1和TMR磁电阻传感器组件3表面，通过机械抛光实现原子级别平整度，再通过键合工艺将两者粘结在一起，实现双超导环1与TMR磁电阻传感器组件3的双层结构。其中键合间隙可以小于1um。
在一个实施例中，参照图4，结合图4所示，图4为一个实施例中双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器中的隧道磁阻效应磁电阻传感器组件的放大结构俯视图。隧道磁阻效应磁电阻传感器组件3包括四个轭形隧穿磁电阻磁传感器，且四个隧穿磁电阻磁传感器组成惠斯通电桥。
本实施例中，上述TMR磁电阻传感器可以是轭型结构，具体可以如图1和图4所述，上述TMR磁电阻传感器组件3可以包括四个轭型隧穿磁电阻传感器，并且四个隧穿磁电阻传感器可以组成惠斯通电桥。其中，惠斯通电桥是一种由4个电阻组成用来测量其中一个电阻阻值(其余3个电阻阻值已知)的装置。4个电阻组成一个方形。一电流表连接两个相对的接头，一电流表连接其余两个相对的接头。当电流表显示无电流通过，则此电桥处于平衡状态，即R1·R2＝R3·R4。具体地，为提高磁场探测灵敏度以及消除测试过程中的失配，可以将上述四个TMR磁电阻传感器组成惠斯通电桥结构；另外，为超导电流引入结构，四个TMR磁电阻传感器分别分布在双超导环1的窄区的同一侧。
通过上述结构，可以消除超导环和TMR磁电阻传感器内产生噪音、温漂等导致的失配，从而实现对微弱电流的高精度、高灵敏检测。结构和制备简单，体积小且攻击集成难度小，提高了检测灵敏度。
在一个实施例中，参照图5，如图5所示，提供一种双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器的制备方法，方法包括：
步骤S202，在蓝宝石衬底上利用脉冲激光沉积、光刻工艺和离子减薄技术制备含有超导窄区的双超导环；
步骤S204，基于溅射工艺、光刻工艺和离子减薄技术在MgO衬底上制备隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；
步骤S206，分别在双超导环和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件表面沉积氮化硅绝缘材料，并对氮化硅表面利用机械抛光达到原子级别平整度；
步骤S208，将双超导环和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件利用键合技术粘结，形成双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器。
本实施例中，制造设备可以在蓝宝石衬底中通过脉冲激光沉积、光刻工艺和离子减薄技术，制备含有超导窄区2的双超导环1。上述TMR磁电阻传感器组件3可以是MgO基磁性隧道结，可以采用脉冲激光沉积进行薄膜生长。即制造设备可以基于溅射工艺、光刻工艺和离子减薄技术，在MgO衬底上制备TMR磁电阻传感器组件3。并且制造设备还可以分别在双超导环1和TMR磁电阻传感器组件3表面沉积氮化硅绝缘材料，通过对氮化硅表面利用机械抛光达到原子级别的平整度，最后将双超导环1和TMR磁电阻传感器组件3利用键合技术粘结在一起，形成双超导环1和TMR复合磁传感器。
通过上述实施例，制造设备通过双超导环的窄区形成局域放大的磁场在双超导环之间区域耦合叠加，形成磁场的二级增强，进一步增加探测磁场的精度，同时也可以消除超导环和磁传感器中噪声和温漂等因素引起的失配，可显著提高弱磁传感器的探测能力，提高探测灵敏度，可以适用于fT等弱磁级别的磁传感应用场景。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，包括：双超导环、超导窄区和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；
所述双超导环基于两个结构相同的超导环构成，且每个超导环相同位置设有单个超导窄区；
所述超导环在每个超导窄区的一侧对应放置有两个隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；
其中，所述双超导环和布置的隧道磁阻效应磁电阻传感器组件的尺寸相同且对称分布。
2.根据权利要求1所述的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，所述双超导环为基于高温超导薄膜制备得到的方形环状薄膜。
3.根据权利要求1所述的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，所述隧道磁阻效应磁电阻传感器组件为基于隧穿磁阻技术的磁场传感器元件，其敏感轴方向为所述磁场传感器元件的面内短轴方向。
4.根据权利要求2所述的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，所述高温超导薄膜为制备在蓝宝石衬底上的钇钡铜氧薄膜，且厚度为100～500nm。
5.根据权利要求2所述的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，氮化铝绝缘层沉积在高温超导薄膜表面，表面抛光光滑处理。
6.根据权利要求1所述的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，所述双超导环之间的间距小于5um，所述超导窄区宽度小于5um。
7.根据权利要求2所述的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，所述双超导环和超导窄区为同一超导薄膜通过离子减薄或等离子体刻实现。
8.根据权利要求1所述的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，所述双超导环和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件为双层结构，所述双层结构为磁控溅射或射频溅射逐层生长或粘胶键合制备而成；
所述隧道磁阻效应磁电阻传感器组件位于超导窄区的正上方，且隧道磁阻效应磁电阻传感器组件和超导窄区之间采用氮化铝绝缘层分隔。
9.根据权利要求1所述的双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器，其特征在于，所述隧道磁阻效应磁电阻传感器组件包括四个轭形隧穿磁电阻磁传感器，且四个隧穿磁电阻磁传感器组成惠斯通电桥。
10.一种双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在蓝宝石衬底上利用脉冲激光沉积、光刻工艺和离子减薄技术制备含有超导窄区的双超导环；
基于溅射工艺、光刻工艺和离子减薄技术在MgO衬底上制备隧道磁阻效应磁电阻传感器组件；
分别在双超导环和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件表面沉积氮化硅绝缘材料，并对氮化硅表面利用机械抛光达到原子级别平整度；
将所述双超导环和隧道磁阻效应磁电阻传感器组件利用键合技术粘结，形成双超导环和隧道磁阻效应复合磁传感器。
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|---|---|---|---|---|
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| CN114137279A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-04 | 中国人民解放军国防科技大学 | 超导/tmr复合的微弱电流检测方法、传感器及其制备方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101286544A (zh) * | 2007-04-10 | 2008-10-15 | 中国科学院物理研究所 | 一种用于超导器件的超导多层膜及其制备方法 |
| CN107229021A (zh) * | 2017-05-22 | 2017-10-03 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 三维磁场测量组件及制备方法 |
| CN111624526A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-04 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计 |
| CN112670401A (zh) * | 2020-12-21 | 2021-04-16 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 约瑟夫森结及其超导器件与制备方法 |
| CN114137279A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-04 | 中国人民解放军国防科技大学 | 超导/tmr复合的微弱电流检测方法、传感器及其制备方法 |
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