阅读说明：本技术 一种基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计 (High-precision composite magnetic gradiometer based on superconductivity and tunneling magnetoresistance ) 是由 李裴森 胡佳飞 潘孟春 杨澜 张琦 彭俊平 邱伟成 冀敏慧 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计,自下而上依次包括超导闭合环路层,绝缘层和隧穿磁电阻器件层,所述超导闭合环路层包括两个位于同一平面内且呈镜面对称设置的超导环,所述超导环包括窄区、宽区和用于连接窄区和宽区的连接部,两超导环的窄区靠近设置,所述隧穿磁电阻器件层位于两超导环窄区的上方,本发明具有结构简单,能对磁场梯度进行超高灵敏测试的优点。(The invention discloses a high-precision composite magnetic gradiometer based on superconductivity and tunneling magnetoresistance, which sequentially comprises a superconductivity closed loop layer, an insulating layer and a tunneling magnetoresistance device layer from bottom to top, wherein the superconductivity closed loop layer comprises two superconductivity rings which are positioned in the same plane and are arranged in mirror symmetry, each superconductivity ring comprises a narrow region, a wide region and a connecting part for connecting the narrow region and the wide region, the narrow regions of the two superconductivity rings are arranged close to each other, and the tunneling magnetoresistance device layer is positioned above the narrow regions of the two superconductivity rings.)

一种基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计

技术领域

本发明涉及磁传感器领域，尤其涉及一种基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计。

背景技术

弱磁探测在科学研究、国防军工、工业生产等领域具有重要的作用和广泛的应用前景。由于地磁场等背景信号的存在，弱磁探测存在很大挑战。传统采用磁屏蔽技术可以对背景信号进行一定的抑制，但造价高、加工难、体积大。磁梯度计不需要进行磁屏蔽也能获得有效的微弱磁信号，为开拓微弱磁信号的研究和应用提供了重要的途径。例如用于测定生物磁信号时，磁梯度计可以更贴近病人，提高了测量的精确度。

目前，微弱信号梯度的探测主要是基于超导量子干涉器件与磁场梯度线圈构成的平面磁场梯度计，其中需要制备两个相同的线圈对称的放入超导回路中，而且还要考虑超导量子干涉器件与磁场梯度线圈的电感匹配问题，器件制备难度大，工艺复杂；另外超导量子干涉器件本身就是一个超导环，在外磁场梯度为零时器件存在非零响应，无法输出理想的梯度信号；而且器件整体系统也存在体积大、集成度低的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，能对磁场梯度进行超高灵敏测试的基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计，自下而上依次包括超导闭合环路层，绝缘层和隧穿磁电阻器件层，所述超导闭合环路层包括两个位于同一平面内且呈镜面对称设置的超导环，所述超导环包括窄区、宽区和用于连接窄区和宽区的连接部，两超导环的窄区靠近设置，所述隧穿磁电阻器件层位于两超导环窄区的上方。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述两超导环窄区之间的间距为D，0＜D≤5μm。

磁场梯度为dH/dx，dH/dx=A（H₁-H₂）/x，A为隧穿磁电阻器件层的区域放大倍数，H₁为其中一超导环中的垂直穿入磁场，H₂为另一超导环中的垂直穿入磁场，x为两宽区内的待检测点之间的距离。

所述两宽区内的待检测点为两宽区的中心点。

所述超导环采用钇钡铜氧（YBCO）高温超导材料制备而成。

所述超导环的厚度s1为200-600nm。

所述超导环的宽区的线宽为d1，外径为d2，d1/d2=0.2-0.3。

所述隧穿磁电阻器件层采用MgO基磁性隧道结制备而成。

所述绝缘层采用二氧化硅制备而成。

所述绝缘层的厚度s2为100nm-300nm。

本发明的工作原理是：

本发明通过采用两个镜面对称的超导环为超导磁通转换器，对磁场进行差分和放大，同时利用隧穿磁电阻器件层对磁场梯度进行高灵敏测试。由于超导环的超导体迈斯纳效应，在超导转变温度以下，当有外磁场垂直穿过超导环路时，在超导环路中产生屏蔽电流抵消外磁场大小，流经超导体的电流在材料内部并非均匀分布，而是沿着法线方向向内部随宽度迅速衰减。超导环包括窄区、宽区和用于连接窄区和宽区的连接部，在超导环窄区，受其宽度限制，不仅电流密度迅速增大，电流分布也随宽度发生变化，从而在窄区获得一定放大的磁场强度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计，超导环是包含窄区（一段宽度狭窄区域）和宽区的闭合环路，当磁场垂直穿过超导环时，超导环中产生屏蔽电流，屏蔽电流通过窄区时，窄区中的电流密度变大，窄区周围磁场强度增大，从而实现磁场聚集放大，以此对磁场梯度进行超高灵敏测试。相比于超导量子干涉平面磁梯度计，本发明的结构和制备更为简单，体积小，成本低，性能稳定且工艺集成难度小，没有非零响应，可以实现无磁屏蔽环境下对微弱磁场的超高精度探测。

附图说明

图1为本发明基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计的俯视图。

图2为本发明基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计的侧视图。

图3为图2中A处的局部放大图。

图4为对当前参数单个超导环仿真计算得到的绝缘层上方磁场放大倍数随距窄区水平距离的变化曲线。

图中各标号表示：1、超导闭合环路层；11、超导环；111、窄区；112、宽区；113、连接部；2、绝缘层；3、隧穿磁电阻器件层。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

实施例1：

如图1和2所示，本实施例的基于超导和隧穿磁电阻的高精度复合磁梯度计，自下而上依次包括超导闭合环路层1，绝缘层2和隧穿磁电阻器件层3，超导闭合环路层1包括两个位于同一平面内且呈镜面对称设置的超导环11，超导环11包括窄区111、宽区112和用于连接窄区111和宽区112的连接部113，两超导环11的窄区111靠近设置，隧穿磁电阻器件层3位于两超导环11窄区111的上方。

本实施例中，超导环11是包括窄区111、宽区11和连接部113的闭合环路，宽区112呈C型，两个超导环11的环路形状及尺寸相同。

两超导环11窄区111之间的间距为D，0＜D≤5μm。在窄区111的中间位置可以实现对磁场进行差分和放大，两个窄区111之间间距D尽量小以使得磁梯度计灵敏度尽量高。

磁场梯度为dH/dx，dH/dx=A（H₁-H₂）/x，A为隧穿磁电阻器件层3的区域放大倍数，H₁为其中一超导环11中的垂直穿入磁场，H₂为另一超导环11中的垂直穿入磁场，x为两宽区112内的待检测点之间的距离。

本实施例中，两宽区112内的待检测点为两宽区112的中心点。

本实施例中，两个超导环11通过对超导薄膜进行离子束刻蚀获得。超导薄膜采用350nm厚度的钇钡铜氧（YBCO）等高温超导材料薄膜。

超导环11采用钇钡铜氧高温超导材料制备而成。

超导环11的厚度s1为200-600nm。本实施例中，s1=350nm。

超导环11的宽区112的线宽为d1，外径为d2，d1/d2=0.2-0.3。本实施例中，d1=0.25cm，d2=1cm, 窄区111的线宽为5μm。

隧穿磁电阻器件层3采用MgO基磁性隧道结制备而成。隧穿磁电阻器件层3采用倒装焊方式或直接生长方式置于两个超导环11窄区111正中间的正上方，敏感方向平行于两个超导环11的连线方向（如图1中箭头A所示）。

绝缘层2采用二氧化硅层制备而成。

绝缘层2的厚度s2为100nm。

磁场梯度为dH/dx，dH/dx=A（H₁-H₂）/x，A为隧穿磁电阻器件层的区域放大倍数，H₁为其中一超导环11中的垂直穿入磁场，H₂为另一超导环11中的垂直穿入磁场，x为两宽区112内待检测点之间的距离。如图4所示，对当前参数单个超导环11仿真计算得知绝缘层2上方磁场放大倍数随距窄区111之间间距D的增大而迅速减小，当距离趋近于0时，磁场放大倍数可达到530倍，所以当两个窄区111之间间距趋近于0时，磁梯度计灵敏度可以提升530倍。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。