高温超导技术在电子压力开关定制中的应用

1、引言

超高精度磁传感器在生物磁丈量、地磁导航、天文观测、基础物理特性剖析等科研范畴具有广泛的使用远景和迫切需求。比方，在生物磁信号勘探范畴，典型的心脏磁场为 10-9—10-10T，脑磁场为10-11—10-12 T，现在能够满意检测pT（10-12 T）量级丈量精度的磁传感器有光泵磁传感器、勘探线圈磁传感器、磁通门传感器、超导量子干与器材（superconducting quantum interference device，SQUID）传感器等。其中广东压力传感器是现在勘探精度的磁传感器，能够到达10-14T（高温超导SQUID）和10-15 T（低温超导SQUID），但是因为电子压力开关定制规划制作和使用的复杂性，约束了其大规模使用。而勘探线圈磁传感器、磁通门传感器和光泵传感器难于小型化，因而也不适用于微电子的集成体系。只有巨磁阻传感器和巨磁阻抗传感器既能够满意高活络勘探的要求，又能够兼顾高性能和微型化，而且与微机电体系（micro electro-mechanical systems，MEMS）技能兼容，近年来受到更多重视。

而在近十几年间，跟着薄膜技能的开展，高温超导技能得到了极大的进步，将巨磁阻技能或巨磁阻抗技能结合高温超导薄膜结构，构成了一种新的磁传感器，这种磁传感器具有能够媲美SQUID 的丈量精度，而且在微型化方面具有SQUID无法具有的性，能够预见，这种技能的开展将会促进磁传感器范畴的开展。但是因为巨磁电阻（giant magnetoresistance，GMR）元件自身的复杂性，其高达10 余层的膜结构完成起来需要非常准确的参数操控和结构规划，难度较大。复合结构中超导环部分的尺寸直径到达2.5 cm 以上，这样超高温压力变送器会增大体系体积和耦合面积，然后添加引进的磁通。理论剖析方面，GMR元件忽略了资料的电感变化，因而勘探精度也没有巨磁阻抗（giant magneto impedance，GMI）器材高，归纳上述因素，GMI/超导复合结构能够兼顾小型化和制作上的方便性，而且能够到达更高的精度。

2、高温超导量子干与器材传感器原理、使用与开展

超导量子干与仪是基于超导约瑟夫森（Josephson）结效应制作的磁传感器，因为其的勘探精度，广泛用于生物磁丈量、无损探伤、军事探潜等范畴，是高温超导走向实用化的范畴之一。而高温超导技能的开展进步了SQUID的工作温度，另一方面，高温超导薄膜技能的开展也进步了SQUID 的活络度。本节将主要说明SQUID的丈量原理及高温SQUID近几年的开展，简略论述近期高温超导SQUID的使用。

SQUID实质是基于约瑟夫森结效应的一种将磁通转化为电压的磁通传感器，使用了超导约瑟夫森结效应和磁通量子化现象。如图1 所示，被一薄势垒层分开的两块超导体构成一个约瑟夫森地道结。当含有约瑟夫森地道结的超导体闭合环路被适当巨细的电流I 偏置后，会呈现一种宏观量子干与现象，即地道结两端的电压是随闭合环路环孔中的磁通量Φ变化的周期性函数，其周期为磁通量变化的最小单位（磁通量量子Φ0）。这种现象称为超导量子干与现象。

从发现约瑟夫森结效应以来，人们很快就使用这种效应制成了使用直流电流进行偏置的超导量子干与器材（DC-SQUID），这种器材实质上便是一种磁通检测器。随后，又发明晰使用约瑟夫森结和超导体连成闭合回路，再用射频电流进行偏置的超导量子干与器材（RF-SQUID），这种结构更简单制备，而且与室温电路的耦合问题更易于处理，其活络度也比其时的DC-SQUID高。1976年，J.Clarke 等人研制成功薄膜地道结DC-SQUID，其丈量原理如图2 所示，使用线圈之间的互感谐振，处理了与室温电路的耦合问题，其活络度比RF-SQUID要高一个数量级。