[发明专利]多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器及其仿真方法

说明书

本发明公开了一种多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器及其仿真方法，本发明多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器通过多个窄区可具有多种量程以及多种灵敏度，可适用于多种弱磁传感应用场景，可减少弱磁传感器的体积、有效提升弱磁传感器的小型化。本发明多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器及其仿真方法采用超导E‑J幂次定律进行有限元仿真，可实现对包含多个窄区的超导/TMR复合磁传感器的仿真，可用于前述多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器的设计以及验证。

技术领域

本发明涉及超导/TMR复合磁传感器技术，具体涉及一种多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器及其仿真方法。

背景技术

弱磁传感技术在生物医学、资源勘测、军事工程和空间探测等领域具有重要作用，而且在很大程度上体现了国家磁探测技术的发展水平。随着科学技术不断进步，海洋磁测、地质勘探、脑磁测量等新技术对弱磁传感器提出了小型化需求。由于磁电阻传感器具有小型化和高灵敏等优异性能，近年来，利用磁电阻传感器与超导磁通转换放大器相结合，研究者们成功研制了一种新型的超导/TMR复合磁传感器，其探测精度可达到fT量级，且具有体积小、结构简单、性能稳定等优势，在弱磁探测领域展现出巨大的应用潜力。

超导/TMR复合磁传感器由磁电阻传感器和超导磁通转换放大器组成，超导磁场放大器是一个基于超导薄膜制备的闭合环路，其中有一段宽度狭窄区域(简称“窄区”)，磁电阻传感器经绝缘层分隔位于窄区下方。在超导转变温度以下，当外磁场H₀垂直穿过超导结构时，超导环路产生屏蔽电流I，受宽度所限，屏蔽电流密度在窄区急剧增大，窄区周围的磁场H_s也随之急剧增大，并由磁电阻传感器检测。因此，超导环路窄区的磁场将被显著放大，磁电阻/超导复合磁传感器的探测精度可获得大幅提升。

但是，现有超导/TMR复合磁传感器存在下述问题：1、现有超导/TMR复合磁传感器为单个窄区的结构，单个超导/TMR复合磁传感器的量程受超导磁通转换放大器结构限制，难以实现较宽线性范围内的高灵敏磁传感性能，只能实现单一的量程和灵敏度。2、针对超导/TMR复合磁传感器的仿真，M Pannetier等的《Ultra-sensitive mixed sensors-Designand performance》(Sensors and Actuators A:Physical Volume 129,Issues 1–2,24May 2006,Pages247-250)公开了利用超导的完全抗磁性，即超导环屏蔽电流产生的磁场抵消了外磁场，可以估算出屏蔽电流大小I＝B₀S/L，其中，B₀为垂直外磁场，S为超导环等效面积，L为超导环电感，但是S和L均为估算。伍岳等的《High Tc Superconducting-TMR MixedSensor:Fabrication and Performance》(IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity(Volume:29,Issue:1,Jan.2019))记载了用超导矩形条带的迈斯纳-伦敦公式计算了超导体的电流密度和磁场分布，然而这种方法也只是估算了电流密度，且不能计算三维空间磁场分布。同时上述两个方法都只适用于单个环路的结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器，通过多个窄区可具有多种量程以及多种灵敏度，可适用于多种弱磁传感应用场景，可减少弱磁传感器的体积、有效提升弱磁传感器的小型化；此外，本发明还提供一种多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器及其仿真方法，本发明采用超导E-J幂次定律进行有限元仿真，可实现对包含多个窄区的超导/TMR复合磁传感器的仿真，可用于前述多量程多灵敏度的超导/TMR复合磁传感器的设计以及验证。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：