在這個結構中，GMR傳感器是NiFe
層耦合CoFe層，硬磁層由反鐵磁性層（如IrMn，MnPt）耦合鐵磁性層（CoFe）。整個層結構的電阻隨兩個層的磁化軸之間的角度變化，工業條件下制作的150
mm的晶片上可以得到6%/mT—8%/mT
的電阻變化，微米尺寸的MR傳感器可以得到5%/mT的電阻變化。在原型機里，得到電阻的變化為2.13%/mT。
這個結構中的主要噪聲包括熱噪聲和1/f 噪聲。室溫下的熱噪聲NT可以由下式給出：
NT = 2[（kBTR ）1/2] ， （1）式中kB是玻爾茲曼常數，值為1.3806505 ×10-23，T 是溫度，R 是電阻值，當噪聲為350 pT/ √Hz時，這個微橋結構的電流為1 mA。在4.2 K 時，這個微橋的靈敏度為40 pT/√ Hz 。測量電阻時，信號正比于感應電流，因此，該結構的靈敏度可以通過通入大電流的方式相應提高，但是要注意大電流所帶來的熱效應。
在低頻時，噪聲主要由1/f 噪聲決定，它使這一傳感器的探測能力降低到幾百fT/ √Hz 。表1 給出了在4 K和77 K溫度環境中的熱噪聲值。
和SQUID一樣，復合傳感器對較大范圍的頻率信號都具有平坦的頻率響應，因此有希望應用于共振信號的探測。在低磁場中，相應的低共振頻率下，標準調諧線圈有很低的靈敏度，因而平坦的頻率響應變得更敏感。該課題組還制作了一套核磁共振裝置，其偏振磁場只有幾mT，信號檢測使用了在液氮中冷卻的復合傳感器。圖6展示了水樣品在一個自旋回波序列期間的相位和核磁共振信號積分的檢測結果（頻率320 kHz，8 mT）。
此外，該課題組還于2012 年提出利用GMR/超導復合結構陣列實現多通道腦磁成像（圖7），并進行了平面梯度配置和測試，這種模式可以有效地降低環境中50 Hz 的噪聲信號，并用心磁信號模擬腦磁信號進行了測試。實驗證實，該傳感器在測量的實時性方面有顯著的優勢，但將其真正用于腦磁測量，還需進一步提高傳感器的靈敏度。
4、GMI/超導復合磁傳感器的原理、應用與發展
自從1992 年日本名古屋大學的K.Mohri 等人首次在CoFeSiB 軟磁非晶絲中發現巨磁阻抗效應，人們在非晶帶、納晶帶、薄膜、三明治/多層膜中相繼發現GMI效應，這為GMI效應在傳感器中的實際應用提供了更多的材料選擇。
4.1 GMI/超導復合磁傳感器的原理
GMI 即巨磁阻抗效應，是1992 年日本科學家K. Mohri 在CoFeSiB 軟磁非晶絲中通入交變激勵電流，其阻抗值隨沿著縱向施加的外磁場變化而發生顯著變化的現象。GMI傳感器的發現為研制一種新型高靈敏度傳感器提供了可能。在巨磁阻抗效應發現之初，其研究主要集中于非晶絲，但是非晶絲相對較脆，容易斷裂，這就給絲傳感器的制備和使用帶來難度。而非晶帶和薄膜在制備和使用上相對簡單，并且薄膜結構更易于實現小型化。對于薄膜來說，單層膜的GMI效應比較小，主要是因為單層膜的趨膚效應比較小。為了提高GMI效應，Panina 又提出一種三明治結構（F/M/F），F為鐵磁材料層（通常為CoSiB，CoFeSiB，FeSiCuNb 等），M 表示導體材料層（通常為Cu，Ag，Au）。由于中間導體層M 的存在，三明治結構的電阻率比較低，只要鐵磁層F 的電感發生較大的變化，即可獲得較大的巨磁阻抗效應。MoriKawa等人制作的三明治膜CoSiB/Ag/CoSiB 的阻抗變化率可以達到440 %，靈敏度達到49 %/Oe，偏置磁場強度為9 Oe，激勵頻率為10 MHz，其三明治結構如圖8（a）所示。為了進一步增強GMI效應，Morikawa等人又做了帶有絕緣層的多層膜結構（CoSiB/SiO2/Ag/SiO2/CoSiB），其結構示意圖如圖8（b）所示。其阻抗變化率可以達到700%，靈敏度達到300 %/Oe，這種增強效應的原理被解釋為絕緣層SiO2的存在導致激勵電流從導體層M流過而不從鐵磁層F流過導致。
通常GMI磁傳感器是基于測量阻抗幅值的變化制作的，而近期巴西科學家Silva 等人利用測量GMI器件的相位隨磁場的變化也可以制作更高精度的磁傳感器。這種磁傳感器測量的是阻抗相位隨弱磁場變化的特性，有望將GMI磁傳感器的靈敏度提高10 倍，并且非常適合于制作小型化傳感器。經過理論仿真，這種傳感器的靈敏度可以達到887.91 V/Oe。本課題組對GMI 磁傳感器也做了相關研究，并研究了激勵源頻率、激勵電流幅值、直流偏置等對磁傳感器靈敏度的影響，結果表明，基于相位的GMI磁傳感器減小了激勵電流頻率到120 kHz 左右，增加了傳感器的靈敏度，在微弱磁場測量方面具有顯著優勢。
4.2 GMI/超導復合磁傳感器的原理
GMR/超導復合磁傳感器的精度已經到達30 fT量級，但是進一步提高精度就需要將外磁場進一步放大，理論計算需放大到4000 倍以上，需要的超導樣品直徑需達到2.5 cm。這樣增大了系統體積和耦合難度，而理論分析表明，GMI元件的探測精度比GMR傳感器高幾個數量級，并且GMI元件的多層膜制作也比GMR 膜簡單，一般是3層，最多5 層。而GMR元件的多層膜結構則多達10 余層，制作要求也較高。基于上述情況，采用高靈敏GMI 多層膜元件代替GMR 元件的傳感器，既可以兼顧小型化和制作上的可行性，又可以達到超高精度。這種思路由本課題組首先提出并獲得國家自然科學基金資助。
本課題組提出了一種GMI/超導復合高精度磁傳感器，理論上可以測量fT 量級以上的微弱磁場，這已經達到了高溫超導SQUID 的測量精度。其原理如圖9 所示，該結構包含一個GMI薄膜磁傳感器和一個含有微橋結構的超導環。
超導環具有磁場放大作用，當施加外磁場時，微橋附近磁場直接數倍于外界探測磁場，而GMI 敏感器件的阻抗會隨外界磁場的變化而變化，將磁信號轉化成電信號，從而利用磁敏感器件探測出微橋磁場，就可以推算出外界磁場實現磁場的測量。
在前期工作中，本課題組利用雙離子束沉積薄膜技術（dual-ion beam sputtering deposition films technology，DIBSD）制備CoSiB薄膜，探究不同參數下GMI薄膜的阻抗變化比，單層膜的最大變化可以達到15.8 %/Oe。同時嘗試利用化學溶液腐蝕法和離子束刻蝕法，加工具備微橋結構的高溫超導超導環，并取得一定的成果。利用交流磁化率方法和電輸運方法，搭建了兩種高溫超導轉變溫度測量裝置，對超導環是否進入超導態進行了測試。搭建高溫超導臨界電流密度三次諧波無損測量裝置，對超導環的性能進行測試。并初步搭建出GMI傳感器的原理樣機，通過電路設計提高傳感器的靈敏度，目前可以達到219 mV/Oe。
5、結束語
目前，SQUID 磁傳感器仍然是所有磁傳感器技術中靈敏度最高的設備。然而，盡管在技術上仍然有所進步，在過去的幾十年中，基于SQUID技術的商業應用仍然有限。SQUID系統的高價格是首要的限制因素。隨著高溫超導薄膜技術的發展， 為SQUID 技術的廣泛應用提供了條件。GMR磁傳感器和GMI 磁傳感器的發展，特別是多層膜結構薄膜技術的發展，為磁傳感器的微型化提供了可能，而GMR/超導復合結構和GMI/超導復合結構的提出，則提供了一種超越或替代SQUID測量精度的方法，并且在微型化方面具備SQUID無法比擬的優勢，預期可以獲得較大的發展和應用。
