磁异目标探测具有无源、抗干扰强等优势,国内外越来越重视该技术在水下目标探测中的应用。三轴磁传感器是水下磁性目标探测的核心器件,传统的组装式三轴磁传感器存在正交性和三轴一致性差、灵敏度低等问题,限制了磁异探测优势的发挥。本文针对这些问题,在国家自然科学基金、武器装备探索等项目支持下,开展了高性能三轴磁传感器一体化设计和石墨烯基新型磁敏感体研究。主要工作和创新点如下:针对传统组装式三轴磁传感器存在的非正交等问题,提出了一种三轴一体化磁传感器新结构,设计了十字对称坡型差分磁聚集结构将空间磁场转换到磁敏感体所在的同一平面,在此基础上建立了空间三分量磁场解耦模型,实现了空间磁场平面化测量,从理论上为提高三轴磁传感器正交性、小型化提供了解决方案。针对三轴一体化磁传感器中现有磁敏感体灵敏度不够高的问题,提出了基于石墨烯的磁敏感体新方案,设计了镍/石墨烯/镍磁隧道结核心结构、控制磁隧道结磁翻转特性的铁磁薄膜形状、降低CVD石墨烯褶皱影响的纳米尺度结区、抑制石墨烯边沿旁路的绝缘层。基于第一性原理,从电子能带结构、界面自旋态密度以及自旋隧穿谱等角度系统研究了石墨烯磁隧道结的磁敏感机理,揭示了以界面杂化和自旋过滤效应为主导的石墨烯基磁隧道结高磁阻变化率内在成因和石墨烯层数、偏压、各向异性、非理想界面因素对磁电阻的调控以及影响规律,为高性能石墨烯磁敏感体的设计与制备提供了理论依据。针对石墨烯基磁性隧道结制备中存在的界面氧化、缺陷等问题,提出了以石墨烯双面铁磁薄膜沉积制备、铁磁薄膜旋转斜入射沉积、高精度硅基掩膜等为核心的纳米孔磁隧道结新工艺体系,建立了与工艺过程紧密结合的一整套表征方法,实现了铁磁/石墨烯界面高质量控制、磁隧道结纳米结区控制、石墨烯基铁磁纳米膜图形化控制,制备出了石墨烯基磁敏感体。研究了石墨烯磁隧道结的测试评估方法,构建了磁电阻四探针低噪声测试系统,对所制备的石墨烯基磁敏感体进行了测试分析,获得了与理论值相接近的磁电阻变化率,验证了理论分析的正确性、结构和工艺设计的合理性、制备方法的有效性。论文成果为高性能三轴一体化磁传感器研发提供了有力的支撑。