CN102944855A - 一种全集成sbc超导量子干涉器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超导量子干涉器件（SQUID，Superconducting QUantum Interference Device）技术领域。其特征在于将多环结构SQUID与电感线圈、电阻集成在一起构成全集成多环结构SBC SQUID，其中两个电感线圈分别与多环结构SQUID器件存在磁耦合，另一个电感作为器件的反馈线圈，两个电阻分别是器件的并联支路电阻和器件的加热电阻。本器件具有功能全面、易于调整参数等特点，而且因为器件结构均是由窄条薄膜构成，减小了磁通蠕动效应的影响，提高了器件对工作环境的适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁探测传感器，更确切地说本发明涉及一种全集成SBC超导量子干涉器件。属于超导量子干涉器件（SQUID）技术领域。
背景技术
超导量子干涉器件（SQUID）是以磁通量子化和约瑟夫森效应为理论基础，由超导约瑟夫森结和超导环组成的超导电子器件，它能将磁场的微小变化转换为可测量的电压，相当于一个磁通-电压转换器，是目前为止测量磁场灵敏度最高的传感器。低温超导SQUID器件通常工作在液氦温度（4.2K）下，它的磁通灵敏度通常在10-6Φ0/Hz1/2量级（Φ0＝2.07×10-15Wb），对磁场的灵敏度在fT/Hz1/2量级（1fT＝1×10-15T）。由于低温SQUID器件具有极高的磁场灵敏度，因此在极微弱磁信号探测领域具有重要的应用价值。例如，在生物磁探测方面，目前国际上多家研究机构发展了基于SQUID器件的脑磁图仪和心磁图仪，使用这些仪器对人体脑磁信号和心磁信号进行研究，已经取得丰富的研究成果；在地球磁场探测领域，发展了基于SQUID器件的航空超导全张量磁测量系统，是目前唯一能够进行地球磁场全张量磁梯度信息探测的系统，这套系统可高效率、高精度的对地下磁性地质体实现三维定位，获取它们的空间分布信息，与其它地球磁场测量系统相比，能够获得更多的信息。在重力探测、无损检测等微弱信号探测方面，SQUID器件同样具有非常重大的应用潜力。
基于SQUID器件的磁测量系统在进行微弱磁信号测量时，尤其在测量微弱磁信号的空间分布特性时，为了提高探测效率，系统通常采用多个测量通道同时对信号进行测量，多者甚至上百个测量通道。每一个通道主要由工作于低温环境下的SQUID传感器及相应的室温状态下的读出电路组成，其中，SQUID传感器的功能是感应微弱磁信号并将其转化为电压信号，但是由于SQUID器件的磁通－电压函数是周期性的，并非线性关系或者单值函数，因此，需要合适的读出电路方案将SQUID输出转化为线性化输出，目前，SQUID读出电路应用最普遍的是磁通调制锁定式读出电路方案，利用调制的方法将SQUID器件响应的信号调制成远离低频噪声频段的交流信号，通过信号变压器对其进行低噪声放大和实现SQUID器件和前置放大器阻抗匹配，再经过解调、积分和磁通反馈构成磁通锁定环（FLL）实现SQUID输出的线性化输出功能。磁通调制锁定电路方案能够很好的实现SQUID读出电路的功能，但是因为电路调试参数较多，体积较大，因此在基于SQUID器件的多通道磁测量系统中不方便使用，为此，一些直读式SQUID器件和电路方案被设计和发明出来以解决上述问题。主要有附加正反馈（Additional Positive Feedback，APF）、噪声消除（Noise Cancellation,NC）和SQUID自举器件（SuperconductingBootstrap Circuit,SBC）等几种。其中，SBC方案是近二年刚被发明出来的新方案（Xiaoming Xie,Yi Zhang,HuiwuWang,Yongl iangWang,MichaelMueck,Hui Dong,Hans-Joachim Krause,Alex I Braginski,AndreasOffenhausser and Mianheng Jiang，’A voltage biased superconductingquantum interference device bootstrap circuit’,Supercond.Sci.Technol.23(2010)065016），实验证明这种方案在SQUID读出技术方面是完全可行的，其性能与磁通调制锁定方案相当。其原理如图1所示，SBC是由传统SQUID器件集成两个同其耦合的线圈构成的，它包括两个支路，一个支路由一个的SQUID串联线圈L1构成，串联的线圈同SQUID耦合实现磁通的正反馈，用于提高SQUID的磁通电流传输率
另一个支路则由线圈L2和串联的电阻R构成，线圈L2同SQUID耦合，实现噪声消除的功能。由于SBC器件比常规SQUID器件具有更大的磁通－电流传输率和更低噪声，可以利用直读式电路实现其磁通－电压的线性转换，但上述SBC器件及原理验证是通过分立的SQUID部件、电感、电阻等原件来实现的，存在一致性差，SBC器件的环境适应能力存在问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全集成SBC超导量子干涉器件，本发明改进现有的SBC器件采用分立部件的实现方式，将组成SBC器件的各部件，SQUID，电感L1，电感L2，电阻R等都采用平面薄膜型结构，并根据这些部件的相互关系将其布局，设计一种部件全部集成在一起的平面薄膜型SBC器件，而且SBC器件中的SQUID部件采用多环结构SQUID，使得SBC器件的环境适应能力得到极大的提高。本发明的全集成SBC SQUID器件结构简单，部件参数可调，并且器件部件全部是平面薄膜结构，提高了器件的一致性。
具体地说，本发明提供的全集成SBC器件设计是这样实现的（见图2）：
（1）所述的全集成SBC超导量子干涉器件中的核心SQUID部件设计为多环结构SQUID，其与传统SQUID在器件超导环的结构上具有显著的不同，受SQUID器件在电感设计方面的限制，SQUID电感数值通常在几十至几百皮亨之间，传统SQUID为满足上述条件，只具有单一的超导环，对磁场感应面积小，不利于器件灵敏度的提升，为此，通常情况下传统SQUID采用磁通变换器结构，它提高了SQUID感应磁场面积，但是由于其要求SQUID中超导薄膜面积增加，进而增加了磁通蠕动效应对SQUID的影响和SQUID低频噪声，而多环结构SQUID是与传统SQUID不同的器件，其超导环由多个超导环并联而构成，由于并联超导环的电感数值是单个环电感数值除以并联超导环的数目，所以并联多环结构可以使用电感和感应面积都较大的超导环并联以满足SQUID器件的电感设计条件，而因为其磁感应面积的增加，从而提高了SQUID器件的灵敏度，而且多环结构SQUID中超导薄膜是窄条形状，降低了磁通蠕动效应的影响，进而增加了SQUID的环境适应能力。因此，本发明选用多环结构SQUID部件作为SBC器件中的核心部件，Bias1和Bias2分别是多环结构SQUID的两端电极。
（2）所述的全集成SBC超导量子干涉器件由两个并联支路构成，其中SQUID部件和电感L1串联构成SBC器件的一个支路，并且SQUID器件和电感L1之间存在磁通耦合关系，互感M1；电感L2和电阻R串联构成SBC器件的另一个支路，电感L2和SQUID器件之间存在磁通耦合，互感M2。这些部件之间的相互关系限定了SBC器件各部分的位置关系。
（3）所述的全集成SBC超导量子干涉器件中与多环结构SQUID耦合的电感部件设计为平面薄膜电感，如图2所示，电感L1由金属薄膜线条构成，L1一端与多环结构SQUID的Bias2端连接在一起，其中电感L1的数值可由其不同的引出点L1a、L1b、L1c等来进行调节。电感L2也是由金属薄膜线条构成，L2一端与Bias1端连接，其数值由不同引出点进行调节。也即L2的数值可由不同的引出点L2a、L2b来进行调节。L1和L2的数值可随不同尺寸的多环结构SQUID而变化，需要根据具体应用要求来确定。
（4）所述的全集成SBC超导量子干涉器件中与电感L2串联的电阻R利用低温下不具有超导电性的金属薄膜构成，如图2中的L2a-Ra2、L2a-Ra1、L2b-Rb1、L2b-Rb2均可形成不同的电阻数值。
（5）所述的全集成SBC超导量子干涉器件SQUID在使用时还需要两个附属结构，一是FLL1和FLL2为端点的反馈线圈，如图2所示，在SQUID应用时，读出电路输出信号通过此反馈线圈对SQUID器件施加反馈信号，以保持器件工作点稳定。另一个是以Heat1和Heat2为端点的电阻，它起到在低温环境下对器件加热以排除器件中的磁通的作用。
综上所述，本发明的特征在于将多环结构SQUID与电感线圈、电阻集成在一起构成全集成多环结构SBC SQUID，其中两个电感线圈分别与多环结构SQUID器件存在磁耦合，另一个电感作为器件的反馈线圈，两个电阻分别是器件的并联支路电阻和器件的加热电阻。本器件具有功能全面、易于调整参数等特点，而且因为器件结构均是由窄条薄膜构成，减小了磁通蠕动效应的影响，提高了器件对工作环境的适应能力。本发明提供的全集成SBC超导量子干涉器件中的各部件均可利用平面薄膜类型的器件制备，并且各部件之间的相互关系可以在平面内通过部件的不同位置布局实现，部件的数值能够通过不同的设计进行调整，进而实现SBC器件的平面集成，而不必需要外加分立的电阻电感等部件。简化了SBC器件的结构设计和参数调节难度。
附图说明
图1SBC器件的原理。
图2全集成SBC器件设计。
图3全集成SBC器件制备步骤：
（1）在衬底Si上构成器件的超导环、底电极结构；（2）构成器件的绝缘层结构；（3）继续在器件表面沉积SiO薄膜；（4）超导环路封闭；（5）表面形成约瑟夫森结；（6）沉积Pd薄膜材料。
具体实施方式
实施例1
根据SBC器件的灵敏度和体积等设计要求，完成多环结构SQUID，电感L1和L2，电阻Rs的具体设计参数，如SQUID器件的环的数目、尺寸、临界电流、电感L1数值、电感L2数值、电阻Rs数值等，并根据制备工艺的要求，完成SBC器件的光刻版图。
全集成SBC器件比传统SQUID器件增加了电感电阻等部件，但其制备过程并不因电阻电感部件的增加而增加难度。通常情况下，传统平面薄膜SQUID器件制备过程包含多层微加工制备工艺，因为传统SQUID器件制备工艺中包含了电感制备和电阻制备，因此SBC器件中增加的电感L1和L2，电阻Rs都可以在制备SQUID器件电感和电阻的同时制备完成，而不必增加新的制备步骤。具体制备过程如下：
（a）在衬底Si基片上沉积Nb薄膜材料，并进行光刻和刻蚀，其图形结构如图3中的（1）所示，构成器件的超导环、底电极等结构；
（b）在器件表面沉积SiO薄膜，并在SiO薄膜上光刻和刻蚀图3中（2）所示的图形，构成器件的绝缘层结构；
（c）继续在器件表面沉积SiO薄膜，并在SiO薄膜上光刻和刻蚀图3中（3）所示的图形，加厚器件的绝缘层结构；而且，步骤（b）和（c）联合定义了器件中的约瑟夫森结的位置和尺寸；
（d）在步骤（c）的基础上，在器件表面沉积Nb薄膜，光刻和刻蚀如图3中（4）所示的图形，使得器件中各个超导环路封闭；
（e）在器件表面约瑟夫森结，位置如图3中的（5）所示位置；
（f）在器件中沉积金属Pd薄膜材料，其在低温环境下不超导，构成器件的电极、电阻等部件（图3中（6））。
经过上述制备步骤，SBC SQUID器件制备完成，可以进行器件的封装和测试。
实施例2
所述的电感L1和L2的数值由不同引出点进行调节。如果图2所示L1由L1a、L1b、L1c三点（实际可视需要，可不止三点调节，也可少于三点），具体视实际情况而定，图2只是表示L1数值可由不同引出点进行调节，L2也是同样情况。
Claims (9)
1.一种全集成SBC超导量子干涉器件，所述的器件由两个并联支路构成，其特征在于组成SBC超导量子干涉器件的SQUID部件、电感L1、电感L2和与电感L2串联的电阻采用全部集成在一起的平面薄膜型结构，核心的SQUID部件设计为多环结构SQUID，多环结构SQUID的超导环由多个超导环并联而构成。
2.按权利要求1所述的器件，其特征在于所述的并联超导环的电感值是单个环电感数值除以并联超导环的数目。
3.按权利要求1所述的器件，其特征在于多环结构的SQUID中超导薄膜是窄条形状，以降低磁通效应的影响。
4.按权利要求1所述的器件，其特征在于SQUID超导环电感介于几十皮亨至几百皮亨之间。
5.按权利要求1所述的器件，其特征在于所述的器件具有两个并联支路SQUID部件和电感L1串联构成SBC器件的一个支路，并且SQUID部件和电感L1之间存在磁通耦合关系，互感M1；电感L2和电阻R串联构成SBC器件的另一个支路，电感L2和SQUID部件之间存在磁通耦合，互感M2；这些部件之间的相互关系限定了SBC器件各部分的位置关系。
6.按权利要求1或5所述的器件，其特征在于所述的电感为平面薄膜电感，它是由金属薄膜线条构成，L1一端与多环结构SQUID部件的Bias2端连接，电感L1的数值由不同引出点进行调节。L2一端与Bias1端连接，其数值由不同引出点进行调节。
7.按权利要求6所述的器件，其特征在于电感L1和电感L2的数值随不同尺寸多环结构SQUID部件而变化。
8.按权利要求1或5所述的器件，其特征在于SBC器件中与电感L2串联的电阻R由低温下不具超导导电性的金属膜构成，形成不同的电阻数值。
9.按权利要求1-5或7中任一项所述的器件，其特征在于所述的全集成SBC SQUID器件在使用时还需两个附属结构，一是反馈线圈，对SQUID器件施加反馈信号，另一个是端点电阻，在低温环境下对器件加热。
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