CN103954918A

CN103954918A - 一种二阶sbc超导量子干涉梯度计及制作方法

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Publication number: CN103954918A
Application number: CN201410199606.2A
Authority: CN
Inventors: 王会武; 刘全胜; 王镇; 谢晓明
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-05-13
Also published as: CN103954918B

Abstract

本发明涉及一种二阶SBC超导量子干涉梯度计及制作方法，其特征在于是将二阶多环结构的SQUID梯度芯片与电感线圈集成在一起构成可使用直读电路的二阶多环结构超导自举(Superconducting Bootstrap Circuit,SBC)SQUID梯度计，所构筑的此类器件可以利用直读电路来读出器件输出信号，而且由于器件是由宽度很窄的超导薄膜线条构成，降低了地球环境磁场对器件磁通陷入的影响，并且器件仅对二阶梯度磁场有响应，对磁场和一阶梯度磁场不敏感，这些特点大大提高了其在无屏蔽环境磁场中的适应能力和工作稳定性，使其在微弱磁测量中具有极大的应用潜力。

Description

一种二阶SBC超导量子干涉梯度计及制作方法

技术领域

本发明涉及一种磁探测传感器及制作方法，更确切地说本发明涉及一种二阶多环SBC超导量子干涉梯度计及制作方法。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)是由超导约瑟夫森结和超导环等结构组成的超导电子器件，它相当于一个磁通-电压转换器，能将所感应磁场的微小变化转换为电压输出，这种器件是目前为止磁场灵敏度最高的传感器，其磁通灵敏度通常在10^-6Φ₀/Hz^1/2量级(Φ₀＝2.07×10^-15Wb)，磁场的灵敏度在fT/Hz^1/2量级(1fT＝1×10^-15T)。由于SQUID器件具有极高的磁场灵敏度，而且SQUID器件的频带宽，器件体积小，因此它在生物磁探测、地球磁场探测、无损检测等微弱磁信号探测领域具有重要的应用潜力和价值。

在基于SQUID传感器的地球磁场探测应用中，经过各国科研人员的研究，已经取得了非常大的进展，将SQUID器件应用于TEM、CSAMT、航空磁测量、磁异常测量等各方面的应用中。例如，美国橡树岭国家实验室研制了基于超导SQUID器件的磁测量组件，利用8个SQUID器件构建的超导磁测量组件不仅能够测量地球磁场，而且能够测量磁场的梯度值，已经取得了地面试验的初步测试结果。德国光学分子研究中心(IPHT)开发了基于SQUID的超导全张量磁力梯度测量组件，并实现了该系统在航空平台上的航磁测量。这些研究为SQUID器件在地球磁场探测、矿产勘探方面的应用打下了坚实的基础，有利于得到更准确的地球磁场信息。

但是，将SQUID器件应用于地球磁场环境中进行弱磁信号测量时，因为SQUID器件是工作于无磁屏蔽地球环境磁场中，因此，有如下几个方面的关键问题需要解决。首先，地磁场幅度在几十微特斯拉，这个数值比超导SQUID器件灵敏度(典型值10fT)高8个量级左右，对于SQUID器件来说，地球磁场是很强的磁场。强磁场极易进入超导芯片的超导薄膜部分形成陷入磁通，磁通的蠕动或磁通跳跃使芯片的性能恶化，甚至无法正常工作。这是SQUID器件工作过程中的一个极大的挑战。其次，目前针对不同结构的SQUID器件，其读出电路主要有磁通调制锁定电路和直读式锁定电路两种，目前应用比较普遍的传统结构SQUID器件(即在超导环中插入两个约瑟夫森结形成的结构)的磁通-电压转换系数不高，其读出电路通常使用磁通调制锁定电路来提高其数值；某些特殊结构的SQUID器件(如Additional Positive Feedback器件，APF)具有较大的磁通-电压转换系数，可以使用直读式读出电路。由于典型的磁通调制电路比直读式电路结构复杂、调整参数数目多、频带窄等，因此在野外环境中使用测试设备时，直读式电路比磁通调制电路更具有优势，而且使用更加方便，所以直读式电路更受到用户的欢迎。另外，SQUID器件在微弱磁场探测中一个令人感兴趣的课题是对磁场梯度的测量，磁梯度测量可以更加精确反应目标体的磁场变化信息，能够准确定位磁场异常的位置。

针对上述关键问题，世界各地科研人员提出了多种解决方法，例如，针对SQUID器件的磁通陷入问题，可以通过减小SQUID器件中的超导薄膜的尺寸来减轻磁通陷入器件的几率(Dantsker etc.1997,Appl.Phys.Lett.70,2037-2039)；直读式电路对应的SQUID器件有APF、SBC等种类，这些器件的原理都已经得到了验证，对其研究和应用仍在发展之中(Drung etc.1990,Appl.Phys.Lett.57,406-408)；对于梯度测量，人们发明了SQUID梯度计来实现梯度测量(Ketchen etc.1978,J.Appl.Phys.49,4111-4116)；这些方法和技术丰富了SQUID在地球磁场探测应用的内容，并在实际应用中取得了较好的效果，但这些进展都是针对其中单一问题。

针对上述磁场梯度测量的需要，本发明拟提出一种二阶多环结构SBC梯度计，通过综合多环结构SQUID、SBC器件和二阶梯度结构的优点，提供一种既能降低器件磁通陷入风险，又能使用直读式读出电路的超导SQUID梯度芯片，以增加超导梯度计的工作稳定性和方便性，为其在微弱磁场和磁场梯度测量方面尤其在无屏蔽环境中的磁场梯度测量奠定坚实的硬件基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二阶SBC超导量子干涉梯度计及制作方法，本发明提供的一种二阶多环结构SBC超导量子干涉(SQUID)梯度芯片的结构，它的结构和所实现的功能描述如下：

(1)所提供的器件总体结构

二阶多环结构SQUID梯度芯片是基于SBC器件的原理，并综合多环结构SQUID和二阶梯度线圈结构的特点，构成的一种SQUID梯度芯片。

SBC器件的基本原理如图1所示，器件由两个并联支路构成，其中SQUID和一个电感L1构成一个支路；电感L2和电阻R串联构成器件的另一个支路，电感L2和SQUID器件之间存在磁通耦合，互感为M。基于上述原理的器件可以利用直读式读出电路配合来输出SQUID感应的磁场信号(Xiaoming Xie etc.,Supercond.Sci.Technol.23(2010)065016)。

然而在SBC器件中，SQUID可以使用不同结构来实现，本发明的发明人试图使用多环结构SQUID来实现SBC器件中的SQUID部分，典型SQUID器件(如磁通变换器型结构SQUID)中的超导环是利用超导薄膜制备而成的单个环形结构，而在多环结构SQUID中，采用多个并联结构的超导环来代替上述单个环形结构，其特点是多环结构器件中超导薄膜形状是一系列窄条结构，这种结构可以很有效减小磁通陷入SQUID器件的几率，因此SQUID器件的参数保持了稳定，进而增加了器件的工作稳定性。

在本发明所述的多环结构SQUID中，所述的多环结构是采用二阶梯度线圈的结构，即将多环结构中相邻超导环的绕行方式设计为相反的方式，这种设计对于磁场和一阶梯度磁场不敏感，而二阶梯度磁场将在SQUID器件中产生输出，所以这种设计决定了二阶梯度SQUID芯片构型。

SBC器件中的电感和电阻部件设计为与SQUID部分在同一个芯片上，构成了集成SBC器件，以方便器件的应用。

综合SBC器件原理、多环结构SQUID、二阶梯度线圈结构、平面电感和电阻等部件而设计的二阶梯度SBC器件既能降低器件磁通陷入风险，又能使用直读式读出电路的超导SQUID梯度芯片，增加了超导梯度计的工作稳定性和方便性，因此在微弱磁场和磁场梯度测量应用方面具有极大的应用潜力。

(2)多环结构SQUID的二阶梯度设计

多环结构二阶梯度SBC SQUID器件的设计与传统SQUID在器件超导环的结构上具有显著的不同。传统SQUID器件的电感数值通常在几十至几百皮亨之间，其超导环的数目是1个，为了提高器件的磁场灵敏度，传统SQUID采用磁通变换器结构以增加SQUID器件对磁场的感应面积，但是在磁通变换器结构的SQUID器件中，超导环的内边长约几十微米，超导环的外边长约几百微米左右，超导环宽度在百微米量级，这增加了SQUID器件中超导薄膜的面积，进而增加了磁通陷入SQUID器件的几率，磁通蠕动效应不仅损害SQUID的工作稳定性，而且增加了SQUID低频噪声性能；

本发明设计的多环结构SQUID的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或/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，而且多环结构SQUID中超导薄膜是窄条形状，超导环的宽度在10微米量级，远远小于磁通变换器结构SQUID器件的超导环宽度，因此降低了磁通陷入和蠕动效应对SQUID器件的影响。

为叙述方便拟将多环结构二阶梯度SBC SQUID器件中设计为4个超导环并联进行描述，所述的超导环的绕行方式不同，相邻超导环的绕行方式相反(如图3),左上角与右下角的超导环的绕行方向一致，左上角与右下角的超导绕行方向一致，而相邻超导环之间的绕行方向相反。根据这种绕行方式，可以推导出如下结论：当均匀磁场通过这4个超导环时，磁场在两个不相邻的超导环中产生的磁通数值与其余两个不相邻的超导环产生的磁通的数值相同，但方向相反，因此总磁通为0，SQUID器件不产生响应；同样，当一阶梯度磁场通过这4个超导环时，在超导环中产生的总磁通也为0，器件也不产生响应；使用同样的分析方法，当二阶梯度磁场通过这4个超导环时，在器件中产生了磁通，器件产生响应。因此，这种结构是一种二阶梯度SQUID器件。当器件中超导环的数目是4的倍数时，也可以构成二阶梯度计，具体数目按照实际应用的要求设定。

将一阶梯度线圈的两端分别连接于二阶梯度SQUID器件的输入线圈的两端电极A+和A-时，可以将外加一阶梯度线圈感应的磁场梯度耦合到SQUID器件中，通过SQUID器件可以测量外接一阶梯度线圈感应的梯度磁场数值。在这个过程中，二阶梯度SQUID器件输出给出的仅仅是外接一阶梯度线圈的感应数值，进而提高了一阶梯度磁场的测量准确度。

(3)器件的集成设计

由此可见，二阶梯度SBC SQUID是以SBC器件的原理为基础的(如图1所示)，它由两个并联支路构成，包括SQUID、电感、电阻等部件，SQUID由微加工工艺制备而成，电感可以由平面线圈制成，电阻可以由平面金属薄膜制作而成，因此，可以将这些部件集成在一起，构成集成二阶SBC SQUID，其优势在于器件参数的重复性好，使用方便。

如图2所示，SBC SQUID梯度计的支路2中的电感是由位于器件右上角超导环中多匝线圈构成，电极B2和B3是电感的两端电极；电阻R由外加电阻构成，电阻数值在器件调试参数时确定；B1和B2两电极是SBC SQUID的两端电极。另外，由图2中看出，为使SQUID器件稳定工作的辅助部件调制和反馈线圈(由M+、M-两端之间的线圈确定，将读出电路的反馈通过这个线圈耦合到器件中以稳定器件的工作点)、加热电阻(由H+、H-两端之间的金属薄膜确定，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。)也集成到SBC SQUID梯度计的设计之中。

综上所述，本发明的特征在于将多环结构SQUID与SBC原理相结合，并利用相邻多环结构的绕向相反的特点，构成一种可使用直读电路的二阶SBC SQUID梯度计。由于二阶SBC SQUID梯度计与电感电阻等部件均可利用平面微加工工艺制备，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，因此可实现二阶SBC SQUID梯度计的集成(详见实施例)。

由此可见，本发明所述的二阶SBC超导量子干涉梯度计器件结构是将二阶多环结构的SQUID梯度芯片与电感线圈集成在一起构成可使用直读电路的二阶多环结构超导自举(Superconducting Bootstrap Circuit,SBC)SQUID梯度计，其特征在于所构筑的此类器件可以利用直读电路来读出器件输出信号，而且由于器件是由宽度很窄的超导薄膜线条构成，降低了地球环境磁场对器件磁通陷入的影响，并且器件仅对二阶梯度磁场有响应，对磁场和一阶梯度磁场不敏感，这些特点大大提高了其在无屏蔽环境磁场中的适应能力和工作稳定性，使其在微弱磁测量中具有极大的应用潜力。

附图说明

图1SBC器件基本原理。

图2本发明设计的二阶SBC SQUID梯度计结构示意图。

图3为图2结构中多个超导环的绕行方式。

图4二阶SBC SQUID梯度计制备步骤：

(1)在衬底二氧化硅SiO₂上构成SQUID器件的超导环；(2)构成SQUID器件的约瑟夫森结；(3)在器件表面沉积二氧化硅SiO₂薄膜；(4)超导环路封闭；(5)沉积金属钯Pd薄膜构成器件中的各电阻部件。

具体实施方式

下面通过本发明所述的二阶四环的SBC超导量子干涉梯度器的制作方法，以进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非不仅局限于实施例。

实施例1

典型SQUID制备工艺中包含对平面电感和电阻的制备，因此二阶SBCSQUID梯度计的制备方法与目前SQUID制备工艺并无差异，除了多环二阶梯度SBC SQUID器件结构与SQUID器件不同之外。

首先，根据二阶梯度SBC SQUID器件的灵敏度等设计要求，完成器件具体参数设计，如二阶SBC SQUID梯度计中的超导环的尺寸、器件临界电流、器件各超导环电感、电阻等参数，之后根据制备工艺的要求，完成器件的光刻版图。

具体制备过程如下：

(a)在衬底二氧化硅SiO₂上沉积铌(Nb)/氧化铝(AlOx)/铌(Nb)三层薄膜材料，并进行光刻和刻蚀，其图形结构如图4(1)所示，构成器件的超导环等结构；

(b)在步骤(a)中剩余的薄膜表面光刻和刻蚀约瑟夫森结(图4(2))；

(c)沉积二氧化硅SiO₂薄膜，并在SiO₂薄膜上光刻和刻蚀图4(3)所示的图形，构成器件的绝缘层结构；

(d)在步骤(c)的基础上，在器件表面沉积铌薄膜，光刻和刻蚀如图4(4)所示的图形，使得器件中各个超导环路封闭；

(e)在器件中沉积金属钯薄膜材料，其在低温环境下不超导，构成SBCSQUID器件中的所有电阻部件(包括器件旁路电阻和辅助的加热电阻)和器件的电极部件(图4(5))。

经过上述制备步骤，二阶SBC SQUID梯度计制备完成，然后对器件进行封装和测试研究。

Claims

1.一种二阶SBC超导量子干涉梯度计，其特征在于将二阶多环结构SQUID梯度芯片与电感线圈集成一起构成使用直读电路的二阶多环结构超导自举SQUID梯度计。

2.按权利要求1所述的梯度计，其特征在于：

①所述的多环结构的超导环是由多个超导环并联构成；并联的多环结构使用电感或感应面积大的超导环，超导薄膜是窄条形状，超导环的宽度为10微米量级；

②所述的二阶多环结构是相邻超导环的绕行方向设计为相反的方向。

3.按权利要求2所述的梯度计，其特征在于所述的二阶梯度的SBCSQUID器件中设计为4个超导环并联，其中左上角和右下角的超导环的绕行方向一致，左下角和右上角的超导环的绕行方向一致，而相邻超导环之间的绕行方向相反。

4.按权利要求2或3所述的梯度计，其特征在于当均匀磁场通过4个超导环时，磁场在两个不相邻的超导环中产生的磁通数值与其余两个不相邻的超导环产生的磁通值相同，但方向相反。

5.按权利要求4所述的梯度计，其特征在于当梯度计中超导环数目是4的倍数时，构成二阶梯度计，具体数目按实际使用要求设定。

6.按权利要求1所述的梯度计，其特征在于SBC SQUID梯度计的支路中的电感是由位于器件右上角超导环中多匝线圈构成，电极B2和B3是电感的两端电极；电阻R由外加电阻构成，电阻数值在器件调试参数时确定；B1和B2两电极是SBC SQUID的两端电极。

7.按权利要求1所述的梯度计，其特征在于为使SQUID器件稳定工作的辅助部件调制和反馈线圈是由M+、M-两端之间的线圈确定，将读出电路的反馈通过这个线圈耦合到器件中以稳定器件的工作点、加热电阻是由H+、H-两端之间的金属薄膜确定，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；也集成到SBC SQUID梯度计的设计之中。

8.制作如权利要求1所述的梯度计的方法，其特征在于：

首先，根据二阶梯度SBC SQUID器件的灵敏度的设计要求，完成对二阶SBC SQUID梯度计中的超导环的尺寸、器件临界电流、器件各超导环电感、电阻等参数，之后根据制备工艺的要求，完成器件的光刻版图；

具体制备过程为：

(a)在衬底二氧化硅SiO₂上沉积Nb/AlOx/Nb三层薄膜材料，并进行光刻和刻蚀，构成器件的超导环结构；

(b)在步骤(a)中剩余的薄膜表面光刻和刻蚀约瑟夫森结；

(c)沉积二氧化硅SiO₂薄膜，并在SiO₂薄膜上光刻和刻蚀，构成器件的绝缘层结构；

(d)在步骤(c)的基础上，在器件表面沉积铌薄膜并光刻和刻蚀所需图形，使得器件中各个超导环路封闭；

(e)在器件中沉积金属钯薄膜材料，其在低温环境下不超导，构成SBCSQUID器件中的所有电阻部件，包括器件旁路电阻和辅助的加热电阻和器件的电极部件；

经过(a)-(e)的制备步骤，二阶SBC SQUID梯度计的制备完成，然后对器件进行封装和测试研究。