CN105489750B - 一种超导量子干涉器件的封装结构 - Google Patents

一种超导量子干涉器件的封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超导量子干涉器件的封装结构，包括：封装槽，底部和侧壁形成有低通滤波层；底板，固定于所述封装槽底部的低通滤波层表面，且制备有器件引出电极；超导量子干涉器件，固定于底板上，并实现电性连接；盖板，密封覆盖于封装槽上形成容置空间，以将超导量子干涉器件封装于该容置空间内，且盖板朝向封装槽的一面形成有低通滤波层，所述低通滤波层包括金属粉末与低温胶的混合物层。本发明在超导量子干涉器件的封装结构中加入由金属纳米粒子构成的屏蔽层，可以有效防止外界射频电磁场进入到超导量子干涉器件中，同时低温胶的绝缘特性使得屏蔽层不能构成导通回路因此不产生金属涡流，从而提高了超导量子干涉器件的稳定性。

Description

一种超导量子干涉器件的封装结构
技术领域
本发明属于超导量子干涉器件(SQUID)技术领域，涉及一种SQUID器件的封装方案，尤其是设计一种能够有效防止外界高频电磁场干扰的SQUID器件的封装结构。
背景技术
超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是基于约瑟夫森效应和磁通量子化原理的超导量子器件，它的基本结构是在超导环中插入两个约瑟夫森结，SQUID是目前最灵敏的磁通传感器，典型的SQUID器件的磁通噪声在μΦ0/Hz1/2量级(1Φ0＝2.07×10-15Wb)，其磁场噪声在fT/Hz1/2量级(1fT＝1×10-15T)，由于其具有极高的灵敏度，SQUID器件在生物磁检测、无损检测、低场核磁共振、地球物理磁场探测等应用领域具有极大的应用潜力。
在测量SQUID器件的噪声时，通常将SQUID器件置于磁屏蔽环境中，如磁屏蔽室或利用超导材料制作的屏蔽筒，以屏蔽外界的电磁场干扰。但在SQUID器件应用时，因为SQUID器件需要感应外界待测信号，因此不能将SQUID器件完全屏蔽起来。外界的射频电磁场将对SQUID器件的性质产生影响，有文献报道了射频场对SQUID器件影响的研究结果(Effectsof radio frequency radiation on the tic SQUID,Appl.Phys.Lett.65,100(1994))，射频电磁场改变了SQUID器件的临界电流、电流-电压特性曲线等，使得SQUID器件工作不稳定，因此减弱射频电磁场对SQUID器件的影响对于SQUID器件应用具有重要的作用。
在使用SQUID器件测量弱磁信号时，需要将SQUID器件安装在提供低温环境的杜瓦容器内，因此在研究如何抑制射频电磁场对SQUID器件的影响时，主要提出的射频屏蔽方案是对杜瓦容器进行射频屏蔽方案。因为电磁波在空间中传输时，由于金属导体的趋肤效应，高频电磁波被金属损耗掉，而低频电磁波损耗较小，根据这一原理，通过使用金属薄膜材料来包裹杜瓦，来抑制射频电磁场的影响。由于杜瓦的形状和结构的不同，对于具体的杜瓦而言，通过改变金属薄膜的厚度或包裹的层数来优化射频屏蔽的效果。
典型SQUID器件的封装结构如图1所示，它由底板101和盖板102两部分组成，在底板101上制备有器件引出电极，将SQUID芯片103贴在底板表面，将SQUID芯片103电极引出引线104至底板电极上，并将底板和盖板连接处密封。由于SQUID器件是磁场传感器，因此封装过程中使用的材料是非金属无磁材料，以防止在测量弱磁信号过程中受到磁性材料和金属涡流的影响，然而，这种结构的SQUID器件并不能避免高频干扰的影响。
针对射频电磁场对SQUID器件的干扰问题，本发明提出一种屏蔽高频干扰的SQUID器件封装设计，将SQUID器件安装在由金属粉构成的封状结构中，由于金属粉能够衰减高频干扰，使得高频干扰不能对SQUID产生影响，从而有效的解决高频干扰的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导量子干涉器件的封装结构，针对空间中高频干扰对SQUID器件的影响问题，利用金属对高频电磁场的衰减特性，提出在SQUID器件封装结构中加入由金属粉制作的封装结构，这个结构屏蔽外界高频电磁场，相当于一个低通滤波器，使高频干扰不能穿过封装结构进入到SQUID器件中，提高SQUID器件的稳定性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干涉器件的封装结构，所述封装结构包括：封装槽，所述封装槽的底部和侧壁形成有低通滤波层；底板，固定于所述封装槽底部的混合物层表面，且所述底板上制备有器件引出电极；超导量子干涉器件，固定于所述底板上，且所述超导量子干涉器件的芯片电极与所述器件引出电极电性连接；以及盖板，密封覆盖于所述封装槽上形成容置空间，以将所述超导量子干涉器件封装于该容置空间内，且所述盖板朝向封装槽的一面形成有低通滤波层。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述盖板覆盖所述封装槽上时，所述封装槽上的低通滤波层以及所述盖板上的低通滤波层配合形成密封腔体结构。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述封装槽的低通滤波层内还形成有一个或两个以上的内槽体，且各内槽体表面均形成有低通滤波层，所述盖板的低通滤波层表面还形成有一个或两个以上的内盖体，且各内盖体表面均形成有低通滤波层，所述盖板覆盖所述封装槽上时，各内槽体与对应的内盖体配合形成密封腔体结构，且各内槽体表面的低通滤波层与对应的内盖体表面的低通滤波层配合形成密封腔体结构，其中，所述低通滤波层包括金属粉末与低温胶的混合物层。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述低通滤波层为金属粉末与环氧树脂的混合物层。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述金属粉末于所述混合物层中所占的重量比例为70-80％。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述金属粉末与低温胶的混合物层的厚度范围为0.1-0.3mm。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述金属粉末的材料包括银、铜、铝中的一种或两种以上组合。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述金属粉末的粒度范围为1-1000nm。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述内槽体及内盖体的材质为无磁玻璃纤维材料。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述封装槽及盖板的材质为无磁玻璃纤维材料。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述封装槽为方形凹槽，所述盖板为方形盖板。
作为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种优选方案，所述封装槽的内径范围为11～14mm，外径范围为13～15mm，所述盖板的直径范围为13～15mm。
如上所述，本发明的超导量子干涉器件的封装结构，具有以下有益效果：本发明在超导量子干涉器件的封装结构中加入由金属纳米粒子构成的屏蔽层，由于金属粉能够衰减高频干扰，这层屏蔽可以有效防止外界射频电磁场进入到超导量子干涉器件中，同时低温胶的绝缘特性使得屏蔽层不能构成导通回路从而不产生金属涡流，从而提高了超导量子干涉器件的稳定性。本发明结构简单，在超导量子干涉器件(SQUID)技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1显示现有技术中的一种超导量子干涉器件的封装结构的结构示意图。
图2显示为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的一种实施方式结构示意图。
图3显示为本发明的超导量子干涉器件的封装结构的另一种实施方式结构示意图。
元件标号说明
201 封装槽
202 封装槽的低通滤波层
203 盖板
204 盖板的低通滤波层
205 底板
206 超导量子干涉器件
207 引线
208 内槽体
209 内槽体的低通滤波层
210 内盖体
211 内盖体的低通滤波层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2所示，本实施例提供一种超导量子干涉器件的封装结构，所述封装结构包括：封装槽201，所述封装槽201的底部和侧壁形成有低通滤波层202；底板205，固定于所述封装槽201底部的混合物层表面，且所述底板205上制备有器件引出电极；超导量子干涉器件206，固定于所述底板205上，且所述超导量子干涉器件206的芯片电极通过引线207与所述器件引出电极电性连接；以及盖板203，密封覆盖于所述封装槽201上形成容置空间，以将所述超导量子干涉器件206封装于该容置空间内，且所述盖板203朝向封装槽201的一面形成有低通滤波层204。
如图2所示，作为示例，所述盖板203覆盖所述封装槽201上时，所述封装槽201上的低通滤波层202以及所述盖板203上的低通滤波层204配合形成密封腔体结构，这个结构屏蔽外界高频电磁场，相当于一个低通滤波器，使高频干扰不能穿过封装结构进入到超导量子干涉器件206中，提高超导量子干涉器件206的稳定性。
作为示例，所述低通滤波层202及204包含金属粉末。具体地，所述低通滤波层202及204为金属粉末与低温胶的混合物层。由于金属粉末衰减高频干扰，同时其产生的涡流效应很小，不影响超导量子干涉器件206的信号测量，因此可抑制高频干扰的影响。在本实施例中，所述低温胶选择为具有耐低温、高绝缘性的环氧树脂。
作为示例，所述金属粉末于所述混合物层中所占的重量比例为70-80％。
作为示例，所述金属粉末与低温胶的混合物层的厚度范围为0.1-0.3mm，可依据所要屏蔽的高频干扰强度增减涂层厚度。
作为示例，所述金属粉末的材料包括银、铜、铝中的一种或两种以上组合。
作为示例，所述金属粉末的粒度范围为1-1000nm。
作为示例，所述封装槽201及盖板203的材质为无磁玻璃纤维材料，以防止在测量弱磁信号过程中受到磁性材料和金属涡流的影响。
作为本发明的超导量子干涉器件206的封装结构的一种优选方案，所述封装槽201为方形凹槽，所述盖板203为方形盖板。
作为示例，所述封装槽201的内径范围为11～14mm，外径范围为13～15mm，所述盖板203的直径范围为13～15mm。
具体地，本实施例的超导量子干涉器件的封装结构，其设计方法如下：
1)首先设计封装结构底板205、槽型结构、顶部盖板203的形状、尺寸等。典型超导量子干涉器件206(SQUID)芯片的形状是边长10mm的正方形(也可根据实际SQUID芯片尺寸做相应的封装结构调整)，因此，本发明的封装结构参数设计为：底板205选择为直径12mm的方板，顶部盖板203选择为直径15mm的方板，封装槽201选择为内径13mm，外径15mm，槽侧壁的厚度为1mm的凹槽结构。由于增加了封装槽201结构，本实施例的封装结构的体积相比传统封装结构稍微增加，但是其增加幅度不大。传统SQUID器件封装直径约14mm左右，本实施例在对SQUID器件封装改进之后，封装直径约增加1-3mm，因为在SQUID应用中，器件之间的间距在几十毫米量级，因此，本实施例的封装结构所导致的体积变化基本不影响SQUID器件在系统中的应用。
2)根据上述设计，加工并完成各部分结构，其中，针对器件对封装的无磁条件的要求，各部分结构采用的材料是无磁玻璃纤维材料。
3)将SQUID芯片放置于底板205上，将芯片表面的电极与底板205上面的电极连接在一起；然后，将金属粉末与低温胶的混合物涂在封装槽201的底部和侧壁，同样也涂在盖板203的内表面，封装槽201和盖板203组成的空间可以看作低通滤波器，可以利用外加高频信号对比测量内空间高频信号衰减程度来表征其滤波特性。
4)设计和制备不同尺寸的封装结构，比较金属粉末尺寸、厚度、温度等因素引起的滤波特性的变化，以建立不同滤波要求的封装设计方案，达到为SQUID器件减小高频干扰影响的目的。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种超导量子干涉器件的封装结构，其基本结构如实施例1，其中，与实施例1的区别之处在于：所述封装槽201的低通滤波层内还形成有一个或两个以上的内槽体208，且各内槽体208表面均形成有低通滤波层209，所述盖板203的低通滤波层表面还形成有一个或两个以上的内盖体210，且各内盖体210表面均形成有低通滤波层211，所述盖板203覆盖所述封装槽201上时，各内槽体208与对应的内盖体210配合形成密封腔体结构，且各内槽体208表面的低通滤波层209与对应的内盖体210表面的低通滤波层211配合形成密封腔体结构。在本实施例中，所述内槽体208及内盖体210的材质为无磁玻璃纤维材料。
由于应用环境的差别，不同地点和时间的高频干扰的强度也不一致，因此，本实施例通过设计和制备尺寸不同的由金属粉末构成的封装结构，将两个甚至多个这种封装结构套装起来，可以增加对高频干扰的抑制效果。
如上所述，本发明的超导量子干涉器件的封装结构，具有以下有益效果：本发明在超导量子干涉器件的封装结构中加入由金属纳米粒子构成的屏蔽层，由于金属粉能够衰减高频干扰，这层屏蔽可以有效防止外界射频电磁场进入到超导量子干涉器件中，同时低温胶的绝缘特性使得屏蔽层不能构成导通回路因此不产生金属涡流，从而提高了超导量子干涉器件的稳定性。本发明结构简单，在超导量子干涉器件(SQUID)技术领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：
封装槽，所述封装槽的底部和侧壁形成有低通滤波层；
底板，固定于所述封装槽底部的混合物层表面，且所述底板上制备有器件引出电极；
超导量子干涉器件，固定于所述底板上，且所述超导量子干涉器件的芯片电极与所述器件引出电极电性连接；
盖板，密封覆盖于所述封装槽上形成容置空间，以将所述超导量子干涉器件封装于该容置空间内，且所述盖板朝向封装槽的一面形成有低通滤波层；
其中，所述低通滤波层包括金属粉末与低温胶的混合物层。
2.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述盖板覆盖所述封装槽上时，所述封装槽上的低通滤波层以及所述盖板上的低通滤波层配合形成密封腔体结构。
3.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述封装槽的低通滤波层内还形成有一个或两个以上的内槽体，且各内槽体表面均形成有低通滤波层，所述盖板的低通滤波层表面还形成有一个或两个以上的内盖体，且各内盖体表面均形成有低通滤波层，所述盖板覆盖所述封装槽上时，各内槽体与对应的内盖体配合形成密封腔体结构，且各内槽体表面的低通滤波层与对应的内盖体表面的低通滤波层配合形成密封腔体结构。
4.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述低通滤波层为金属粉末与环氧树脂的混合物层。
5.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述金属粉末于所述混合物层中所占的重量比例为70-80％。
6.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述金属粉末与低温胶的混合物层的厚度范围为0.1-0.3mm。
7.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述金属粉末的材料包括银、铜、铝中的一种或两种以上组合。
8.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述金属粉末的粒度范围为1-1000nm。
9.根据权利要求3所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述内槽体及内盖体的材质为无磁玻璃纤维材料。
10.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述封装槽及盖板的材质为无磁玻璃纤维材料。
11.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述封装槽为方形凹槽，所述盖板为方形盖板。
12.根据权利要求11所述的超导量子干涉器件的封装结构，其特征在于：所述封装槽的内径范围为11～14mm，外径范围为13～15mm，所述盖板的直径范围为13～15mm。
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