CN107229021B

CN107229021B - 三维磁场测量组件及制备方法

Info

Publication number: CN107229021B
Application number: CN201710372145.8A
Authority: CN
Inventors: 王会武; 张栖瑜; 刘全胜; 应利良; 王镇
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2019-07-19
Anticipated expiration: 2037-05-22
Also published as: CN107229021A

Abstract

本发明提供一种三维磁场测量组件及制备方法，组件至少包括：衬底、制备在所述衬底上第一SQUID器件、第二SQUID器件、第三SQUID器件、第一探测线圈、第二探测线圈以及第三探测线圈，其中，所述第一探测线圈与第一SQUID器件相连，且所述第一探测线圈的法线方向与X轴方向平行；所述第二探测线圈与第二SQUID器件相连，且所述第二探测线圈的法线方向与Y轴方向平行；所述第三探测线圈与第三SQUID器件相连，且所述第三探测线圈的法线方向与Z轴方向平行。本发明在同一个衬底上制备了3个SQUID器件，且每个SQUID器件探测1个空间方向的磁场，这种方法省略了现有技术组件中的立方体结构，减小了三维磁场探测组件的体积和安装难度，降低了制备成本，缩小了三个器件之间非正交性误差。

Description

三维磁场测量组件及制备方法

技术领域

本发明属于超导电子学技术领域，特别是涉及一种三维磁场测量组件及制备方法。

背景技术

在超导环中插入两个约瑟夫森结构成了直流超导量子干涉器件(dc SQUID)，它是以超导磁通量子化和约瑟夫森效应为原理的超导量子器件，是迄今为止最灵敏的磁通探测器，其磁通噪声在μΦ₀/Hz^1/2量级，Φ₀＝2.07*10^-15Wb是磁通量子，磁场灵敏度可达10^-15T(fT)量级，而且dc SQUID器件还具有频带宽的特点，响应频率从直流至兆赫兹量级，因此以dcSQUID器件为核心探测器的弱磁探测系统在生物磁测量、磁异常探测、大地电磁测量和低场核磁共振等微弱磁场探测领域具有极大的应用潜力。

目前，dc SQUID器件结构是利用微加工工艺制备而成的多层膜结构，如图1所示，当穿过dc SQUID器件的超导环的磁场发生变化时，dc SQUID器件所感应的磁通量发生变化，在dc SQUID器件设置一定的偏置电流(通常稍大于器件的临界电流)时，器件两端的电压与器件感应的磁通量成周期性关系，周期是一个磁通量子Φ₀，通过SQUID读出电路，可以建立磁通变化量与器件输出电压的线性关系。通常情况下，如图2所示，为了提高dc SQUID器件的磁场灵敏度，在dc SQUID器件中集成了磁通变换器结构，磁通变换器由一个探测线圈和一个输入线圈串联构成，输入线圈与dc SQUID器件的超导环耦合在一起，探测线圈的尺寸和输入线圈的尺寸匝数等参数可以随着对dc SQUID器件性能的要求进行优化，当穿过探测线圈的外磁场发生变化时，在磁通变换器中产生感应电流，这个电流通过输入线圈，将磁通耦合到dc SQUID器件中，由于磁通变换器感应磁场面积大于dc SQUID器件超导环感应磁场面积，因此磁通变换器可以提高dc SQUID器件的磁场灵敏度。

在dc SQUID应用中，由于dc SQUID器件处于低温环境下，而SQUID读出电路安装于室温环境下，因此，首先将dc SQUID器件安装在印刷电路板(PCB)上，dc SQUID器件引脚与PCB板上电极相连，再利用屏蔽电缆将对应的PCB板上电极与SQUID读出电路的接口连接起来。由于dc SQUID器件尺寸在毫米至厘米量级，安装有dc SQUID器件的PCB的尺寸在厘米量级。

由于dc SQUID器件中磁通量变化取决于待测磁场在垂直于器件衬底平面的Z轴方向上的投影与器件感应面积的乘积，因此，dc SQUID器件是一个矢量传感器，测量垂直于衬底表面的Z轴方向的磁场，对于X和Y轴方向的磁场，由于器件与这两个方向平行，不能测量X或者Y轴方向的磁场。在弱磁测量应用中，当需要额外测量X或Y轴方向的磁场分量时，通常采用的方法是在此方向上安装另一个器件来测量这个方向的磁场。这种方法要求两个器件安装时相互垂直，而且利用导线将每个低温dc SQUID器件和室温读出电路连接时，这些导线通常不在一个平面上，因此，相比单个器件，增加了体积和安装难度。当再增加测量一个方向磁场的要求，即同时测量X，Y和Z轴方向三个方向的磁场时，需要将三个器件集成在一个立方体的三个相邻的表面，每个dc SQUID器件测量一个空间方向的磁场，如图3所示，构成三维磁场测量组件，因为利用三个方向的磁场可以合成空间磁场，因此，三维磁场测量组件在弱磁测量应用中测量磁场变化，尤其是在无屏蔽环境下测量地球磁场变化等应用中具有重要的作用。但是三维磁场测量组件，相比单个器件而言，其体积增大，3个器件的安装难度增加，而且组件中立方体的加工精度和dc SQUID器件固定在立方体表面的精度造成了三维测量组件的非正交性误差。

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三维磁场测量组件及制备方法，用于解决现有技术中三维磁场测量组件体积大、安装难度大、立方体结构造成的三维测量组件非正交性误差大等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维磁场测量组件的制备方法，所述制备方法至少包括：

首先提供一衬底，然后在所述衬底上制备第一SQUID器件、第二SQUID器件、第三SQUID器件、第一探测线圈、第二探测线圈以及第三探测线圈，其中，制备的第一探测线圈与所述第一SQUID器件相连，且所述第一探测线圈的法线方向与X轴方向平行，用于测量X轴方向磁场；制备的第二探测线圈与所述第二SQUID器件相连，且所述第二探测线圈的法线方向与Y轴方向平行，用于测量Y轴方向磁场；制备的第三探测线圈与所述第三SQUID器件相连，且所述第三探测线圈的法线方向与Z轴方向平行，用于测量Z轴方向磁场。

作为本发明三维磁场测量组件的制备方法的一种优化的方案，所述制备第一SQUID器件方法包括：

1)提供一衬底，于所述衬底上依次外延生长第一超导材料层、第一绝缘材料层、第二超导材料层的三层薄膜结构；

2)刻蚀所述三层薄膜结构，以形成底电极；

3)刻蚀所述底电极上的部分所述第二超导材料层和第一绝缘材料层以形成约瑟夫森结；

4)在所述步骤3)形成的结构表面形成第二绝缘材料层，开孔以露出所述约瑟夫森结的第二超导材料层表面、底电极表面；

5)沉积第三超导材料层，并刻蚀所述第三超导材料层形成顶电极和输入线圈，所述顶电极用于引出所述约瑟夫森结。

作为本发明三维磁场测量组件的制备方法的一种优化的方案，所述第二SQUID器件和第三SQUID器件的制备方法与所述第一SQUID器件的制备方法相同。

作为本发明三维磁场测量组件的制备方法的一种优化的方案，所述第一探测线圈的制备方法包括：

在所述步骤2)中，形成所述底电极的同时，刻蚀所述三层薄膜结构，形成多条底层探测线圈层；

在所述步骤3)中，形成所述约瑟夫森结的同时，刻蚀去除所述多条底层探测线圈层上的所述第二超导材料层和第一绝缘材料层；

在所述步骤4)中，开孔露出所述约瑟夫森结的第二超导材料层表面、底电极表面的同时，开孔露出每条底层探测线圈层的两端表面；

在所述步骤5)中，形成所述顶电极、输入线圈的同时，刻蚀所述第三超导材料层形成多条顶层探测线圈层，所述顶层探测线圈层通过开孔连接相邻两条底层探测线圈层，并且所述顶层探测线圈层与所述输入线圈相连，所述顶层探测线圈层和底层探测线圈层构成第一探测线圈，所述第一探测线圈的法线方向与X轴方向平行。

作为本发明三维磁场测量组件的制备方法的一种优化的方案，所述第二探测线圈的制备方法包括：

在所述步骤5)中，形成所述顶电极、输入线圈的同时，刻蚀所述第三超导材料层形成多条顶层探测线圈层，所述顶层探测线圈层通过开孔连接相邻两条底层探测线圈层，并且所述顶层探测线圈层与所述输入线圈相连，所述顶层探测线圈层和底层探测线圈层构成第二探测线圈，所述第二探测线圈的法线方向与Y轴方向平行。

作为本发明三维磁场测量组件的制备方法的一种优化的方案，所述第三探测线圈的制备方法包括：

在所述步骤5)中，形成所述顶电极、输入线圈的同时，刻蚀所述第三超导材料层形成第三探测线圈，并且所述第三探测线圈与所述输入线圈相连，所述第三探测线圈的法线方向与Z轴方向平行。

本发明还提供一种利用上述制备方法制备获得的三维磁场测量组件，所述三维磁场测量组件至少包括：衬底、制备在所述衬底上第一SQUID器件、第二SQUID器件、第三SQUID器件、第一探测线圈、第二探测线圈以及第三探测线圈，其中，所述第一探测线圈与所述第一SQUID器件相连，且所述第一探测线圈的法线方向与X轴方向平行，用于测量X轴方向磁场；所述第二探测线圈与所述第二SQUID器件相连，且所述第二探测线圈的法线方向与Y轴方向平行，用于测量Y轴方向磁场；所述第三探测线圈与所述第三SQUID器件相连，且所述第三探测线圈的法线方向与Z轴方向平行，用于测量Z轴方向磁场。

作为本发明三维磁场测量组件的一种优化的方案，所述第一探测线圈和第二探测线圈为单匝或多匝结构。

本发明再提供一种利用上述测量组件进行三维磁场测量的用途。

如上所述，本发明的三维磁场测量组件及制备方法，具有以下有益效果：

本发明在一个衬底上制备了3个SQUID器件，且每一个SQUID器件探测1个空间方向的磁场，这种方法省略了现有技术组件中的立方体结构，减小了三维磁场探测组件的体积和安装难度，降低了制备成本，缩小了三个器件之间非正交性误差。

附图说明

图1为现有技术中的SQUID与探测线圈及输入线圈多层结构示意图。

图2为现有技术中的SQUID与探测线圈及输入线圈集成结构示意图。

图3为现有技术中的立方体结构的SQUID测量空间磁场的结构示意图。

图4～图8为本发明三维磁场测量组件中第一SQUID器件和第一探测线圈制备流程结构示意图。

图9为本发明三维磁场测量组件中第一SQUID器件和第一探测线圈的俯视图。

图10为本发明三维磁场测量组件中第三SQUID器件和第三探测线圈的俯视图。

图11为本发明三维磁场测量组件其中一种实施方式的整体俯视图。

元件标号说明

1 SQUID器件

11 第一SQUID器件

12 第二SQUID器件

13 第三SQUID器件

101 衬底

102 第一超导材料层

103 第一绝缘材料层

104 第二超导材料层

105 底电极

106 底层探测线圈层

10 约瑟夫森结

107 第二绝缘材料层

108 顶电极

109 顶层探测线圈层

2 超导环

3 输入线圈

4 探测线圈

401 第一探测线圈

402 第二探测线圈

403 第三探测线圈

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。

请参阅附图。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，遂图式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。

本发明提供一种三维磁场测量组件的制备方法，所述制备方法至少包括：

需要说明的是，制备所述第一SQUID器件、第二SQUID器件和第三SQUID器件的方法步骤相同。制备所述第一探测线圈和第二探测线圈的方法步骤也相同，区别在于制备的第一探测线圈和第二探测线圈的法线方向不同。

本实施例中先以制备第一SQUID器件和第一探测线圈为例进行说明。另外，需要说明的是，3个SQUID器件的制备和3个探测线圈的制备可以同时进行。

首先执行步骤1)，如图4所示，提供一衬底101，于所述衬底101上依次外延生长第一超导材料层102、第一绝缘材料层103、第二超导材料层104的三层薄膜结构。

具体地，本发明可以采用磁控溅射方式依次外延生长第一超导材料层102、第一绝缘材料层103、第二超导材料层104的三层薄膜结构。所述第一超导材料层102、所述第一绝缘材料层103及所述第二超导材料层104可以在不破坏真空环境的情况下分别在不同的腔室生长。

更具体地，提供一衬底101，所述衬底101包括：硅衬底、氧化镁衬底或蓝宝石衬底。在本实施例中，为了制备高质量的超导薄膜，所述衬底101优选为氧化镁衬底。

作为示例，所述第一超导材料层102、第二超导材料层104可以为氮化铌或铌等。本实施例中，所述第一超导材料层102和第二超导材料层104均为氮化铌材料。

作为示例，所述第一绝缘材料层103为氮化铝、氧化铝或氧化镁等。本实施例中优选氮化铝作为第一绝缘材料层103。所述第一绝缘材料层103的厚度可以为1.2nm～2.4nm，在本实施例中，所述第一绝缘材料层103的厚度仅为2nm。

其次执行步骤2)，如图5所示，刻蚀所述三层薄膜结构，以形成超导环和底电极105。

具体地，利用微加工工艺刻蚀出超导环和底电极105图形，所述微加工工艺包括但不限于光刻和刻蚀。刻蚀出的所述第一超导材料层102一部分作为超导环，一部分作为底电极105。

在本步骤中，刻蚀形成超导环和底电极105的同时，刻蚀三层薄膜结构形成多条底层探测线圈层106，如图5所示。所述底层探测线圈层106整体与第一SQUID器件11的距离根据具体器件的设计尺寸来定。所述底层探测线圈层106的形状不限，其横截面形状优选为长方形。

然后执行步骤3)，如图6所示，刻蚀底电极105上的部分所述第二超导材料层104和第一绝缘材料层103以形成约瑟夫森结10。

如图6所示，刻蚀底电极105上的部分所述第二超导材料层104和第一绝缘材料层103后，剩余的第二超导材料层104、第一绝缘材料层103和底电极105(即第一超导材料层)形成约瑟夫森结10。

本步骤中，形成约瑟夫森结10的同时刻蚀去除所述多条底层探测线圈层106上的所述第二超导材料层104和第一绝缘材料层103。

接着执行步骤4)，如图7所示，在所述步骤3)形成的结构表面形成第二绝缘材料层107，开孔以露出所述约瑟夫森结10的第二超导材料层104表面、底电极105表面。

具体地，所述第二绝缘材料层107的材质为氮化硅或二氧化硅。在本实施例中，所述第二绝缘材料层107的材质为氧化硅，在后续步骤中，用于隔离所述约瑟夫森结10的顶电极和底电极。

本步骤中，可以同时开孔露出每条底层探测线圈层106的两端表面，第二绝缘材料层107可以隔绝探测线圈的顶层和底层。

最后执行步骤5)，如图8和9所示，沉积第三超导材料层，并刻蚀所述第三超导材料层形成顶电极108和输入线圈3，所述顶电极108用于引出所述约瑟夫森结10。图8为剖视图，图9为图8的俯视图。

具体地，在步骤5)制备的结构表面沉积所述第三超导材料层，刻蚀形成的顶电极108用于引出约瑟夫森结10的电性。

本步骤中，形成顶电极108、输入线圈3的同时，刻蚀所述第三超导材料层形成多条顶层探测线圈层109，所述顶层探测线圈层109通过开孔中的第三超导材料连接相邻两条底层探测线圈层106，并且所述顶层探测线圈层106与所述输入线圈3相连，所述顶层探测线圈层106和底层探测线圈层109构成第一探测线圈401，所述第一探测线圈401的法线方向与X轴方向平行，如图9所示。所述第一探测线圈401可以是多匝结构，也可以是单匝，即一个线圈。

作为示例，所述第三超导材料层可以为氮化铌或铌等。本实施例中，所述第三超导材料层为氮化铌材料。

另外，所述第一探测线圈401的匝数和尺寸可以随实验要求而优化，以达到测量要求。

制备第二探测线圈402和第一探测线圈401的步骤类似，唯一的区别在于，第二探测线圈402的法线方向与Y轴方向平行。具体制备第二探测线圈402的步骤不再展开描述。

制备第三探测线圈403与制备第一、二探测线圈401、402有所不同。只需要在上述步骤5)制备形成顶电极108、输入线圈3的同时，刻蚀所述第三超导材料层便形成第三探测线圈403，并且所述第三探测线圈403与第三SQUID器件中13的输入线圈相连，所述第三探测线圈403的法线方向与Z轴方向平行，如图10所示为第三SQUID器件13和第三探测线圈403。

在探测三维方向的磁场时，X，Y和Z轴方向的3个器件在衬底上排列的方式可以有多种设计，图11给出其中一种排列方式，按此方式，可以在同一块衬底101上制备分别可探测3个方向空间磁场的SQUID器件。

作为示例，本发明的3个SQUID器件均为dc SQUID器件

本发明还提供一种三维磁场测量组件，如图9～11所示，该组件由上述制备方法制备获得，所述三维磁场测量组件至少包括：衬底101、制备在所述衬底101上第一SQUID器件11、第二SQUID器件12、第三SQUID器件13、第一探测线圈401、第二探测线圈402以及第三探测线圈403，其中，所述第一探测线圈401与所述第一SQUID器件11相连，且所述第一探测线圈401的法线方向与X轴方向平行，用于测量X轴方向磁场；所述第二探测线圈402与所述第二SQUID器件12相连，且所述第二探测线圈402的法线方向与Y轴方向平行，用于测量Y轴方向磁场；所述第三探测线圈403与所述第三SQUID器件13相连，且所述第三探测线圈403的法线方向与Z轴方向平行，用于测量Z轴方向磁场。

组件中，所述第一探测线圈401和第二探测线圈402为单匝或多匝结构。所述第一探测线圈401和第二探测线圈402的底层探测线圈层与器件中的第一超导材料层(超导环和底电极)为同一层，顶层探测线圈层与第三超导材料层(顶电极和输入线圈)为同一层。

利用本发明的测量组件，可以顺利测量出三个空间方向的磁场，不需要立方体结构进行额外的安装，大幅度降低测量误差。

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

1.一种三维磁场测量组件的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：

2.根据权利要求1所述的三维磁场测量组件的制备方法，其特征在于：所述制备第一SQUID器件方法包括：

2)刻蚀所述三层薄膜结构，以形成超导环和底电极；

3.根据权利要求2所述的三维磁场测量组件的制备方法，其特征在于：所述第二SQUID器件和第三SQUID器件的制备方法与所述第一SQUID器件的制备方法相同。

4.根据权利要求2所述的三维磁场测量组件的制备方法，其特征在于：所述第一探测线圈的制备方法包括：

5.根据权利要求3所述的三维磁场测量组件的制备方法，其特征在于：所述第二探测线圈的制备方法包括：

6.根据权利要求3所述的三维磁场测量组件的制备方法，其特征在于：所述第三探测线圈的制备方法包括：

7.一种利用如权利要求1～6任一项所述制备方法制备获得的三维磁场测量组件，其特征在于，所述三维磁场测量组件至少包括：衬底、制备在所述衬底上第一SQUID器件、第二SQUID器件、第三SQUID器件、第一探测线圈、第二探测线圈以及第三探测线圈，其中，所述第一探测线圈与所述第一SQUID器件相连，且所述第一探测线圈的法线方向与X轴方向平行，用于测量X轴方向磁场；所述第二探测线圈与所述第二SQUID器件相连，且所述第二探测线圈的法线方向与Y轴方向平行，用于测量Y轴方向磁场；所述第三探测线圈与所述第三SQUID器件相连，且所述第三探测线圈的法线方向与Z轴方向平行，用于测量Z轴方向磁场。

8.根据权利要求7所述的三维磁场测量组件，其特征在于：所述第一探测线圈和第二探测线圈为单匝或多匝结构。