DE102005002652B3

DE102005002652B3 - Struktur zur Modulation von Induktivitäten

Info

Publication number: DE102005002652B3
Application number: DE102005002652A
Authority: DE
Inventors: Jörn Dr. Beyer
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-01-20

Abstract

Es wird eine Struktur zur Modulation mindestens einer Induktivität für die Eingangssignalmodulation in SQUID-basierten Sensoren mit einer kryoelektronischen Schaltung (2), mindestens einer Grundplatte (7), die induktiv mit der kryoelektronischen Schaltung gekoppelt ist, und mindestens einem mit der Grundplatte (7) thermisch-gekoppelten Heizelement (8) offenbart, das zur Ansteuerung mit einem Modulationssignal vorgesehen ist, um den Zustand der Grundplatte (7) zwischen supraleitend und normalleitend durch Erwärmung derselben zu variieren. Ferner wird ein Verfahren zur Modulation mindestens einer Induktivität einer kryoelektronischen Schaltung (2) vorgestellt, die induktiv mit mindestens einer Grundplatte (7) gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird die Grundplatte (7) mit mindestens einem Heizelement (8) erwärmt, das mit der Grundplatte (7) thermisch-gekoppelt ist, so dass ein Supraleiter-Normalleiter-Übergang der Grundplatte (7) bewirkt wird und die kryoelektronische Schaltung (2) weiterhin supraleitend bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur zur Modulation von Induktivitäten, insbesondere zur Modulation mindestens einer Induktivität für die Eingangssignalmodulation in SQUID-basierten Sensoren. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für die Struktur sowie ein Verfahren zur Modulation mindestens einer Induktivität für die Eingangssignalmodulation in SQUID-basierten Sensoren.
Supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) sind hochempfindliche Wandler von magnetischen Fluss in elektrische Spannung. Sie können als höchstempfindliche Detektoren von physikalischen Messgrößen verwendet werden, sofern die zu messende physikalische Größe in eine Änderung des magnetischen Flusses umgewandelt werden kann, der von der SQUID-Induktivität umschlossen wird. Es ist beispielsweise basierend auf SQUID- Systemen möglich, Stromsensoren zur realisieren, indem ein Strom in eine Spule eingeprägt wird. Hat diese Eingangsspule – entweder direkt oder beispielsweise über geeignete Transformatorschaltungen – eine nicht verschwindende Gegeninduktivität zu der SQUID-Induktivität, so führt eine Stromänderung in der Eingangsspule zu einer Flussänderung in dem SQUID-System.
Die Modulation von Signalen, beispielsweise von Gleichstrom- oder niederfrequenten Signalen, mit dem Ziel der Verschiebung von Nutzsignalenergie in Bereiche geeigneter Frequenzen, die typischerweise höher sind als die Originalfrequenz, ist eine etablierte Methode in der Signalverarbeitung. In SQUID-Systemen kann diese Methode angewendet werden, um einerseits die Messung von Gleichstrom-Signalen zu ermöglichen und/oder andrerseits die Degradation des Signal-Rausch-Verhältnisses durch niederfrequentes Rauschen des SQUID-Systems zu minimieren.

Es sind Konzepte und Realisierungen für Eingangssignal-Modulationsverfahren für SQUID-Systeme beschrieben, die auf der Induzierung eines Supraleiter-Normaleiter-Übergangs (SN-Übergang) mittels Laserstrahlung basieren. In dem Artikel "Low-frequency noise reduction in SQUID measurements using a laser-driven superconducting switch" von J. T. Anderson et al., Rev. Sci. Inst. Vol. 60, 202 (1988) und in dem Artikel "Noise reduction in low-frequency SQUID measurements with laserdriven switching" von C. E. Cunningham et al., Appl. Phys. Lett. Vol. 63, 1152 (1993) werden Konzepte beschrieben, bei denen direkt im Eingangskreis ein SN-Übergang in einen Teilbereich dieser Struktur laserstrahlinduziert wird. Alternativ kann in einer induktiv an den Eingangskreis gekoppelten supraleitenden Struktur ein SN-Übergang in einen Teilbereich dieser Struktur laserstrahlinduziert werden, wie es in dem Artikel "Improved design of an optically switched inductance modulation circuit for noise reduction in SQUID systems" von G. S. Park et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. Vol. 5, 3214 (1995) beschrieben ist. Den in den vorstehend genannten Artikeln beschriebenen Konzepten und Realisierungen einer Induktionsmodulation ist gemeinsam, dass

i) die induktionsmodulierende Wirkung durch die von dem SN-Übergang hervorgerufene Umwandlung einer mehrfach-zusammenhängenden supraleitenden Struktur (beispielsweise eines supraleitenden Ringes) in eine einfach-zusammenhängende supraleitende Struktur erzielt wird, und
ii) der SN-Übergang optisch induziert wird.

Bei dem Übergang der einfach-zusammenhängenden supraleitenden Struktur in eine mehrfach-zusammenhängende supraleitende Struktur treten Zustände unterschiedlichen magnetischen Flusses in der mehrfach-zusammenhängenden supraleitenden Struktur auf, die thermisch aktiviert sind. Die Häufigkeit des Auftretens unterschiedlicher Flusszustände folgt einer statistischen Gleichverteilung mit einer Varianz, die temperaturabhängig und von der Induktivität der mehrfach-zusammenhängenden supraleitenden Struktur, nicht jedoch vom magnetischen Feld bei einem SN-Übergang abhängig ist. Das Auftreten dieser zufälligen Flusszustände in der Induktivitätsmodulationsschaltung kann dazu führen, dass der von dem SQUID-System detektierte magnetische Fluss das Eingangssignal nicht wie gewünscht eindeutig abbildet, sondern dass dynamisch statistische Flussoffset-Fehler auftreten.

Die Eliminierung derartiger Flussoffset-Fehler ist durch Methoden der Signalprozessierung möglich. Jedoch erhöhen derartige Methoden die Komplexität der SQUID-Auslesung. Des Weiteren werden dynamische Eigenschaften des SQUID-Systems, beispielsweise die maximale tolerierbare Signaländerungsrate (slew rate) in Flussrückkopplungsbetrieb, durch das Auftreten statistischer Flusszustände beeinträchtigt.

Für die Verwendung einer optischen Anregung zum Hervorrufen des SN-Überganges in einer Struktur einer kryoelektronischen Schaltung ist ein entsprechendes optisches System notwendig. Hierbei ist typischerweise die Strahlungsquelle bei Raumtemperatur und es ist eine Freistrahl- oder faseroptische Strecke von der Strahlungsquelle zu der kryoelektronischen Schaltung erforderlich. Diese zusätzlichen Komponenten erhöhen ebenfalls die Komplexität des SQUID-Systems.

In der WO 96/21129 ist eine Einrichtung zur Überwachung und Steuerung der Betriebstemperatur eines supraleitenden Schaltkreises auf einem Substrat mit einem auf dem gleichen Substrat angeordneten Heizelement beschrieben. Eine Steuerschaltung ist zur Aktivierung und Deaktivierung des Heizelementes vorgesehen, wobei ein Temperatursensor im thermischen Einflussbereich des supraleitenden Schaltkreises angeordnet ist.

Mit der Konfiguration wird die Temperatur einer kyroelektronischen Schaltung in einem schmalen, vorbestimmten Temperaturbereich von ± 0,1 K überwacht und geregelt. Für die Funktion eines Induktionsmodulators ist eine derartige Temperaturmessung und -regelung unbedeutend. Das Arbeitsprinzip von Induktionsmodulatoren beruht vielmehr auf der Erzeugung einer im Vergleich zu 0,1 K typischerweise deutlich größeren Temperaturänderung, die einen SN-Übergang hervorruft. Die ungeregelte elektrothermische Erwärmung kann die Temperatur einer Grundplatte z.B. von 4,2K (typische Arbeitstemperatur von kyroelektrischen Schaltungen auf Niob-Basis) auf > 9,2K (kritische Temperatur von Niob) erhöhen.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Modulation von Induktivitäten für die Eingangssignalmodulation in SQUID-basierten Sensoren zu ermöglichen, ohne dass zufällige Flusszustände auftreten.

Diese Aufgabe wird mit einer Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 dient zur Herstellung der erfindungsgemäßen Struktur.

Erfindungsgemäß ist eine Struktur zur Modulation mindestens einer Induktivität für die Eingangssignalmodulation in SQUID-basierten Sensoren mit einer kryoelektronischen Schaltung, mindestens einer einfach-zusammenhängenden Grundplatte, die induktiv mit der kryoelektronischen Schaltung gekoppelt ist, und mindestens einem mit der Grundplatte thermisch-gekoppelten Heizelement, das zur Ansteuerung mit einem Modulationssignal vorgesehen ist, um den Zustand der Grundplatte zwischen supraleitend und normalleitend durch Erwärmung derselben zu variieren, während die kryoelektronische Schaltung supraleitend bleibt. Mit einfach-zusammenhängend wird eine Struktur bezeichnet, auf deren Oberfläche geschlossene Kurven sich stets kontinuierlich auf einen Punkt zusammenziehen lassen. Mit anderen Worten, eine einfach-zusammenhängende Struktur besitzt keine Löcher.

Durch die elektro-thermische Erwärmung wird ein SN-Übergang der einfach-zusammenhängenden Grundplatte aus einem supraleitenden Material herbeigeführt, die induktiv an einen Teil der kryoelektronischen Schaltung gekoppelt ist. Die Grundplatte dient in einem supraleitenden Zustand als supraleitende Grundplatte des Teils der kryoelektronischen Schaltung und reduziert die Induktivität dieses Schaltungsteils auch für Gleichstrom- bzw. sehr niederfrequenten Signale.

Die induktivitätsreduzierende Wirkung der supraleitenden Grundplatte ist in dem für die Erfindung relevanten Frequenzbereich von Gleichstrom bis Megahertz-Bereiche im Wesentlichen unabhängig von der Signalfrequenz. Wird ein SN-Übergang der Grundplatte herbeigeführt, so wirkt die Grundplatte als normalleitende Grundplatte. Eine induktivitätsreduzierende Wirkung ist im Vergleich zur supraleitenden Grundplatte dann jedoch nur für Frequenzen relevant, für die die Skintiefe der normalleitenden Grundplatte in der Größenordnung der Dicke der Grundplatte ist.

Die Modulation der Induktivität der kryoelektronischen Schaltung für Gleichstrom- bzw. niederfrequente Signale wird somit durch die unterschiedliche Wirkung einer einfach-zusammenhängenden Grundplatte in einer kryoelektronischen Schaltung in einem supraleitenden bzw. in einem normalleitenden Zustand erreicht. Da der Wechsel zwischen den beiden Leitzuständen thermo-elektrisch angeregt wird, ist zu der Herbeiführung des SN-Übergangs kein komplizierter Aufbau für eine optische Anregung erforderlich. Ferner wird das Auftreten zufälliger Flusszustände mehrfach-zusammenhängender Strukturen vermieden und es ist trotz dieser Vereinfachungen gegenüber der optischen Induktivitätsmodulation ein hohes Modulationsverhältnis der Induktivität erreichbar.

Bevorzugt wird bei einer erfindungsgemäßen Struktur die kryoelektronische Schaltung zwischen einem Substrat und einer von dem Substrat zumindest teilweise beabstandeten Trägerschicht derart angeordnet, dass die kryoelektronische Schaltung in Kontakt mit dem Substrat und von der Trägerschicht beabstandet ist. Durch den Kontakt mit dem Substrat ist die kryoelektronische Schaltung mit diesem thermisch gekoppelt. Durch den Abstand zwischen der kryoelektronischen Schaltung und der Grundplatte sind diese thermisch entkoppelt. Durch eine Ankopplung der Gesamtstruktur an ein Kältebad ist es daher möglich, die Grundplatte durch das Heizelement zu erwärmen, ohne dass die Substrattemperatur und damit die Temperatur der kryoelektronischen Schaltung signifikant erhöht werden.

Die Trägerschicht der erfindungsgemäßen Struktur weist bevorzugt eine Schichtdicke von weniger als 1 μm, insbesondere etwa 0,5 μm auf. Ebenfalls vorteilhaft ist der Abstand zwischen der kryoelektronischen Schaltung und der Grundplatte ≤ 1 μm.

Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Struktur die Grundplatte und das Heizelement an der der kryoelektronischen Schaltung abgewandten Seite der Trägerschicht angeordnet. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die Grundplatte und das Heizelement thermisch von der kryoelektronischen Schaltung ausreichend entkoppelt sind. Die induktive Kopplung der kryoelektronischen Schaltung und der Grundplatte ist jedoch für die Induktionsmodulation notwendig und erfordert eine derart bereitge stellte geringe räumliche Distanz zueinander. Alternativ kann die Grundplatte an der der kryoelektronischen Schaltung zugewandten Seite der Trägerschicht angeordnet werden. Die Grundplatte würde dann an der Trägerschicht hängend platziert sein.

In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Struktur ist die kryoelektronische Schaltung ein Segment einer supraleitenden Koplanarleitung, die eine Bahnbreite von etwa 5 μm, einen Bahnabstand von etwa 5 μm und eine Schichtdicke von etwa 200 nm aufweist. Aber auch viele andere Strukturen sind denkbar, die gegebenenfalls höhere Modulationsverhältnisse erlauben. Auch sind andere Bahnbreiten in Abhängigkeit der Struktur vorteilhaft und die Schichtdicken können in kryoelektronischen Schaltungen typischerweise Werte zwischen etwa 100 und 500 nm betragen. Durch die Auswahl der Form bzw. des Design der kryoelektronischen Schaltung kann weiterhin das Auftreten des Nyquistrauschens vermindert werden.

Ebenfalls vorteilhaft ist die Grundplatte der erfindungsgemäßen Struktur einfachzusammenhängend und weist bevorzugt eine Bahnbreite von etwa 50 μm und eine Schichtdicke von etwa 200 nm auf. Auch die Dimensionierung der Grundplatte kann variieren und andere Bahnbreiten bzw. Schichtdicken sind vorteilhaft.

In vorteilhafter Weise weist die Grundplatte einer erfindungsgemäßen Struktur eine spezifische Leitfähigkeit von etwa 1,7·10⁴ Ω^–1 mm^–1 auf. Dieser Wert entspricht der spezifischen Leitfähigkeit von Niob, das in der Kryoelektronik vielfach verwendet wird. Für die Wirkungsweise (Nyquistrauschen der normalleitenden Grundplatte) des Induktionsmodulators können davon abweichende spezifische Normalleitfähigkeiten des Grundplattenmaterials vorteilhafter sein. Letztendlich hängt der Wert der spezifischen Leitfähigkeit von dem verwendeten Material der Grundplatte ab.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Modulation mindestens einer induktivität einer kryoelektronischen Schaltung, die induktiv mit mindestens einer Grundplatte gekoppelt ist, sieht ein Erwärmen der Grundplatte mit mindestens einem Heizelement vor, das mit der Grundplatte thermisch-gekoppelt ist, so dass ein Supraleiter-Normalleiter- Übergang der Grundplatte bewirkt wird und die kryoelektronische Schaltung weiterhin supraleitend bleibt.

Durch das bevorzugt elektro-thermische Erwärmen der Grundplatte mit dem Heizelement entfällt eine komplizierte optische Anregung der Grundplatte, um den erforderlichen SN-Übergang der Leitzustände zu erzeugen.

Das Verfahren zur Herstellung weist erfindungsgemäß folgende Schritte auf: Vorsehen einer kryoelektronischen Schaltung mit mindestens einer Induktivität auf einem Substrat, Bedecken eines Teils der kryoelektronischen Schaltung mit einer Deckschicht, Aufbringen einer Trägerschicht auf der Deckschicht, anschließendes Entfernen der Deckschicht und Aufbringen mindestens einer Grundplatte und mindestens eines Heizelementes auf der Trägerschicht. Auf diese Weise wird eine Struktur geschaffen, in der die Grundplatte mit dem Heizelement eine geringe räumliche Distanz zu der kryoelektronischen Schaltung aufweist, aber dennoch thermisch ausreichend von dieser entkoppelt ist.

Alternativ kann die Grundplatte an der der kryoelektronischen Schaltung zugewandten Seite der Trägerschicht, quasi an dieser hängend, angeordnet werden. Die Reihenfolge würde sich entsprechend ändern, in dem auf der Deckschicht die Grundplatte aufgebracht und anschließend die Trägerschicht ausgebildet würde. Ein invertierter Aufbau mit der Grundplatte und dem Heizelement auf dem Substrat und der kryoelektronischen Schaltung auf der Trägerschicht ist ebenfalls möglich.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen in:
1a–e einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Struktur in verschiedenen Stadien der Herstellung; und
2a–e jeweils eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Struktur aus den 1a–e in den entsprechenden verschiedenen Stadien der Herstellung.
In den 1a–e bzw. 2a–e ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Struktur in verschiedenen jeweils sich entsprechenden Stadien der Herstellung schematisch dargestellt. Die 1a und 2a zeigen ein Substrat 1 auf dem eine kryoelektronische Schaltung 2 angeordnet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die kryoelektronische Schaltung 2 ein Segment einer supraleitenden Koplanarleitung mit zwei Leiterbahnen 3, die parallel zueinander angeordnet sind.
Die kryoelektronische Schaltung 2 wird mit einer Deckschicht 4 zumindest teilweise bedeckt, wie den 1b und 2b zu entnehmen ist. 1b zeigt darüber hinaus, dass der Querschnitt der Deckschicht 4 im Wesentlichen trapezförmig ist. Die Höhe der Deckschicht 4 ist derart bemessen, dass oberhalb der kryoelektronische Schaltung 2 der erforderliche Abstand zu einer in einem späteren Herstellungsschritt bereitgestellten Grundplatte (7 in 1e) eingehalten wird.
Im nächstfolgenden Herstellungsschritt, der in den 1c und 2c illustriert ist, wird auf der Deckschicht 4 eine Trägerschicht 5 aufgebracht. Die Trägerschicht 5 weist in diesem Beispiel insgesamt sechs Streben 6 auf, die von der Oberseite der Deckschicht 4 bis zum Substrat 1 reichen. im Bereich der geneigt verlaufenden Seiten der Deckschicht 4 befindet sich mit Ausnahme der Streben 6 keine Trägerschicht 5.
Nachdem die Trägerschicht 5 stabil aufgebracht wurde, wird im nächsten Herstellungsschritt, dargestellt in den 1d und 2d, die Deckschicht 4 (aus 1c, 2c) vollständig entfernt. Schließlich werden auf der Trägerschicht 5 eine Grundplatte 7 und ein Heizelement 8 angeordnet. Das Heizelement 8 wird über die Streben 6 der Trägerschicht 5 mit elektrischen Zuleitungen 9 kontaktiert. Der vorstehend beschriebene oberflächenmikromechanische Aufbau ermöglicht die Herstellung einer Mehrlagen-Dünnschicht Struktur, die in 1e und 2e gezeigt ist, welche die Funktionen von kryoelektronischer Schaltung 2, Grundplatte 7 und Heizelement 8 mit den beschriebenen Randbedingungen, geringe räumliche Distanz zwischen der Schaltung 2 und der Grundplatte 7 bei gleichzeitiger ausreichender thermischer Entkopplung, ermöglicht. Ein invertierter Aufbau mit der Grundplatte 7 und dem Heizelement 8 auf dem Substrat 1 und der kryoelektronischen Schaltung 2 auf der Trägerschicht 5 ist ebenfalls möglich.
Wird das Heizelement 8, das einen Widerstand R_H aufweist, mit einem Strom I_H beaufschlagt, so führt die dissipierte Leistung in einem stationären Fall zu einer Erhöhung der Temperatur des Heizelementes 8. Bei geeigneter thermischer Dimensionierung des Aufbaus wird dadurch ebenfalls die Temperatur T_T der Trägerschicht 5 gegenüber der Temperatur T_S des Substrats 1 erhöht. In einem vereinfachten thermischen Modell (ideale thermische Kopplung zwischen dem Heizelement 8, der Trägerschicht 5 und der Grundplatte 7) gilt: GTS(TT – TS) ≈ RHIH 2
Der Parameter G_TS charakterisiert hierbei die thermische Leitfähigkeit zwischen der Trägerschicht 5 und dem Substrat 1, welche von den verwendeten Materialien und Geometrien der oberflächenmikromechanischen Verbindungselemente bzw. Streben 6 zwischen der Trägerschicht 5 und dem Substrat 1 und der elektrischen Zuleitung 9 zu dem Heizelement 8 bestimmt wird. Bei geeigneter Dimensionierung der Parameter G_TS, R_H und I_H und thermischer Ankopplung der Gesamtstruktur an das Kältebad (Substrat 1) wird durch die Erhöhung der Temperatur der Trägerschicht 5 ein SN-Übergang in der gesamten Grundplatte 7 hervorgerufen, ohne dass die Sub strattemperatur T_S und damit die Temperatur der kryoelektronischen Schaltung 2 signifikant erhöht wird. Wird der Heizstrom I_H durch das Heizelement 8 abgeschaltet, kühlt sich die Trägerschicht mit Grundplatte 7 und Heizelement 8 ab, bis sie im thermischen Gleichgewicht die Temperatur T_S des Substrats 1 erreicht. Die Grundplatte 7 ist bei dieser Temperatur dann erneut im supraleitenden Zustand.
Die verwendeten Materialien und Geometrien des beschriebenen oberflächenmikromechanischen Aufbaus bestimmen die notwendige elektrische Verlustleistung zum Hervorrufen des SN-Übergangs sowie das dynamische thermische Verhalten und damit den Bereich möglicher Modulationsfrequenzen der kryoelektronischen Schaltung 2. Aus der thermischen Zeitkonstante t_TS = f(G_TS, C_TS), mit C_T = f(T_T) – Wärmekapazität der Trägerschicht, ergibt sich eine obere Grenze der anwendbaren Modulationsfrequenz.
Vergleichbare Trägerschichtstrukturen werden in Tieftemperatur-Strahlungsdetektoren auf Basis von Mikrokalorimetern verwendet. Die mit diesen Bauelementen erreichten maximalen (minimalen) Bandbreiten (Zeitkonstanten) betragen bis zu 10 kHz (60 μs). Es ist daher davon auszugehen, dass mit dem beschriebenen oberflächenmikromechanischen Aufbau ebenfalls Modulationsfrequenzen bis in den Bereich mehrere Kilohertz realisiert werden können.
Die Verwendung einer einfach-zusammenhängenden Grundplatte 7 eliminiert das Auftreten unterschiedlicher Flusszustände in einer mehrfach-zusammenhängenden supraleitenden Struktur beim SN-Übergang. Es kann in der einfachzusammenhängenden Grundplatte 7 jedoch ebenfalls zu einem Auftreten eines magnetischen Flusses in dem supraleitenden Material kommen, bei Supraleitern erster Art in Form einer sogenannten Shubnikov-Phase, bei Supraleitern der zweiten Art durch das Auftreten von Abrikosov-Vortices, also unerwünschte magnetische Flüsse. Die quantisierten, statistisch verteilten Stromwirbel in dem Material klingen durch die Supraleitung nicht ab. Sie werden auch mit Magnetisierung bezeichnet, da sie dieselbe Wirkung haben.
Der magnetische Fluss tritt jedoch in einfach-zusammenhängenden supraleitenden Strukturen – im Gegensatz zu mehrfach-zusammenhängenden supraleitenden Strukturen – nur oberhalb eines material- und geometrieabhängigen kritischen Feldes auf. Eine geeignete Wahl des Materials und der Geometrie der supraleitenden Grundplatte 7 und gegebenenfalls eine magnetische Schirmung der Gesamtstruktur eliminierendes das Auftreten eines magnetischen Flusses und damit die statistischen Flussoffset-Fehler bei wiederholten SN-Übergängen in der Grundplatte 7.
Die Wirkungsweise des beschriebenen Aufbaus ist bezüglich der Induktivitätsmodulation exemplarisch simuliert worden. Als Teil einer kryoelektronischen Schaltung 2 ist ein Segment einer supraleitenden Koplanarleitung mit den zwei Leiterbahnen 3 betrachtet worden. Die Breite der Leiterbahnen 3 sowie der Bahnabstand zwischen ihnen beträgt jeweils 5 μm. Die Schichtdicke der Leiterbahnen 3 beträgt 200 nm. Dieses Segment wird von einer Grundplatte 7 überdeckt.
Die Grundplatte 7 weist beispielsweise eine Bahnbreite von 50 μm und eine Schichtdicke von 200 nm auf. Der Abstand zwischen der Grundplatte 7 und den Bahnen 3 ist mit 0,5 μm angenommen worden. Folgende Materialparameter sind benutzt worden, die sich an den Werten von relevanten Supraleitern, beispielsweise Niob und/oder Blei, orientieren:
Londonsche Eindringtiefe der supraleitenden Segmente: 40 nm
Londonsche Eindringtiefe der supraleitenden Grundplatte 7: 40 nm
spezifische Leitfähigkeit der normalleitenden Grundplatte 7: 1,7·10⁴ Ω^–1 mm^–1.
Es ist die Induktivität L_KP pro Länge der supraleitenden Koplanarleitung mit den Leiterbahnen 3 mit supraleitender und normalleitender Grundplatte 7 numerisch berechnet worden. Weiterhin liefert die numerische Simulation im Falle der normallitenden Grundplatte 7 die scheinbare resistive Impedanz R_KP der supraleitenden Struktur bei einer Frequenz von f = 1 Hz. Aus R_KP lässt sich das magnetische Flussrauschen in der supraleitenden Koplanarleitung ermitteln, die durch das Nyquistrau schen der normalleitenden Grundplatte 7 hervorgerufen wird. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: Simulierte Induktivitäten und scheinbare resistive Impedanz normiert auf die Länge der betrachteten supraleitenden Koplanarleitung bei supraleitender und normalleitender Grundplatte.
Aus den berechneten Induktivitätsverhältnissen von ca. 0,25 lässt sich ein Kopplungsfaktor k ≈ 0,87 für den Abstand der Grundplatte von den supraleitenden Strukturen von 0,5 μm ermitteln. Wird ein geringerer Abstand realisiert, so werden die Induktivitätsverhältnisse proportional 1 – k² skalieren.

Claims

Struktur zur Modulation mindestens einer Induktivität für die Eingangssignalmodulation in SQUID-basierten Sensoren mit einer kryoelektronischen Schaltung (2), mindestens einer einfach-zusammenhängenden Grundplatte (7), die induktiv mit der kryoelektronischen Schaltung (2) gekoppelt ist, und mindestens einem mit der Grundplatte (7) thermisch-gekoppelten Heizelement (8), das zur Ansteuerung mit einem Modulationssignal vorgesehen ist, um den Zustand der Grundplatte (7) zwischen supraleitend und normalleitend durch Erwärmung derselben zu variieren, während die kryoelektronische Schaltung (2) supraleitend bleibt.
Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kryoelektronische Schaltung (2) zwischen einem Substrat (1) und einer von dem Substrat (1) zumindest teilweise beabstandeten Trägerschicht (5) derart angeordnet ist, dass die kryoelektronische Schaltung (2) in Kontakt mit dem Substrat (1) und von der Trägerschicht (5) beabstandet ist.
Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (5) eine Membran ist.
Struktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (5) eine Schichtdicke von weniger als 1 μm, insbesondere etwa 0,5 μm aufweist.
Struktur nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der kryoelektronischen Schaltung (2) und der Grundplatte (7) ≤ 1 μm ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (7) und das Heizelement (8) an der der kryoelektronischen Schaltung (2) abgewandten Seite der Trägerschicht (5) angeordnet sind.
Struktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kryoelektronische Schaltung (2) ein Segment einer supraleitenden Koplanarleitung (3) ist, die eine Bahnbreite von etwa 5 μm, einen Bahnabstand von etwa 5 μm und eine Schichtdicke von etwa 200 nm aufweist.
Struktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (7) eine Bahnbreite von etwa 50 μm und eine Schichtdicke von etwa 200 nm aufweist.
Struktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (7) eine spezifische Leitfähigkeit von etwa 1,7·10⁴Ω^–1 mm^–1 aufweist.
Verfahren zur Modulation mindestens einer Induktivität einer kryoelektronischen Schaltung (2), die, induktiv mit mindestens einer Grundplatte (7) gekoppelt ist, gekennzeichnet durch Erwärmen der Grundplatte (7) mit mindestens einem Heizelement (8), das mit der Grundplatte (7) thermischgekoppelt ist, so dass ein Supraleiter-Normaleiter-Übergang der Grundplatte (7) bewirkt wird und die kryoelektronische Schaltung (2) weiterhin supraleitend bleibt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Grundplatte (7) mit dem Heizelement (8) elektro-thermisch durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Struktur nach einem der vorstehenden Ansprüche 1–9 mit folgenden Schritten: – Vorsehen einer kryoelektronischen Schaltung mit mindestens einer Induktivität auf einem Substrat; – Bedecken eines Teils der kryoelektronischen Schaltung mit einer Deckschicht; – Aufbringen einer Trägerschicht auf der Deckschicht; – Entfernen der Deckschicht; und – Aufbringen mindestens einer Grundplatte und mindestens eines Heizelementes auf der Trägerschicht.