DE19511172C2

DE19511172C2 - rf-SQUID with tank circuit

Info

Publication number: DE19511172C2
Application number: DE1995111172
Authority: DE
Inventors: Yi Zhang; Martin Gottschlich; Helmut Soltner
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1995-03-28
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2015-03-29
Also published as: DE19511172A1; WO1996030776A1

Description

Die Erfindung betrifft einen rf-SQUID mit Tankschwing kreis gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to an rf-SQUID with tank swinging circle according to the preamble of the main claim.

SQUIDs (Supraleitende Quanteninterferenzdetektoren) sind die empfindlichsten Detektoren zur Bestimmung des Wertes eines magnetischen Flusses, eines magnetischen Feldes bzw. eines Magnetfeldgradienten. Ihr potentiel les Einsatzgebiet hat sich durch die Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter (HTSL) als Materialien zur Herstellung von HTSL-SQUIDs vergrößert und umfaßt nicht mehr nur die Grundlagenforschung. Vielmehr dringen die SQUIDs mehr und mehr in Bereiche wie die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, biomagnetische und geomagnetische Untersuchungen vor.SQUIDs (superconducting quantum interference detectors) are the most sensitive detectors for determining the Value of a magnetic flux, a magnetic one Field or a magnetic field gradient. Your potential The field of application has changed through the discovery of the High temperature superconductor (HTSL) as materials for the production of HTSL-SQUIDs enlarged and no longer only includes basic research. Much more SQUIDs are penetrating more and more into areas like that non-destructive material testing, biomagnetic and geomagnetic surveys.

Aus J. Low Temp. Phys. Bd. 19, S. 201-246, 1975 bekannte rf-SQUIDs werden im Gegensatz zu den dc- SQUIDs nicht direkt (galvanisch) mit Elektroden kontaktiert, sondern es wird ein Tankschwingkreis induktiv an den SQUID, dessen Induktivität eine Funktion des äußeren Feldes ist, angekoppelt. Die Dämpfung dieses Tankschwingkreises ist damit ein Maß für das von außen angelegte Feld und kann durch eine geeignete Elektronik gemessen und ausgewertet werden. From J. Low Temp. Phys. Vol. 19, pp. 201-246, 1975 known rf-SQUIDs, in contrast to the dc- SQUIDs not directly (galvanically) with electrodes contacted, but it becomes a tank circuit inductive to the SQUID, the inductance of which is Function of the outer field is coupled. The Damping of this tank circuit is therefore a measure for the field created from the outside and can be replaced by a suitable electronics are measured and evaluated.

Die Empfindlichkeit des SQUIDS wird wesentlich durch die Qualität des Tankschwingkreises mitbestimmt. Diese Qualität wird quantitativ durch die Güte Q, d. h. durch das Verhältnis von Resonanzfrequenz f₀ zu Halbwertsbreite der Resonanz ausgedrückt. Man strebt für den Betrieb von rf-SQUIDs möglichst hohe Güten an, damit auch schon eine kleine Feldänderung eine signifikante Änderung der Resonanzkurve erbringt.The sensitivity of SQUIDS is largely determined by the quality of the tank resonant circuit. This quality is expressed quantitatively by the quality Q, ie by the ratio of the resonance frequency f ₀ to the half-width of the resonance. The aim for the operation of rf-SQUIDs is to achieve the highest possible quality, so that even a small change in the field results in a significant change in the resonance curve.

Gleichzeitig werden aber auch möglichst hohe Resonanz frequenzen angestrebt, denn das Feldrauschen, d. h. das Feld, welches noch vom SQUID aufgelöst werden kann, ist umgekehrt proportional zur Wurzel aus dieser Betriebs frequenz.At the same time, however, the response is as high as possible frequencies sought because the field noise, d. H. the Field that can still be resolved by the SQUID is inversely proportional to the root of this operating frequency.

Es ist zudem bekannt, für die Herstellung von Tank schwingkreisen Kupferspulen und kommerziell erhältliche Kondensatoren zu verwenden. Es kommen dabei z. B. Spulen mit einem Drahtdurchmesser von 80 µm und einer Windungszahl von 8 Windungen zum Einsatz. Solche Tank schwingkreise zeigen jedoch nachteilig eine schlecht definierte und nicht variierbare Kopplung.It is also known for the manufacture of tank oscillating circles copper coils and commercially available Capacitors to use. There are z. B. coils with a wire diameter of 80 µm and one Number of turns of 8 turns used. Such tank However, resonant circuits disadvantageously show a bad defined and not variable coupling.

Als rf-SQUID findet vielfach der Washer-SQUID Verwen dung. Dazu ist der Sensor als eine supraleitende Schicht relativ großer Fläche zur Fokussierung der Feldlinien auf einem Substrat ausgebildet. Das von der SQUID-Fläche umschlossene Washer-Loch des rf-SQUIDs wird dabei am einen Ende der Spule auf ihrer Achse positioniert. Mit dieser Anordnung erreicht man Resonanzfrequenzen f₀ von z. B. 150 MHz bei Güten Q im Bereich von 20 bis 35. Zwar kann grundsätzlich der Wert einer dieser Größen erhöht werden, dies geht dann nachteilig auf Kosten einer Abnahme der anderen Größe. Solche Washer-SQUIDs mit den bekannten Tankschwing kreisen weisen zudem den Nachteil einer schwer ein stellbaren Kopplung dieser beiden Komponenten auf.The washer SQUID is often used as rf-SQUID. For this purpose, the sensor is designed as a superconducting layer of relatively large area for focusing the field lines on a substrate. The washer hole of the rf-SQUID enclosed by the SQUID surface is positioned at one end of the coil on its axis. With this arrangement, resonance frequencies f ₀ of z. B. 150 MHz for grades Q in the range from 20 to 35. Although the value of one of these sizes can in principle be increased, this is disadvantageous at the expense of a decrease in the other size. Such washer SQUIDs with the known tank oscillation circuits also have the disadvantage of a coupling of these two components that is difficult to adjust.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen rf-SQUID zu schaf fen, bei dem eine gegenüber bekannten SQUIDs erhöhte Variabilität und Zuverlässigkeit der Kopplung erzielt wird, ohne die Resonanzfrequenz und die Güte zu beein trächtigen.It is an object of the invention to create an rf-SQUID fen, in which one increased compared to known SQUIDs Variability and reliability of the coupling achieved without affecting the resonance frequency and the quality pregnant.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen SQUID gemäß der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1.The task is solved by a SQUID according to the All of the features of claim 1.

Ohne auf die bewährten Washer-SQUIDs zu verzichten, wird auf diese Weise ein höchstempfindlicher rf-SQUID mit definiert einstellbarer, variabler Kopplung bereitgestellt. Dazu weist der SQUID einen Tankschwing kreis auf der in planarer Schichttechnik auf einem separaten Substrat gebildet ist und über Abstands halterungen zum Washer-SQUID die Variabilität erlaubt.Without foregoing the proven Washer SQUIDs, becomes a highly sensitive rf-SQUID with adjustable, variable coupling provided. The SQUID has a tank swing circle on the in a planar layer technique on one separate substrate is formed and over distance Brackets for the Washer SQUID that allow variability.

Die Ankopplung des sich auf einem separaten Substrat befindlichen Tankschwingkreises an den SQUID erfolgt in Flip-chip-Technik. Wesentlich ist in diesem Zusammen hang, daß der induktive Bereich des Tankschwingkreises an das SQUID-Loch ankoppelt. Die Ankopplung des Tank schwingkreises an die Elektronik zur Auswertung des aufgenommenen SQUID-Signals erfolgt kapazitiv.The coupling of the is on a separate substrate tank circuit on the SQUID takes place in Flip-chip technology. It is essential in this together hang that the inductive area of the tank circuit coupled to the SQUID hole. The coupling of the tank resonant circuit to the electronics for evaluating the recorded SQUID signal is capacitive.

Wegen des Fehlens des normalleitenden dc-Widerstandes im Falle eines supraleitenden Tankschwingkreises gemäß Anspruch 2 erreicht man bei einem auf diese Weise hergestellten Schwingkreis eine höhere Güte und kann wegen des varierbaren Abstands zwischen SQUID und Tankschwingkreis die Kopplung k zwischen beiden Teilen so einstellen, daß die Forderung
Because of the lack of the normally conductive dc resistance in the case of a superconducting tank resonant circuit according to claim 2, a higher quality is achieved in a resonant circuit produced in this way and, because of the variable distance between SQUID and tank resonant circuit, the coupling k between the two parts can be set such that the requirement

k² . Q < 1
k ² . Q <1

erfüllt ist. Die höhere Güte Q ermöglicht somit eine geringere Kopplung k und damit eine höhere Span nungsmodulation.is satisfied. The higher quality Q thus enables one less coupling k and thus a higher span voltage modulation.

Die Kopplung kann durch Variation des Abstandes zwischen SQUID und Tankschwingkreis mit Hilfe von dünnen isolierenden Folien auf den Randbedingungen angepaßten, optimale Werte eingestellt werden. Durch geeignete Formgebung des Layouts solcher planar ausge bildeten Tankschwingkreise ist es zudem möglich, die Arbeitsfrequenzen in einem weiten Bereich einzustellen.The coupling can be done by varying the distance between SQUID and tank circuit using thin insulating foils on the boundary conditions adjusted, optimal values can be set. By suitable shaping of the layout of such planar formed tank resonant circuits, it is also possible to Set working frequencies in a wide range.

Durch die räumliche Trennung von Tankkreis und SQUID besteht im übrigen die Möglichkeit, beide Strukturen getrennt voneinander so zu optimieren, daß auch noch andere Schwingkreisstrukturen aus Hochtemperatur supraleitendem Material ausgetestet werden können. Eine andere mögliche Auslegung des Layouts eines planaren Schwingkreises ist durch Fig. 2 gegeben.Due to the spatial separation of the tank circuit and SQUID, there is also the possibility of optimizing both structures separately from one another in such a way that other resonant circuit structures made of high-temperature superconducting material can also be tested. Another possible design of the layout of a planar resonant circuit is given by FIG. 2.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on execution examples explained in more detail. Show it:

Fig. 1 Layout eines Schwingkreises mit zwei ka pazitiven, supraleitenden Flächen; Fig. 1 layout of a resonant circuit with two capacitive, superconducting surfaces;

Fig. 2 Layout eines Schwingkreises mit einer kapazitiven, supraleitenden Fläche; FIG. 2 shows the layout of a resonant circuit with a capacitive superconducting surface;

Fig. 3 seitlicher Anblick einer Anordnung eines einen Washer-SQUID enthaltendes Sub strats A, B zu einem einen Tankschwing kreis enthaltenden Substrat C, D; Fig. 3 side view of an arrangement of a Washer-SQUID containing substrate A, B to a tank circuit containing substrate C, D;

Fig. 4 Schrägansicht der Anordnung gemäß Fig. 3. Fig. 4 angled view of the assembly of FIG. 3.

Fig. 1 zeigt das Layout eines Schwingkreises, struktu riert aus einer hochtemperatur- (HTSL-), tieftempera tursupraleitenden (TTSL) oder auch ggfs. normal leitenden Schicht. Diese Struktur findet auf einem Standardsubstrat mit einer lateralen Ausdehnung von 1 cm² Platz. Fig. 1 shows the layout of a resonant circuit, structured from a high-temperature (HTSL), low-temperature superconducting (TTSL) or possibly normal conductive layer. This structure takes place on a standard substrate with a lateral dimension of 1 cm ² .

Die strukturierte leitende Schicht ist durch die schwarzen Flächen angedeutet. Die beiden großen rechteckigen Flächen bilden - ggfs. zusammen mit einer auf der Unterseite (Rückseite) des Substrats befind lichen Kupferschicht - das kapazitive Element des Schwingkreises, den Kondensator.The structured conductive layer is through the indicated by black areas. The two big ones form rectangular areas - if necessary together with a located on the underside (back) of the substrate copper layer - that capacitive element of the resonant circuit, the capacitor.

Die Schleife in der unteren Hälfte stellt die auf eine Windung degenerierte Windung der Spule als induktives Element des Kreises dar, über dem das SQUID-Loch ge setzt wird.The loop in the lower half puts it on one Turn degenerate turn of the coil as inductive Element of the circle over which the SQUID hole ge is set.

Erste auf diese Weise hergestellten Tankschwingkreise mit dem in Fig. 1 gezeigten Layout in YBa₂Cu₃O₇- Technik zeigten Güten Q von bis zu 700 und Resonanz frequenzen f₀ von bis zu 1,3 GHz; gegenüber dem in Fig. 1 angegebenen Layout leicht abgeänderte Layouts durch Variation der Spaltbreite a zwischen den beiden das kapazitive Element bildenden, rechteckigen Strukturen führten zu Güten von bis zu 2700 bei einer Resonanzfrequenz f₀ von 0,6 GHz.The first tank oscillating circuits produced in this way with the layout shown in FIG. 1 in YBa ₂ Cu ₃ O ₇ technology showed qualities Q of up to 700 and resonance frequencies f ₀ of up to 1.3 GHz; Compared to the layout shown in FIG. 1, layouts slightly modified by varying the gap width a between the two rectangular structures forming the capacitive element led to qualities of up to 2700 at a resonance frequency f ₀ of 0.6 GHz.

Die Breite der Linie, die die beiden Flächen mitein ander verbindet und in der unteren Hälfte die induktiv wirkende Windung bildet, beträgt 30 µm. Die Schicht dicke der supraleitende Schicht wurde zu 200 nm gewählt.The width of the line that the two faces coincide with the other connects and in the lower half the inductive acting winding is 30 µm. The layer thickness of the superconducting layer became 200 nm chosen.

Fig. 2 zeigt eine alternative Möglichkeit eines Layouts zur Konstruktion eines normalleitenden oder supraleitenden Schwingkreises. Im Gegensatz zu Fig. 1 gibt es hier nur einen Kondensator sowie eine Spule mit nur einer Windung. Die untere Linie endet mit einem Durchkontakt durch das Substrat zur Erde auf der nicht näher dargestellten Rückseite des Substrats. Fig. 2 shows an alternative possibility of a layout for a normal-conducting or superconducting resonant circuit construction. In contrast to Fig. 1 there is only one capacitor and a coil with only one turn. The bottom line ends with a through-contact through the substrate to earth on the back of the substrate, not shown in detail.

Dieses Layout kann deswegen für die Strukturierung von Kupferplatinen benutzt werden. Mit einem solchen Layout bei Verwendung des Materials Kupfer mit 30 µm Schichtdicke für den LC-Kreis wurden Güten von 125 bei einer Resonanzfrequenz von 600 MHz erreicht.This layout can therefore be used for structuring Copper boards are used. With such a layout when using the material copper with 30 µm Layer thicknesses for the LC circuit were grades of 125 reached a resonance frequency of 600 MHz.

In der Fig. 3 ist das den Washer-SQUID B enthaltende Substrat A in Seitenansicht mit dem Substrat D, das den planaren Tankschwingkreis (LC-Kreis) C enthält, dargestellt.In FIG. 3, the substrate to the washer-SQUID B containing A in side view with the substrate D that contains the planar tank circuit (LC circuit) C is shown.

Durch geeignete Abstandshalterungen, z. B. mit Hilfe einer elektrisch isolierenden Folie definierter Dicke (z. B. 10 µm), kann der Abstand zwischen SQUID und Tankschwingkreis eingestellt und auf diese Weise den Randbedingungen entsprechend eine individuell wählbare Kopplung k gewählt werden.With suitable spacers, e.g. B. with help an electrically insulating film of defined thickness (e.g. 10 µm), the distance between SQUID and Tank tank circuit set and in this way the Boundary conditions corresponding to an individually selectable Coupling k can be selected.

In der Fig. 4 ist eine Schrägansicht eines einen Tankschwingkreis B mit Layout nach Fig. 1 enthaltenden Substrats relativ zu einem einen Washer-SQUID enthal tenden Substrat A dargestellt. Nicht maßstabsgerecht dargestellt ist das Washer-SQUID-Loch; dieses ist in Wirklichkeit nicht so groß wie das induktiv wirkende Element des LC-Kreises. Tatsächlich war die Abmessung des Washer-Lochs 20 . 20 µm². Aus der Fig. 4 geht jedoch die relative Anordnung des induktiven Elements des LC- Kreises auf dem einen Substrat zum Washer-SQUID-Loch auf dem anderen Substrat hervor. Zur induktiven Kopp lung liegt das induktive Element über dem SQUID-Loch. FIG. 4 shows an oblique view of a substrate containing a tank resonant circuit B with the layout according to FIG. 1 relative to a substrate A containing a washer SQUID. The Washer SQUID hole is not drawn to scale; in reality this is not as large as the inductively acting element of the LC circuit. In fact, the dimension of the washer hole was 20. 20 µm ² . However, the relative arrangement is on the one substrate to the washer-SQUID-hole on the other substrate out of the inductive element of the LC circuit of FIG. 4. For inductive coupling, the inductive element lies over the SQUID hole.

Die Erfindung ist nicht auf SQUIDs mit planaren Tank schwingkreisen in HTSL-Technik beschränkt. Vielmehr kann der planar ausgebildete Tankschwingkreis auch aus einer Kupfer-Schicht oder einem anderen metallischen Material gebildet werden.The invention is not based on SQUIDs with a planar tank resonance circuits limited in HTSL technology. Much more the planar tank circuit can also be used a copper layer or another metallic Material are formed.

Auch ist es vorstellbar, den planaren Tankschwingkreis in TTSL-, insbesondere Niob-Technik auszubilden und den Washer-SQUID entweder in HTSL-Technik oder ebenfalls auch in TTSL-Technik auszuführen. Soweit der SQUID mit Tankschwingkreis in HTSL- Technik ausgeführt wird, sind alle mit diesem Material behafteten Vorteile, wie z. B. den Einsatz eines solchen SQUIDs bei Temperaturen von bis zu 77 Kelvin, gegeben.It is also conceivable the planar tank circuit to train in TTSL, in particular niobium technology and the Washer-SQUID either in HTSL technology or also also in TTSL technology. So far the SQUID with tank resonant circuit in HTSL Technology is executed, all are made with this material Benefits, such as B. the use of such SQUIDs at temperatures of up to 77 Kelvin.

Im übrigen können auch Layouts zur Anwendung kommen, die eine Mehrzahl der oben angegebenen induktiven und/ oder kapazitiven Basiselemente des LC-Kreises enthal ten. Dabei kann das induktive Element, wie gezeigt in Fig. 1 oder Fig. 2, eine Spule mit einer einzigen Windung sein. Es ist jedoch auch vorstellbar, eine mehrere Windungen enthaltende Spule in Planartechnik zu bilden, z. B. als spiralförmige Schleife, deren Ende in der Mitte der Spirale durch das Substrat zur Rückseite des Substrats weitergeleitet wird.For the rest, layouts can be used, the th, a plurality of the above-inductive and / or capacitive basic elements of the LC circuit contained. In this case, the inductive element, as shown in Fig. 1 or Fig. 2, a coil having a single Be swirl. However, it is also conceivable to form a coil containing several turns using planar technology, e.g. B. as a spiral loop, the end of which is passed in the middle of the spiral through the substrate to the back of the substrate.

Claims

1. Rf-SQUID with tank resonant circuit, characterized in that to form the tank resonant circuit on a substrate separated from the Rf-SQUID and arranged in this flip-chip technology, a metallic conductive layer is present, which is structured such that at least one lateral, flat capacitive structure is connected to a laterally elongated, inductive structure.

2. Rf-SQUID according to claim 1, characterized, that as a material for the metallic conductive Layer a superconductor, especially a high temperature natural superconductor (HTSL) is used.