DE19611900A1

DE19611900A1 - Anordnung zur Ankopplung eines rf-SQUID-Magnetometers an einen supraleitenden Tankschwingkreis auf einem Substrat

Info

Publication number: DE19611900A1
Application number: DE1996111900
Authority: DE
Inventors: Yi Zhang; Juergen Schubert; Willi Zander; Helmut Soltner; Marko Banzet
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: DE29620718U1; DE19611900C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung eines rf- SQUID-Magnetometers an einem supraleitenden Tankschwingkreis auf einem Substrat.

Verschiedene Vorschläge sind bisher verfolgt worden, rf-SQUID- Magnetometer an supraleitende Tankschwingkreise anzukoppeln.

Eine Möglichkeit besteht darin, einen λ-Resonator zu verwenden, an den ein rf-SQUID galvanisch angekoppelt ist und der gleichzeitig als ein Fluß-Pickup- Loop funktioniert. Ein solcher SQUID-Magnetometer kann eine Tankfrequenz von 3 GHz haben.

Der Einsatz eines λ-Resonators ist allerdings problematisch, da dieser nur eine geringe Güte von einigen 100 zeigt. Die stellt in Anbetracht der schon mit den λ/2-Resonatoren erreichten Güten von einigen 1000 eine recht geringe Größe dar.

Darüber hinaus führt auch die Tatsache daß durch die galvanische Kopplung ein schwer zu kalkulierender Parameter, nämlich die Hochfrequenzstromverteilung, mit berücksichtigt werden muß zu beträchtlichen Problemen. Die Hochfrequenzstromverteilung stellt eine nicht einfach zu berechnende oder experimentell zu kontrollierende Größe dar. Das SQUID-Layout ist daher schwer zu optimieren.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, planare LC-Schwingkreise aus YBaCuO-Dünnschichten mit hoher Frequenz und hoher Güte herzustellen. Diese LC-Schwingkreise werden in einer flip-chip-Anordnung mit dem rf- SQUID in washer-SQUID-Struktur betrieben. Die dabei auftretenden parasitären Kapazitäten zwischen dem LC-Schwingkreis und dem rf-SQUID verringern die Güte des LC-Schwingkreises und machen die Stromverteilung in der kombinierten LC-Schwingkreis-/washer-SQUID-Struktur kompliziert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Anordnung zu schaffen, die beim Ankoppeln eines rf-SQUID-Magnetometers an einen supraleitenden Schwingkreis die oben stehenden Probleme beseitigt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der rf-SQUID-Magnetometer in den Tankschwingkreis integriert ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung bezieht sich auf die Möglichkeit einer vorteilhaften, optimalen Ankopplung von einem rf-SQUID-Magnetometer mit einem Tankschwingkreis, die die eingangs genannten Nachteile nicht aufweist. Mit der vollintegrierten, planaren Anordnung von SQUID-Magnetometer und Tankschwingkreis wird die Güte des Schwingkreises - im Gegensatz zu der oben genannten flip-chip-Lösung des Standes der Technik - sogar um den Faktor 2 bis 3 erhöht, z. B. auf eine Güte von Q = 6000 bei einer Resonanzfrequenz von f₀ = 580 MHz. Ein Grund dafür ist, daß in der erfindungsgemäßen Anordnung squidbedingt die Abstrahlung der Hochfrequenz verringert wird.

Zudem ermöglicht die vollintegrierte und planare Anordnung eine einfache Abschätzung der Kopplung k zwischen dem rf-SQUID und dem Tankschwingkreis.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 10 erhalten.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines rf-SQUIDs und eines Tankschwingkreises in der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Ansicht eines bulk-rf-SQUIDs mit innenliegendem Tankschwingkreis gemäß einer Anordnung des Standes der Technik;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht des bulk-rf-SQUIDs aus Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des rf- SQUIDs aus Fig. 1 mit weiteren Abmessungsangaben;

Fig. 5a eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform mit multiloop-SQUID-Struktur;

Fig. 5b eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform mit Strominjektion-SQUID-Struktur;

Fig. 5c eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform mit einlagigem Transformator;

Fig. 5d eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform mit mehrlagigem Transformator mit mehreren Windungen;

Fig. 5e eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform mit Doppelspulen-Gradiometer.

Fig. 1. zeigt einen schematischen Entwurf für eine erfindungsgemäße integrierende Anordnung eines Tankschwingkreises 1 mit einem rf-SQUID 2. Tabelle 1 zeigt die Meßergebnisse bezüglich der Schwingkreisparameter mit bzw. ohne integrierter rf-SQUID-Struktur. Die Messungen beziehen sich, falls nicht anders angegeben auf

a = 0.2 mm, b = 0.5 mm, D = 22 mm, Δ = 0.15 mm, 5= 0.1 mm.

Aus der Tabelle 1 erkennt man, daß die charakteristischen Parameter des Tankschwingkreises 1 im wesentlichen durch den äußeren Durchmesser D, in geringerem Maße auch durch den Abstand b des Kondensators C, bestimmt sind. Bei Verringerung der Breite L vergrößert sich die Induktivität.

Tabelle 1

Für die Messungen 1 bis 6 gelten folgende Bedingungen:

1) f₀ = 480, Q0 = 2400
2) Vollkreis ohne SQUID-Struktur
3) mit SQUID-Struktur
4) a = 0.4 mm
5) b = 0.2 mm
6) D = 15 mm

Zur einfachen Analyse der Kopplung zwischen rf-SQUID 2 und Tankschwingkreis 1 wird die Arbeitsanordnung für eine bulk-rf-SQUID untersucht (Fig. 2). Durch mechanische Bearbeitung zum Beispiel eines supraleitenden bulk-Zylinders wird eine Schwachstelle (weak link) ausgebildet. Zusammen mit dem Rest des Zylinders entsteht dadurch ein rf-SQUID 2 mit einem SQUID-loop 3, welcher mit Hilfe einer gewickelten Tankkreisspule 1a, die in den SQUID-loop 3 eingesetzt ist, angeregt wird. Das Material der Tankkreisspule 1 besteht üblicherweise aus Kupfer.

Mit dieser Anordnung läßt sich die Kopplung k² in einfacher Weise abschätzen. Sie ist gegeben durch k² = S_c/S_L, wobei S_c die Fläche der Tankkreisspule 1(= π·R₂²) bezeichnet und S_L (= π·R₁²) die Fläche des SQUID-loops 3 angibt (siehe Fig. 3). (Praktisch wird aber k² < S_c/S_L, weil die Länge der Tankkreisspule 1 einen endlichen Wert besitzt, und ein Schlitz 4 des SQUIDs 1 eine von Null verschiedene Breite hat.)

In der Draufsicht (Fig. 3) sieht die Anordnung des bulk-rf-SQUIDs 2 ähnlich aus wie die des erfindungsgemäßen Entwurfs aus Fig. 1. Die Anordnung aus Fig. 1 unterscheidet sich von der aus Fig. 2 bzw. Fig. 3 dadurch, daß die Tankkreisspule 1a den rf-SQUID 2 umschließt (siehe auch Fig. 4). Durch eine geometrische Betrachtung ergibt sich für die Kopplung der Wert k², der sich aus dem Verhältnis der effektiven Flächen S_e der SQUID-loop 3 und der Fläche S_c der Tankkreisspule 1a ergibt.

k² = S_e/S_c ≈ α·R₂·R₃/(π·R₁²) ≈ α·R₃/R₁

Die letzte Abschätzung gilt wegen R₁ ≈ R₂. Hierbei liegt der Wert von α zwischen 0.5 und 1.

Die erfindungsgemäße integrierte Anordnung gibt die Möglichkeit, viele verschiedene SQUID-Strukturen einzusetzen. Hierunter fallen die schon beschriebenen washer-SQUID-Strukturen und multiloop-Strukturen 5 nach Drung (Fig. 5a). Außerdem lassen sich Strominjektions-SQUID-Strukturen 6 in Einlagentechnik realisieren (Fig. 5b). In flip-chip-Technik gibt es die Möglichkeit, einlagige ( Fig. 5c) oder mehrlagige Transformatoren 7 mit mehreren Windungen statt der washer-Struktur einzusetzen (Fig. 5d).

Eine weitere Möglichkeit wird durch den Gebrauch mit einem Doppelspulen- Gradiometer 8 in flip-chip Technik gegeben. Dabei verringert sich die SQUID- Induktivität um den Faktor 2. Hierbei wird eine Anordnung mit zwei in Serie geschalteten gegensinnigen Spulen 9 verwendet (Fig. 5e). Dabei wird der Kopplungsfaktor zwischen Doppelspule 9 und Doppelspulengradiometer vergrößert. Auf diese Weise entsteht ein hochempfindliches Magnetometer.

Der kapazitive Bereich des Schwingkreises 1 wird ebenfalls kapazitiv an eine 50-Ohm-Leitung (nicht dargestellt) zur Elektronik, die sich auf Raumtemperatur befindet, angekoppelt.

Die ersten Untersuchungen mit einem rf-SQUID 2 mit einem 6 · 6 mm² washer und einem 20 µm · 20 µm loop in flip-chip-Technik auf einem einlagigen Flußtrafo wurden erfolgreich durchgeführt. Die Kopplung läßt sich in diesem Fall abschätzen mit α= 0.5 und R₃ = 10 µm und R₁ = 10 mm zu k² = 1/2000. Um die Bedingung k²·Q zu erfüllen soll der Wert für die Güte des Schwingkreises mehr als 2000 betragen. Es wurde ein komplettes SQUID- Signal beobachtet. Dies unterstützt die Richtigkeit unserer obigen Abschätzung von k². Das weiße Fluß-Rauschen S_Φ ^1/2 wurde zu kleiner als 7·10^-6 Φ₀/νHz bei 77 K bestimmt. Die Eigenschaften des Schwingkreises können aus Tabelle 1 entnommen werden. Es läßt sich k² ·Q < 1 ermitteln.

Dies ist ein erfolgreicher Entwurf für ein vollintegriertes rf-SQUID- Magnetometer mit einem Tankschwingkreis auf einem Substrat.

Claims

1. Anordnung zur Ankopplung eines rf-SQUID-Magnetometers an einen supraleitenden Tankschwingkreis auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß das rf-SQUID-Magnetometer (2) in den Tankschwingkreis (1) integriert ausgebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tankschwingkreis (1) eine Tankkreisspule (1a) umfaßt, die den rf- SQUID-Magnetometer (2) umschließt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tankschwingkreis (1) und der rf-SQUID-Magnetometer (2) eine planare Struktur bilden.

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der rf-SQUID-Magnetometer (2) einen SQUID mit washer-SQUID- Struktur aufweist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der rf-SQUID-Magnetometer (2) einen SQUID mit multiloop-SQUID- Struktur (5) aufweist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der rf-SQUID-Magnetometer (2) einen SQUID mit Strominjektion-SQUID- Struktur (6) aufweist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der rf-SQUID-Magnetometer (2) einen SQUID mit einlagigen oder mehrlagigen Transformatoren (7) mit mehreren Windungen aufweist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der rf-SQUID-Magnetometer (2) einen SQUID mit einem Doppelspulen- Gradiometer (8) aufweist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelspulen-Gradiometer (8) mit zwei in Serie geschalteten gegensinnigen Spulen (9) ausgebildet ist.

10. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tankschwingkreis (1) eine minimale Resonanzfrequenz von 400 MHz und eine minimale Güte von 1000 aufweist.