DE19757323A1

DE19757323A1 - Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis

Info

Publication number: DE19757323A1
Application number: DE1997157323
Authority: DE
Inventors: X H Zeng; Dongfeng He; Willi Zander; Juergen Dr Schubert
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 1999-07-01

Description

Die Erfindung betrifft einen Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Stand der Technik sind aus M.Mück, C.Heiden "Planar micro wave biased rf SQUIDs", Appl.Phys.A, Vol 54, 475, 1992 oder Y.Zhang et al., "High-sensitivity microwave rf SQUID operating at 77 K", Supercond. Sci.Technol. (7), 269-272, 1994 rf-SQUID- Magnetometer bekannt, die mit verschiedenen Resonatorarten be trieben werden. Dabei kommen zum Beispiel λ/2- und λ-Resonatoren zum Einsatz. Wegen der Einschränkungen in den Dimensionen liegen die Resonanzfrequenzen dieser Resonatoren im Gigahertz(GHz)-Be reich, der mit einer konventionellen Elektronik nicht erreichbar ist. Eine Elektronikentwicklung, die den SQUID-Betrieb bei Fre quenzen oberhalb 1 GHz ermöglicht, ist sehr zeitaufwendig und sollte vermieden werden.

Zur Erzielung niedrigerer Frequenzen ist aus Y.Zhang et. al., Appl Phys. Lett. 71 (5), 1997, 704-706 ein koplanarer Resonator bekannt, der durch zwei Ringe charakterisiert ist, die einen einlagigen Flußkonzentrator oder einen mehrlagigen Flußtransfor mator umschließen. Dabei ist es jedoch nachteilig, daß die Be triebsfrequenz des Schwingkreises sehr hoch wird, wenn die Di mensionen des Layouts zu klein werden. Diesen Mangel kann man durch die Wahl eines Materials als Substrat mit einer höheren Dielektrizitätskonstante beheben, zum Beispiel mit SrTiO₃ mit ei ner Dielektrizitätskonstante ε < 1000 bei Stickstofftemperatur. Im Vergleich dazu hat LaAlO₃ einen Wert von ε ≈ 30, weshalb an dere Schwierigkeiten auftreten können.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis zu schaffen, bei dem diese Nachteile ver mieden werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Resonator gemäß der Gesamt heit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vor teilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf diesen An spruch rückbezogenen Unteransprüchen.

Es wurde erkannt, zur Lösung der Aufgabe einen planaren Resona tor, insbesondere auf der Basis Hochtemperatursupraleiter (HTSL)-Material, zu benutzen, der die bekannte Koplanartechnik nicht verwendet. Dazu weist der Resonator Mittel zur Bildung ei ner als supraleitende Schleife ausgeführten Induktivität und ei ner Kapazität auf, die so ausgebildet sind, daß die Induktivität an einer Stelle durch die Kapazität unterbrochen ist.

Der Vorteil dieses neuen planaren Konzeptes besteht darin, daß Resonatoren mit kleinen Dimensionen, insbesondere mit Durchmes ser kleiner 5 mm, in Verbindung mit SQUID-Sensoren kleiner Di mensionen bei niedrigen Resonanzfrequenzen, insbesondere im Be reich von 300 MHz bis zu 1 GHz, betrieben werden können, die ei nen sehr niedrigen Rauschwert auch in magnetisch nicht abge schirmter Umgebung aufweisen. Ein solcher erfindungsgemäßer Re sonator kann zum Einsatz bei geophysikalischen Messungen vor teilhaft sein.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a erfindungsgemäßer Planarresonator mit als supraleitende Schleife ausgeführter Induktivität und Kapazität in Hairpin-Konfiguration;

Fig. 1b erfindungsgemäßer Planarresonator nach Fig. 1a mit zu sätzlicher Koppelwindung;

Fig. 2a erfindungsgemäßer Planarresonator mit ringförmiger In duktivität und Kapazität in Hairpin-Konfiguration sowie mit innenliegendem Flußkonzentrator;

Fig. 2b erfindungsgemäßer Planarresonator mit Einkoppelwindung;

Fig. 2c erfindungsgemäßer Planarresonator mit mehrlagigem Fluß konzentrator;

Fig. 3a erfindungsgemäßer Planarresonator mit umschließenden Ko planarleitungen;

Fig. 3b erfindungsgemäßer Planarresonator mit umschließenden Ko planarleitungen;

Fig. 4 erfindungsgemäßer Resonanzschwingkreis mit Angaben der geometrischen Dimensionen.

Ausführungsbeispiel

In der Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Planarresonator als rf- SQUID Schwingkreis gezeigt.

Im einzelnen weist der in der Fig. 1a dargestellte, erfindungs gemäße Resonator eine Induktivität und eine Kapazität auf, die speziell geformt ist. Die Induktivität ist als supraleitender Ring ausgeführt, der an einer Stelle durch die Kapazität unter brochen sein kann. Diese Kapazität ist in vorteilhafter Weise in sogenannter Hairpin-Konfiguration ausgelegt. Der Vorteil des er findungsgemäßen Resonators liegt darin, daß die Resonanzfrequenz lediglich durch die Dimensionierung der Kapazität einstellbar oder veränderbar ausgebildet sein kann. Zum Beispiel kann auf einem 10.10 mm² LaAlO₃-Substrat bei gleichbleibenden Außendimen sionen durch eine Designänderung der Kapazität bei ansonsten gleichbleibender Linienbreite der Induktivität von 1 mm die Fre quenz beispielsweise zwischen 300 MHz und 1 GHz definiert einge stellt werden.

In Fig. 1b ist die Induktivität derart geformt, daß ein SQUID in flip chip Geometrie an den Schwingkreis gekoppelt werden kann. Um eine wie bei einem Flußtransformator ebenfalls vorhan dene parallel zur Kapazität geschaltete Induktivitäten zu simu lieren wurde dem Resonanzschwingkreis im Vergleich zu Fig. 1b noch eine weitere Induktivität hinzugefügt (Fig. 4), die im Laufe der Experimente nach und nach entfernt wurde.

Der erfindungsgemäße Resonator kann in vorteilhafter Weise sehr einfach mit einem Flußkonzentrator (Fig. 2a), einer einfachen Einkoppelwindung (Fig. 2b) oder einem mehrlagigen Flußtransfor mator (Fig. 2c) kombiniert werden. Zusätzlich kann durch Hinzu nahme von umschließenden Koplanarleitungen die Resonanzfrequenz weiter erniedrigt werden (Fig. 3a und 3b). In der Fig. 3a ist eine zusätzliche, in der Fig. 3b sind zwei zusätzliche Kopla narleitungen hinzugefügt. Die hier genannten aber auch andere Layouts für den erfindungsgemäßen Resonator sind vorstellbar, bei denen einer oder mehrerer dieser Merkmale mit einander kom biniert sein können.

Typische Dimensionen zur Bildung eines erfindungsgemäßen Reso nanzschwingkreises sind der Fig. 4 zu entnehmen. Sowohl mit der großen Induktivität als auch nach der Entfernung dieser durch einen naßchemischen Prozeßschritt arbeitet das SQUID, daß an den Schwingkreis gekoppelt ist mit vergleichbaren Parametern.

Im einzelnen zeigt die Fig. 4 das Layout eines erfindungsgemä ßen Planarresonators in Draufsicht mit im wesentlichen quadrati scher Außenberandung mit einer Länge und Breite von a = 8 mm. Zur Bildung der Kapazität ist im oberen Bereich der supraleiten den Schleife in einem 2 mm breiten Abschnitt eine fingerartige ineinandergreifende Struktur gebildet, bestehend aus fünf ein zelnen Stegen der Länge L.

Sowohl die Zahl ineinandergreifender Stege als auch die Länge L ist den gewünschten Randbedingungen entsprechend einstellbar. Auf diese Weise kann ein dazu passendes Resonanzverhalten ledig lich aufgrund der geeigneten geometrischen Wahl dieses kapaziti ven Elementes eingestellt werden. Die beiden sich nicht berüh renden Stegbereiche in der Fig. 4 sind durch eine weitere In duktivität miteinander verbunden.

Die Ergebnisse solcher erfindungsgemäßer Resonatoren im geome trischen Vergleich sind in der nachfolgenden Tabelle zusammenge faßt. Bei den Experimenten wurde lediglich die Dimensionierung der Kapazität, im einzelnen die Länge L der supraleitenden Fin ger im Bereich von 1 mm bis zu 4 mm modifiziert. Auf diese Weise war die Resonanzfrequenz F₀ des Schwingkreises beispielsweise im Bereich von 635 MHz bis zu 325 MHz einstellbar. Andere Werte für F₀ sind durch eine geeignete Geometrie der fingerartigen kapazi tiven Struktur vergleichsweise einfach erhältlich. Als SQUID wurde ein 3,5 mm-SQUID mit einer SQUID-loop von 100.100 µm² ver wendet (L' = 150 pH). Die hohen Güten Q₀ und der niedrige Rausch wert S_Φ zeigen die gute Funktionsweise des jeweils gebildeten, erfindungsgemäßen Resonators.

Claims

1. Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis, gekennzeich net durch Mittel zur Bildung einer als supraleitende Schleife ausgeführten Induktivität und einer Kapazität, die so ausgebildet sind, daß die Induktivität an einer Stelle durch die Kapazität unterbrochen ist.

2. Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität als Hairpin-Konfiguration ausgebildet ist.

3. Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine als supraleitender Ring ausgebildete Induktivität.

4. Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis nach einem der vor hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen, insbesondere innerhalb der Schleife liegenden Flußkonzentrator.

5. Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis nach einem der vor hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenig stens eine einfache Einkoppelwindung.

6. Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis nach einem der vor hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Flußtransformator.

7. Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis nach einem der vor hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Reso nator umschließende Koplanarleitungen zur Verringerung der Re sonanzfrequenz.

8. SQUID-System mit Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche.