DE19757323A1

DE19757323A1 - Planar resonator as radio frequency SQUID resonant circuit

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

Abstract

The circuit has an arrangement forming an inductance and a capacitance in the form of a superconducting loop designed so that the inductance is interrupted by the capacitance at one point. The capacitance can be a hairpin configuration. The inductance can be a superconducting ring. An Independent claim is also included for a SQUID system with a planar RF resonator.

Description

Die Erfindung betrifft einen Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a planar resonator as rf-SQUID Oscillating circuit according to the preamble of claim 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.As state of the art from M.Mück, C.Heiden "Planar micro wave biased rf SQUIDs ", Appl.Phys.A, Vol 54, 475, 1992 or Y.Zhang et al., "High-sensitivity microwave rf SQUID operating at 77 K ", Supercond. Sci.Technol. (7), 269-272, 1994 rf-SQUID- Magnetometer known that be with different types of resonators be driven. Here come for example λ / 2 and λ resonators for use. Because of the limitations in the dimensions the resonance frequencies of these resonators in gigahertz (GHz) -Be rich that cannot be achieved with conventional electronics is. An electronics development that SQUID operation at Fre frequencies above 1 GHz is very time consuming and should be avoided.

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. To achieve lower frequencies, Y.Zhang et. al., Appl Phys. Lett. 71 (5), 1997, 704-706 a coplanar resonator is known which is characterized by two rings which enclose a single-layer flux concentrator or a multi-layer flux transformer. However, it is disadvantageous that the operating frequency of the oscillating circuit becomes very high if the dimensions of the layout become too small. This deficiency can be remedied by choosing a material as a substrate with a higher dielectric constant, for example with SrTiO ₃ with a dielectric constant ε <1000 at nitrogen temperature. In comparison, LaAlO _{3 has} a value of ε ≈ 30, which is why other difficulties can arise.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen Planarresonator als rf-SQUID Schwingkreis zu schaffen, bei dem diese Nachteile ver mieden werden.It is therefore an object of the invention as a planar resonator rf-SQUID resonant circuit to create, in which these disadvantages ver be avoided.

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.The problem is solved by a resonator according to the total unit of the features of claim 1. Further appropriate or before partial embodiments can be found in the on this An claim related subclaims.

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.A planar resona was identified to solve the problem gate, especially based on high-temperature superconductors (HTSL) material, to use the well-known coplanar technology not used. For this purpose, the resonator has means for forming ner designed as a superconducting loop inductor and egg ner capacitance, which are designed so that the inductance at one point interrupted by the capacity.

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.The advantage of this new planar concept is that Resonators with small dimensions, especially with diameters smaller than 5 mm, in connection with SQUID sensors smaller than Di dimensions at low resonance frequencies, especially in loading range from 300 MHz to 1 GHz, which can be operated very low noise value even in magnetically not shielded environment. Such a Re sonator can be used for geophysical measurements to be partaking.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:The invention is further based on figures and Ausfüh tion examples explained in more detail. It shows:

Fig. 1a erfindungsgemäßer Planarresonator mit als supraleitende Schleife ausgeführter Induktivität und Kapazität in Hairpin-Konfiguration; Fig. 1a planar resonator according to the invention with an inductance and capacitance designed as a superconducting loop in a hairpin configuration;

Fig. 1b erfindungsgemäßer Planarresonator nach Fig. 1a mit zu sätzlicher Koppelwindung; FIG. 1b invention Planarresonator of Figure 1a to sätzlicher Koppelwindung.

Fig. 2a erfindungsgemäßer Planarresonator mit ringförmiger In duktivität und Kapazität in Hairpin-Konfiguration sowie mit innenliegendem Flußkonzentrator; Fig. 2a planar resonator according to the invention with ring-shaped inductance and capacity in hairpin configuration and with an internal flow concentrator;

Fig. 2b erfindungsgemäßer Planarresonator mit Einkoppelwindung; FIG. 2b invention Planarresonator with Einkoppelwindung;

Fig. 2c erfindungsgemäßer Planarresonator mit mehrlagigem Fluß konzentrator; Fig. 2c inventive planar resonator with multilayer flow concentrator;

Fig. 3a erfindungsgemäßer Planarresonator mit umschließenden Ko planarleitungen; Fig. 3a planar resonator according to the invention with enclosing Ko planar lines;

Fig. 3b erfindungsgemäßer Planarresonator mit umschließenden Ko planarleitungen; FIG. 3b according to the invention with Planarresonator enclosing Ko planar lines;

Fig. 4 erfindungsgemäßer Resonanzschwingkreis mit Angaben der geometrischen Dimensionen. Fig. 4 resonant circuit according to the invention with details of the geometric dimensions.

Embodiment

In der Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Planarresonator als rf- SQUID Schwingkreis gezeigt.In Fig. 1 of the invention is shown as Planarresonator rf SQUID resonant circuit.

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 detail, the resonator according to the invention shown in FIG. 1a has an inductance and a capacitance which is specially shaped. The inductance is designed as a superconducting ring, which can be interrupted at one point by the capacitance. This capacity is advantageously designed in a so-called hairpin configuration. The advantage of the resonator according to the invention is that the resonance frequency can be made adjustable or changeable only by dimensioning the capacitance. For example, on a 10.10 mm ² LaAlO ₃ substrate with the same external dimensions, the frequency can be set between 300 MHz and 1 GHz, for example, by changing the design of the capacitance with an otherwise constant line width of the inductance of 1 mm.

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.In Fig. 1b the inductance is shaped such that a SQUID in flip chip geometry can be coupled to the resonant circuit. In order to simulate an inductor connected in parallel to the capacitance, as was the case with a flux transformer, a further inductance was added to the resonant circuit compared to FIG. 1b ( FIG. 4), which was gradually removed in the course of the experiments.

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.The resonator according to the invention can advantageously be combined very simply with a flux concentrator ( FIG. 2a), a simple coupling winding ( FIG. 2b) or a multilayer flux transformer ( FIG. 2c). In addition, the resonance frequency can be further reduced by the addition of enclosing coplanar lines (FIGS . 3a and 3b). In Fig. 3a is an additional, in Fig. 3b two additional Kopla narleitung added. The here mentioned but also other layouts for the resonator according to the invention are conceivable in which one or more of these features can be combined with one another.

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.Typical dimensions for the formation of a resonance resonance circuit according to the invention are shown in FIG. 4. The SQUID works both with the large inductance and after the removal thereof by a wet chemical process step, which is coupled to the resonant circuit with comparable parameters.

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.In detail, the FIG. 4 shows the layout of a SEN according to the invention in plan view with Planarresonators substantially quadrati shear outer boundary having a length and width of a = 8 mm. To form the capacitance, a 2-mm-wide interlocking structure is formed in the upper area of the superconducting loop, consisting of five individual webs of length 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.Both the number of interlocking webs and the length L can be set according to the desired boundary conditions. In this way, a matching resonance behavior can be set only on the basis of the suitable geometric choice of this capacitive element. The two non-touching web areas in FIG. 4 are connected to one another by a further inductance.

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.The results of such resonators according to the invention in a geometric comparison are summarized in the table below. In the experiments, only the dimensioning of the capacitance, in particular the length L of the superconducting fingers, was modified in the range from 1 mm to 4 mm. In this way, the resonance frequency F _{0 of} the resonant circuit could be set, for example, in the range from 635 MHz to 325 MHz. Other values for F ₀ are comparatively easily available due to a suitable geometry of the finger-like capacitive structure. A 3.5 mm SQUID with a SQUID loop of 100,100 µm ^{2 was used as} SQUID (L '= 150 pH). The high qualities Q ₀ and the low noise value S _Φ show the good functioning of the resonator according to the invention formed in each case.

Claims

1. Planar resonator as an rf-SQUID resonant circuit, characterized by means for forming an inductance designed as a superconducting loop and a capacitance, which are designed such that the inductance is interrupted at one point by the capacitance.

2. planar resonator as rf-SQUID resonant circuit according to claim 1, characterized in that the capacity as Hairpin configuration is formed.

3. planar resonator as rf-SQUID resonant circuit according to claim 1 or 2, characterized by a as a superconducting ring trained inductance.

4. Planar resonator as rf-SQUID resonant circuit according to one of the above arising claims, characterized by a especially flow concentrator within the loop.

5. Planar resonator as rf-SQUID resonant circuit according to one of the above arising claims, characterized by little at least a simple coupling turn.

6. Planar resonator as rf-SQUID resonant circuit according to one of the above forthcoming claims, characterized by a multilayer flux transformer.

7. Planar resonator as rf-SQUID resonant circuit according to one of the above forthcoming claims, characterized by the Reso nator enclosing coplanar lines to reduce Re sound frequency.

8. SQUID system with planar resonator as rf-SQUID resonant circuit according to one of the preceding claims.