KR100235993B1 - A magnetometer using squid - Google Patents
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Abstract
초전도 양자 간섭조사(SQUID)를 이용한 자장 측정장치에 관한 것으로서, 외부 자속을 감지하여 전압으로 변환시키도록 직렬 연결된 복수개의 SQUID 및 SQUID의 외부 자속 감지 면적을 넓히기 위하여 복수개의 SQUID중 특성이 동일하고 우수한 2개의 SQUID에 픽업(pick-up) 코일을 직접 커플링(Direct coupling)하여 감지부를 구성함으로써 SQUID의 임피던스를 증가시키고 자속잡음을 줄일 수 있어 자장 측정장치의 자기감도를 향상시킬 수 있고 외부 회로와의 임피던스 매칭을 쉽게하며 수율을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a magnetic field measuring device using superconducting quantum interference investigation (SQUID), which has the same characteristics and excellent characteristics among a plurality of SQUIDs and a plurality of SQUIDs connected in series to detect and convert external magnetic flux into voltage. Direct coupling of the pick-up coils to the two SQUIDs creates a sensing unit that increases the impedance of the SQUID and reduces the magnetic flux noise, thereby improving the magnetic sensitivity of the magnetic field measuring device. It's easy to match impedance and improve the yield.
Description
본 발명은 자장 측정장치에 관한 것으로서, 특히 자속 잡음을 줄이고 외부회로와의 임피던스 매칭을 쉽게 하기 위한 초전도양자간섭소자(Superconducting Quantum Interference Device; 이하, SQUID라 칭함.)를 이용한 자장 측정장치(Magnetometor)에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic field measuring device, and more particularly, to a magnetic field measuring device using a superconducting quantum interference device (hereinafter, referred to as SQUID) for reducing magnetic flux noise and facilitating impedance matching with an external circuit. It is about.
제1도는 자장 측정장치에 적용되는 SQUID를 나타낸 것으로서, 두 개의 조셉슨접합(Josephson Junction)(a,b)을 포함한 인덕터스가 적은 초전도 루프(11)와, 초전도 루프의 외부 자속 감지면적을 늘리기 위해 커플링된 픽-업(pick-up) 코일(12)로 구성된다.FIG. 1 shows the SQUID applied to the magnetic field measuring device. The low inductance superconducting loop 11 including two Josephson junctions (a and b) and the couple to increase the outer magnetic flux sensing area of the superconducting loop are shown in FIG. It consists of a ringed pick-up coil 12.
이와 같이 초전도 루프(11)와 픽-업 코일(12)을 커플링할때 저온 초전도체의 경우는 다층으로 감겨진 멀티-턴(multi-turn) 코일에 의해 간접 연결되는 인덕티브 커플링(inductive coupling) 방법이 가장 효율적이지만, 고온 초전도체의 경우는 다층공정이 어렵고 자기감도도 저하되므로 초전도 루프(11)와 픽-업코일(12)을 직접 연결시키는 다이렉트 커플링(direct coupling; 이하, 직접 커플링이라 칭함) 방법이 가장 널리 쓰이고 있다.As described above, in the coupling of the superconducting loop 11 and the pick-up coil 12, in the case of the low temperature superconductor, the inductive coupling is indirectly connected by a multi-turn coil wound in multiple layers. Method is the most efficient, but in the case of high temperature superconductor, the multilayer process is difficult and the self-sensitivity is also reduced, so the direct coupling (direct coupling) that directly connects the superconducting loop 11 and the pick-up coil 12 The method is most widely used.
여기서, 직접 커플링된 SQUID의 유효면적 Aeff은Where the effective area A eff of the directly coupled SQUID is
[수학식 1][Equation 1]
(Ap: 픽업코일의 면적, Ls: SQUID의 인덕턴스, Lp: 픽업코일의 인덕턴스,(A p : area of pickup coil, L s : inductance of SQUID, L p : inductance of pickup coil,
α: SQUID 인덕턴스중 픽업코일과 커플되는 양)이다. 이와 같이 직접 커플링된 SQUID를 이용한 자장 측정장치의 감도를 높이기 위해서는 유효면적(Aeff)을 크게하는 것이 적절하나, 픽업코일(12)의 면적(Ap)과, 픽업코일(12)의 인덕턴스(Lp)는 정해지는 양이고, 고온 초전도 SQUID의 경우 써멀 노이즈(Thermal noise) 때문에 SQUID의 인덕턴스(Ls)를 늘릴 수 없어 유효면적(Aeff)을 크게하는 것이 대단히 어렵다. 그러므로 직접 커플링된 SQUID를 이용한 자장 측정장치는 SQUID의 자속잡음을 줄여 자기감도를 향상시키는 방법이 가장 바람직하다.α: the amount of SQUID inductance coupled with the pickup coil). In order to increase the sensitivity of the magnetic field measuring device using the directly coupled SQUID as described above, it is appropriate to increase the effective area A eff , but the area A p of the pickup coil 12 and the inductance of the pickup coil 12 are appropriate. (L p ) is a fixed amount, and in the case of high temperature superconducting SQUID, it is very difficult to increase the effective area A eff because the inductance L s of the SQUID cannot be increased due to thermal noise. Therefore, the magnetic field measuring device using the SQUID directly coupled is most preferred to improve the magnetic sensitivity by reducing the magnetic flux noise of the SQUID.
제2도와 같이 개개의 SQUID 특성을 동일하게 구현한다고 가정하여 N개의 직렬 연결된 SQUID의 자속잡음은이 된다. 그러므로 직렬 연결된 N개의 SQUID를 픽업코일과 효과적으로 커플링시킬 경우 하나의 SQUID와 픽업코일을 연결한 경우보다만큼의 자기감도가 생긴다.Assuming that each SQUID characteristic is the same as in FIG. 2, the magnetic flux noise of N series connected SQUIDs is Becomes Therefore, when N SQUIDs connected in series are effectively coupled with the pick-up coil, it is more effective than one SQUID and pick-up coil. As much self-sensitivity is created.
제3도는 이와 같은 특성의 종래 기술에 따른 자장 측정장치의 직접 커플링된 SQUID를 초전도체를 이용하여 레이아웃한 실예로서, 외부 자장이 가해졌을 경우 전류의 흐름을 나타낸다.3 illustrates an example in which a directly coupled SQUID of a magnetic field measuring device according to the related art is laid out using a superconductor, and illustrates the flow of current when an external magnetic field is applied.
종래 기술에 따른 SQUID를 이용한 자장 측정장치는 자속잡음을 줄이기 위해 복수개의 SQUID와 직렬 연결된 SQUID를 픽업코일과 연결하기 위해 인덕티브 커플링을 하는데 이 인덕티브 커플링 방법이 매우 어려운 문제점이 있다. 또한, SQUID를 복수개로 직렬 연결할 경우, 똑같은 특성의 접합을 가지는 SQUID를 만들기 어려운 문제점도 있다.The magnetic field measuring apparatus using the SQUID according to the prior art has an inductive coupling to connect the SQUID connected in series with a plurality of SQUID to the pickup coil in order to reduce the magnetic flux noise, there is a problem that this inductive coupling method is very difficult. In addition, when connecting a plurality of SQUID in series, there is a problem that it is difficult to make a SQUID having the same characteristics of the junction.
따라서 본 발명은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 복수개의 SQUID를 직렬 연결하고 이중 2개의 SQUID를 픽업코일과 직접 커플링하여 임피던스 매칭을 용이하게 하고 자기감도를 향상시키기 위한 SQUID를 이용한 자장 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, SQUID to facilitate impedance matching and improve the magnetic sensitivity by connecting a plurality of SQUID in series and directly coupling the two SQUID with the pickup coil The purpose is to provide a magnetic field measuring device used.
제1도는 종래 기술에 따른 자장 측정장치에 적용되는 SQUID를 나타낸 도면.1 is a view showing a SQUID applied to the magnetic field measuring apparatus according to the prior art.
제2도는 종래 기술에 따른 자장 측정장치의 직렬 연결된 복수개의 SQUID를 나타낸 도면.2 is a view showing a plurality of series connected SQUID of the magnetic field measuring device according to the prior art.
제3도는 종래 기술에 따른 자장 측정장치에 적용되는 SQUID의 실예를 나타낸 도면.3 is a view showing an example of the SQUID applied to the magnetic field measuring apparatus according to the prior art.
제4도는 본 발명에 따른 자장 측정장치를 나타낸 구성 블록도.Figure 4 is a block diagram showing a magnetic field measuring device according to the present invention.
제5도는 본 발명에 따른 자장 측정장치의 감지부를 나타낸 회로도.5 is a circuit diagram showing a sensing unit of the magnetic field measuring apparatus according to the present invention.
제6도는 본 발명에 따른 자장 측정장치의 감지부의 실예를 나타낸 도면.6 is a view showing an example of a detection unit of the magnetic field measuring apparatus according to the present invention.
제7도는 제6도에 외부 자속이 가해질 경우의 각 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing each characteristic when external magnetic flux is applied to FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
20 : 감지부 30 : 신호처리부20: detector 30: signal processor
40 : 되먹임부 21 : 제1SQUID40: feedback unit 21: the first SQUID
22 : 제2SQIUD a1, b1, a2, b2:조셉슨 접합22: second SQIUD a 1 , b 1 , a 2 , b 2 : Josephson junction
본 발명에 따른 SQUID를 이용한 자장측정장치의 특징은 외부 자속을 감지하여 전압으로 변환시키도록 직렬 연결된 복수개의 SQUID와, 자속 감지 면적을 넓히기 위하여 복수개의 SQUID중 특성이 동일하고 우수한 2개의 SQUID에 픽업 코일을 직접 커플링하여 구성함으로써 SQUID의 임피던스를 증가시키고 자속잡음을 줄일수 있어 자장 측정장치의 자기감도를 향상시킬 수 있고 외부 회로와의 임피던스 매칭을 쉽게하며 수율을 향상시킬 수 있는데 있다.The magnetic field measuring device using the SQUID according to the present invention is characterized in that a plurality of SQUIDs connected in series to detect and convert an external magnetic flux into a voltage, and pick up to two SQUIDs having the same characteristics among the plurality of SQUIDs to increase the magnetic flux sensing area. By directly coupling the coils, the impedance of the SQUID can be increased and the magnetic flux noise can be reduced, thereby improving the magnetic sensitivity of the magnetic field measuring device, making it easier to match impedance with external circuits, and improving the yield.
이하, 본 발명에 따른 자장 측정장치를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the magnetic field measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제4도는 발명에 따른 SQUID를 이용한 자장 측정장치를 나타낸 블록 구성도이고, 제5도는발명에 따른 SQUID를 이용한 자장 측정장치의 감지부를 나타낸 회로도이며, 제6도는 본 발명에 따른 SQUID를 이용한 자장 측정장치에서 감지부의 실예를 나타낸 도면이다. 그리고 제7도는 제6도의 복수개의 SQUID에 외부 자속이 가해질 경우의 각 특성을 나타낸 그래프이다.4 is a block diagram showing a magnetic field measuring device using the SQUID according to the invention, Figure 5 is a circuit diagram showing a sensing unit of the magnetic field measuring device using the SQUID according to the invention, Figure 6 is a magnetic field measurement using the SQUID according to the present invention A diagram showing an example of a sensing unit in a device. FIG. 7 is a graph showing the characteristics when external magnetic flux is applied to the plurality of SQUIDs of FIG. 6.
제4도를 참조하여 설명하면, 외부의 자속을 감지하여 전압으로 변환시키도록 직렬 연결된 복수개의 SQUID 및 SQUID에 직접 커플링되어 외부 자속을 감지하는 면적을 크게하기 위한 픽업코일로 이루어진 감지부(20)와, 감지부(30)의 변환된 신호를 위상 변환하는 신호 처리부(30)와, 신호 처리부(30)에서 위상변환된 신호로 감지부에 자속을 되먹임 해주는 되먹임부(40)로 구성된다.Referring to FIG. 4, the sensing unit 20 may include a pickup coil coupled to a plurality of SQUIDs and SQUIDs connected in series to detect an external magnetic flux and converted into a voltage, thereby increasing the area for sensing the external magnetic flux. ), A signal processor 30 for phase shifting the converted signal of the detector 30, and a feedback unit 40 for feeding back the magnetic flux to the detector with the phase-converted signal from the signal processor 30.
여기서, 감지부(20)를 제5도를 참조하여 상세히 설명하면, 두 개의 조셉슨 접합(a1,b1)을 포함한 인덕턴스(Ls1)가 적은 제1SQUID(21)와, 제1SQUID(21)에 직렬 연결되고 두 개의 조셉슨 접합(a2,b2)을 포함한 인덕턴스(Ls2)가 적은 제2SQUID(22)와 제1, 제2SQUID (21)(22)에 직접 커플링(Direct coupling)된 픽업 코일(23)로 구성된다.Here, the sensing unit 20 will be described in detail with reference to FIG. 5. The first SQUID 21 and the first SQUID 21 having low inductance Ls 1 including two Josephson junctions a 1 and b 1 are described. Directly coupled to the second SQUID 22 and the first and second SQUID 21, 22 with low inductance Ls 2 in series with the two Josephson junctions a 2, b 2 . It consists of a pickup coil 23.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 SQUID를 이용한 자장 측정장치의 감지부는 두 개의 조셉슨 접합(a1,b1)으로 전류가 흘렀을때 제1SQUID(21)를 통과하는 자속에 대해 조셉슨 접합(a1,b1)부의 전압이 변화된다. 또한, 제2SQUID(22)도 두 개의 조셉슨 접합(a2,b2)으로 전류가 흐르면 제2SQUID(22)를 통과하는 자속에 대해 조셉슨 접합(a2,b2)부의 전압이 변화되고, 제1SQUID(21)와 제2SQUID(22)에서 변환되어 출력되는 전압에 의해 외부 자속을 측정한다. 그리고, 픽업 코일(23)은 제1 및 제2SQUID(21)(22)를 통과하는 자속의 감지면적을 크게하여 제1, 제2SQUID(21)(22) 자체의 자기 감도를 향상시킨다.In this way detection of the magnetic field measuring apparatus using the SQUID in accordance with the present invention having portions of two Josephson junction (a 1, b 1) a Josephson junction as to the magnetic flux passing through the first 1SQUID (21), the current flows (a 1, b 1 ) The voltage of the part is changed. Further, the 2SQUID (22) also being two Josephson junction voltage change portion (a 2, b 2) as when current flows Josephson junction for the magnetic flux passing through the first 2SQUID (22) (a 2, b 2), the The external magnetic flux is measured by the voltage converted and output from the 1 SQUID 21 and the second SQUID 22. The pickup coil 23 increases the sensing area of the magnetic flux passing through the first and second SQUIDs 21 and 22 to improve the magnetic sensitivity of the first and second SQUIDs 21 and 22 itself.
이렇게 하여 감지부(20)의 외부 자속에 대한 전압 변화량을 신호 처리부(30)에서 진폭변조 및 복조시킨 전압을 출력한다. 그리고, 이 출력 전압에 의해 되먹임부(40)에서 감지부(20)의 제1 및 제2SQUID(21)(22)에 자속을 되먹임하므로 SQUID를 통과하는 총 자속량을 일정하도록 한다.In this manner, the voltage change amount of the voltage change with respect to the external magnetic flux of the sensing unit 20 is output by the signal processor 30. In addition, since the magnetic flux is fed back from the feedback unit 40 to the first and second SQUIDs 21 and 22 of the sensing unit 20, the total magnetic flux passing through the SQUID is constant.
따라서, 외부 자속에 대한 자장 측정 장치의 출력전압값이 선형적으로 되고, 그 출력전압을 읽으므로 외부 자속의 값을 알수 있게 된다.Therefore, the output voltage value of the magnetic field measuring device with respect to the external magnetic flux becomes linear, and the output voltage is read, so that the value of the external magnetic flux can be known.
여기서, 2개의 제1SQUID(21)와 제2SQUID(22)가 직렬로 연결되어 있으므로 임피던스는 2배 증가하고, SQUID의 자속잡음은이 감소되어 자기감도는 약 30%향상된다. 여기서, 제1, 제2SQUID(21)(22)가 느끼는 외부 자기장의 변화는 일정하므로 유효면적의 변화는 없다.Here, since the two first SQUID 21 and the second SQUID 22 are connected in series, the impedance increases twice, and the magnetic flux noise of the SQUID is This reduces the self-sensitivity by about 30%. Here, since the change in the external magnetic field felt by the first and second SQUIDs 21 and 22 is constant, there is no change in the effective area.
제6도는 본 발명에 따른 SQUID를 이용한 자장 측정장치에서 감지부의 실예를 나타낸 것으로서, 복수개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ3...SQN)를 직렬 연결시키고, 복수개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ3...SQN)를 픽업코일에 직접 커플링시켜 SQUID의 인덕턴스(Ls1,Ls2,...LsN)중 픽업 코일의 인덕턴스(Lp)와 커플(Couple)되는 부분이 일정해지도록 구성한다.Figure 6 shows an example of the sensing unit in the magnetic field measuring device using the SQUID according to the present invention, a plurality of SQUID (SQ 1 , SQ 2 , SQ 3 ... SQ N ) in series, a plurality of SQUID (SQ 1 , SQ 2 , SQ 3 ... SQ N ) is directly coupled to the pick-up coil to couple the inductance (Lp) of the pick-up coil among the inductances (Ls 1 , Ls 2 , ... Ls N ) of SQUID. Configure the parts to be constant.
여기서, 복수개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ3...SQN)를 직렬로 연결되도록 배치하고, 복수개의 SQUID(SQ1,SQ2,SQ3...SQN)를 각각 두 개씩의 SQUID를 픽업코일과 커플링시켜 가장 특성이 동일하며 우수한 두 개의 SQUID를 선택하여 픽업코일과 직접 커플링시킨다.Here, a plurality of SQUIDs (SQ 1 , SQ 2 , SQ 3 ... SQ N ) are arranged to be connected in series, and each of the plurality of SQUIDs (SQ 1 , SQ 2 , SQ 3 ... SQ N ) SQUID is coupled to the pick-up coil and selects two excellent SQUIDs with the same characteristics.
이와 같이 본 발명에 따른 SQUID를 이용한 자장 측정장치는 제7도와 같은 특성을 나타낸다.As described above, the magnetic field measuring device using the SQUID according to the present invention exhibits the characteristics as shown in FIG.
즉, 제7a도는 전류대 전압 특성으로 두 개의 SQUID를 직렬 연결한 경우(②) 하나의 SQUID(①)보다는 전압이 2배 증가하고, 두 개의 직렬 연결된 SQUID가 특성이 다를 경우(③)는 직렬 연결한 SQUID의 이점이 없어진다. 그리고, 제7b도는 전압대 자속 특성을 나타낸 것으로 주기는 변화하지 않고 약 20㎶(①)에서 약 40㎶(②)로 2배정도의 진폭이 증가한다. 그리고, 제7c도는 주파수대 잡음특성으로 잡음이 하나의 SQUID(①)보다 2개의 SQUID를 직렬 연결한 경우(②)가 약 30%로 줄어 자기감도가 향상됨을 알수 있다.That is, FIG. 7a shows that when two SQUIDs are connected in series with a current-voltage characteristic (②), the voltage is increased by twice than one SQUID (①), and when two series-connected SQUIDs have different characteristics (③) The advantage of the connected SQUID is lost. 7b shows the voltage versus magnetic flux characteristics, and the amplitude does not change and the amplitude is increased by about twice from about 20 mW to about 40 mW. In addition, as shown in FIG. 7c, the noise is improved by reducing the frequency to noise by about 30% when two SQUIDs are connected in series (②) rather than one SQUID (①).
여기서, SQUID를 24°각도의 스트론튬 타이타 네이트(SrTiO3) bi-crystal 기판을 사용하여 PLD(Pluse Laser Deposition) 방법으로 고온 초전도 YBCO(Y1-Ba2-Cu3-O7-δ)박막을 2000A 증착한 후 포토 리소그래피(Photo Lithography)와 이론-밀링(ion-Milling) 방법으로 제작하고, 조셉슨 접합의 선폭은 2㎛로 하였다. 이때, SQUID의 인덕턴스(Ls)는 65pH, 픽업코일의 인덕턱스(Lp)는 8nH, 픽업코일의 면적(Ap)은 36㎟, SQUID 인덕턴스중 픽업코일과 커플되는 양(α)은 약 0.82이다.Here, the SQUID is a high temperature superconducting YBCO (Y 1 -Ba 2 -Cu 3 -O 7 -δ) thin film using a PLD (Pluse Laser Deposition) method using a strontium titanate (SrTiO 3 ) bi-crystal substrate having an angle of 24 °. After the deposition of 2000A was produced by photo lithography and the theory-milling method, the line width of the Josephson junction was 2㎛. At this time, the inductance Ls of the SQUID is 65pH, the inductance Lp of the pickup coil is 8nH, the area Ap of the pickup coil is 36 mm2, and the amount α coupled to the pickup coil of the SQUID inductance is about 0.82.
본 발명에 따른 SQUID를 이용한 자장 측정장치는 복수개의 직렬 연결된 SQUID중 두 개의 SQUID를 픽업코일과 직접 커플링시킴으로 임피던스가 증가되어 외부회로와 임피던스 매칭(matching)이 용이하여 시스템 구성이 편리하다. 또한, 자속 잡음이 감소하므로 자장 측정장치의 자기 감도가 향상되어 자장 측정장치의 성능이 향상되는 효과도 있다. 또한, 복수개의 직렬 배치된 SQUID중 특성이 동일하고 우수한 두 개의 SQUID를 선택하여 픽업코일과 직접 커플링하여 사용함으로써 수율을 향상시킬 수 있는 효과도 있다The magnetic field measuring apparatus using the SQUID according to the present invention has an impedance increased by directly coupling two SQUIDs among a plurality of series-connected SQUIDs with a pickup coil, thereby facilitating a system configuration by easily matching impedance with an external circuit. In addition, since the magnetic flux noise is reduced, the magnetic sensitivity of the magnetic field measuring device is improved, thereby improving the performance of the magnetic field measuring device. In addition, it is also possible to improve the yield by selecting two SQUIDs having the same characteristics and excellent coupling among the SQUIDs arranged in series and directly coupling the pickup coils.
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