KR100281168B1 - Manufacturing Method of High Sensitivity Magnetic Field Measurement Sensor Using Double Relax Oscillation Squid and Its Sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중이완발진 스퀴드를 이용한 고감도 자장 측정센서의 제조방법과 그 센서에 관한 것으로, 특히 이중이완발진 스퀴드 방식을 사용하고 조셉슨 접합이 히스테리시스를 가지며 신호 스퀴드와 기준 접합을 사용하고 이완발진 회로를 가진다.The present invention relates to a method for manufacturing a high sensitivity magnetic field measurement sensor using a double relaxation oscillation squid and a sensor thereof, in particular a double relaxation oscillation squid method, Josephson junction has hysteresis, signal squid and reference junction, Have
스퀴드의 자속-전압 변환계수가 매우 크며 간단한 구동회로로써 스퀴드를 동작시킬 수 있고 매우 미약한 자장을 높은 감도로 측정할 수 있다.Squid's magnetic flux-to-voltage conversion factor is very large and it is possible to operate squid with a simple driving circuit and to measure very weak magnetic fields with high sensitivity.
또한 일체화 된 평면형 미분계를 검출코일로 사용하여 외부 자장잡음을 높은 효율로 제거시킬 수 있고 센서의 신뢰성이 높은 특징이 있다.In addition, by using an integrated planar differential meter as a detection coil, the external magnetic field noise can be removed with high efficiency, and the sensor has high reliability.
본 발명으로서 사람의 뇌, 심장, 태아의 심장 등으로부터 발생되는 자장을측정하는데 사용되고, 또한 항공기 날개의 결함, 구조물의 비파괴 탐사, 지증 탐사, 해저통신, 수중물체 탐사, 지진예측 등 미약한 자장신호 측정에 사용되는 고감도 자장측정 센서에 응용된다.The present invention is used to measure the magnetic field generated from the human brain, heart, fetal heart, etc., and also weak magnetic signals such as defects of aircraft wings, nondestructive exploration of structures, exploration of exploration, underwater communication, underwater object exploration, earthquake prediction, etc. It is applied to the high sensitivity magnetic field sensor used for the measurement.
Description
본 발명은 이중이완발진 스퀴드를 이용한 고감도 자장 측정센서 제조방법과 그 센서에 관한 것으로, 특히 이중이완발진 스퀴드 방식을 사용하고 조셉슨 접합이 히스테리시스를 가지며, 신호 스퀴드와 기준 접합을 사용하고 이완발진 회로를 가진다.The present invention relates to a method of manufacturing a high sensitivity magnetic field measurement sensor using a double relaxation oscillation squid and a sensor thereof, in particular, using a double relaxation oscillation squid method, Josephson junction has a hysteresis, using a signal squid and a reference junction and using a relaxation oscillation circuit Have
스퀴드의 자속-전압 변환계수가 매우 크며, 간단한 구동회로로써 스퀴드를 동작시킬 수 있고 매우 미약한 자장을 높은 감도로 측정할 수 있다.Squid's magnetic flux-to-voltage conversion coefficient is very large, and it is possible to operate the squid with a simple driving circuit and to measure very weak magnetic fields with high sensitivity.
또한 일체화 된 평면형 미분계를 검출코일을 사용하며, 외부 자장잡음을 높은 효율로 제거시킬 수 있고 센서의 신뢰성이 높은 특징이 있다.In addition, the integrated flat differential meter uses a detection coil, which can remove external magnetic field noise with high efficiency, and has high reliability of the sensor.
본 발명으로서 사람의 뇌, 심장, 태아의 심장 등으로부터 발생되는 자장을 측정하는데 사용되고, 또한 항공기 날개의 결함, 구조물의 비파괴 탐사, 지중 탐사, 해저통신, 수중물체 탐사, 지진예측 등 미약한 자장신호 측정에 사용되는 고감도 자장측정 센서에 응용된다.The present invention is used to measure the magnetic field generated from human brain, heart, fetal heart, etc., and also weak magnetic signals such as defects of aircraft wings, non-destructive exploration of structures, underground exploration, underwater communication, underwater object exploration, earthquake prediction, etc. It is applied to the high sensitivity magnetic field sensor used for the measurement.
현재 사용되는 직류 스퀴드(dc SQUID)는 조셉슨 접합을 저항으로 션트(shunt)시켜 히스테리시스를 없애고 신호 스퀴드만 사용하며, 자장신호에 대한 스퀴드의 출력 전압계수, 즉 자속-전압 변환계수가 매우 작다.The current DC SQUID shunts the Josephson junction with a resistor to eliminate hysteresis and uses only the signal squid, and the output voltage coefficient of the squid, or flux-to-voltage conversion coefficient, for the magnetic field signal is very small.
교류 인가전류 방식을 사용하고 자속변조를 하며, 스퀴드와 전단증폭기 사이에 임피던스 매칭(impedance matching) 회로를 사용한다.It uses alternating current applied, modulates magnetic flux, and uses impedance matching circuit between squid and shear amplifier.
스퀴드 구동을 위해 위상민감 검출(phase sensitive detection) 방법을 사용한다.Phase sensitive detection method is used for squid driving.
자장검출 코일은 니오븀 초전도 선을 보빈에 감은 권선형을 사용하는데 검출코일과 스퀴드의 입력코일 사이에 초전도 본딩(bonding)이 필요하다.The magnetic field detection coil uses a winding type wound around a niobium superconducting wire, which requires superconducting bonding between the detection coil and the input coil of the squid.
상기한 종래의 스퀴드는 자속-전압 변환계수가 작기 때문에 저온부에 부피가 많이 차지하는 임피던스 매칭회로를 부착시켜야 하고, 자속면조 및 위상감응 검출방법이 필요하므로 스퀴드 구동회로가 븍잡하다.Since the conventional squid has a small magnetic flux-to-voltage conversion coefficient, it is necessary to attach an impedance matching circuit which occupies a large amount in the low temperature part, and the squid driving circuit is complicated because a flux flux and a phase sensitive detection method are required.
자속변조는 이웃한 채널간 간섭을 유발시키며, 측정할 수 있는 슬루율(slewrate)과 주파수 대역폭(bandwidth)을 감소시킨다.Magnetic flux modulation causes interference between neighboring channels and reduces measurable slew rate and frequency bandwidth.
또한 권선형 비분계는 균일한 자장잡음을 소거시키는 소거비가 부족하고 코일이 부피를 많이 차지하고 기계공작 과정을 거쳐 손으로 직접 제작해야 하므로 대량제작이 어렵고 초전도 본딩에 필요한 작업이 번거롭다.In addition, the winding type scaffold lacks the elimination ratio for eliminating uniform magnetic field noise, and the coil has a large volume and needs to be manufactured by hand through a mechanical process, making mass production difficult and cumbersome for superconducting bonding.
본 발명은 스퀴드의 자속-전압 변환계수를 획기적으로 증가시켜 스퀴드 출력전압 검출을 위한 전자회로를 매우 간단히 하고 센서 구동을 쉽게 하기 위해서 이다. 스퀴드센서의 슬루율을 증가시키고 측정 가능한 주파수 대역폭을 증가시키기 위해서이다. 또한 자장검출코일을 스퀴드와 일체화하여 센서의 신뢰성을 크게 높이고 다량의 센서를 쉽게 제작하기 위한 것이다.The present invention is to greatly increase the magnetic flux-to-voltage conversion coefficient of the squid to simplify the electronic circuit for the detection of the squid output voltage and to facilitate the sensor drive. To increase the slew rate of the squid sensor and increase the measurable frequency bandwidth. In addition, the magnetic field detection coil is integrated with the squid to greatly increase the reliability of the sensor and to easily manufacture a large amount of the sensor.
본 발명의 구성으로서 그 제 1발명은 스퀴드를 이용하여 고감도 자장측정 센서를 제작하는데 있어서 자속-전압 변환계수를 증가시키기 위해 이중이완발진 스퀴드 방식을 이용하고, 모든 조셉슨접합(2)(10)이 히스테리시스를 갖도록 하고, 신호 스퀴드(1)와 동시에 기준접합(2)을 채택하고, 인덕터(11)와 저항(12)으로 된 이완발진회로(3)를 사용하는 방법이고 제 2발명은 상기 제 1발명에 있어서, 기준접합(2)의 면적을 신호 스퀴드(1)에 사용된 조셉슨 접합(10)의 전체면적의 70∼80% 범위로 하고 출력전압(8)을 기준접합(2) 양단에서 측정하는 방법이고, 제 3발명은 상기 제 1발명에 있어서 이완발진회로(3)의 인덕터(11)를 8-자 모양으로 직렬 연결된 미분형으로 하고, 인덕터(11)를 신호 스퀴드(1)에 대해 대칭적으로 두개 배치시키는 방법이고, 제 4발명은 상기 제 1발명에 있어서 신호 스퀴드(1)를 두 개의 루우프(9)를 병렬 연결시킨 미분형으로 하고, 입력코일을 각각의 루우프(9) 위에 형성하고 각각의 입력코일(5)을 연결하기 위해 신호 스퀴드(1)의 슬릿(17)으로 연결선(18)을 형성하는 방법이고, 제 5발명은 상기 제 1발명과 제 4발명의 어느 한가지에 있어서 입력코일(5) 양단에 박막형 저항(15)과 박막형 커패시터(16)로 된 댐핑회로를 부착하는 방법, 신호 스퀴드(1)내에 댐핑저항(13)을 부착하는 방법, 이완회로(3)와 병렬로 댐핑저항(14)을 부착하는 방법이고, 제 6발명은 상기 제 1발명에 있어서 자장검출 코일(6)이 신호 스퀴드(1)와 같은 기판에 박막으로 집적화된 직렬연결된 1차 미분계를 사용하는 방법이고 제 7발명은 상기 제 1발명에 있어서 센서제작을 위해 모두 5매의 포토마스크(photomask)를 사용하며, 절연막의 절연특성을 개선시키기 위해 절연막 제작을 2회 실시하는 방법이며 제 8발명은 상기 방법을 수행하는 고감도 자장측정 센서의 구조로 완성되어 있다.As a configuration of the present invention, the first invention uses a double relaxation oscillation Squid method to increase the flux-to-voltage conversion coefficient in manufacturing a high sensitivity magnetic field measurement sensor using a squid, and all Josephson junctions (2) (10) It has a hysteresis, adopts a reference junction (2) at the same time as the signal squid (1), and uses a relaxation oscillation circuit (3) composed of an inductor (11) and a resistor (12). In the invention, the area of the reference junction 2 is in the range of 70 to 80% of the total area of the Josephson junction 10 used for the signal squid 1 and the output voltage 8 is measured across the reference junction 2. In the first aspect of the present invention, the inductor 11 of the relaxation oscillation circuit 3 is an eight-shaped differentially connected series, and the inductor 11 is connected to the signal squid 1. It is a method of placing two symmetrically, the fourth invention is the first In the present invention, the signal squid 1 is formed in a differential form in which two loops 9 are connected in parallel, and an input coil is formed on each loop 9 and a signal squid (for each input coil 5) is connected. The connecting line 18 is formed by the slit 17 of 1), and the fifth invention is a thin film resistor 15 and a thin film capacitor at both ends of the input coil 5 in any one of the first and fourth inventions. A method of attaching a damping circuit of (16), a method of attaching a damping resistor (13) in a signal squid (1), and a method of attaching a damping resistor (14) in parallel with the relaxation circuit (3). Is a method in which the magnetic field detection coil 6 uses a series connected primary differential meter integrated in a thin film on a substrate such as the signal squid 1, and the seventh invention is a sensor fabrication method according to the first invention. All five photomasks are used for the In order to improve the insulation characteristics, a method of fabricating an insulating film is performed twice, and the eighth invention is completed with a structure of a high-sensitivity magnetic field sensor that performs the method.
도 1은 본 발명을 수행하는 센서의 등가 회로도1 is an equivalent circuit diagram of a sensor carrying out the invention.
도 2는 도 1센서의 스퀴드 부분의 구조도2 is a structural diagram of a squid part of the sensor of FIG.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
(1) : 신호 스퀴드 (2) : 기준접합(1): signal squid (2): reference junction
(3) : 이완발진회로 (4) : 자속귀환코일(3): relaxation oscillation circuit (4): flux feedback coil
(5) : 입력코일 (6) : 검출코일(5): Input coil (6): Detection coil
(7) : 인가전류 (8) : 출력전압(7): applied current (8): output voltage
(9) : 스퀴드 루우프 (10) : 조셉슨 접합9: Squid Looping 10: Josephson Junction
(11) : 인덕터 (12) : 저항(11): inductor 12: resistance
(13) : 댐핑저항 (14) : 댐핑저항(13): damping resistance (14): damping resistance
(15) : 저항 (16) : 커패시터15: resistance 16: capacitor
(17) : 슬릿 (18) : 연결선(17): slit 18: connecting line
도 1은 센서의 등가회로이고 도 2는 센서의 스퀴드 부분의 구조인바,1 is an equivalent circuit of the sensor and Figure 2 is a structure of the squid portion of the sensor,
스퀴드(SQUID: superconducting quantum interference device)를 이용한 고감도 자장측정 센서로서, 이중이완발진 스퀴드(double relaxation oscillation SQUID) 방식을 채택하며 히스테리시스(hysteresis)를 갖는 조셉슨 접합을 사용하고, 신호 스퀴드와 기준 접합이 직렬로 연결되어 있고 이와 병렬로 저항과 인덕터(inductor)로 된 이완발진 회로가 연결되어 있다.Highly sensitive magnetic field sensor using superconducting quantum interference device (SQUID), adopting double relaxation oscillation SQUID method, using Josephson junction with hysteresis, signal squid and reference junction in series In parallel, a relaxation oscillation circuit consisting of a resistor and an inductor is connected.
외부 자장잡음을 제거시키기 위하여 미분형 검출코일을 사용하며 검출코일은 신호 스퀴드를 중심으로 좌우 대칭이며 검출코일은 두 개의 직사각형 코일이 직렬연결된 구조이고 검출코일과 스퀴드는 같은 기판상에 집적화 되어 있다.Differential detection coil is used to remove external magnetic noise. The detection coil is symmetrically around the signal squid. The detection coil is a structure in which two rectangular coils are connected in series, and the detection coil and the squid are integrated on the same substrate.
센서는 신호스퀴드(1), 기준접합(2), 이완회로(3), 자속귀환코일(4), 입력코일(5), 검출코일(6) 등으로 구성된다.The sensor is composed of a signal squid (1), a reference junction (2), a relaxation circuit (3), a flux feedback coil (4), an input coil (5), a detection coil (6), and the like.
센서에 전원(도시없음) 인가전류(7)를 가하면 이완발진이 일어나며 1 GHz 내외의 고주파 전압펄스가 발생되는데, 이때 기준접합(2) 양단의 출력전압(8)을 직류증폭기(도시없음)를 사용하여 검출하면 시간평균된 직류전압이 측정된다.Applying a power supply (not shown) to the sensor (7) causes a relaxation oscillation and generates a high-frequency voltage pulse of around 1 GHz.The output voltage (8) across the reference junction (2) is connected to a direct current amplifier (not shown). When detected using the sensor, the time-averaged DC voltage is measured.
출력전압(8)은 신호 스퀴드(1)에 가해지는 자속신호에 따라 변하며 자속-전압 변환계수가 종래의 스퀴드에 비해 10배 이상 크게 할 수 있다.The output voltage 8 changes depending on the magnetic flux signal applied to the signal squid 1, and the magnetic flux-to-voltage conversion coefficient can be 10 times larger than that of the conventional squid.
신호 스퀴드(1)는 균일한 외부자장잡음의 영향을 받지 않도록 두 개의 사각형 루우프(loop)(9)가 병렬로 연결된 구조이다.The signal squid 1 has a structure in which two rectangular loops 9 are connected in parallel so as not to be affected by uniform external magnetic noise.
조셉슨 접합(10)은 니오븀/알루미늄산화막/니오븀으로 제작되고 히스테리시스를 갖는다.The Josephson junction 10 is made of niobium / aluminum oxide film / niobium and has hysteresis.
기준접합(2)의 면적은 신호스퀴드(1)에 사용된 조셉슨 접합(10)의 전체면적의 70∼80% 범위로 하고 히스테리시스를 갖는다.The area of the reference junction 2 is in the range of 70 to 80% of the total area of the Josephson junction 10 used for the signal squid 1 and has hysteresis.
이완회로(3)는 인덕터(11)와 저항(12)으로 구성되어 있는데, 특히 인덕터(11)를 8-자 모양으로 미분 구조로 하고 신호 스퀴드(1)에 대해 대칭적으로 두 개 배치시킴으로써 인덕터(11)가 신호 스퀴드(1)에 미치는 영향을 제거 시킨다.The relaxation circuit 3 is composed of an inductor 11 and a resistor 12. In particular, the inductor 11 has an eight-shaped differential structure and two inductors are arranged symmetrically with respect to the signal squid 1. Eliminate the effect of (11) on signal squid (1).
신호 스퀴드(1)에 댐핑(damping) 저항(13)을 삽입하여 스퀴드(1)에서 발생하는 공명잡음을 제거하고, 신호 스퀴드(1)의 정전용량과 이완회로(3)의 인덕터(11)에 의해 발생하는 공명을 제거하기 위해 이완회로(3)와 병렬로 댐핑저항(14)을 부착시켰고, 입력코일(5)에 의한 공명과 검출코일(6)의 고주파잡음을 제거시키기 위해 저항(15)과 커패시터(capacitor)(16)로 된 댐핑회로를 부착시킨다.Inserting a damping resistor 13 into the signal squid 1 to remove the resonance noise generated in the squid 1, and to the capacitance of the signal squid 1 and the inductor 11 of the relaxation circuit 3 A damping resistor 14 is attached in parallel with the relaxation circuit 3 to remove resonance caused by the resonance circuit. The resistor 15 is used to remove resonance caused by the input coil 5 and high frequency noise of the detection coil 6. And a damping circuit consisting of a capacitor 16.
자장검출코일(6)은 신호 스퀴드(1)를 중심으로 좌우 대칭이며 정사각형 모양이고, 스퀴드와 같은 기판상에 니오븀 박막으로 제작되며 직렬 연결된 평면형 1차 미분계이다.The magnetic field detecting coil 6 is symmetrical and square in shape with respect to the signal squid 1, and is a planar first differential system made of a niobium thin film on a squid-like substrate and connected in series.
저항(12,14,15)은 신뢰성 있는 팔라듐 박막으로 제작되고, 절연막은 기판온도 15O℃ 이하의 저온 플라즈마증강 화학기상증착법으로 증착된 SiO2를 사용한다. 센서제작을 위해 모두 5매의 포토마스크를 사용하는데 이 중 절연막의 절연특성을 개선시키기 위해 절연막 제작을 2매의 포토마스크를 이용한다.The resistors 12, 14, and 15 are made of a reliable palladium thin film, and the insulating film uses SiO 2 deposited by low temperature plasma enhanced chemical vapor deposition at a substrate temperature of 15O < 0 > C or lower. All five photomasks are used for the fabrication of the sensor. Among them, two photomasks are used to fabricate the insulating film to improve the insulating properties of the insulating film.
위 스퀴드방식을 이용하여 신호 스퀴드(1)의 인덕턴스(inductance)를 11OpH, 기준접합의 임계전류가 1OμA일 때 자속-전압 변환계수를 단위 자속양자(fluxquantum) 당 약 3 mV를 얻었다.Using the above squid method, when the inductance of the signal squid (1) was 11OpH and the threshold current of the reference junction was 10μA, the magnetic flux-to-voltage conversion coefficient was about 3 mV per fluxquantum.
직류 인가전류(7) 방식과 직류 전단증폭기를 사용한 간단한 스퀴드 구동회로를 사용하여, 검출코일(6)의 크기가 외변이 12 mm이고 선폭이 1 mm 일 때 10O Hz의 측정 주파수에서 4 fT/√Hz의 자장 잡음 값을 얻었다.Using a simple squid drive circuit using a DC applied current (7) method and a DC shear amplifier, the detection coil 6 is 12 mm outside and 1 mm wide at 4 fT / √ at a measurement frequency of 10 Hz. Magnetic field noise values in Hz were obtained.
다른 실시예(변형예, 응용예)Another embodiment (variation, application)
본 발명의 스퀴드 방식을 선폭이 0.5 m이고, 크기가 9.1 mm x 7.5 mm인 집적화된 자력계 방식의 검출코일과 결합하였을 때 100 Hz에서 5 fT/√Hz 이하의 자장잡음 값을 얻었다.When combined with the detection coil of the integrated magnetometer method having a line width of 0.5 m and a size of 9.1 mm x 7.5 mm, the squid method of the present invention obtained magnetic field noise values of 5 fT / √Hz or less at 100 Hz.
본 발명은 종래의 스퀴드를 이용한 고감도 자장센서에 비해 스퀴드 출력전압 측정을 위한 전자회로를 획기적으로 간단히 하고, 센서 구동을 매우 쉽게 하고, 자장잡음에 대한 소거비를 크게 증가시키고, 센서의 신뢰성을 많이 향상시키고 센서의 대량생산을 쉽게 한다.The present invention significantly simplifies the electronic circuit for measuring the squid output voltage compared to the conventional high sensitivity magnetic field sensor using a squid, greatly facilitates the driving of the sensor, greatly increases the cancellation ratio for the magnetic field noise, and increases the reliability of the sensor. Improves and facilitates mass production of sensors.
또한 센서의 슬루율을 증가시키고 측정 가능한 주파수 대역폭을 크게 증가시킴으로서 해당 산업 분야에 널리 보급할 수 있다.It is also widely available in the industry by increasing the slew rate of the sensor and significantly increasing the measurable frequency bandwidth.
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