TWI490517B - Magnetic field sensing device with magnetometer and gradient meter - Google Patents

Description

具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置

【1】 本發明係有關於一種具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，尤其係指一種以單層超導迴路為結構，可同時感測磁場強度與二維磁場梯度，且在無磁屏蔽環境下仍具有高穩定度之磁場感測裝置。

【2】 超導量子干涉元件(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)為一種利用超導體的特性以測量微小電流、電壓或磁場的感測裝置，其超導線圈於超導狀態時，對外在磁場的改變會有相對應的電流變化，此種變化透過約瑟夫森接面(Josephson junctions)轉換為電壓或電流輸出訊號，可利用來直接感測外部磁場，或外部電流或電壓經由輸入線圈引入磁場變化，較一般磁性感測器更為靈敏。【3】 超導量子干涉元件對於感測微小磁場有絕佳的靈敏度，但也因此容易受到背景磁場干擾，故若在一般無磁屏蔽的操作環境之下進行量測，該元件易受到環境磁場變動的干擾而感測到不必要的雜訊。【4】 德國的Koelle等多名學者在1999年所發表之回顧性文章中提到，採用直接耦合磁場感測線圈的高溫超導SQUID梯度計，是由一個大面積的差動感測線圈，運用超導體完美反磁的現象，將磁通訊號轉換為電流並耦合到小面積迴路之SQUID，使其能排除均勻磁場的干擾，在無屏蔽的操作環境之下亦可達到高靈敏度的效果；然而，暴露在地磁磁場下旋轉直接耦合梯度計，會因磁場分量的變動而引起很大的屏蔽電流，該屏蔽電流會驅動磁通穿隧到差動感測線圈的超導薄膜內，進而感應出額外的低頻雜訊。【5】 在2003年，V. Schultze團隊提出將梯度計和磁強計直接耦合在同一個晶片上之設計可以解決此問題；其特色是藉由亥姆霍茲線圈(Helmholtzcoil)產生均勻磁場，使得磁強計維持在磁通鎖定狀態，因此對於梯度計的感測線圈中的磁場強度維持在幾乎為零，以用來測量磁場梯度；換句話說，磁強計不僅可以測量磁場，而且還提供了一個回饋磁場，使得在梯度計之中的磁場固定而不隨時間而變；此方式雖解決了旋轉直接耦合梯度計會引起屏蔽電流的問題，但該設計僅能量測單一方向梯度，而不具有一平面二維梯度的測量功能。【6】 於2008年，A. Steppke研究團隊提出在有兩條晶界線的鈦酸鍶基板上設計一個具有正交感測線圈的整合式平面梯度計，可以同時測量兩個正交方向的磁場梯度；但由於沒有磁場回饋，周圍的屏蔽電流同樣會發生在差動感測線圈的外圍，不易使該梯度計在無電磁屏蔽的環境下達到高度穩定的量測。【7】 上述之習知技術，皆無法達到在一單層迴路之磁場感測裝置中，同時具有可在無磁屏蔽狀態下操作、感測磁場強度與二維磁場梯度之功能。

【8】 故鑑於習知方式之缺失，發明人乃經悉心研究與實驗，研發出本案所提出之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，乃透過一超導材質所製造之單層迴路，並利用複數個超導量子干涉裝置與該單層迴路直接耦合，並配合本創作所揭露之線路配置方式，達到可在無磁屏蔽的操作狀態下，一單層迴路內同時具有感測磁場強度與二維磁場梯度之高穩定度感測系統。【9】 為達前述之目的，本案提供一種具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其包含：【10】 一單層超導薄膜迴路，該單層超導薄膜迴路包含一環型線路、一第一線路及一第二線路；該第一線路與該第二線路相互正交並相交於一中心點；該第一線路與該第二線路各具有二端點，該複數端點與環型線路接合，並將該環型線路之內部劃分為四磁感應區域；至少一磁場強度感測元件，該磁場強度感測元件佈置於該環型線路及該第一線路或該第二線路相接合之該端點上；至少二磁場梯度感測元件，該磁場梯度感測元件分別佈置於該第一線路及該第二線路上；該磁場強度感測元件與該磁場梯度感測元件為一超導量子干涉元件(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID) ，該超導量子干涉元件具有至少二約瑟夫森接面(Josephson junctions)。本案所提出之磁場感測裝置具有以下有益效果：【11】 1.藉由該複數磁場強度感測元件所感測之該磁場變化，透過一訊號處理，可得該單層超導薄膜迴路範圍內之一磁場強度。【12】 2. 將該偶數個磁場強度感測元件與四磁感應區域以該中心點作旋轉對稱佈置，可避免該複數磁場梯度感測元件感測到來自背景磁場所帶來之干擾，進而達到無磁屏蔽下操作之功能。【13】 3. 將該磁場強度感測元件佈置在該環型線路及該第一線路或該第二線路相接合之該端點上，可使該磁場強度感測元件不受梯度磁場調變訊號之干擾。【14】 4. 該複數磁場梯度感測元件藉由相互正交配置，並偵測與各磁場梯度感測元件相鄰之接收線圈內的磁場差值所引入的磁通，可得該單層超導薄膜迴路範圍內之一二維磁場梯度。【15】 5. 將偶數個磁場梯度感測元件調制線圈分別對稱放置於該磁場感測裝置之該平面上方及該平面下方，此佈置方式可產生均勻的磁場梯度感測元件激發磁場。【16】 6. 兩種方向的磁場梯度感測元件調制線圈，因其所激發之磁場梯度感測元件為相互正交，故其所產生之磁場梯度感測元件激發磁場並不會相互干擾。【17】 7. 將偶數個磁場強度感測元件調制線圈分別對稱放置於該磁場感測裝置之該平面上方及該平面下方，此佈置方式，可產生均勻的一磁場強度感測元件激發磁場。

【18】 為使能更進一步瞭解本案之特徵及技術內容，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，使得熟習本方法之人士可以據以完成之。【19】 為助於實施者辨明本創作之精要，請先參閱第一圖，該圖為本創作之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1，該迴路包含一環型線路11、一第一線路12及一第二線路13；該第一線路12與該第二線路13相互正交並相交於一中心點121；該第一線路12與該第二線路13各具有二端點131，該複數端點131與環型線路11接合，並將該環型線路11之內部劃分為四磁感應區域111；至少一磁場強度感測元件14，該磁場強度感測元件14佈置於該環型線路11及該第一線路12或該第二線路13相接合之該端點131上；至少二磁場梯度感測元件15，該磁場梯度感測元件15分別佈置於該第一線路12及該第二線路13上；該磁場強度感測元件14與該磁場梯度感測元件15為一超導量子干涉元件(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID) ，該超導量子干涉元件具有至少二約瑟夫森接面(Josephson junctions)141。【20】 請參閱第二圖，該圖所示為本發明人所研究出較佳之電路配置示意圖，其特點為該複數磁場強度感測元件14與該複數磁場梯度感測元件15為偶數個並對稱配置於電路上，可使該複數磁場強度感測元件14與該複數磁場梯度感測元件15，透過訊號處理的方式，可更精準的估算出該電路範圍中心點的磁場強度及二維磁場梯度；此外，因約瑟夫森接面141的特性存在一定的變異機率，而本電路配置的磁場強度感測元件14與兩軸向的磁場梯度感測元件15為各配置兩個，因此即使在製造出的具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1中若有部分的約瑟夫森接面141特性不佳，可選用其它特性較佳的接面，使該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1具有磁場強度及二維磁場梯度的量測功能，則該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1仍可視為良品，對於製程良率之改善有相當大的幫助。【21】 第三圖所示，為本創作之迴路配置第一實施例，第三圖所示之階梯邊緣線1411係存在於基板上，於超導薄膜在成長前利用曝光、顯影、及蝕刻等技術成型，待超導薄膜成長後，再利用曝光、顯影、及蝕刻來定義超導線路，即完成約瑟夫森接面141；由於磁場強度感測元件14為狹長形，直接耦合的效率較佳，此例為使該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1的磁場強度感測之有效面積(即其響應度)最大化的一種迴路配置方式。此種迴路配置方式，亦適用於採用離子加工接面與界面工程接面等高溫超導約瑟夫森接面技術。【22】 除了利用階梯邊緣線、離子加工、或界面工程等技術來完成約瑟夫森接面141外，亦可運用雙晶接面，採用如第四圖所示的迴路配置第二實施例；十字型的雙晶晶界線1412係存在於基板上，因雙晶接面的特徵電壓較高，此例為使該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1的磁場強度感測之磁通雜訊最小化的一種迴路配置方式。【23】 另外，該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1用於量測操作時，會如同第五圖所示，放置磁場強度感測元件調制線圈2或磁場梯度感測元件調制線圈3，將其中該磁場強度感測元件調制線圈2與磁場梯度感測元件調制線圈3之軸心與該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1之該中心點121在同一軸線上，在其發生激發磁場時，可在最小的串音干擾（crosstalk interference）下同時地驅動磁場強度感測元件14和磁場梯度感測元件15。【24】 將該磁場強度感測元件調制線圈2與該磁場梯度感測元件調制線圈3如第六圖所呈現以上下對偶對稱配置，若將其精準地安排在該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1之該中心點121在同一軸線上上，可使該磁場強度感測元件調制線圈2與磁場梯度感測元件調制線圈3產生均勻與對稱的激發磁場，更能避免串擾的產生。【25】 由於磁場強度感測元件14與磁場梯度感測元件15耦合在同一感測線圈上，當磁場強度感測元件14在接收到一均勻磁場時，可透過該磁場強度感測元件調制線圈2產生一反饋磁場，因該反饋磁場鎖定住感應線圈內的磁場，故可將背景磁場排除，故可使磁場梯度感測元件15不受背景磁場的變動干擾，進而使該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1可在無磁屏蔽的狀態下具有高穩定度的磁場梯度感測；此外，由於各磁場梯度感測元件15為正交的方式配置，故在該具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置1的平面上，可感測出該平面兩種軸向的磁場梯度，而可獲得該平面上二維的磁場梯度。【26】 此外，因本創作將各磁場梯度感測元件15以相互正交的方式配置，而各磁場梯度感測元件調制線圈3也配合各磁場梯度感測元件15以兩軸式設計，使兩軸向的磁場梯度感測元件調制線圈3所產生的激發磁場能夠各自鎖定該軸向的磁場梯度感測元件15，進而能達到獨立驅動兩個正交方向的磁場梯度感測元件15之目的。【27】 以上所述者僅為用以解釋本創作之較佳實施例，並非企圖據以對本創作做任何形式上之限制，凡有在相同之創作精神下所作有關本創作之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。

1．．．具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置

11．．．環型線路

111．．．磁感應區域

12．．．第一線路

121．．．中心點

13．．．第二線路

131．．．端點

14．．．磁場強度感測元件

141．．．約瑟夫森接面(Josephson junctions)

1411．．．階梯邊緣線

1412．．．雙晶晶界線

15．．．磁場梯度感測元件

2．．．磁場強度感測元件調制線圈

3．．．磁場梯度感測元件調制線圈

【28】 第一圖：本創作之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置。【29】 第二圖：本創作較佳之電路配置示意圖。【30】 第三圖：本創作之迴路配置第一實施例。【31】 第四圖：本創作之迴路配置第二實施例。【32】 第五圖：本創作加上調制線圈之示意圖。【33】 第六圖：本創作加上對偶配置調制線圈之示意圖。

1．．．具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置

11．．．環型線路

111．．．磁感應區域

12．．．第一線路

121．．．中心點

13．．．第二線路

131．．．端點

14．．．磁場強度感測元件

141．．．約瑟夫森接面(Josephson junctions)

15．．．磁場梯度感測元件

Claims (10)

1. 一種具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，包含：一單層超導薄膜迴路，該單層超導薄膜迴路包含一環型線路、一第一線路及一第二線路；該第一線路與該第二線路相互正交並相交於一中心點；該第一線路與該第二線路各具有二端點，該複數端點與環型線路接合，並將該環型線路之內部劃分為四磁感應區域；至少一磁場強度感測元件，該磁場強度感測元件佈置於該環型線路及該第一線路或該第二線路相接合之該端點上；至少二磁場梯度感測元件，該磁場梯度感測元件分別佈置於該第一線路及該第二線路上；該磁場強度感測元件與該磁場梯度感測元件為一超導量子干涉元件(Superconducting QuantumInterference Device, SQUID)，該超導量子干涉元件具有至少二約瑟夫森接面(Josephson junctions)。
2. 如專利申請範圍第1項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中該複數磁感應區域具有相似之形狀及大小。
3. 如專利申請範圍第2項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中該複數磁感應區域之形狀對該中心點作旋轉對稱佈置。
4. 如專利申請範圍第1項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中該偶數個磁場強度感測元件對該中心點作旋轉對稱佈置。
5. 如專利申請範圍第1項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中該複數磁場強度感測元件具有相似之形狀及大小。
6. 如專利申請範圍第1項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中該複數磁場梯度感測元件具有相似之形狀及大小。
7. 如專利申請範圍第1項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中該複數超導量子干涉元件與該單層超導薄膜迴路共平面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中在該整合磁強計與梯度計之磁場感測裝置之一平面上方或一平面下方放置一調制線圈。
9. 如申請專利範圍第8項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中該調制線圈之一軸心與該整合磁強計與梯度計之磁場感測裝置之該中心點在同一軸線上。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具有磁強計與梯度計之磁場感測裝置，其中該調制線圈指一磁場強度感測元件調制線圈或一磁場梯度感測元件調制線圈。