一種二階sbc超導量子幹涉梯度計及製作方法
2023-09-10 14:56:50
一種二階sbc超導量子幹涉梯度計及製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種二階SBC超導量子幹涉梯度計及製作方法，其特徵在於是將二階多環結構的SQUID梯度晶片與電感線圈集成在一起構成可使用直讀電路的二階多環結構超導自舉(Superconducting?Bootstrap?Circuit,SBC)SQUID梯度計，所構築的此類器件可以利用直讀電路來讀出器件輸出信號，而且由於器件是由寬度很窄的超導薄膜線條構成，降低了地球環境磁場對器件磁通陷入的影響，並且器件僅對二階梯度磁場有響應，對磁場和一階梯度磁場不敏感，這些特點大大提高了其在無屏蔽環境磁場中的適應能力和工作穩定性，使其在微弱磁測量中具有極大的應用潛力。
【專利說明】一種二階SBC超導量子幹涉梯度計及製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磁探測傳感器及製作方法，更確切地說本發明涉及一種二階多環SBC超導量子幹涉梯度計及製作方法。屬於超導量子幹涉器件(SQUID)【技術領域】。
【背景技術】
[0002]超導量子幹涉器件(SQUID)是由超導約瑟夫森結和超導環等結構組成的超導電子器件，它相當於一個磁通-電壓轉換器，能將所感應磁場的微小變化轉換為電壓輸出，這種器件是目前為止磁場靈敏度最高的傳感器，其磁通靈敏度通常在IO-6OcZHzv2量級(Φ。=2.07 X I(T15Wb)，磁場的靈敏度在fT/Hz1/2量級(IfT= I X I(T15T)。由於SQUID器件具有極高的磁場靈敏度，而且SQUID器件的頻帶寬，器件體積小，因此它在生物磁探測、地球磁場探測、無損檢測等微弱磁信號探測領域具有重要的應用潛力和價值。
[0003]在基於SQUID傳感器的地球磁場探測應用中，經過各國科研人員的研究，已經取得了非常大的進展，將SQUID器件應用於TEM、CSAMT、航空磁測量、磁異常測量等各方面的應用中。例如，美國橡樹嶺國家實驗室研製了基於超導SQUID器件的磁測量組件，利用8個SQUID器件構建的超導磁測量組件不僅能夠測量地球磁場，而且能夠測量磁場的梯度值，已經取得了地面試驗的初步測試結果。德國光學分子研究中心(IPHT)開發了基於SQUID的超導全張量磁力梯度測量組件，並實現了該系統在航空平臺上的航磁測量。這些研究為SQUID器件在地球磁場探測、礦產勘探方面的應用打下了堅實的基礎，有利於得到更準確的地球磁場信息。
[0004]但是，將SQUID器件應用於地球磁場環境中進行弱磁信號測量時，因為SQUID器件是工作於無磁屏蔽地球環境磁場中，因此，有如下幾個方面的關鍵問題需要解決。首先，地磁場幅度在幾十微特斯拉，這個數值比超導SQUID器件靈敏度(典型值IOfT)高8個量級左右，對於SQUID器件來說，地球磁場是很強的磁場。強磁場極易進入超導晶片的超導薄膜部分形成陷入磁通，磁通的蠕動或磁通跳躍使晶片的性能惡化，甚至無法正常工作。這是SQUID器件工作過程中的一個極大的挑戰。其次，目前針對不同結構的SQUID器件，其讀出電路主要有磁通調製鎖定電路和直讀式鎖定電路兩種，目前應用比較普遍的傳統結構SQUID器件(即在超導環中插入兩個約瑟夫森結形成的結構)的磁通-電壓轉換係數不高，其讀出電路通常使用磁通調製鎖定電路來提高其數值；某些特殊結構的SQUID器件(如Additional Positive Feedback器件，APF)具有較大的磁通-電壓轉換係數,可以使用直讀式讀出電路。由於典型的磁通調製電路比直讀式電路結構複雜、調整參數數目多、頻帶窄等，因此在野外環境中使用測試設備時，直讀式電路比磁通調製電路更具有優勢，而且使用更加方便，所以直讀式電路更受到用戶的歡迎。另外，SQUID器件在微弱磁場探測中一個令人感興趣的課題是對磁場梯度的測量，磁梯度測量可以更加精確反應目標體的磁場變化信息，能夠準確定位磁場異常的位置。
[0005]針對上述關鍵問題，世界各地科研人員提出了多種解決方法，例如，針對SQUID器件的磁通陷入問題，可以通過減小SQUID器件中的超導薄膜的尺寸來減輕磁通陷入器件的機率(Dantsker etc.1997, Appl.Phys.Lett.70, 2037-2039);直讀式電路對應的 SQUID 器件有APF、SBC等種類，這些器件的原理都已經得到了驗證，對其研究和應用仍在發展之中(Drung etc.1990, Appl.Phys.Lett.57, 406-408);對於梯度測量，人們發明了 SQUID 梯度計來實現梯度測量(Ketchen etc.1978, J.Appl.Phys.49, 4111-4116);這些方法和技術豐富了 SQUID在地球磁場探測應用的內容，並在實際應用中取得了較好的效果，但這些進展都是針對其中單一問題。
[0006]針對上述磁場梯度測量的需要，本發明擬提出一種二階多環結構SBC梯度計，通過綜合多環結構SQUID、SBC器件和二階梯度結構的優點，提供一種既能降低器件磁通陷入風險，又能使用直讀式讀出電路的超導SQUID梯度晶片，以增加超導梯度計的工作穩定性和方便性，為其在微弱磁場和磁場梯度測量方面尤其在無屏蔽環境中的磁場梯度測量奠定堅實的硬體基礎。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在於提供一種二階SBC超導量子幹涉梯度計及製作方法，本發明提供的一種二階多環結構SBC超導量子幹涉(SQUID)梯度晶片的結構，它的結構和所實現的功能描述如下:
[0008](I)所提供的器件總體結構
[0009]二階多環結構SQUID梯度晶片是基於SBC器件的原理，並綜合多環結構SQUID和二階梯度線圈結構的特點，構成的一種SQUID梯度晶片。
[0010]SBC器件的基本原理如圖1所示，器件由兩個並聯支路構成，其中SQUID和一個電感LI構成一個支路；電感L2和電阻R串聯構成器件的另一個支路，電感L2和SQUID器件之間存在磁通耦合，互感為M。基於上述原理的器件可以利用直讀式讀出電路配合來輸出SQUID 感應的磁場信號(Xiaoming Xie etc.，Supercond.Sc1.Technol.23 (2010) 065016)。
[0011]然而在SBC器件中，SQUID可以使用不同結構來實現，本發明的發明人試圖使用多環結構SQUID來實現SBC器件中的SQUID部分，典型SQUID器件(如磁通變換器型結構SQUID)中的超導環是利用超導薄膜製備而成的單個環形結構，而在多環結構SQUID中，採用多個並聯結構的超導環來代替上述單個環形結構，其特點是多環結構器件中超導薄膜形狀是一系列窄條結構，這種結構可以很有效減小磁通陷入SQUID器件的機率，因此SQUID器件的參數保持了穩定，進而增加了器件的工作穩定性。
[0012]在本發明所述的多環結構SQUID中，所述的多環結構是採用二階梯度線圈的結構，即將多環結構中相鄰超導環的繞行方式設計為相反的方式，這種設計對於磁場和一階梯度磁場不敏感，而二階梯度磁場將在SQUID器件中產生輸出，所以這種設計決定了二階梯度SQUID晶片構型。
[0013]SBC器件中的電感和電阻部件設計為與SQUID部分在同一個晶片上，構成了集成SBC器件，以方便器件的應用。
[0014]綜合SBC器件原理、多環結構SQUID、二階梯度線圈結構、平面電感和電阻等部件而設計的二階梯度SBC器件既能降低器件磁通陷入風險，又能使用直讀式讀出電路的超導SQUID梯度晶片，增加了超導梯度計的工作穩定性和方便性，因此在微弱磁場和磁場梯度測量應用方面具有極大的應用潛力。[0015](2)多環結構SQUID的二階梯度設計
[0016]多環結構二階梯度SBC SQUID器件的設計與傳統SQUID在器件超導環的結構上具有顯著的不同。傳統SQUID器件的電感數值通常在幾十至幾百皮亨之間，其超導環的數目是I個，為了提高器件的磁場靈敏度，傳統SQUID採用磁通變換器結構以增加SQUID器件對磁場的感應面積，但是在磁通變換器結構的SQUID器件中，超導環的內邊長約幾十微米，超導環的外邊長約幾百微米左右，超導環寬度在百微米量級，這增加了 SQUID器件中超導薄膜的面積，進而增加了磁通陷入SQUID器件的機率，磁通蠕動效應不僅損害SQUID的工作穩定性，而且增加了 SQUID低頻噪聲性能；
[0017]本發明設計的多環結構SQUID的超導環由多個超導環並聯而構成，由於並聯超導環的電感數值是單個環電感數值除以並聯超導環的數目，所以並聯多環結構可以使用電感或/和感應面積都較大的超導環並聯以滿足SQUID器件的電感設計條件，而且多環結構SQUID中超導薄膜是窄條形狀，超導環的寬度在10微米量級，遠遠小於磁通變換器結構SQUID器件的超導環寬度，因此降低了磁通陷入和蠕動效應對SQUID器件的影響。
[0018]為敘述方便擬將多環結構二階梯度SBC SQUID器件中設計為4個超導環並聯進行描述，所述的超導環的繞行方式不同，相鄰超導環的繞行方式相反(如圖3)，左上角與右下角的超導環的繞行方向一致，左上角與右下角的超導繞行方向一致，而相鄰超導環之間的繞行方向相反。根據這種繞行方式，可以推導出如下結論:當均勻磁場通過這4個超導環時，磁場在兩個不相鄰的超導環中產生的磁通數值與其餘兩個不相鄰的超導環產生的磁通的數值相同，但方向相反，因此總磁通為0，SQUID器件不產生響應；同樣，當一階梯度磁場通過這4個超導環時，在超導環中產生的總磁通也為0，器件也不產生響應；使用同樣的分析方法，當二階梯度磁場通過這4個超導環時，在器件中產生了磁通，器件產生響應。因此，這種結構是一種二階梯度SQUID器件。當器件中超導環的數目是4的倍數時，也可以構成二階梯度計，具體數目按照實際應用的要求設定。
[0019]將一階梯度線圈的兩端分別連接於二階梯度SQUID器件的輸入線圈的兩端電極A+和A-時，可以將外加一階梯度線圈感應的磁場梯度耦合到SQUID器件中，通過SQUID器件可以測量外接一階梯度線圈感應的梯度磁場數值。在這個過程中，二階梯度SQUID器件輸出給出的僅僅是外接一階梯度線圈的感應數值，進而提高了一階梯度磁場的測量準確度。
[0020](3)器件的集成設計
[0021]由此可見，二階梯度SBC SQUID是以SBC器件的原理為基礎的(如圖1所示)，它由兩個並聯支路構成，包括SQUID、電感、電阻等部件，SQUID由微加工工藝製備而成，電感可以由平面線圈製成，電阻可以由平面金屬薄膜製作而成，因此，可以將這些部件集成在一起，構成集成二階SBC SQUID，其優勢在於器件參數的重複性好，使用方便。
[0022]如圖2所示，SBC SQUID梯度計的支路2中的電感是由位於器件右上角超導環中多匝線圈構成，電極B2和B3是電感的兩端電極；電阻R由外加電阻構成，電阻數值在器件調試參數時確定；B1和B2兩電極是SBC SQUID的兩端電極。另外，由圖2中看出，為使SQUID器件穩定工作的輔助部件調製和反饋線圈(由M+、M-兩端之間的線圈確定，將讀出電路的反饋通過這個線圈耦合到器件中以穩定器件的工作點)、加熱電阻(由H+、H-兩端之間的金屬薄膜確定，它起到在低溫環境下對器件加熱以排除器件中的磁通的作用。)也集成到SBCSQUID梯度計的設計之中。
[0023]綜上所述，本發明的特徵在於將多環結構SQUID與SBC原理相結合，並利用相鄰多環結構的繞向相反的特點，構成一種可使用直讀電路的二階SBC SQUID梯度計。由於二階SBC SQUID梯度計與電感電阻等部件均可利用平面微加工工藝製備，並且各部件之間的相互關係可以在平面內通過部件的不同位置布局實現，部件的數值能夠通過不同的設計進行調整，因此可實現二階SBC SQUID梯度計的集成(詳見實施例)。
[0024]由此可見，本發明所述的二階SBC超導量子幹涉梯度計器件結構是將二階多環結構的SQUID梯度晶片與電感線圈集成在一起構成可使用直讀電路的二階多環結構超導自舉(Superconducting Bootstrap Circuit, SBC) SQUID梯度計,其特徵在於所構築的此類器件可以利用直讀電路來讀出器件輸出信號，而且由於器件是由寬度很窄的超導薄膜線條構成，降低了地球環境磁場對器件磁通陷入的影響，並且器件僅對二階梯度磁場有響應，對磁場和一階梯度磁場不敏感，這些特點大大提高了其在無屏蔽環境磁場中的適應能力和工作穩定性，使其在微弱磁測量中具有極大的應用潛力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1SBC器件基本原理。
[0026]圖2本發明設計的二階SBC SQUID梯度計結構示意圖。
[0027]圖3為圖2結構中多個超導環的繞行方式。
[0028]圖4 二階SBC SQUID梯度計製備步驟:
[0029](I)在襯底二氧化矽SiO2上構成SQUID器件的超導環；(2)構成SQUID器件的約瑟夫森結；(3)在器件表面沉積二氧化矽SiO2薄膜；(4)超導環路封閉；(5)沉積金屬鈀Pd薄膜構成器件中的各電阻部件。
【具體實施方式】
[0030]下面通過本發明所述的二階四環的SBC超導量子幹涉梯度器的製造方法，以進一步闡明本發明的實質性特點和顯著的進步，但本發明決非不僅局限於實施例。
[0031]實施例1
[0032]典型SQUID製備工藝中包含對平面電感和電阻的製備，因此二階SBC SQUID梯度計的製備方法與目前SQUID製備工藝並無差異，除了多環二階梯度SBC SQUID器件結構與SQUID器件不同之外。
[0033]首先，根據二階梯度SBC SQUID器件的靈敏度等設計要求，完成器件具體參數設計，如二階SBC SQUID梯度計中的超導環的尺寸、器件臨界電流、器件各超導環電感、電阻等參數，之後根據製備工藝的要求，完成器件的光刻版圖。
[0034]具體製備過程如下:
[0035](a)在襯底二氧化矽SiO2上沉積鈮(Nb) /氧化鋁(AlOx) /鈮(Nb)三層薄膜材料，並進行光刻和刻蝕，其圖形結構如圖4(1)所示，構成器件的超導環等結構；
[0036](b)在步驟(a)中剩餘的薄膜表面光刻和刻蝕約瑟夫森結(圖4(2));
[0037](c)沉積二氧化矽SiO2薄膜，並在SiO2薄膜上光刻和刻蝕圖4 (3)所示的圖形，構成器件的絕緣層結構；[0038](d)在步驟(C)的基礎上，在器件表面沉積鈮薄膜，光刻和刻蝕如圖4 (4)所示的圖形，使得器件中各個超導環路封閉；
[0039](e)在器件中沉積金屬鈀薄膜材料，其在低溫環境下不超導，構成SBC SQUID器件中的所有電阻部件(包括器件旁路電阻和輔助的加熱電阻)和器件的電極部件(圖4(5))。
[0040]經過上述製備步驟，二階SBC SQUID梯度計製備完成，然後對器件進行封裝和測試研究。
【權利要求】
1.一種二階SBC超導量子幹涉梯度計，其特徵在於將二階多環結構SQUID梯度晶片與電感線圈集成一起構成使用直讀電路的二階多環結構超導自舉SQUID梯度計。
2.按權利要求1所述的梯度計，其特徵在於: ①所述的多環結構的超導環是由多個超導環並聯構成；並聯的多環結構使用電感或感應面積大的超導環，超導薄膜是窄條形狀，超導環的寬度為10微米量級； ②所述的二階多環結構是相鄰超導環的繞行方向設計為相反的方向。
3.按權利要求2所述的梯度計，其特徵在於所述的二階梯度的SBCSQUID器件中設計為4個超導環並聯，其中左上角和右下角的超導環的繞行方向一致，左下角和右上角的超導環的繞行方向一致，而相鄰超導環之間的繞行方向相反。
4.按權利要求2或3所述的梯度計，其特徵在於當均勻磁場通過4個超導環時，磁場在兩個不相鄰的超導環中產生的磁通數值與其餘兩個不相鄰的超導環產生的磁通值相同，但方向相反。
5.按權利要求4所述的梯度計，其特徵在於當梯度計中超導環數目是4的倍數時，構成二階梯度計，具體數目按實際使用要求設定。
6.按權利要求1所述的梯度計，其特徵在於SBCSQUID梯度計的支路中的電感是由位於器件右上角超導環中多匝線圈構成，電極B2和B3是電感的兩端電極；電阻R由外加電阻構成，電阻數值在器件調試參數時確定和B2兩電極是SBC SQUID的兩端電極。
7.按權利要求1所述的梯度計，其特徵在於為使SQUID器件穩定工作的輔助部件調製和反饋線圈是由M+、M-兩端之間的線圈確定，將讀出電路的反饋通過這個線圈耦合到器件中以穩定器件的工作點、加熱電阻是由H+、H-兩端之間的金屬薄膜確定，它起到在低溫環境下對器件加熱以排除器件中的磁通的作用；也集成到SBC SQUID梯度計的設計之中。
8.製作如權利要求1所述的梯度計的方法，其特徵在於: 首先，根據二階梯度SBC SQUID器件的靈敏度的設計要求，完成對二階SBC SQUID梯度計中的超導環的尺寸、器件臨界電流、器件各超導環電感、電阻等參數，之後根據製備工藝的要求，完成器件的光刻版圖； 具體製備過程為: (a)在襯底二氧化矽SiO2上沉積Nb/AlOx/Nb三層薄膜材料，並進行光刻和刻蝕，構成器件的超導環結構； (b)在步驟(a)中剩餘的薄膜表面光刻和刻蝕約瑟夫森結； (c)沉積二氧化矽SiO2薄膜，並在SiO2薄膜上光刻和刻蝕，構成器件的絕緣層結構； (d)在步驟(C)的基礎上，在器件表面沉積鈮薄膜並光刻和刻蝕所需圖形，使得器件中各個超導環路封閉； (e)在器件中沉積金屬鈀薄膜材料，其在低溫環境下不超導，構成SBCSQUID器件中的所有電阻部件，包括器件旁路電阻和輔助的加熱電阻和器件的電極部件； 經過(a)-(e)的製備步驟，二階SBC SQUID梯度計的製備完成，然後對器件進行封裝和測試研究。
【文檔編號】G01R33/035GK103954918SQ201410199606
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】王會武, 劉全勝, 王鎮, 謝曉明 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所