三維磁場測量組件及製備方法與流程
2023-05-07 06:56:31
本發明屬於超導電子學技術領域，特別是涉及一種三維磁場測量組件及製備方法。
背景技術：
在超導環中插入兩個約瑟夫森結構成了直流超導量子幹涉器件(dcsquid)，它是以超導磁通量子化和約瑟夫森效應為原理的超導量子器件，是迄今為止最靈敏的磁通探測器，其磁通噪聲在μφ0/hz1/2量級，φ0＝2.07*10-15wb是磁通量子，磁場靈敏度可達10-15t(ft)量級，而且dcsquid器件還具有頻帶寬的特點，響應頻率從直流至兆赫茲量級，因此以dcsquid器件為核心探測器的弱磁探測系統在生物磁測量、磁異常探測、大地電磁測量和低場核磁共振等微弱磁場探測領域具有極大的應用潛力。
目前，dcsquid器件結構是利用微加工工藝製備而成的多層膜結構，如圖1所示，當穿過dcsquid器件的超導環的磁場發生變化時，dcsquid器件所感應的磁通量發生變化，在dcsquid器件設置一定的偏置電流(通常稍大於器件的臨界電流)時，器件兩端的電壓與器件感應的磁通量成周期性關係，周期是一個磁通量子φ0，通過squid讀出電路，可以建立磁通變化量與器件輸出電壓的線性關係。通常情況下，如圖2所示，為了提高dcsquid器件的磁場靈敏度，在dcsquid器件中集成了磁通變換器結構，磁通變換器由一個探測線圈和一個輸入線圈串聯構成，輸入線圈與dcsquid器件的超導環耦合在一起，探測線圈的尺寸和輸入線圈的尺寸匝數等參數可以隨著對dcsquid器件性能的要求進行優化，當穿過探測線圈的外磁場發生變化時，在磁通變換器中產生感應電流，這個電流通過輸入線圈，將磁通耦合到dcsquid器件中，由於磁通變換器感應磁場面積大於dcsquid器件超導環感應磁場面積，因此磁通變換器可以提高dcsquid器件的磁場靈敏度。
在dcsquid應用中，由於dcsquid器件處於低溫環境下，而squid讀出電路安裝於室溫環境下，因此，首先將dcsquid器件安裝在印刷電路板(pcb)上，dcsquid器件引腳與pcb板上電極相連，再利用屏蔽電纜將對應的pcb板上電極與squid讀出電路的接口連接起來。由於dcsquid器件尺寸在毫米至釐米量級，安裝有dcsquid器件的pcb的尺寸在釐米量級。
由於dcsquid器件中磁通量變化取決於待測磁場在垂直於器件襯底平面的z軸方向上的投影與器件感應面積的乘積，因此，dcsquid器件是一個矢量傳感器，測量垂直於襯底表面的z軸方向的磁場，對於x和y軸方向的磁場，由於器件與這兩個方向平行，不能測量x或者y軸方向的磁場。在弱磁測量應用中，當需要額外測量x或y軸方向的磁場分量時，通常採用的方法是在此方向上安裝另一個器件來測量這個方向的磁場。這種方法要求兩個器件安裝時相互垂直，而且利用導線將每個低溫dcsquid器件和室溫讀出電路連接時，這些導線通常不在一個平面上，因此，相比單個器件，增加了體積和安裝難度。當再增加測量一個方向磁場的要求，即同時測量x，y和z軸方向三個方向的磁場時，需要將三個器件集成在一個立方體的三個相鄰的表面，每個dcsquid器件測量一個空間方向的磁場，如圖3所示，構成三維磁場測量組件，因為利用三個方向的磁場可以合成空間磁場，因此，三維磁場測量組件在弱磁測量應用中測量磁場變化，尤其是在無屏蔽環境下測量地球磁場變化等應用中具有重要的作用。但是三維磁場測量組件，相比單個器件而言，其體積增大，3個器件的安裝難度增加，而且組件中立方體的加工精度和dcsquid器件固定在立方體表面的精度造成了三維測量組件的非正交性誤差。
技術實現要素：
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種三維磁場測量組件及製備方法，用於解決現有技術中三維磁場測量組件體積大、安裝難度大、立方體結構造成的三維測量組件非正交性誤差大等問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種三維磁場測量組件的製備方法，所述製備方法至少包括：
首先提供一襯底，然後在所述襯底上製備第一squid器件、第二squid器件、第三squid器件、第一探測線圈、第二探測線圈以及第三探測線圈，其中，製備的第一探測線圈與所述第一squid器件相連，且所述第一探測線圈的法線方向與x軸方向平行，用於測量x軸方向磁場；製備的第二探測線圈與所述第二squid器件相連，且所述第二探測線圈的法線方向與y軸方向平行，用於測量y軸方向磁場；製備的第三探測線圈與所述第三squid器件相連，且所述第三探測線圈的法線方向與z軸方向平行，用於測量z軸方向磁場。
作為本發明三維磁場測量組件的製備方法的一種優化的方案，所述製備第一squid器件方法包括：
1)提供一襯底，於所述襯底上依次外延生長第一超導材料層、第一絕緣材料層、第二超導材料層的三層薄膜結構；
2)刻蝕所述三層薄膜結構，以形成底電極；
3)刻蝕所述底電極上的部分所述第二超導材料層和第一絕緣材料層以形成約瑟夫森結；
4)在所述步驟3)形成的結構表面形成第二絕緣材料層，開孔以露出所述約瑟夫森結的第二超導材料層表面、底電極表面；
5)沉積第三超導材料層，並刻蝕所述第三超導材料層形成頂電極和輸入線圈，所述頂電極用於引出所述約瑟夫森結。
作為本發明三維磁場測量組件的製備方法的一種優化的方案，所述第二squid器件和第三squid器件的製備方法與所述第一squid器件的製備方法相同。
作為本發明三維磁場測量組件的製備方法的一種優化的方案，所述第一探測線圈的製備方法包括：
在所述步驟2)中，形成所述底電極的同時，刻蝕所述三層薄膜結構，形成多條底層探測線圈層；
在所述步驟3)中，形成所述約瑟夫森結的同時，刻蝕去除所述多條底層探測線圈層上的所述第二超導材料層和第一絕緣材料層；
在所述步驟4)中，開孔露出所述約瑟夫森結的第二超導材料層表面、底電極表面的同時，開孔露出每條底層探測線圈層的兩端表面；
在所述步驟5)中，形成所述頂電極、輸入線圈的同時，刻蝕所述第三超導材料層形成多條頂層探測線圈層，所述頂層探測線圈層通過開孔連接相鄰兩條底層探測線圈層，並且所述頂層探測線圈層與所述輸入線圈相連，所述頂層探測線圈層和底層探測線圈層構成第一探測線圈，所述第一探測線圈的法線方向與x軸方向平行。
作為本發明三維磁場測量組件的製備方法的一種優化的方案，所述第二探測線圈的製備方法包括：
在所述步驟2)中，形成所述底電極的同時，刻蝕所述三層薄膜結構，形成多條底層探測線圈層；
在所述步驟3)中，形成所述約瑟夫森結的同時，刻蝕去除所述多條底層探測線圈層上的所述第二超導材料層和第一絕緣材料層；
在所述步驟4)中，開孔露出所述約瑟夫森結的第二超導材料層表面、底電極表面的同時，開孔露出每條底層探測線圈層的兩端表面；
在所述步驟5)中，形成所述頂電極、輸入線圈的同時，刻蝕所述第三超導材料層形成多條頂層探測線圈層，所述頂層探測線圈層通過開孔連接相鄰兩條底層探測線圈層，並且所述頂層探測線圈層與所述輸入線圈相連，所述頂層探測線圈層和底層探測線圈層構成第二探測線圈，所述第二探測線圈的法線方向與y軸方向平行。
作為本發明三維磁場測量組件的製備方法的一種優化的方案，所述第三探測線圈的製備方法包括：
在所述步驟5)中，形成所述頂電極、輸入線圈的同時，刻蝕所述第三超導材料層形成第三探測線圈，並且所述第三探測線圈與所述輸入線圈相連，所述第三探測線圈的法線方向與z軸方向平行。
本發明還提供一種利用上述製備方法製備獲得的三維磁場測量組件，所述三維磁場測量組件至少包括：襯底、製備在所述襯底上第一squid器件、第二squid器件、第三squid器件、第一探測線圈、第二探測線圈以及第三探測線圈，其中，所述第一探測線圈與所述第一squid器件相連，且所述第一探測線圈的法線方向與x軸方向平行，用於測量x軸方向磁場；所述第二探測線圈與所述第二squid器件相連，且所述第二探測線圈的法線方向與y軸方向平行，用於測量y軸方向磁場；所述第三探測線圈與所述第三squid器件相連，且所述第三探測線圈的法線方向與z軸方向平行，用於測量z軸方向磁場。
作為本發明三維磁場測量組件的一種優化的方案，所述第一探測線圈和第二探測線圈為單匝或多匝結構。
本發明再提供一種利用上述測量組件進行三維磁場測量的用途。
如上所述，本發明的三維磁場測量組件及製備方法，具有以下有益效果：
本發明在一個襯底上製備了3個squid器件，且每一個squid器件探測1個空間方向的磁場，這種方法省略了現有技術組件中的立方體結構，減小了三維磁場探測組件的體積和安裝難度，降低了製備成本，縮小了三個器件之間非正交性誤差。
附圖說明
圖1為現有技術中的squid與探測線圈及輸入線圈多層結構示意圖。
圖2為現有技術中的squid與探測線圈及輸入線圈集成結構示意圖。
圖3為現有技術中的立方體結構的squid測量空間磁場的結構示意圖。
圖4～圖8為本發明三維磁場測量組件中第一squid器件和第一探測線圈製備流程結構示意圖。
圖9為本發明三維磁場測量組件中第一squid器件和第一探測線圈的俯視圖。
圖10為本發明三維磁場測量組件中第三squid器件和第三探測線圈的俯視圖。
圖11為本發明三維磁場測量組件其中一種實施方式的整體俯視圖。
元件標號說明
1squid器件
11第一squid器件
12第二squid器件
13第三squid器件
101襯底
102第一超導材料層
103第一絕緣材料層
104第二超導材料層
105底電極
106底層探測線圈層
10約瑟夫森結
107第二絕緣材料層
108頂電極
109頂層探測線圈層
2超導環
3輸入線圈
4探測線圈
401第一探測線圈
402第二探測線圈
403第三探測線圈
具體實施方式
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
本發明提供一種三維磁場測量組件的製備方法，所述製備方法至少包括：
首先提供一襯底，然後在所述襯底上製備第一squid器件、第二squid器件、第三squid器件、第一探測線圈、第二探測線圈以及第三探測線圈，其中，製備的第一探測線圈與所述第一squid器件相連，且所述第一探測線圈的法線方向與x軸方向平行，用於測量x軸方向磁場；製備的第二探測線圈與所述第二squid器件相連，且所述第二探測線圈的法線方向與y軸方向平行，用於測量y軸方向磁場；製備的第三探測線圈與所述第三squid器件相連，且所述第三探測線圈的法線方向與z軸方向平行，用於測量z軸方向磁場。
需要說明的是，製備所述第一squid器件、第二squid器件和第三squid器件的方法步驟相同。製備所述第一探測線圈和第二探測線圈的方法步驟也相同，區別在於製備的第一探測線圈和第二探測線圈的法線方向不同。
本實施例中先以製備第一squid器件和第一探測線圈為例進行說明。另外，需要說明的是，3個squid器件的製備和3個探測線圈的製備可以同時進行。
首先執行步驟1)，如圖4所示，提供一襯底101，於所述襯底101上依次外延生長第一超導材料層102、第一絕緣材料層103、第二超導材料層104的三層薄膜結構。
具體地，本發明可以採用磁控濺射方式依次外延生長第一超導材料層102、第一絕緣材料層103、第二超導材料層104的三層薄膜結構。所述第一超導材料層102、所述第一絕緣材料層103及所述第二超導材料層104可以在不破壞真空環境的情況下分別在不同的腔室生長。
更具體地，提供一襯底101，所述襯底101包括：矽襯底、氧化鎂襯底或藍寶石襯底。在本實施例中，為了製備高質量的超導薄膜，所述襯底101優選為氧化鎂襯底。
作為示例，所述第一超導材料層102、第二超導材料層104可以為氮化鈮或鈮等。本實施例中，所述第一超導材料層102和第二超導材料層104均為氮化鈮材料。
作為示例，所述第一絕緣材料層103為氮化鋁、氧化鋁或氧化鎂等。本實施例中優選氮化鋁作為第一絕緣材料層103。所述第一絕緣材料層103的厚度可以為1.2nm～2.4nm，在本實施例中，所述第一絕緣材料層103的厚度僅為2nm。
其次執行步驟2)，如圖5所示，刻蝕所述三層薄膜結構，以形成超導環和底電極105。
具體地，利用微加工工藝刻蝕出超導環和底電極105圖形，所述微加工工藝包括但不限於光刻和刻蝕。刻蝕出的所述第一超導材料層102一部分作為超導環，一部分作為底電極105。
在本步驟中，刻蝕形成超導環和底電極105的同時，刻蝕三層薄膜結構形成多條底層探測線圈層106，如圖5所示。所述底層探測線圈層106整體與第一squid器件11的距離根據具體器件的設計尺寸來定。所述底層探測線圈層106的形狀不限，其橫截面形狀優選為長方形。
然後執行步驟3)，如圖6所示，刻蝕底電極105上的部分所述第二超導材料層104和第一絕緣材料層103以形成約瑟夫森結10。
如圖6所示，刻蝕底電極105上的部分所述第二超導材料層104和第一絕緣材料層103後，剩餘的第二超導材料層104、第一絕緣材料層103和底電極105(即第一超導材料層)形成約瑟夫森結10。
本步驟中，形成約瑟夫森結10的同時刻蝕去除所述多條底層探測線圈層106上的所述第二超導材料層104和第一絕緣材料層103。
接著執行步驟4)，如圖7所示，在所述步驟3)形成的結構表面形成第二絕緣材料層107，開孔以露出所述約瑟夫森結10的第二超導材料層104表面、底電極105表面。
具體地，所述第二絕緣材料層107的材質為氮化矽或二氧化矽。在本實施例中，所述第二絕緣材料層107的材質為氧化矽，在後續步驟中，用於隔離所述約瑟夫森結10的頂電極和底電極。
本步驟中，可以同時開孔露出每條底層探測線圈層106的兩端表面，第二絕緣材料層107可以隔絕探測線圈的頂層和底層。
最後執行步驟5)，如圖8和9所示，沉積第三超導材料層，並刻蝕所述第三超導材料層形成頂電極108和輸入線圈3，所述頂電極108用於引出所述約瑟夫森結10。圖8為剖視圖，圖9為圖8的俯視圖。
具體地，在步驟5)製備的結構表面沉積所述第三超導材料層，刻蝕形成的頂電極108用於引出約瑟夫森結10的電性。
本步驟中，形成頂電極108、輸入線圈3的同時，刻蝕所述第三超導材料層形成多條頂層探測線圈層109，所述頂層探測線圈層109通過開孔中的第三超導材料連接相鄰兩條底層探測線圈層106，並且所述頂層探測線圈層106與所述輸入線圈3相連，所述頂層探測線圈層106和底層探測線圈層109構成第一探測線圈401，所述第一探測線圈401的法線方向與x軸方向平行，如圖9所示。所述第一探測線圈401可以是多匝結構，也可以是單匝，即一個線圈。
作為示例，所述第三超導材料層可以為氮化鈮或鈮等。本實施例中，所述第三超導材料層為氮化鈮材料。
另外，所述第一探測線圈401的匝數和尺寸可以隨實驗要求而優化，以達到測量要求。
製備第二探測線圈402和第一探測線圈401的步驟類似，唯一的區別在於，第二探測線圈402的法線方向與y軸方向平行。具體製備第二探測線圈402的步驟不再展開描述。
製備第三探測線圈403與製備第一、二探測線圈401、402有所不同。只需要在上述步驟5)製備形成頂電極108、輸入線圈3的同時，刻蝕所述第三超導材料層便形成第三探測線圈403，並且所述第三探測線圈403與第三squid器件中13的輸入線圈相連，所述第三探測線圈403的法線方向與z軸方向平行，如圖10所示為第三squid器件13和第三探測線圈403。
在探測三維方向的磁場時，x，y和z軸方向的3個器件在襯底上排列的方式可以有多種設計，圖11給出其中一種排列方式，按此方式，可以在同一塊襯底101上製備分別可探測3個方向空間磁場的squid器件。
作為示例，本發明的3個squid器件均為dcsquid器件
本發明還提供一種三維磁場測量組件，如圖9～11所示，該組件由上述製備方法製備獲得，所述三維磁場測量組件至少包括：襯底101、製備在所述襯底101上第一squid器件11、第二squid器件12、第三squid器件13、第一探測線圈401、第二探測線圈402以及第三探測線圈403，其中，所述第一探測線圈401與所述第一squid器件11相連，且所述第一探測線圈401的法線方向與x軸方向平行，用於測量x軸方向磁場；所述第二探測線圈402與所述第二squid器件12相連，且所述第二探測線圈402的法線方向與y軸方向平行，用於測量y軸方向磁場；所述第三探測線圈403與所述第三squid器件13相連，且所述第三探測線圈403的法線方向與z軸方向平行，用於測量z軸方向磁場。
組件中，所述第一探測線圈401和第二探測線圈402為單匝或多匝結構。所述第一探測線圈401和第二探測線圈402的底層探測線圈層與器件中的第一超導材料層(超導環和底電極)為同一層，頂層探測線圈層與第三超導材料層(頂電極和輸入線圈)為同一層。
利用本發明的測量組件，可以順利測量出三個空間方向的磁場，不需要立方體結構進行額外的安裝，大幅度降低測量誤差。
上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。