[發明專利]用于采用超導量子干涉器件的傳感器的調試系統及方法

有效

• 申請號: 201310374497.9
• 申請日: 2013-08-23
• 公開（公告）號: CN104422903B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 王永良;常凱;榮亮亮;孔祥燕;徐小峰;謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01R33/035
• 分類號: G01R33/035
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 高磊

技術領域

本發明涉及一種用于采用超導量子干涉器件的傳感器的調試系統及方法。

背景技術

采用超導量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，以下簡稱SQUID）的傳感器是目前已知的最靈敏的磁傳感器。由于其非線性特性且輸出電壓極其微弱（幾十個微伏以內）的原因，傳感器不能直接通過檢測所輸出電壓來判斷磁場的大小。這使得傳感器的一致性和可重復性較差。另外由于工藝穩定性等問題，不同傳感器中器件的工作參數也不同。因此每個器件都要獨立調試參數。

其中，所述傳感器中的包括：超導量子干涉器件（SQUID）和讀出電路。

SQUID是一個由兩個約瑟夫森結（類似半導體的PN結）構成的超導量子干涉器件，當給SQUID兩端加一定的偏置電流時，偏置電流大到一定值（10uA量級）時，就表現出磁敏感特性，即SQUID兩端的電壓會隨著加載在它上面的磁通而變化，稱為磁通電壓轉換特性，當磁通電壓轉換特性達到最強時，此時最敏感，此時的這個偏置電流稱為最佳工作電流，也是本調試系統要調節的關鍵參數。在實際應用中，SQUID的這個工作電流是通過一個外部加載的電壓源驅動一個與SQUID串聯的大電阻來產生的，因此，外部需要加載這個電壓源稱為偏置電壓，偏置電壓對應產生偏置電流。

讀出電路部分的功能是將SQUID兩端的電壓信號檢測并放大，送到積分器通過積分反饋的方式（磁通鎖定原理）實現磁通電壓的線性轉換。這個電路原理要求在工作點處送入積分器的電壓為零。而SQUID輸出電壓中帶有直流偏移量，因此在送入積分器輸入端時，包含了直流偏移電壓，因此需要通過一個減法調零電路，即從外面輸入一個偏移電壓，兩個電壓相減，將這個直流偏移電壓消除，滿足讀出電路工作的要求。因此外部加載的這個用于消除SQUID器件工作點處直流量的調零電壓，稱為偏移電壓。這是為了電路能正常工作所需的參數。

目前，采用超導量子干涉器件的傳感器在使用前需要熟悉傳感器特性的專業人員人工完成參數的調試，人工參數調試所述傳感器不僅精度低，而且在投入運行前要在器件參數調試上耗費時間，使得系統效率受限。具體地，專業人員主要在所述傳感器的調試狀態下來人工調試所述偏置電壓和偏移電壓。

由多個超導量子干涉傳感器構成的多通道系統的應用越來越廣，如64通道心磁系統，200通道的腦磁系統，以及天文觀測應用的SQUID探測陣列系統。在多通道系統中，需要人工調試每個通道上的傳感器。人工調試需要熟悉SQUID特性的專業技術人員在外部儀器如示波器，信號發生器等的輔助下，逐個調試電路參數，通過人工判別實現傳感器最佳工作參數的調試。由此可見，人工調試所耗費的時間將隨著通道數的增加而大大增加，成為系統使用過程中的一個障礙，同時人工調試，對調試人員的在SQUID器件方面的專業技術要求高，不利于SQUID系統的應用推廣。

因此，需要提高傳感器在使用前的調試效率和精度，縮短傳感器投入運行的時間，消除對SQUID專業人員的依賴，消除SQUID應用的推廣的壁壘。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種用于采用超導量子干涉器件的傳感器的調試系統及方法，用于解決現有技術中傳感器在使用前的調試對專業人員的依賴度過高的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種用于采用超導量子干涉器件的傳感器的調試系統，所述傳感器包括：超導量子干涉器件和與所述超導量子干涉器件相連的讀出電路，所述調試系統至少包括：與所述讀出電路和超導量子干涉器件連接的數字電壓轉換器，用于將外接的電源分別轉換成所述超導量子干涉器件的偏置電壓和所述讀出電路的偏移電壓；與所述讀出電路的測試信號輸入端、輸出端及數字電壓轉換器相連的調控裝置，用于基于所述測試信號輸入端所輸入的信號的周期，檢測所述輸出端所輸出的具有所述周期的感應信號，并從中確定所述周期內的電壓峰峰值和偏移電壓，基于相鄰檢測的兩個所述電壓峰峰值的比較結果來逐步調整所述數字電壓轉換器所輸出的偏置電壓，并控制所述數字電壓轉換器將所輸出的偏移電壓調整為抵消所確定的偏移電壓的偏移電壓。

優選地，所述調控裝置包括：與所述讀出電路的測試信號輸入端相連的測試信號產生模塊，用于按照所述超導量子的磁通周期生成交變的測試信號，并輸出至所述測試信號輸入端；與所述讀出電路的輸出端相連的采樣模塊，用于基于所述測試信號的周期過采樣所述輸出端所輸出的感應信號的電壓值；與所述測試信號產生模塊和采樣模塊相連的調控單元，包括：