[發(fā)明專利]一種二階SBC超導量子干涉梯度計及制作方法

有效

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• 申請日: 2014-05-13
• 公開（公告）號: CN103954918B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發(fā)明（設計）人: 王會武;劉全勝;王鎮(zhèn);謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所
• 主分類號: G01R33/035
• 分類號: G01R33/035
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發(fā)明涉及一種磁探測傳感器及制作方法，更確切地說本發(fā)明涉及一種二階多環(huán)SBC超導量子干涉梯度計及制作方法。屬于超導量子干涉器件(SQUID)技術領域。

背景技術

超導量子干涉器件(SQUID)是由超導約瑟夫森結和超導環(huán)等結構組成的超導電子器件，它相當于一個磁通-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10^-6Φ₀/Hz^1/2量級(Φ₀＝2.07×10^-15Wb)，磁場的靈敏度在fT/Hz^1/2量級(1fT＝1×10^-15T)。由于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。

在基于SQUID傳感器的地球磁場探測應用中，經(jīng)過各國科研人員的研究，已經(jīng)取得了非常大的進展，將SQUID器件應用于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制了基于超導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(jīng)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(fā)了基于SQUID的超導全張量磁力梯度測量組件，并實現(xiàn)了該系統(tǒng)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(chǎn)勘探方面的應用打下了堅實的基礎，有利于得到更準確的地球磁場信息。

但是，將SQUID器件應用于地球磁場環(huán)境中進行弱磁信號測量時，因為SQUID器件是工作于無磁屏蔽地球環(huán)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(shù)值比超導SQUID器件靈敏度(典型值10fT)高8個量級左右，對于SQUID器件來說，地球磁場是很強的磁場。強磁場極易進入超導芯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芯片的性能惡化，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(zhàn)。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(diào)制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(tǒng)結構SQUID器件(即在超導環(huán)中插入兩個約瑟夫森結形成的結構)的磁通-電壓轉換系數(shù)不高，其讀出電路通常使用磁通調(diào)制鎖定電路來提高其數(shù)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-電壓轉換系數(shù)，可以使用直讀式讀出電路。由于典型的磁通調(diào)制電路比直讀式電路結構復雜、調(diào)整參數(shù)數(shù)目多、頻帶窄等，因此在野外環(huán)境中使用測試設備時，直讀式電路比磁通調(diào)制電路更具有優(yōu)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。

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幾率(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(jīng)得到了驗證，對其研究和應用仍在發(fā)展之中(Drung etc.1990,Appl.Phys.Lett.57,406-408)；對于梯度測量，人們發(fā)明了SQUID梯度計來實現(xiàn)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(nèi)容，并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。

針對上述磁場梯度測量的需要，本發(fā)明擬提出一種二階多環(huán)結構SBC梯度計，通過綜合多環(huán)結構SQUID、SBC器件和二階梯度結構的優(yōu)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梯度芯片，以增加超導梯度計的工作穩(wěn)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(huán)境中的磁場梯度測量奠定堅實的硬件基礎。

發(fā)明內(nèi)容