一种精确诊断串联SQUID故障的方法技术

一种精确诊断串联SQUID故障的方法，使各串联SQUID的输入线圈分别具有不同电感，对串联SQUID调制曲线进行傅里叶变换得到调制曲线的频谱图，通过分析对应不同频率的幅度，幅频特性曲线中缺失的峰值，其对应的SQUID即为故障点，本发明专利技术可以精确分辨出串联SQUID中单个SQUID的好坏并能确定坏的SQUID的位置，同时根据幅度可以判断每个SQUID处于该电流偏置点的调制深度以及分析每个SQUID的最佳偏置点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天文探测
，适用于串联SQUID放大器以及两级SQUID放大器的制备、样品性能及可靠性分析，特别涉及一种精确诊断串联SQUID故障的方法。
技术介绍
近年来，SQUID作为目前最灵敏的磁场探测器件之一，可以被用于生物磁场的探测，可以被用于机轮的无损检测，材料磁性研究，核磁共振测量以及用于读出天文探测的低温粒子探测器等。而单个电流偏置的SQUID放大器输出信号电压相对较小，可以通过多个相同SQUID串联的办法来增大输出电压幅度，并使其输出电压可以直接连接到室温放大器。对于多个相同SQUID串联，传统的通过串联电阻值大小判断串联个数难以确定坏的SQUID的具体位置，并且当并联电阻数目过多时，由于工艺偏差可能导致有坏的SQUID未被分析出来。通过对比串联SQUID调制曲线深度与单个SQUID调制深度，由于偏置电流的不同对应调制深度的不同，导致难以分辨是否有坏的SQUID以及串联SQUID的个数，并且同样无法确定坏的SQUID的具体位置。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种精确诊断串联SQUID故障的方法，可以精确判断串联SQUID中每个SQUID的好坏。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是:一种精确诊断串联SQUID故障的方法，使各串联SQUID的输入线圈分别具有不同电感，对串联SQUID调制曲线进行傅里叶变换得到调制曲线的频谱图，通过分析对应不同频率的幅度，幅频特性曲线中缺失的峰值，其对应的SQUID即为故障点。由于调制曲线为周期性函数，其中幅频曲线为调制曲线的傅里叶变换，因此频谱图中，幅度与该电流偏置点的调制深度成正比关系；根据单个SQUID的不同偏置点对应的幅度不同，选择对应幅度最大的偏置点，该点即为该SQUID的最佳偏置点。具体地，可以通过调整线圈圈数的不同，使得各SQUID的输入线圈分别具有不同电感。与现有技术相比，本专利技术可以精确分辨出串联SQUID中单个SQUID的好坏并能确定坏的SQUID的位置，同时根据幅度可以判断每个SQUID处于该电流偏置点的调制深度以及分析每个SQUID的最佳偏置点。【附图说明】图1是本专利技术不同电感的输入线圈对应的串联SQUID版图设计不意图。图2是图1串联SQUID中第一个SQUID细节图。图3是图1串联SQUID中第二个SQUID细节图。图4是图1串联SQUID中第三个SQUID细节图。图5是图1串联SQUID中第四个SQUID细节图。图2-图5中，用7表不约瑟夫森结，用8表不输入线圈，用9表不导线，用10表不反馈线圈。图6是本专利技术串联SQUID的制备工艺示意图。图6中，用1表示Si02，用2表示Si，用3表示Photoresist，用4表示Nb，用5表示Al/A10x，用6表示Auo图7是图1单SQUID放大器电路结构图。图8是本专利技术仿真参数1的调制曲线图。图9是本专利技术仿真参数1的幅频特性曲线图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。如图1所示，本专利技术基于微电子平面工艺制备输入线圈与SQUID之间互感不同的串联SQUID，通过在版图上对串联SQUID设计不同电感的输入线圈使得其与SQUID互感不同。当制备出串联SQUID并可以得到调制曲线后，对调制曲线进行傅里叶变换得到调制曲线的频谱图；通过分析对应不同频率的幅度可以精确分辨出串联SQUID中单个SQUID的好坏并能确定坏的SQUID的位置，并根据幅度可以判断每个SQUID处于该电流偏置点的调制深度以及分析每个SQUID的最佳偏置点。图1中，共表示出了四个串联的SQUID，其中，第一个SQUID如图2所示，其输入线圈为一圈，第二个SQUID如图3所示，其输入线圈为两圈，第三个SQUID如图4所示，其输入线圈为三圈，第四个SQUID如图5所示，其输入线圈为四圈。可见，各个SQUID中，均具有约瑟夫森结7、输入线圈8、导线9和反馈线圈10。其中，各个SQUID的约瑟夫森结7、导线9和反馈线圈10的结构一致，仅输入线圈8的圈数各不相同。其具体的实现工艺如图6所示，采用自对准五次光刻工艺制备SQUID的工艺流程，一共进行五次光刻。图6A中，在硅片层2上溅射一层400nm的S1jl 1，第一次光刻采用双层正性剥离胶光刻工艺目的是为了派射三层膜，Photoresist层3位于S1jg 1上方，如图6B所示。之后溅射三层膜即引入Nb4和Al/A10x5，如图6C和D所示。第二次光刻采用负性剥离胶NR9-3000PY进行，其目的为在三层膜表面定义结区光刻胶图形，并且刻蚀采用SF6气体，A1可以作为天然阻挡层，如图6E、图6F、图6G、图6H所示。第三次光刻通过反应离子刻蚀以及80% H3P0JS法腐蚀从而掏空出用于上下电极连接的通孔，如图61、图6J、图6K、图6L所示。第四次光刻目的是溅射Au并联电阻6，溅射时本底真空为10E-4Pa，在溅Au之前为了增加表面粘附力需要溅射一薄层8nm左右的Ti，如图6M、图6N、图60所示。第五次光刻溅射上电极以及调制线圈，在溅射之前，由于Nb表面会很容易吸附空气中的氧气成为氧化Nb，因此需要进行去氧化层工艺，然后溅射350nm厚度Nb导线层，如图6P、图6Q、图6R所示。这一次光刻有两种版图设计，其一为通常的设计，它属于相同的输入线圈的串联SQUID放大器，这种设计无法判断单个SQUID的质量；其二为本专利技术中设计的不同的输入线圈的串联SQUID放大器(不同输入线圈的设计版图称为诊断线圈版图，如图1所示)。按照以上工艺步骤，可以制备出需要的样品。通过对含有诊断线圈的SQUID放大器的调制曲线进行傅里叶变换，找出幅频特性曲线中缺失的峰值，其对应的SQUID即为故障点，因此可以判断出单个SQUID的质量。具体地，运用wrspice软件针对一组串联SQUID中每个SQUID与调制线圈互感均不相同进行仿真。单SQUID放大器电路结构图7所示，设计值为:SQUID电感为Lsq= 74pH，偏置电流为Iblas= 58.6 μ A，I bl为流过约瑟夫森结J i的偏置电流，I b2为流过约瑟夫森结J2的偏置电流，结的临界电流为1。= 29.25 μ Α，并联电阻R sl= R s2= 1.6 Ω，四个SQUID的输入线圈电感分别为 Linl= 20nH，Lin2= 80nH，Lin3= 320nH，L in4= 1280nH 耦合系数 k 均为0.2ο则SQUID 与线圈间的互感大小分别为:Μιη1 = 0.24ηΗ，Μ ιη2= 0.48ηΗ，Μ ιη3 =0.96ηΗ，Min4= 1.92ηΗ。则对应每个周期电流分别为:l!=8.499 μ Α，I 2= 4.25 μ Α，I 3= 2.13 μ Α，I 4=1.07 μ Α。对应每个频率分别为:fi=117664 (1/A), f 2= 235328 (1/A)，f 3= 470656 (1/A)，f4= 941312 (1/A)。仿真得到的调制曲线如图8所示，对该调制曲线进行傅里叶变换得到的幅频特性曲线如图9所示。根据仿真结果可以看出幅频特性曲线中对应的f\，，f2,，f3,，f4四个点均有峰值，若其中匕没有峰值，则对应仅有一圈输入线圈的SQUID为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精确诊断串联SQUID故障的方法，其特征在于，使各串联SQUID的输入线圈分别具有不同电感，对串联SQUID调制曲线进行傅里叶变换得到调制曲线的频谱图，通过分析对应不同频率的幅度，幅频特性曲线中缺失的峰值，其对应的SQUID即为故障点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钊，刘建设，李铁夫，陈炜，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11