一种双级超导量子干涉器放大装置、方法及SQUID磁传感器制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种双级超导量子干涉器放大装置、方法及SQUID磁传感器，该放大装置包括：调制模块将一固定频率的方波调制信号转换成调制磁通；第一级超导量子干涉器探测外部磁通信号获得被测磁通，同时利用耦合的调制磁通将被测磁通的电压输出调制成被调制电压信号；整形转换模块将被调制电压信号进行转换整形，输出调整磁通信号；自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块，包括一与整形转换模块耦合相连的第二级超导量子干涉器，响应调整磁通信号，输出对应放大的调整电压信号；解调模块利用方波调制信号对调整电压信号进行解调，输出与被测磁通对应的双级放大的检测电压信号。本发明专利技术解决了双级SQUID放大技术中工作点多值性以及工作稳定性的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于磁传感器
，涉及一种用于SQUID磁传感器的放大装置，特别是涉及一种双级超导量子干涉器放大装置、方法及SQUID磁传感器。
技术介绍
基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,以下简称SQUID)的磁传感器是目前已知的最灵敏的磁探测器，广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10-15特斯拉)量级。SQUID磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用价值。SQUID器件是SQUID磁传感器中最核心的磁敏感元件。通常采用直流SQUID器件(以下所述的SQUID都指直流SQUID器件)，该器件是由两个超导约瑟夫森结并联构成的一个超导环，在约瑟夫森结的两端引出端子，加载一定的偏置电流，使SQUID两端的电压具有随其感应磁场发生变化的特性。即SQUID感应外界磁通，输出响应的电压，输入磁通和电压构成对应的传输特性。典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线如图1所示。SQUID磁通-电压传输特性是指SQUID的输入输出的关系，即输入一个被测磁通量，SQUID相应输出一个电压值，以输入磁通量为横轴，电压响应为纵轴，输入磁通与输出电压一一对应，就构成了图1所示的特性曲线，该曲线反映了SQUID磁场-电压传输特性。该磁通-电压传输特性是周期非线性的，周期为一个磁通量子Φ0(2.07×10-15韦伯)。从SQUID的磁通-电压传输特性曲线可以看出，SQUID响应外部磁通是非线性的，且随输入磁通呈周期变化，是一个以输入磁通为自变量的周期函数。周期为一个磁通量子Φ0。所述SQUID是磁敏元件，就是指SQUID能响应输入的磁通，产生电压变化，即对输入磁通敏感。由于磁通-电压传输特性是非线性的，SQUID对不同磁通输入其响应能力不同。通常引入传输特性曲线的斜率来表征敏感程度，斜率越大，灵敏度越高。在传输特性曲线某个点的斜率体现SQUID在该点输入一个微小磁通变化产生电压响应的能力，称为该点的磁通-电压传输率。SQUID在某个点的传输率越大，用它做工作点构成线性的磁传感器所获得的噪声越低。SQUID磁传感器就是依赖上述SQUID磁通-电压传输特性应用磁通-电压锁定原理来实现磁通检测的，并将检测到的磁通线性转换成电压信号，构成基于SQUID的高灵敏度低噪声磁传感器。基于磁通-锁定环路的SQUID磁传感器的典型结构如图2所示。图3为SQUID磁传
感器在工作点处的传输特性曲线示意图。从SQUID磁传感器的典型原理图可以看出，这是一种负反馈回路，电路处于动态平衡状态，即通过积分器调整输出反馈电流，始终跟踪抵消外部输入的被测磁通，使得SQUID始终稳定在工作零点上。所述工作零点就是在SQUID磁通电压传输特性曲线上选取一个特性点，该特性点磁通-电压传输率最大，且工作点两边有一定的区间使得SQUID磁传感器电路能保持负反馈；当发生偏离工作点的波动时，只要在该区间内，负反馈回路就能自动回复平衡，使SQUID状态重新回到工作点上。上述磁通锁定环结构是一种典型的应用非线性磁敏元件实现磁通-电压线性转换的方案，其工作原理是：选择SQUID磁通-电压传输特性其中一个工作点，在工作点处，SQUID输出电压为零，积分器没有积分，所有输出稳定，达到负反馈的稳定状态。当外部被测磁通发生变化，SQUID感应的磁通偏离工作点，并根据磁通-电压传输特性曲线输出电压，该电压经前置放大送入积分器，积分器根据输入电压大小积分调制输电电压，该调制后的输出电压驱动反馈电阻产生反馈电流If，反馈电流通过反馈电感Lf与磁敏感元件SQUID的互感Mf产生抵消磁通，抵消外部输入的磁通，使得整个负反馈环路恢复平衡，SQUID状态回到工作点保持稳定。从磁通锁定环的负反馈工作过程可知，输入的被测磁通大小与抵消磁通始终相同，因此被测磁通大小产生抵消磁通的积分器输出电压成比例关系，只要检测积分器的输出电压，即可获知外部被测磁通的大小，SQUID磁传感器就是利用该原理实现磁通-电压的线性转换的。从SQUID磁传感器的工作原理可知，传感器利用SQUID工作点处的磁通-电压转换特性维持负反馈平衡，完成磁通-电压的线性转换。SQUID器件在构建磁传感器中存在以下问题：SQUID磁通-电压传输率不够，使传感器噪声由前置放大器噪声主导。SQUID器件的信号微弱，需要通过低噪声前置放大器将信号放大，再驱动积分器和磁通负反馈回路，形成磁通锁定环。由于SQUID工作在低温环境下，具有很低的噪声，而与其匹配的前置放大器采用半导体电路构成，且工作在低温环境下，其电压噪声远高于SQUID的本征噪声，使得SQUID磁传感器噪声性能由前置放大器主导，SQUID器件低噪声性能得不到充分发挥，主要原因是SQUID器件磁通电压传输率不足。SQUID器件工作在低温环境下(低温超导材料制作的SQUID通常工作在4.2K液氦环境下，高温超导材料制作的SQUID通常工作在77K的液氮环境下)，具有很低的噪声，典型的磁通噪声低于SQUID的磁通-电压传输率通常能达到100μV/Φ0。SQUID前置放大器采用半导体放大器，在室温环境下，放大器典型的电压噪声为因此前置放大器引入的等效磁通噪声为可见放大器引入的噪声远大于
SQUID本征的噪声，产生了SQUID器件与前置放大器噪声不匹配的问题。为了解决噪声匹配问题，目前已有的方案是引入两级SQUID放大的设计，即采用两个SQUID器件，第一个SQUID检测被测磁场输出的信号再经第二个SQUID器件进行放大，通过两级放大使总的磁通-电压传输率得到增强，从而和常温下的半导体前置放大器匹配，实现低噪声。采用两级SQUID放大，信号放大在低温下采用具有相同低噪声性能的第二级SQUID来实现放大，可实现很低的噪声，是目前最佳的构建高性能SQUID磁传感器的方案。目前已有的两级SQUID放大方案有两种：第一种方案为：两个SQUID简单级联，如图4所示，其中，SQUID1和SQUID2都具有如图5所示的相同的周期非线性传输特性，因此两个SQUID级联后的磁通-电压传输特性曲线如图6所示。该方案产生的问题是传输特性在一个周期内同时存在多个特性不同的工作零点，其中只有一个工作零点具有最佳的磁通-电压传输率。SQUID磁通-电压传输特性曲线是周期重复的，一个周期内只有一个可锁定的工作点，才能保证SQUID传感器性能的一致性。如果在一个周期内有不同的工作零点，且不同零点处磁通-电压传输率不同，那么SQUID传感器锁定后性能将因锁定点不同，造成传感器性能不一致。在实际应用中，由于工作点难以选择，因此无法使传感器达到最佳性能。第二种方案为：利用第2级SQUID及其放大电路构成的线性磁探测器来实现信号放大，即将第二级SQUID放大电路线性化来解决方案一中的工作点多值问题。由于第二级SQUID构成了磁通锁定环路，其传输特性是线性的，因此合成的磁通-电压传输特性可以避免工作点多值问题。但由于该第二级放大采用的是一个SQUID磁通锁定环路，其输出接入积分器和反馈回路形成完整的传感器电路，形成了双环路结构的负反馈系统，而双本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双级超导量子干涉器放大装置，其特征在于，所述双级超导量子干涉器放大装置包括：调制模块，将一固定频率的方波调制信号转换成调制磁通；第一级超导量子干涉器，与所述调制模块耦合相连，用于探测外部磁通信号获得被测磁通，同时利用耦合的所述调制磁通将所述被测磁通的电压输出调制成被调制电压信号；所述被调制电压信号的幅度同所述第一超导量子干涉器对被测磁通的响应电压相关；所述被调制电压信号的频率和相位与所述调制磁通同步；整形转换模块，与所述第一超导量子干涉器相连，将所述被调制电压信号进行转换整形，输出调整磁通信号；自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通‑电压转换模块，包括一与所述整形转换模块耦合相连的第二级超导量子干涉器，响应所述调整磁通信号，输出对应放大的调整电压信号；解调模块，与所述具有回滞特性自复位的磁通探测器和调制模块分别相连，利用所述方波调制信号对所述调整电压信号进行解调，输出与所述被测磁通对应的双级放大的检测电压信号。

【技术特征摘要】
1.一种双级超导量子干涉器放大装置，其特征在于，所述双级超导量子干涉器放大装置包括：调制模块，将一固定频率的方波调制信号转换成调制磁通；第一级超导量子干涉器，与所述调制模块耦合相连，用于探测外部磁通信号获得被测磁通，同时利用耦合的所述调制磁通将所述被测磁通的电压输出调制成被调制电压信号；所述被调制电压信号的幅度同所述第一超导量子干涉器对被测磁通的响应电压相关；所述被调制电压信号的频率和相位与所述调制磁通同步；整形转换模块，与所述第一超导量子干涉器相连，将所述被调制电压信号进行转换整形，输出调整磁通信号；自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块，包括一与所述整形转换模块耦合相连的第二级超导量子干涉器，响应所述调整磁通信号，输出对应放大的调整电压信号；解调模块，与所述具有回滞特性自复位的磁通探测器和调制模块分别相连，利用所述方波调制信号对所述调整电压信号进行解调，输出与所述被测磁通对应的双级放大的检测电压信号。2.根据权利要求1所述的双级超导量子干涉器放大装置，其特征在于，所述调制模块进一步包括：方波发生器，生成所述固定频率的方波调制信号；幅度调节单元，与所述方波发生器相连，将所述方波调制信号转换成调制电流；调制单元，与所述幅度调节单元相连，将所述调制电流转换成调制磁通。3.根据权利要求1所述的双级超导量子干涉器放大装置，其特征在于，所述整形转换模块进一步包括：第一转换单元，与所述第一超导量子干涉器相连，将所述被调制电压信号转换成被调制电流信号；整形单元，与所述第一转换单元相连，对所述被调制电流信号进行整形，使所述被调制电流信号的上升和下降跳变边沿变缓，消除毛刺；第二转换单元，与所述整形单元相连，将整形后的被调制电流信号转换成调整磁通信号。4.根据权利要求1所述的双级超导量子干涉器放大装置，其特征在于：所述第二SQUID磁
\t通-电压转换模块是采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路来实现自复位且传输特性回滞的特性的。5.一种双级超导量子干涉器放大方法，其特征在于，所述双级超导量子干涉器放大方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永良，徐小峰，孔祥燕，谢晓明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31