SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器技术

本发明专利技术提供一种SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器，包括：藉由第n级SQUID电路对被测磁通输入信号进行检测，并输出相应的电流或电压信号；藉由依次串联于反相放大反馈电路与第n级SQUID电路之间的各级SQUID转换电路，将所述电流或电压信号在传输特性单调区间内逐级进行电流或电压到电流或电压的转换，得到与被测磁通信号相对应的响应电压；再藉由反相放大反馈电路输出反相放大电压，并提供负反馈电流。本发明专利技术的噪声水平达到SQUID极限本征噪声水平，既可以用于构建极高灵敏度和极低噪声性能的磁传感器，又可以用于SQUID本征噪声测试，开展SQUID的极限噪声性能研究，为极限探测应用和科研提供了有力的工具，具有重要的应用和研究价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁传感器
，特别是涉及一种SQUID信号放大模块、放大方法及磁传感器。
技术介绍
基于超导量子干涉器件(SuperconductingQuantumInterferenceDevice，SQUID)的磁传感器是目前已知的噪声水平最低、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应用领域，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，SQUID两端的电压将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，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)。SQUID器件的磁通-电压传输特性是周期非线性的，不能通过直接检测其电压输出确定感应磁通的大小，因此不能直接用作磁传感器，这种非线性的磁通-电压转换元件需要构建如图2所示的磁通锁定环电路来实现磁通-电压的线性转换的磁传感器。其工作原理如下：选择SQUID磁通-电压传输特性其中一个工作点，在工作点处，前置放大器输出电压为零，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Φ发生变化，SQUID感应到偏离工作点的磁通ΔΦ，将根据磁通-电压传输特性曲线输出电压ΔV，该电压经前置放大器进行信号放大，并送入积分器，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If与SQUID的互感Mf产生抵消磁通，抵消外部输入的磁通，直到完全抵消，使得输入积分器的电压归零，整个负反馈环路恢复平衡，SQUID状态回到工作点。从磁通-电压锁定环路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。SQUID器件和传感器电路结合实现高性能磁传感器，要满足两个要求，一是提供一个如图1所示的具有最大正斜率或负斜率的工作点零点，作为整个负反馈电路稳定工作零点。另一个则是由于SQUID信号微弱，需要接入放大器进行放大，因此SQUID的噪声要和接入的前置放大器噪声相匹配。SQUID磁传感器电路存在问题是SQUID器件与前置放大器噪声不匹配。SQUID信号比较微弱，感应磁场的电压响应最大峰峰值只有几十微伏，因此首先要进行放大。同时SQUID在工作点处最大的磁通-电压传输率(也就是灵敏度)是有限的，常规SQUID器件最大磁通-电压传输率在100μV/Φ0，对应的放大器的电压噪声在1nV/√Hz以上，因此等效的输入磁通噪声大于10μΦ0/√Hz，这比SQUID本征的噪声(通常在1μΦ0/√Hz以下)大一个数量级以上，因此构成的磁传感器的噪声水平完全由放大器引起的，没有将SQUID低噪声的优势发挥出来。要实现高性能的SQUID磁传感器，要将传感器电路的噪声降到SQUID的本征噪声以下，传感器的噪声就达到了SQUID器件本征的低噪声水平，才能充分发挥SQUID器件极限低噪声的性能。要降低SQUID传感器的噪声，就要提高SQUID器件或模块的磁通-电压传输率，提高了磁通-电压传输率，就可以使接入的放大器的等效磁通噪声降低，降到SQUID的本征噪声以下，则传感器的噪声这由SQUID的本征噪声主导，也就是传感器的噪声性能达到了极限的SQUID本征噪声水平。目前为了提高SQUID磁通-电压传输率采用的设计方案有以下三种：方法一：附加正反馈电路方案。如图3所示，该方案在SQUID两端并联一个电感LA和一个电阻RA。如图4所示，增加这个电路后，SQUID原先的磁通-电压转换特性就变得不对称，其中变陡峭一边的工作点磁通-电压传输率得到了提升。该方案由于传输特性的非线性，边界条件敏感，因此实际实现的传输特性提升只有3倍左右，噪声抑制能力不足，仍不足以将放大器的等效磁通噪声压制到SQUID的本征噪声水平。同时器件传输特性发生了畸变，工作点调节比较敏感，容易发生振荡，因此使用效果不佳。方法二：两个SQUID级联放大方案。如图5所示，该方案中SQUID1检测外部被测磁通，然后转化为电信号后通过电感耦合到SQUID2，再通过前置放大器进行后续的信号处理。SQUID1和SQUID2都具有相同的周期非线性传输特性，如图6所示。因此，两个SQUID级联后的磁通-电压传输特性曲线如图7所示。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。由于传输特性畸变，工作点多值，导致该方案无法实用。方法三：基于欠反馈的双级SQUID电路方案。如图8所示，申请号：201510224015.0，《双级超导量子干涉其磁通-电压转换装置、方法和应用》，第一级采用SQD1驱动耦合到第二级的SQD2线圈，实现磁通放大，在磁通放大的同时，应用电流正反馈原理，将传输特性变得不对称，综合两种功能实现磁通-电压传输率的放大，同时SQD2与比例放大器构成一个具有磁通比例反馈的SQUID信号放大模块。两部分电路级联，可实现具有高磁通-电压传输率、低噪声的SQUID磁通-电压转换装置。该方案解决了传统双级SQUID电路周期内工作点多值问题，将双级SQUID信号放大模块实用化。该方案使用了三个参数完全不同的线圈Ls、L1及Lf，同一个SQUID不同的线圈耦合，关联的参数多，设计复杂度较高；线圈之间存在互感和分布参数等因素会影响器件效果。因此，该方案线圈多，对器件设计要求高，难度大；此外，该方案采用了两个SQUID器件级联，实现了前置放大器10倍左右的噪声抑制性能，但没有提供更多级SQUID级联的方式和方法，不能满足更高倍数噪声抑制的需求。SQUID独特的极低噪声特性，可实现极高的灵敏度，SQUID由于采用超导材料制成，基于超导量子干涉效应工作，工作在低温环境下，自身噪声小，尤其是低温超导SQUID，工作在4.2K的极低温下，具有优越的噪声性能，特别是低频噪声性能，目前没有其磁敏感元件能与之匹敌。常温工作的放大器，其白噪声水平比SQUID的白噪声水平大10倍以上，而放大器的低频1/f噪声更是比SQUID高几十到上百倍。因此现有的SQUID放大方案，最多能将放大器的白噪声抑制到较低水平，而低频噪声仍是不能有效抑制到SQUID的本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SQUID信号放大模块，其特征在于，所述SQUID信号放大模块至少包括：第n级SQUID电路、(n‑1)级SQUID转换电路以及反相放大反馈电路，n为不小于1的整数；所述第n级SQUID电路用于检测被测磁通输入信号，并将所述被测磁通输入信号转化为相应的第n级传输电流；各级SQUID转换电路依次串联于所述反相放大反馈电路的输入端与所述第n级SQUID电路的输出端之间，从所述反相放大反馈电路的输入端开始依次定义为第1～第(n‑1)级SQUID转换电路，第(n‑1)级SQUID转换电路接收所述第n级SQUID电路输出的所述第n级传输电流和所述反相放大反馈电路输出的第(n‑1)级负反馈电流，将接收到的电流转换为第(n‑1)级传输电流，并输入到第(n‑2)级SQUID转换电路中进行下一级电流转换，逐级获得第(n‑2)～第2级传输电流，所述第1级SQUID转换电路接收所述第2级传输电流和所述反相放大反馈电路输出的第1级负反馈电流、输出与所述被测磁通信号相对应的响应电压；所述反相放大反馈电路接收所述响应电压，输出所述响应电压的反相放大电压，并向各SQUID耦合线圈电路分别输出各级负反馈电流；其中，各级SQUID转换电路包括串联的SQUID耦合线圈电路和SQUID电路，所述SQUID耦合线圈电路将接收到的电流信号转化为磁通信号，所述SQUID电路将所述SQUID耦合线圈电路输出的磁通信号转化电流或电压信号，作为后级电路的输入信号。...

【技术特征摘要】
1.一种SQUID信号放大模块，其特征在于，所述SQUID信号放大模块至少包括：第n级SQUID电路、(n-1)级SQUID转换电路以及反相放大反馈电路，n为不小于1的整数；所述第n级SQUID电路用于检测被测磁通输入信号，并将所述被测磁通输入信号转化为相应的第n级传输电流；各级SQUID转换电路依次串联于所述反相放大反馈电路的输入端与所述第n级SQUID电路的输出端之间，从所述反相放大反馈电路的输入端开始依次定义为第1～第(n-1)级SQUID转换电路，第(n-1)级SQUID转换电路接收所述第n级SQUID电路输出的所述第n级传输电流和所述反相放大反馈电路输出的第(n-1)级负反馈电流，将接收到的电流转换为第(n-1)级传输电流，并输入到第(n-2)级SQUID转换电路中进行下一级电流转换，逐级获得第(n-2)～第2级传输电流，所述第1级SQUID转换电路接收所述第2级传输电流和所述反相放大反馈电路输出的第1级负反馈电流、输出与所述被测磁通信号相对应的响应电压；所述反相放大反馈电路接收所述响应电压，输出所述响应电压的反相放大电压，并向各SQUID耦合线圈电路分别输出各级负反馈电流；其中，各级SQUID转换电路包括串联的SQUID耦合线圈电路和SQUID电路，所述SQUID耦合线圈电路将接收到的电流信号转化为磁通信号，所述SQUID电路将所述SQUID耦合线圈电路输出的磁通信号转化电流或电压信号，作为后级电路的输入信号。2.根据权利要求1所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述SQUID电路包括偏置电流源、SQUID器件以及传输电阻；其中，所述偏置电流源和所述SQUID器件串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述SQUID器件的另一端接地；所述传输电阻的一端连接于所述偏置电流源和所述SQUID器件之间，另一端输出传输电流。3.根据权利要求1所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述SQUID电路包括偏置电流源、SQUID器件以及传输电阻；其中，所述偏置电流源和所述传输电阻串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述传输电阻的另一端接地；所述SQUID器件的一端连接于所述偏置电流源和所述传输电阻之间，另一端输出传输电流。4.根据权利要求2或3所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述SQUID电路还包括正反馈电阻，所述正反馈电阻的一端连接于所述偏置电流源的输出端，另一端输出正反馈
\t电流。5.根据权利要求4所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述传输电阻阻值不小于所述正反馈电阻阻值的6倍。6.根据权利要求1所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述SQUID耦合线圈电路包括偏置电流源以及耦合线圈，其中，所述偏置电流源和所述耦合线圈串联，所述偏置电流源的另一端连接电源，所述耦合线圈的另一端接地，所述偏置电流源和所述耦合线圈之间接收各电流信号。7.根据权利要求1所述的SQUID信号放大模块，其特征在于：所述反相放大反馈电路包括低噪声放大器、反相放大器；其中，所述低噪声放大器的正相输入端连接所述响应电压、反相输入端经过第一电阻接地、输出端经过第二电阻连接至所述低噪声放大器的反相输入端；所述低噪声放大器的输出端经过第三电阻连接至所述反相放...

【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