一种二阶SBC超导量子干涉梯度计及制作方法技术

本发明专利技术涉及一种二阶SBC超导量子干涉梯度计及制作方法，其特征在于是将二阶多环结构的SQUID梯度芯片与电感线圈集成在一起构成可使用直读电路的二阶多环结构超导自举(Superconducting Bootstrap Circuit,SBC)SQUID梯度计，所构筑的此类器件可以利用直读电路来读出器件输出信号，而且由于器件是由宽度很窄的超导薄膜线条构成，降低了地球环境磁场对器件磁通陷入的影响，并且器件仅对二阶梯度磁场有响应，对磁场和一阶梯度磁场不敏感，这些特点大大提高了其在无屏蔽环境磁场中的适应能力和工作稳定性，使其在微弱磁测量中具有极大的应用潜力。

A two order SBC superconducting quantum interference gradiometer and a method of making the same

The invention relates to a two order SBC superconducting quantum interference gradiometer and a preparation method thereof, which is characterized in that a gradient of SQUID chip two order polycyclic structure and an inductance coil integrated of order two polycyclic structure of superconducting together can be used direct bootstrap circuit (Superconducting Bootstrap Circuit, SBC) SQUID gradiometer, such devices the building can be read out by direct reading device output signal circuit, and the device is superconducting film lines by the narrow width of the structure, reduce the influence of magnetic field on the magnetic flux in the earth's environment device, and the device only two gradient magnetic field response is not sensitive to the magnetic field and gradient magnetic field, these features greatly improved the non adaptability and stability shielding magnetic field, which has great potential in the weak magnetic field measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种二阶SBC超导量子干涉梯度计及制作方法
本专利技术涉及一种磁探测传感器及制作方法，更确切地说本专利技术涉及一种二阶多环SBC超导量子干涉梯度计及制作方法。属于超导量子干涉器件(SQUID)

技术介绍
超导量子干涉器件(SQUID)是由超导约瑟夫森结和超导环等结构组成的超导电子器件，它相当于一个磁通-电压转换器，能将所感应磁场的微小变化转换为电压输出，这种器件是目前为止磁场灵敏度最高的传感器，其磁通灵敏度通常在10-6Φ0/Hz1/2量级(Φ0＝2.07×10-15Wb)，磁场的灵敏度在fT/Hz1/2量级(1fT＝1×10-15T)。由于SQUID器件具有极高的磁场灵敏度，而且SQUID器件的频带宽，器件体积小，因此它在生物磁探测、地球磁场探测、无损检测等微弱磁信号探测领域具有重要的应用潜力和价值。在基于SQUID传感器的地球磁场探测应用中，经过各国科研人员的研究，已经取得了非常大的进展，将SQUID器件应用于TEM、CSAMT、航空磁测量、磁异常测量等各方面的应用中。例如，美国橡树岭国家实验室研制了基于超导SQUID器件的磁测量组件，利用8个SQUID器件构建的超导磁测量组件不仅能够测量地球磁场，而且能够测量磁场的梯度值，已经取得了地面试验的初步测试结果。德国光学分子研究中心(IPHT)开发了基于SQUID的超导全张量磁力梯度测量组件，并实现了该系统在航空平台上的航磁测量。这些研究为SQUID器件在地球磁场探测、矿产勘探方面的应用打下了坚实的基础，有利于得到更准确的地球磁场信息。但是，将SQUID器件应用于地球磁场环境中进行弱磁信号测量时，因为SQUID器件是工作于无磁屏蔽地球环境磁场中，因此，有如下几个方面的关键问题需要解决。首先，地磁场幅度在几十微特斯拉，这个数值比超导SQUID器件灵敏度(典型值10fT)高8个量级左右，对于SQUID器件来说，地球磁场是很强的磁场。强磁场极易进入超导芯片的超导薄膜部分形成陷入磁通，磁通的蠕动或磁通跳跃使芯片的性能恶化，甚至无法正常工作。这是SQUID器件工作过程中的一个极大的挑战。其次，目前针对不同结构的SQUID器件，其读出电路主要有磁通调制锁定电路和直读式锁定电路两种，目前应用比较普遍的传统结构SQUID器件(即在超导环中插入两个约瑟夫森结形成的结构)的磁通-电压转换系数不高，其读出电路通常使用磁通调制锁定电路来提高其数值；某些特殊结构的SQUID器件(如AdditionalPositiveFeedback器件，APF)具有较大的磁通-电压转换系数，可以使用直读式读出电路。由于典型的磁通调制电路比直读式电路结构复杂、调整参数数目多、频带窄等，因此在野外环境中使用测试设备时，直读式电路比磁通调制电路更具有优势，而且使用更加方便，所以直读式电路更受到用户的欢迎。另外，SQUID器件在微弱磁场探测中一个令人感兴趣的课题是对磁场梯度的测量，磁梯度测量可以更加精确反应目标体的磁场变化信息，能够准确定位磁场异常的位置。针对上述关键问题，世界各地科研人员提出了多种解决方法，例如，针对SQUID器件的磁通陷入问题，可以通过减小SQUID器件中的超导薄膜的尺寸来减轻磁通陷入器件的几率(Dantskeretc.1997,Appl.Phys.Lett.70,2037-2039)；直读式电路对应的SQUID器件有APF、SBC等种类，这些器件的原理都已经得到了验证，对其研究和应用仍在发展之中(Drungetc.1990,Appl.Phys.Lett.57,406-408)；对于梯度测量，人们专利技术了SQUID梯度计来实现梯度测量(Ketchenetc.1978,J.Appl.Phys.49,4111-4116)；这些方法和技术丰富了SQUID在地球磁场探测应用的内容，并在实际应用中取得了较好的效果，但这些进展都是针对其中单一问题。针对上述磁场梯度测量的需要，本专利技术拟提出一种二阶多环结构SBC梯度计，通过综合多环结构SQUID、SBC器件和二阶梯度结构的优点，提供一种既能降低器件磁通陷入风险，又能使用直读式读出电路的超导SQUID梯度芯片，以增加超导梯度计的工作稳定性和方便性，为其在微弱磁场和磁场梯度测量方面尤其在无屏蔽环境中的磁场梯度测量奠定坚实的硬件基础。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种二阶SBC超导量子干涉梯度计及制作方法，本专利技术提供的一种二阶多环结构SBC超导量子干涉(SQUID)梯度芯片的结构，它的结构和所实现的功能描述如下：(1)所提供的器件总体结构二阶多环结构SQUID梯度芯片是基于SBC器件的原理，并综合多环结构SQUID和二阶梯度线圈结构的特点，构成的一种SQUID梯度芯片。SBC器件的基本原理如图1所示，器件由两个并联支路构成，其中SQUID和一个电感L1构成一个支路；电感L2和电阻R串联构成器件的另一个支路，电感L2和SQUID器件之间存在磁通耦合，互感为M。基于上述原理的器件可以利用直读式读出电路配合来输出SQUID感应的磁场信号(XiaomingXieetc.,Supercond.Sci.Technol.23(2010)065016)。然而在SBC器件中，SQUID可以使用不同结构来实现，本专利技术的专利技术人试图使用多环结构SQUID来实现SBC器件中的SQUID部分，典型SQUID器件(如磁通变换器型结构SQUID)中的超导环是利用超导薄膜制备而成的单个环形结构，而在多环结构SQUID中，采用多个并联结构的超导环来代替上述单个环形结构，其特点是多环结构器件中超导薄膜形状是一系列窄条结构，这种结构可以很有效减小磁通陷入SQUID器件的几率，因此SQUID器件的参数保持了稳定，进而增加了器件的工作稳定性。在本专利技术所述的多环结构SQUID中，所述的多环结构是采用二阶梯度线圈的结构，即将多环结构中相邻超导环的绕行方式设计为相反的方式，这种设计对于磁场和一阶梯度磁场不敏感，而二阶梯度磁场将在SQUID器件中产生输出，所以这种设计决定了二阶梯度SQUID芯片构型。SBC器件中的电感和电阻部件设计为与SQUID部分在同一个芯片上，构成了集成SBC器件，以方便器件的应用。综合SBC器件原理、多环结构SQUID、二阶梯度线圈结构、平面电感和电阻等部件而设计的二阶梯度SBC器件既能降低器件磁通陷入风险，又能使用直读式读出电路的超导SQUID梯度芯片，增加了超导梯度计的工作稳定性和方便性，因此在微弱磁场和磁场梯度测量应用方面具有极大的应用潜力。(2)多环结构SQUID的二阶梯度设计多环结构二阶梯度SBCSQUID器件的设计与传统SQUID在器件超导环的结构上具有显著的不同。传统SQUID器件的电感数值通常在几十至几百皮亨之间，其超导环的数目是1个，为了提高器件的磁场灵敏度，传统SQUID采用磁通变换器结构以增加SQUID器件对磁场的感应面积，但是在磁通变换器结构的SQUID器件中，超导环的内边长约几十微米，超导环的外边长约几百微米左右，超导环宽度在百微米量级，这增加了SQUID器件中超导薄膜的面积，进而增加了磁通陷入SQUID器件的几率，磁通蠕动效应不仅损害SQUID的工作稳定性，而且增加了SQUID低频噪声性能；本专利技术设计的多环结构SQUID的超导环由多个超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二阶SBC超导量子干涉梯度计，将二阶多环结构SQUID梯度芯片与电感线圈集成一起构成使用直读电路的二阶多环结构超导自举SQUID梯度计，其特征在于：①二阶多环结构的超导环是由多个超导环并联构成；并联的多环结构使用电感较大的超导环和/或感应面积较大的超导环，超导薄膜是窄条形状，超导环的宽度为10微米量级；②二阶多环结构是相邻超导环的绕行方向设计为相反的方向。

【技术特征摘要】
1.一种二阶SBC超导量子干涉梯度计，将二阶多环结构SQUID梯度芯片与电感线圈集成一起构成使用直读电路的二阶多环结构超导自举SQUID梯度计，其特征在于：①二阶多环结构的超导环是由多个超导环并联构成；并联的多环结构使用电感较大的超导环和/或感应面积较大的超导环，超导薄膜是窄条形状，超导环的宽度为10微米量级；②二阶多环结构是相邻超导环的绕行方向设计为相反的方向。2.按权利要求1所述的梯度计，其特征在于：二阶梯度的SBCSQUID器件中设计为4个超导环并联，其中左上角和右下角的超导环的绕行方向一致，左下角和右上角的超导环的绕行方向一致，而相邻超导环之间的绕行方向相反。3.按权利要求1或2所述的梯度计，其特征在于当均匀磁场通过4个超导环时，磁场在两个不相邻的超导环中产生的磁通数值与其余两个不相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王会武，刘全胜，王镇，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