超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件及所適用的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鞯闹圃旆椒?br> 【專利摘要】本實用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件及所適用的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅?。所述傳感器包括：超?dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件及所連接的讀出電路。其中，所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件包括：與外接的偏置電源相連的超導(dǎo)量子干涉器件；與所述超導(dǎo)量子干涉器件互感的反饋線圈；與所述偏置電源和反饋線圈相連、且用于將所述反饋線圈所輸出的感應(yīng)信號予以放大并輸出的放大單元；與所述超導(dǎo)量子干涉器件串聯(lián)、且提高所述超導(dǎo)量子干涉器件的輸出電壓的電壓提升單元。本實用新型能有效避免放大單元對感應(yīng)信號的分流，并對所述感應(yīng)信號進(jìn)行放大。
【專利說明】超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件及所適用的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅?br> 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種傳感器結(jié)構(gòu)，特別是涉及一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件及所適用的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鳌?br> 【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device 以下簡稱SQUID)是目前已知最靈敏的磁傳感器，在微弱磁信號探測，如心磁、腦磁、核磁共振、地球物理探測中具有重要的應(yīng)用。
[0003]SQUID是超導(dǎo)宏觀量子效應(yīng)器件，其感應(yīng)到的感應(yīng)信號非常微弱，最大響應(yīng)磁場輸出的電壓只有幾十個uV。工作在超低溫環(huán)境下，需要通過較長(I米以上)的電纜，才能將感應(yīng)信號接到常溫的放大器中，傳輸距離遠(yuǎn)。因此SQUID傳感器在實際應(yīng)用中，信號微弱，傳輸距離長信號易衰減。
[0004]由于SQUID的信號微弱，與其連接的常溫放大器的噪聲將占主導(dǎo)地位，無法發(fā)揮SQUID器件本身的高靈敏度性能。因此需要提高傳感器的靈敏度，增大傳感器輸出信號，解決放大器匹配的問題。
[0005]提高SQUID傳感器的靈敏度即磁通電壓傳輸率是提供抑制讀出電路前置放大器噪聲的關(guān)鍵因素。
[0006]為了提高SQUID傳感器的磁通電壓傳輸率，人們將常規(guī)磁傳感器中所使用的反饋電路應(yīng)用到了 SQUID器件中。如，如圖1所示，利用互感原理為所述SQUID器件增加由反饋線圈和電阻構(gòu)成的反饋電路，由此來提高磁通電壓傳輸率，但是這種方式由于電阻的分流犧牲了感應(yīng)信號的電流幅度，使得所輸出的感應(yīng)信號不但沒有被有效放大，還變得更加微弱。這讓處于常溫環(huán)境的后續(xù)電路還需要提供更加復(fù)雜的電路來得到精準(zhǔn)的、低噪聲的感應(yīng)信號。因此，需要對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。
實用新型內(nèi)容
[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件及所適用的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鳎糜诮鉀Q現(xiàn)有技術(shù)中處于超導(dǎo)環(huán)境下的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件所輸出的感應(yīng)信號微弱的問題。
[0008]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其至少包括:與外接的偏置電源相連的超導(dǎo)量子干涉器件；與所述超導(dǎo)量子干涉器件互感的反饋線圈；與所述偏置電源和反饋線圈相連、且用于將所述反饋線圈所輸出的感應(yīng)信號予以放大并輸出的放大單元；與所述超導(dǎo)量子干涉器件串聯(lián)、且提高所述超導(dǎo)量子干涉器件的輸出電壓的電壓提升單元。
[0009]優(yōu)選地，所述電壓提升單元為二極管。
[0010]優(yōu)選地，所述反饋線圈與所述超導(dǎo)量子干涉器件之間的互感M滿足:&/5Φ 且趨近1，其中，為所述超導(dǎo)量子干涉器件的磁通電壓傳輸率，gms所述放大單元的跨導(dǎo)。[0011]優(yōu)選地，根據(jù)所述互感M所選擇的反饋線圈將所述超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號予以放大。
[0012]優(yōu)選地，所述放大單元為場效應(yīng)管，其中，所述場效應(yīng)管的源極與所述反饋線圈相連，所述場效應(yīng)管的柵極與所述偏置電源相連，所述場效應(yīng)管的漏極輸出所述感應(yīng)信號。
[0013]優(yōu)選地，所述場效應(yīng)管為P結(jié)型場效應(yīng)晶體管、或N結(jié)型場效應(yīng)晶體管。
[0014]優(yōu)選地，所述場效應(yīng)管為P結(jié)型場效應(yīng)晶體管，則所述場效應(yīng)管的漏極還通過電阻外接負(fù)電源；或所述場效應(yīng)管為N結(jié)型場效應(yīng)晶體管，則所述場效應(yīng)管的漏極還通過電阻外接正電源。
[0015]優(yōu)選地，所述傳感組件位于提供超導(dǎo)環(huán)境的容器中。
[0016]優(yōu)選地，所述超導(dǎo)環(huán)境為溫度包括4.2K的液氦環(huán)境、或溫度為77K的液氮的環(huán)境。
[0017]基于上述目的，本實用新型還提供一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鳎渲辽侔?如上中任一所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件；以及與所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件連接的讀出電路。
[0018]如上所述，本實用新型的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件及所適用的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅?，具有以下有益效?將放大單元與反饋線圈相連，能有效避免放大單元對感應(yīng)信號的分流，并對所述感應(yīng)信號進(jìn)行放大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖3顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的一種優(yōu)選方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的又一種優(yōu)選方案的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]元件標(biāo)號說明
[0025]I傳感組件
[0026]11超導(dǎo)量子干涉器件
[0027]12電壓提升單元
[0028]13反饋線圈
[0029]14放大單元
[0030]2偏置電源
[0031]3讀出電路
[0032]4傳感器
【具體實施方式】
[0033]以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點及功效。
[0034]請參閱圖2至圖5。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本實用新型可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本實用新型所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本實用新型所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。
[0035]如圖2所示，本實用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件。所述傳感組件I位于超導(dǎo)環(huán)境中，并與所述超導(dǎo)環(huán)境一同放置在具有磁信號的環(huán)境下，以將所探測的磁信號轉(zhuǎn)換為感應(yīng)信號(電信號)。所述傳感組件I包括:超導(dǎo)量子干涉器件11、電壓提升單元12、反饋線圈13和放大單元14。其中，所述傳感組件I受外接的偏置電源2所提供的偏置電流來工作。
[0036]所述超導(dǎo)量子干涉器件11與所述外接的偏置電源2相連，用于基于超導(dǎo)量子干涉技術(shù)在超導(dǎo)環(huán)境下將所探測到的磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，并予以輸出。
[0037]具體地，所述超導(dǎo)量子干涉器件11利用超導(dǎo)量子干涉技術(shù)探測某頻率的微弱磁信號，如心磁、腦磁、核磁共振、或地球物理磁信號等，并根據(jù)所探測到的磁信號改變自身的等效電阻，以便輸出相應(yīng)的電信號。
[0038]所述反饋線圈13與所述超導(dǎo)量子干涉器件11互感。
[0039]具體地，所述反饋線圈13與所述超導(dǎo)量子干涉器件11構(gòu)成正反饋的互感電路。其中，所述反饋線圈13的選取依據(jù)為所述反饋線圈13與所述超導(dǎo)量子干涉器件11之間的互感M滿足I且趨近1，其中，洳/30為所述超導(dǎo)量子干涉器件11的磁通電壓傳輸率，gmS所述放大單元14的跨導(dǎo)。優(yōu)選地，根據(jù)所述互感M所選擇的反饋線圈13將所述超導(dǎo)量子干涉器件11所感應(yīng)的感應(yīng)信號予以放大。
[0040]所述放大單元14與所述偏置電源2和反饋線圈13相連，用于將所述反饋線圈13所感應(yīng)的感應(yīng)信號予以再次放大并輸出。
[0041]具體地，所述放大單元14在所述偏置電源2所提供的工作電壓下，將所述反饋線圈13所感應(yīng)到的感應(yīng)信號予以放大并輸出至后端處于常溫的電路中。其中，所述放大單元14優(yōu)選為半導(dǎo)體器件構(gòu)成的放大單元14。
[0042]優(yōu)選地，所述放大單元14為場效應(yīng)管，其中，所述場效應(yīng)管的源極與所述反饋線圈13相連，所述場效應(yīng)管的柵極與所述偏置電源2相連，所述場效應(yīng)管的漏極輸出所述感應(yīng)信號。其中，所述場效應(yīng)管可以是P結(jié)型場效應(yīng)晶體管、或N結(jié)型場效應(yīng)晶體管。
[0043]所述電壓提升單元12與所述超導(dǎo)量子干涉器件11串聯(lián)，用于提高所述超導(dǎo)量子干涉器件11的輸出電壓。其中，所述電壓提升單元12可以為電阻。優(yōu)選地，所述電壓提升單元12為二極管。例如，所述電壓提升單元12為鍺二極管。
[0044]具體地，所述電壓提升單元12連接在所述超導(dǎo)量子干涉器件11和地線之間，所述超導(dǎo)量子干涉器件11的輸出電壓被提高。如此，所述超導(dǎo)量子干涉器件11在較高的偏置電壓作用下具有更高的磁通電壓傳輸率。
[0045]所述傳感組件I的結(jié)構(gòu)舉例如下:
[0046]如圖3所示，當(dāng)所述放大單元14為P結(jié)型場效應(yīng)晶體管、所述電壓提升單元12為二極管時，外接的偏置電源2與所述超導(dǎo)量子干涉器件11相連，所述超導(dǎo)量子干涉器件11與所述二極管的輸入端相連，所述二極管的輸出端接地，外接的偏置電源2還與所述P結(jié)型場效應(yīng)晶體管的柵極相連，所述P結(jié)型場效應(yīng)晶體管的源極與所述反饋線圈13相連，所述P結(jié)型場效應(yīng)晶體管的漏極輸出感應(yīng)信號，所述漏極還通過電阻外接正電源，其中，所述反饋線圈13與超導(dǎo)量子干涉器件11互感。
[0047]圖3所對應(yīng)的傳感組件I的工作過程為:
[0048]由于所述二極管的導(dǎo)通電壓在0.2~0.4V之間，因此，外接的偏置電源2為正壓并將所述超導(dǎo)量子干涉器件11的輸出電壓相應(yīng)增加0.2~0.4V，在所述偏置電源2的作用下，所述超導(dǎo)量子干涉器件11將所探測的磁信號轉(zhuǎn)為感應(yīng)信號，并通過所述反饋線圈13予以第一次放大并輸出至所述P結(jié)型場效應(yīng)晶體管，所述P結(jié)型場效應(yīng)晶體管在所述偏置電源2所提供的工作電壓的作用下，工作在放大區(qū)，將所述反饋線圈13所輸出的感應(yīng)信號予以第二次放大輸出。其中，所述P結(jié)型場效應(yīng)晶體管的輸出電流Iwt與感受到磁場
關(guān)系如公式
【權(quán)利要求】
1.一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其特征在于，至少包括: 與外接的偏置電源相連的超導(dǎo)量子干涉器件； 與所述超導(dǎo)量子干涉器件互感的反饋線圈； 與所述偏置電源和反饋線圈相連、且用于將所述反饋線圈所輸出的感應(yīng)信號予以放大并輸出的放大單元； 與所述超導(dǎo)量子干涉器件串聯(lián)、且提高所述超導(dǎo)量子干涉器件的輸出電壓的電壓提升單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其特征在于，所述電壓提升單元為二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件其特征在于，所述反饋線圈與所述超導(dǎo)量子干涉器件之間的互感M滿足:加Μ< I且趨近1，其中，為所述超導(dǎo)量子干涉器件的磁通電壓傳輸率，gm為所述放大單元的跨導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其特征在于，根據(jù)所述互感M所選擇的反饋線圈將所述超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號予以放大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其特征在于，所述放大單元為場效應(yīng)管，其中，所述場效應(yīng)管的源極與所述反饋線圈相連，所述場效應(yīng)管的柵極與所述偏置電源相連，所述場效應(yīng)管的漏極輸出所述感應(yīng)信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其特征在于，所述場效應(yīng)管為P結(jié)型場效應(yīng)晶體管、或N結(jié)型場效應(yīng)晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其特征在于，所述場效應(yīng)管為P結(jié)型場效應(yīng)晶體管，則所述場效應(yīng)管的漏極還通過電阻外接負(fù)電源；或所述場效應(yīng)管為N結(jié)型場效應(yīng)晶體管，則所述場效應(yīng)管的漏極還通過電阻外接正電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其特征在于，所述傳感組件位于提供超導(dǎo)環(huán)境的容器中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件，其特征在于，所述超導(dǎo)環(huán)境為溫度包括4.2K的液氦環(huán)境、或溫度為77K的液氮的環(huán)境。
10.一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于，至少包? 如權(quán)利要求1-9中任一所述的超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件；以及與所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件連接的讀出電路。
【文檔編號】G01R33/035GK203519807SQ201320669878
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】王永良, 張國峰, 徐小峰, 孔祥燕, 謝曉明, 潘虹 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所