采用單個(gè)運(yùn)算放大器的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用單個(gè)運(yùn)算放大器的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于使用一個(gè)低噪聲的運(yùn)算放大器，以開環(huán)的方式對(duì)SQUID電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并由單個(gè)運(yùn)算放大器開環(huán)輸出直接驅(qū)動(dòng)反饋電阻及反饋線圈。取代了傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)路中的前置放大器和積分器。所述的采用單個(gè)運(yùn)算放大器SQUID磁通鎖定環(huán)路有正、負(fù)端輸入接線方式，且正、負(fù)端輸入接線方式各有三種形式可選。本發(fā)明特點(diǎn)是只使用一個(gè)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)SQUID磁通鎖定環(huán)路，電路簡(jiǎn)單。避免了傳統(tǒng)電路中積分器的使用，減小環(huán)路延時(shí)，使磁通鎖定環(huán)路實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。在SQUID多通道應(yīng)用中具有重要的意義。
【專利說明】采用單個(gè)運(yùn)算放大器的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用單個(gè)運(yùn)算放大器的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，更確切地說涉及一種超導(dǎo)量子干涉器件讀出電路，屬于電路【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]米用超導(dǎo)量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device,以下簡(jiǎn)稱SQUID)構(gòu)建的磁傳感器是目前已知最靈敏的磁傳感器。廣泛應(yīng)用于生物磁場(chǎng)、地球磁場(chǎng)異常、極低場(chǎng)核磁共振等微弱磁場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域，其磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度已經(jīng)達(dá)到飛特(10_15特斯拉)量級(jí)。是極微弱磁場(chǎng)探測(cè)和研究中重要的磁傳感器。
[0003]直流超導(dǎo)量子干涉器(簡(jiǎn)稱dc SQUID)是由兩個(gè)超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)并聯(lián)形成一個(gè)超導(dǎo)環(huán)。在約瑟夫森結(jié)兩端引出接線，形成了一個(gè)兩端子元件。當(dāng)SQUID兩端加載一定的偏置電流時(shí)，基于超導(dǎo)量子化效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)，SQUID兩端產(chǎn)生的電壓將隨超導(dǎo)環(huán)感應(yīng)外磁通大小而變化。由于SQUID輸出電壓與其探測(cè)磁通成非線性關(guān)系，無(wú)法直接通過測(cè)量SQUID兩端電壓來(lái)獲得探測(cè)的磁通大小。因此，實(shí)際應(yīng)用的SQUID磁傳感器是由SQUID器件與放大電路構(gòu)成的磁通鎖定環(huán)路(Flux-Locked Loop,以下簡(jiǎn)稱FLL)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該磁通鎖定環(huán)路稱為SQUID讀出電路。
[0004]文獻(xiàn)【D.Drung and Μ.Miick, The SQUID Handbook, vol.1, J.Clarke andA.1.Braginski, Ed.ffeinheim:ffiley-VCH, pp.128 - 155，2006.】中典型的 SQUID 磁通鎖定環(huán)路如圖1所示。首先給SQUID加載一定偏置電流Ib使其具有最大的磁通電壓傳輸率。將SQUID電壓信號(hào)接入一個(gè)前置放大器進(jìn)行放大。同時(shí)調(diào)節(jié)偏置電壓Vb，使得SQUID在具有最大磁通電壓傳輸率時(shí)輸出電壓的直流量為零。此時(shí)SQUID當(dāng)前的偏置電流Ib、偏置電壓Vb及所加載磁通03取值狀態(tài)稱為工作點(diǎn)。前置放大器輸出接入積分器進(jìn)行積分，積分器的輸出驅(qū)動(dòng)反饋電阻向反饋線圈注入反饋電流，由反饋線圈與SQUID的互感產(chǎn)生反饋磁通耦合到SQUID中。
[0005]磁通鎖定環(huán)路的工作原理是:在磁通鎖定環(huán)路保持SQUID工作點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)被測(cè)磁通發(fā)生一個(gè)變化量Λ cD，SQUID端產(chǎn)生一個(gè)偏離工作點(diǎn)的電壓變化Λ V，經(jīng)前置放大器放大后，送入積分器進(jìn)行積分，調(diào)整積分器的輸出電壓。經(jīng)反饋電阻、反饋線圈調(diào)整反饋磁通抵消上述外部輸入的磁通變化量，使SQUID在工作點(diǎn)輸入積分器的電壓為零，積分器停止積分，環(huán)路恢復(fù)穩(wěn)定。工作點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)稱為讀出電路鎖定。在鎖定狀態(tài)下，磁通鎖定環(huán)路輸出電壓Vf就與SQUID感應(yīng)的外磁通變化量成正比【D.Drung“High_Tc and 1w-Tc dc SQUIDelectronics” Supercond.Sc1.Technol.161320 - 1336 (2003).】，即 Vf = Δ Φ.Rf/Mf,其中Λ Φ為SQUID檢測(cè)的磁通變化量，Rf為反饋電阻，Mf為反饋線圈與SQUID的互感。，
[0006]在電路實(shí)現(xiàn)上，傳統(tǒng)SQUID磁通鎖定環(huán)路通常使用前置放大器對(duì)SQUID微弱電壓信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，再將放大后的信號(hào)接入積分器進(jìn)行積分反饋。因此傳統(tǒng)的SQUID磁通鎖定環(huán)路采用至少一個(gè)前置放大電路與一個(gè)積分器級(jí)聯(lián)電路再連接反饋電阻、反饋線圈構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中，采用積分器的SQUID磁通鎖定環(huán)路存在以下幾個(gè)問題:
[0007]I)帶寬受限:采用積分器的讀出電路，使用至少兩級(jí)以上的放大電路，增大了環(huán)路信號(hào)的延時(shí)，使高頻信號(hào)傳輸產(chǎn)生相移，造成環(huán)路振蕩【D.Drung and M.Muck, The SQUIDHandbook, vol.1, J.Clarke and A.1.Braginski, Ed.ffeinheim:ffiley-VCH, pp.128 - 155, 2006.】，因此必須增大積分電容，消除振蕩，實(shí)現(xiàn)磁通鎖定環(huán)路穩(wěn)定工作，積分電容的增大，降低了磁通鎖定回路的帶寬。
[0008]2)擺率受限:積分電路的輸出是其輸入信號(hào)隨時(shí)間積分的結(jié)果，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)發(fā)生突變，積分器無(wú)法快速響應(yīng)，因此傳感器電壓輸出的擺率受限。難以滿足高擺率磁場(chǎng)探測(cè)的要求。
[0009]3)至少使用兩個(gè)以上的運(yùn)算放大器及外圍電路，電路復(fù)雜，功耗大。
[0010]SQUID器件的信號(hào)響應(yīng)可以從直流到GHz，具有高速高帶寬特性。上述采用積分器的讀出電路在響應(yīng)帶寬、擺率特性上限制了 SQUID磁傳感器性能。此外，SQUID芯片采用微電子技術(shù)制備，具有體積小，集成化的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在多通道，高分辨率探測(cè)系統(tǒng)如采用SQUID的64通道心磁圖儀、200多通道的腦磁圖儀中廣泛應(yīng)用。多通道系統(tǒng)對(duì)SQUID磁傳感器小型化提出更高要求。因此，簡(jiǎn)化SQUID讀出電路設(shè)計(jì)對(duì)SQUID多通道應(yīng)用具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明試圖在解決這方面問題作開創(chuàng)性工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種采用單個(gè)運(yùn)算放大器的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，本發(fā)明是針對(duì)多通道高度集成的SQUID系統(tǒng)，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化的讀出電路構(gòu)建SQUID磁傳感器。
[0012]SQUID比半導(dǎo)體放大器具有更高的響應(yīng)速度，它可與放大器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)反饋回路。因此本發(fā)明構(gòu)思是只使用一個(gè)低噪聲的運(yùn)算放大器，以開環(huán)的方式對(duì)SQUID電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并由單個(gè)運(yùn)算放大器開環(huán)輸出直接驅(qū)動(dòng)反饋電阻及反饋線圈。從而取代了傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)路中的前置放大器和積分器，實(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單的SQUID磁通鎖定環(huán)路的構(gòu)建。采用單個(gè)運(yùn)算放大器的SQUID磁通鎖定環(huán)路有以下兩種接線方式:
[0013]I)正端輸入接線方式，如圖2所示。偏置電流源提供的偏置電流Ib加載到SQUID中，SQUID電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器的正輸入端。偏移電壓Vb接入運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端。運(yùn)算放大器的輸出端接反饋電阻Rf的一端，反饋電阻的另一端接反饋線圈，反饋線圈與SQUID通過互感耦合，運(yùn)算放大器輸出電壓驅(qū)動(dòng)反饋電阻Rf產(chǎn)生電流，通過反饋線圈與SQUID互感Mf產(chǎn)生反饋磁通，構(gòu)成磁通鎖定環(huán)路。
[0014]所述的正端輸入接線方式有實(shí)施方式1、3和5(即A、B和C)三種中的一種(詳見【具體實(shí)施方式】)。
[0015]2)負(fù)端輸入接線方式，如圖3所示。偏置電流源提供的偏置電流Ib加載到SQUID中，SQUID電壓信號(hào)接運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，偏移電壓Vb接運(yùn)算放大器的正輸入端。運(yùn)算放大器的輸出端接反饋電阻Rf的一端，反饋電阻的另一端連接反饋線圈，反饋線圈與SQUID通過互感耦合，運(yùn)算放大器輸出電壓驅(qū)動(dòng)反饋電阻Rf產(chǎn)生電流，通過反饋線圈與SQUID互感Mf產(chǎn)生反饋磁通,構(gòu)成磁通鎖定環(huán)路。
[0016]所述的負(fù)端輸入接線方式有實(shí)施方式2、4和6 (即D、E和F)三種中的任一種(詳見【具體實(shí)施方式】)。
[0017]本發(fā)明只使用一個(gè)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)SQUID磁通鎖定環(huán)路，電路簡(jiǎn)單。避免了傳統(tǒng)環(huán)路中積分器電路的使用，減小環(huán)路延時(shí)，使磁通鎖定環(huán)路實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。運(yùn)算放大器直接輸出驅(qū)動(dòng)反饋電阻和反饋線圈，避免了積分電容的影響，磁通鎖定環(huán)路可實(shí)現(xiàn)更高的擺率。此外，上述電路采用單個(gè)運(yùn)算放大器和少量外圍電路構(gòu)成，電路體積小，功耗低，大大減少多通道SQUID傳感器集成的整體體積和功耗，在SQUID多通道應(yīng)用中具有重要的意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1.典型直讀式讀出電路原理。
[0019]圖2.SQUID正端輸入的單個(gè)運(yùn)算放大器磁通鎖定環(huán)路原理圖。
[0020]圖3.SQUID負(fù)端輸入的單個(gè)運(yùn)算放大器磁通鎖定環(huán)路原理圖。
[0021]圖4.單個(gè)運(yùn)算放大器SQUID磁通鎖定環(huán)路【具體實(shí)施方式】I ;圖中B1、B2分別為偏置電流或偏置電壓調(diào)節(jié)電路。
[0022]圖5.單個(gè)運(yùn)算放大器SQUID磁通鎖定環(huán)路【具體實(shí)施方式】2。
[0023]圖6.單個(gè)運(yùn)算放大器SQUID磁通鎖定環(huán)路【具體實(shí)施方式】3。
[0024]圖7.單個(gè)運(yùn)算放大器SQUID磁通鎖定環(huán)路【具體實(shí)施方式】4。
[0025]圖8.單個(gè)運(yùn)算放大器SQUID磁通鎖定環(huán)路【具體實(shí)施方式】5。
[0026]圖9.單個(gè)運(yùn)算放大器SQUID磁通鎖定環(huán)路【具體實(shí)施方式】6。

【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明有以下六種【具體實(shí)施方式】:
[0028]I)【具體實(shí)施方式】1，如圖4所示，即正端輸入接線方式A ;
[0029]1.供電電源+Vs和-Vs:整個(gè)電路采用雙極性電源供電，即正電源端+Vs接入正電壓電源和負(fù)電源端-Vs接入負(fù)電壓電源。正電源+Vs供電范圍從+5V到+15V，相應(yīng)的負(fù)電源-Vs供電范圍在-5V到-15V之間。
[0030]2.SQUID偏置電流調(diào)節(jié)電路B1:其功能是給SQUID加載一個(gè)流向SQUID兩個(gè)約瑟夫森結(jié)的偏置電流，電流大小可調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)加載到SQUID的偏置電流的大小，使得SQUID獲得最佳的磁通電壓轉(zhuǎn)換特性?？烧{(diào)偏置電流電路具體實(shí)例如圖3中BI模塊所示:可調(diào)電位器Rai是一個(gè)三端子的可調(diào)電阻，其中電位器的I和2的兩端為一個(gè)固定阻值的電阻，其電阻值在1k歐姆到10k歐姆之間取值為最優(yōu)。電位器的3端為可調(diào)電阻抽頭。電位器Rai的I和2兩端分別接到正電源+Vs和負(fù)電源-Vs。電位器Rai的3端輸出電位器電阻分壓，通過調(diào)節(jié)電位器抽頭位置產(chǎn)生可調(diào)電壓。該電壓輸出接電阻R1,電阻R1的另一端作為偏置電流源的輸出端與SQUID串聯(lián)。電阻R1的取值在50k歐姆?200k歐姆之間。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電位器Rai可產(chǎn)生± 10uA范圍的直流偏置電流。
[0031]3.SQUID偏置電壓調(diào)節(jié)電路B2:其功能是產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)節(jié)的直流電壓，接入運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端。通過調(diào)節(jié)使該電壓與SQUID工作點(diǎn)處的直流電壓相同，實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)調(diào)零?？烧{(diào)偏置電壓電路具體實(shí)例如圖3中B2模塊所示:可調(diào)電位器Ra2是一個(gè)三端子的可調(diào)電阻器，其中電位器的I和2兩端為一個(gè)固定阻值的電阻，其電阻值在1k歐姆到10k歐姆之間取值為最優(yōu)。電位器Rai的I和2兩端分別接正電源+Vs和負(fù)電源-Vs，可變電阻引出抽頭端3端輸出電阻分壓，該電壓接電阻R3的一端，R3另一端與R2串聯(lián)，民另一端接地。在R2與R3連接端將產(chǎn)生的電阻分壓引出作為偏置電壓信號(hào)Vb。該偏置電壓的調(diào)節(jié)范圍為±100uV。電阻R3取值通常在I歐姆到10歐姆之間，以降低其在運(yùn)算放大器輸入端引入的熱噪聲。電阻R2的取值范圍在1k歐姆到10k歐姆之間。
[0032]4.SQUID器件SQl =SQl使用低溫直流超導(dǎo)量子干涉器件(放置在4.2K的液氦溫度下工作)或高溫直流超導(dǎo)量子干涉器件(放置在77K的液氮溫度下工作)，是一個(gè)兩端子器件。SQl的一端接入運(yùn)算放大器正輸入端，同時(shí)與偏置電流電路BI的電流輸出端相連。SQl的另一端接地。
[0033]5.反饋線圈L1:是一個(gè)與SQUID具有互感耦合的線圈，互感值為Mf。反饋線圈將反饋回路產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)變成反饋磁通耦合到SQUID中，形成抵消磁通。反饋線圈LI 一端接反饋電阻Rf，另一端接地。
[0034]6.運(yùn)算放大器Ul:采用雙極性供電的低噪聲運(yùn)算放大器，具有正輸入端和負(fù)輸入端兩個(gè)電壓信號(hào)輸入端，一個(gè)電壓信號(hào)放大輸出端。圖中運(yùn)算放大器正輸入端接SQUID電壓輸出，負(fù)輸入端接偏置電壓輸出，放大器輸出作為磁通鎖定環(huán)路的輸出，作為整個(gè)傳感器的輸出。同時(shí)接反饋電阻Rf。為了實(shí)現(xiàn)SQUID電壓信號(hào)的低噪聲放大和磁通鎖定環(huán)路高線性度輸出，本發(fā)明的運(yùn)算放大器優(yōu)選低輸入電壓噪聲和高帶寬、高開環(huán)增益特性的器件:放大器電壓噪聲在InV/ V Hz左右，開環(huán)增益大于120dB，帶寬增益積大于1MHz。常用的低噪聲運(yùn)算放大器有美國(guó)ADI公司的AD797和凌特(Linear Technology)公司的LT1028。
[0035]7.反饋電阻Rf:反饋電阻Rf—端接運(yùn)算放大器Ul的輸出，另一端接反饋線圈LI。反饋電阻&將放大器輸出電壓轉(zhuǎn)換為反饋電流輸入反饋線圈，產(chǎn)生反饋磁通。Rf取值在100歐姆到1k歐姆之間。
[0036]2)【具體實(shí)施方式】2，如圖5所示，即正端輸入接線方式D ;
[0037]將實(shí)施方式I中的SQUID電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端,偏置電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器的正輸入端，其余接線同【具體實(shí)施方式】I。
[0038]3)【具體實(shí)施方式】3，如圖6所示，即正端輸入接線方式B ；
[0039]磁通鎖定環(huán)路受外部干擾會(huì)發(fā)生失鎖，造成輸出溢出。通過復(fù)位開關(guān)可以使磁通鎖定環(huán)路恢復(fù)鎖定。本實(shí)施方式3是在實(shí)施方式I的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)復(fù)位開關(guān)Kl，實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。Kl的一端接運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端，Kl的另一端接運(yùn)算放大器Ul的輸出端。當(dāng)復(fù)位開關(guān)閉合時(shí)，運(yùn)算放大器Ul的輸出端與負(fù)輸入端等電位。運(yùn)算放大器由開環(huán)高增益放大變?yōu)閱挝辉鲆娴姆糯?，輸出迅速減小，電路實(shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)復(fù)位開關(guān)Kl斷開時(shí)，電路重新鎖定。
[0040]4)【具體實(shí)施方式】4，如圖7所示，即正端輸入接線方式E ;
[0041]將實(shí)施方式3中的SQUID電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端,偏置電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器的正輸入端，其余接線同【具體實(shí)施方式】3。
[0042]5)【具體實(shí)施方式】5，如圖8所示，即正端輸入接線方式C ；
[0043]SQUID磁傳感器在上電使用時(shí)，需要重新調(diào)節(jié)偏置電流和偏置電壓，使SQUID獲得最佳工作點(diǎn)。本實(shí)施方式5是在實(shí)施方式3的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)反饋電阻Rg和一個(gè)單刀雙擲開關(guān)SW1，使得磁通鎖定環(huán)路具備工作點(diǎn)調(diào)試功能。單刀雙擲開關(guān)具有三個(gè)接線端子，其中端子3定義為為單刀固定接線端，端子I定義為第一觸點(diǎn)接線端，端子2定義為第二觸點(diǎn)接線端。SWl的單刀固定接線端與運(yùn)算放大器Ul的輸出端相連。SWl的端子I接線端與電阻Rg —端連接，Rg的另一端接運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端。SWl的端子2接線端與接反饋電阻Rf —端相連，反饋電阻Rf另一端接反饋線圈LI。當(dāng)SWl單刀開關(guān)與第二觸點(diǎn)斷開，與第一觸點(diǎn)接通，電阻Rg與運(yùn)算放大器Ul輸出端連接。此時(shí)，磁通鎖定環(huán)路開環(huán)運(yùn)行，運(yùn)算放器Ul工作在比例放大模式，實(shí)現(xiàn)SQUID電壓信號(hào)的比例放大。監(jiān)測(cè)運(yùn)算放大器的輸出電壓Vf，可觀測(cè)磁通電壓傳輸特性曲線，輔助SQUID工作點(diǎn)，偏置電流和偏置電壓的調(diào)節(jié)。在完成最佳的偏置電壓、偏置電壓調(diào)節(jié)后，將SWl單刀開關(guān)與第一觸點(diǎn)斷開，與第二觸點(diǎn)接通，運(yùn)算放大器Ul輸出端與反饋電阻Rf連接，此時(shí)磁通鎖定環(huán)路閉環(huán)實(shí)現(xiàn)鎖定輸出。
[0044]6)【具體實(shí)施方式】6，如圖9所示，即正端輸入接線方式F ；
[0045]將實(shí)施方式5中的SQUID電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端,偏置電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器的正輸入端，其余接線同【具體實(shí)施方式】5。
【權(quán)利要求】
1.一種采用單個(gè)運(yùn)算放大器的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于只使用一個(gè)低噪聲的運(yùn)算放大器，以開環(huán)的方式對(duì)SQUID電壓信號(hào)進(jìn)行放大，并由單個(gè)運(yùn)算放大器開環(huán)輸出直接驅(qū)動(dòng)反饋電阻及反饋線圈，從而取代了傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)路中的前置放大器和積分器。
2.按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于采用單個(gè)運(yùn)算放大器的SQUID磁通鎖定環(huán)路有以下兩種接線方式: 1)正端輸入接線方式:偏置電流源提供的偏置電流Ib加載到SQUID中，SQUID電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器的正輸入端；偏移電壓Vb接入運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端接反饋電阻Rf的一端，反饋電阻的另一端接反饋線圈，反饋線圈與SQUID通過互感耦合，運(yùn)算放大器輸出電壓驅(qū)動(dòng)反饋電阻Rf產(chǎn)生電流，通過反饋線圈與SQUID互感Mf產(chǎn)生反饋磁通，構(gòu)成磁通鎖定環(huán)路； 2)負(fù)端輸入接線方式:偏置電流源提供的偏置電流Ib加載到SQUID中，SQUID電壓信號(hào)接運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，偏移電壓Vb接運(yùn)算放大器的正輸入端，運(yùn)算放大器的輸出端接反饋電阻Rf的一端，反饋電阻的另一端連接反饋線圈，反饋線圈與SQUID通過互感耦合，運(yùn)算放大器輸出電壓驅(qū)動(dòng)反饋電阻Rf產(chǎn)生電流，通過反饋線圈與SQUID互感Mf產(chǎn)生反饋磁通，構(gòu)成磁通鎖定環(huán)路。
3.按權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于: (一)正端輸入接線方式有以下A、B和C三種中的任一種:
A: ①供電電源+Vs和-Vs:整個(gè)電路采用雙極性電源供電，即正電源端+Vs接入正電壓電源和負(fù)電源端-Vs接入負(fù)電壓電源； ②SQUID偏置電流調(diào)節(jié)電路B1:其功能是給SQUID加載一個(gè)流向SQUID的兩個(gè)約瑟夫森結(jié)的偏置電流，通過調(diào)節(jié)加載到SQUID偏置電流的大小，使得SQUID獲得最佳的磁通電壓轉(zhuǎn)換特性；可調(diào)偏置電流電路中可調(diào)電位器Rai是一個(gè)三端子的可調(diào)電阻，其中電位器的I和2的兩端為一個(gè)固定阻值的電阻，電位器的3端為可調(diào)電阻抽頭，電位器Rai的I和2兩端分別接到正電源+Vs和負(fù)電源-Vs ;電位器Rai的3端輸出電位器電阻分壓，通過調(diào)節(jié)電位器抽頭位置產(chǎn)生可調(diào)電壓；該電壓輸出接電阻R1,電阻R1的另一端與SQUID串聯(lián)； ③SQUID偏置電壓調(diào)節(jié)電路B2:其功能是產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)節(jié)的直流電壓，接入運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端；通過調(diào)節(jié)使該電壓與SQUID工作點(diǎn)處的直流電壓相同，實(shí)現(xiàn)工作點(diǎn)調(diào)零，可調(diào)偏置電壓電路中的可調(diào)電位器Ra2是一個(gè)三端子的可調(diào)電阻器，其中電位器的I和2兩端為一個(gè)固定端，其電阻值在1k歐姆到10k歐姆之間，電位器Rai的I和2兩端分別接正電源+Vs和負(fù)電源-Vs，可變電阻引出抽頭端3端輸出電阻分壓，該電壓接電阻R3的一端，R3另一端與R2串聯(lián)，R2另一端接地；R2與R3的連接端將產(chǎn)生的電阻分壓引出作為偏置電壓信號(hào)\ ； ④SQUID器件SQl=SQl使用放置在4.2K的液氦溫度下工作的低溫直流超導(dǎo)量子干涉器件或放置在77K的液氮溫度下工作的高溫直流超導(dǎo)量子干涉器件，是一個(gè)兩端子器件，SQl的一端接入運(yùn)算放大器正輸入端，同時(shí)與偏置電流電路BI的電流輸出端相連，SQl的另一端接地； ⑤反饋線圈L1:是一個(gè)與SQUID具有互感耦合的線圈，反饋線圈將反饋回路產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)變成反饋磁通耦合到SQUID中，形成抵消磁通；反饋線圈LI 一端接反饋電阻Rf，另一端接地； ⑥運(yùn)算放大器Ul:采用雙極性供電的低噪聲運(yùn)算放大器，具有正輸入端和負(fù)輸入端兩個(gè)電壓信號(hào)輸入端，一個(gè)電壓信號(hào)放大輸出端；運(yùn)算放大器正輸入端接SQUID電壓輸出，負(fù)輸入端接偏置電壓輸出，放大器輸出作為整個(gè)傳感器的輸出，同時(shí)接反饋電阻Rf; ⑦反饋電阻Rf:反饋電阻Rf—端接運(yùn)算放大器Ul的輸出，另一端接反饋線圈LI。反饋電阻Rf將放大器輸出電壓轉(zhuǎn)換為反饋電流輸入反饋線圈，產(chǎn)生反饋磁通；
B: 在A的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)復(fù)位開關(guān)Kl實(shí)現(xiàn)復(fù)位；K1的一端接運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端，Kl的另一端接運(yùn)算放大器Ul的輸出端，當(dāng)復(fù)位開關(guān)閉合時(shí)，運(yùn)算放大器Ul的輸出端與負(fù)輸入端等電位，運(yùn)算放大器由開環(huán)高增益放大變?yōu)閱挝辉鲆娴姆糯?，輸出迅速減小，電路實(shí)現(xiàn)復(fù)位；當(dāng)復(fù)位開關(guān)Kl斷開時(shí)，電路重新鎖定。
C: 在B的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)反饋電阻Rg和一個(gè)單刀雙擲開關(guān)SW1，使得磁通鎖定環(huán)路具備工作點(diǎn)調(diào)試功能，其中，單刀雙擲開關(guān)具有三個(gè)接線端子，其中端子3定義為為單刀固定接線端，端子I定義為第一觸點(diǎn)接線端，端子2定義為第二觸點(diǎn)接線端；單刀雙擲開關(guān)的Sffl的單刀固定接線端與運(yùn)算放大器Ul的輸出端相連，Sffl的端子I與電阻Rg—端連接，Rg的另一端接運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端；SW1的端子2與反饋電阻Rf的一端相連，反饋電阻&的另一端接反饋線圈LI ;當(dāng)SWl單刀開關(guān)與第二觸點(diǎn)斷開，與第一觸點(diǎn)接通，電阻Rg與運(yùn)算放大器Ul輸出端連接；此時(shí)，磁通鎖定環(huán)路開環(huán)運(yùn)行，運(yùn)算放器Ul工作在比例放大模式，實(shí)現(xiàn)SQUID電壓信號(hào)的比例放大，監(jiān)測(cè)運(yùn)算放大器的輸出電壓Vf，觀測(cè)磁通電壓傳輸特性曲線，輔助SQUID工作點(diǎn)，偏置電流和偏置電壓的調(diào)節(jié)；在完成最佳的偏置電壓、偏置電壓調(diào)節(jié)后，將SWl單刀開關(guān)與第一觸點(diǎn)斷開，與第二觸點(diǎn)接通，運(yùn)算放大器Ul輸出端與反饋電阻Rf連接，此時(shí)磁通鎖定環(huán)路閉環(huán)實(shí)現(xiàn)鎖定輸出。 (二)負(fù)端輸入接線方式有以下D、E和F中的任一種: ①D為(一)中A方式的SQUID電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端,偏置電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器的正輸入端，其余特征同A ； ②E為(一)中B方式的SQUID電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端,偏置電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器的正輸入端，其余特征同B ； ③F為(一)中C方式的SQUID電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端,偏置電壓信號(hào)接入運(yùn)算放大器的正輸入端，其余特征同C。
4.按權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于: (1)正端或負(fù)端輸入接線方式中，正電源+Vs供電范圍從+5V到+15V，相應(yīng)的負(fù)電源-Vs供電范圍在-5V到-15V之間； (2)SQUID偏置電流調(diào)節(jié)電路BI中電位器I和2的電阻值在1k歐姆到10k歐姆之間；電阻R1的取值在50k歐姆到200k歐姆之間；通過可調(diào)電位器Rai可產(chǎn)生160 μ A范圍的直流偏置電流； (3)SQUID偏置電壓的調(diào)節(jié)電路Β2中偏置電壓Vb的調(diào)節(jié)范圍為土 100 μ V，電阻R3取值在1-10 Ω之間，R2的取值范圍在1k-1OOk之間；(4)運(yùn)算放大器電壓噪聲為InV/V Hz，開環(huán)增益>120dB，帶寬增益積大于1MHz ； (5)反饋電阻Rf取值在100Ω-1OkQ之間。
5.按權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于運(yùn)算放大器的型號(hào)為美國(guó)ADI公司的AD797或凌特公司的LT1028。
【文檔編號(hào)】G01R33/035GK104198961SQ201410344300
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】王永良, 張懿, 常凱, 漢斯-約阿希姆·克勞斯, 徐小峰, 邱陽(yáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 于利希研究中心有限公司