專利名稱：一種增加超導(dǎo)量子干涉器件靈敏度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積，提高其靈敏度的方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)隧道效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)曾得到科學(xué)界和社會的廣泛重視，由此發(fā)展起來的超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)作為超靈敏探測器已得到廣泛應(yīng)用，至今，SQUID的出現(xiàn)雖已有三十多年，但只在薄膜技術(shù)發(fā)展以后才真正得到應(yīng)用，用SQUID作為敏感元件測定磁場的變化，是目前所有檢測磁場或磁通的最靈敏的方案。隨著高溫超導(dǎo)研究的進(jìn)展，各種高溫超導(dǎo)薄膜SQUID的性能也在不斷提高，如采用YBCO斜面結(jié)(ramp-type Josephsonjunction)，PBCO勢壘，多圈的磁通變換器，與多圈輸入線圈耦合，磁通噪聲密度(1Hz，77K)為 (詳見參考文獻(xiàn)[1])；國內(nèi)的雙晶結(jié)SQUID，利用磁通變換器在1Hz處磁場的分辨率77K下可降至幾個 雖然高溫器件給應(yīng)用帶來了便利，但目前高溫SQUID的性能仍是限制其實(shí)際應(yīng)用范圍的主要因素。例如，心磁、腦磁等生物磁學(xué)領(lǐng)域就對高溫SQUID提出了更高磁場分辨率的要求，通常生物磁信號在50-500fT范圍。許多科研小組致力于如何改進(jìn)設(shè)計，改善工藝和實(shí)驗(yàn)條件，來提高SQUID的性能以滿足這個性能指標(biāo)，為了增大有效面積，采用了多種高溫SQUID的設(shè)計方案，現(xiàn)已研究的各種各樣磁通變換器的結(jié)構(gòu)和SQUID的結(jié)構(gòu)詳見參考文獻(xiàn)[2]-[4]。這些方案為了得到大的有效面積不得不把大電感(大面積)拾取線圈與小電感的SQUID相耦合，從而帶來了不少匹配和工藝問題。
參考文獻(xiàn)[1].R.Scharnweber，and M.Schilling，(1997)，IEEE Trans.Appl.Supercond.Vol.7，No.2，3485. .F.P.Milliken，S.L.Brown，and R.H.Koch，(1997)，Appl.Phys.Lett.71(13)，1857. .B.Oh，R.H.Koch，W.J.Gallagher，R.P.Robertazzi，andW.Eidelloth，(1991)，Appl.Phys.Lett.59(1)，123. .E.Dantsker，S.Tanaka，and John Clarke，(1997)，Appl.Phys.Lett.70(15)，2037發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種通過在磁通變換器和SQUID耦合結(jié)構(gòu)中置入一層磁性介質(zhì)來增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積、提高其靈敏度的方法，該方法包括以下步驟1)在基片上淀積鐵磁膜；2)測弱磁場下磁膜的磁滯回線，找出磁滯回線狹長、包圍面積小且矯頑力低的磁介質(zhì)薄膜，備用；3)制備多圈磁通變換器；4)制備雙結(jié)SQUID即dc SQUID；5)將磁通變換器、鍍有磁性薄膜的基片和SQUID耦合封裝。
進(jìn)一步地，在步驟1中用脈沖激光淀積法分別沉積1000-5000的鐵氧體或坡莫合金薄膜。
進(jìn)一步地，在步驟2中采用振動樣品磁強(qiáng)計在fT的弱磁場下測磁膜的磁滯回線，尋找回線狹長且矯頑力低的磁膜。
進(jìn)一步地，在步驟3中制備多圈磁通變換器的方法如下先在φ18mm×0.5mm的鈦酸鍶(SiTrO3)基底上制備三層薄膜(YBCO-PBCO-YBCO)8-18圈輸入線圈的磁通變換器先外延生長底層YBCO超導(dǎo)薄膜，高入射角離子束刻蝕制備小角度邊緣底膜，刻蝕后圖形為可把磁通變換器上層外圈即拾取線圈的超導(dǎo)薄膜與中間多圈輸入線圈的內(nèi)圈相連接、形成回路的超導(dǎo)膜條；再采用遮擋掩膜法制備中間層的PBCO薄膜做為隔離層，然后外延生長頂層YBCO超導(dǎo)薄膜，鍍上電極用銀膜，刻蝕出頂層由一個大的拾取線圈與中心部分的多圈輸入線圈形成的的超導(dǎo)線圈回路圖形。
進(jìn)一步地，在步驟4中制備dc SQUID的方法如下在10mm×10mm×0.5mm的鈦酸鍶基底上外延生長1800左右厚度的YBCO超導(dǎo)薄膜，通過離子束刻蝕在同一基片上制備兩個具有相同設(shè)計參數(shù)的雙結(jié)SQUID，目的是為了保證至少一個雙節(jié)SQUID可以使用，而且對稱結(jié)構(gòu)在耦合時也比較方便。
進(jìn)一步地，在步驟5中，將由步驟1、2制備的磁膜置入dc SQUID和磁通變換器耦合結(jié)構(gòu)中，由下到上分別為磁通變換器、鍍有磁膜的玻璃片、dc SQUID，外面由密封盒封裝，調(diào)制反饋線圈。
進(jìn)一步地，在步驟1、2中，首先在不同基片上生長不同厚度、面積的鐵氧體或坡莫合金的薄膜，然后在fT以下的弱磁場中，測量磁介質(zhì)薄膜的磁滯回線。
進(jìn)一步地，所述磁膜直接長在dc SQUID環(huán)孔上，與環(huán)孔形狀相同，以此來取代步驟1、2，然后將此dc SQUID與磁通變換器耦合，由下到上分別為磁通變換器、隔離層、環(huán)孔鍍有磁膜的dc SQUID，調(diào)制反饋線圈，外邊用密封盒封裝，其上設(shè)有引線。
進(jìn)一步地，所述基片為玻璃片或硅片。
進(jìn)一步地，對磁通變換器、鍍有磁性薄膜的基片、dc SQUID耦合封裝與磁通變換器、隔離層、環(huán)孔鍍有磁膜的dc SQUID耦合封裝這兩種封裝方式之間SQUID探頭的性能進(jìn)行比較，擇優(yōu)選用。
本發(fā)明通過在多圈磁通變換器和dc SQUID耦合的結(jié)構(gòu)中置入一層磁性介質(zhì)來增加dc SQUID的有效面積，dc SQUID在外磁場增加一個磁通量子時，零壓隧道電流變化一個周期。在耦合結(jié)構(gòu)中置入一層磁性介質(zhì)后，增加了SQUID有效面積內(nèi)的磁通密度(Φ=Hρ·Sρ,]]>μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率)，與同等有效面積的dc SQUID相比，外磁場改變一個磁通量子對應(yīng)著更小的磁場的變化，從而相當(dāng)于增加了dc SQUID的有效面積。這種設(shè)計在理論上最大可以把有效面積增大到μ(磁導(dǎo)率)倍，與上面提到的文獻(xiàn)[2]-[4]中增加靈敏度的方案相比，可以容易的提高二至三個數(shù)量級，但是由于磁性物質(zhì)有回滯，實(shí)際上并不能達(dá)到μ倍，而是小于μ倍。所以對置入磁性介質(zhì)的材料要進(jìn)行選擇，其H-B，H-M曲線必須狹長且矯頑力小。


圖1為本發(fā)明制備的多圈輸入線圈磁通變換器；圖2為本發(fā)明中dc SQUID的設(shè)計圖形；圖3為耦合后的圖形；圖4為本發(fā)明中SQUID探頭耦合封裝后的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖號說明1-多圈輸入線圈磁通變換器2-dc SQUID設(shè)計圖形3-隔離層4-調(diào)制反饋線圈本發(fā)明要置入的磁介質(zhì)要求在弱磁場下矯頑力很小，近似為0或小于10-15量級，且初始磁導(dǎo)率比較高，由下表，選擇鐵氧體和坡莫合金。
典型軟磁材料的磁導(dǎo)率及其他性能

實(shí)施例1先在多個10mm×10mm×0.4mm的玻璃基片上，用脈沖激光淀積法分別沉積1000-5000的鐵氧體薄膜，然后在fT的弱磁場下用振動樣品磁強(qiáng)計測量磁膜的磁滯回線，選擇回線狹長且矯頑力低的磁膜，備用。
再制備多圈磁通變換器和dc SQUID環(huán)先在φ18mm×0.5mm的鈦酸鍶(SiTrO3)上制備三層薄膜(YBCO-PBCO-YBCO)14圈輸入線圈的磁通變換器，首先在基底上外延生長底層YBCO超導(dǎo)薄膜，采用高入射角離子束刻蝕制備小角度邊緣底膜；再用遮擋掩膜法制備中間層的PBCO薄膜做為隔離層；然后外延生長頂層YBCO超導(dǎo)薄膜，鍍上電極用銀膜，刻蝕出頂層圖形，如圖1所示，這里我們設(shè)計的是14圈的輸入線圈，雖然理論上這種結(jié)構(gòu)的磁通變換器輸入線圈最佳為18圈，但實(shí)際上此線圈整體只在1mm2左右的面積上，圈數(shù)多、膜條窄、容易斷裂，所以8-14圈是較佳的選擇。dc SQUID是在10mm×10mm×0.5mm的鈦酸鍶基底上外延生長1800厚度的YBCO超導(dǎo)薄膜，通過離子束刻蝕出SQUID圖形，如圖2所示。
最后把磁通變換器，鍍有鐵氧體薄膜的玻璃基片和dc SQUID進(jìn)行封裝。封裝時圖形如圖3進(jìn)行耦合，封裝示意圖如圖4所示，探頭組裝完畢后進(jìn)行測試，與不置入磁介質(zhì)薄膜的探頭進(jìn)行比較。
擬實(shí)施例2本實(shí)施例首先要在10mm×10mm×0.4mm的玻璃基片上，用脈沖激光淀積法分別沉積1000-5000的78坡莫合金和45坡莫合金薄膜，再在fT的弱磁場下采用振動樣品磁強(qiáng)計測量磁膜的磁滯回線，尋找回線狹長且矯頑力低的磁膜。
制備用于耦合的磁通變換器和dc SQUID環(huán)先在φ18mm×0.5mm的鈦酸鍶(SiTrO3)上制備三層薄膜(YBCO-PBCO-YBCO)14圈輸入線圈的磁通變換器，外延生長底層YBCO超導(dǎo)薄膜，高入射角離子束刻蝕制備小角度邊緣底膜，再用遮擋掩膜法制備中間層的PBCO薄膜做為隔離層，然后外延生長頂層YBCO超導(dǎo)薄膜，先刻蝕出頂層圖形再鍍上電極用銀膜，最后圖形如圖1所示。dc SQUID是在10mm×10mm×0.5mm的鈦酸鍶基底上外延生長1800厚度的YBCO超導(dǎo)薄膜，通過離子束刻蝕出SQUID圖形，在SQUID環(huán)孔(大約4μm×110μm)中間鍍上一層坡莫合金薄膜(厚度由測試弱磁下磁滯回線時測量決定)，如圖2所示。
最后把磁通變換器、隔離層、鍍有磁膜的SQUID進(jìn)行封裝，封裝時圖形如圖3所示進(jìn)行耦合，封裝示意圖如圖4所示，探頭組裝完畢后進(jìn)行測試，與不置入磁介質(zhì)薄膜的探頭進(jìn)行比較。
權(quán)利要求
1.一種增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，該方法包括以下步驟1)在基片上淀積鐵磁膜；2)測弱磁場下磁膜的磁滯回線，找出磁滯回線狹長、包圍面積小且矯頑力低的磁介質(zhì)薄膜，備用；3)制備多圈磁通變換器；4)制備雙結(jié)SQUID即dc SQUID；5)將磁通變換器、鍍有磁性薄膜的基片和SQUID耦合封裝。
2.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，在步驟1中用脈沖激光淀積法分別沉積1000-5000的鐵氧體或坡莫合金薄膜。
3.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，在步驟2中采用振動樣品磁強(qiáng)計在fT的弱磁場下測磁膜的磁滯回線，尋找回線狹長且矯頑力低的磁膜。
4.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，在步驟3中制備多圈磁通變換器的方法如下先在鈦酸鍶基底上制備三層薄膜多圈輸入線圈的磁通變換器外延生長底層YBCO超導(dǎo)薄膜，高入射角離子束刻蝕制備小角度邊緣底膜，刻蝕后圖形為可把磁通變換器上層外圈即拾取線圈的超導(dǎo)薄膜與中間多圈輸入線圈的內(nèi)圈相連接、形成回路的超導(dǎo)膜條；再采用遮擋掩膜法制備中間層的PBCO薄膜做為隔離層，然后外延生長頂層YBCO超導(dǎo)薄膜，鍍上電極用銀膜，刻蝕出頂層的由一個大的拾取線圈與中心部分的多圈輸入線圈形成的的超導(dǎo)線圈回路圖形，鈦酸鍶基底尺寸可為φ18mm×0.5mm，輸入線圈可為8-18圈輸入線圈。
5.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，在步驟4中制備dc SQUID的方法如下在鈦酸鍶基底上外延生長YBCO超導(dǎo)薄膜，通過離子束刻蝕制備兩個具有相同設(shè)計參數(shù)的雙結(jié)SQUID，所述鈦酸鍶基底尺寸可為10mm×10mm×0.5mm，YBCO超導(dǎo)薄膜厚度可為1800。
6.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，在步驟5中，將由步驟1、2制備的磁膜置入dc SQUID和磁通變換器耦合結(jié)構(gòu)中，由下到上分別為磁通變換器、鍍有磁膜的玻璃片、dc SQUID，外面由密封盒封裝，調(diào)制反饋線圈。
7.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，在步驟1、2中，首先在不同基片上生長不同厚度、面積的鐵氧體或坡莫合金的薄膜，然后在fT以下的弱磁場中，測量磁介質(zhì)薄膜的磁滯回線。
8.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，所述磁膜直接長在dc SQUID環(huán)孔上，與環(huán)孔形狀相同，以此來取代步驟1、2，然后將此dc SQUID與磁通變換器耦合，由下到上分別為磁通變換器、隔離層、環(huán)孔鍍有磁膜的dc SQUID，調(diào)制反饋線圈，外邊用密封盒封裝，其上設(shè)有引線。
9.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，所述基片為玻璃片或硅片。
10.如權(quán)利要求1所述的增加超導(dǎo)量子干涉器件有效面積的方法，其特征在于，對磁通變換器、鍍有磁性薄膜的基片、dc SQUID耦合封裝與磁通變換器、隔離層、環(huán)孔鍍有磁膜的dc SQUID耦合封裝這兩種封裝方式之間SQUID探頭的性能進(jìn)行比較，擇優(yōu)選用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增加超導(dǎo)量子干涉器件靈敏度的方法，它采用在磁通變換器和SQUID耦合這種結(jié)構(gòu)中置入一層磁性介質(zhì)來增加磁通密度提高其靈敏度。與同等有效面積的SQUID相比外磁場改變一個磁通量子對應(yīng)著更小的磁場的變化，從而相當(dāng)于增加了SQUID的有效面積。這種方法可以把有效面積增大到原來的μ介質(zhì)磁導(dǎo)率倍，μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以提高2至3個數(shù)量級。
文檔編號H01L39/24GK1632962SQ200410096078
公開日2005年6月29日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月29日
發(fā)明者朱學(xué)敏, 陳賡華, 周岳亮, 任育峰, 于洪偉 申請人:中國科學(xué)院物理研究所