一種squid芯片及其檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁傳感器技術領域，特別是涉及一種SQUID芯片及其檢測方法。
【背景技術】
[0002]基于超導量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device，SQUID)的磁傳感器是目前已知的最靈敏的磁探測器。廣泛應用于生物磁場、地球磁場異常、極低場核磁共振等微弱磁場探測應用領域，其探測靈敏度已經達到飛特(10 15特斯拉)量級。SQUID磁傳感器是極限探測、科學研究中重要的磁傳感器設備，具有很高的科研和應用價值。
[0003]SQUID器件必須工作在使其進入超導狀態的低溫環境下。如圖1所示，SQUID磁傳感器I由SQUID芯片11和讀出電路12構成。所述SQUID芯片11工作在低溫環境下，所述讀出電路12工作在常溫環境下，所述SQUID芯片11與所述讀出電路12通過導線13實現連接。目前SQUID器件的超導環境主要通過液氦或液氮來維持，即將所述超導量子干涉器芯片11放入儲存液氦或液氮的低溫恒溫器14(又名:杜瓦)中，并浸泡在液氦或液氮等低溫液體中。其中，高溫超導材料制成的高溫SQUID器件通常工作在液氮提供的低溫環境下(溫度為77K)，低溫超導材料制成的低溫SQUID器件通常工作在液氦提供的低溫環境下(溫度為4.2K) ο
[0004]如圖2所示，低溫下的SQUID芯片中包含三個元件:USQUID器件，2、反饋線圈，3、加熱電阻。所述SQUID芯片中的三個元件獨立引出線，共有6個端子與外部電路連接。典型的SQUID芯片及傳感電路的構成如圖3所示，傳統的傳感電路需要6根導線連接低溫環境下的SQUID芯片，其中，SQUID器件的兩端通過2根導線連接至基于磁通鎖定環路的SQUID讀出電路，反饋線圈的兩端通過2根導線連接至基于磁通鎖定環路的SQUID讀出電路，加熱電阻的兩端通過2根導線分別連接至產生加熱電流Ih的電壓V i及參考地。
[0005]連接低溫器件和室溫電路的導線，首先承擔低噪聲信號傳輸功能，要求導電性良好的銅線或低阻低溫線；其次導線兩端溫差巨大(4.2K到300K)，因此導熱效應非常明顯，對低溫液氦或液氮的損耗很大。隨著通道數的增加，導線數量的增加，熱損耗變得很大，對低溫系統的維持帶來了挑戰，也限制了多通道系統的發展，因此減少低溫和室溫電路的連接導線是設計上的關鍵，多通道數的SQUID應用系統要求低溫電路與常溫電路之間的導線盡可能少。
[0006]低溫器件與常溫電路的導線的熱傳導是低溫液體損耗的主要原因，減少導線的數量，將大大降低熱傳導效率，從而降低低溫液體損耗。低溫環境的維持是目前應用超導SQUID系統的主要技術挑戰。4.2k的低溫環境通常采用液氦來維持，液氦資源有限，我國不能自主供應，主要從美國進口。成本高昂(每升液氦20?30美金)，供應受限。同時液氦的輸灌過程損耗大，系統必須停機配合，效率低，設備間接成本大。因此盡可能減少低溫液體損耗，減少低溫液體充灌的次數，延長設備運行時間，具有重要經濟價值。本發明將通過減少引線數量的設計，降低系統低溫損耗，提供超導SQUID系統運行經濟性。

【發明內容】

[0007]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種SQUID芯片及其檢測方法，用于解決現有技術中低溫電路與常溫電路之間連接導線數量多，熱損耗大的問題。
[0008]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種SQUID芯片，所述SQUID芯片至少包括:
[0009]SQUID器件，將檢測到的磁通量轉化為電壓后通過第一管腳和第二管腳輸出所述SQUID芯片；
[0010]反饋線圈，通過第三管腳和第四管腳接收所述SQUID芯片外部室溫電路加載的反饋電流，并將所述反饋電流轉換為磁通信號耦合至所述SQUID器件；
[0011]以及加熱器，并聯于所述反饋線圈的兩端，與所述反饋線圈共用所述第三管腳和所述第四管腳，所述加熱器接收所述SQUID芯片外部室溫電路加載的加熱電流以產生熱量，改變所述SQUID器件和所述反饋線圈所處的環境溫度，進而改變所述SQUID器件和所述反饋線圈的工作狀態。
[0012]優選地，所述反饋線圈的材料為超導材料或超導薄膜材料。
[0013]優選地，所述反饋線圈的超導臨界電流I。滿足:I f_〈Ie〈Ih，其中，Ifniax為最大反饋電流，Ih為加熱電流。
[0014]優選地，所述反饋線圈在失超狀態下表現為正常態電阻，所述正常態電阻的阻值不小于所述加熱器的阻值的3倍。
[0015]優選地，所述加熱器為加熱電阻。
[0016]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種上述SQUID芯片的檢測方法，所述檢測方法至少包括:
[0017]當流經所述反饋線圈的電流小于所述反饋線圈的超導臨界電流且所述反饋線圈和所述SQUID芯片所處的環境溫度小于超導臨界溫度時，所述反饋線圈工作于超導狀態，所述加熱器不工作，所述SQUID器件對磁通信號進行檢測并轉化為電壓信號輸出；
[0018]當流經所述反饋線圈的電流大于所述反饋線圈的超導臨界電流時，所述反饋線圈將失超，原先流經所述反饋線圈的電流則主要流向所述加熱器，所述加熱器開始發熱，使得所述SQUID器件的溫度不斷上升，當所述SQUID器件的溫度超過所述超導臨界溫度時，所述SQUID器件失超，所述反饋線圈也因所處的環境溫度超過所述超導臨界溫度而在整個加熱過程中保持失超狀態。
[0019]優選地，通過控制所述反饋線圈的超導線截面積，或超導薄膜刻蝕線圈的導線寬度來調節所述反饋線圈的超導臨界電流。
[0020]更優選地，通過控制所述反饋線圈的超導線的長度來調節所述反饋線圈的正常態電阻的阻值。
[0021]如上所述，本發明的SQUID芯片及其檢測方法，具有以下有益效果:
[0022]本發明的SQUID芯片及其檢測方法將傳統SQUID芯片中的加熱電阻和反饋線圈并聯，并通過參數匹配，使加熱電阻和反饋線圈配合工作，實現雙功能運行，只需要2個引出管腳就完成了傳統SQUID芯片中4個管腳的功能，同時減少了導線的數量，避免連接導線數量多引起的熱損耗大的問題，進而提高了 SQUID芯片工作的穩定性。
【附圖說明】
[0023]圖1顯示為現有技術中的SQUID磁傳感器的結構示意圖。
[0024]圖2顯示為現有技術中的SQUID芯片的結構示意圖。
[0025]圖3顯示為現有技術中的SQUID磁傳感器的結構示意圖。
[0026]圖4顯示為本發明的SQUID芯片的結構示意圖。
[0027]圖5?7顯示為本發明的SQUID芯片的原理示意圖。
[0028]圖8顯示為本發明的SQUID芯片應用于SQUID磁傳感器的原理示意圖。
[0029]元件標號說明
[0030]I SQUID磁傳感器
[0031]11 SQUID 芯片
[0032]12讀出電路
[0033]13 導線
[0034]14低溫恒溫器
[0035]2 SQUID 芯片
[0036]3 傳感電路
[0037]31基于磁通鎖定環路的SQUID讀出電路
【具體實施方式】
[0038]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0039]請參閱圖4?圖8。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0040]如圖4?圖7所示，本發明提供一種SQUID芯片2，所述SQUID芯片2至少包括:
[0041]SQUID器件SQD1、反饋線圈Lf以及加熱器。
[0042]如圖4所示，所述SQUID器件SQDl的兩端連接于第一管腳Pinl和第二管腳Pin2，當所述SQUID器件檢測到磁通信號后，會將磁通信號轉換為相應的電流信號，通過所述第一管腳Pinl和所述第二管腳Pin2輸出。
[0043]如圖4所示，所述反饋線圈Lf靠近于所述SQUID器件SQDl，其兩端連接于第三管