一種精確診斷串聯squid故障的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于天文探測技術領域，適用于串聯SQUID放大器以及兩級SQUID放大器的制備、樣品性能及可靠性分析，特別涉及一種精確診斷串聯SQUID故障的方法。
【背景技術】
[0002]近年來，SQUID作為目前最靈敏的磁場探測器件之一，可以被用于生物磁場的探測，可以被用于機輪的無損檢測，材料磁性研究，核磁共振測量以及用于讀出天文探測的低溫粒子探測器等。而單個電流偏置的SQUID放大器輸出信號電壓相對較小，可以通過多個相同SQUID串聯的辦法來增大輸出電壓幅度，并使其輸出電壓可以直接連接到室溫放大器。對于多個相同SQUID串聯，傳統的通過串聯電阻值大小判斷串聯個數難以確定壞的SQUID的具體位置，并且當并聯電阻數目過多時，由于工藝偏差可能導致有壞的SQUID未被分析出來。通過對比串聯SQUID調制曲線深度與單個SQUID調制深度，由于偏置電流的不同對應調制深度的不同，導致難以分辨是否有壞的SQUID以及串聯SQUID的個數，并且同樣無法確定壞的SQUID的具體位置。

【發明內容】

[0003]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種精確診斷串聯SQUID故障的方法，可以精確判斷串聯SQUID中每個SQUID的好壞。
[0004]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0005]一種精確診斷串聯SQUID故障的方法，使各串聯SQUID的輸入線圈分別具有不同電感，對串聯SQUID調制曲線進行傅里葉變換得到調制曲線的頻譜圖，通過分析對應不同頻率的幅度，幅頻特性曲線中缺失的峰值，其對應的SQUID即為故障點。
[0006]由于調制曲線為周期性函數，其中幅頻曲線為調制曲線的傅里葉變換，因此頻譜圖中，幅度與該電流偏置點的調制深度成正比關系；根據單個SQUID的不同偏置點對應的幅度不同，選擇對應幅度最大的偏置點，該點即為該SQUID的最佳偏置點。
[0007]具體地，可以通過調整線圈圈數的不同，使得各SQUID的輸入線圈分別具有不同電感。
[0008]與現有技術相比，本發明可以精確分辨出串聯SQUID中單個SQUID的好壞并能確定壞的SQUID的位置，同時根據幅度可以判斷每個SQUID處于該電流偏置點的調制深度以及分析每個SQUID的最佳偏置點。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明不同電感的輸入線圈對應的串聯SQUID版圖設計不意圖。
[0010]圖2是圖1串聯SQUID中第一個SQUID細節圖。
[0011]圖3是圖1串聯SQUID中第二個SQUID細節圖。
[0012]圖4是圖1串聯SQUID中第三個SQUID細節圖。
[0013]圖5是圖1串聯SQUID中第四個SQUID細節圖。
[0014]圖2-圖5中，用7表不約瑟夫森結，用8表不輸入線圈，用9表不導線，用10表不反饋線圈。
[0015]圖6是本發明串聯SQUID的制備工藝示意圖。
[0016]圖6中，用1表示Si02，用2表示Si，用3表示Photoresist，用4表示Nb，用5表示Al/A10x，用6表示Auo
[0017]圖7是圖1單SQUID放大器電路結構圖。
[0018]圖8是本發明仿真參數1的調制曲線圖。
[0019]圖9是本發明仿真參數1的幅頻特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。
[0021]如圖1所示，本發明基于微電子平面工藝制備輸入線圈與SQUID之間互感不同的串聯SQUID，通過在版圖上對串聯SQUID設計不同電感的輸入線圈使得其與SQUID互感不同。當制備出串聯SQUID并可以得到調制曲線后，對調制曲線進行傅里葉變換得到調制曲線的頻譜圖；通過分析對應不同頻率的幅度可以精確分辨出串聯SQUID中單個SQUID的好壞并能確定壞的SQUID的位置，并根據幅度可以判斷每個SQUID處于該電流偏置點的調制深度以及分析每個SQUID的最佳偏置點。
[0022]圖1中，共表示出了四個串聯的SQUID，其中，第一個SQUID如圖2所示，其輸入線圈為一圈，第二個SQUID如圖3所示，其輸入線圈為兩圈，第三個SQUID如圖4所示，其輸入線圈為三圈，第四個SQUID如圖5所示，其輸入線圈為四圈。
[0023]可見，各個SQUID中，均具有約瑟夫森結7、輸入線圈8、導線9和反饋線圈10。其中，各個SQUID的約瑟夫森結7、導線9和反饋線圈10的結構一致，僅輸入線圈8的圈數各不相同。
[0024]其具體的實現工藝如圖6所示，采用自對準五次光刻工藝制備SQUID的工藝流程，一共進行五次光刻。圖6A中，在硅片層2上濺射一層400nm的S1jl 1，第一次光刻采用雙層正性剝離膠光刻工藝目的是為了派射三層膜，Photoresist層3位于S1jg 1上方，如圖6B所示。之后濺射三層膜即引入Nb4和Al/A10x5，如圖6C和D所示。第二次光刻采用負性剝離膠NR9-3000PY進行，其目的為在三層膜表面定義結區光刻膠圖形，并且刻蝕采用SF6氣體，A1可以作為天然阻擋層，如圖6E、圖6F、圖6G、圖6H所示。第三次光刻通過反應離子刻蝕以及80% H3P0JS法腐蝕從而掏空出用于上下電極連接的通孔，如圖61、圖6J、圖6K、圖6L所示。第四次光刻目的是濺射Au并聯電阻6，濺射時本底真空為10E-4Pa，在濺Au之前為了增加表面粘附力需要濺射一薄層8nm左右的Ti，如圖6M、圖6N、圖60所示。第五次光刻濺射上電極以及調制線圈，在濺射之前，由于Nb表面會很容易吸附空氣中的氧氣成為氧化Nb，因此需要進行去氧化層工藝，然后濺射350nm厚度Nb導線層，如圖6P、圖6Q、圖6R所示。這一次光刻有兩種版圖設計，其一為通常的設計，它屬于相同的輸入線圈的串聯SQUID放大器，這種設計無法判斷單個SQUID的質量；其二為本發明中設計的不同的輸入線圈的串聯SQUID放大器(不同輸入線圈的設計版圖稱為診斷線圈版圖，如圖1所示)。按照以上工藝步驟，可以制備出需要的樣品。通過對含有診斷線圈的SQUID放大器的調制曲線進行傅里葉變換，找出幅頻特性曲線中缺失的峰值，其對應的SQUID即為故障點，因此可以判斷出單個SQUID的質量。
[0025]具體地，運用wrspice軟件針對一組串聯SQUID中每個SQUID與調制線圈互感均不相同進行仿真。單SQUID放大器電路結構圖7所示，設計值為:SQUID電感為Lsq= 74pH，偏置電流為Iblas= 58.6 μ A，I bl為流過約瑟夫森結J i的偏置電流，I b2為流過約瑟夫森結J2的偏置電流，結的臨界電流為1。= 29.25 μ Α，并聯電阻R sl= R s2= 1.6 Ω，四個SQUID的輸入線圈電感分別為 Linl= 20nH，Lin2= 80nH，Lin3= 320nH，L in4= 1280nH 耦合系數 k 均為
0.2ο
[0026]則SQUID 與線圈間的互感大小分別為:Μιη1 = 0.24ηΗ，Μ ιη2= 0.48ηΗ，Μ ιη3 =
0.96ηΗ，Min4= 1.92ηΗ。
[0027]則對應每個周期電流分別為:l!=8.499 μ Α，I 2= 4.25 μ Α，I 3= 2.13 μ Α，I 4=
1.07 μ Α。
[0028]對應每個頻率分別為:fi=117664 (1/A), f 2= 235328 (1/A)，f 3= 470656 (1/A)，f4= 941312 (1/A)。
[0029]仿真得到的調制曲線如圖8所示，對該調制曲線進行傅里葉變換得到的幅頻特性曲線如圖9所示。
[0030]根據仿真結果可以看出幅頻特性曲線中對應的f\，，f2,，f3,，f4四個點均有峰值，若其中匕沒有峰值，則對應僅有一圈輸入線圈的SQUID為壞的，其中可以通過f 3寸應的峰值判斷僅有一圈SQUID的調制深度；若&沒有峰值，則對應兩圈輸入線圈的SQUID為壞的，可以通過f2對應的峰值判斷僅有一圈SQUID的調制深度，因此可得仿真結果正確并且可以通過峰值是否存在以及其大小判斷單個SQUID的好壞以及調制深度。
【主權項】
1.一種精確診斷串聯SQUID故障的方法，其特征在于，使各串聯SQUID的輸入線圈分別具有不同電感，對串聯SQUID調制曲線進行傅里葉變換得到調制曲線的頻譜圖，通過分析對應不同頻率的幅度，幅頻特性曲線中缺失的峰值，其對應的SQUID即為故障點。2.根據權利要求1所述精確診斷串聯SQUID故障的方法，其特征在于，頻譜圖中，幅度與電流偏置點的調制深度成正比關系，根據單個SQUID的不同偏置點對應的幅度不同，選擇對應幅度最大的偏置點，該點即為該SQUID的最佳偏置點。3.根據權利要求1所述精確診斷串聯SQUID故障的方法，其特征在于，通過調整線圈圈數的不同，使得各SQUID的輸入線圈分別具有不同電感。
【專利摘要】一種精確診斷串聯SQUID故障的方法，使各串聯SQUID的輸入線圈分別具有不同電感，對串聯SQUID調制曲線進行傅里葉變換得到調制曲線的頻譜圖，通過分析對應不同頻率的幅度，幅頻特性曲線中缺失的峰值，其對應的SQUID即為故障點，本發明可以精確分辨出串聯SQUID中單個SQUID的好壞并能確定壞的SQUID的位置，同時根據幅度可以判斷每個SQUID處于該電流偏置點的調制深度以及分析每個SQUID的最佳偏置點。
【IPC分類】G01R35/00
【公開號】CN105372612
【申請號】CN201510898342
【發明人】陳釗, 劉建設, 李鐵夫, 陳煒
【申請人】清華大學
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年12月8日