超導量子干涉傳感器及所適用的磁探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種超導量子干涉傳感器及所適用的磁探測器。根據本實用新型所述的磁探測器，由偏置電路向所述超導量子干涉傳感器中的放大器提供偏置電壓，所述放大器經分壓電阻分壓，將分壓后的偏置電壓提供給超導量子干涉傳感器中的超導量子干涉器件，同時，利用所述偏置電壓將所述超導量子干涉器件輸出的電信號予以放大并輸出，其中，所述超導量子干涉傳感器還被浸放在使超導量子干涉器件處于超導狀態的容器中。本實用新型所述的磁探測器由放大器向超導量子干涉器件提供偏置電壓能夠有效解決現有的放大器和超導量子干涉器件分用偏置電路而使所述干涉器件的集成度低、電路結構復雜等問題。
【專利說明】超導量子干涉傳感器及所適用的磁探測器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種超導量子干涉傳感器及所適用的磁探測器。
【背景技術】
[0002]超導量子干涉磁探測器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用。
[0003]超導量子干涉傳感器包含具有低阻抗器件的傳感器，所述傳感器所輸出的信號非常微弱，只有幾十個UV (微伏)，且工作在超導的低溫環境下，因此，配備給所述傳感器的偏置電壓很低。同時，為了能夠對所述傳感器所探測的電信號進行后續處理，所述超導量子干涉傳感器還包括放大器，其中，所述放大器也需要偏置電路，但由于現有的放大器的偏置電壓遠高于所述傳感器的偏置電壓，使得所述超導量子干涉傳感器中只能提供兩套偏置電路，所述超導量子干涉傳感器的集成度低、電路復雜。
[0004]此外，為了發揮超導量子干涉器件的高靈敏度性能，需要與之相連的放大電路具有極低的噪聲性能。目前，為所述超導量子干涉器件提供放大功能的放大電路的噪聲水平為InV/ V Hz，遠大于超導量子干涉器件本身的噪聲水平。因此，將所述超導量子干涉器件和放大器制作成器件時，噪聲性能主要受制于所述放大器的噪聲性能。
[0005]如何能充分發揮超導量子干涉器件的極高靈敏度特性，并將該超導量子干涉傳感器應用到更微弱磁信號的極限探測系統中，是本領域技術人員所要解決的問題。
實用新型內容
[0006]鑒于以上所述現有技術的缺點，本實用新型的目的在于提供一種超導量子干涉傳感器及所適用的磁探測器，用于解決現有技術中超導量子干涉器件的集成度低，及放大器的噪聲水平抑制了超導量子干涉磁探測器的靈敏度等問題。
[0007]為實現上述目的及其他相關目的，本實用新型提供一種超導量子干涉傳感器，其至少包括:超導量子干涉器件，用于利用超導量子干涉技術將所探測到的磁信號轉換成電信號；與所述超導量子干涉器件和外部的偏置電路相連接的放大器，用于向所述超導量子干涉器件提供偏置電壓，并基于所述偏置電路所提供的偏置電壓將所述超導量子干涉器件輸出的電信號予以放大并輸出。
[0008]優選地，所述超導量子干涉器件包括:超導環，和/或與所述超導環相連的反饋電路。
[0009]優選地，所述放大器為雙極型晶體三極管。
[0010]優選地，所述雙極型晶體三極管的發射極與所述偏置電路連接，所述雙極型晶體三極管的基極與所述超導量子干涉器件連接，所述雙極型晶體三極管的集電極與所述放大器的輸出端連接。
[0011]本實用新型還提供一種超導量子干涉的磁探測器，其至少包括:如上任一所述的超導量子干涉傳感器；用于為所述超導量子干涉傳感器中的超導量子干涉器件提供超導環境的容器；及與所述超導量子干涉傳感器中的放大器連接的偏置電路，用于向所述放大器提供偏置電壓。
[0012]優選地，所述容器浸泡所述超導量子干涉器件及所述放大器。
[0013]優選地，所述容器中盛放液氮或液氦。
[0014]優選地，所述偏置電路包括:一端連接供電電源的可調分壓電阻，與所述可調分壓電阻另一端連接的至少一個穩壓電容，所述穩壓電容的另一端接地。
[0015]優選地，所述放大器的輸出端通過電阻與反向電源相連。
[0016]如上所述，本實用新型的超導量子干涉傳感器及所適用的磁探測器，具有以下有益效果:由放大器向超導量子干涉器件提供偏置電壓能夠有效解決現有的放大器和超導量子干涉器件分用偏置電路而使所述干涉器件的集成度低、電路結構復雜等問題；還有，利用雙極型晶體三極管中基極-集電極的放大功能，以及發射機-基極之間穩定的電壓差，將基極與超導量子干涉器件相連不但能夠為超導量子干涉器件提供穩定的偏置電壓，還能在所述超導量子干涉器件輸出電信號時，通過集電極予以放大并輸出；另外，將所述超導量子干涉傳感器全部浸放在盛放液氮或液氦的容器中，能夠使半導體器件始終處于低溫狀態，有效降低常溫-低溫環境下器件的熱耦合效應所產生的干擾；此外，將所述放大器和超導量子干涉器件集成在一起并浸放在所述容器中，還有效減少超導量子干涉器件和放大器之間的線路長度，在電信號的傳輸過程中進一步減少傳輸時的電磁干擾。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1顯示為本實用新型的超導量子干涉傳感器的結構示意圖。
[0018]圖2顯示為本實用新型的超導量子干涉傳感器的一種優選方式的結構示意圖。
`[0019]圖3顯示為本實用新型的超導量子干涉傳感器中超導量子干涉器件的一種優選方式的結構示意圖。
[0020]圖4顯示為本實用新型的超導量子干涉的磁探測器的結構示意圖。
[0021]圖5顯示為本實用新型的超導量子干涉的磁探測器的一種優選方式的結構示意圖。
[0022]元件標號說明
[0023]I超導量子干涉傳感器
[0024]11超導量子干涉器件
[0025]12放大器
[0026]2超導量子干涉的磁探測器
[0027]21偏置電路
[0028]22 容器
【具體實施方式】
[0029]以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本實用新型的其他優點及功效。
[0030]請參閱圖1至圖5。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本實用新型可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本實用新型所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本實用新型所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。
[0031]如圖1所示，本實用新型提供一種超導量子干涉傳感器。所述超導量子干涉傳感器I包括:超導量子干涉器件11、和放大器12。所述超導量子干涉傳感器I優選為高度集成的電路或芯片。
[0032]所述超導量子干涉器件11用于利用超導量子干涉技術將所探測到的磁信號轉換成電信號。
[0033]具體地，所述超導量子干涉器件11利用超導量子干涉技術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，并根據所探測到的磁信號改變自身的等效電阻，以便輸出相應的電信號。如圖2所示，所述超導量子干涉器件11包括:超導環。優選地，所述超導量子干涉器件11還包括:與所述超導環相連的反饋電路。例如，如圖3所示，所述超導量子干涉器件11包括:超導環和與所述超導環并聯的反饋電路，其中所述反饋電路包括:反饋電阻和與所述反饋電阻的反饋線圈。
[0034]需要說明的是，本領域技術人員應該理解，上述反饋電路僅為舉例，而非對本實用新型的限制，事實上，所述反饋電路還可以是更為復雜的，或者串聯在所述超導環上。
[0035]所述放大器12與所述超導量子干涉器件11和外部的偏置電路21，用于向所述超導量子干涉器件11提供偏置電壓，并基于所述偏置電路21所提供的偏置電壓將所述超導量子干涉器件11輸出的電信號予以放大并輸出。其中，所述放大器12的放大倍數可以是幾十倍至幾百倍，優選地，所述放大器12的放大倍數在一百倍以上。
[0036]具體地，所述放大器12包括分壓電阻，外部的偏置電路21提供給所述放大器12的偏置電壓經所述分壓電阻分壓后提供給所述超導量子干涉器件11，所述放大器12還包括與所述超導量子干涉器件11連接且具有輸出端的放大模塊，當所述超導量子干涉器件11在探測到磁信號并輸出電信號時，所述放大模塊將所述電信號予以放大，并由所述輸出端輸出。
[0037]為了將所述超導量子干涉器件11與放大器12高度集成在一起，優選地，如圖2、3所示，所述放大器12為雙極型晶體三極管。其中，所述雙極型晶體三極管優選為PNP型三極管。
[0038]具體地，根據所述雙極型晶體三極管的特點:發射極和基極之間具有穩定的電壓差，同時，基極和集電極之間具有放大功能，能夠將基極的電流變化予以放大。本實施例中，所述雙極型晶體三極管的發射極與所述偏置電路21相連，所述雙極型晶體三極管的基極與所述超導量子干涉器件11連接，所述雙極型晶體三極管的集電極與所述放大器12的輸出端連接。
[0039]如圖4所示，本實用新型還提供一種超導量子干涉的磁探測器2，包括:如上所述的超導量子干涉傳感器1、容器22和偏置電路21。
[0040]所述容器22用于為所述超導量子干涉傳感器I中的超導量子干涉器件11提供超導環境。其中，所述容器22中盛放有液氮或液氦。所述液氦的溫度在4.2開爾文(相當于-269攝氏度)左右，所述液氮的溫度在77開爾文左右。
[0041 ] 具體地，所述超導量子干涉傳感器I中的超導量子干涉器件11浸放在所述容器22中，以確保所述超導量子干涉器件11在低溫下處于超導狀態。
[0042]由于所述放大器12為半導體材料，故在低溫環境下，其自身的噪聲更低，更為優選地，所述超導量子干涉器件11和所述放大器12均浸放在所述容器22中。
[0043]所述偏置電路21與所述超導量子干涉傳感器I中的放大器12連接，用于向所述放大器12提供偏置電壓。
[0044]具體地，所述偏置電路21包含分壓電阻。其中，所述分壓電阻的阻值根據所述放大器12的偏置電壓而定，所述分壓電阻將所連接的直流電源進行分壓，并將分壓后的直流電源提供給所述放大器12。
[0045]優選地，所述偏置電路21包括:一端連接供電電源的可調分壓電阻，與所述可調分壓電阻另一端連接的至少一個穩壓電容，所述穩壓電容的另一端接地。
[0046]具體地，如圖5所示，所述偏置電路21的結構為:在供電電源(直流電源)和地線之間依次連接有可調分壓電阻Rl和分壓電阻R0，與所述電阻RO并聯有穩壓電容CO和Cl，其中，穩壓電容CO的容量大于穩壓電容C12的容量，所述電阻RO還與所述放大器12相連。
[0047]優選地，所述電阻Rl的阻值在700-1K歐姆之間。可調電阻RO的阻值可根據所述偏置電路的供電電源的電壓調整。例如，所述供電電源的電壓為15V，則所述電阻RO的阻值為Rl的15倍。或者根據實際的三極管和超導量子干涉器件的偏置電壓，將所述電阻RO的阻值調整在200-20K歐姆之間，電容CO的容量在1-100微法之間，電容Cl的容量在1-100納法之間。由此，所述偏置電路采用大阻值分壓、大電容和小電容的穩壓，來提供高精度的穩定的偏置電壓。
[0048]更為優選地，所述超導量子干涉傳感器I中的放大器的輸出端通過電阻與反向電源連接。
[0049]所述超導量子干涉的磁探測器2的工作過程舉例如下:
[0050]外部的偏置電路21通過可調電阻將所輸出的電壓調整為所述雙極型晶體三極管所需的偏置電壓，并提供給所述雙極型晶體三極管的發射極，在所述偏置電路21所提供的偏置電壓下，所述雙極型晶體三極管的集電極能夠將流經基極的電流予以放大；同時，所述雙極型晶體三極管的發射極和基極之間的溝道形成分壓電阻，所述雙極型晶體三極管的基極與所述超導量子干涉器件11相連，所述基極向所述超導量子干涉器件11提供所需的偏置電壓，當所述超導量子干涉器件11在探測到磁信號時將磁信號轉換成電信號并予以輸出，由于所述超導量子干涉器件11所輸出的電信號在所述基極所提供的偏置電壓基礎上進行浮動，使得流經所述基極的電流發生變化，此時，所述集電極輸出對應于所述基極電流的變化而成倍放大變化的電流。
[0051]綜上所述，本實用新型的超導量子干涉傳感器及所適用的磁探測器，由放大器向超導量子干涉器件提供偏置電壓能夠有效解決現有的放大器和超導量子干涉器件分用偏置電路而使所述干涉器件的集成度低、電路結構復雜等問題；
[0052]還有，利用雙極型晶體三極管中基極-集電極的放大功能，以及發射機-基極之間穩定的電壓差，將基極與超導量子干涉器件相連不但能夠為超導量子干涉器件提供穩定的偏置電壓，還能在所述超導量子干涉器件輸出電信號時，通過集電極予以放大并輸出；
[0053]另外，將所述超導量子干涉傳感器全部浸放在盛放液氮或液氦的容器中，能夠使半導體器件始終處于低溫狀態，有效降低常溫-低溫環境下器件的熱耦合效應所產生的干擾；
[0054]此外，將所述放大器和超導量子干涉器件集成在一起并浸放在所述容器中，還有效減少超導量子干涉器件和放大器之間的線路長度，在電信號的傳輸過程中進一步減少傳輸時的電磁干擾。所以，本實用新型有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0055]上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新型。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用新型的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種超導量子干涉傳感器，其特征在于，至少包括: 超導量子干涉器件，用于利用超導量子干涉技術將所探測到的磁信號轉換成電信號； 與所述超導量子干涉器件和外部的偏置電路相連接的放大器，用于向所述超導量子干涉器件提供偏置電壓，并基于所述偏置電路所提供的偏置電壓將所述超導量子干涉器件輸出的電信號予以放大并輸出。
2.根據權利要求1所述的超導量子干涉傳感器，其特征在于，所述超導量子干涉器件包括:超導環，和/或與所述超導環相連的反饋電路。
3.根據權利要求1所述的超導量子干涉傳感器，其特征在于，所述放大器為雙極型晶體三極管。
4.根據權利要求1所述的超導量子干涉傳感器，其特征在于，所述雙極型晶體三極管的發射極與所述偏置電路連接，所述雙極型晶體三極管的基極與所述超導量子干涉器件連接，所述雙極型晶體三極管的集電極與所述放大器的輸出端連接。
5.一種超導量子干涉的磁探測器，其特征在于，至少包括: 如權利要求1-4中任一所述的超導量子干涉傳感器； 用于為所述超導量子干涉傳感器中的超導量子干涉器件提供超導環境的容器；及 與所述超導量子干涉傳感器中的放大器連接的偏置電路，用于向所述放大器提供偏置電壓。
6.根據權利要求5所述的超導量子干涉的磁探測器，其特征在于，所述容器浸泡所述超導量子干涉器件及所述放大器。
7.根據權利要求5所述的超導量子干涉的磁探測器，其特征在于，所述容器中盛放液氮或液氦。
8.根據權利要求5所述的超導量子干涉的磁探測器，其特征在于，所述偏置電路包括:一端連接供電電源的可調分壓電阻，與所述可調分壓電阻另一端連接的至少一個穩壓電容，所述穩壓電容的另一端接地。
9.根據權利要求5所述的超導量子干涉傳感器，其特征在于，所述放大器的輸出端通過電阻與反向電源相連。
【文檔編號】G01R33/035GK203376462SQ201320434495
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年7月19日 優先權日:2013年7月19日
【發明者】王永良, 徐小峰, 張國峰, 孔祥燕, 謝曉明 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所