积分电路及所适用的超导量子干涉传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种积分电路及所适用的超导量子干涉传感器。根据本实用新型所述的传感器，在所述积分电路中配置受外部控制信号的选通器，并根据所述控制信号改变所述积分电路，使得所述积分电路能够进行正极性积分、负极性积分、复位和调试中的一种。由此使超导量子干涉器件能够获得最佳工作参数，并灵活选定工作点，简化了现有超导量子干涉传感器读出电路中的积分电路。
【专利说明】积分电路及所适用的超导量子干涉传感器
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种积分电路及所适用的超导量子干涉传感器。
【背景技术】
[0002]超导量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device,以下简称SQUID)用于目前已知的最灵敏的磁传感器，其中低温超导SQUID灵敏度达到10飞特，高温超导SQUID灵敏度达到100飞特。这些SQUID是重要的高端应用传感器，广泛应用于生物磁，地球物理探测，极低场核磁共振仪器设备中。
[0003]SQUID与读出电路一起构成了超导量子干涉传感器，由于SQUID工作的特殊性，即实现磁通电压的线性转换是基于读出电路原理来实现的。
[0004]SQUID器件并非上电即投入运行的器件。超导量子干涉器件由超导材料通过薄膜和微加工工艺制备而成的微电子器件，受到材料和工艺的限制，器件良率低，即使是同一批次加工的器件之间的一致性也较差。因此器件之间的工作参数，如偏置电流和电阻特性完 全不同。因此与SQUID器件配合的读出电路，不能将偏置电流等参数固定，而需要根据在低温环境下实际运行情况来调节参数。因此在传感器投入运行前要具备调试测试功能，通常要求读出电路能切换成放大器模式，在外界加载测试磁场的情况下，能在电路输出端观测到SQUID电压响应信号，通过这个电压响应，用户在调节偏置电流时就可以监测SQUID磁通电压响应的情况，判断是否处于灵敏度最高的状态(即响应的电压最大)。通过放大模式，可辅助实现SQUID器件偏置电流的调节。
[0005]另一方面，由于SQUID磁场电压转换特性是非线性的，呈现出周期的类正弦函数的特性，因此灵敏度最大的工作点可能具有正的磁通电压转换率ωνΑ?Φ)或负的磁通电压转换率ωνΜΦ)。因此为了能够选择到最佳的灵敏度工作点，读出电路中的积分电路要求具有正极性积分和负极性积分可选择功能，使得电路可锁定在具有正磁通电压转换斜率和负磁通电压转换斜率的工作点上。
[0006]此外，在外部干扰的情况下，读出电路在闭环工作的状态下，可能出现因干扰发生的溢出现象，由于SQUID的特殊性，在溢出后不能自动回复正常工作状态。为了让电路能回归工作点，要求电路具有复位功能。
[0007]为了满足上述需求，目前的超导量子干涉传感器在为每个SQUID器件配置读出电路时，还需要提供调试电路。这使得目前的传感器的电路体积和功耗大，无法应对SQUID传感器的尺寸越来越小的需求。
[0008]因此，要想提高传感器的集成度，需要对现有的积分电路及读出电路进行改进。实用新型内容
[0009]鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种积分电路及所适用的超导量子干涉传感器，用于解决现有技术中积分电路及读出电路结构复杂的问题。
[0010]为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种用于超导量子干涉传感器的积分电路，其中，所述超导量子干涉传感器包括:超导量子干涉器件、与所述超导量子干涉器件的输出端相连的前置放大器及与所述积分电路相连的反馈电路，所述积分电路至少包括:用于将所述前置放大器所输出的电信号进行积分处理的积分子电路；与所述前置放大器和积分子电路相连且用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路进行正极性积分或负极性积分的选通器。
[0011]优选地，所述积分子电路包括:与所述选通器相连的放大器，与所述放大器的输出端和所述放大器的负输入端相连的电容，其中，所述电容与所述放大器的负输入端还与地线相连。
[0012]优选地，所述选通器包括:第一选通器，其中，所述第一选通器的输入端与所述前置放大器的输出端相连，所述第一选通器包括:第一选通开关，连接所述第一选通器的输入端和所述放大器的负输入端；第二选通开关，连接所述第一选通器的输入端和所述放大器的正输入端；
[0013]第二选通器，其中，所述第二选通器的输入端与所述反向器的输出端相连，所述第二选通器包括:第五选通开关，连接所述反向器的输出端和所述反馈电路的输入端；第六选通开关，连接所述反向器的输出端和所述反馈电路的输入端。
[0014]优选地，所述选通器还用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路进行复位。
[0015]优选地，所述选通器中的第一选通器包括:第三选通开关，一端连接所述前置放大器的输出端，另一端悬空。
[0016]优选地，所述选通器中的第二选通器包括:第七选通开关，与所述积分子电路中的电容并联且一端接地。
[0017]优选地，所述选通器还用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路输出所述前置放大器所输出的电信号。
[0018]优选地，所述选通器中的第一选通器包括:第四选通开关，连接所述第一选通器的输入端和所述放大器的负输入端。
[0019]优选地，所述选通器中的第二选通器包括:第八选通开关，与所述积分子电路中的电容并联且一端接地。
[0020]基于上述目的，本实用新型还提供一种超导量子干涉传感器，其至少包括:超导量子干涉器件；与所述超导量子干涉器件相连的读出电路，包括:与所述超导量子干涉器件的输出端相连的前置放大器；与所述前置放大器的输出端相连的如上任一所述的积分电路；以及与所述积分电路相连的反馈电路。
[0021]如上所述，本实用新型的积分电路及所适用的超导量子干涉传感器，具有以下有益效果:通过选通器的选通开关使得积分子电路能够正极性积分和负极性积分之间进行转换，简化了现有超导量子干涉传感器中的积分电路，有效缩小了传感器的尺寸；同时，由于精简了耗电器件的数量，本实用新型所述积分电路具有更低的功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1显示为本实用新型的包含积分电路的超导量子干涉传感器的结构示意图。
[0023]图2显示为本实用新型的积分电路的一种优选方式的结构示意图。[0024]元件标号说明
[0025]1超导量子干涉传感器
[0026]11超导量子干涉传器件
[0027]12前置放大器
[0028]13积分电路
[0029]AUAO控制接口
[0030]Sffl-B第一选通器
[0031]S3B第一选通开关
[0032]S4B第二选通开关
[0033]SlB第三选通开关
[0034]S2B第四选通开关
[0035]Sffl-A第二选通器
[0036]S3A第五选通开关
[0037]S4A第六选通开关
[0038]SlA第七选通开关
[0039]S2A第八选通开关
[0040]14反馈电路
【具体实施方式】
[0041]以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
[0042]请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0043]如图1所示，本实用新型提供一种超导量子干涉传感器。所述传感器I包括:超导量子干涉器件11、读出电路。
[0044]所述超导量子干涉器件11 (SQUID)用于利用超导量子干涉技术将所探测到的磁信号转换成电信号。
[0045]具体地，所述超导量子干涉器件11利用超导量子干涉技术探测某频率的微弱磁信号，如心磁、脑磁、核磁共振、或地球物理磁信号等，并根据所探测到的磁信号改变自身的等效电阻，以便输出相应的电信号。所述超导量子干涉器件11包括:超导环和反馈线圈。
[0046]所述读出电路用于将所述超导量子干涉器件11所转换的电信号进行前置处理，并予以输出。其中，所述读出电路包括:前置放大器12、积分电路13、及反馈电路14。
[0047]所述前置放大器12与所述超导量子干涉器件11的输出端相连，用于将所述超导量子干涉器件11所输出的电信号予以放大。其中，所述前置放大器12的放大倍数可以是几十倍至几百倍，优选地，所述前置放大器12的放大倍数在一百倍以上。
[0048]所述积分电路13用于将所述前置放大器12所输出的电信号进行积分处理。[0049]具体地，所述超导量子干涉器件11受磁场环境的影响，所输出的电信号的磁通传输特性中的正向磁通电压和负向磁通电压周期性变化，因此，所述积分电路13需要根据周期性变化的磁通传输特性锁定积分极性，并提供正极性/负极性的积分处理，再利用所述反馈电路14的反馈功能，以便抵消加载在SQUID上的磁通变化。
[0050]为了所述磁通电压锁定环在正向和反向磁通电压的工作点都能锁定工作，所述积分电路13同时具有正负极性的积分功能。所述积分电路13包括:积分子电路、选通器。
[0051]所述积分子电路用于将所述前置放大器12所输出的电信号进行积分处理。其中，所述积分子电路可以包含受控的正向积分子电路和反向积分子电路，所述积分子电路的输出端与所述反馈电路14和所述传感器Il的反馈线圈输入端相连。优选地，如图2所示，所述积分子电路包括:与所述选通器相连的放大器，与所述放大器的输出端和所述放大器的负输入端相连的电容，此外，所述电容与所述放大器的负输入端还与电阻R3相连，电阻R3与地线相连，所述放大器的正输入端与所述选通器连接的同时还通过电阻R2接地，以避免所述放大器正输入端连接的选通器开路时出现悬空而无法正常工作的情况发生。
[0052]所述选通器与所述前置放大器12和积分子电路相连且用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路进行正极性积分或负极性积分。其中，所述选通器在导通时导通电阻小于50欧姆，在断开时的断开电阻大于兆欧姆，同时能够承受正负IOv的模拟信号传输。例如，所述选通器可以是继电器、或单刀多掷开关。
[0053]具体地，所述选通器具有与外部设备连接的控制接口，所述外部设备向所述选通器发送控制信号，所述选通器根据所述控制信号选通所述积分子电路进行正极性积分或负极性积分。
[0054]例如，当所述选通器接收到负极性积分的控制信号时，所述选通器将所述前置放大器12的输出端与所述积分子电路中的放大器的负输入端联通，所述放大器的输出端连接所述反馈电路14，则所述前置放大器12、积分子电路和反馈电路14构成基于正极性工作点的读出电路。
[0055]优选地，如图2所示，所述选通器为双N选一选通器，其中，N为选通器中选通开关的数量，所述双N选一选通器中的每个选通器均受一个控制接口的控制，同时，按照相应的控制，每个选通器只有一个选通开关闭合。例如，所述选通器为双四选一选通器。所述选通器还可以包括:具有控制接口 A1、A0的第一选通器SWl-B和具有控制接口的第二选通器SW1-A。
[0056]所述第一选通器SWl-B和第二选通器SWl-A通过各自的控制接口 Al、A0与外部设备相连，以接收所述外部设备所输出的控制信号。优选地，所述控制接口为多个。例如，所述控制接口为2个。其中，所述控制信号可以为数字信号，也可以是高低电平构成的模拟信号。
[0057]所述第一选通器SWl-B还具有输入端，所述第一选通器SWl-B的输出端与所述前置放大器12的输出端相连。所述第一选通器SWl-B至少包括:第一选通开关S3B和第二选通开关S4B。
[0058]所述第一选通开关S3B连接所述第一选通器SWl-B的输入端和所述放大器的负输入端。
[0059]所述第二选通开关S4B连接所述第一选通器SWl-B的输入端和所述放大器的正输入端。
[0060]第二选通器SWl-A还具有输入端，所述第二选通器SWl-A的输入端与所述反向器的输出端相连。所述第二选通器SWl-A至少包括:第五选通开关S3A和第六选通开关S4A。
[0061]所述第五选通开关S3A连接所述反向器的输出端和所述反馈电路14的输入端。
[0062]所述第六选通开关S4A连接所述反向器的输出端和所述反馈电路14的输入端。
[0063]作为一种优选方案，所述选通器还用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路进行复位。
[0064]具体地，在接收到复位的控制信号时，所述选通器导通与所述积分子电路中的电容并联的选通开关，使得所述电容两端接通，电容存储的电荷放电。
[0065]优选地，所述第一选通器SWl-B还包括:第三选通开关S1B。第二选通器SWl-A还包括:第七选通开关S1A。
[0066]所述第三选通开关SlB —端连接所述前置放大器12的输出端，另一端悬空。
[0067]所述第七选通开关SlA与所述积分子电路中的电容并联且一端接地。
[0068]作为又一种优选方案，所述选通器还用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路输出所述前置放大器12所输出的电信号。
[0069]具体地，如图2所示，在接收到调试的控制信号时，所述选通器令所述积分子电路中的电容放电，并将所述前置放大器12的输出端与电阻Rl —端接通，Rl另一端与所述积分子电路中的放大器的负输入端相连，所述放大器的正输入端通过电阻R2接地，则所述积分子电路变成反向放大器，其放大倍数为-R4/R1。所述前置放大器12所输出的电信号直接由所述积分子电路中的放大器输出，以便外部设备观测所述超导量子干涉器件11所转换的电信号的磁通传输特性，再根据所观测的磁通传输特性向所述选通器输出锁定正向/反向工作点的控制信号，以便所述选通器的选通开关接通相应的负极性积分反馈电路14/正极性积分反馈电路14。
[0070]优选地，所述第一选通器SWl-B还包括:第四选通开关S2B。第二选通器SWl-A还包括:第八选通开关S2A。
[0071]所述第四选通开关S2B连接所述第一选通器SWl-B的输入端和所述放大器的负输入端。
[0072]所述第八选通开关S2A与所述积分子电路中的电容并联且一端接地。
[0073]所述反馈电路14与所述积分电路13相连，用于基于所述积分电路13的输出端所输出的电信号来调节所述超导量子干涉器件11所输出的电信号。其包括:反馈电阻。
[0074]根据上述优选的电路连接关系，如图2所示的连接关系，所述磁通锁定电路中的积分电路包括双四选一的选通器、电容和放大器，所述积分电路的工作过程举例如下:
[0075]当所述选通器的控制接口 Al、AO接收到外部设备发出的由高低电平构成的00控制信号时，第三选通开关SlB和第七选通开关SlA闭合，则所述前置放大器通过第三选通开关SlB被悬空，同时，所述第七选通开关SlA将所述电容Cl的两端接通，将电容Cl上的电荷释放。由于积分电路中的放大器Ul的正输入端通过电阻R2接地，因此正输入端为零电压，而负输入端与输出通过SlA接通，就形成了一个跟随器，在电容Cl电荷放电后，放大器Ul的输出将保持为零。由此，所述前置放大器不输出电信号的同时，所述电容Cl通过所述第七选通开关SlA放电，使得积分电路放大器Ul的输出归零，实现积分器归零复位。当读出电路出现溢出时，通过该操作，所述积分子电路实现复位功能。
[0076]当所述选通器的控制接口 Al、AO接收到所述外部设备发出的由高低电平构成的01控制信号时，所述第四选通开关S2B与第八选通开关S2A闭合，使得所述前置放大器12与电阻Rl接通，Rl另一端与放大器Ul的负输入端接通，放大器Ul的输出端通过第八选通开关S2A与电阻R4接通，所述电阻R4另一端与放大器Ul的负输入端相接。放大器Ul的正输入端通过电阻R2接地，因此保持零电压。此时，电阻Rl和R4与运算放大器Ul构成了一个反比例放大器，放大倍数-R4/R1。由于放大器Ul在反比例放大方式下，负输入端的电位和正输入电位相同，都是零电压，因此放大器Ul的负输入端通过R3接地，不会对电路有影响。因此在放大器Ul的输出端，所述外部设备可检测到来自所述前置放大器12输出的电信号，实现所述外部设备对SQUID磁通电压响应信号的观测。
[0077]当所述外部设备通过观测确定令所述积分电路进行负极性积分处理时，所述外部设备向所述选通器的控制接口 A1、A0发出由高低电平构成的10控制信号时，所述第一选通开关S3B和第五选通开关S3A闭合，则所述积分子电路中的放大器Ul的输出与反馈电路中的反馈电阻接通。同时，来自前置放大器的电信号通过第一选通开关S3B和电阻Rl接通，产生电流流入放大器Ul和电容Cl，此时，电阻Rl与电容Cl构成了一个负极性的积分电路，来自所述前置放大器的电压信号驱动电阻Rl产生积分电流并流入电容，所述放大器Ul输出的电压为流过电阻Rl电流的负极性积分，同时，所述放大器Ul输出的电压通过第五选通开关S3A与反馈电路中的反馈电阻连接。由此，前置放大器、第一选通开关S3B、电容、放大器、第五选通开关S3A及反馈电路构成了基于正极性工作点的读出电路。在所述读出电路的反馈下，所述超导量子干涉器件中的反馈线圈与超导环互感，以便所述反馈电流起到对超导环的磁通反馈作用。
[0078]当所述外部设备通过观测确定令所述积分电路进行正极性积分处理时，所述外部设备向所述选通器的控制接口 A1、A0发出由高低电平构成的11控制信号时，第二选通开关S4B和第六选通开关S4A闭合，则所述第六选通开关S4A将放大器Ul的输出和反馈电路接通，所述第二选通开关S4B将前置放大器12输出和放大器Ul的正输入端接通，此时电容Cl结合电阻R3构成正极性的积分电路。电阻R3 —端连接运算放大器的负端，另一端接地，在负反馈的作用下，加载在电阻R3上的电压与来自前置放大器加载在运算放大器正端的电压相等，放大器Ul所输出的流过电阻R3电流为正极性积分。由此，前置放大器、第二选通开关S4B、电容、放大器、第六选通开关S4A及反馈电路构成了基于负极性工作点的读出电路。
[0079]综上所述，本实用新型的积分电路及所适用的超导量子干涉传感器，通过选通器的选通开关使得积分子电路能够正极性积分和负极性积分之间进行转换，简化了现有超导量子干涉传感器中的积分电路，有效缩小了传感器的尺寸；同时，由于精简了耗电器件的数量，本实用新型所述积分电路具有更低的功耗。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0080]上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，至少包括: 用于将所接收的电信号进行积分处理的积分子电路； 与所述积分子电路连接且用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路进行正极性积分或负极性积分的选通器。
2.根据权利要求1所述的用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，所述积分子电路包括:与所述选通器相连的放大器，与所述放大器的输出端和所述放大器的负输入端相连的电容，其中，所述电容与所述放大器的负输入端还通过电阻与地线相连。
3.根据权利要求2所述的用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，所述选通器包括: 具有输入端的第一选通器，包括: 第一选通开关，连接所述第一选通器的输入端和所述放大器的负输入端； 第二选通开关，连接所述第一选通器的输入端和所述放大器的正输入端； 第二选通器，包括: 第五选通开关，连接所述放大器的输出端； 第六选通开关，连接所述放大器的输出端。
4.根据权利要求1或3所述的用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，所述选通器还用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路进行复位。
5.根据权利要求4所述的用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，所述选通器中的第一选通器包括:第三选通开关，一端连接所述第一选通器的输入端，另一端悬空。
6.根据权利要求4所述的用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，所述选通器中的第二选通器包括:第七选通开关，与所述积分子电路中的电容并联且一端接地。
7.根据权利要求1所述的用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，所述选通器还用于在外部控制信号的控制下令所述积分子电路输出所述超导量子干涉传感器中的前置放大器所输出的电信号。
8.根据权利要求7所述的用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，所述选通器中的第一选通器包括:第四选通开关，连接所述第一选通器的输入端和所述放大器的负输入端。
9.根据权利要求7所述的用于超导量子干涉传感器的积分电路，其特征在于，所述选通器中的第二选通器包括:第八选通开关，与所述积分子电路中的电容并联且一端接地。
10.一种超导量子干涉传感器，其特征在于，至少包括: 超导量子干涉器件； 与所述超导量子干涉器件相连的读出电路，包括: 与所述超导量子干涉器件的输出端相连的前置放大器； 与所述前置放大器的输出端相连的如权利要求1-9中任一所述的积分电路；以及 与所述积分电路相连的反馈电路。
【文档编号】G01R33/035GK203480005SQ201320479047
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月6日 优先权日:2013年8月6日
【发明者】王永良, 张国峰, 徐小峰, 孔祥燕, 谢晓明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所