一种squid芯片及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁传感器技术领域，特别是涉及一种SQUID芯片及其检测方法。
【背景技术】
[0002]基于超导量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device，SQUID)的磁传感器是目前已知的最灵敏的磁探测器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10 15特斯拉)量级。SQUID磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用价值。
[0003]SQUID器件必须工作在使其进入超导状态的低温环境下。如图1所示，SQUID磁传感器I由SQUID芯片11和读出电路12构成。所述SQUID芯片11工作在低温环境下，所述读出电路12工作在常温环境下，所述SQUID芯片11与所述读出电路12通过导线13实现连接。目前SQUID器件的超导环境主要通过液氦或液氮来维持，即将所述超导量子干涉器芯片11放入储存液氦或液氮的低温恒温器14(又名:杜瓦)中，并浸泡在液氦或液氮等低温液体中。其中，高温超导材料制成的高温SQUID器件通常工作在液氮提供的低温环境下(温度为77K)，低温超导材料制成的低温SQUID器件通常工作在液氦提供的低温环境下(温度为4.2K) ο
[0004]如图2所示，低温下的SQUID芯片中包含三个元件:USQUID器件，2、反馈线圈，3、加热电阻。所述SQUID芯片中的三个元件独立引出线，共有6个端子与外部电路连接。典型的SQUID芯片及传感电路的构成如图3所示，传统的传感电路需要6根导线连接低温环境下的SQUID芯片，其中，SQUID器件的两端通过2根导线连接至基于磁通锁定环路的SQUID读出电路，反馈线圈的两端通过2根导线连接至基于磁通锁定环路的SQUID读出电路，加热电阻的两端通过2根导线分别连接至产生加热电流Ih的电压V i及参考地。
[0005]连接低温器件和室温电路的导线，首先承担低噪声信号传输功能，要求导电性良好的铜线或低阻低温线；其次导线两端温差巨大(4.2K到300K)，因此导热效应非常明显，对低温液氦或液氮的损耗很大。随着通道数的增加，导线数量的增加，热损耗变得很大，对低温系统的维持带来了挑战，也限制了多通道系统的发展，因此减少低温和室温电路的连接导线是设计上的关键，多通道数的SQUID应用系统要求低温电路与常温电路之间的导线尽可能少。
[0006]低温器件与常温电路的导线的热传导是低温液体损耗的主要原因，减少导线的数量，将大大降低热传导效率，从而降低低温液体损耗。低温环境的维持是目前应用超导SQUID系统的主要技术挑战。4.2k的低温环境通常采用液氦来维持，液氦资源有限，我国不能自主供应，主要从美国进口。成本高昂(每升液氦20?30美金)，供应受限。同时液氦的输灌过程损耗大，系统必须停机配合，效率低，设备间接成本大。因此尽可能减少低温液体损耗，减少低温液体充灌的次数，延长设备运行时间，具有重要经济价值。本发明将通过减少引线数量的设计，降低系统低温损耗，提供超导SQUID系统运行经济性。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SQUID芯片及其检测方法，用于解决现有技术中低温电路与常温电路之间连接导线数量多，热损耗大的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID芯片，所述SQUID芯片至少包括:
[0009]SQUID器件，将检测到的磁通量转化为电压后通过第一管脚和第二管脚输出所述SQUID芯片；
[0010]反馈线圈，通过第三管脚和第四管脚接收所述SQUID芯片外部室温电路加载的反馈电流，并将所述反馈电流转换为磁通信号耦合至所述SQUID器件；
[0011]以及加热器，并联于所述反馈线圈的两端，与所述反馈线圈共用所述第三管脚和所述第四管脚，所述加热器接收所述SQUID芯片外部室温电路加载的加热电流以产生热量，改变所述SQUID器件和所述反馈线圈所处的环境温度，进而改变所述SQUID器件和所述反馈线圈的工作状态。
[0012]优选地，所述反馈线圈的材料为超导材料或超导薄膜材料。
[0013]优选地，所述反馈线圈的超导临界电流I。满足:I f_〈Ie〈Ih，其中，Ifniax为最大反馈电流，Ih为加热电流。
[0014]优选地，所述反馈线圈在失超状态下表现为正常态电阻，所述正常态电阻的阻值不小于所述加热器的阻值的3倍。
[0015]优选地，所述加热器为加热电阻。
[0016]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述SQUID芯片的检测方法，所述检测方法至少包括:
[0017]当流经所述反馈线圈的电流小于所述反馈线圈的超导临界电流且所述反馈线圈和所述SQUID芯片所处的环境温度小于超导临界温度时，所述反馈线圈工作于超导状态，所述加热器不工作，所述SQUID器件对磁通信号进行检测并转化为电压信号输出；
[0018]当流经所述反馈线圈的电流大于所述反馈线圈的超导临界电流时，所述反馈线圈将失超，原先流经所述反馈线圈的电流则主要流向所述加热器，所述加热器开始发热，使得所述SQUID器件的温度不断上升，当所述SQUID器件的温度超过所述超导临界温度时，所述SQUID器件失超，所述反馈线圈也因所处的环境温度超过所述超导临界温度而在整个加热过程中保持失超状态。
[0019]优选地，通过控制所述反馈线圈的超导线截面积，或超导薄膜刻蚀线圈的导线宽度来调节所述反馈线圈的超导临界电流。
[0020]更优选地，通过控制所述反馈线圈的超导线的长度来调节所述反馈线圈的正常态电阻的阻值。
[0021]如上所述，本发明的SQUID芯片及其检测方法，具有以下有益效果:
[0022]本发明的SQUID芯片及其检测方法将传统SQUID芯片中的加热电阻和反馈线圈并联，并通过参数匹配，使加热电阻和反馈线圈配合工作，实现双功能运行，只需要2个引出管脚就完成了传统SQUID芯片中4个管脚的功能，同时减少了导线的数量，避免连接导线数量多引起的热损耗大的问题，进而提高了 SQUID芯片工作的稳定性。
【附图说明】
[0023]图1显示为现有技术中的SQUID磁传感器的结构示意图。
[0024]图2显示为现有技术中的SQUID芯片的结构示意图。
[0025]图3显示为现有技术中的SQUID磁传感器的结构示意图。
[0026]图4显示为本发明的SQUID芯片的结构示意图。
[0027]图5?7显示为本发明的SQUID芯片的原理示意图。
[0028]图8显示为本发明的SQUID芯片应用于SQUID磁传感器的原理示意图。
[0029]元件标号说明
[0030]I SQUID磁传感器
[0031]11 SQUID 芯片
[0032]12读出电路
[0033]13 导线
[0034]14低温恒温器
[0035]2 SQUID 芯片
[0036]3 传感电路
[0037]31基于磁通锁定环路的SQUID读出电路
【具体实施方式】
[0038]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0039]请参阅图4?图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0040]如图4?图7所示，本发明提供一种SQUID芯片2，所述SQUID芯片2至少包括:
[0041]SQUID器件SQD1、反馈线圈Lf以及加热器。
[0042]如图4所示，所述SQUID器件SQDl的两端连接于第一管脚Pinl和第二管脚Pin2，当所述SQUID器件检测到磁通信号后，会将磁通信号转换为相应的电流信号，通过所述第一管脚Pinl和所述第二管脚Pin2输出。
[0043]如图4所示，所述反馈线圈Lf靠近于所述SQUID器件SQDl，其两端连接于第三管