選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的選取方法，特別是涉及一種選取超導(dǎo)量 子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 米用超導(dǎo)量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，以下 簡稱SQUID)的傳感器是目前已知的最靈敏的磁傳感器。廣泛應(yīng)用于心磁、腦磁、極低場核 磁共振等微弱磁信號探測和科學(xué)研究中。
[0003] 為了使用直讀式讀出電路，即使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)SQUID信號的檢查，以簡化讀 出電路的設(shè)計(jì)，需要提高SQUID的磁通電壓傳輸率，以降低放大器的電壓噪聲的影響，發(fā)揮 SQUID的低噪聲特性。
[0004] 附加反饋的超導(dǎo)量子干涉器件采用一個(gè)傳統(tǒng)的直流超導(dǎo)量子干涉器件（即兩個(gè)并 聯(lián)的約瑟夫森結(jié)構(gòu)成的超導(dǎo)環(huán)）與另一個(gè)具有磁通反饋支路并聯(lián)，該支路由一個(gè)反饋電阻 和反饋線圈（即電感)串聯(lián)構(gòu)成，電感與SQUID具有互感M，通過附加磁通反饋電路來實(shí)現(xiàn)磁 通電壓傳輸率的提高。
[0005] 附加反饋的超導(dǎo)量子干涉器件在恒流偏置下工作稱為附加正反饋SQUID(APF， Additional Positive Feedback)在恒壓偏置下工作稱為噪聲消除的SQUID(NC，Noise Cancellation)，其提高磁通電壓傳輸率的效果得到了驗(yàn)證，并廣泛應(yīng)用。
[0006] 附加反饋的超導(dǎo)量子干涉器件需要參數(shù)匹配到臨界條件，才能實(shí)現(xiàn)最佳的性能。 SQUID器件和電感集成在芯片上，反饋電阻和所述芯片集成在電路板上。
[0007] 由于工藝問題，尤其是SQUID結(jié)的一致性較差，實(shí)際生產(chǎn)出的芯片的參數(shù)差異較 大，因此需要通過調(diào)整反饋電阻的阻值來匹配各自的臨界條件，實(shí)現(xiàn)高性能。目前，技術(shù)人 員主要通過選擇不同的反饋電阻并多次以人工的方式進(jìn)行低溫試驗(yàn)測試方法來選取最佳 反饋電阻。上述方式的缺點(diǎn)在于，測試次數(shù)多，周期長，多次反復(fù)對SQUID器件的熱沖擊大， 同時(shí)作為超導(dǎo)環(huán)境提供者的液氦消耗大，增大了工作量，而器件的合格率不高。因此，需要 對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)?感組件中反饋電阻的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中選取反饋電阻的方式不能得到高合格率、 高精度的傳感器件的問題。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中 反饋電阻的方法，其中，所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件包括：超導(dǎo)量子干涉器件、與所述超導(dǎo) 量子干涉器件互感的反饋線圈，以及與所述反饋線圈相連的待選取的反饋電阻，其至少包 括：1)在所述超導(dǎo)量子干涉器件和反饋線圈單獨(dú)置入真實(shí)的超導(dǎo)屏蔽環(huán)境中后，監(jiān)測輸入 所述反饋線圈的電流的變化量來計(jì)算所述超導(dǎo)量子干涉器件和反饋線圈之間的互感值，以 及監(jiān)測所述超導(dǎo)屏蔽環(huán)境中所加載變化的磁通和輸入所述超導(dǎo)量子干涉器件的變化的偏 置電流來建立所輸出的電壓值、所對應(yīng)的磁通量和偏置電流之間的對應(yīng)關(guān)系；2)按照預(yù)設(shè) 變化規(guī)則仿真所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件在改變所加載的外界磁通、所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)?感組件的偏置電流和所述反饋電阻的阻值時(shí)的工作過程，并在所述仿真過程中基于所述對 應(yīng)關(guān)系和互感值計(jì)算所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件所輸出的各電信號，并在每次改變所述偏 置電流和阻值期間繪制反映所述電信號與外界磁通之間的關(guān)系曲線；3)將各所述關(guān)系曲線 中的峰峰值和最大斜率分別與各自的預(yù)設(shè)條件進(jìn)行匹配，并將相匹配的所述關(guān)系曲線所對 應(yīng)的反饋電阻確定為所選中的反饋電阻。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟1)包括：1-1)將所述超導(dǎo)量子干涉器件和反饋線圈置入真實(shí)的 超導(dǎo)屏蔽環(huán)境中，向所述反饋線圈輸入電流，并基于互感向所述超導(dǎo)量子干涉器件加載磁 通，以及向所述超導(dǎo)量子干涉器件輸入偏置電流；1-2)固定所述反饋線圈的輸入電流，按照 預(yù)設(shè)的偏置電流變化量在預(yù)設(shè)的偏置電流范圍內(nèi)逐步增加輸入所述超導(dǎo)量子干涉器件的 偏置電流直至預(yù)設(shè)的最大值；1-3)在每次改變所述偏置電流期間，對所述超導(dǎo)量子干涉器 件所輸出的電壓、所述偏置電流和磁通進(jìn)行取樣；1-4)按照預(yù)設(shè)的磁通變化量對應(yīng)增加述 反饋線圈的輸入電流，并重復(fù)步驟1-2)和1-3)，以得到各電壓、所對應(yīng)的偏置電流和磁通 的對應(yīng)關(guān)系及所述超導(dǎo)量子干涉器件與反饋線圈之間的互感值
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法，其中，所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲?組件包括：超導(dǎo)量子干涉器件、與所述超導(dǎo)量子干涉器件互感的反饋線圈，以及與所述反饋 線圈相連的待選取的反饋電阻，其特征在于，至少包括： 1) 在將所述超導(dǎo)量子干涉器件和反饋線圈單獨(dú)置入真實(shí)的超導(dǎo)屏蔽環(huán)境中后，通過監(jiān) 測輸入所述反饋線圈的電流的變化量來計(jì)算所述超導(dǎo)量子干涉器件和反饋線圈之間的互 感值，以及監(jiān)測所述超導(dǎo)屏蔽環(huán)境中所加載變化的磁通量和輸入所述超導(dǎo)量子干涉器件的 變化的偏置電流來建立所輸出的電壓值、所對應(yīng)的磁通量和偏置電流之間的對應(yīng)關(guān)系； 2) 按照預(yù)設(shè)變化規(guī)則仿真所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件在改變所加載的外界磁通、所述 超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的偏置電流和所述反饋電阻的阻值時(shí)的工作過程，并在所述仿真過 程中基于所述對應(yīng)關(guān)系和互感值計(jì)算所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件所輸出的各電信號，并在 每次改變所述偏置電流和阻值期間繪制反映所述電信號與外界磁通之間的關(guān)系曲線； 3) 將各所述關(guān)系曲線中的峰峰值和最大斜率分別與各自的預(yù)設(shè)條件進(jìn)行匹配，并將相 匹配的所述關(guān)系曲線所對應(yīng)的反饋電阻確定為所選中的反饋電阻。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法，其特征在 于，所述步驟1)包括： 1-1)將所述超導(dǎo)量子干涉器件和反饋線圈置入真實(shí)的超導(dǎo)屏蔽環(huán)境中，向所述反饋線 圈輸入電流，并基于互感向所述超導(dǎo)量子干涉器件加載磁通，以及向所述超導(dǎo)量子干涉器 件輸入偏置電流； 1-2)固定所述反饋線圈的輸入電流，按照預(yù)設(shè)的偏置電流變化量在預(yù)設(shè)的偏置電流范 圍內(nèi)逐步增加輸入所述超導(dǎo)量子干涉器件的偏置電流直至預(yù)設(shè)的最大值； 1-3)在每次改變所述偏置電流期間，對所述超導(dǎo)量子干涉器件所輸出的電壓、所述偏 置電流和磁通進(jìn)行取樣； 1-4)按照預(yù)設(shè)的磁通變化量對應(yīng)增加述反饋線圈的輸入電流，并重復(fù)步驟1-2)和 1-3)，以得到各電壓、所對應(yīng)的偏置電流和磁通的對應(yīng)關(guān)系及所述超導(dǎo)量子干涉器件與反 饋線圈之間的互感值M =3,其中，Φ〇為一個(gè)磁通量子，Λ I2為輸入所述反饋線圈的電 流的變化量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法，其特征在 于，所述步驟1)還包括： 基于所述對應(yīng)關(guān)系擬合所述超導(dǎo)量子干涉器件的特性函數(shù)V。= V(i，Φ)，其中，i為流 經(jīng)所述超導(dǎo)量子干涉器件的偏置電流，Φ為加載到所述超導(dǎo)量子干涉器件上的磁通量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法，其特征在 于，基于所述對應(yīng)關(guān)系擬合所述超導(dǎo)量子干涉器件的特性函數(shù)的方式包括：基于所述對應(yīng) 關(guān)系擬合一階或更高階的所述特性函數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法，其特征在 于，基于所述對應(yīng)關(guān)系擬合一階的所述特性函數(shù)V。 ： V0 = V(i, Φ) = V[m] [n] + (V[m] [n+l]-V[m] [η]) · x+(V[m+l] [n]-V[m] [n]) · y;
其中，函數(shù)round用于獲取一個(gè)實(shí)數(shù)的整數(shù)部分，函數(shù)decimal用于獲取一個(gè)實(shí)數(shù)的小 數(shù)部分，函數(shù)m〇d(〇, Φ)表示Φ對Otl取模運(yùn)算，Φ為加載到所述超導(dǎo)量子干涉器件上 的磁通量，Otl為一個(gè)磁通量子，△ I1為偏置電流變化量，i為流經(jīng)所述超導(dǎo)量子干涉器件的 偏置電流。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法，其特征在 于，所述步驟2)包括： 仿真輸入所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的偏置電流和阻值固定且所述外界磁通變化時(shí) 所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的工作過程； 利用公式K =以/,., + M _4)來計(jì)算所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的輸出電壓 A K 與外界磁通的關(guān)系曲線，其中，V。為所述超導(dǎo)量子干涉器件所輸出的電壓值，Ib為輸入所述 超導(dǎo)量子干涉器件和反饋電阻的偏置電流值，R為所述反饋電阻的阻值，M為所述超導(dǎo)量子 干涉器件與反饋線圈的互感值，為所仿真的加載在所述超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件的外界 磁通； 依次調(diào)整所述偏置電流和所述反饋電阻的阻值，以取得多條所述關(guān)系曲線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法，其特征在 于，所述預(yù)設(shè)條件包括：所述峰峰值和最大斜率均為最大值，或所述峰峰值和最大斜率分別 大于相應(yīng)的預(yù)設(shè)值。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種選取超導(dǎo)量子干涉?zhèn)鞲薪M件中反饋電阻的方法，先將SQUID和反饋線圈置入實(shí)際的超導(dǎo)屏蔽環(huán)境中，利用SQUID磁場響應(yīng)周期特性，通過監(jiān)測輸入所述反饋線圈的電流的變化量來計(jì)算反饋線圈與SQUID的互感值，以及通過監(jiān)測所述超導(dǎo)屏蔽環(huán)境中所加載變化的磁通和輸入所述SQUID的變化的偏置電流產(chǎn)生的電壓輸出來建立所輸出的電壓值與所感應(yīng)磁通量及偏置電流之間的對應(yīng)關(guān)系以及確定互感值；再仿真變化的磁通量、偏置電流及反饋?zhàn)柚禃r(shí)所述組件的工作過程，并基于所述對應(yīng)關(guān)系和互感值計(jì)算所述SQUID的輸出電壓與所述磁通量的至少一條關(guān)系曲線；再將各所述關(guān)系曲線中的峰峰值和最大斜率分別與各自的預(yù)設(shè)條件進(jìn)行比對判斷，以將相匹配的阻值確定為所選中的反饋電阻值。
【IPC分類】G01R27-02, G01R33-035
【公開號】CN104635181
【申請?zhí)枴緾N201310552302
【發(fā)明人】王永良, 張國峰, 徐小峰, 張樹林, 孔祥燕, 謝曉明
【申請人】中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2013年11月7日