一種超導(dǎo)量子干涉裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超導(dǎo)量子干涉裝置，包括：第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊分別加載偏置電流；偏置電流使得第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊具有最大磁通電壓傳輸率；磁通變換模塊用于感應(yīng)磁通信號(hào)，將磁通信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一電流，通過(guò)與第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊互感耦合，將第一電流再轉(zhuǎn)換成第一磁通，并將第一磁通耦合至第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊；跨接在第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊之間的反饋模塊，用于將第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊上加載的電壓之間的壓差轉(zhuǎn)換成第二電流，將第二電流轉(zhuǎn)換成第二磁通，并將第二磁通反饋至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊。本發(fā)明所述的超導(dǎo)量子干涉裝置增大了器件磁通-電壓轉(zhuǎn)換的電壓響應(yīng)幅度，提高了傳感器的靈敏度。
【專利說(shuō)明】
一種超導(dǎo)量子干涉裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種量子干涉裝置，特別是涉及一種超導(dǎo)量子 干涉裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 超導(dǎo)量子干涉器（superconducting Quantum Interference Device，簡(jiǎn)稱 SQUID) 是一種非常靈敏的磁通電壓轉(zhuǎn)換元件。采用SQUID制作的傳感器具有極高的靈敏度，就其 功能而言是一種磁通傳感器，不僅可以用來(lái)測(cè)量磁通量的變化，還可以測(cè)量能轉(zhuǎn)換為磁通 的其他物理量，如電壓、電流、電阻、電感、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度、磁化率等。SQUID的基本原 理是建立在磁通量子化和約瑟夫森效應(yīng)的基礎(chǔ)上的，根據(jù)偏置電流的不同，分為直流和射 頻兩類(lèi)。SQUID作為探測(cè)器，可以測(cè)量出10-11高斯的微弱磁場(chǎng)，僅相當(dāng)于地磁場(chǎng)的一百億 分之一，比常規(guī)的磁強(qiáng)計(jì)靈敏度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是進(jìn)行超導(dǎo)、納米、磁性和半導(dǎo)體等材料 磁學(xué)性質(zhì)研究的基本儀器設(shè)備，特別是對(duì)薄膜和納米等微量樣品是必需的。超導(dǎo)量子干涉 器廣泛應(yīng)用于心磁、腦磁、極低場(chǎng)核磁共振以及地球物理磁探測(cè)等極微弱磁信號(hào)檢測(cè)和極 微弱磁場(chǎng)異常研究中，具有很好的應(yīng)用前景。
[0003] SQUID將感應(yīng)磁通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)是基于其磁通-電壓轉(zhuǎn)換特性曲線實(shí)現(xiàn) 的。典型SQUID磁通電壓傳輸特性曲線如圖1所示。圖1所示的SQUID磁通-電壓轉(zhuǎn)換特 性曲線中，有兩個(gè)重要參數(shù)表征SQUID的性能：
[0004] 1)工作點(diǎn)（圖中所示W(wǎng)點(diǎn)）處的磁通電壓轉(zhuǎn)換率，即圖中的
。該轉(zhuǎn)換率表示 器件的靈敏度，器件靈敏度越高，則表示用其實(shí)現(xiàn)的傳感器噪聲越低，性能越好。
[0005] 2) SQUID器件實(shí)現(xiàn)磁通-電壓轉(zhuǎn)換的最大幅度，即圖中的VPP，VPP是SQUID感應(yīng)磁 通輸出電壓的最大擺幅。SQUID感應(yīng)磁通輸出電壓的最大擺幅越大，表示SQUID傳感器響應(yīng) 外磁通變化的容差越大，穩(wěn)定性越好。
[0006] 由于SQUID器件輸出信號(hào)微弱，且工作在低溫容器中，因此無(wú)論是磁通電壓轉(zhuǎn)換 率還是信號(hào)的幅度都很小，且不能很好地與傳感器放大電路匹配。
[0007] 因此，如何提供一種超導(dǎo)量子干涉裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中傳感器的超導(dǎo)量子干 涉裝置的磁通電壓傳輸率低，也就是解決現(xiàn)有技術(shù)中SQUID器件的磁通電壓傳輸率和磁通 電壓轉(zhuǎn)換幅度等性能低的種種缺陷，實(shí)已成為本領(lǐng)域從業(yè)者亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

【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超導(dǎo)量子干涉裝置， 用于解決現(xiàn)有技術(shù)中傳感器的超導(dǎo)量子干涉裝置磁通電壓傳輸率和磁通電壓轉(zhuǎn)換幅度等 性能低而導(dǎo)致SQUID器件與電路配合工作后的工作點(diǎn)容差能力不高，傳感器工作穩(wěn)定性低 等的問(wèn)題。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種超導(dǎo)量子干涉裝置，用于探測(cè) 磁通信號(hào)，包括：第一探測(cè)模塊，與第二探測(cè)模塊；所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊分別 加載偏置電流；所述偏置電流使得所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊具有最大磁通電壓傳 輸率；磁通變換模塊，用于感應(yīng)所述磁通信號(hào)，將所述磁通信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一電流，通過(guò)與所 述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊互感耦合，將所述第一電流再轉(zhuǎn)換成第一磁通，并將所述 第一磁通耦合至所述第一探測(cè)模塊和所述第二探測(cè)模塊；及跨接在所述第一探測(cè)模塊和第 二探測(cè)模塊之間的反饋模塊，用于將所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊上加載的電壓之間 的壓差轉(zhuǎn)換成第二電流，將所述第二電流轉(zhuǎn)換成第二磁通，并將所述第二磁通反饋至所述 第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊。
[0010] 可選地，所述超導(dǎo)量子干涉裝置還包括用于調(diào)節(jié)所述第一探測(cè)模塊和/或第二探 測(cè)模塊處于工作狀態(tài)時(shí)的磁通量以調(diào)節(jié)加載在所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊的電壓 之間的壓差達(dá)到最大的調(diào)節(jié)模塊。
[0011] 可選地，所述第二磁通以直接耦合方式或間接耦合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊 和第二探測(cè)模塊中。
[0012] 可選地，當(dāng)所述第二磁通以直接耦合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模 塊中時(shí)，所述磁通變換模塊包括磁通信號(hào)感應(yīng)單元、第一互感單元、及第二互感單元，其中 所述磁通信號(hào)感應(yīng)單元的一端與所述第一互感單元的一端相連接，第一互感單元的另一端 與第二互感單元的一端相連接，第二互感單元的另一端與所述磁通信號(hào)感應(yīng)單元的另一端 相連接以形成閉合環(huán)路。
[0013] 可選地，當(dāng)所述第二磁通以間接耦合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模 塊中時(shí)，所述磁通變換模塊包括磁通信號(hào)感應(yīng)單元、第一互感單元、第二互感單元、及第三 互感單元，其中所述磁通信號(hào)感應(yīng)單元的一端與第一互感單元的一端相連接，第一互感單 元的另一端與第三互感單元的一端相連接，第三互感單元的另一端與第二互感單元的一端 相連接，第二互感單元的另一端與磁通信號(hào)感應(yīng)單元的另一端相連接以形成閉合環(huán)路。
[0014] 可選地，所述反饋模塊包括第四互感單元，當(dāng)所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊 上加載的電壓之間的壓差轉(zhuǎn)換成第二電流時(shí)，所述第二電流通過(guò)第四互感單元與所述磁 通轉(zhuǎn)換模塊中的第三互感單元互感，將所述第二電流產(chǎn)生的磁通轉(zhuǎn)換到所述磁通轉(zhuǎn)換模塊 中，再通過(guò)所述磁通轉(zhuǎn)換模塊中的第一互感單元和第二互感單元將所述第二電流產(chǎn)生的磁 通分配至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊。
[0015] 可選地，所述第一互感單元和第二互感單元以同相耦合或反向耦合方式與所述第 一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊進(jìn)行耦合。
[0016] 可選地，所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊包括N個(gè)超導(dǎo)量子干涉器，其中，N大 于等于1。
[0017] 如上所述，本發(fā)明所述的超導(dǎo)量子干涉裝置，具有以下有益效果：
[0018] 1、本發(fā)明所述的超導(dǎo)量子干涉裝置通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)的探測(cè)模塊對(duì)外加磁通極性相 反的響應(yīng)，形成差模電壓輸出，該電壓是單個(gè)探測(cè)模塊電壓變化幅度的兩倍，因此增大了器 件磁通-電壓轉(zhuǎn)換的電壓響應(yīng)幅度。
[0019] 2、本發(fā)明所述的超導(dǎo)量子干涉裝置通過(guò)跨接的附加電感和電阻，將差模電壓轉(zhuǎn)換 成差流并通過(guò)附加電感作用于探測(cè)模塊，形成正反饋效應(yīng)，大大提高差壓的輸出，使得器件 實(shí)現(xiàn)更大的磁通-電壓傳輸率，提高了傳感器的靈敏度。
[0020] 3、由于磁通電壓響應(yīng)幅度是提高SQUID器件與電路配合工作后的工作點(diǎn)容差能 力，從而提高了傳感器的工作穩(wěn)定性，磁通電壓傳輸率的提高可抑制常溫電路中前置放大 器等效磁通噪聲的影響，大大提升了基于SQUID器件和電路的傳感器系統(tǒng)的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1顯示為典型SQUID磁通電壓傳輸特性曲線示意圖。
[0022] 圖2顯示為本發(fā)明的超導(dǎo)量子干涉裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖3顯示為本發(fā)明的超導(dǎo)量子干涉裝置的第一種實(shí)施方式示意圖。
[0024] 圖4顯示為本發(fā)明的超導(dǎo)量子干涉裝置的第二種實(shí)施方式示意圖。
[0025] 圖5顯示為本發(fā)明的超導(dǎo)量子干涉裝置的第三種實(shí)施方式示意圖。
[0026] 圖6顯示為本發(fā)明的在同相耦合方式下第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊的磁通電 壓傳輸特性曲線示意圖。
[0027] 圖7顯示為本發(fā)明的磁通信號(hào)產(chǎn)生變化時(shí)第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊的磁通 電壓傳輸特性曲線示意圖。
[0028] 圖8顯示為本發(fā)明的在反向相耦合方式下第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊的磁通 電壓傳輸特性曲線示意圖。
[0029] 圖9顯示為本發(fā)明的理想狀態(tài)的磁通電壓轉(zhuǎn)換特性曲線示意圖。
[0030] 圖10顯示為本發(fā)明的超導(dǎo)量子干涉裝置的第四種實(shí)施方式示意圖。
[0031] 元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0032] 1 超導(dǎo)量子干涉裝置
[0033] 11 第一探測(cè)模塊
[0034] 12 第二探測(cè)模塊
[0035] 13 磁通變換模塊
[0036] 14 反饋模塊
[0037] 15 調(diào)節(jié)模塊
[0038] 131 磁通信號(hào)感應(yīng)單元
[0039] 132 第一互感單元
[0040] 133 第二互感單元
[0041] 134 第三互感單元
[0042] 141 第四互感單元
[0043] 151 偏置互感單元
【具體實(shí)施方式】
[0044] 以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū) 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0045] 請(qǐng)參閱附圖。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明 的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形 狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布 局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0046] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0047] 本發(fā)明所述的超導(dǎo)量子干涉裝置的基本發(fā)明原理為通過(guò)采用超導(dǎo)線構(gòu)成的閉合 環(huán)路，閉環(huán)的超導(dǎo)線圈能將感應(yīng)到的磁通信號(hào)，將所述磁通信號(hào)轉(zhuǎn)換成環(huán)電流，該環(huán)電流 通過(guò)磁通變換器與超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID)的互感轉(zhuǎn)換成磁通耦合到兩個(gè)（或兩組）超 導(dǎo)量子干涉器件（SQUID)中，實(shí)現(xiàn)了所述磁通信號(hào)到超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID)的傳遞與 分配。
[0048] 實(shí)施例
[0049] 本實(shí)施例提供一種超導(dǎo)量子干涉裝置1，用于探測(cè)磁通信號(hào)。本實(shí)施例所述的超導(dǎo) 量子干涉裝置1可應(yīng)用在磁場(chǎng)中，尤其可應(yīng)用于具有微弱磁通信號(hào)的磁場(chǎng)環(huán)境中探測(cè)磁通 信號(hào)。請(qǐng)參閱圖2,顯示為超導(dǎo)量子干涉裝置的原理結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，所述超導(dǎo)量子干 涉裝置1包括第一探測(cè)模塊11，與所述第一探測(cè)模塊11并聯(lián)的第二探測(cè)模塊12,磁通變換 模塊13,反饋模塊14,及調(diào)節(jié)模塊15。
[0050] 如圖2所示，所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12并聯(lián)連接，并且所述第一探 測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12分別加載偏置電流IdP 12，所述偏置電流IdP 12使得所述 第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12具有最大磁通電壓傳輸率。所述第一探測(cè)模塊11和 第二探測(cè)模塊12加載合適偏置電流IJP 12，使得所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12 具有最佳的磁通電壓轉(zhuǎn)換特性曲線，即具有最大的磁通電壓傳輸率和電壓響應(yīng)幅度。為了 達(dá)到更好的技術(shù)效果，在本實(shí)施例中，所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12在選擇上盡 量保持特性相同的器件，當(dāng)所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12輸入合適的偏置電流， 特性參數(shù)調(diào)整至最佳狀態(tài)時(shí)，所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12便進(jìn)入工作狀態(tài)。在 本實(shí)施例中，所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12為超導(dǎo)量子干涉器件。在本實(shí)施例 中，所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12可以由單個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的超導(dǎo)量子干涉器件 (DC SQUID)構(gòu)成。
[0051] 所述磁通變換模塊13用于感應(yīng)所述磁通信號(hào)，將所述磁通信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一電流， 即環(huán)電流，所述第一電流通過(guò)與所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12互感，將所述第一 電流再轉(zhuǎn)換成第一磁通，并將所述第一磁通耦合至所述第一探測(cè)模塊11和所述第二探測(cè) 豐旲塊12。
[0052] 所述反饋模塊14如圖2所示其跨接在所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12 之間，即所述第一探測(cè)模塊11、所述反饋模塊14、所述第二探測(cè)模塊12依次串聯(lián)連接，如圖 2所示，所述反饋模塊14包括第四互感單元141及附加電阻R，第四互感單元141與附加電 阻R構(gòu)成差流反饋回路。所述反饋模塊14將所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12上 加載的輸出電SVJPV 2之間的壓差A(yù)V = 換成第二電流ΔΙ = (VfVj/R，第二電 流Δ I通過(guò)第四互感單元141轉(zhuǎn)換成第二磁通，并將該第二磁通反饋到第一探測(cè)模塊11和 第二探測(cè)模塊12中。所述第二磁通以直接耦合方式或間接耦合方式與所述第一探測(cè)模塊 11和第二探測(cè)模塊12進(jìn)行耦合。請(qǐng)參閱圖3,顯示為超導(dǎo)量子干涉裝置的第一種實(shí)施方 式，即所述第二磁鐵以直接耦合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12中時(shí)， 如圖3所示的實(shí)施方式中，所述磁通變換模塊13包括磁通信號(hào)感應(yīng)單元131、第一互感單 元132、及第二互感單元133,其中所述磁通信號(hào)感應(yīng)單元131的一端與所述第一互感單元 132的一端相連接，第一互感單元132的另一端與第二互感單元133的一端相連接，第二互 感單元133的另一端與所述磁通信號(hào)感應(yīng)單元131的另一端相連接以形成閉合環(huán)路，在該 中實(shí)施方式中，所述磁通信號(hào)甘心單元131為一拾取線圈L pk，第一互感單元132和第二互 感單元133分別為電感Q和電感L2，所述拾取線圈L pk與電感h和電感成閉合環(huán)路， 整個(gè)閉合環(huán)路都采用超導(dǎo)材料構(gòu)成，形成閉合的超導(dǎo)環(huán)。所述拾取線圈Lpk捕獲到磁通信號(hào) 后通過(guò)超導(dǎo)環(huán)的磁通變換功能，將捕獲到的磁通信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一電流，即環(huán)電流，所述第一 電流經(jīng)過(guò)電感Q和電感L 2會(huì)將所述第一電流轉(zhuǎn)換成磁通分別再耦合至第一探測(cè)模塊11和 第二探測(cè)模塊12。在本實(shí)施例中，所述第一互感單元132和第二互感單元133可以以同相 耦合或反向耦合方式與所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12進(jìn)行耦合，圖3所示的為 電感Q和電感。以同相耦合方式與所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12進(jìn)行耦合，其 中，同相耦合是指所述磁通變換模塊13耦合到第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12上的磁 通使得所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12感應(yīng)的磁通同時(shí)增加或減少。反向耦合是 指所述磁通變換模塊13耦合到第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12上的磁通會(huì)使所述第 一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12中的一個(gè)探測(cè)模塊感應(yīng)的磁通增加，另一個(gè)探測(cè)模塊感 性的磁通減小。第二磁通以直接耦合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12 中時(shí)，該反饋?zhàn)饔檬菫榱艘饓翰預(yù)V = Vi-V2的變換，因此要求第四互感單元141作用到 第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12的方式與所述磁鐵變換模塊13產(chǎn)生磁通作用到所述 第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12的方式保持一致，即如果磁通變換模塊13與兩個(gè)探測(cè) 模塊采用同相耦合方式，那么第四互感單元141與兩個(gè)探測(cè)模塊的耦合也采用同相耦合方 式，同理如果磁通變換模塊13與兩個(gè)探測(cè)模塊采用反相耦合，則第四互感單元141與兩個(gè) 探測(cè)模塊保持反相耦合。
[0053] 請(qǐng)參閱圖4,顯示為超導(dǎo)量子干涉裝置的第二種實(shí)施方式，即所述第二磁通以間接 耦合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12中。當(dāng)所述第二磁鐵以間接耦合 方式耦合至所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12耦合中時(shí)，所述磁通變換模塊13包括 磁通信號(hào)感應(yīng)單元131、第一互感單元132、第二互感單元133、及第三互感單元134,其中所 述磁通信號(hào)感應(yīng)單元131的一端與第一互感單元132的一端相連接，第一互感單元132的 另一端與第三互感單元134的一端相連接，第三互感單元134的另一端與第二互感單元133 的一端相連接，第二互感單元132的另一端與磁通信號(hào)感應(yīng)單元131的另一端相連接以形 成閉合環(huán)路。第三互感單元134可以由電感L 3和電感L 4構(gòu)成，也可以單獨(dú)有電感L 3構(gòu)成。 為了與所述磁通變換模塊13的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，同理，當(dāng)?shù)谌ジ袉卧?34由電感L3和電感L 4 構(gòu)成，所述第四互感單元141包括電感L5和電感L 6，當(dāng)?shù)谌ジ袉卧?34單獨(dú)由電感。構(gòu) 成時(shí)，請(qǐng)參閱圖5,顯示為超導(dǎo)量子干涉裝置的第三種實(shí)施方式，所述第三互感單元包括電 感1^ 3，所述第四互感單元141中包括電感L5。通過(guò)磁通變換模塊13間接耦合，第四互感單 元141與磁通變換模塊13通過(guò)互感耦合，將第二電流產(chǎn)生的第二磁通耦合到磁通變換模塊 13中，再通過(guò)磁通變換模塊13與所述第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12的耦合作用到兩 個(gè)探測(cè)模塊中。由于第四互感單元141通過(guò)磁通變換模塊13將第二磁通分配到兩個(gè)探測(cè) 模塊中，因此其第四互感單元141與兩個(gè)探測(cè)模塊的耦合方式自然與磁通變換模塊保持一 致。
[0054] 所述超導(dǎo)量子干涉裝置1還包括一調(diào)節(jié)模塊15,所述調(diào)節(jié)模塊15用于調(diào)節(jié)所述第 一探測(cè)模塊11和/或第二探測(cè)模塊12處于工作狀態(tài)時(shí)的磁通量以調(diào)節(jié)加載在所述第一探 測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊12的輸出電壓之間的壓差A(yù)V =義-^達(dá)到最大達(dá)到第一探測(cè) 模塊11和第二探測(cè)模塊靈敏度最好的技術(shù)效果。在本實(shí)施例中，如圖2和圖3所示，所述 調(diào)節(jié)模塊15加載在第二探測(cè)模塊12。所述調(diào)節(jié)模塊15通過(guò)偏置互感單元151，如圖2中 所示的，偏置電感L 7，將外部輸入偏置電流，產(chǎn)生耦合到第二探測(cè)模塊12的偏置磁通以調(diào)節(jié) 第二探測(cè)模塊12處于工作狀態(tài)時(shí)的磁通。以下會(huì)針對(duì)所述偏置磁通調(diào)節(jié)相對(duì)于同相耦合 方式和反向耦合方式分別進(jìn)行調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0055] 第一，針對(duì)同相耦合方式：調(diào)節(jié)第二探測(cè)模塊12的偏置磁通，使得第二探測(cè)模塊 12的磁通電壓傳輸特性曲線相對(duì)于第一探測(cè)模塊11發(fā)生工作點(diǎn)偏移，請(qǐng)參閱圖6,顯示為 在同相耦合方式下第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊的磁通電壓傳輸特性曲線。如圖6所示。 即在相同的工作狀態(tài)下，當(dāng)?shù)谝惶綔y(cè)模塊11處在W0工作點(diǎn)時(shí)，第二探測(cè)模塊12則處在W1 工作點(diǎn)下。圖中A就是要調(diào)節(jié)的偏置磁通量。此時(shí)兩個(gè)探測(cè)模塊感應(yīng)磁通信號(hào)發(fā)生變 化，產(chǎn)生的電壓響應(yīng)極性相反，使得產(chǎn)生的差壓AV = Vi_V2最大化。請(qǐng)參閱圖7,顯示為磁 通信號(hào)產(chǎn)生變化時(shí)第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊的磁通電壓傳輸特性曲線，當(dāng)磁通信號(hào)產(chǎn) 生Α Φ的磁通變化，第一探測(cè)模塊11產(chǎn)生一fVi-Vw的電壓變化，則第二探測(cè)模塊12會(huì)產(chǎn) 生一個(gè)極性相反的電壓變化V2_V W，其中VWS沒(méi)有外部磁通信號(hào)激勵(lì)差壓AV為零時(shí)的直流 電壓，1和V2則為兩個(gè)探測(cè)模塊感應(yīng)到外部磁通信號(hào)激勵(lì)時(shí)各自輸出的電壓。由于在上述 工作點(diǎn)偏移調(diào)節(jié)下，兩個(gè)探測(cè)模塊都以最大磁通電壓傳輸率響應(yīng)磁通信號(hào)變化Α Φ，且極 性相反，因此產(chǎn)生差壓AV也是最大的。因此在同相耦合情況下，偏置磁通調(diào)節(jié)要求是使第 二探測(cè)模塊12的工作點(diǎn)W1 (此點(diǎn)具有最大負(fù)斜率）與第一感測(cè)模塊的工作點(diǎn)W0 (此點(diǎn)具 有最大正斜率）正好對(duì)齊。
[0056] 第二，針對(duì)反相耦合方式：請(qǐng)參閱圖8,顯示為在反向相耦合方式下第一探測(cè)模塊 和第二探測(cè)模塊的磁通電壓傳輸特性曲線，調(diào)節(jié)第二探測(cè)模塊12的偏置磁通，使得兩個(gè)探 測(cè)模塊在所處的工作環(huán)境下，兩個(gè)工作點(diǎn)W。對(duì)齊，即當(dāng)?shù)谝惶綔y(cè)模塊11處在工作點(diǎn)W。時(shí)， 第二探測(cè)模塊12正好也處在W。工作點(diǎn)下，差壓△ V為零，此時(shí)兩個(gè)探測(cè)模塊都具有最大的 磁通電壓轉(zhuǎn)換率。由于采用了反相耦合，當(dāng)輸入磁通信號(hào)的變化量Α Φ時(shí)，由于作用于兩 個(gè)探測(cè)模塊的磁通極性相反，因此第一探測(cè)模塊11的磁通增加了 △ Φ，而第二探測(cè)模塊12 的磁通減小了 Δ Φ。第一探測(cè)模塊11產(chǎn)生一個(gè)Vi_Vw的電壓變化，則第二探測(cè)模塊12則 產(chǎn)生一個(gè)極性相反的電壓變化^-Vw，此時(shí)的差壓AViVi-L是最大。因此在反相耦合方 式下，偏置磁通調(diào)節(jié)要求是使第二探測(cè)模塊12的工作點(diǎn)與第一探測(cè)模塊11的工作點(diǎn)正好 對(duì)齊。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，只要通過(guò)向磁通變換模塊中加載一定幅度的交流測(cè)試磁通，同 時(shí)觀測(cè)本實(shí)施例中輸出差壓信號(hào)，逐步調(diào)節(jié)耦合到第二探測(cè)模塊的偏置磁通，當(dāng)響應(yīng)的差 壓達(dá)到最大幅度，即完成偏置磁通的調(diào)節(jié)，此時(shí)器件處于最佳工作狀態(tài)。
[0057] 在本實(shí)施例中，由于所述反饋模塊14中存在的第二電流，即差動(dòng)電流通過(guò)第四互 感單元141將產(chǎn)生的磁通耦合至第一探測(cè)模塊11和第二探測(cè)模塊1中激發(fā)更大的壓差，形 成正反饋效應(yīng)，使得輸出磁通轉(zhuǎn)換為兩個(gè)探測(cè)模塊的壓差的傳輸比率大大提高，以此來(lái)達(dá) 到提高傳感器的靈敏度。經(jīng)過(guò)差流轉(zhuǎn)磁通正反饋后，本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的理想狀態(tài)的磁通電壓 轉(zhuǎn)換特性曲線如圖9所示，通過(guò)差流反饋原理，提升本實(shí)施例所述的超導(dǎo)量子干涉裝置的 磁通電壓傳輸率，本實(shí)施例中磁通電壓傳輸率與第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊磁通電壓傳 輸率的關(guān)系表不為公式（1)
[0059] 其中，V#表示最大電壓響應(yīng)幅度；
·表示本實(shí)施例所要實(shí)現(xiàn)的磁通電壓傳輸率；
表示第一探測(cè)模塊工作狀態(tài)時(shí)的磁通電壓傳輸率
-表示第二探測(cè)模塊工作狀態(tài)時(shí) 的磁通電壓傳輸率；R表示跨接在第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊之間的電阻；Rdl表示第一 探測(cè)模塊中的動(dòng)態(tài)電阻；Rd2表示第二探測(cè)模塊中的動(dòng)態(tài)電阻;Mi表示第四互感單元將第二 電流A I轉(zhuǎn)換為第二磁通耦合到第一探測(cè)模塊的磁通的轉(zhuǎn)化系數(shù);M2表示第四互感單元將 第二電流A I轉(zhuǎn)換為第二磁通耦合到第二探測(cè)模塊的磁通的轉(zhuǎn)化系數(shù)。通過(guò)公式（1)可知， 本實(shí)施例只需要調(diào)節(jié)第四互感單元將差流耦合到兩個(gè)探測(cè)模塊的轉(zhuǎn)化系數(shù)1和Μ 2，使得公 式（1)中的分子滿足以下條件：
[0061] 就可以使得磁通電壓傳輸率
比兩個(gè)探測(cè)模塊的磁通電壓傳輸率之和大，即分 子越小，本實(shí)施例所要實(shí)現(xiàn)的磁通-電壓傳輸率就越大，性能越好。
[0062] 在本實(shí)施例中，所述超導(dǎo)量子干涉裝置1還包括第四種實(shí)施方式，請(qǐng)參閱圖10,顯 示為超導(dǎo)量子干涉裝置的第四種實(shí)施方式。如圖10所示，在第四種實(shí)施方式中，所述第一 探測(cè)模塊11包括Ν個(gè)超導(dǎo)量子干涉器件（參數(shù)一致），所述Ν個(gè)超導(dǎo)量子干涉器件依次串 聯(lián)連接。第二探測(cè)模塊12包括Ν個(gè)超導(dǎo)量子干涉器件（參數(shù)一致），所述Ν個(gè)超導(dǎo)量子干 涉器件依次串聯(lián)連接，在本實(shí)施例中，采用Ν個(gè)超導(dǎo)量子干涉器件串聯(lián)，增大了單組超導(dǎo)量 子干涉器件的磁通電壓轉(zhuǎn)換能力，再基于差流正反饋原理，實(shí)現(xiàn)了更大的磁通電壓傳輸率。
[0063] 本發(fā)明所述的超導(dǎo)量子干涉裝置第一通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)的探測(cè)模塊對(duì)外加磁通極性 相反的響應(yīng)，形成差模電壓輸出，該電壓是單個(gè)探測(cè)模塊電壓變化幅度的兩倍，因此增大了 器件磁通-電壓轉(zhuǎn)換的電壓響應(yīng)幅度。第二通過(guò)跨接的附加電感和電阻，將差模電壓轉(zhuǎn)換 成差流并通過(guò)附加電感作用于探測(cè)模塊，形成正反饋效應(yīng)，大大提高差壓的輸出，使得器件 實(shí)現(xiàn)更大的磁通-電壓傳輸率，提高了傳感器的靈敏度。同時(shí)，由于磁通電壓響應(yīng)幅度是提 高SQUID器件與電路配合工作后的工作點(diǎn)容差能力，從而提高了傳感器的工作穩(wěn)定性，磁 通電壓傳輸率的提高可抑制常溫電路中前置放大器等效磁通噪聲的影響，大大提升了基于 SQUID器件和電路的傳感器系統(tǒng)的性能。
[0064] 綜上所述，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0065] 上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超導(dǎo)量子干涉裝置，用于探測(cè)磁通信號(hào)，其特征在于，包括： 第一探測(cè)模塊，與第二探測(cè)模塊；所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊分別加載偏置電 流；所述偏置電流使得所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊具有最大磁通電壓傳輸率； 磁通變換模塊，用于感應(yīng)所述磁通信號(hào)，將所述磁通信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一電流，通過(guò)與所述 第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊互感耦合，將所述第一電流再轉(zhuǎn)換成第一磁通，并將所述第 一磁通耦合至所述第一探測(cè)模塊和所述第二探測(cè)模塊；及 跨接在所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊之間的反饋模塊，用于將所述第一探測(cè)模塊 和第二探測(cè)模塊上加載的電壓之間的壓差轉(zhuǎn)換成第二電流，將所述第二電流轉(zhuǎn)換成第二磁 通，并將所述第二磁通反饋至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉裝置，其特征在于：所述超導(dǎo)量子干涉裝置還 包括用于調(diào)節(jié)所述第一探測(cè)模塊和/或第二探測(cè)模塊處于工作狀態(tài)時(shí)的磁通量以調(diào)節(jié)加 載在所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊的電壓之間的壓差達(dá)到最大的調(diào)節(jié)模塊。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉裝置，其特征在于：所述第二磁通以直接耦合 方式或間接耦合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊中。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)量子干涉裝置，其特征在于：當(dāng)所述第二磁通以直接耦 合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊中時(shí)，所述磁通變換模塊包括磁通信號(hào)感 應(yīng)單元、第一互感單元、及第二互感單元，其中所述磁通信號(hào)感應(yīng)單元的一端與所述第一互 感單元的一端相連接，第一互感單元的另一端與第二互感單元的一端相連接，第二互感單 元的另一端與所述磁通信號(hào)感應(yīng)單元的另一端相連接以形成閉合環(huán)路。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)量子干涉裝置，其特征在于：當(dāng)所述第二磁通以間接耦 合方式耦合至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊中時(shí)，所述磁通變換模塊包括磁通信號(hào)感 應(yīng)單元、第一互感單元、第二互感單元、及第三互感單元，其中所述磁通信號(hào)感應(yīng)單元的一 端與第一互感單元的一端相連接，第一互感單元的另一端與第三互感單元的一端相連接， 第三互感單元的另一端與第二互感單元的一端相連接，第二互感單元的另一端與磁通信號(hào) 感應(yīng)單元的另一端相連接以形成閉合環(huán)路。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)量子干涉裝置，其特征在于：所述反饋模塊包括第四互 感單元，當(dāng)所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊上加載的電壓之間的壓差轉(zhuǎn)換成第二電流 時(shí)，所述第二電流通過(guò)第四互感單元與所述磁通轉(zhuǎn)換模塊中的第三互感單元互感，將所述 第二電流產(chǎn)生的磁通轉(zhuǎn)換到所述磁通轉(zhuǎn)換模塊中，再通過(guò)所述磁通轉(zhuǎn)換模塊中的第一互感 單元和第二互感單元將所述第二電流產(chǎn)生的磁通分配至所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模 塊。7. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的超導(dǎo)量子干涉裝置，其特征在于：所述第一互感單元和 第二互感單元以同相耦合或反向耦合方式與所述第一探測(cè)模塊和第二探測(cè)模塊進(jìn)行耦合。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉裝置，其特征在于：所述第一探測(cè)模塊和第二 探測(cè)模塊包括N個(gè)超導(dǎo)量子干涉器，其中，N大于等于1。
【文檔編號(hào)】G01R33/035GK105866712SQ201510029281
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日
【發(fā)明人】王永良, 張國(guó)峰, 徐小峰, 孔祥燕, 謝曉明
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所