超导量子干涉传感组件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超导量子干涉传感组件及所适用的超导量子干涉传感器。所述传感器包括：超导量子干涉传感组件及所连接的读出电路。其中，所述超导量子干涉传感组件包括：与外接的偏置电源相连的超导量子干涉器件；与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈；与所述偏置电源和反馈线圈相连、且用于将所述反馈线圈所输出的感应信号予以放大并输出的放大单元；与所述超导量子干涉器件串联、且提高所述超导量子干涉器件的输出电压的电压提升单元。本实用新型能有效避免放大单元对感应信号的分流，并对所述感应信号进行放大。
【专利说明】超导量子干涉传感组件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传感器结构，特别是涉及一种超导量子干涉传感组件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)是目前已知最灵敏的磁传感器，在微弱磁信号探测，如心磁、脑磁、核磁共振、地球物理探测中具有重要的应用。
[0003]SQUID是超导宏观量子效应器件，其感应到的感应信号非常微弱，最大响应磁场输出的电压只有几十个uV。工作在超低温环境下，需要通过较长(I米以上)的电缆，才能将感应信号接到常温的放大器中，传输距离远。因此SQUID传感器在实际应用中，信号微弱，传输距离长信号易衰减。
[0004]由于SQUID的信号微弱，与其连接的常温放大器的噪声将占主导地位，无法发挥SQUID器件本身的高灵敏度性能。因此需要提高传感器的灵敏度，增大传感器输出信号，解决放大器匹配的问题。
[0005]提高SQUID传感器的灵敏度即磁通电压传输率是提供抑制读出电路前置放大器噪声的关键因素。
[0006]为了提高SQUID传感器的磁通电压传输率，人们将常规磁传感器中所使用的反馈电路应用到了 SQUID器件中。如，如图1所示，利用互感原理为所述SQUID器件增加由反馈线圈和电阻构成的反馈电路，由此来提高磁通电压传输率，但是这种方式由于电阻的分流牺牲了感应信号的电流幅度，使得所输出的感应信号不但没有被有效放大，还变得更加微弱。这让处于常温环境的后续电路还需要提供更加复杂的电路来得到精准的、低噪声的感应信号。因此，需要对现有的技术进行改进。
实用新型内容
[0007]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超导量子干涉传感组件及所适用的超导量子干涉传感器，用于解决现有技术中处于超导环境下的超导量子干涉传感组件所输出的感应信号微弱的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种超导量子干涉传感组件，其至少包括:与外接的偏置电源相连的超导量子干涉器件；与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈；与所述偏置电源和反馈线圈相连、且用于将所述反馈线圈所输出的感应信号予以放大并输出的放大单元；与所述超导量子干涉器件串联、且提高所述超导量子干涉器件的输出电压的电压提升单元。
[0009]优选地，所述电压提升单元为二极管。
[0010]优选地，所述反馈线圈与所述超导量子干涉器件之间的互感M满足:&/5Φ 且趋近1，其中，为所述超导量子干涉器件的磁通电压传输率，gms所述放大单元的跨导。[0011]优选地，根据所述互感M所选择的反馈线圈将所述超导量子干涉器件所感应的感应信号予以放大。
[0012]优选地，所述放大单元为场效应管，其中，所述场效应管的源极与所述反馈线圈相连，所述场效应管的栅极与所述偏置电源相连，所述场效应管的漏极输出所述感应信号。
[0013]优选地，所述场效应管为P结型场效应晶体管、或N结型场效应晶体管。
[0014]优选地，所述场效应管为P结型场效应晶体管，则所述场效应管的漏极还通过电阻外接负电源；或所述场效应管为N结型场效应晶体管，则所述场效应管的漏极还通过电阻外接正电源。
[0015]优选地，所述传感组件位于提供超导环境的容器中。
[0016]优选地，所述超导环境为温度包括4.2K的液氦环境、或温度为77K的液氮的环境。
[0017]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:如上中任一所述的超导量子干涉传感组件；以及与所述超导量子干涉传感组件连接的读出电路。
[0018]如上所述，本实用新型的超导量子干涉传感组件及所适用的超导量子干涉传感器，具有以下有益效果:将放大单元与反馈线圈相连，能有效避免放大单元对感应信号的分流，并对所述感应信号进行放大。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1显示为现有技术中的超导量子干涉传感组件的结构示意图。
[0020]图2显示为本实用新型的超导量子干涉传感组件的结构示意图。
[0021]图3显示为本实用新型的超导量子干涉传感组件的一种优选方案的结构示意图。
[0022]图4显示为本实用新型的超导量子干涉传感组件的又一种优选方案的结构示意图。
[0023]图5显示为本实用新型的超导量子干涉传感器的结构示意图。
[0024]元件标号说明
[0025]I传感组件
[0026]11超导量子干涉器件
[0027]12电压提升单元
[0028]13反馈线圈
[0029]14放大单元
[0030]2偏置电源
[0031]3读出电路
[0032]4传感器
【具体实施方式】
[0033]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。
[0034]请参阅图2至图5。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。
[0035]如图2所示，本实用新型提供一种超导量子干涉传感组件。所述传感组件I位于超导环境中，并与所述超导环境一同放置在具有磁信号的环境下，以将所探测的磁信号转换为感应信号(电信号)。所述传感组件I包括:超导量子干涉器件11、电压提升单元12、反馈线圈13和放大单元14。其中，所述传感组件I受外接的偏置电源2所提供的偏置电流来工作。
[0036]所述超导量子干涉器件11与所述外接的偏置电源2相连，用于基于超导量子干涉技术在超导环境下将所探测到的磁信号转换为电信号，并予以输出。
[0037]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。
[0038]所述反馈线圈13与所述超导量子干涉器件11互感。
[0039]具体地，所述反馈线圈13与所述超导量子干涉器件11构成正反馈的互感电路。其中，所述反馈线圈13的选取依据为所述反馈线圈13与所述超导量子干涉器件11之间的互感M满足I且趋近1，其中，洳/30为所述超导量子干涉器件11的磁通电压传输率，gmS所述放大单元14的跨导。优选地，根据所述互感M所选择的反馈线圈13将所述超导量子干涉器件11所感应的感应信号予以放大。
[0040]所述放大单元14与所述偏置电源2和反馈线圈13相连，用于将所述反馈线圈13所感应的感应信号予以再次放大并输出。
[0041]具体地，所述放大单元14在所述偏置电源2所提供的工作电压下，将所述反馈线圈13所感应到的感应信号予以放大并输出至后端处于常温的电路中。其中，所述放大单元14优选为半导体器件构成的放大单元14。
[0042]优选地，所述放大单元14为场效应管，其中，所述场效应管的源极与所述反馈线圈13相连，所述场效应管的栅极与所述偏置电源2相连，所述场效应管的漏极输出所述感应信号。其中，所述场效应管可以是P结型场效应晶体管、或N结型场效应晶体管。
[0043]所述电压提升单元12与所述超导量子干涉器件11串联，用于提高所述超导量子干涉器件11的输出电压。其中，所述电压提升单元12可以为电阻。优选地，所述电压提升单元12为二极管。例如，所述电压提升单元12为锗二极管。
[0044]具体地，所述电压提升单元12连接在所述超导量子干涉器件11和地线之间，所述超导量子干涉器件11的输出电压被提高。如此，所述超导量子干涉器件11在较高的偏置电压作用下具有更高的磁通电压传输率。
[0045]所述传感组件I的结构举例如下:
[0046]如图3所示，当所述放大单元14为P结型场效应晶体管、所述电压提升单元12为二极管时，外接的偏置电源2与所述超导量子干涉器件11相连，所述超导量子干涉器件11与所述二极管的输入端相连，所述二极管的输出端接地，外接的偏置电源2还与所述P结型场效应晶体管的栅极相连，所述P结型场效应晶体管的源极与所述反馈线圈13相连，所述P结型场效应晶体管的漏极输出感应信号，所述漏极还通过电阻外接正电源，其中，所述反馈线圈13与超导量子干涉器件11互感。
[0047]图3所对应的传感组件I的工作过程为:
[0048]由于所述二极管的导通电压在0.2~0.4V之间，因此，外接的偏置电源2为正压并将所述超导量子干涉器件11的输出电压相应增加0.2~0.4V，在所述偏置电源2的作用下，所述超导量子干涉器件11将所探测的磁信号转为感应信号，并通过所述反馈线圈13予以第一次放大并输出至所述P结型场效应晶体管，所述P结型场效应晶体管在所述偏置电源2所提供的工作电压的作用下，工作在放大区，将所述反馈线圈13所输出的感应信号予以第二次放大输出。其中，所述P结型场效应晶体管的输出电流Iwt与感受到磁场
关系如公式
【权利要求】
1.一种超导量子干涉传感组件，其特征在于，至少包括: 与外接的偏置电源相连的超导量子干涉器件； 与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈； 与所述偏置电源和反馈线圈相连、且用于将所述反馈线圈所输出的感应信号予以放大并输出的放大单元； 与所述超导量子干涉器件串联、且提高所述超导量子干涉器件的输出电压的电压提升单元。
2.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感组件，其特征在于，所述电压提升单元为二极管。
3.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感组件其特征在于，所述反馈线圈与所述超导量子干涉器件之间的互感M满足:加Μ< I且趋近1，其中，为所述超导量子干涉器件的磁通电压传输率，gm为所述放大单元的跨导。
4.根据权利要求3所述的超导量子干涉传感组件，其特征在于，根据所述互感M所选择的反馈线圈将所述超导量子干涉器件所感应的感应信号予以放大。
5.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感组件，其特征在于，所述放大单元为场效应管，其中，所述场效应管的源极与所述反馈线圈相连，所述场效应管的栅极与所述偏置电源相连，所述场效应管的漏极输出所述感应信号。
6.根据权利要求5所述的超导量子干涉传感组件，其特征在于，所述场效应管为P结型场效应晶体管、或N结型场效应晶体管。
7.根据权利要求6所述的超导量子干涉传感组件，其特征在于，所述场效应管为P结型场效应晶体管，则所述场效应管的漏极还通过电阻外接负电源；或所述场效应管为N结型场效应晶体管，则所述场效应管的漏极还通过电阻外接正电源。
8.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感组件，其特征在于，所述传感组件位于提供超导环境的容器中。
9.根据权利要求8所述的超导量子干涉传感组件，其特征在于，所述超导环境为温度包括4.2K的液氦环境、或温度为77K的液氮的环境。
10.一种超导量子干涉传感器，其特征在于，至少包括: 如权利要求1-9中任一所述的超导量子干涉传感组件；以及与所述超导量子干涉传感组件连接的读出电路。
【文档编号】G01R33/035GK203519807SQ201320669878
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】王永良, 张国峰, 徐小峰, 孔祥燕, 谢晓明, 潘虹 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所