一种精确诊断串联squid故障的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于天文探测技术领域，适用于串联SQUID放大器以及两级SQUID放大器的制备、样品性能及可靠性分析，特别涉及一种精确诊断串联SQUID故障的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，SQUID作为目前最灵敏的磁场探测器件之一，可以被用于生物磁场的探测，可以被用于机轮的无损检测，材料磁性研究，核磁共振测量以及用于读出天文探测的低温粒子探测器等。而单个电流偏置的SQUID放大器输出信号电压相对较小，可以通过多个相同SQUID串联的办法来增大输出电压幅度，并使其输出电压可以直接连接到室温放大器。对于多个相同SQUID串联，传统的通过串联电阻值大小判断串联个数难以确定坏的SQUID的具体位置，并且当并联电阻数目过多时，由于工艺偏差可能导致有坏的SQUID未被分析出来。通过对比串联SQUID调制曲线深度与单个SQUID调制深度，由于偏置电流的不同对应调制深度的不同，导致难以分辨是否有坏的SQUID以及串联SQUID的个数，并且同样无法确定坏的SQUID的具体位置。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种精确诊断串联SQUID故障的方法，可以精确判断串联SQUID中每个SQUID的好坏。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0005]一种精确诊断串联SQUID故障的方法，使各串联SQUID的输入线圈分别具有不同电感，对串联SQUID调制曲线进行傅里叶变换得到调制曲线的频谱图，通过分析对应不同频率的幅度，幅频特性曲线中缺失的峰值，其对应的SQUID即为故障点。
[0006]由于调制曲线为周期性函数，其中幅频曲线为调制曲线的傅里叶变换，因此频谱图中，幅度与该电流偏置点的调制深度成正比关系；根据单个SQUID的不同偏置点对应的幅度不同，选择对应幅度最大的偏置点，该点即为该SQUID的最佳偏置点。
[0007]具体地，可以通过调整线圈圈数的不同，使得各SQUID的输入线圈分别具有不同电感。
[0008]与现有技术相比，本发明可以精确分辨出串联SQUID中单个SQUID的好坏并能确定坏的SQUID的位置，同时根据幅度可以判断每个SQUID处于该电流偏置点的调制深度以及分析每个SQUID的最佳偏置点。
【附图说明】
[0009]图1是本发明不同电感的输入线圈对应的串联SQUID版图设计不意图。
[0010]图2是图1串联SQUID中第一个SQUID细节图。
[0011]图3是图1串联SQUID中第二个SQUID细节图。
[0012]图4是图1串联SQUID中第三个SQUID细节图。
[0013]图5是图1串联SQUID中第四个SQUID细节图。
[0014]图2-图5中，用7表不约瑟夫森结，用8表不输入线圈，用9表不导线，用10表不反馈线圈。
[0015]图6是本发明串联SQUID的制备工艺示意图。
[0016]图6中，用1表示Si02，用2表示Si，用3表示Photoresist，用4表示Nb，用5表示Al/A10x，用6表示Auo
[0017]图7是图1单SQUID放大器电路结构图。
[0018]图8是本发明仿真参数1的调制曲线图。
[0019]图9是本发明仿真参数1的幅频特性曲线图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
[0021]如图1所示，本发明基于微电子平面工艺制备输入线圈与SQUID之间互感不同的串联SQUID，通过在版图上对串联SQUID设计不同电感的输入线圈使得其与SQUID互感不同。当制备出串联SQUID并可以得到调制曲线后，对调制曲线进行傅里叶变换得到调制曲线的频谱图；通过分析对应不同频率的幅度可以精确分辨出串联SQUID中单个SQUID的好坏并能确定坏的SQUID的位置，并根据幅度可以判断每个SQUID处于该电流偏置点的调制深度以及分析每个SQUID的最佳偏置点。
[0022]图1中，共表示出了四个串联的SQUID，其中，第一个SQUID如图2所示，其输入线圈为一圈，第二个SQUID如图3所示，其输入线圈为两圈，第三个SQUID如图4所示，其输入线圈为三圈，第四个SQUID如图5所示，其输入线圈为四圈。
[0023]可见，各个SQUID中，均具有约瑟夫森结7、输入线圈8、导线9和反馈线圈10。其中，各个SQUID的约瑟夫森结7、导线9和反馈线圈10的结构一致，仅输入线圈8的圈数各不相同。
[0024]其具体的实现工艺如图6所示，采用自对准五次光刻工艺制备SQUID的工艺流程，一共进行五次光刻。图6A中，在硅片层2上溅射一层400nm的S1jl 1，第一次光刻采用双层正性剥离胶光刻工艺目的是为了派射三层膜，Photoresist层3位于S1jg 1上方，如图6B所示。之后溅射三层膜即引入Nb4和Al/A10x5，如图6C和D所示。第二次光刻采用负性剥离胶NR9-3000PY进行，其目的为在三层膜表面定义结区光刻胶图形，并且刻蚀采用SF6气体，A1可以作为天然阻挡层，如图6E、图6F、图6G、图6H所示。第三次光刻通过反应离子刻蚀以及80% H3P0JS法腐蚀从而掏空出用于上下电极连接的通孔，如图61、图6J、图6K、图6L所示。第四次光刻目的是溅射Au并联电阻6，溅射时本底真空为10E-4Pa，在溅Au之前为了增加表面粘附力需要溅射一薄层8nm左右的Ti，如图6M、图6N、图60所示。第五次光刻溅射上电极以及调制线圈，在溅射之前，由于Nb表面会很容易吸附空气中的氧气成为氧化Nb，因此需要进行去氧化层工艺，然后溅射350nm厚度Nb导线层，如图6P、图6Q、图6R所示。这一次光刻有两种版图设计，其一为通常的设计，它属于相同的输入线圈的串联SQUID放大器，这种设计无法判断单个SQUID的质量；其二为本发明中设计的不同的输入线圈的串联SQUID放大器(不同输入线圈的设计版图称为诊断线圈版图，如图1所示)。按照以上工艺步骤，可以制备出需要的样品。通过对含有诊断线圈的SQUID放大器的调制曲线进行傅里叶变换，找出幅频特性曲线中缺失的峰值，其对应的SQUID即为故障点，因此可以判断出单个SQUID的质量。
[0025]具体地，运用wrspice软件针对一组串联SQUID中每个SQUID与调制线圈互感均不相同进行仿真。单SQUID放大器电路结构图7所示，设计值为:SQUID电感为Lsq= 74pH，偏置电流为Iblas= 58.6 μ A，I bl为流过约瑟夫森结J i的偏置电流，I b2为流过约瑟夫森结J2的偏置电流，结的临界电流为1。= 29.25 μ Α，并联电阻R sl= R s2= 1.6 Ω，四个SQUID的输入线圈电感分别为 Linl= 20nH，Lin2= 80nH，Lin3= 320nH，L in4= 1280nH 耦合系数 k 均为
0.2ο
[0026]则SQUID 与线圈间的互感大小分别为:Μιη1 = 0.24ηΗ，Μ ιη2= 0.48ηΗ，Μ ιη3 =
0.96ηΗ，Min4= 1.92ηΗ。
[0027]则对应每个周期电流分别为:l!=8.499 μ Α，I 2= 4.25 μ Α，I 3= 2.13 μ Α，I 4=
1.07 μ Α。
[0028]对应每个频率分别为:fi=117664 (1/A), f 2= 235328 (1/A)，f 3= 470656 (1/A)，f4= 941312 (1/A)。
[0029]仿真得到的调制曲线如图8所示，对该调制曲线进行傅里叶变换得到的幅频特性曲线如图9所示。
[0030]根据仿真结果可以看出幅频特性曲线中对应的f\，，f2,，f3,，f4四个点均有峰值，若其中匕没有峰值，则对应仅有一圈输入线圈的SQUID为坏的，其中可以通过f 3寸应的峰值判断仅有一圈SQUID的调制深度；若&没有峰值，则对应两圈输入线圈的SQUID为坏的，可以通过f2对应的峰值判断仅有一圈SQUID的调制深度，因此可得仿真结果正确并且可以通过峰值是否存在以及其大小判断单个SQUID的好坏以及调制深度。
【主权项】
1.一种精确诊断串联SQUID故障的方法，其特征在于，使各串联SQUID的输入线圈分别具有不同电感，对串联SQUID调制曲线进行傅里叶变换得到调制曲线的频谱图，通过分析对应不同频率的幅度，幅频特性曲线中缺失的峰值，其对应的SQUID即为故障点。2.根据权利要求1所述精确诊断串联SQUID故障的方法，其特征在于，频谱图中，幅度与电流偏置点的调制深度成正比关系，根据单个SQUID的不同偏置点对应的幅度不同，选择对应幅度最大的偏置点，该点即为该SQUID的最佳偏置点。3.根据权利要求1所述精确诊断串联SQUID故障的方法，其特征在于，通过调整线圈圈数的不同，使得各SQUID的输入线圈分别具有不同电感。
【专利摘要】一种精确诊断串联SQUID故障的方法，使各串联SQUID的输入线圈分别具有不同电感，对串联SQUID调制曲线进行傅里叶变换得到调制曲线的频谱图，通过分析对应不同频率的幅度，幅频特性曲线中缺失的峰值，其对应的SQUID即为故障点，本发明可以精确分辨出串联SQUID中单个SQUID的好坏并能确定坏的SQUID的位置，同时根据幅度可以判断每个SQUID处于该电流偏置点的调制深度以及分析每个SQUID的最佳偏置点。
【IPC分类】G01R35/00
【公开号】CN105372612
【申请号】CN201510898342
【发明人】陈钊, 刘建设, 李铁夫, 陈炜
【申请人】清华大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年12月8日