基于多通道的超导量子干涉传感系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于多通道的超导量子干涉传感系统，包括：多个超导量子干涉器件；至少一个集成式读出电路结构，其中，所述集成式读出电路结构包括：多个读出电路板，用于将所述超导量子干涉器件所提供的感应信号进行放大、反馈处理，并予以输出；将各所述超导量子干涉器件和读出电路板对应相连的第一接口；将各所述读出电路板所处理的感应信号予以输出的第二接口。本实用新型通过将读出电路板予以高度集成，能够有效减小多通道的超导量子干涉传感系统的体积，更便于携带。
【专利说明】基于多通道的超导量子干涉传感系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种传感器，特别是涉及一种基于多通道的超导量子干涉传感系统。
【背景技术】
[0002]超导量子干涉器件(superconductingQuantum Interference Device, SQUID)是目前已知的最灵敏的磁感应器件，广泛应用于微弱磁信号的探测。所述超导量子干涉器件是由两约瑟夫森结构成的超导环，在量子干涉效应的作用下，约瑟夫森结两端会产生响应磁场的电压信号。基于超导量子干涉器件的磁传感器包括:所述SQUID和与所述SQUID相连的读出电路。
[0003]随着超导量子干涉传感器的推广，基于多通道的超导量子干涉传感系统由于能够同时探测多个磁信号而受到关注。目前，基于多通道的超导量子干涉传感系统中每个SQUID均连接自己的读出电路，每个读出电路为一块单独电路板结构，因此，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统的体积过大，不便于携带和使用。
[0004]因此，需要对现有的基于多通道的超导量子干涉传感系统进行改进。
实用新型内容
[0005]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基于多通道的超导量子干涉传感系统，用于解决现有技术中基于多通道的超导量子干涉传感系统的集成度低、自动化程度低等问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于多通道的超导量子干涉传感系统，至少包括:多个超导量子干涉器件；至少一个集成式读出电路结构，包括:多个读出电路板，用于将所述超导量子干涉器件所提供的感应信号进行放大、反馈处理，并予以输出；将各所述超导量子干涉器件和读出电路板对应相连的第一接口 ；将各所述读出电路板所处理的感应信号予以输出的第二接口。
[0007]优选地，所述集成式读出电路结构还包括:向所述集成式读出电路供电、以及与外部设备相连的第三接口。
[0008]优选地，所述读出电路板包括:与所述第一接口、第二接口和第三接口相连的读出电路单元；与所述读出电路单元和第三接口相连、且用于基于由所述第三接口接入的所述外部设备所提供的控制指令控制所述读出电路单元的状态的控制单元；与所述读出电路单元和第三接口相连的数字电压转换单元，用于在所述控制单元的控制下通过所述第三接口向所连接的读出电路单元以及通过所述读出电路单元向相应的超导量子干涉器件供电。
[0009]优选地，所述第一接口和第二接口均为插接式连接器接口。
[0010]优选地，所述第三接口为I2C接口。
[0011]优选地，所述集成式读出电路结构中包括:间隔各所述读出电路板的散热板。
[0012]优选地，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统还包括:将各所述集成式读出电路结构排列的固连在一起的组装部件。
[0013]优选地，所述组装部件包括:接口固定板，用于将各所述集成式读出电路结构中的第一接口排列的固定在一起；安装在所述接口固定板下方且具有通孔的安装底部件，用于将各所述超导量子干涉器件的传输线通过所述通孔与所述接口固定板上的第一接口相连，其中，所述安装底部件沿所述通孔向下延伸。
[0014]优选地，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统还包括:与所述组装部件的上面固连、且用于将所有所述集成式读出电路结构予以封装的屏蔽外壳。
[0015]优选地，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统还包括:与所述组装部件的下面固连的容器，用于为所述超导量子干涉器件提供超导环境。
[0016]优选地，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统还包括:在所述屏蔽外壳和容器中均设有散热通道，其中，所述容器中的散热通道与所述屏蔽外壳的散热通道相连通。
[0017]优选地，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统还包括:在所述屏蔽外壳和容器中均设有散热通道，其中，所述容器中的散热通道中的气体与外部的空气泵所输送的空气相混合后，输至所述屏蔽外壳的散热通道中。
[0018]如上所述，本实用新型的基于多通道的超导量子干涉传感系统，具有以下有益效果:每个超导量子干涉器件对应一个读出电路板，实现完全独立的感应信号处理传输通道，同时，将读出电路板予以高度集成，能够有效减小多通道的超导量子干涉传感系统的体积，更便于携带。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1显示为本实用新型的基于多通道的超导量子干涉传感系统的结构示意图。
[0020]图2显示为本实用新型的基于多通道的超导量子干涉传感系统中集成式读出电路结构的结构示意图。
[0021]图3显示为本实用新型的基于多通道的超导量子干涉传感系统中的一种优选方式的结构示意图。
[0022]图4显示为本实用新型的基于多通道的超导量子干涉传感系统中的又一种优选方式的结构示意图。
[0023]图5显示为本实用新型的基于多通道的超导量子干涉传感系统中的又一种优选方式的结构示意图。
[0024]元件标号说明
[0025]I 基于多通道的超导量子干涉传感系统
[0026]11 超导量子干涉器件
[0027]12 集成式读出电路结构
[0028]121 读出电路板
[0029]122 第一接口
[0030]123 第二接口
[0031]124 第三接口
[0032]125 数字电压转换单元
[0033]126 读出电路单元[0034]127控制单元
[0035]128散热板
[0036]17组装部件
[0037]171接口固定板
[0038]172安装底部件
[0039]18屏蔽外壳
[0040]181散热通道
[0041]19容器
[0042]191散热通道
【具体实施方式】
[0043]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。
[0044]请参阅图1至图3。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。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
[0045]如图1所示，本实用新型提供一种基于多通道的超导量子干涉传感系统。所述传感系统I包括:超导量子干涉器件11、集成式读出电路结构12、第二接口 123及接口单元。
[0046]所述超导量子干涉器件11用于利用超导量子干涉技术将所探测到的磁信号转换成电信号。所述超导量子干涉器件11的数量为多个。
[0047]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。每个所述超导量子干涉器件11互不干涉的感应环境中的磁信号，并将所感应的感应信号通过自身的输出端予以输出，也就是说，每个所述超导量子干涉器件11及所连接的后续电路构成一个单独的通道。
[0048]所述集成式读出电路结构12与多个所述超导量子干涉器件11连接，用于将每个所述超导量子干涉器件11所感应的感应信号进行放大、反馈处理并予以输出。其中，所述集成式读出电路结构12可以为集成式电路板。优选地,每个集成式读出电路结构12对应连接4-8个所述超导量子干涉器件11。所述集成式读出电路结构12的数量根据实际超导量子干涉器件11的数量而定。
[0049]其中，所述集成式读出电路结构12包括外壳，以及封装在所述外壳内的第一接口122、第二接口 123、多个读出电路板121。
[0050]所述第一接口 122将各所述超导量子干涉器件11和读出电路板121对应相连。所述第一接口 122可以为非标准的直板式引脚结构，每个引脚对应一个所述读出电路板121的输入端，优选地，所述第一接口 122为插接式连接器接口，例如，所述第一接口 112为D型接口。
[0051]所述第二接口 123将各所述读出电路板121所处理的感应信号予以输出。所述第二接口 123可以为非标准的直板式引脚结构，每个引脚对应一个所述读出电路板121的输出端，优选地，所述第二接口 123为插接式连接器接口，例如，所述第二接口 112为D型接□。
[0052]所述读出电路板121用于将所述超导量子干涉器件11所提供的感应信号进行放大、反馈处理，并予以输出。
[0053]具体地，每个所述读出电路板121对应接收一个超导量子干涉器件11所提供的感应信号，并将所述感应信号进行前置放大和积分反馈处理，以得到易于后续电路读取的感应信号，并予以输出。例如，所述读出电路板121包括:放大器和积分反馈电路，所述感应信号经过放大器放大后，由积分反馈电路进行波形处理，并予以输出。
[0054]优选地，如图2所示，所述集成式读出电路结构12还包括:第三接口 124。
[0055]所述第三接口 124向所述集成式读出电路供电、以及与外部设备相连。具体地，所述第三接口 124中的供电引脚与各所述读出电路板121中的供电端并联后相连，所述第三接口 124中的数据引脚与各所述读出电路板121中的受控开关相连。其中，所述第三接口124可以为任何标准接口，优选地，所述第三接口 124为I2C接口。所述外部设备为一种按照预设程序进行大量数据和逻辑运算的电子设备，其包括但不限于:单片机、MCU等。
[0056]如图2所示，所述读出电路板121包括:读出电路单元126、控制单元127、数字电压转换单元125。
[0057]所述读出电路单元126通过所述第一接口 122对应连接所述超导量子干涉器件11，用于将所述超导量子干涉器件11所输出的感应信号进行放大、反馈处理并予以输出。
[0058]具体地，所述读出电路单元126包括:通过所述第一接口 122与所述超导量子干涉器件11相连的放大器、与所述放大器相连的反馈电路，其中，所述反馈电路中包含用于改变所述读出电路单元126的状态的受控开关。
[0059]所述控制单元127与所述读出电路单元126和第三接口 124相连，用于基于由所述第三接口 124接入的所述外部设备所提供的控制指令控制所述读出电路单元126的状态。其中，所述读出电路单元126的状态包括但不限于:调试状态、工作状态、和复位状态中的多种。其中，所述控制单元127可以是MCU、计算机设备、或嵌入式设备等。其中，各所述读出电路板121中的控制单元127的控制线并联后与所述第三接口 124的数据引脚相接。
[0060]例如，所述第三接口接收到外部设备发出的“令读出电路板al为调试状态”的控制指令，所述第三接口将所述控制指令输至各读出电路板的控制单元，则各所述控制单元对所述控制指令的地址进行解析，以确定是否与自身的地址相匹配，其中，读出电路板al的控制单元确定处理该控制指令，则所述读出电路板al的控制单元向所述读出电路单元的用于复位的受控开关输出电平信号，则所述读出电路单元在所述电平信号的控制下调整为调试状态。
[0061]所述数字电压转换单元125与所述读出电路单元126和第三接口 124相连，用于在所述控制单元127的控制下通过所述第三接口 124向所连接的读出电路单元126以及通过所述读出电路单元126向相应的超导量子干涉器件11供电。其中，各所述读出电路板121中的数字电压转换单元125的电源并联后与所述第三接口 124的电源引脚相接。
[0062]具体地，所述数字电压转换单元125将所述第三接口 124所提供的电源转换成所述控制单元127在调试状态所确定的偏置电压和偏移电压，并将偏置电压通过所述读出电路单元126提供给相应的超导量子干涉器件11，将所述偏移电压提供给所述读出电路单元126，以便进行调零处理。
[0063]作为一种优选方案，如图3所示，所述集成式读出电路结构12还包括:散热板128。
[0064]所述散热板128间隔各所述读出电路板121。其中，所述散热板128的材料是铝或铜等金属散热材料。
[0065]具体地，所述散热片的一端固定在所述集成式读出电路结构12的外壳内侧，并以栅格形式将所述集成式读出电路结构12所封装的各读出电路板121相间隔，其中，所述散热片可以是全栅格形式，也可以是半栅格形式，优选地，所述散热片为半栅格形式，则安装在外壳内表面的散热片彼此相对，以将半栅格合并成全栅格形式。
[0066]作为又一种优选方案，为了尽量缩小超导量子干涉器件11和集成式读出电路结构12之间的感应信号的传输长度(即超导量子干涉器件11和集成式读出电路结构12之间的传输线的长度)，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统I还包括:组装部件17、屏蔽外壳18、容器19。如图4、5所示。
[0067]所述组装部件17将各所述集成式读出电路结构12排列的固连在一起。
[0068]具体地，所述组装部件17包括:接口固定板、安装底部件172。
[0069]所述接口固定板用于将各所述集成式读出电路结构12中的第一接口 122排列的
固定在一起。
[0070]具体地，各第一接口 122按照行或列的排列固定在所述接口固定板上，超导干涉量子器件的传输线从所述接口固定板的四周连接所述第一接口 122，所述接口固定板四周还设有安装孔，各所述安装孔通过螺栓与所述安装底部件172相固定。
[0071]优选地，若所述接口固定板上固定有多个第一接口 122，各所述第一接口 122按照矩阵形式集中排列。
[0072]所述安装底部件172位于所述接口固定板下方且具有通孔，所述安装底部件172还沿所述通孔向下延伸。其中，所述安装底部件172为金属结构。
[0073]具体地，各所述超导量子干涉器件11的传输线穿过所述通孔与所述接口固定板上的第一接口 12213相连。
[0074]所述屏蔽外壳18与所述组装部件17的上面固连，用于将所有所述集成式读出电路结构12予以密封。其中，所述屏蔽外壳18为金属材料。
[0075]具体地，所述屏蔽外壳18包括侧壁和盖板。所述侧壁围绕在所有所述集成式读出电路结构12的周围并固定在所述接口固定板上面，所述盖板固定在所述侧壁上面，并将各所述第二接口 123和第三接口 124引出，以便所述第二接口 123将各感应信号予以输出，所述第三接口 124与外部设备和电源相连。
[0076]所述容器19与所述组装部件17的下面固连，用于为所述超导量子干涉器件11提供超导环境。
[0077]具体地，所述容器19位于安装底部件172的下方，并将位于所述容器19中的各所述超导量子干涉器件11的传输线密封的从所述安装底部件172的通孔伸出。其中，所述超导环境包括:液氮、或液氦环境。
[0078]优选地，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统I还包括:在所述屏蔽外壳18和容器19中均设有散热通道181、191，其中，所述容器中的散热通道191与所述屏蔽外壳的散热通道181相连通。
[0079]具体地，在所述屏蔽外壳18的侧壁或盖板上设有散热孔，在所述屏蔽外壳18的内部设有用金属板隔出的与所述散热孔相通的散热通道181，其中，所述散热通道181按照气流走向和热气轻冷气重的原理设置之字形通道；
[0080]同样，在所述容器19中也设有散热通道191，该散热通道191与所述组装部件17上的散热孔相通，所述散热通道181与散热通道191通过各自的散热孔彼此连通。
[0081]由此，在所述超导量子干涉器件工作产生热量时，令所述超导环境中的液氮或液氦沿着散热通道191蒸发至散热通道181中，并利用蒸发出的氮气或氦气的低温来降低集成式读出电路结构所产生的热量，同时，在所述集成式读出电路结构中的散热板的配合下，该种方式能够均匀地散除集成式读出电路结构内部的热量。
[0082]其中，所述盖板可以密封的与所述侧壁相连，也可以不密封的与侧壁相连，若所述盖板与侧壁密封，则在所述盖板上还设有散热出气孔。
[0083]更为优选地，为了防止蒸发出的氮气或氦气在所述散热通道181中冷凝而使所述集成式读出电路结构中的各读出电路板受潮，所述容器19中的散热通道191中的气体与外部的空气泵所输送的空气相混合后，输至所述屏蔽外壳18的散热通道181中。
[0084]综上所述，本实用新型的基于多通道的超导量子干涉传感系统，每个超导量子干涉器件对应一个读出电路板，实现完全独立的感应信号处理传输通道，同时，将读出电路板予以高度集成，能够有效减小多通道的超导量子干涉传感系统的体积，更便于携带；另外，在每个读出电路板中设置调试读出电路单元的控制单元和数字电压转换单元，能够确保各读出电路单元单独的、互不影响的在使用前进行调试、复位工作，并且由于每个读出电路板上设置单独的控制单元和数字电压转换单元，使得各读出电路板之间没有信号干扰，无需进行信号同步处理，有效简化多通道的超导量子干涉传感系统的复杂度；还有，将多个读出电路板集成在一起，并用散热板相隔离、提供散热通道，能有效解决高度集成的读出电路板的散热问题；此外，将集成式读出电路结构和各超导量子干涉器件用组装部件、容器、屏蔽外壳相隔离，能够极大的缩短集成式读出电路结构和各超导量子干涉器件之间的传输距离，有效减少感应信号在传输时受到的外界干扰。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0085]上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，至少包括: 多个超导量子干涉器件； 至少一个集成式读出电路结构，包括: 多个读出电路板，用于将所述超导量子干涉器件所提供的感应信号进行放大、反馈处理，并予以输出； 将各所述超导量子干涉器件和读出电路板对应相连的第一接口； 将各所述读出电路板所处理的感应信号予以输出的第二接口。
2.根据权利要求1所述的基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述集成式读出电路结构还包括:向所述集成式读出电路供电、以及与外部设备相连的第三接口。
3.根据权利要求2所述的基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述读出电路板包括: 与所述第一接口、第二接口和第三接口相连的读出电路单元； 与所述读出电路单元和第三接口相连、且用于基于由所述第三接口接入的所述外部设备所提供的控制指令控制所述读出电路单元的状态的控制单元； 与所述读出电路单元和第三接口相连的数字电压转换单元，用于在所述控制单元的控制下通过所述第三接口向所连接的读出电路单元以及通过所述读出电路单元向相应的超导量子干涉器件供电。
4.根据权利要求1所述的基`于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述第一接口和第二接口均为插接式连接器接口。
5.根据权利要求1所述的基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述第三接口为I2C接口。
6.根据权利要求1所述的基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述集成式读出电路结构中包括:间隔各所述读出电路板的散热板。
7.根据权利要求1所述的基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统还包括:将各所述集成式读出电路结构排列的固连在一起的组装部件。
8.根据权利要求7所述的基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述组装部件包括: 接口固定板，用于将各所述集成式读出电路结构中的第一接口排列的固定在一起； 安装在所述接口固定板下方且具有通孔的安装底部件，用于将各所述超导量子干涉器件的传输线通过所述通孔与所述接口固定板上的第一接口相连，其中，所述安装底部件沿所述通孔向下延伸。
9.根据权利要求7所述的基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统还包括:与所述组装部件的上面固连、且用于将所有所述集成式读出电路结构予以封装的屏蔽外壳。
10.根据权利要求9所述的基于多通道的超导量子干涉传感系统，其特征在于，所述基于多通道的超导量子干涉传感系统还包括: 与所述组装部件的下面固连的容器，用于为所述超导量子干涉器件提供超导环境； 在所述屏蔽外壳和容器中均设有散热通道，其中，所述容器中的散热通道与所述屏蔽外壳的散热通道相连通； 在所述屏蔽外壳和容器中均设有散热通道，其中，所述容器中的散热通道中的气体与外部的空气泵所输送的空气相混 合后，输至所述屏蔽外壳的散热通道中。
【文档编号】G01R33/035GK203480006SQ201320592638
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】王永良, 张树林, 孔祥燕, 徐小峰, 谢晓明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所