一种超导量子干涉装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感器技术领域，设及一种量子干设装置，特别是设及一种超导量子 干设装置。
【背景技术】
[000引 超导量子干设器(^superconducting Quantum Inte;rference Device,简称 S卵ID) 是一种非常灵敏的磁通电压转换元件。采用S卵ID制作的传感器具有极高的灵敏度，就其 功能而言是一种磁通传感器，不仅可W用来测量磁通量的变化，还可W测量能转换为磁通 的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。S卵ID的基本原 理是建立在磁通量子化和约瑟夫森效应的基础上的，根据偏置电流的不同，分为直流和射 频两类。S卵ID作为探测器，可W测量出1(^11高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分 之一，比常规的磁强计灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁 学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米等微量样品是必需的。超导量子干设器 广泛应用于屯、磁、脑磁、极低场核磁共振W及地球物理磁探测等极微弱磁信号检测和极微 弱磁场异常研究中，具有很好的应用前景。
[0003] 直流S卵ID是由两个超导约瑟夫森结并联构成的一个超导环，在约瑟夫森结的两 端引出端子，通W-定的偏置电流，S卵ID两端的电压将具有随其感应磁场发生变化的特 性。该特性使得S卵ID成为磁敏元件。
[0004] 现有技术中S卵ID传感器由S卵ID器件配合放大电路工作，并放置在低温保持器 中，构建成实用的S卵ID磁传感器装置。请参阅图1，显示为现有技术中典型的S卵ID磁传 感器装置结构示意图，其中，S卵ID磁传感器装置1包括低温保持器11、连接导线12、S卵ID 器件13,及放大电路14,其中所述低温保持器11中具有液氮或液氮。但是现有S卵ID器件 在制作成磁传感器的实际应用中，存在有W下几个问题：
[0005] 第一，噪声抑制问题；S卵ID器件需要工作在超导状态，因此必须将其放置在低于 其超导临界转变温度W下的环境中，低温超导S卵ID通常浸泡在液氮（温度是4. 2K)环境 下，高温超导S卵ID则浸泡在液氮（温度是77K)的低温环境下。而与之匹配的放大器则工 作在室温（温度是300K)环境下，放大器输入端的电流噪声In和电压噪声化相对于低温 环境下的S卵ID器件而言都是不可忽略的。影响S卵ID低噪声性能的发挥。因此如何抑制 室温环境下S卵ID前置放大器的电压和电流噪声的影响，是提高S卵ID磁传感器性能一个 重要问题。
[0006] 第二，抗干扰问题；S卵ID器件必须工作在低温环境下保持超导状态，在实际应用 中，S卵ID通常放置在灌注液氮或液氮的低温保持容器中，而放大器电路则在容器的外部， 因此S卵ID器件与放大器需要通过一段较长（通常达到1米W上）电缆进行连接，S卵ID信 号非常微弱，其信号传输到放大器输入端的过程中，极易受到电磁干扰的影响，产生电压噪 声，破坏S卵ID感应信号，降低传感器性能。传统读出电路对导线中引入电磁噪声没有抑制 能力，抗干扰能力很差。
[0007] 第S，工作点稳定问题；S卵ID器件工作点的保持需要放大器电路提供稳定的偏 置电流Ib和偏移电压Vb，如图2所示。由于电路在室温环境下，环境温度的波动对Ib和 Vb产生影响，引起的波动直接影响S卵ID的工作点，进而找出S卵ID传感器性能的变化。传 统电路无扣和Vb都在室温电路中调节，无法有效抑制波动对S卵ID工作点的影响。
[000引第四，电路连线优化问题：由于S卵ID器件和放大电路分别工作在两个温度差异 很大的环境下，温度相近300度，环境绝热问题将影响S卵ID内低温环境的维持。S卵ID器 件与放大电路之间通常采用低电阻率的导线，而铜线是热的良导体，因此在多通道S卵ID 传感器应用中，铜导线数量随着S卵ID器件数量而增加，给低温保持系统的绝热设计带来 挑战。尽量减少S卵ID器件与放大电路的引线数量，是S卵ID磁传感器的设计要求。传统 电路为了解决抗高问题，采用四引线检测接线，却增加了导线的数量，给多通道应用的热隔 离设计带来挑战。
[0009] 因此，如何提供一种超导量子干设装置，W解决现有技术中的超导量子干设装置 中存在的室温环境下S卵ID前置放大器的电压和电流噪声、极易受到电磁干扰的影响、电 流波动对S卵ID工作点的影响、及电路布线不优化等种种缺陷，实已成为本领域从业者亟 待解决的技术问题。
【发明内容】
[0010] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导量子干设装置， 用于解决现有技术中超导量子干设装置中存在的室温环境下S卵ID前置放大器的电压和 电流噪声、极易受到电磁干扰的影响、电流波动对S卵ID工作点的影响、及电路布线不优化 的问题。
[0011] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干设装置，用于探测 被测磁通信号，包括：加载第一偏置电流的探测模块；所述第一偏置电流使得所述探测模 块达到预定工作电压和最大磁通电压传输率；加载第二偏置电流的工作电压产生模块，用 于在所述第二偏置电流流经所述工作电压产生模块时产生一与所述预定工作电压相等的 直流电压；分别与所述探测模块和工作电压产生模块连接的运算放大模块，包括正输入端， 负输入端，及输出端；所述运算放大模块在所述探测模块工作在所述预定工作电压下时，所 述输出端的输出电压为零；所述探测模块在感应到所述被测磁通信号时，所述运算放大模 块的正输入端和负输入端之间会产生一电压差；分别与所述探测模块和所述运算放大模块 连接的正反馈模块，用于在所述探测模块感应到所述被测磁通信号时，响应所述电压差W 形成磁通正反馈；分别与所述正反馈模块和所述运算放大模块连接的负反馈模块，用于抵 消所述探测模块感应到的所述被测磁通信号，使得在所述运算放大模块的正输入端和负输 入端之间产生的电压差消失。
[0012] 可选地，所述正反馈模块包括与所述探测模块连接的第一反馈单元和与所述第一 反馈单元连接的第二反馈单元，所述第一反馈单元、第二反馈单元、及所述探测模块形成一 封闭环路。
[0013] 可选地，所述运算放大模块的正输入端和负输入端之间产生的电压差在所述封闭 环路中产生第一电流，所述第一电流通过所述第二反馈单元时产生第一磁通信号，所述第 二反馈单元将所述第一磁通信号禪合到所述探测模块上W实现所述探测模块灵敏度的增 强。
[0014] 可选地，所述负反馈模块为一反馈电阻，所述电压差经所述运算放大模块放大后 产生一与所述电压差反方向的放大电压，所述放大电压驱动所述反馈电阻产生一反馈电 流，所述反馈电流流经所述第二反馈单元时，产生第二磁通信号，并通过所述第二反馈单元 将所述第二磁通信号禪合到所述探测模块上W抵消所述第一磁通信号和被测磁通信号。
[0015] 可选地，所述第二反馈单元包括第一端口、第二端口、第S端口、及第四端口；其中 所述第一端口与所述探测模块的一端相连接，所述第二端口与所述第一反馈单元的一端相 连接，所述第=端口接地，所述第四端口与所述工作电压产生模块的一端相连接，所述工作 电压产生模块的另一端与所述运算放大模块的正输入端相连接，所述探测模块的另一端与 所述运算放大模块的负输入端相连接。
[0016] 可选地，所述第一反馈单元的一端连接在所述运算放大模块的负输入端上，所述 第一反馈单元的另一端与所述第二反馈单元的第四端口相连接。
[0017] 可选地，所述负反馈模块的一端与所述运算放大模块的输出端相连接，所述负反 馈模块的另一端与所述第二反馈单元的第二端口相连接。
[001引可选地，所述第一反馈单元为一反馈电阻，所述第二反馈单元为一具有等电位特 性的超导线圈，所述超导线圈在低温环境下为一零电阻导线。
[0019] 如上所述，本发明所述的超导量子干设装置，具有W下有益效果：
[0020] 1、本发明具有S卵ID器件磁通-电压传输特性提升功能，实现放大器前放噪声影 响的抑制。
[0021] 2、本发明具有放大器正输入端和负输入端偏置电流噪声和波动的抑制。
[0022] 3、本发明抑制了 S卵ID工作点处偏置电流扣1和直流电压Vb的波动，实现工作点 稳定
[0023] 4、本发明具有共模干扰抑制能力，抑制S卵ID信号引出线路中共模干扰的影响， 提高了抗干扰能力。
[0024] 5、本发明的共模抑制解决共地干扰问题，实现只用一根共地引线设计，实现传感 器电路引线最小化。
【附图说明】
[0025] 图1显示为现有技术中典型的S卵ID磁传感器装置结构示意图。
[0026] 图2显示为本发明的超导量子干设装置的原理结构示意图。
[0027] 图3显示为本发明的超导量子干设装置的一种实施方式电路图。
[002引图4显示为本发明的超导量子干设装置中超导量子干设器的磁通电压传输特性 曲线示意图。
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