SQUID检测模块、芯片、传感器及磁测量系统技术方案

本发明专利技术提供一种SQUID检测模块、芯片、传感器及磁测量系统，包括：反馈线圈、SQUID器件及第一约瑟夫森结，SQUID器件包括并联的第二约瑟夫森结及第三约瑟夫森结；反馈线圈、SQUID器件及第一约瑟夫森结的第一端连接在一起，并作为SQUID检测模块的第一连接端子；反馈线圈的第二端作为SQUID检测模块的第二连接端子；SQUID器件的第二端作为SQUID检测模块的第三连接端子；第一约瑟夫森结的第二端作为SQUID检测模块的第四连接端子。本发明专利技术能有效抑制直流偏移，引线电阻产生的直流偏移不影响传感器的工作点；运行简单，只需调节直流偏置电压，无需处理工作点电压偏移问题，大大降低系统操作难度，提高系统运行和维护效率。提高系统运行和维护效率。提高系统运行和维护效率。

【技术实现步骤摘要】
SQUID检测模块、芯片、传感器及磁测量系统


[0001]本专利技术涉及磁信号探测领域，特别是涉及一种SQUID检测模块、芯片、传感器及磁测量系统。

技术介绍

[0002]超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，以下简称SQUID)的传感器是目前已知的最灵敏的磁传感器。广泛应用于心磁、脑磁、极低场核磁共振，以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。
[0003]近些年随着脑神经和脑认知学科的发展，高性能的脑磁信号探测装置的需求不断增加。这些装置通常使用多通道的直流SQUID(dc
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SQUID)，以下简称SQUID作为核心传感器。超导量子干涉仪传感器在高端多通道磁测量系统应用中，面临两个主要挑战：
[0004]1)低温冷却成本较高。超导SQUID需要工作在4.2k环境下，通常使用液氦提供低温环境，即SQUID浸泡在液氦中工作，其信号通过低温引线引出与室温环境下的读出电路连接，实现磁场信号到电压信号的线性转化。引线是电的良导体，因此也是热的良导体，它们一端连接着4.2k的SQUID器件，一端连接着室温电子电路。热量通过引线不断传入液氦中，加快液氦持续蒸发损耗。在多通道SQUID传感器系统中，液氦损耗问题更为突出，因此开发使用更少引线降低液氦蒸发率的传感器电路是发展超导传感器系统的关键技术。
[0005]2)传感器操作复杂，维护成本高。SQUID器件的磁敏感的工作区间很小，对其读出电路设定的偏置电流和直流偏压非常敏感。其中的直流偏移，受引线电阻影响，引线电阻又随着液氦液面变化而变化。因此，SQUID传感器在长时间运行时，工作点会随着液氦的损耗而发生波动；工作点变化进而使传感器性能发生波动。造成SQUID传感器长时间运行不稳定，需要操作者定期进行零点校正，因而影响了传感器有效工作时间，降低了运行效率，提高了维护成本。因此开发低直流漂移，能长时间运行免维护的SQUID磁传感器，对开发高性能，高效率的SQUID传感器应用系统具有重要作用。
[0006]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种SQUID检测模块、芯片、传感器及磁测量系统，用于解决现有技术中引线产生的直流偏移影响传感器工作点、操作复杂、维护成本高等问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种SQUID检测模块，用于抑制直流漂移，所述SQUID检测模块至少包括：
[0009]反馈线圈、SQUID器件及第一约瑟夫森结；所述SQUID器件包括第二约瑟夫森结及第三约瑟夫森结，所述第二约瑟夫森结与所述第三约瑟夫森结并联；
[0010]所述反馈线圈、所述SQUID器件及所述第一约瑟夫森结的第一端连接在一起，并作为所述SQUID检测模块的第一连接端子；所述反馈线圈的第二端作为所述SQUID检测模块的第二连接端子；所述SQUID器件的第二端作为所述SQUID检测模块的第三连接端子；所述第一约瑟夫森结的第二端作为所述SQUID检测模块的第四连接端子。
[0011]可选地，所述第一约瑟夫森结中并联电阻的阻值为所述第二约瑟夫森结中并联电阻与所述第三约瑟夫森结中并联电阻并联后的阻值。
[0012]更可选地，所述第一约瑟夫森结中并联电阻的阻值为所述第二约瑟夫森结与所述第三约瑟夫森结中并联电阻阻值的一半。
[0013]更可选地，所述第一约瑟夫森结的临界电流为所述第二约瑟夫森结与所述第三约瑟夫森结的临界电流的1.5倍～1.8倍。
[0014]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种SQUID芯片，所述SQUID芯片至少包括上述SQUID检测模块。
[0015]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种SQUID传感器，所述SQUID传感器至少包括：
[0016]偏置与放大电路、控制电路、反馈电阻及上述SQUID检测模块；
[0017]所述SQUID检测模块对待测磁场进行检测；
[0018]所述偏置与放大电路为所述SQUID检测模块中的SQUID器件及第一约瑟夫森结提供偏置，并将所述SQUID器件与所述第一约瑟夫森结的电压差放大；
[0019]所述控制电路连接所述偏置与放大电路的输出端，基于所述SQUID器件与所述第一约瑟夫森结的电压差产生输出电压；
[0020]所述反馈电阻的一端连接于所述控制电路的输出端，另一端连接所述反馈线圈的第二端。
[0021]可选地，所述偏置与放大电路包括第一电阻、第二电阻、直流偏置源及差分放大器；所述第一电阻的第一端连接所述SQUID器件的第二端，第二端连接所述直流偏置源的正极；所述第二电阻的第一端连接所述第一约瑟夫森结的第二端，第二端连接所述直流偏置源的正极；所述直流偏置源的负极与所述SQUID检测模块的第一连接端子连接并接地；所述差分放大器的第一输入端连接所述第一电阻的第一端，第二输入端连接所述第二电阻的第一端，输出端输出放大后的电压差。
[0022]更可选地，所述第一电阻的阻值等于所述第二电阻的阻值。
[0023]可选地，所述控制电路为比例积分差分电路。
[0024]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术还提供一种磁测量系统，所述磁测量系统包括：
[0025]低温容器及至少一个上述SQUID传感器；所述低温容器为所述SQUID传感器中的SQUID检测模块提供低温工作环境。
[0026]如上所述，本专利技术的SQUID检测模块、芯片、传感器及磁测量系统，具有以下有益效果：
[0027]1、本专利技术的SQUID检测模块、芯片、传感器及磁测量系统能有效抑制直流偏移，引线电阻产生的直流偏移不影响传感器的工作点，因此，工作点设置后，不需要根据低温液体的容量变化调节工作点，操作方便。
[0028]2、本专利技术的SQUID检测模块、芯片、传感器及磁测量系统运行简单，只需调节直流偏置电压，使得SQUID器件获得磁通敏感特性，无需处理工作点电压偏移问题，大大降低系统操作难度，提高系统运行和维护效率。
附图说明
[0029]图1显示为一种SQUID芯片的结构示意图。
[0030]图2显示为SQUID芯片在电流源驱动下工作的示意图。
[0031]图3显示为SQUID芯片受磁通调控的电流
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电压特性曲线示意图。
[0032]图4显示为低温液体中的SQUID芯片与室温偏置源的连接关系示意图。
[0033]图5显示为SQUID芯片的实际电流
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电压特性曲线及工作点设置区的位置示意图。
[0034]图6显示为SQUID偏置放大电路和零点设置电路的结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SQUID检测模块，用于抑制直流漂移，其特征在于，所述SQUID检测模块至少包括：反馈线圈、SQUID器件及第一约瑟夫森结；所述SQUID器件包括第二约瑟夫森结及第三约瑟夫森结，所述第二约瑟夫森结与所述第三约瑟夫森结并联；所述反馈线圈、所述SQUID器件及所述第一约瑟夫森结的第一端连接在一起，并作为所述SQUID检测模块的第一连接端子；所述反馈线圈的第二端作为所述SQUID检测模块的第二连接端子；所述SQUID器件的第二端作为所述SQUID检测模块的第三连接端子；所述第一约瑟夫森结的第二端作为所述SQUID检测模块的第四连接端子。2.根据权利要求1所述的SQUID检测模块，其特征在于：所述第一约瑟夫森结中并联电阻的阻值为所述第二约瑟夫森结中并联电阻与所述第三约瑟夫森结中并联电阻并联后的阻值。3.根据权利要求2所述的SQUID检测模块，其特征在于：所述第一约瑟夫森结中并联电阻的阻值为所述第二约瑟夫森结与所述第三约瑟夫森结中并联电阻阻值的一半。4.根据权利要求1
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3任意一项所述的SQUID检测模块，其特征在于：所述第一约瑟夫森结的临界电流为所述第二约瑟夫森结与所述第三约瑟夫森结的临界电流的1.5倍～1.8倍。5.一种SQUID芯片，其特征在于，所述SQUID芯片至少包括如权利要求1
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4任意一项所述的SQUID检测模块。6.一种SQUID传感器，其特征在于，所述SQUID传感器至少包括：偏置与放大电路、控制电路、反馈电阻及如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：王永良，张国峰，李华，张洹千，李凌云，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：