[发明专利]一种SQUID芯片及其检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，特别是涉及一种SQUID芯片及其检测方法。

背景技术

基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)的磁传感器是目前已知的最灵敏的磁探测器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10^-15特斯拉)量级。SQUID磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用价值。

SQUID器件必须工作在使其进入超导状态的低温环境下。如图1所示，SQUID磁传感器1由SQUID芯片11和读出电路12构成。所述SQUID芯片11工作在低温环境下，所述读出电路12工作在常温环境下，所述SQUID芯片11与所述读出电路12通过导线13实现连接。目前SQUID器件的超导环境主要通过液氦或液氮来维持，即将所述超导量子干涉器芯片11放入储存液氦或液氮的低温恒温器14(又名：杜瓦)中，并浸泡在液氦或液氮等低温液体中。其中，高温超导材料制成的高温SQUID器件通常工作在液氮提供的低温环境下(温度为77K)，低温超导材料制成的低温SQUID器件通常工作在液氦提供的低温环境下(温度为4.2K)。

如图2所示，低温下的SQUID芯片中包含三个元件：1、SQUID器件，2、反馈线圈，3、加热电阻。所述SQUID芯片中的三个元件独立引出线，共有6个端子与外部电路连接。典型的SQUID芯片及传感电路的构成如图3所示，传统的传感电路需要6根导线连接低温环境下的SQUID芯片，其中，SQUID器件的两端通过2根导线连接至基于磁通锁定环路的SQUID读出电路，反馈线圈的两端通过2根导线连接至基于磁通锁定环路的SQUID读出电路，加热电阻的两端通过2根导线分别连接至产生加热电流I_h的电压V₁及参考地。

连接低温器件和室温电路的导线，首先承担低噪声信号传输功能，要求导电性良好的铜线或低阻低温线；其次导线两端温差巨大(4.2K到300K)，因此导热效应非常明显，对低温液氦或液氮的损耗很大。随着通道数的增加，导线数量的增加，热损耗变得很大，对低温系统的维持带来了挑战，也限制了多通道系统的发展，因此减少低温和室温电路的连接导线是设计上的关键，多通道数的SQUID应用系统要求低温电路与常温电路之间的导线尽可能少。

低温器件与常温电路的导线的热传导是低温液体损耗的主要原因，减少导线的数量，将大大降低热传导效率，从而降低低温液体损耗。低温环境的维持是目前应用超导SQUID系统的主要技术挑战。4.2k的低温环境通常采用液氦来维持，液氦资源有限，我国不能自主供应，主要从美国进口。成本高昂(每升液氦20～30美金)，供应受限。同时液氦的输灌过程损耗大，系统必须停机配合，效率低，设备间接成本大。因此尽可能减少低温液体损耗，减少低温液体充灌的次数，延长设备运行时间，具有重要经济价值。本发明将通过减少引线数量的设计，降低系统低温损耗，提供超导SQUID系统运行经济性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种SQUID芯片及其检测方法，用于解决现有技术中低温电路与常温电路之间连接导线数量多，热损耗大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID芯片，所述SQUID芯片至少包括：

SQUID器件，将检测到的磁通量转化为电压后通过第一管脚和第二管脚输出所述SQUID芯片；

反馈线圈，通过第三管脚和第四管脚接收所述SQUID芯片外部室温电路加载的反馈电流，并将所述反馈电流转换为磁通信号耦合至所述SQUID器件；

以及加热器，并联于所述反馈线圈的两端，与所述反馈线圈共用所述第三管脚和所述第四管脚，所述加热器接收所述SQUID芯片外部室温电路加载的加热电流以产生热量，改变所述SQUID器件和所述反馈线圈所处的环境温度，进而改变所述SQUID器件和所述反馈线圈的工作状态。

优选地，所述反馈线圈的材料为超导材料或超导薄膜材料。

优选地，所述反馈线圈的超导临界电流I_c满足：I_fmax<I_c<I_h，其中，I_fmax为最大反馈电流，I_h为加热电流。