超导量子干涉传感组件及所适用的超导量子干涉传感器

摘要

本发明提供一种超导量子干涉传感组件及所适用的超导量子干涉传感器。所述传感器包括：超导量子干涉传感组件及所连接的读出电路。其中，所述超导量子干涉传感组件包括：与外接的偏置电源相连的超导量子干涉器件；与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈；与所述偏置电源和反馈线圈相连、且用于将所述反馈线圈所输出的感应信号予以放大并输出的放大单元；与所述超导量子干涉器件串联、且提高所述超导量子干涉器件的输出电压的电压提升单元。本发明能有效避免放大单元对感应信号的分流，并对所述感应信号进行放大。

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器结构，特别是涉及一种超导量子干涉传感组件及所适用的超导量 子干涉传感器。

背景技术

超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device以下简称SQUID）是 目前已知最灵敏的磁传感器，在微弱磁信号探测，如心磁、脑磁、核磁共振、地球物理探测 中具有重要的应用。

SQUID是超导宏观量子效应器件，其感应到的感应信号非常微弱，最大响应磁场输出的 电压只有几十个uV。工作在超低温环境下，需要通过较长（1米以上）的电缆，才能将感应 信号接到常温的放大器中，传输距离远。因此SQUID传感器在实际应用中，信号微弱，传输 距离长信号易衰减。

由于SQUID的信号微弱，与其连接的常温放大器的噪声将占主导地位，无法发挥SQUID 器件本身的高灵敏度性能。因此需要提高传感器的灵敏度，增大传感器输出信号，解决放大 器匹配的问题。

提高SQUID传感器的灵敏度即磁通电压传输率是提供抑制读出电路前置放大器噪声的 关键因素。

为了提高SQUID传感器的磁通电压传输率，人们将常规磁传感器中所使用的反馈电路应 用到了SQUID器件中。比如，如图1所示，利用互感原理为所述SQUID器件增加由反馈线 圈和电阻构成的反馈电路，由此来提高磁通电压传输率，但是这种方式由于电阻的分流牺牲 了感应信号的电流幅度，使得所输出的感应信号不但没有被有效放大，还变得更加微弱。这 让处于常温环境的后续电路还需要提供更加复杂的电路来得到精准的、低噪声的感应信号。 因此，需要对现有的技术进行改进。

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超导量子干涉传感组件及所 适用的超导量子干涉传感器，用于解决现有技术中处于超导环境下的超导量子干涉传感组件 所输出的感应信号微弱的问题。

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涉传感组件，其至少包括： 与外接的偏置电源相连的超导量子干涉器件；与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈；与 所述偏置电源和反馈线圈相连、且用于将所述反馈线圈所输出的感应信号予以放大并输出的 放大单元；与所述超导量子干涉器件串联、且提高所述超导量子干涉器件的输出电压的电压 提升单元。

优选地，所述电压提升单元为二极管。

优选地，所述反馈线圈与所述超导量子干涉器件之间的互感M满足：且 趋近1，其中，为所述超导量子干涉器件的磁通电压传输率，g_m为所述放大单元的跨 导。

优选地，根据所述互感M所选择的反馈线圈将所述超导量子干涉器件所感应的感应信号 予以放大。

优选地，所述放大单元为场效应管，其中，所述场效应管的源极与所述反馈线圈相连， 所述场效应管的栅极与所述偏置电源相连，所述场效应管的漏极输出所述感应信号。

优选地，所述场效应管为P结型场效应晶体管、或N结型场效应晶体管。

优选地，所述场效应管为P结型场效应晶体管，则所述场效应管的漏极还通过电阻外接 负电源；或所述场效应管为N结型场效应晶体管，则所述场效应管的漏极还通过电阻外接正 电源。

优选地，所述传感组件位于提供超导环境的容器中。

优选地，所述超导环境为温度包括4.2K的液氦环境、或温度为77K的液氮的环境。

基于上述目的，本发明还提供一种超导量子干涉传感器，其至少包括：如上中任一所述 的超导量子干涉传感组件；以及与所述超导量子干涉传感组件连接的读出电路。

如上所述，本发明的超导量子干涉传感组件及所适用的超导量子干涉传感器，具有以下 有益效果：将放大单元与反馈线圈相连，能有效避免放大单元对感应信号的分流，并对所述 感应信号进行放大。

附图说明

图1显示为现有技术中的超导量子干涉传感组件的结构示意图。

图2显示为本发明的超导量子干涉传感组件的结构示意图。

图3显示为本发明的超导量子干涉传感组件的一种优选方案的结构示意图。

图4显示为本发明的超导量子干涉传感组件的又一种优选方案的结构示意图。

图5显示为本发明的超导量子干涉传感器的结构示意图。

元件标号说明

1                传感组件

11               超导量子干涉器件

12               电压提升单元

13               反馈线圈

14               放大单元

2                偏置电源

3                读出电路

4                传感器

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，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发明的其他优点及功效。

请参阅图2至图5。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，并非用以限定本发明可实施 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， 在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容 得能涵盖的范围内。

如图2所示，本发明提供一种超导量子干涉传感组件。所述传感组件1位于超导环境中， 并与所述超导环境一同放置在具有磁信号的环境下，以将所探测的磁信号转换为感应信号（电 信号）。所述传感组件1包括：超导量子干涉器件11、电压提升单元12、反馈线圈13和放大 单元14。其中，所述传感组件1受外接的偏置电源2所提供的偏置电流来工作。

所述超导量子干涉器件11与所述外接的偏置电源2相连，用于基于超导量子干涉技术在 超导环境下将所探测到的磁信号转换为电信号，并予以输出。

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。

所述反馈线圈13与所述超导量子干涉器件11互感。

具体地，所述反馈线圈13与所述超导量子干涉器件11构成正反馈的互感电路。其中， 所述反馈线圈13的选取依据为所述反馈线圈13与所述超导量子干涉器件11之间的互感M 满足：且趋近1，其中，为所述超导量子干涉器件11的磁通电压传 输率，g_m为所述放大单元14的跨导。优选地，根据所述互感M所选择的反馈线圈13将所 述超导量子干涉器件11所感应的感应信号予以放大。

所述放大单元14与所述偏置电源2和反馈线圈13相连，用于将所述反馈线圈13所感应 的感应信号予以再次放大并输出。

具体地，所述放大单元14在所述偏置电源2所提供的工作电压下，将所述反馈线圈13 所感应到的感应信号予以放大并输出至后端处于常温的电路中。其中，所述放大单元14优选 为半导体器件构成的放大单元14。

优选地，所述放大单元14为场效应管，其中，所述场效应管的源极与所述反馈线圈13 相连，所述场效应管的栅极与所述偏置电源2相连，所述场效应管的漏极输出所述感应信号。 其中，所述场效应管可以是P结型场效应晶体管、或N结型场效应晶体管。

所述电压提升单元12与所述超导量子干涉器件11串联，用于提高所述超导量子干涉器 件11的输出电压。其中，所述电压提升单元12可以为电阻。优选地，所述电压提升单元12 为二极管。例如，所述电压提升单元12为锗二极管。

具体地，所述电压提升单元12连接在所述超导量子干涉器件11和地线之间，所述超导 量子干涉器件11的输出电压被提高。如此，所述超导量子干涉器件11在较高的偏置电压作 用下具有更高的磁通电压传输率。

所述传感组件1的结构举例如下：

如图3所示，当所述放大单元14为P结型场效应晶体管、所述电压提升单元12为二极 管时，外接的偏置电源2与所述超导量子干涉器件11相连，所述超导量子干涉器件11与所 述二极管的输入端相连，所述二极管的输出端接地，外接的偏置电源2还与所述P结型场效 应晶体管的栅极相连，所述P结型场效应晶体管的源极与所述反馈线圈13相连，所述P结型 场效应晶体管的漏极输出感应信号，所述漏极还通过电阻外接正电源，其中，所述反馈线圈 13与超导量子干涉器件11互感。

图3所对应的传感组件1的工作过程为：

由于所述二极管的导通电压在0.2～0.4V之间，因此，外接的偏置电源2为正压并将所述 超导量子干涉器件11的输出电压相应增加0.2～0.4V，在所述偏置电源2的作用下，所述超导 量子干涉器件11将所探测的磁信号转为感应信号，并通过所述反馈线圈13予以第一次放大 并输出至所述P结型场效应晶体管，所述P结型场效应晶体管在所述偏置电源2所提供的工 作电压的作用下，工作在放大区，将所述反馈线圈13所输出的感应信号予以第二次放大输出。 其中，所述P结型场效应晶体管的输出电流I_out与感受到磁场Φ_e的关系如公式1： 由该公式1可以看出，在磁场Φ_e不变的情况下，所述P结型场效应 晶体管为固定器件，其跨导g_m为固定值，因此，所输出端电流I_out仅受互感M的影响，只要 选择互感M满足且趋近1的反馈线圈13，就可以将所述超导量子干涉器件 11所感应到的微弱的感应信号放大到毫伏级，则与所述放大单元14相连的后续电路能够更 容易的对所述感应信号进行积分处理。

如图4所示，当所述放大单元14为N结型场效应晶体管、所述电压提升单元12为二极 管时，外接的偏置电源2与所述超导量子干涉器件11相连，所述超导量子干涉器件11与所 述二极管的输出端相连，所述二极管的输入端接地，外接的偏置电源2还与所述N结型场效 应晶体管的栅极相连，所述N结型场效应晶体管的源极与所述反馈线圈13相连，所述N结 型场效应晶体管的漏极输出感应信号，所述漏极还通过电阻外接负电源，其中，所述反馈线 圈13与超导量子干涉器件11互感。

图4所对应的传感组件1的工作过程为：

由于所述二极管的导通电压在0.2～0.4V之间，因此，外接的偏置电源2为负压并将所述 超导量子干涉器件11的输出电压相应降低0.2～0.4V，在所述偏置电源2的作用下，所述超导 量子干涉器件11将所探测的磁信号转为感应信号，并通过所述反馈线圈13予以第一次放大 并输出至所述N结型场效应晶体管，所述N结型场效应晶体管在所述偏置电源2所提供的工 作电压的作用下，工作在放大区，将所述反馈线圈13所输出的感应信号予以第二次放大输出。 其中，所述N结型场效应晶体管的输出电压V_o与感受到磁场Φ_e的关系如公式2： 由该公式2可以看出，在磁场Φ_e不变的情况下，所述N结型场 效应晶体管为固定器件，其跨导g_m为固定值，因此，所输出电压V_o仅受互感M和漏极所连 接的电阻R的影响，只要选择互感M满足且趋近1的反馈线圈13，以及合 适的电阻R，就可以将所述超导量子干涉器件11所感应到的微弱的感应信号放大到毫伏级， 则与所述放大单元14相连的后续电路能够更容易的对所述感应信号进行积分处理。

优选地，所述传感组件1还包括：容器（未予图示）。

所述容器将所述超导量子干涉器件11、电压提升单元12、反馈线圈13和放大单元14所 构成的电路包容在超导环境中，以便探测磁信号。其中，所述超导环境为温度包括4.2K的液 氦环境、或温度为77K的液氮的环境。

如图5所示，本发明还提供一种超导量子干涉传感器4。所述超导量子干涉传感器4包 括如上任一种所述的超导量子干涉传感组件1，以及与所述超导量子干涉传感组件1相连的 读出电路3。

所述读出电路3位于常温环境，用于对所述超导量子干涉传感组件1中的放大单元14所 输出的感应信号进行进一步的放大和积分处理。其中，所述读出电路3包括：与所述放大单 元14连接的前置放大器、与所述前置放大器连接的积分电路。

综上所述，本发明的超导量子干涉传感组件及所适用的超导量子干涉传感器，将放大单 元与反馈线圈相连，能有效避免放大单元对感应信号的分流，并对所述感应信号进行放大； 同时，通过电压提升单元对所述超导量子干涉器件的偏置电压的提升，能够有效提高磁通电 压传输率；另外，选用二极管作为电压提升单元，能够避免电阻随环境变化而产生的温漂或 阻值不稳等情况；此外，所述放大单元采用半导体材料的场效应管，能够在超导环境下有效 减少器件自身所产生的噪声以及电阻特性，进一步减少对感应信号的分流作用和温度对磁通 电压传输率的影响。所以，本发明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。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，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发明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，仍应由本发明的权利要求所涵盖。