高温SQUID芯片测试平台研制

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超导量子干涉器件(SQUID)是当前已知的最为灵敏的磁传感器之一,能够将极其微小的磁场变化转变为可以测得的电压信号,具有低噪声、高灵敏度、结构稳定等特点。以它为基础可以制造出多种测量仪器,被广泛用于生物医学、地质勘探和深海探测等领域。基于临界转变温度,SQUID可以分为低温SQUID和高温SQUID,低温SQUID一般工作在液氦环境(4.2 K)中,由于维持低温环境的技术复杂且成本昂贵,因此极大地限制了低温SQUID的应用。而高温SQUID可以在更高温度的液氮环境(77 K)中工作,大幅降低了使用成本,并且提高了便携性,能够实现在更多领域的应用。本文基于SQUID的基本工作原理,开展了高温SQUID芯片测试平台的研究,取得的创新如下:首先,利用Pspice电路仿真软件对DC SQUID进行了仿真建模,探究了偏置电流、结电阻以及不对称性对DC SQUID特性的影响。仿真结果表明,为了获得最大的输出电压摆幅,从而提高工作点的斜率,应当选择合适的偏置电流和结电阻。而不对称性会显著降低DC SQUID的最大磁通转换系数,因此在制造过程中应尽量避免。其次,通过Auto CAD、Solidworks、Altium Designer等设计软件对高温SQUID芯片测试平台的硬件进行了综合设计,测试平台的硬件主要包括机械控制模块、液氮低温模块、低通滤波器模块以及数据采集模块。为了获得洁净的电磁环境,避免外界电磁干扰,特别对液氮低温模块中的磁屏蔽装置进行了退火热处理,大幅地提高了其磁屏蔽的能力。最后,通过LabVIEW程序开发环境对高温SQUID芯片测试平台进行了软件设计,测量程序包括:临界转变温度测量、临界电流测量、SQUID电性能综合测量以及磁通电压调制曲线测量。测试平台研制完成后,对高温SQUID进行了性能参数的测量,测量结果显示构成高温SQUID的超导薄膜的临界转变温度约为90 K,临界电流密度为2.5 MA/cm~2,高温SQUID的最大磁通电压转换系数αmax=6.42×10-4Φ0/mV。
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