阅读说明：本技术 Squid探测模块及squid传感器 (SQUID detection module and SQUID sensor ) 是由 王永良 张树林 张国峰 荣亮亮 谢晓明 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种SQUID探测模块及SQUID传感器,包括：SQUID器件及超导线圈环,所述SQUID器件感应所述超导线圈环探测到的磁通并转换为电信号；其中,所述超导线圈环包括首尾相连的第一超导线圈单元及第二超导线圈单元,所述第一超导线圈单元及所述第二超导线圈单元的连接节点作为引线端子接收反馈信号。本发明的SQUID探测模块及SQUID传感器无需反馈线圈,节省端口、成本,简化版图设计难度,降低工艺难度,提高了成品率；且采用直接电反馈,减少了磁通泄露,对于多通道应用具有重要意义,可以大大降低通道间磁通干扰和耦合,解决多通道间信号串扰问题,降低了系统信号提取的难度。(The invention provides a SQUID detection module and a SQUID sensor, comprising: the SQUID device induces the magnetic flux detected by the superconducting coil ring and converts the magnetic flux into an electric signal; the superconducting coil loop comprises a first superconducting coil unit and a second superconducting coil unit which are connected end to end, and a connection node of the first superconducting coil unit and the second superconducting coil unit serves as a lead terminal to receive feedback signals. The SQUID detection module and the SQUID sensor do not need a feedback coil, so that ports and cost are saved, layout design difficulty is simplified, process difficulty is reduced, and yield is improved; and direct electrical feedback is adopted, magnetic flux leakage is reduced, the method has important significance for multi-channel application, magnetic flux interference and coupling among channels can be greatly reduced, the problem of signal crosstalk among multiple channels is solved, and the difficulty in system signal extraction is reduced.)

SQUID探测模块及SQUID传感器

技术领域

本发明涉及SQUID探测领域，特别是涉及一种SQUID探测模块及SQUID传感器。

背景技术

基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，以下简称SQUID)的磁传感器是目前已知的最灵敏的磁传感器，其中低温超导SQUID灵敏度优于10飞特，高温超导SQUID灵敏度优于100飞特。SQUID磁传感器是重要的高端应用传感器，广泛应用于生物磁，地球物理探测，极低场核磁共振等微弱磁场探测用用领域，具有很高的科研和应用价值。

传统的dc SQUID传感器芯片1包括一个SQUID器件、一个输入线圈Li及一个反馈线圈Lf。

如图1所示为传统的dc SQUID传感器芯片1的标准连接模式，SQUID器件由两个约瑟夫森结并联构成，从约瑟夫森结的连接端子S+及S-中通入合适的电流，则两端就会产生电压，该电压和SQUID器件中耦合的磁通相关，因此是一个磁通敏感元件，SQUID器件的两端连接读出电路2，实现磁通-电压转换。输入线圈Li用于和磁探头的探测线圈Lp(也叫磁通拾取线圈)连接，形成一个超导环，实现信号磁通的传输，探测线圈Lp和输入线圈Li形成的超导环中会形成环电流，电流大小和感应到的磁通成正比，该电流在流到输入线圈Li后，就会产生磁通耦合到SQUID器件中，被SQUID器件感应，产生电压。反馈线圈Lf用于和配套的读出电路2连接，其两端F+和F-接入读出电路2中的反馈回路，反馈线圈Lf将加载的反馈电流转换成磁通耦合到SQUID器件中，反馈线圈Lf配合读出电路2实现磁通-电压线性读出。

如图2所示为传统的dc SQUID传感器芯片1的间接反馈连接模式，在标准连接模式的基础上，反馈线圈Lf产生的反馈磁通不直接作用到SQUID上，而是作用到探测线圈Lp和输入线圈Li构成的超导环上，再通过输入线圈Li耦合到SQUID器件中，然后通过读出电路2实现被测磁通的读出。间接反馈连接模式只是调整了反馈磁通作用的路径，传感器工作原理没有变化。

传统dc SQUID传感器芯片的应用中需要两个路径将磁通作用到SQUID器件中，一路是被测磁通，一路是反馈磁通，因此需要为两路磁通配套相应的线圈。SQUID器件环路很小，空间有限，多个线圈增加版图设计难度，增加分布参数引入的问题。间接反馈模式减少SQUID器件的耦合线圈数量，但增加了磁通传输用的超导环的设计复杂度，要建立反馈线圈和超导环的耦合，必然要引入额外的电感和互感，这会改变探测磁通信号输入的强度。

因此，如何减少线圈数量、减少线圈设计的难度且不改变SQUID传感器的性能，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

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探测模块及SQUID传感器，用于解决现有技术中线圈数量多、线圈设计难度大、SQUID传感器的性能受影响等问题。

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

SQUID器件及超导线圈环，所述SQUID器件感应所述超导线圈环探测到的磁通并转换为电信号；其中，所述超导线圈环包括首尾相连的第一超导线圈单元及第二超导线圈单元，所述第一超导线圈单元及所述第二超导线圈单元的连接节点作为引线端子接收反馈信号。

可选地，所述第一超导线圈单元至少包括探测线圈，所述第二超导线圈单元至少包括输入线圈。

更可选地，所述第一超导线圈单元还包括与所述探测线圈串联的第一辅助线圈。

更可选地，所述第二超导线圈单元还包括与所述输入线圈串联的第二辅助线圈。

可选地，所述第一超导线圈单元至少包括第三辅助线圈，所述第二超导单元至少包括串联的探测线圈及输入线圈。

更可选地，所述第二超导线圈单元还包括与所述探测线圈及所述输入线圈串联的第四辅助线圈。

可选地，所述超导线圈环中两个引线端子分别通过导线引出。

更可选地，所述导线的材料包括超导材料或非超导导电材料。

可选地，所述SQUID器件包括并联的第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结。

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

上述SQUID探测模块及读出模块；

所述SQUID探测模块中SQUID器件的两个引线端子分别连接所述读出模块的输入端，所述SQUID探测模块中超导线圈环的两个引线端子分别连接所述读出模块的反馈端。

如上所述，本发明的SQUID探测模块及SQUID传感器，具有以下有益效果：

1、本发明的SQUID探测模块及SQUID传感器无需反馈线圈，节省端口、成本，简化版图设计难度，降低工艺难度，提高了成品率。

2、本发明的SQUID探测模块及SQUID传感器将磁通反馈变成直接电反馈，减少了磁通泄露，对于多通道应用具有重要意义，可以大大降低通道间磁通干扰和耦合，解决多通道间信号串扰问题，降低了系统信号提取的难度。

附图说明

图1显示为现有技术中的传统dc SQUID传感器芯片标准连接模式的结构示意图。

图2显示为现有技术中的传统dc SQUID传感器芯片间接反馈连接模式的结构示意图。

图3显示为本发明的SQUID探测模块的一种结构示意图。

图4显示为本发明的SQUID探测模块的另一种结构示意图。

图5显示为本发明的SQUID探测模块的又一种结构示意图。

图6显示为本发明的SQUID传感器的一种结构示意图。

图7显示为本发明的SQUID传感器的另一种结构示意图。

元件标号说明

1 传统dc SQUID传感器芯片

2 读出电路

3 SQUID探测模块

31 SQUID器件

32 超导线圈环

321 第一超导线圈单元

322 第二超导线圈单元

4 读出模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图3所示，本实施例提供一种SQUID探测模块3，所述SQUID探测模块3包括：

SQUID器件31及超导线圈环32。

如图3所示，所述SQUID器件31用于感应所述超导线圈环32探测到的磁通并转换为电信号。

具体地，所述SQUID器件31包括并联的第一约瑟夫森结及第二约瑟夫森结，所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结通过超导线连接，且所述第一约瑟夫森结及所述第二约瑟夫森结的两个连接节点作为引线端子，分别引出第一输出端S+及第二输出端S-；所述SQUID器件31将其感应到的磁通转换成电压信号。

如图3所示，所述超导线圈环32探测磁场，并传输磁通信号。

具体地，所述超导线圈环32包括首尾相连的第一超导线圈单元321及第二超导线圈单元322，所述第一超导线圈单元321包括一个超导线圈或两个及以上串联的超导线圈，所述第二超导线圈单元322也包括一个超导线圈或两个及以上串联的超导线圈，不以本实施例为限；所述第一超导线圈单元321及所述第二超导线圈单元322的两个连接节点作为引线端子，分别引出第一反馈端F+及第二反馈端F-。

更具体地，如图3所示，在本实施例中，所述第一超导线圈单元321包括探测线圈Lp，所述第二超导线圈单元322包括输入线圈Li。所述探测线圈Lp与所述输入线圈Li首尾相连形成环路，所述探测线圈Lp与所述输入线圈Li通过超导线连接。所述探测线圈Lp与所述输入线圈Li的一个连接节点作为所述第一反馈端F+，另一个连接节点作为所述第二反馈端F-，所述第一反馈端F+及所述第二反馈端F-所分别通过导线引出，所述导线的材料包括但不限于超导材料或非超导导电材料，任何可导电的材料均适用于本发明，在此不一一列举。外部电流可以通过所述第一反馈端F+流入所述超导线圈环32，在所述超导线圈环32中分左右两路流动，并通过所述第二反馈端F-流出所述超导线圈环32。因此，从外加电流的角度，所述超导线圈环32可以分成两个电流支路，分别为所述探测线圈Lp所在电流支路及所述输入线圈Li所在电流支路。

在实际使用中，所述第一超导线圈单元321还可包括与所述探测线圈Lp串联的第一辅助线圈L1，和/或与所述输入线圈Li串联的第二辅助线圈L2(图4仅显示两条电流支路中均设置辅助线圈的情况，仅单条电流支路中设置辅助线圈的情况未图示)，不以本实施例为限。

需要说明的是，本发明所述的两个连接节点是指两点之间电感不为零(导线电感忽略)，若两点之间电感为零则认为两个点实际为同一连接节点；且所述的两个连接节点设置于超导线上(并非线圈的中间抽头)，不改变所述超导线圈环32本身的任何物理性质，即所述超导线圈环32中的环电流和耦合的磁通成正比。

实施例二

如图5所示，本实施例提供一种SQUID探测模块3，与实施例一的不同之处在于，本实施例的所述第一超导线圈单元包括第三辅助线圈，所述第二超导单元包括串联的探测线圈及输入线圈。

如图5所示，在本实施例中，所述第一超导线圈单元321包括第三辅助线圈L3；所述第二超导线圈单元322包括探测线圈Lp及输入线圈Li，所述探测线圈Lp及所述输入线圈Li串联连接。所述探测线圈Lp、所述输入线圈Li及所述第三辅助线圈L3首尾相连形成环路。所述探测线圈Lp与所述第三辅助线圈L3的连接节点作为所述第一反馈端F+，所述输入线圈Li与所述第三辅助线圈L3的连接节点作为所述第二反馈端F-。所述第一反馈端F+及所述第二反馈端F-将所述超导线圈环32分割为两条电流支路，分别为所述第三辅助线圈L3所在电流支路及所述探测线圈Lp与所述输入线圈Li所在电流支路。

在实际使用中，所述第一超导线圈单元321还可包括与所述第三辅助线圈L3和/或与所述探测线圈Lp及所述输入线圈Li串联的第四辅助线圈L4(未图示)，不以本实施例为限。

实施例三

如图6所示，本实施例提供一种SQUID传感器，所述SQUID传感器至少包括：

SQUID探测模块3及读出模块4。

如图6所示，所述SQUID探测模块3检测被测磁场，并转换为相应的电信号。

具体地，所述SQUID探测模块3的结构与实施例一相同(图6仅显示不具有第一辅助线圈L1及第二辅助线圈L2的情况，具有辅助线圈的情况应用方式相同)，在此不一一赘述。所述探测线圈Lp检测被测磁场，并于所述超导线圈环32中形成环电流(环电流与被测磁场的磁通Φp成正比)，环电流传输到所述输入线圈Li中，所述输入线圈Li再将所述环电流转换为磁通耦合到所述SQUID器件31中，所述SQUID器件31将感应到的磁通转化为电压信号。

如图6所示，所述读出模块4连接所述SQUID探测模块3，对所述SQUID探测模块3输出的信号进行线性转换，得到读出电压Vo及反馈电流。

具体地，所述读出模块4的输入端分别连接所述SQUID器件31的第一输出端S+及第二输出端S-，获取所述SQUID器件31上的电压。所述读出模块4的反馈端分别连接所述超导线圈环32的第一反馈端F+及第二反馈端F-，所述读出模块4中的反馈电流通过所述第一反馈端F+及第二反馈端F-传输到所述超导线圈环32中，并作用到所述输入线圈Li上，所述反馈电流通过所述输入线圈Li反馈到所述SQUID器件31中，进而形成反馈环路。

需要说明的是，任意可实现线性转换的SQUID读出电路均适用于本发明，在此不一一赘述。

由于本实施例的反馈信号直接加载在所述超导线圈环32中，无需反馈线圈，可节省成本及版图设计难度，且对所述SQUID传感器的性能不产生影响。

实施例四

如图7所示，本实施例提供一种SQUID传感器，与实施例三的不同之处在于，所述SQUID传感器中的所述SQUID探测模块3采用实施例二所述的结构。

具体地，所述SQUID探测模块3检测被测磁场的原理及所述读出模块4的工作原理与实施例三相同，在此不一一赘述。

具体地，所述反馈电流从所述第一反馈端F+流入所述SQUID探测模块3，而后分流到所述第三辅助线圈L3所在电流支路及所述探测线圈Lp与所述输入线圈Li所在电流支路，最后经由所述第二反馈端F-回到所述读出模块4。所述SQUID传感器工作稳定后，读出模块4在磁通锁定工作原理作用下，会使得所述输入线圈Li所在电路支路的电流保持恒定不变，另一个支路变化的电流直接流入所述读出模块4，因此只有所述第三辅助线圈L3所在支路产生磁通泄露。相对于实施例二中所述探测线圈Lp必须按设定好的几何尺寸设计，其引起的泄露磁通无法抑制，而本实施例可通过改变所述第三辅助线圈L3的尺寸(包括但不限于缩小几何尺寸)进而抑制磁通泄露。

需要说明的是，在实际使用中，可将所述超导线圈环32中所有不能改变几何结构，会引起磁通泄露的超导线圈(包括但不限于所述探测线圈Lp)都和所述输入线圈Li放置在同一电流支路中，而用一个可以改变尺寸的辅助线圈放置在另一电流支路(可能泄露的磁通转移到该电流支路中)，通过线圈在电流支路的布局配置减少磁通泄露，在多个传感器同时工作的场合减少通道间的相互干扰。

综上所述，本发明提供一种SQUID探测模块及SQUID传感器，包括：SQUID器件及超导线圈环，所述SQUID器件感应所述超导线圈环探测到的磁通并转换为电信号；其中，所述超导线圈环包括首尾相连的第一超导线圈单元及第二超导线圈单元，所述第一超导线圈单元及所述第二超导线圈单元的连接节点作为引线端子接收反馈信号。本发明的SQUID探测模块及SQUID传感器无需反馈线圈，节省端口、成本，简化版图设计难度，降低工艺难度，提高了成品率；且采用直接电反馈，减少了磁通泄露，对于多通道应用具有重要意义，可以大大降低通道间磁通干扰和耦合，解决多通道间信号串扰问题，降低了系统信号提取的难度。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。