СКВИД-МАГНИТОМЕТР НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПЛЕНКАХ Российский патент 2002 года по МПК H01L39/22 

Изобретение относится к электронным устройствам, использующим высокочувствительные системы на базе пленочных высокотемпературных ПТ-СКВИДов. Изобретение может быть использовано при создании высокочувствительных датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля, применено для регистрации магнитокардиограмм в медицине, в геофизике, в экологии, для контроля парамагнитных примесей в нефтепродуктах. Известны различные способы изготовления слабых связей:
1. На толстых керамических пленках d=50-100 мкм, выращенных методом седиментации. (j_c=10³) (СФХТ 1989, N5. Т.2, стр. 97-102).

2. На поликристаллических пленках и пленках, выращенных CVD-методом толщиной d=2-4 мкм и с плотностью критического тока j_c=10⁴ А/см² (Japan Journal of Applied Physics Vol 20. No I. January 1990. Pp 74-78).

3. На эпитаксиальных ВТСП пленках, нанесенных распылением или лазерной абляцией на бикристаллические подложки SrTiO₃, LaAlO₃ или подложки с предварительно организованным профилем ступеньки и т.д. (заявка JP 6080845 В4, МПК 5 H01L 39/24).

Однако при формировании интерферометров на пленках низкого качества (j_c<10⁴) возникает ряд проблем, так как при изготовлении мостиков дайемовского типа на пленках с типичным средним размером сверхпроводящих гранул в несколько микрон в областях концентрации тока оказывается большое число несверхпроводящих границ, "прозрачных" для магнитного поля.

Это приводит к появлению множества контуров квантования, которые не позволяют реализовать ПТ-СКВИД с высокой чувствительностью и малым шумом. Известен датчик-магнитометр или градиометр на базе ПТ-СКВИДа, изготовленного на YBaCuO пленках толщиной d=50÷150 нм и критическим током при Т=77,6 К, j_c= 10⁶А/cм² (Proc. ASC 96. Pittsburgh. USA, Preprinnt EKC-5, to appear in IEEE Trans. Appl. Supercond. 7(1997). Слабые связи типа мостика Дайема организованы на бикристаллической подложке SrТiО₃ или NdGaO₃ с 24 и 36,8^oС на границе разориентации кристаллических структур подложки. ПТ-СКВИД расположен внутри приемного контура магнитометра или между расположенных в одной плоскости приемных контуров градиометра. Контур магнитометра имеет размер 5х5 мм, а контуры градиометра имеют размеры 5х10 мм. При этом контактные площадки тока смещения находятся внутри приемных контуров градиометра. Контактные площадки, присоединенные к контуру квантования ПТ-СКВИДа, служат для задания тока смещения, а также для измерения напряжения на нем.

Недостатком является то, что контактные площадки расположены внутри приемных контуров, являющихся концентраторами магнитного потока магнитометра или градиометра, которые являются источником тепловых шумов на металле с нормальной проводимостью. Кроме того, в джозефсоновских связях типа мостика Дайема на бикристаллических подложках, как это имеет место в аналоге, эффект концентрации магнитного потока ослаблен из-за наличия границ между кристаллитами либо микровкраплениями несверхпроводящей фазы YBaCuO и, таким образом, снижается чувствительность ПТ-СКВИД-магнитометра. Более того, в области сужения сверхпроводящих электродов вблизи шва бикристалла не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_с мостиков. То есть могут появиться дополнительные контуры квантования, существенно ухудшающие работу интерферометра.

Известен также высокосимметричный СКВИД- градиометр с проводящими цепями из высокотемпературного сверхпроводника, (заявка ДЕ 19509230 Аl, МПК 6 H 01 L 39/22).

Градиометр содержит два антенных контура, включенных параллельно центральной перемычке и имеющих одинаковые первые площади, и связанный гальванически с центральной перемычкой СКВИД, установленный на первой подложке. На второй подложке находится цепь двух одинаковых антенных контуров, представляющая собой второй градиометр, имеющий относительно большую площадь. Расположенные на своих подложках антенные контуры методами техники интегральных схем объединены в единый элемент с примыканием вдоль своих отрезков и индуктивно связаны с друг с другом.

Недостатком этого устройства является необходимость создания диэлектрического слоя при наложении двух схем друг на друга, а по линии примыкания не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_с мостиков. То есть могут появиться дополнительные контуры квантования, существенно ухудшающие работу интерферометра.

Известен также сверхпроводящий квантовый магнитометр на высокотемпературных сверхпроводниках с трансформатором потока (заявка ДЕ 4433331А1, МПК 6 H 01 L 39/22).

Магнитометр представляет собой СКВИД постоянного тока с элементами Джозефсона, сверхпроводящий контур которого охватывает область связи, в которую измеряемое магнитное поле вводится трансформатором магнитного потока с приемными контурами и катушкой связи с несколькими витками. Предложено часть контура, содержащего контакты Джозефсона, располагать вблизи от области связи и придавать ей форму контура связи таким образом, чтобы в этом контуре непосредственно у края области связи наводились экранирующие токи.

Недостатком предлагаемого устройства являются расположенные внутри катушки связи контактные площадки с нормальной проводимостью, создающие тепловой шум внутри приемных контуров, технологические сложности при создании многослойных структур при выведении витков катушки связи над контуром связи.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является СКВИД-магнитометр с токопроводящими элементами из высокотемпературного сверхпроводника (заявка ДЕ 19505060 А1, МПК 6 H 01 L 39/22), представляющий собой СКВИД постоянного тока с элементами Джозефсона, содержащий: измерительный контур, который охватывает зону связи; приемный контур, воспринимающий сигнал магнитного поля; катушку связи, имеющую несколько витков, для индуктивного введения сигнала магнитного потока в измерительный контур. В магнитометре часть измерительного контура, граничащая с зоной связи и не содержащая элементов Джозефсона, выполняется в форме кольцеобразной поверхности связи, причем витки обмотки связи, по меньшей мере, отчасти, таким образом расположены над кольцевой поверхностью связи, что в ней, непосредственно у края зоны связи, наводятся токи.

Недостатком этого устройства являются технологические сложности при создании многослойных структур при расположении витков катушки связи над кольцеобразной поверхностью связи и необходимость введения постоянного тока смещения ПТ-СКВИДа через контактные площадки с нормальной проводимостью, расположенные внутри приемных контуров, являющихся концентраторами магнитного потока магнитометра. То есть может появиться дополнительный источник тепловых шумов, существенно ухудшающий работу интерферометра.

Задачей изобретения является создание высокочувствительного датчика-магнитометра на тонких сверхпроводящих YBaCuO пленках высокого качества на базе ПТ-СКВИДа, совмещенного с трансформатором потока, обеспечивающего при упрощении технологии изготовления повышение стабильности работы, надежность и воспроизводимость характеристик за счет отсутствия многослойности многовитковых контуров и отсутствия контактов из нормального металла внутри этих контуров.

Указанный технический результат достигается тем, что СКВИД-магнитометр, содержащий приемный контур, контур связи для введения магнитного потока в измерительный контур, включающий ПТ-СКВИД с элементами Джозефсона, изготовлен на одном слое ВТСП пленки толщиной 10-100 нм, сформированной на изолирующей подложке, в центре которой размещен измерительный контур, часть которого, не содержащая элементов Джозефсона, непосредственно контактирует с контуром связи, содержащим два витка, включенных навстречу друг другу, приемный контур окружает часть контура связи, расположенную вокруг измерительного контура, а на внешней части подложки размещен контур модуляции и обратной связи, окружающий приемный контур и часть контура связи, удаленную от измерительного контура. Магнитометр имеет электроды тока смещения и тока модуляции, удаленные от всех контуров магнитометра, индуктивно с ними не связанные и выполненные на подслое из золота или платины. При указанном выполнении магнитометра устраняются внешние шумовые сигналы от подводящих электродов из нормального металла.

Общий вид сверхпроводящего квантового магнитометра изображен на чертеже.

Сверхпроводящий квантовый магнитометр содержит измерительный контур, включающий в себя ПТ-СКВИД с джозефсоновскими мостиками 1, 2 и контуром квантования 3, контур связи, включающий два витка 4, 5, приемный контур 6, представляющий собой трансформатор магнитного потока и контур модуляции и обратной связи 7. Вся схема изготовлена на одном слое ВТСП эпитаксиальной или монокристаллической пленки толщиной 10-100 нм, сформированной на изолирующей подложке, например SrТiO₃, LaAlO₃, Аl₂О₃.

Контуры модуляции, приемный и контур связи отделены друг от друга линиями изоляции 8-11. Измерительный контур сформирован в центре подложки.

Часть измерительного контура, не содержащая элементов Джозефсона, непосредственно контактирует с контуром связи, витки которого 4, 5 благодаря линии 8 изоляции включены навстречу друг другу. Приемный контур 6, представляющий собой трансформатор магнитного потока, окружает часть контура связи, расположенного вокруг измерительного контура. Контур модуляции 7 занимает остальную часть подложки и окружает приемный контур 6 и часть контура связи, удаленную от измерительного контура. На удаленной от измерительного контура части контура связи размещены электроды 12, 13 тока смещения. В контуре модуляции и обратной связи 7 размещены электроды тока модуляции 14, 15, также удаленные от измерительного и приемного контуров. Для надежного малошумящего электрического контакта при включении магнитометра в измерительную схему и устранения деградации сверхпроводящих свойств пленок на подложку в местах будущего расположения контактных электродов наносится подслой золота или платины.

Пленку YBaCuO напыляют на изолированную подложку при температуре 790-860^oС методом лазерного распыления. Геометрия слабых связей ПТ-СКВИДа, контура квантования, концентратора магнитного потока и контура связи с выводами на золотые или платиновые контакты формируется методом фотолитографии и сухого травления по патенту РФ N 1823732, разработанному авторами, который имеет высокую технологическую воспроизводимость при изготовлении слабых связей шириной 1-2 мкм.

Работа магнитомера основана на зависимости критического напряжения на ПТ-СКВИДе от величины внешнего магнитного потока, наведенного в контуре 3. Повышенная чувствительность магнитометра к изменяющемуся магнитному потоку достигается тем, что контур квантования ПТ-СКВИДа непосредственно совмещен с симметричными контурами связи, витки которого благодаря линии изоляции включены навстречу друг другу, поэтому шумовой сигнал в них вычитается, а измеряемый сигнал индуктивно вводится через концентратор магнитного потока. Внешний виток контура модуляции и обратной связи из ВТСП пленки позволяет без тепловых шумов вводить магнитометр в измерительную схему.

Исследования шумовых характеристик магнитометров проводились при включении их в стандартную схему с замкнутой обратной связью. Коэффициент преобразования выходного напряжения интегратора в поток, действующий на ПТ-СКВИД-магнитометр, находился по методу определения минимального скачка напряжения при перезахвате следящей схемы СКВИДа. Измерения шумовых характеристик образцов показали, что при частотах f≥1 Гц их энергетическая чувствительность составляет Е=10^-30-10^-31 Дж/Гц.

Изобретение относится к электронным устройствам, использующим высокочувствительные системы на базе пленочных высокотемпературных ПТ-СКВИДов. Предложен СКВИД-магнитометр на высокотемпературных пленках, содержащий приемный контур, контур связи для введения магнитного потока в измерительный контур, включающий ПТ-СКВИД с элементами Джозефсона. Магнитометр изготовлен на одном слое ВТСП пленки толщиной 10-100 нм, сформированной на изолирующей подложке, в центре которой размещен измерительный контур, часть которого, не содержащая джозефсоновских элементов, непосредственно контактирует с контуром связи, состоящим из двух витков, включенных навстречу друг другу. Приемный контур окружает часть контура связи, расположенную вокруг измерительного контура, а на остальной части подложки размещен контур модуляции и обратной связи, окружающий приемный контур и часть контура связи, удаленную от измерительного контура. В результате упрощается технология изготовления с одновременным повышением стабильности работы и надежности магнитометра. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СКВИД-магнитометр на высокотемпературных пленках, содержащий приемный контур, контур связи для введения магнитного потока в измерительный контур, включающий ПТ-СКВИД с элементами Джозефсона, отличающийся тем, что магнитометр изготовлен на одном слое ВТСП пленки толщиной 10-100 нм, сформированной на изолирующей подложке, в центре которой размещен измерительный контур, часть которого, не содержащая джозефсоновских элементов, непосредственно контактирует с контуром связи, состоящем из двух витков, включенных навстречу друг другу, приемный контур окружает часть контура связи, расположенную вокруг измерительного контура, а на остальной части подложки размещен контур модуляции и обратной связи, окружающий приемный контур и часть контура связи, удаленную от измерительного контура. 2. СКВИД-магнитометр на высокотемпературных пленках по п. 1, отличающийся тем, что он имеет электроды тока, смещения, выполненные на подслое из золота или платины и расположенные в удаленной от измерительного контура части контура связи. 3. СКВИД-магнитометр на высокотемпературных пленках по п. 1, отличающийся тем, что он имеет электроды тока модуляции, выполненные на подслое из золота или платины и расположенные в контуре модуляции и обратной связи.