專利名稱：筒形超導(dǎo)厚膜量子干涉器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及在液氮溫區(qū)下工作的超導(dǎo)量子干涉器〈簡稱SQUID〉，尤其與筒形超導(dǎo)厚膜量子干涉器有關(guān)。
由高TC超導(dǎo)材料制作的超導(dǎo)量子干涉器件中的約瑟夫森結(jié)多數(shù)采用微橋型?，F(xiàn)有的一種在液氮溫區(qū)工作的這類器件是由在體塊超導(dǎo)材料上打孔形成的超導(dǎo)環(huán)和在環(huán)上開缺口后留下的弱連接結(jié)串聯(lián)而成的。為了減小器件的自感，在其下方還有形狀相同的帶缺口的超導(dǎo)環(huán)。使用氧化物系超導(dǎo)材料制成的這種器件可以在液氮溫區(qū)下工作。這類干涉器的不足之處是〔1〕超導(dǎo)環(huán)加工成形困難，必須使用電火花切割和激光打孔技術(shù)，〔2〕超導(dǎo)環(huán)的壁厚，又不易制成大環(huán)孔面積，〔3〕不易與磁通變換線圈耦合，與磁通變換線圈耦合的方式一般可采用將線圈插入干涉器環(huán)孔內(nèi)，或套在干涉器外，要在這種干涉器的環(huán)孔內(nèi)插入現(xiàn)有的磁通變換器顯然是不容易的，而采用套在干涉器外的耦合方式又由于壁厚也使耦合性變差，〔4〕采用在器件下方加一段帶缺口的超導(dǎo)環(huán)的方式來降低自感L，不僅使自感L的計算復(fù)雜化，而且也影響其工作穩(wěn)定性。
本實用新型的目的是要設(shè)計一種在液氮溫區(qū)工作的、加工方便、環(huán)孔面積大、自感小和容易與磁通變換線圈耦合的量子干涉器。
本實用新型設(shè)計的高TC超導(dǎo)量子干涉器由陶瓷襯底，與襯底側(cè)面牢固結(jié)合的高TC超導(dǎo)筒組成。超導(dǎo)筒由帶狹縫的超導(dǎo)厚膜筒及位于狹縫間與超導(dǎo)厚膜筒相連的超導(dǎo)微橋組成。陶瓷襯底可以是空心或?qū)嵭牡姆叫位驁A形截面的柱。
為了不使器件受外界環(huán)境中雜散磁場信號的影響，設(shè)計的干涉器的外層還有超導(dǎo)屏蔽筒。


圖1是本實用新型設(shè)計的一種圓筒形超導(dǎo)厚膜量子干涉器的示意圖，其中A是射頻〈rf〉SQUID，B是直流〈DC〉SQUID。
圖2是一種方筒形超導(dǎo)厚膜量子干涉器示意圖。其中A是射頻〈rf〉SQUID，B是直流〈DC〉SQUID。
圖3是襯底為圓管形的干涉器示意圖。
圖4是另一種襯底為圓管形的干涉器示意圖。
圖5為厚膜在襯底內(nèi)表面，帶有屏蔽筒的量子干涉器示意圖。
圖6為在方形襯底棱上的微槽內(nèi)構(gòu)成微橋的量子干涉器示意圖。
圖7為棱上帶微槽的方形襯底。
圖8表示襯底為帶尖棱的圓管形，在尖棱的微槽內(nèi)構(gòu)成微橋的量子干涉器示意圖。
下面將結(jié)合附圖對本實用新型的實施方式及其效果作進一步的描述。
圖1－8為各種型式的超導(dǎo)厚膜量子干涉器的示意圖。圖1為一種圓筒形超導(dǎo)厚膜量子干涉器。它包括圓棒狀陶瓷襯底1，位于襯底外側(cè)面并與襯底牢固結(jié)合的超導(dǎo)筒。超導(dǎo)筒由帶狹縫的超導(dǎo)厚膜筒2及位于狹縫間與超導(dǎo)厚膜筒連成一體的一個超導(dǎo)微橋3組成，這種干涉器稱為射頻超導(dǎo)厚膜干涉器，簡稱為rf－SQOID，如圖1－A。超導(dǎo)筒也可以包含兩個超導(dǎo)微橋13，而構(gòu)成直流量子干涉器〈DCSQUID〉，如圖1－B。陶瓷襯底可以選用氧化鋯、氧化鋁、氧化鎂及鈦酸鍶等材料組成。超導(dǎo)筒可以選用現(xiàn)有的各種氧化物系高TC超導(dǎo)材料，如釔鋇銅氧、鉈鋇銅氧、鈣鍶鋇銅氧等。襯底和超導(dǎo)筒的高度可以相等，也可以不等，為幾毫米－幾十毫米之間。襯底的外徑在0.5－3毫米之間，超導(dǎo)筒的厚度一般在30－200微米之間。微橋的位置可在筒的中部或靠近端部。具有兩個微橋的量子干涉器，微橋的間隔可根據(jù)需要選擇，但必需在同一截面內(nèi)。微橋的寬度在幾微米－150微米之間，長10－100微米，厚度在30－80微米。這些參數(shù)的關(guān)系應(yīng)滿足自感L＜＜φo／4kBT，其中KB為玻爾茲曼常數(shù)，KB＝1.38×10－3J／k，T為干涉器的工作溫度，對于高TC的干涉器，T＝77K。因此，L＜＜1×10－9H。自感L與環(huán)孔的幾何尺寸關(guān)系大致為L～μ·S／l，其中μ＝4π×10－7，S為環(huán)孔面積〈即超導(dǎo)筒的環(huán)孔面積〉，l為其長度〈即超導(dǎo)筒的長度〉。根據(jù)這些關(guān)系，就可方便地確定干涉器的各幾何尺寸。
超導(dǎo)厚膜的制備方法可以采用本案同一申請人在申請?zhí)枮镃N88101614.4的名稱為“厚膜超導(dǎo)電子器件及其制造方法”中所提出的方法。微橋可用眾知的機械方法或激光刻蝕并弱化的方法加工而成。
襯底可采用方形棒材21，制成截面積在0.25－9mm2的方形超導(dǎo)厚膜量子干涉器。也可分別做成rfSQUID和DCSQUID如圖2中的A、B所示。襯底也可采用管材，如圓形管或方形管。圖3就是這種干涉器。它由圓管形陶瓷襯底31，超導(dǎo)厚膜筒32和微橋33組成。圖4為帶有兩個微橋43的這種干涉器。使用這類SQUID就可以進行實際測量，如野外地質(zhì)測量。這種結(jié)構(gòu)的干涉器很容易實現(xiàn)與磁通變換線圈的耦合，只需把形狀和尺寸與SQUID相近的磁通變換線圈套在SQUID外〈SQUID在襯底外周時〉或插在SQUID內(nèi)〈SQUID在襯底內(nèi)周時〉。也可方便地在襯底管內(nèi)放置射頻線圈。襯底圓管的壁厚要考慮管本身的強度，耐高溫燒結(jié)和室溫液氮熱循環(huán)的強度以及放置射頻線圈的方便。這是該領(lǐng)域的技術(shù)人員都會考慮又不難解決的問題。使用磁通變換線圈時，一般應(yīng)把SQUID〈干涉器〉和變換線圈中的輸入線圈一起屏蔽起來，使之不受外界環(huán)境的影響。實現(xiàn)這種屏蔽的一種方式就是在干涉器外可再套一個超導(dǎo)厚膜屏蔽筒。圖5就是一種帶超導(dǎo)屏蔽筒的量子干涉器，它由圓管形襯底51，在襯底內(nèi)周的由超導(dǎo)厚膜筒52和微橋53構(gòu)成的超導(dǎo)筒及在襯底外周的超導(dǎo)厚膜屏蔽筒54組成。其中襯底的截面也可以是方形或其它形狀，微橋可以是1個或2個。這種干涉器可有效地消除環(huán)境中雜散磁場信號，而且又可方便地與磁通轉(zhuǎn)換線圈耦合，只需把磁通轉(zhuǎn)換線圈的輸入線圈放在襯底的管內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)尤其適合一些如帶襯底的磁通變換線圈的特殊結(jié)構(gòu)。
為了簡化干涉器的制作，還可采用在方形截面襯底的棱上開微槽76的結(jié)構(gòu)〈見圖7〉。圖6是這種干涉器的示意圖，它由方形襯底61，超導(dǎo)厚膜筒62，微橋63組成。微橋63位于微槽66內(nèi)，構(gòu)成超導(dǎo)厚膜筒狹縫的兩條邊位于襯底棱的兩側(cè)。襯底可以是方棒，也可以是中心帶圓孔或其它形狀的方管，以便容納射頻線圈、增強器件耐高溫燒結(jié)和低溫沖擊的能力。根據(jù)需要也可在兩條棱上開微槽，設(shè)置兩個微橋。這種干涉器是這樣制成的，即先在尖棱上加工出微槽，然后在整個含尖棱及微槽的襯底側(cè)面上制備超導(dǎo)厚膜，最后用機械刮削方法除去棱頂上的超導(dǎo)厚膜，留在微槽內(nèi)的超導(dǎo)厚膜部分就成為和兩側(cè)超導(dǎo)膜連成一體的微橋。
也可采用內(nèi)周帶尖棱的圓管形襯底，在尖棱上加工出微槽。圖8就是這種干涉器，它由帶兩條尖棱85的襯底81，超導(dǎo)厚膜筒82和兩個微橋83組成，微橋83位于尖棱85的微槽86內(nèi)。根據(jù)設(shè)計要求，襯底上也可以只有一條尖棱。這種干涉器的外面也可再套一個超導(dǎo)厚膜屏蔽筒。
上述各種微橋在棱上微槽內(nèi)的量子干涉器，其尖棱的尖端一般都只稍微高出微橋，這樣設(shè)計不僅制造容易，而且也便于與磁通變換線圈耦合。
本實用新型設(shè)計的超導(dǎo)厚膜量子干涉器具有對外磁場靈敏度高，分辨率高的優(yōu)點，器件的耐久性好，不易損壞，可方便地與輸入線圈或磁通變換線圈耦合，由于壁薄，因此耦合性極好，而且很容易制造。應(yīng)用超導(dǎo)厚膜技術(shù)可方便地制成所需形狀和尺寸的超導(dǎo)厚膜筒和微橋。由氧化鋁陶瓷制成的方形襯底和在其表面厚度為80微米的氧化物系超導(dǎo)筒，以及尺寸為寬80微米，長40微米，厚50微米的微橋組成的rfSQUID，當環(huán)孔面積為1×1毫米2，長度為10毫米時，自感L約為1×10－10H，這種干涉器有明顯的干涉圖形，靈敏度較高。
權(quán)利要求1.一種由超導(dǎo)環(huán)形體和微橋串聯(lián)組成的超導(dǎo)量子干涉器，其特征是[1]所說的干涉器還包括陶瓷襯底，陶瓷襯底是各種截面的空心柱體和實心柱體中的一種，[2]所說的超導(dǎo)環(huán)形體是超導(dǎo)筒，超導(dǎo)筒由至少帶一條狹縫的超導(dǎo)厚膜筒和位于狹縫間與超導(dǎo)厚膜筒相連的超導(dǎo)微橋組成，超導(dǎo)筒與襯底的一個側(cè)面牢固結(jié)合，[3]所說的超導(dǎo)筒采用高TC氧化物系超導(dǎo)材料制成。
2.按權(quán)利要求1所說的干涉器，其特征是所說的陶瓷襯底是中心帶孔的方形和圓形柱體中的一種。
3.按權(quán)利要求2所說的干涉器，其特征是所說的超導(dǎo)筒與襯底的內(nèi)側(cè)面牢固結(jié)合。
4.按權(quán)利要求1所說的干涉器，其特征是所說的陶瓷襯底是中心不帶孔的方形和圓形柱體中的一種。
5.按權(quán)利要求2或4所說的干涉器，其特征是所說的超導(dǎo)筒與襯底的外側(cè)面牢固結(jié)合。
6.按權(quán)利要求2或4所說的干涉器，其特征是所說的方形陶瓷襯底的至少一條棱上有微槽，所說的超導(dǎo)筒在陶瓷襯底的外側(cè)面，微橋位于微槽內(nèi)。
7.按權(quán)利要求2所述的干涉器，其特征是所說的圓形陶瓷襯底的內(nèi)側(cè)面上至少有一條尖棱，尖棱上有微槽，所說的超導(dǎo)筒在陶瓷襯底的內(nèi)側(cè)面，微橋位于微槽內(nèi)。
8.按權(quán)利要求3或7所說的干涉器，其特征是在陶瓷襯底的外側(cè)面上還有超導(dǎo)厚膜屏蔽筒。
專利摘要本實用新型設(shè)計的超導(dǎo)厚膜量子干涉器是由陶瓷襯底、與襯底側(cè)面牢固結(jié)合的高TC超導(dǎo)筒組成。超導(dǎo)筒由帶狹縫的超導(dǎo)厚膜筒及位于狹縫間并與超導(dǎo)厚膜筒相連的超導(dǎo)微橋組成。陶瓷襯底可以是各種截面的空心柱體或?qū)嵭闹w。在襯底的尖棱上開有微槽，微橋位于微槽中的干涉器更便于加工制造。這種干涉器可在液氮溫區(qū)工作，對外磁場靈敏度高，耦合性好，又可自身配備屏蔽筒。
文檔編號H01L39/22GK2070038SQ9020551
公開日1991年1月23日 申請日期1990年5月4日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月4日
發(fā)明者李漢青, 林安中 申請人:北京有色金屬研究總院