高温超导量子磁场探测器的电磁传输特性研究_王琪旻 (1).pdfVIP

高温超导量子磁场探测器的电磁传输特性研究

摘要

超导量子磁场探测器以其绝对灵敏的弱磁场测量而著称，已成为测量磁通、磁场、

电压等物理量不可或缺的工具。以超导量子干涉器件为基础衍生出的各种磁力仪和梯

度计，在地矿探测、生物医学探测、军事探潜测磁以及工业无损检测等众多前沿领域

发挥着重要的作用。但是，超导量子干涉器件的制备难度较高，电磁传输性能仍有提

升空间，本论文在分析了国内外研究现状的基础上，结合超导量子干涉器件的基本原

理开展了研究，具体的研究内容如下：

首先，完成了测试系统的硬件配置，编写了一套基于LabVIEW的超导量子干涉器

件电磁传输特性测试程序，能够测量电流-电压特性、电阻-温度特性和磁通-电压调制

特性，并依次使用样品对测试程序的功能进行验证。通过测试程序，能实现系统参数

的控制测量和数据采集的自动化，可以检测超导量子干涉器件的电学传输特性，确定

器件的工作状态，为改进工艺提供数据支撑。

其次，本文对一种基于双约瑟夫森结的超导量子干涉器件的仿真方法进行了改进。

使用RCSJ模型描述约瑟夫森结的动态特性，在Cadence中建立了直流超导量子干涉器

件的电路模型，并使用PSpice对电学特性进行验证。分析了该模型的常规参数和结构

不对称性对于动态范围和临界电流的影响机制。根据仿真得到的相应实验结论，进而

指导工艺，能减少实际制备的成本，提高器件的性能和可靠性。

最后，在取向角为24°的氧化镁衬底上生长钇钡铜氧薄膜，利用光刻和Ga+聚焦

离子束刻蚀制备了双晶超导量子干涉器件。研究了刻蚀过程中离子辐照对超导量子干

涉器件电学性能的影响，并比较分析了金作为分流层的作用，制备的器件具有良好的

电学特性和较低的磁通噪声。在超导量子干涉器件基础上制备了磁力仪，重新设计了

磁力仪的掩膜版结构，并对磁场噪声进行测量。在温度为4.2K，频率为1kHz时，磁

场噪声为119.6fT/√Hz，温度为77K时，磁场噪声为249fT/√Hz。

关键词：超导量子干涉器件；电学传输特性分析；磁场灵敏度

高温超导量子磁场探测器的电磁传输特性研究

Abstract

Thesuperconductingquantummagneticfielddetectorsisrenownedforitsexceptional

sensitivityinmeasuringweakmagneticfields.Ithasbecomeanindispensabletoolfor

measuringphysicalquantitiessuchasmagneticfields,voltage,andmagnetization.Derived

fromSQUIDdevices,varioussensorsandmeasurementinstrumentsplaycrucialrolesin

cutting-edgefieldssuchasgeophysicalexploration,biomedicaldetection,militarysubmarine

detection,andindustrialnon-destructivetesting.However,thefabricationofSQUIDdevices

remainschallenging,andthereisstillroomforimprovementinelectromagnetictransmission

performance.Inthisstudy,weanalyzethecurrentresearchstatusbothdomesticallyand

internationallyandconductresearchbasedonthefundamentalprinciplesofSQUIDdevi