专利名称：筒形超导厚膜量子干涉器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及在液氮温区下工作的超导量子干涉器〈简称SQUID〉，尤其与筒形超导厚膜量子干涉器有关。
由高TC超导材料制作的超导量子干涉器件中的约瑟夫森结多数采用微桥型。现有的一种在液氮温区工作的这类器件是由在体块超导材料上打孔形成的超导环和在环上开缺口后留下的弱连接结串联而成的。为了减小器件的自感，在其下方还有形状相同的带缺口的超导环。使用氧化物系超导材料制成的这种器件可以在液氮温区下工作。这类干涉器的不足之处是〔1〕超导环加工成形困难，必须使用电火花切割和激光打孔技术，〔2〕超导环的壁厚，又不易制成大环孔面积，〔3〕不易与磁通变换线圈耦合，与磁通变换线圈耦合的方式一般可采用将线圈插入干涉器环孔内，或套在干涉器外，要在这种干涉器的环孔内插入现有的磁通变换器显然是不容易的，而采用套在干涉器外的耦合方式又由于壁厚也使耦合性变差，〔4〕采用在器件下方加一段带缺口的超导环的方式来降低自感L，不仅使自感L的计算复杂化，而且也影响其工作稳定性。
本实用新型的目的是要设计一种在液氮温区工作的、加工方便、环孔面积大、自感小和容易与磁通变换线圈耦合的量子干涉器。
本实用新型设计的高TC超导量子干涉器由陶瓷衬底，与衬底侧面牢固结合的高TC超导筒组成。超导筒由带狭缝的超导厚膜筒及位于狭缝间与超导厚膜筒相连的超导微桥组成。陶瓷衬底可以是空心或实心的方形或圆形截面的柱。
为了不使器件受外界环境中杂散磁场信号的影响，设计的干涉器的外层还有超导屏蔽筒。
图1是本实用新型设计的一种圆筒形超导厚膜量子干涉器的示意图，其中A是射频〈rf〉SQUID，B是直流〈DC〉SQUID。
图2是一种方筒形超导厚膜量子干涉器示意图。其中A是射频〈rf〉SQUID，B是直流〈DC〉SQUID。
图3是衬底为圆管形的干涉器示意图。
图4是另一种衬底为圆管形的干涉器示意图。
图5为厚膜在衬底内表面，带有屏蔽筒的量子干涉器示意图。
图6为在方形衬底棱上的微槽内构成微桥的量子干涉器示意图。
图7为棱上带微槽的方形衬底。
图8表示衬底为带尖棱的圆管形，在尖棱的微槽内构成微桥的量子干涉器示意图。
下面将结合附图对本实用新型的实施方式及其效果作进一步的描述。
图1－8为各种型式的超导厚膜量子干涉器的示意图。图1为一种圆筒形超导厚膜量子干涉器。它包括圆棒状陶瓷衬底1，位于衬底外侧面并与衬底牢固结合的超导筒。超导筒由带狭缝的超导厚膜筒2及位于狭缝间与超导厚膜筒连成一体的一个超导微桥3组成，这种干涉器称为射频超导厚膜干涉器，简称为rf－SQOID，如图1－A。超导筒也可以包含两个超导微桥13，而构成直流量子干涉器〈DCSQUID〉，如图1－B。陶瓷衬底可以选用氧化锆、氧化铝、氧化镁及钛酸锶等材料组成。超导筒可以选用现有的各种氧化物系高TC超导材料，如钇钡铜氧、铊钡铜氧、钙锶钡铜氧等。衬底和超导筒的高度可以相等，也可以不等，为几毫米－几十毫米之间。衬底的外径在0.5－3毫米之间，超导筒的厚度一般在30－200微米之间。微桥的位置可在筒的中部或靠近端部。具有两个微桥的量子干涉器，微桥的间隔可根据需要选择，但必需在同一截面内。微桥的宽度在几微米－150微米之间，长10－100微米，厚度在30－80微米。这些参数的关系应满足自感L＜＜φo／4kBT，其中KB为玻尔兹曼常数，KB＝1.38×10－3J／k，T为干涉器的工作温度，对于高TC的干涉器，T＝77K。因此，L＜＜1×10－9H。自感L与环孔的几何尺寸关系大致为L～μ·S／l，其中μ＝4π×10－7，S为环孔面积〈即超导筒的环孔面积〉，l为其长度〈即超导筒的长度〉。根据这些关系，就可方便地确定干涉器的各几何尺寸。
超导厚膜的制备方法可以采用本案同一申请人在申请号为CN88101614.4的名称为“厚膜超导电子器件及其制造方法”中所提出的方法。微桥可用众知的机械方法或激光刻蚀并弱化的方法加工而成。
衬底可采用方形棒材21，制成截面积在0.25－9mm2的方形超导厚膜量子干涉器。也可分别做成rfSQUID和DCSQUID如图2中的A、B所示。衬底也可采用管材，如圆形管或方形管。图3就是这种干涉器。它由圆管形陶瓷衬底31，超导厚膜筒32和微桥33组成。图4为带有两个微桥43的这种干涉器。使用这类SQUID就可以进行实际测量，如野外地质测量。这种结构的干涉器很容易实现与磁通变换线圈的耦合，只需把形状和尺寸与SQUID相近的磁通变换线圈套在SQUID外〈SQUID在衬底外周时〉或插在SQUID内〈SQUID在衬底内周时〉。也可方便地在衬底管内放置射频线圈。衬底圆管的壁厚要考虑管本身的强度，耐高温烧结和室温液氮热循环的强度以及放置射频线圈的方便。这是该领域的技术人员都会考虑又不难解决的问题。使用磁通变换线圈时，一般应把SQUID〈干涉器〉和变换线圈中的输入线圈一起屏蔽起来，使之不受外界环境的影响。实现这种屏蔽的一种方式就是在干涉器外可再套一个超导厚膜屏蔽筒。图5就是一种带超导屏蔽筒的量子干涉器，它由圆管形衬底51，在衬底内周的由超导厚膜筒52和微桥53构成的超导筒及在衬底外周的超导厚膜屏蔽筒54组成。其中衬底的截面也可以是方形或其它形状，微桥可以是1个或2个。这种干涉器可有效地消除环境中杂散磁场信号，而且又可方便地与磁通转换线圈耦合，只需把磁通转换线圈的输入线圈放在衬底的管内。这种结构尤其适合一些如带衬底的磁通变换线圈的特殊结构。
为了简化干涉器的制作，还可采用在方形截面衬底的棱上开微槽76的结构〈见图7〉。图6是这种干涉器的示意图，它由方形衬底61，超导厚膜筒62，微桥63组成。微桥63位于微槽66内，构成超导厚膜筒狭缝的两条边位于衬底棱的两侧。衬底可以是方棒，也可以是中心带圆孔或其它形状的方管，以便容纳射频线圈、增强器件耐高温烧结和低温冲击的能力。根据需要也可在两条棱上开微槽，设置两个微桥。这种干涉器是这样制成的，即先在尖棱上加工出微槽，然后在整个含尖棱及微槽的衬底侧面上制备超导厚膜，最后用机械刮削方法除去棱顶上的超导厚膜，留在微槽内的超导厚膜部分就成为和两侧超导膜连成一体的微桥。
也可采用内周带尖棱的圆管形衬底，在尖棱上加工出微槽。图8就是这种干涉器，它由带两条尖棱85的衬底81，超导厚膜筒82和两个微桥83组成，微桥83位于尖棱85的微槽86内。根据设计要求，衬底上也可以只有一条尖棱。这种干涉器的外面也可再套一个超导厚膜屏蔽筒。
上述各种微桥在棱上微槽内的量子干涉器，其尖棱的尖端一般都只稍微高出微桥，这样设计不仅制造容易，而且也便于与磁通变换线圈耦合。
本实用新型设计的超导厚膜量子干涉器具有对外磁场灵敏度高，分辨率高的优点，器件的耐久性好，不易损坏，可方便地与输入线圈或磁通变换线圈耦合，由于壁薄，因此耦合性极好，而且很容易制造。应用超导厚膜技术可方便地制成所需形状和尺寸的超导厚膜筒和微桥。由氧化铝陶瓷制成的方形衬底和在其表面厚度为80微米的氧化物系超导筒，以及尺寸为宽80微米，长40微米，厚50微米的微桥组成的rfSQUID，当环孔面积为1×1毫米2，长度为10毫米时，自感L约为1×10－10H，这种干涉器有明显的干涉图形，灵敏度较高。
权利要求1.一种由超导环形体和微桥串联组成的超导量子干涉器，其特征是[1]所说的干涉器还包括陶瓷衬底，陶瓷衬底是各种截面的空心柱体和实心柱体中的一种，[2]所说的超导环形体是超导筒，超导筒由至少带一条狭缝的超导厚膜筒和位于狭缝间与超导厚膜筒相连的超导微桥组成，超导筒与衬底的一个侧面牢固结合，[3]所说的超导筒采用高TC氧化物系超导材料制成。
2.按权利要求1所说的干涉器，其特征是所说的陶瓷衬底是中心带孔的方形和圆形柱体中的一种。
3.按权利要求2所说的干涉器，其特征是所说的超导筒与衬底的内侧面牢固结合。
4.按权利要求1所说的干涉器，其特征是所说的陶瓷衬底是中心不带孔的方形和圆形柱体中的一种。
5.按权利要求2或4所说的干涉器，其特征是所说的超导筒与衬底的外侧面牢固结合。
6.按权利要求2或4所说的干涉器，其特征是所说的方形陶瓷衬底的至少一条棱上有微槽，所说的超导筒在陶瓷衬底的外侧面，微桥位于微槽内。
7.按权利要求2所述的干涉器，其特征是所说的圆形陶瓷衬底的内侧面上至少有一条尖棱，尖棱上有微槽，所说的超导筒在陶瓷衬底的内侧面，微桥位于微槽内。
8.按权利要求3或7所说的干涉器，其特征是在陶瓷衬底的外侧面上还有超导厚膜屏蔽筒。
专利摘要本实用新型设计的超导厚膜量子干涉器是由陶瓷衬底、与衬底侧面牢固结合的高TC超导筒组成。超导筒由带狭缝的超导厚膜筒及位于狭缝间并与超导厚膜筒相连的超导微桥组成。陶瓷衬底可以是各种截面的空心柱体或实心柱体。在衬底的尖棱上开有微槽，微桥位于微槽中的干涉器更便于加工制造。这种干涉器可在液氮温区工作，对外磁场灵敏度高，耦合性好，又可自身配备屏蔽筒。
文档编号H01L39/22GK2070038SQ9020551
公开日1991年1月23日 申请日期1990年5月4日 优先权日1990年5月4日
发明者李汉青, 林安中 申请人:北京有色金属研究总院