专利名称：超导薄膜谐振器的制作方法
技术领域：
本发明所属电子器件技术领域，特别涉及一种超导薄膜谐振器，可用于射频超导量子干涉仪RF SQUID的制造。
背景技术：
现有的超导量子干涉仪SQUID，其中使用的谐振器，主要有分立元件谐振器、超导薄膜共面谐振器和介质谐振器。其中:分立元件谐振器:使用集总参数的电感来组成谐振器，完成超导量子干涉仪SQUID系统中电子线路和芯片的信号耦合。这种分立元件谐振器，存在谐振频率无法太高，很难超过1GHz，且品质因数低，只能到200左右。根据射频超导量子干涉仪RFSQUID噪声理论，低噪声的超导量子干涉仪系统需要有高谐振频率和高品质因数的谐振器，而分立元件谐振回路无法达到这个要求。超导薄膜共面谐振器:包括一个磁通聚焦器及环绕着它的两条同心微带，它们均以钇钡铜氧YBCO超导薄膜生长在介电常数较低的铝酸镧LAO衬底上。其中，磁通聚焦器是利用超导薄膜的抗磁性，将射频超导量子干涉仪RF SQUID垫片上超导薄膜耦合的磁通聚焦到射频超导量子干涉仪RF SQUID的环孔中，相当于增加了有效面积。因此，磁通聚焦器的聚磁效果越好，与射频超导量子干涉仪RF SQUID的耦合系数ksc越高，器件的有效面积就越大。目前这种超导薄膜共面谐振器存在不足是:当谐振频率太高时，磁通聚焦器的面积太小，与射频超导量子干涉仪RF SQUID的耦合系数不高，导致射频超导量子干涉仪的灵敏度不闻。介质谐振器:是由介电常数极高的钛酸锶STO标准衬底及其覆盖在其上的利用钇钡铜氧YBCO超导薄膜制成的磁通聚焦器共同构成。采用介质谐振器的射频超导量子干涉仪稳定度较高，但是其存在的不足是当与共面谐振器相同尺寸时，谐振频率较低，且工艺还不成熟。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超导薄膜谐振器，以解决现有共面谐振器中的磁通聚焦器与射频超导量子干涉仪RF SQUID的耦合系数不佳的问题，有效地提高磁通聚焦器的聚磁效果，改善射频超导量子干涉仪RF SQUID垫圈与磁通聚焦器的耦合，使有效面积增大了
2.4 倍。实现本发明目的的技术关键是在磁通聚焦器中引入一种单互补开环结构CSRR，整个器件由镀在单晶衬底上的非闭合的超导薄膜外环和外环内的超导薄膜磁通聚焦器构成，磁通聚焦器中间设有磁通聚焦孔，其特征在于:磁通聚焦孔与磁通聚焦器超导薄膜之间设有单互补开环，用于增强磁通聚焦器的聚磁效果。作为优选，所述的非闭合的超导薄膜外环，设有四条边，该四条边构成三个阶梯阻抗，每个阶梯阻抗的宽度为0.15mm 0.85mm,且三个阶梯阻抗不等。
作为优选，所述的非闭合的超导薄膜外环的开口宽度小于1mm，通过调节该外环的四条边宽度和开口宽度实现对谐振频率的调节。作为优选，所述的超导薄膜磁通聚焦器与非闭合的超导薄膜外环贴近，且两者之间留有缝隙。作为优选，所述的单互补开环的谐振频率远大于谐振器的谐振频率&，即fi 彡 4f0。作为优选，所述的单互补开环的内外环的长度之和，通过如下公式获得:Ji =C I [(Z1 +L2)* ]其中为单互补开环的谐振频率，c为光速，L1, L2分别为单互补开环的内边缘和外边缘长度，ε e为介质的有效介电常数，取值为z Jl, ε ^为介质的相对介电常数。作为优选，所述的单互补开环的内径Γι、外径r2及开口宽度d，通过内边缘和外边缘长度之和(LjL2)确定，即单互补开环的内径A = 0.0g(LAL2)Jf^r2 = 0.1 (L^L2),开口宽度 d = 0.74 (L^L2) ο作为优选，所述的单晶衬底采用铝酸镧LA0，尺寸为lOXlOXlmm3。本发明具有如下优点:第一，超导薄膜上的磁场分布非常对称，能量分布均匀且较为集中。磁通聚焦器边缘形成了一个隔离带，将磁场很好地集中在了单互补开环和磁通聚焦孔所确定的范围内，并且分布非常对称，如图2所示，随着颜色的加深磁场逐步递减。而现有的磁通聚焦器的磁场几 乎覆盖了整个磁通聚焦器的表面，但在四个角附近又有很大的几块弱场区。第二，本发明的超导薄膜谐振器在很大程度上改善了磁通聚焦器与射频超导量子干涉仪RF SQUID的耦合性能。在相同条件下，本发明将磁通聚焦器与射频超导量子干涉仪RF SQUID的耦合系数ksc从4.28X IO-2提高至IJ 8.59X IO-2,有效面积由引入单互补开环前的0.51mm2增大为1.227_2，增大了 2.4倍，有效地增强了磁通聚焦器的聚磁效果，提高了超导量子干涉仪SQUID的磁通传感器的灵敏度。第三，本发明的超导薄膜谐振器在磁通聚焦器边缘与单互补开环之间形成了一个隔离带，削弱了射频超导量子干涉仪RF SQUID垫圈与谐振器外环之间的耦合，耦合系数k2为3.9 X IO-3,比现有器件的耦合系数k2=6.82 X 10_3减少了 1.75倍，射频超导量子干涉仪RF SQUID垫圈与谐振器外环的耦合系数k2较小的要求。第四，本发明单互补开环结构的引入，在改善器件性能的基础上并没有增加器件的尺寸和系统的复杂性，因而结构简单。
图1为本发明的超导薄膜谐振器的结构示意图。图2为本发明的超导薄膜谐振器的磁通聚焦器中的磁场密度分布图。
具体实施方式
本发明的超导薄膜谐振器，是在标准的10X10X Imm3铝酸镧LAO衬底上通过脉冲激光沉积等方法镀上钇钡铜氧YBCO超导薄膜，然后由翻拍制版或直接用软件绘制制备铬掩膜板，通过普通光刻工艺制作而成。参照图1，本发明的超导薄膜谐振器包括:单晶衬底1，超导薄膜外环2和超导薄膜磁通聚焦器3。其中:超导薄膜外环2，位于单晶衬底I上，其设有四条边，且为非闭合的，通过调节外环2四条边的宽度和开口宽度实现对谐振频率&的调节。外环2四条边构成三个阶梯阻抗，每个阶梯阻抗的宽度为0.15mm 0.85mm,且三个阶梯阻抗不等。外环的开口宽度小于1mm。磁通聚焦器3，位于超导薄膜外环2的内部，与该外环贴近，且两者之间留有缝隙6，缝隙宽度为0.15mm ;该磁通聚焦器3的中央设有磁通聚焦孔4，半径为1_，磁通聚焦孔4外有单互补开环5，用于在不改变谐振器的谐振频率的条件下，增强磁通聚焦效果，设计时取其谐振频率fl远大于谐振器的谐振频率f。，即fi ^ 44。所述单互补开环5的参数确定如下:首先，通过如下公式获得单互补开环5的内外环长度之和:
权利要求
1.一种超导薄膜谐振器，由镀在单晶衬底上(I)的非闭合的超导薄膜外环(2)和外环内的超导薄膜磁通聚焦器(3)构成，磁通聚焦器中间设有磁通聚焦孔(4)，其特征在于:磁通聚焦孔(4)与磁通聚焦器超导薄膜(3)之间设有单互补开环(5)，用于增强磁通聚焦器的聚磁效果。
2.如权利要求1所述一种超导薄膜谐振器，其特征在于非闭合的超导薄膜外环(2)，设有四条边，该四条边构成三个阶梯阻抗，每个阶梯阻抗的宽度为0.15mm 0.85mm,且三个阶梯阻抗不等。
3.如权利要求1所述一种超导薄膜谐振器，其特征在于非闭合的超导薄膜外环(2)的开口宽度小于1mm，通过调节该外环的四条边宽度和开口宽度实现对谐振频率的调节。
4.如权利要求1所述一种超导薄膜谐振器，其特征在于超导薄膜磁通聚焦器(3)与非闭合的超导薄膜外环(2)贴近，且两者之间留有缝隙(6)。
5.如权利要求1所述一种超导薄膜谐振器，其特征在于单互补开环(5)的谐振频率远大于谐振器的谐振频率&，即≥4&。
6.如权利要求1所述一种超导薄膜谐振器，其特征在于单互补开环(5)的内外环的长度之和，通过如下公式获得:
7.如权利要求1所述一种超导薄膜谐振器，其特征在于单互补开环(5)的内径Γι、夕卜径1"2及开口宽度d，通过内边缘和外边缘长度之和(LJL2)确定，即单互补开环的内径Γι =0.09 (LJL2)，外径 r2 = 0.1 (LjL2)，开口 宽度 d = 0.74 (LjL2)。
8.如权利要求1所述一种超导薄膜谐振器，其特征在于单晶衬底(I)采用铝酸镧LAO，尺寸为 IOX IOX 1mm3。
全文摘要
本发明公开了一种超导薄膜谐振器，主要解决现有谐振器由于有效面积太小而导致的器件灵敏度低的问题。其由镀在单晶衬底(1)上的非闭合的超导薄膜外环(2)和外环内的超导薄膜磁通聚焦器(3)构成。超导薄膜外环(2)四条边构成三个阶梯阻抗，每个阶梯阻抗的宽度为0.15mm～0.85mm，且三个阶梯阻抗不等；磁通聚焦器(3)的中间设有磁通聚焦孔(4)，磁通聚焦孔与磁通聚焦器超导薄膜之间设有单互补开环(5)，用于增强磁通聚焦器的聚磁效果。本发明由于引入了单互补开环，不仅增强了磁通聚焦器与射频超导量子干涉仪垫圈的耦合性能，而且在不增加系统复杂性的条件下增加了器件的有效面积，提高了射频超导量子干涉仪探头的灵敏度，可用于射频超导量子干涉仪的制造。
文档编号H01P7/00GK103199328SQ20131009314
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者雷振亚, 杨锐, 王青, 李磊, 谢拥军, 谢亮亮, 王杨婧 申请人:西安电子科技大学