Сверхпроводниковый пленочный датчик слабого магнитного поля с трансформатором магнитного потока

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках. Сущность изобретения: сверхпроводниковый пленочный датчик слабого магнитного поля с трансформатором магнитного потока состоит из диэлектрической подложки на основе окиси магния, магниточувствительного элемента в виде полоски из пленки высокотемпературного сверхпроводящего материала, помещенной между двумя трансформаторами магнитного потока, выполненными из того же пленочного высокотемпературного сверхпроводящего материала. Предложенный датчик на основе пленки высокотемпературного сверхпроводящего материала системы Y-Ba-Cu-O, работающий при температуре кипения жидкого азота, имеет пороговое разрешение по магнитному полю ˜20-50 пТл, что превосходит известные датчики, кроме СКВИД приборов. Техническим результатом изобретения является понижение пороговой чувствительности по магнитному полю сверхпроводящего пленочного датчика. 1 ил.

 

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках.

Известен датчик слабого магнитного поля (В≥10^-8 Тл), содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводящую пленку в виде меандра из пленки высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала на основе системы Y-Ba-Cu-O [1]. Недостатком данного датчика является то, что он имеет большие габаритные размеры - 5 мм × 10 мм × 5 мкм (сравнительно небольшая критическая температура - Т_с˜90 К, а рабочая температура, то есть температура жидкого азота - Т≈77 К находится близко к критической). Это вызывает повышение плотности нежелательного шума и, соответственно, увеличение пороговой чувствительности по магнитному полю δВ и пороговой чувствительности по магнитному потоку δФ. У данного датчика - δВ≈10 нТл, δФ≈δВ·А˜250 Ф₀, где А - площадь чувствительной части датчика, Ф₀=2×10^-15 Вб - квант магнитного потока.

Как обычно, магниточувствительный элемент реагирует на магнитный поток Ф, и для конкретного физического механизма магниточувствительности величина δФ имеет конкретное значение, которое остается независимым от массогабаритов датчика. Тогда уменьшение порога чувствительности по магнитному полю δВ возможно за счет увеличения площади чувствительного элемента, то есть δВ=δФ/А.

Для регистрации локальных магнитных полей дипольного типа на маленьких размерах пространственного разрешения (например, на площади ≤5 мм²) требуется, чтобы сам пленочный датчик также был локальным, то есть с площадью ≤5 мм² [2]. В этой связи характерной локальностью сверхпроводящие пленочные датчики предложенные в работах [1, 2] не обладают. Действительно, датчик на основе ВТСП-пленки системы Y-Ba-Cu-O имел размеры 5 мм × 10 мм × 5 мкм, площадь чувствительного элемента А=50 мм², δВ=10 нТл и δФ=δВ А=250 Ф₀ [1]. Датчик на основе ВТСП-пленки системы Y-Ba-Cu-О имел размеры 10 мм × 20 мм × 0.28 мкм, площадь чувствительного элемента А=200 мм², δВ≥10 нТл и δФ=δВ А=500 Ф₀ [2].

Недостатками данных ВТСП пленочных датчиков слабого магнитного поля являются большие габаритные размеры чувствительного участка и высокие пороговые чувствительности по магнитному потоку.

Наиболее близким техническим решением является конструкция датчика слабого магнитного поля на основе пленки ВТСП-материала системы Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O [3]. В этой работе были достигнуты следующие полезные показатели: размеры чувствительного элемента - площадь А≈10 мм², уровень пороговой чувствительности по магнитному полю - δВ˜2 нТл, уровень пороговой чувствительности по потоку δФ=δВ А~10 Ф₀.

Все рассмотренные датчики имеют общий принцип работы, в которой и заключается общий их недостаток. Их принцип работы заключается в следующем. Магниточувствительным элементом служит сверхпроводящая полоска, для которого относительная магниточувствительность S_o=[R_B-R₀]/R₀, где R_B - сопротивление чувствительного элемента в магнитном поле, т.е. В≠0, R₀ - сопротивление чувствительного элемента в отсутствие магнитного поля, т.е. B=0. Относительная магниточувствительность может меняться в широких пределах в зависимости от технологических процессов приготовления или в зависимости от электрофизических параметров в процессе измерения. Для всех пленочных элементов на базе ВТСП-материалов, рассмотренных в [1-3], достигнуты максимальные значения S_o в интервале внешнего магнитного поля B=1 мТл практического одного порядка - 20%/мТл - 100%/мТл, однако значения их абсолютной магниточувствительности S_R=R₀S_o различаются существенно. Полезным сигналом является напряжение, которое снимается с датчика и соответствующая вольт-тесловая магниточувствительность S_U определяется, как:

Видно, что для увеличения S_U следует увеличить величину измерительного тока I и остаточного сопротивления R₀. Последнее связано с остаточным удельним сопротивлением ρ₀ по известной формуле - R₀=ρ₀l/(w₀t), где l - полная длина, w₀ - ширина, t - толщина полоски в меандр. Для тонкой пленки, осажденной на подложке, рабочим измерительным током может быть I≤10 мА, который не вызывает ее перегрев. Таким образом, рост S_U возможен при повышении R₀. При этом существенно увеличить ρ₀ не представляется возможным, поскольку будет уменьшаться S_o [1], поэтому следует изменять только геометрические размеры (l, w₀ и t) чувствительного элемента. Уменьшение толщины сверхпроводящей пленки приводит к увеличению ρ₀, и, в конечном итоге падает S_U согласно (1). Следовательно, только параметры l и w₀ можно варьировать в широких пределах и добиться высокого значения S_U. Такой подход увеличения маниточувствительности использовался в рассмотренных работах [1-3]. Например, в [2] было реализовано: l/w₀~240 и S_U~500 В/Тл. С другой стороны, для получения высокого разрешения по магнитному полю, т.е. минимальное значение регистрирумого магнитного поля или пороговая чувствительность по магнитному полю δB=N_B(f)^1/2, где N_B=N_u/S_U, N_u - спектральная плотность шумового напряжения, f - частота полосы пропускания. Величина N_u складывается из определенных и неопределенных типов шумов, например теплового шума - ˜(R₀)^1/2, шума - (1/f)˜R₀, фликкер-шума, магнитного шума и др. Во всех случаях высокое остаточное сопротивление увеличивает суммарное значение N_u и, тем самим, увеличивается величина δВ. Следовательно, падает разрешающая способность датчика. Таким общим недостатком владеют все датчики слабого магнитного поля в рассмотренных работах [1-3], где используются способ повышения магниточувствительности за счет увеличения остаточного сопротивления чувствительного элемента.

Целью предлагаемого изобретения является понижение пороговой чувствительности по магнитному полю сверхпроводящего пленочного датчика слабого магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в известном датчике слабого магнитного поля, содержащем диэлектрическую подложку из оксида магния, магниточувствительный элемент из пленки высокотемпературного сверхпроводящего материала выполнен полоской, помещенной между двумя трансформаторами магнитного потока, выполненными из того же пленочного высокотемпературного сверхпроводящего материала.

Графическое изображение предложенного датчика представлено на чертеже, где 1 - подложка, 2 - сверхпроводящие трансформаторы магнитного потока, 3 - магниточувствительная сверхпроводящая пленка-полоска, 4 - серебряные контакты.

На диэлектрической подложке из окиси магния (MgO) с ориентацией (100) наносится пленочный слой толщиной 10-20 мкм из ВТСП материала системы Y-Ba-Cu-O. Пленка осаждается методом ВЧ магнетронного распыления мишени или простым методом шелкографии и центрофугиривания. В кислородной среде проводится классический технологический режим отжига таким образом, чтобы полученный сверхпроводящий слой имел критическую температуру Т_c≥89 К и плотность критического тока J_c≥10¹⁰ А/м² при Т=77 К. Методом фотолитографии или методом лазерного скрайбирования на поверхности сверхпроводящего слоя формируется рисунок, представленный на чертеже. Подложка 1 может имеет размеры 11 мм×11 мм или 11 мм×6 мм толщиной 0,3-0,5 мм, трансформаторы потока 2 как с левой стороны, так и с правой стороны от чувствительного элемента 3 имеют идентичные симметричные конфигурации и представляют собой квадратно подобное кольцо шириной приблизительно 1 мм, которое сужается к элементу 3. В этой части ширина кольца составляет 30 мкм, длина 500 мкм. Магниточувствительный элемент 3 имеет основную чувствительную часть с размерами - длиной 400 мкм, шириной 10 мкм, который от трансформаторов потока 2 отделяется зазорами в виде полос шириной 10 мкм. На концах полоски 3 на серебрянных контактных площадках 4 подсоединяются измерительные потенциальные и токовые зонды.

Физический механизм работы предложенного датчика основан на концентрации магнитного потока с помощью сверхпроводникового трансформатора магнитного потока на сверхпроводящую пленочную полоску, которая и является магниточувствительным элементом.

Предложенный сверхпроводящий датчик слабого магнитного поля работает следующим образом. Датчик охлаждается в отсутствие внешнего магнитного поля до температуры кипения жидкого азота, и он непосредственно находится в жидком азоте, т.е. при температуре Т=77 К. Участки 2 и 3 из ВТСП материала переходят в сверхпроводящее состояние. В элементе 3 пропускается измерительный ток I через парные токовые зонды 4 и через другие пары потенциальных зондов 4 снимается измеряемое напряжение. Величина тока в элементе 3 подбирается таким образом, чтобы он начал переходить в нормальное состояние, например на нем возникало напряжение ~5-10 мВ, ориентировочно I≤2 мА. На датчик накладывается измеряемое внешнее магнитное поле. В трансформаторах магнитного потока 2 возникают экранирующие токи, которые, протекая рядом с чувствительным элементом 3, создают суммарное магнитное поле, по величине гораздо больше, чем имело значение измеряемое внешнее магнитное поле. Следствие этого существенно увеличивается сопротивление элемента 3. Соответственно, измененное напряжение ΔU на элементе 3 пропорционально внешнему магнитному полю В. Магниточувствительность S_U предложенного датчика буден определяться согласно формуле (1), в которой величину относительной чувствительности S_o для отдельного элемента 3 следует умножить на фактор F усиления трансформатора магнитного потока 2.

Оценочное значение фактора усиления F можно получить следующим образом. На кольцеобразном сверхпроводящем участке 2, например на правом кольце, накладывается внешнее магнитное поле В, тогда магнитный поток, который экранирует это кольцо, будет: Ф=АВ, где А - площадь кольца. Для нашего случая А=3 мм · 4,5 мм = 13,5 мм. Этот магнитный поток создается экранирующим током I_s, который циркулируется по кольцу и имеет значение:

I_s=Ф/(L+M),

где L - индуктивность кольца, М - сумма взаимных индуктивностей между правым и левым кольцами, а также между кольцами 2 и чувствительным элементом 3. Расчетное и измеренное значения L имеют одинаковые порядки и не превосходят 5 нТл, а величина М более чем на порядок меньше L.

Экранирующий ток, протекая рядом с полоской 3, действует на него магнитным полем В*:

B*=μ₀I_sln(1+w/a)/(2πw),

где μ₀=4π·10^-7 Гн/м, а - расстояние между ближайшим краем кольца 2 и далеким краем элемента 3, w - ширина полоски кольца в области где оно ближе всего соседствует с элементом 3. Тогда оценочное суммарное значение фактора умножения для обеих колец будет:

F=В*/В˜μ₀Aln(1+w/a)/(πwL).

Подставляя численные значения: μ₀=4π·10^-7 Гн/м, А=13,5·10^-6 м², w=30·10^-6 м, а=20·10^-6 м, L=5·10^-9 Гн, получаем F≈35. В (1) и (2) учтем примерные численные значения: IR₀=10 мВ, w=10^-4 м, l=4·10^-4 м, w₀=10^-5 м, t=10^-5 м и S_o=1000·35=35000 Тл^-1. Тогда вольт-ватная магниточувствительность будет S_U˜350 В/Тл. В реальном датчике при параметрах, приведенных выше, величина S_U находится в интервале 200-500 В/Тл. С учетом того факта, что измерение напряжения производилось с точностью 0,1 мкВ, минимальное регистрируемое поле имело порядок 0,2-0,5 нТл. Оценочное значение максимального разрешения по магнитному полю, т.е. δВ, будет: N_u˜1 нВ/(Гц)^1/2, N_B=N_u/S_U˜2-5 пТл/Гц)^1/2 и δВ,=N_B(f)^1/2˜20-50 пТл. Здесь в N_u учтены сумма значения теплового шума и всех других типов шумов, ширина полосы пропускания f=100 Гц. Аналогично этому, минимальное регистрируемое значение магнитного потока было δФ=δВ×А˜3-7 Ф₀, а оценочное максимальное разрешение магнитного потока будет: ˜0,3-0,7 Ф₀.

Размеры, геометрическая топология, сверхпроводящие свойства сверхпроводникового пленочного датчика слабого магнитного поля выбирались таким образом, чтобы он мог работать в полях порядка магнитного поля Земли или меньше, т.е. В≤50 мкТл. Но аналогичные датчики также возможно реализовать на базе других ВТСП-материалов. Например, на основе пленок ВТСП висмутовой керамики состава (Bi,Pb)₂Sr₂Са₂Cu₃О_х датчик слабого магнитного поля будет работать в поле B≤1-2 мкТл, поскольку этот материал имеет меньшее значение плотности критического тока, чем материал системы Y-Ba-Cu-О, и может экранировать только небольшие магнитные поля. Однако ВТСП-материал висмутовой керамики состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x имеет ряд преимуществ относительно других ВТСП-материалов: дешевизна, простая технология приготовления, устойчивость к деградационным изменениям при их многократном термоциклировании и хранении в нормальных условиях.

Таким образом, в предложенном техническом решении достигнута поставленная цель - понижение порога чувствительности по магнитному поля. В прототипе этот показатель имел значение δВ˜5 нТл, а в предложенном изобретении порог δВ понижен более чем на два порядка и было получено - δВ˜20-50 пТл, одновременно был понижен порог чувствительности по магнитному потоку на порядок.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Shintaku H. et al. Low noise operation of novel mahnetic sensor using ceramic high Tc Superconductor film. Proc. 2^nd ISS'89. ISTEC. Tsucuba. Japan, p.999-1003.

2. Itoh M.. et al. Characteristics of highly sensitive magnetic sensor constructed of thick HTS film. IEEE Transactions and Supercond. 1999. Vol.9. №2. p 3085-3088.

3. Григорашвили Ю.Е., Ичкитидзе Л.П., Мингазин В.Т. Датчик слабого магнитного поля. Патент, №2221314 от 10.01.2004 г. - прототип.

Сверхпроводниковый пленочный датчик слабого магнитного поля с трансформатором магнитного потока, содержащий диэлектрическую подложку из оксида магния, магниточувствительный элемент из пленки высокотемпературного сверхпроводящего материала, отличающийся тем, что магниточувствительный элемент выполнен в виде полоски, помещенной между двумя трансформаторами магнитного потока, выполненными из того же пленочного высокотемпературного сверхпроводящего материала.