超导传感器技术

14.8　超导传感器技术

14.8.1　超导现象——约瑟夫逊效应

某些材料具有这样的特性:当温度接近绝对零度时，他们的电阻几乎为零。当电流施加在其上之后，几乎可以无限地流动下去。这种特性就称之为超导。具有超导特性的金属称为超导体。

自1911年H.K.Onnes发现水银的超导现象以来，超导理论发展很快。尤其是1986年发现了在液氮温度以上显示超导特性的稀土氧化物超导体后，世界超导体研究的发展更加迅速。

在超导体中，电子可以穿过极薄的绝缘层，这种现象称之为超导隧道效应（Superconductivetunned effect）。它可以分为正常电子隧道效应和电子对隧道效应，后者又称为约瑟夫逊（Josephson）效应。

超导体中存在两类电子，即正常电子和超导电子对。超导体中没有电阻，电子流动将不产生电压。如果在两个超导体中间夹一个很厚的绝缘层（大于几千埃）时，无论超导电子和正常电子均不能通过绝缘层，因此，所连接的电路中没有电流。如果绝缘层的厚度减小到几百埃以下时，在绝缘层两端施加电压，则正常电子将穿过绝缘层。电路中出现电流，这种电流称为正常电子的隧道效应。正常电子的隧道效应除了可以用于放大、振荡、检波、混频外，还可用于微波、亚毫米波幅射的量子探测等。

当超导隧道结的绝缘层很薄（约为107A）时，超导电子也能通过绝缘层，宏观上表现为电流能够无阻地流通。当通过隧道的电流小于某一临界值（一般在几十微安至几十毫安）时，在结上没有压降。若超过该临界值，在结上出现压降，这时正常电子也能参与导电。在隧道结中有电流流过而不产生压降的现象，称为直流约瑟夫逊效应，这种隧道电流称为直流约瑟夫逊电流。若在超导隧道结两端加一直流电压，在隧道结与超导体之间将有高频交流电流通过，其频率与所加直流电压成正比，比例常数为483.6MHz/μV。这种高频电流能向外辐射电磁波或吸收电磁波，我们把这种特性称为交流约瑟夫逊效应。应用这种效应可制作高速开关电路、电磁波探测装置、超导量子干涉器件（Superconduction Quantum Interference Device，SQUID）。SQUID实际上是一种超导传感器件，同相关电路仪器可以构成高灵敏度的磁通或磁场的探测仪，或称为超导量子磁强计。

14.8.2　超导传感器的工作原理

SQUID一般指电感很小，包含一个或两个约瑟夫逊结的环路。因此，具有两种不同的SQUID系统:一种是包含两个结的SQUID，它用直流偏置，称为直流SQUID；另一种是包含一个结的SQUID，用射频装置，称为射频SQUID。

对于任何超导环，当他们所在的外磁场小于环的最小临界磁场时，在中空的超导环内磁

通的变化都会呈现不连续的现象，这称为磁通量子化现象。其闭合的磁通是磁通量φ₀＝h/2e的整数倍，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。在弱磁场中，磁通量子化是由环内的屏蔽电流I来维持的，环内的磁通为

φ＝n₀φ＝φ_e-L_sI　　　　　（14-12）

式中，L_s为超导环的电感；

φ_e为外磁通；

n₀为最小临界磁场时超导环的环数（n₀＝1）。

当环路屏蔽电流为零时，磁通量子化就被破坏了。在环路中，使屏蔽电流不为零的那些点，通常称为“弱连接”或“弱耦合”。

约瑟夫逊建立的“弱连接”模型，是用绝缘氧化层隔开两个超导体构成的。如果氧化层足够薄，那么电子对势垒的穿透性就会导致在两个“隔离”的电子系统间产生一个不大的耦合能量，这时，绝缘层两侧的电子对可以交换但没有电压出现。约瑟夫逊指出通过结的电流

I＝I_csinθ　　　　　　　（14-13）

式中，I_c为超导体的临界电流；

θ为结两侧超导体的相位差。

如果流过结的电流I_c比超导体的临界电流大，就会出现直流电压，并且相位差θ也会按交流约瑟夫逊方程的形式而振荡:

式中，U为结上的直流电压。

由式（14-14）可以看出，伴随直流电压将出现一个交变电流，其频率为

式（14-13）和（14-14）分别是直流约瑟夫逊效应和交流约瑟夫逊效应的数学表达式。

14.8.3　超导传感器的结构

利用约瑟夫逊效应，有超导体-绝缘薄膜-超导体构成的约瑟夫逊结，通称为隧道结。目前生产的集中隧道结如图14-43所示。

图14-43　几种约瑟夫逊结及其等效电路

（a）氧化层绝缘膜结；（b）窄颈状导体（微桥结）；（c）铌螺钉结构结；（d）等效电路

图14-43（a）是绝缘膜为2～5nm的氧化层和厚度大约为50nm的半导体，该隧道结由于近年来工艺水平的提高，可以生产出稳定的器件。

图14-43（b）是一种“弱连接”的窄颈状超导体连接两个薄膜的结构，该结构也称为微桥结构，其颈间距离约为1μm。为了进一步减小临界电流，可通过正常金属衬底的方法实现。制作这种结构结的工艺难度较大，稳定性也不如隧道结。

图14-43（c）是用铌螺钉结构形成的“弱连接”。尖的铌螺钉轻轻接触在超导平面上，然后固定住。这种点接触的形式有较好的信噪比，但因其稳定性差，不适于大量生产。

图14-43（d）是“弱连接”的等效电路，它等效为一个与相位有关的电流、电阻、电容的并联形式。

14.8.4　超导传感器的测量系统

正如上述，SQUID是一种超导传感器件，用SQUID测量磁通或磁场强度的测量系统由输入电路、前置放大电路、锁相放大电路和反馈电路构成。由于射频SQUID的制作比直流SQUID容易，在实际应用中，多数是用射频SQUID组成磁通或磁场强度的测量系统。所以，下面以射频SQUID为例，介绍其测量系统工作原理，如图14-44所示。对于直流SQUID测量系统，除了偏置不同外，主要测量电路与射频SQUID测量系统基本相似。

作为磁通传感器的SQUID总是工作在磁通锁定回路中，实际的使用相当于“指零仪”。磁通锁定环和反馈回路可将SQUID的响应锁定在响应曲线的峰点上。调制磁通的大小为峰-峰值的一半，并小于槽路带宽的调制频率。它通过槽路的电感引入SQUID，同时在槽路两端的射频电压是已调制的电压。为了把信号放大后再解调出来，用工作在调制频率上的相敏检波器对低频输出进行同步检波，再经积分放大，通过反馈电阻R_f反馈给槽路的调制线圈。这样，如果有一个磁通误差信号加到SQUID上，那么反馈电流就产生一个抵消磁通误差信号的反向磁通。因此，输出电压就和磁通误差信号成正比。

图14-44　射频SQUID测量电路

SQUID测量系统可构成超导量子磁强计，其磁场分辨率可达到10^-14T/Hz，是迄今为止最灵敏的磁强计。到目前为止，商品化的SQUID都要求传感器在液氦的超低温下使用。由于液氦的费用昂贵且操作复杂，大大限制了SQUID的推广和使用。但是，自1986年以来，科学家们已经研制出了新型的高温超导材料，例如钇钡铜氧等超导材料，其转换温度已经达到100K，从而使超导技术从液氦的束缚下解放出来，为在液氦温区以上的应用提供了可能。利用这种高温超导材料，已经观测到液氦温区的约瑟夫逊效应，不久的将来将会出现能在更高温区中工作的超导传感器。

14.8.5　超导传感器的应用

超导技术应用于传感器，其最大特点是噪声小，其噪声电平接近量子效应的极限，具有极高的灵敏度。采用超导技术的传感器主要有:

1.超导红外传感器

超导红外传感器与一般半导体红外探测器的工作原理完全不同，其检测频带也比半导体红外探测器宽许多。在超导体中存在能隙，当红外辐射到超导体上时，“对粒子”分裂变成“准粒子”，又因为红外辐射的能量高于能隙，所以可产生大量的准粒子。因此导致超导体能隙变小，电特性改变。这样根据超导电特性的变化，可以检测红外辐射能量。

2.超导可见光传感器

超导陶瓷的多晶膜通常是由200～300nm的晶体构成的。在各晶体之间也存在着像半导体晶界一样的势垒，其厚度约为2nm。它可以作为隧道的约瑟夫逊结工作，成为边界约瑟夫逊结（BJJ）。若光子射入超导体多晶膜中，则在约瑟夫逊结中的电流将发生变化。因此，通过测量电流变化，可以检测光信号大小，这就是可见光超导传感器的工作原理。

3.超导微波传感器

若两个超导体之间存在能量差，则在超导隧道结元件内存在准粒子流。当受到微波辐射时，准粒子流发生变化，其隧道结器件的电流-电压（I-V）特性改变。因此，可以利用这个特性检测微波，而且具有超高灵敏度性能。一般将用于检波的隧道结器件称为SIS混频器，高温超导SIS混频器可检测频率为10THz的微波信号。

4.超导磁场传感器

当超导环受到磁场作用时，由于迈纳斯效应，环中有电流I_s流动可抵消磁场作用，从而环内磁场为零。I_s与外磁场强度B成正比。因此，若测出I_s值的大小，则可确定磁场强度B的值。应该指出，电流I_s并不与外加磁场强度B有严格的正比关系，而与磁通Φ成正比。所以，准确地说，超导量子干涉器件是磁通传感器。

5.超导图像传感器

超导图像传感器的隧道结分布在硅衬底上，形成线阵SIS器件，将它们装入低温恒温器中冷却到4.2K左右。使用时，还要配以准光学构件组成测量系统。来自电磁喇曼的被测波图像，通常用光学透镜聚光，然后在传感器上成像。因此，在水平和垂直方向上微动传感器总是能够敏感空间的图像。这种测量系统适用于毫米波段。利用这种线阵隧道结器件可以测量35GHz空间电场强度分布。这种传感器已用于生物断层检测，也可以用于乳腺癌的非接触探测等。