最敏感的感测元件SQUID及其前瞻性应用.doc

最敏感的感测元件SQUID及其前瞻性应用 SQUID杨鸿昌台大物理系教授E-mail:hcyangphys.ntu.tw超导量子干涉元件(uperconducting antumnterference evice,简称SQUID)是目前所知最敏感的磁通侦测器，其独特的磁通与电压的周期特性，使得SQUID已被使用在精密测量，成为微弱物理量如磁场、磁场梯度、电流、电压、电阻、电感及磁化率等测量上最灵敏的感测元件。 在生物医学应用上SQUID更可组成心磁波及脑磁波扫描仪，可立即显示生物的心磁或脑磁图像，以做为医学在心脏功能1或脑功能2临床辅助诊断工具。 在材料的非破坏性检测等方面，SQUID已被研发来检测桥梁钢骨结构3、飞机起轮框等缺陷4；甚至最近已有人利用高温超导SQUID做地震5或考古6等的研究。 另外，SQUID可制成的磁通显微镜7,8从事基础研究，及其在生物科技的抗体检测等9的研究上也有很广的前景。 由以上看来，SQUID是一种非常有前瞻性之精密超导电子元件。 SQUID是由两个约瑟芬元件(Josephson junctions)以并联方式组成，它英文uperconductingantum nterferenceevice字首组成的简写字。 图一所示为约瑟芬元件之示意图，而约瑟芬元件是由两边是超导体(S)中间夹着绝缘层(I)所组成的超导元件10，当两个约瑟芬元件(Josephson junctions)以并联方式组成如图二所示的几何形状的元件，此元件俗称超导量子干涉元件或称之为SQUID11。 当绝缘层的厚度薄到几埃厚度的时候，则超导电子对(Cooper pair)可由一边的超导体穿隧到另一边之超导体。 宏观上超导体中的电子对可用波函数，来描述，此处为波函数的振幅i=?-1，为两超导体间的相位差，即。 此图中的Josephson公式，I=I csin?，是描述流经元件的电流I与两超导体间的相位角之间的关系，此处I c为临界电流。 当流经约瑟芬元件的电流大于I c时，元件会出现电压，V，此时相位差与电压V之间会满足另一Josephson公式，即d此处e为电子的电量，h为Planck常数这种超导电子对的穿隧行为是由英国科学家Brian Josephson所预测的，他经由量子力学方程式推导出直流及交流约瑟芬效应，由于他在穿隧物理的杰出贡献，因此分享了1973年的诺贝尔物理学奖。 Josephson junction?=|?|ei1?=|?|ei2SISI=ICsin?,?=?1-?2, (1)d?dt=-2eV?, (2)图一.超导体(S)/绝缘层(I)/超导体(S)，组成SIS几何形状的约瑟芬元件。 图二两个约瑟芬元件并联组成SQUID。 现在以YBa2Cu3Oy(YBCO)高温超导体为例子来说明如何研制YBCO SQUID。 基本上，高温超导SQUID是由各种不同几何形状约瑟芬元件所发展出来的，如图三所示的平面三明治、双磊晶、阶梯(step)、弱连结、双晶体及阶梯边缘(step-edge)等各种形式。 高温超导SQUID较有前瞻性应用则是以双晶体、阶梯及阶梯边缘(step-edge)等元件。 我们现在则以阶梯边界接面为例子来说明其制程。 研制阶梯式YBCO SQUID先要把基座以半导体的曝光、显影及蚀刻等技术做出阶梯，图四所示为实验室所发展出来的阶梯式基座的制程及蚀刻结果12。 MgO基座是藉由银胶与铜块接触达到水冷却的效果、MgO上面的FH6400为光阻，基座的法线与入射Ar+离子方向之夹角，?，可改变，以改变蚀刻速率及阶梯角度。 右上图四(b)是制程完成后经原子力显微镜检测其阶梯座角度与Ar+离子束入设角之关系，由图我们可以看出当入射角大于65?时，阶梯的角度可达70?;图四(c)则是制作MgO阶梯，其蚀刻速率与?角之关系。 图五所示为约瑟芬元件之制程，制程方法是在为MgO阶梯式基座上镀上YBCO薄膜13；镀完YBCO薄膜然后再以曝光、显影及蚀刻等技术做出阶梯边缘约瑟芬元件。 图六为完成制程后SQUID元件之几何形状，阶梯基座高度约0.2?m，薄膜厚度约0.2?m，元件宽度约为5?m，SQUID洞的面积约为30?60?m Typesof Josephsonjunctions with high-TCYBa2Cu3Oyfilms2等尺寸。 (a)(b)(c)(f)(e)(d)图三(a)平面三明治，(b)双磊晶，(c)阶梯，(d)弱链结构，(e)双晶体，及(f)阶梯式等约瑟芬元件。 Ar ionbeam+FH6400LMgOCoppersamplestageRotatingaxisNormal line?Contact toheatsinkSilverpaste04080Step angle(deg)?(deg)0204060800300600900Etching rate(?/min)(a)(b)SSSSIII-V-I+V+图四(a)可改变Ar+离子入射角度?的旋转铜样品架，(b)阶梯式基座角度与入设角之关系，(c)阶梯蚀刻速率与?角之关系。 YBCO(a)(b)YBCO JosephsonjunctionMgOFabricationof step-edge JosephsonjunctionsMgO图五.(a)在MgO阶梯式基座上镀上YBCO薄膜；(b)将YBCO薄膜以曝光、显影及蚀刻等技术做出约瑟芬元件。 Geometrical configurationof dc SQUIDYBa2Cu3OyMgO0.2?m5?m0.2?m图六.以曝光、显影及蚀刻等技术做出阶梯式SQUID元件。 I-V curvesof astep-edge YBCOjunction undermicrowave irradiation100Vn=2en=4?Current(arbitrary unit)-100-50050Voltage(?V)nhfn=1?n=2?n=3?n=5?T=65Kf=7.5GHz图七外加频率为f=7.5GHz电磁波于约瑟芬元件，其电流电压曲线将出现量子化的常电压阶梯，常电压值V=nhf/2e，此处n=1,2,3等整数。 Principle ofdc SQUIDBiascurrent,IbVoltage,V=n0=(n+1/2)0Magic flux,?/?0Voltage,VIb(b)图八(a)由电容、电阻、及约瑟芬电流，I csin?(以符号等效电路，外加偏压电流为I b，出现成的SQUID其上的电压为V；(b)在外加偏压电流I b，SQUID之I-V及V-?曲线受外加磁通，?，调变的行为，此处?为磁其值为?=2.07?10-7Gauss.cm通量子，2。 :当流经约瑟芬元件的电流大于I c时，元件会(a)V出现电压V，此时V与相位差之间会满足Josephson公式，d?/dt=-4?eV/h。 我们由Josephson公式 (1)及 (2)，可以看出流经接面Josephson电流会以频率f=4?eV/h在接面两端来回振荡，并辐射出电磁波。 实验上我们可用电磁感测元件由侦测电磁波辐射来证明此电流振荡行为；我们亦可加频率为f电磁波于约瑟芬元件，由电流电压曲线将出现量子化的常电压阶梯来验证14，常电压值V=nhf/2e，此处n=1,2,3等整数。 图七所示为外加频率为f=7.5GHz电磁波于温度为65K的YBCO阶梯边缘约瑟芬元件，其电流电压曲线将出现量子化的常电压阶梯。 约瑟分元件的常电压值非常精准，已被用来作为电压标准之基准15。 图八(a)为由电容、电阻、及I=I csin?，(以符号表示)形成的SQUID等效电路，当外加于SQUID的偏压电流，I，大于其临界电流时，SQUID会出现电压V。 SQUID元件之临界电流会受外加磁通的影响而调变其临界电流。 图八(b)为SQUID在外加磁通为n?及(n+1/2)?之I-V曲线，而SQUID之V-?曲线受外加磁通成周期性的变化，此处?为磁通量子，其值为?=2.07?10线是SQUID是提供微小物理量测量的基础16。 -7Gauss.cm2，此SQUID周期性之V-?曲图九是SQUID用于磁场测量基本电子电路的示意图。 磁场补捉线圈(pick-up coil)及输入线圈(input coil)组成一超导体回路。 磁场测量时此回路感应出电流，此电流流经补捉线圈及输入线圈并耦合磁通于SQUID。 线路中的震荡器(oscillator)提供调变线圈磁通使SQUID在偏压电流，I，下产生V-?曲线。 在做微小磁场物理量测量时，我们是将SQUID的工作点选在V-?曲线斜率最陡峻点。 当SQUID测量磁场时，工作点会受外来磁场的影响而偏离原位置，而SQUID电压讯号经锁相放大(lock-in amplifier)反馈磁通于SQUID，使SQUID保持在原工作点。 而反馈电流在电阻，R，上产生电压降，其值正比于待测量磁场，我们藉由已知磁场与R的压降来测量之微弱磁场。 Schematic ofdcSQUIDElectronicsRfOscillatorLock-in DetectorIB?VoIntegratorAmplifierModulation coilPick-up coilInputcoil图九SQUID用来做为磁场测量的电子电路16。 由于SQUID的有效面积小，为增加SQUID磁场的敏感度则各种不同SQUID磁量计的发展。 现在我们以YBCO高温超导体为例子来说明高温超导磁量计是如何来的设计的16。 图十(a)所示是YBCO高温超导直接SQUID耦合磁量计示意图，SQUID上有一超导磁场补捉线圈，此线圈与SQUID回路相连。 这样设计的直接耦合SQUID磁量计其磁场敏感度可以被提升，主要理由是因为加磁场于磁量计，SQUID除感受磁通外，耦合线圈感应的磁通亦会注入SQUID，因此其磁场敏感度可大大地被提升。 目前研制在10?10mm磁量计其1kHz的磁场敏感度可低于10fT/Hz2基座上制作直接耦合高温超导SQUID16，而低频则有1/f的噪声行为。 SQUID梯度计是以梯度线圈耦合于SQUID，图十(b)是一阶或两阶梯度计线圈16，耦合于低温SQUID而形成一阶或两阶梯度计，图十(c)则是平面式SQUID梯度计17的示意图。 因为梯度线圈在均匀磁场下会感应出相抵消的反向磁通耦合于SQUID，因此梯度计对均匀磁场不会有反应，但梯度磁场耦合于SQUID的磁通不会抵消，它可用来检测磁场梯度。 在无屏蔽的环境下，它较磁量计有较低的磁场噪声，因此已被应用在无屏蔽环境下心磁波的测量17，18。 Directly coupledSQUID magometerImIbVImImImIb?V?(a)(b)(c)SQUIDSQUID I-V-I+V+图十(a)直接SQUID耦合磁量计示意图。 I，I为偏压电流，I，I为调变电流，V，V为电压;(b)两阶梯度计线圈与输入线圈组成一超导回路，耦合磁通于SQUID;(c)一阶梯度线圈与输入线圈组成一超导回路，耦合磁通于SQUID;(d)平面YBCO SQUID梯度计的示意图。 图十一为SQUID的噪声与各种磁场讯号大小的比较;磁场讯号包括地球磁场、汽车引擎、实验室的电子仪器、涡电流、心脏跳动、脑神经活动、视网膜等磁场等。 而SQUID的噪声值均较上述磁场微小，因此SQUID已被广泛地被用作各总微弱物理量的测量。 Detection limitof SQUID地球磁場NDEflaw1flaw2Sample視網膜磁場自發腦波(?波)心臟磁場(QRS)誘發腦波(非破壞性檢測)10-1510-1410-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-4磁場強?(Tesla)汽?、電子儀器60Hz交?訊號渦電?感應磁場SQUID雜訊图十一SQUID的噪声与各种讯号的比较结合SQUID磁量计、梯度计、电子电路、软硬件设施及低温等设备，我们可组成微弱磁场等测量系统，如脑磁波19、心磁波20、缺陷捡测21、磁通显微镜22、资源探勘23等。 在微弱生物磁场的测量，由于磁场讯号颇为微弱，再加上环境噪声的干扰均较生物磁场为大，因此微弱生物磁场的应用测量系统，都配置有电磁屏蔽屋来降低环境磁场噪声的干扰。 SQUID在生物磁场方面的回顾与最新进发展，亦有相关论文资料可做为参考24。 由于人脑磁波的讯号相当微弱脑波，数量级约1010fT，因此需在电磁屏蔽屋进行脑磁波测量，以隔绝外界电磁干扰。 图十二是用来做为人脑磁波研究的电磁屏蔽屋，此屏蔽屋是由高导磁率的与高导电率的材料构建而成，此屏蔽屋附有磁场补偿设备，能更有效地降低外面磁场噪声的干扰，屏蔽效果在0.1Hz为40dB，1Hz为60dB，10Hz为80dB。 高导磁率的磁性材料主要用来降低频磁场的干扰，由于磁性材料本身具导电性，因此它亦有降低高频电磁波干扰的功效；而高导电率的金属材料，如铜或铝，用来降低高频电磁波干扰之效果更佳。 图十三是加拿大CTF系统公司脑磁波系统中SQUID传感器架构25。 低温SQUID脑磁波系统应用于研究人脑阅读短字、长字、有意义字与无意义字之脑磁波反映之区别是脑在生理学应用中之一例子。 在国内亦有荣总医院谢仁俊医师的研究团队，正利用多通道低温SQUID磁量计及梯度计进行人脑探索计划等研究26。 图十二电磁屏蔽屋。 人脑磁波的讯号微弱需在电磁屏蔽屋中进行测量，但心磁讯号则较脑磁波讯号高出两个数量级，为降低心磁系统的价格人们试图研发可在无电磁屏蔽或弱电磁屏蔽作环境下做心磁测量的系统27-28。 图十四是我们发展出来可在无屏蔽环境下做心磁测量的电子式SQUID梯度计系统29，此系统是由三个SQUIDs以离轴方式组成，每个SQUID间之垂直距离约为6cm，靠近待测生物体为SQUID感测元件，较远的SQUIDs为参考元件。 SQUIDs由电子电路控制在V-?曲线的工作点，SQUID的环境噪声经由参考SQUID、类比补偿电路、电源滤波及低通滤波器降低至低于待测之心磁讯号，因此SQUID系统可在无屏蔽环境下做心磁波的测量。 图十五所示为无屏蔽环境下此梯度计系统所做的二维心磁波的测量结果(80次平均值，测量时以心电讯号做参考)，两测量点间的距离为2公分，总共测量77点。 另外，为了研究磁屏蔽效果对SQUID磁量计心磁系统讯杂比的影响，我们将SQUID置于简易屏蔽桶中不同的位置来模拟不同的屏蔽效果，并测量不同屏蔽效果下动物，如老鼠的心磁波讯号30，以了解其屏蔽效果对其的讯杂比的影响。 图十六为在中等屏蔽环境(50dB at1Hz)之SQUID磁量计系统所测得老鼠的心磁波讯号，系统的讯杂比值约为10，在弱屏蔽下则讯杂比会降低。 SQUID亦常被用来观察及研究胎儿心磁波31、动物心磁波32、心脏疾病心磁波33等来提供额外的侦察讯息。 Structure ofmagoencephalographic sensingsystemCTF SystemsInc.,Canada(b)图十三(a)加拿大CTF系统公司脑磁波系统中SQUID传感器之架构25;(b)人脑阅读短字、长字、有意义字与无意义字之脑磁波反映之区别。 Second-order SQUIDgradiometer forMCG AnalogCompensation electronicsPowerLine FilterBand-Pass FilterMonitorX-Y translationbedSQUIDElectronics图十四无屏蔽环境下可做心磁测量的电子式SQUID梯度计系统。 12cm20cm7x11-points MCGmapping abovethe chestof ahealthy person.图十五无屏蔽环境下测出的二维心磁波图。 MCG signalaveraged over100times.The QRSplex and T-wave of the MCGare clearlyobserved.T-wave of the MCGare clearlyobserved.MCG signalaveraged over100times.The QRSplex and00.040.08t(sec)0.120.16-40481216B(pT)RSTP(b)图十六(a)可工作于中等屏蔽环境之SQUID磁量计心磁测量系统;(b)在中等屏蔽环境下SQUID磁量计测得老鼠的心磁讯号。 Liquid NitrogenDewar,SQUID andExcitation CoilSampleX-Y TranslationStageKey ponentsof HTS-SQUID NDEsystem(a)ClockFlux-locked LoopSampleExcitationCompensationReferenceFlux-locked signalSQUIDcontrollerRS-232GPIBSQUID outputLock-in AmplifierSteppingmotor controllerComputerFunctionGeneratorFunction generator(b)Schematic ofthe HTS-SQUID NDEsystemHTSSQUIDDouble-D CoilAluminum plateSQUID NDE systemsystemexcitationcoilcoil-8-8-4-4004488Position(cm)Position(cm)001010B(nT)f=100Hzf=100Hz1Dscanflaw4cm4cm2DimageimageAluminum plateSQUID NDE excitationB(nT)1Dscanflaw2D(c)图十七(a)SQUID非破坏性检测系统图。 SQUID；(b)NDE系统之示意图;(c)SQUID检测带有空洞的铝片，一维及二维扫描的检测结果。 -4-2024x(cm)090180270360phase ofdB/dx?360?270?180?02crack depth(mm)flaw depth46810090?diffSQUID NDEsystemflaw1flaw2Samplef=400Hz,2.8cm excitationcoilflaw1flaw2Quantitative detectionof flawdepth图十八SQUID NDE系统以微分相位检测缺陷的深度。 Biomagic MeasurementSystemBiomagic MeasurementSystemAmplifierLow-pass filterSystemPC-based DataAcquisition HTS SQUIDTranslation stageSQUIDElectronics(a)High-TCSQUID NDEsystemSQUID NDEelectronicsData acquisitionscanExcitation coilflawFlawsignalSignalamplitude:0.1-10nTConductive sample图十九电子式SQUID梯度计NDE系统。 SQUID在捡测缺陷深度、裂缝宽度等非破坏性检测(Nondestructive Evaluation,NDE)较传统的电磁波检测有其独特的优势。 除无屏蔽MCG系统之研究外，我们研发高温超导SQUID NDE系统进行金属等材料的非破坏性检测34-37。 图十七(a)为我们建立的高温超导SQUID非破坏性检测系统；图十七(b)为NDE系统的示意图，SQUID传感器置于液氮杜瓦瓶，SQUID下方置有双D线圈与样品，样品藉由二维的X-Y扫描平移，做非破坏性检测实验时，我们需先调整好SQUID及双D线圈的相对位置，使得SQUID侦测由双D线圈产生的磁场讯号为最小。 双D线圈经由函数产生器在缺陷处激发出涡电流磁场，由SQUID及锁相放大器检测其涡电流磁场，样品由X-Y扫描平台移动，做缺陷检测;图十七(c)则为此系统做一维及二维检测的缺陷磁场影像，样品为有空洞的铝片，空洞大小约四公分;图十八为SQUIDNDE系统以微分相位做缺陷深度的检测，微分相位检测法有降低或消去背景影响的独特优点37。 图十九为磁量计组成之电子式SQUID梯度计NDE系统。 此系统由两个磁量计、SQUID电子电路、相减电路及锁相放大器等组成37。 NDE系统由计算机读取数量级约在0.110n T的缺陷磁场，在无屏蔽环境下，此SQUID梯度NDE系统有较高的磁场敏感度，可用做缺陷深度的检测。 缺陷检测亦可使用平面梯计NDE系统，此时激发线圈为圆形线圈。 以平面梯度计作NDE检测，在缺陷深度的检测与电子式SQUID梯度计有相同的结果37，但其经济效益较佳。 此外，SQUIDNDE亦有找寻金属等杂物做环保38的应用价值。 SQUID另一种前瞻性的应用则是研制成磁通显微镜，它的特点是高磁场灵敏度，已被做为创新的基础物理39,40及应用41,42等研究。 图二十为我们研发可应用于检测电子电路的磁通显微镜29的系统图及它所使用的双晶体YBCO SQUID的几何图案；SQUID洞的大小约为50?50?m2，约瑟芬元件之宽度为5?m，SQUID用液态氮冷却，它是用来扫描室温样品。 图二十一的左测是以此显微镜检测的线路，而右测是SQUID显微镜扫描此线路所得的二维图形，微条间的宽度及间距均为1mm，而样品与SQUID间之距离为1.5mm。 图二十二是SQUID磁通显微镜扫描经磁化后的La SrMnO(LSMO)薄膜所得到之图形，LSMO薄膜为巨磁阻材料，样品在室温具铁磁性，居礼温度约在370K左右。 SQUID显微镜的鉴别率主要决定于SQUID与样品间之距离，当然SQUID的有效面积及其噪声亦会影响其鉴别率，我们约可以SQUID与样品间的间之距离来近似其鉴别率。 因此减少SQUID与样品间之距离，降低SQUID的噪声与有效面积，或以磁针聚集磁通均能有效地提升其鉴别率43-44。 经不断的研究，低温SQUID技术目前已相当先进，它也被商业化并有各种不同的前瞻性应用，而高温超导SQUID的基础与应用研究亦有快速的发展。 在国内的清华及交通等大学亦做SQUID研发及物理的研究，而台湾大学及台湾师范大学的研究群则研发高敏感度的高温超导SQUID磁量计与梯度计等元件，研究群已将SQUID发展到非破坏性检测、心磁测量及SQUID磁通显微镜等的应用。 目前研究群正在研究多通道SQUID物理特性，磁屏蔽及噪声处理技术，期盼由了解多通道高温超导SQUID系统的物理，最后将其应用于心磁测量及低磁场核磁造像术45等；同时研发高空间分辨率室温扫描SQUID显微镜，提高空间分辨率，以应用于基础物理与免疫检测46生医科技等基础及应用研究。 (a)The patternof SQUIDJunctionwidth:5?mThe holeofthe SQUID:50?m50?mBicrystal line(b)图二十磁通显微镜之(a)系统外观图;(b)SQUID之几何形状。 The magicfield imageof circuit pattern1The magicfield imageofthecircuitpattern5.59nT-2.28nT10m(b)图二十一磁通显微镜扫描所得到之图形(a)简单电路；(b)蛇形状电路。 LSMO thinfilm图二十二SQUID磁通显微镜扫描经磁化La SrMnO(LSMO)薄膜所得到之图形。 References:1.See,for instance,the references:Y.Nakaya and H.Mori,“Magocardiography,Clin.Phys.Physiol.Meas.,vol.,p.191-229, (1992);H.Koch,“SQUID magocardiography:status andperspectives,IEEE Trans.Appl.Supercond.,vol.11,p.49-59,Mar. 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