DE10063735C1

DE10063735C1 - SQUID-Sensor, beinhaltend zwei in Reihe geschaltete direkt gekoppelte SQUIDs

Info

Publication number: DE10063735C1
Application number: DE2000163735
Authority: DE
Inventors: Volkmar Schultze
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2020-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neuartige SQUID-Anordnung unter Verwendung zweier in Reihe geschalteter direkt gekoppelter SQUIDs, insbesondere hochtemperatursupraleitfähiger SQUIDs. Die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, mit Hilfe derer bei direkt gekoppelten SQUIDs eine höhere Magnetfeld-Empfindlichkeit sowie eine größere Widerstandsfähigkeit von SQUID-Meßeinrichtungen gegenüber äußeren Störfeldern erreicht wird, wird dadurch gelöst, daß zwei in Reihe geschaltete direkt gekoppelte SQUIDs (2), die in üblicher Weise mit einer supraleitenden Antenne (10) verbunden einen SQUID-Sensor (1) zur Detektion von Magnetfeldern bilden, an den jeweils das SQUID-Loch (21) umfassenden Schenkel (22) mehrere nasenartige, abtrennbare Trimmstrukturen (25) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen SQUID-Sensor, beinhaltend zwei in Reihe geschaltete direkt gekoppelte SQUIDs, insbesondere hochtemperatursupraleitfähige SQUIDS, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Sensor ist bspw. aus der US 5 767 043 A bekannt.

SQUIDs (Supraleitende Quanten Interferenz Detektoren) sind die derzeit empfindlichsten Magnetfeldsensoren. Der eigentliche SQUID arbeitet dabei als Wandler von magnetischem Fluß in elektrische Spannung. Die Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern wird durch einen davorgeschalteten Wandler von Magnetfeld in magnetischen Fluß realisiert, die sogenannte Flußantenne. Im Allgemeinen sind Flußantenne und SQUID miteinander integriert. Die Kombination aus beidem soll im folgenden als "SQUID-Sensor" bezeichnet werden, um ihn von der Einzelkomponente "SQUID" zu unterscheiden.

Für einen sensitiven SQUID-Sensor ist eine große Effektivität sowohl der Feld/Fluß-Wandlung (Antenne) und der Fluß/Spannungs-Wandlung (SQUID) erforderlich, was einen entsprechenden Aufbau beider Komponenten notwendig macht. Problematisch ist dabei, daß eine effektive Antenne eine große Aufnehmerfläche benötigt, was automatisch auch eine große Induktivität verursacht. Der SQUID kann aber nur effektiv arbeiten, wenn seine Induktivität sehr klein bleibt. Als beste Lösung dieses Problems wird dazu ein "Flußtransformator" verwendet. Dabei ist eine große Flußantenne mit einer zweiten Schleife, die aus mehreren Windungen besteht, in einem geschlossenen supraleitenden Kreis verbunden. Die Windungen stellen die sogenannte Einkoppelspule dar, die zusammen mit der eigentlichen Antenne den Flußtransformator bildet. Wird die Einkoppelspule auf dem SQUID integriert ("induktive Kopplung"), sind die Probleme der Induktivitätsanpassung gelöst und man erhält den gewünschten empfindlichen SQUID-Sensor.

Die integrierte Variante der induktiven Kopplung der Antenne zum SQUID erfordert einen mehrlagigen Herstellungsprozeß, da für den SQUID und die Einkoppelspule zwei supraleitende Lagen benötigt werden, die voneinander isoliert sein müssen. Für konventionelle metallische Supraleiter, die bei einer Arbeitstemperatur bei 4 K betrieben werden, ist dieses technologische Problem gelöst. Für die keramischen Supraleiter, die bei einer Arbeitstemperatur bei 77 K betrieben werden, steht hierfür trotz nunmehr fünfzehnjähriger Forschung keine verläßliche Technologie zur Verfügung. Als Ausweg ist bekannt, die Einkoppelspule und den SQUID nicht zu integrieren, sondern auf zwei getrennten Chips herzustellen und dann Gesicht-zu-Gesicht zueinander zu positionieren (flip-chip-Variante) (DE 44 36 448 C1). Die induktive Kopplung von Flußtransformator und SQUID wird dadurch gegenüber der direkter Integration verschlechtert, stellt aber immer noch einen großen Fortschritt gegenüber einem reinen SQUID dar. Der technologische Prozeß ist zwar vereinfacht, aber dennoch nicht unproblematisch, da die Einkoppelspule immer noch zwei supraleitende Lagen erfordert. Technologisch einfachere Varianten sind von starkem Interesse.

Diese technologisch einfachere Variante ist die aus der eingangs genannten US 5 767 043 A bekannte direkte Kopplung von Antenne und SQUID. Dabei bleibt die Fehlanpassung der Induktivitäten beider Komponenten erhalten, aufgrund der oben genannten schlechten induktiven Kopplung bei der Flip-Chip-Variante können aber mit direkter Kopplung durchaus vergleichbare Magnetfeldempfindlichkeiten erreicht werden. Der große Vorteil der direkt gekoppelten Variante ist die extrem einfache Technologie, da nur eine einzige supraleitende Lage benötigt wird (vgl. Fig. 1, Stand der Technik).

Im folgenden soll die Betriebsweise eines SQUIDs in einem kompletten Meßsystem beschrieben werden, um die Vorteile vorliegender Erfindung deutlicher aufzuzeigen:
Der SQUID allein als Fluß/Spannungs-Wander hat eine etwa sinusförmige Abhängigkeit der Spannung vom Fluß. Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, wird der SQUID in einer sogenannten Flußkoppelschleife betrieben, wodurch die Kennlinie linearisiert wird (vgl. Fig. 2, Stand der Technik). Diese lineare Kennlinie entspricht dem Anstieg im Arbeitspunkt der Original Spannungs-Fluß-Kennlinie des SQUIDs. Der Anstieg dieser Geraden ist der Fluß-Spannungs- Transferkoeffizient V_Φ = ∂V/∂Φ. Da die Original-Kurvenform (Periodenlänge) der Fluß/Spannungs-Wandlung fest ist, kann V_Φ nur durch einen großen Spannungshub V_pp vergrößert werden (vgl. Fig. 2, Stand der Technik). Der Spannungshub ist für zwei wesentliche Eigenschaften des SQUID-Sensors von großer Bedeutung:

1. Die Magnetfeld-Empfindlichkeit des SQUID-Sensors wird nicht nur, wie vorstehend beschrieben, durch die Effizienz der Wandlungen Feld/Fluß (Antenne) und Fluß/Spannung (SQUID) bestimmt, sondern sie wird auch durch das Rauschen des SQUID limitiert. Wichtigste Quelle hierfür ist das in den Josephson-Kontakten des SQUIDs generierte Spannungsrauschen. Dieses" Spannungsrauschen wird durch den SQUID in ein Flußrauschen gewandelt. Maß hierfür ist der Fluß-Spannungs-Transferkoeffizient V_Φ. Ein großes V_Φ, was letztendlich heißt ein großer Spannungshub V_pp, verbessert also die rauschbegrenzte Magnetfeld-Empfindlichkeit des SQUID-Sensors.
2. Der zweite Grund, warum ein großer Spannungshub von größtem Interesse ist, liegt in der Funktion der Flußkoppelschleife begründet, die für die Linearisierung der SQUID-Kennlinie nötig ist. Die Flußkoppelschleife muß Flußänderungen genügend schnell folgen können, um das Signal nicht zu verfälschen oder gar den Arbeitspunkt zu verlieren. In letzterem Fall würde der Fluß auf der Originalkennlinie soweit vom Arbeitspunkt wegwandern, daß er am Scheitel der sinusförmigen Kennlinie ankommt und dann undefiniert springt, was dem Verlust der Information über den tatsächlich zu messenden Fluß gleichkommt. Schnelle Flußänderungen werden durch große oder schnelle Signale hervorgerufen, die meist durch Störfelder aus der Umgebung des Meßobjektes entstehen. Gegenüber solchen Störfeldern ist die SQUID-Meßanordnung um so stabiler, je größer der Spannungshub ist.

Die gewünschte höhere Magnetfeld-Empfindlichkeit und eine bessere Störfeldfestigkeit kann über eine Erhöhung des Spannungshubs der SQUIDs erreicht werden. Neben einer gezielten Veränderung der technologischen Herstellungsparameter wurde zum Erreichen eines größeren Spannungshubs auch nach neuartigen SQUID-Anordnungen gesucht. Ein derartiger Ansatz war ein Vorschlag, SQUIDs mit drei anstelle von normalerweise zwei Josephson-Kontakten zu verwenden. Es konnte aber gezeigt werden, daß bei dieser Anordnung trotz der erzielten Erhöhung des Spannungshubs, was die Forderung nach größerer Störfeldfestigkeit erfüllen würde, keine Verbesserung des Fluß- Spannungs-Transfer-Koeffizienten erreicht werden kann und somit auch keine größere Feldempfindlichkeit. Erfolgreich für beide Forderungen war der Ansatz, zwei Auslese-SQUIDs in Reihe zu schalten (US 5 767 043 A). Als problematisch an dieser SQUID-Anordnung hat es sich allerdings erwiesen, daß zwei nahezu identische SQUID- Induktivitäten der beiden Auslese-SQUIDs notwendig sind. Andernfalls entsteht durch die Überlagerung der beiden Signale eine Art "Schwebung" d. h., der nunmehr im Vergleich mit einem einzelnen SQUID doppelt so große Spannungshub ist nicht für die gesamte Kennlinie garantiert.

Weiterhin ist aus Europhysics Conf. Abstr., Bd. 17A, S. 1047-1048, 1993 bekannt, über die Vergrößerung der SQUID-Induktivität durch Verlängerung des SQUID-Schlitzes mittels Laserbestrahlung eine Induktivitätsvergrößerung des einzelnen SQUIDs zu erzielen, um dessen SQUID-Parameter besser einstellen zu können. Durch den Einsatz eines Laserstrahls im dort beschriebenen Gebiet ist jedoch nur eine entsprechend grobe Trimmung erreichbar, die für vorliegende Erfindung nicht ausreichen würde. Darüber hinaus beeinflußt ein solches Trimmen die SQUID-Eigenschaften, da die Laserbearbeitung unmittelbar im aktiven Bereich des SQUIDs erfolgt, dort also, wo der Strom im SQUID fließt. Dadurch kann ein zusätzliches Rauschen erzeugt werden, das nun seinerseits die rauschbegrenzte Magnetfeldempfindlichkeit des SQUID- Sensors beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu schaffen, mit Hilfe dessen bei direkt gekoppelten SQUIDs eine höhere Magnetfeld- Empfindlichkeit sowie eine größere Widerstandsfähigkeit von SQUID- Meßeinrichtungen gegenüber äußeren Störfeldern erreicht wird.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines direkt gekoppelten SQUID- Sensors nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 beispielhaft eine Fluß-Spannungskennlinie eines SQUIDs,

Fig. 3 zwei in Reihe geschaltete direkt gekoppelte SQUIDs nach dem Stand der Technik und

Fig. 4 eine beispielhafte Anordnung zweier in Reihe geschalteter direkt gekoppelter SQUIDs, die nach vorliegender Erfindung ausgebildet sind.

Anhand von Fig. 1 soll das Funktionsprinzip eines direkt gekoppelten SQUID-Sensors nach dem Stand der Technik nachstehend näher erläutert werden, da vorliegende Erfindung ebenfalls darauf basiert. Dabei ist im linken Teil von Fig. 1 ein gesamter SQUID-Sensor 1 und im rechten Teil in vergößerter Darstellung ein Auslese-SQUID 2 dargestellt. Die Angabe typischer Größenverhältnisse soll die Relation des gesamten SQUID- Sensors zum Auslese-SQUID verdeutlichen.

Wird ein supraleitender Ring von einem Magnetfeld durchsetzt, so wird dieses Feld dadurch kompensiert, daß ein Abschirmstrom in dem Ring fließt. Eine Magnetfeldantenne 10 stellt einen solchen Ring dar. Der so generierte Abschirmstrom fließt infolge der direkten Kopplung auch durch den SQUID 2. Dort wiederum erzeugt der Strom ein Magnetfeld im SQUID-Loch 21, welches durch den SQUID 2 gemessen wird. Durch eine geschickte topologische Gestaltung des SQUIDs, wie schmale stromdurchflossene Stege 22 um das SQUID-Loch 21 etc., kann man eine möglichst große Effektivität der direkten Kopplung von Antenne und SQUID erreichen. Eine solche Anordnung wirkt als Magnetometer, da das Magnetfeld in der Antenne 10 gemessen wird.

In Fig. 2 ist beispielhaft eine Fluß-Spannungskennlinie eines SQUIDs dargestellt. Die original sinusförmige Kennlinie mit dem Spannungshub V_pp wird durch die Flußkoppelschleife linearisiert und hat dann im Arbeitspunkt P den Fluß-Spannungs-Transferkoeffizienten ∂V/∂Φ.

Fig. 3 zeigt zwei in Reihe geschaltete direkt gekoppelte SQUIDs nach dem Stand der Technik, die in einer Anordnung nach Fig. 1 an die Stelle des dort dargestellten einzelnen SQUIDs 2 treten können. Die unteren beiden Anschlüsse 23 dienen der elektrischen Kontaktierung. Die Anschlüsse 24 dienen der direkten Kopplung an die in Fig. 3 nicht dargestellten Antenne 10. Im übrigen sind gleiche Bauelementemerkmale mit identischen Bezugszeichen zu Fig. 1 bezeichnet.

In Fig. 4 ist schließlich eine beispielhafte Anordnung zweier in Reihe geschalteter direkt gekoppelter SQUIDs, die nach vorliegender Erfindung ausgebildet sind.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß an den zwei in Reihe geschalteten SQUIDs an den sich längs erstreckenden Schenkeln 22 zusätzliche nasenartige Trimmstrukturen 25 vorhanden sind, die zugleich mit der Herstellung der SQUIDs aus dem gleichen Material bestehend auf einem Substrat aufgebracht werden.

Diese Trimmstrukturen 25 dienen dazu, die Einkoppelinduktivitäten der beiden Einzel-Auslese-SQUIDs definiert anzugleichen. Das Trimmen erfolgt durch Abtrennung einzelner Trimmstrukturen, bevorzugt vermittels eines Laserabtrags, an der SQUID-Schleife. Hierdurch wird die Induktivität des getrimmten SQUIDs in digitalen Schritten erhöht. Es ist weiterhin möglich, verschieden große Trimmstrukturen 25 an den beiden Schenkeln 22 jedes SQUIDs anzubringen. Dies gestattet die Trimmung in verschieden großen Schritten. Betragen beispielsweise alle Strukturmaße, wie Breite a der SQUID-Schenkel, Breite b und Länge l der Trimmstrukturen 25 und Abstand d der der Trimmstrukturen 2 µm, so wird eine Induktivitätserhöhungen in Schritten etwa 6.10^-3 pro abgetrennter Trimmstruktur 25 realisiert. Die Auflösung dieser Struktur ist damit so fein, daß eine Trimmung im Promillebereich realisiert werden kann. Die bestimmende Größe ist die Breite b der Trimmstrukturen, welche im Rahmen der Erfindung vorzugsweise zwischen 0,5 µm bis 10 µm festgelegt werden kann.

Vorteilhaft an den Trimmstrukturen 25 ist ihre Anordnung in großer Entfernung von den innen liegenden Bereichen der SQUID-Schleife, welche die Rauscheigenschaften des SQUIDs maßgeblich beeinflussen. Dieser Fakt und die Möglichkeit der sehr feinen digitalen Trimmung unterscheidet die vorgestellte Lösung deutlich vorteilhaft von der bekannten Ausführung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 zur Angleichung der Induktivitäten, indem der Schlitz 21 durch Laserbearbeitung verlängert wird, was jedoch aus vorstehend beschriebenen Gründen für eine Trimmung nicht geeignet ist.

Bezugszeichenliste

1

SQUID-Sensor

10

Magnetfeldantenne

2

SQUID

21

SQUID-Loch

22

stromdurchflossene Stege

23

Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung

24

Anschlüsse zur direkten Kopplung an

10

25

nasenartige Trimmstrukturen

Claims

1. SQUID-Sensor, beinhaltend zwei in Reihe geschaltete direkt gekoppelte SQUIDs (2), die mit einer supraleitenden Antenne (10) verbunden den SQUID-Sensor (1) zur Detektion von Magnetfeldern bilden, dadurch gekennzeichnet, daß an den das SQUID-Loch (21) umfassenden Schenkel (22) mehrere nasenartige, abtrennbare Trimmstrukturen (25) vorhanden sind.

2. SQUID-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß allen Trimmstrukturen (25) eine gleiche Länge (l) und Breite (b) gegeben ist.

3. SQUID-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen von Trimmstrukturen (25) jeweils eine unterschiedliche Länge (l) und Breite (b) gegeben ist.

4. SQUID-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Gruppen zusammengefaßten Trimmstrukturen unterschiedlicher Länge (l) und Breite (b) den inneren und äußeren Schenkeln (22) zugeordnet sind.

5. SQUID-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß allen Trimmstrukturen (25) ein gleiches Länge/Breite-Verhältnis (l/b) bei zueinander unterschiedlicher Länge (l) und Breite (b) gegeben ist.

6. SQUID-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (l) und Breite (b) der Trimmstrukturen in der Größenordnung der Breite (a) der Schenkel (22) festgelegt sind.

7. SQUID-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der Trimmstrukturen (25) zwischen 0,5 µm bis 10 µm festgelegt ist.