DE10210072B4 - Magnetometer - Google Patents

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Abstract

Magnetometer (1) mit einem in ein Gehäuse (3) verkapselten supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreis (SQUID-Chip 2) mit mindestens einem Josephson-Kontakt, dadurch gekennzeichnet, dass planare Feldkompensationsspulen (8a, 8b) zur Ausbildung eines homogenen Magnetfeldes im Bereich der feldempfindlichen Fläche des supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreises (2) einschließlich des Bereichs des mindestens einen Josephson-Kontaktes im Gehäuseinnenraum in das Gehäuse (3) integriert sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Magnetometer mit einem in ein Gehäuse verkapselten supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreis (SQUID) mit mindestens einem Josephson-Kontakt.
  • SQUID-Magnetometer sind hochempfindliche Sensoren für die Messung magnetischer Feldänderungen. Ein SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) ist ein supraleitender Stromkreis mit ein oder mehreren Josephson-Kontakten zur Messung besonders schwacher magnetischer Felder unter Ausnutzung der Flussquantisierung. Sie werden bei tiefen Temperaturen gewöhnlich in flüssigem Helium (4, 2 K) oder flüssigem Stickstoff (77 K) betrieben. Dies ist abhängig davon, ob die SQUID-Schaltkreise in Form von integrierten Schaltungen aus konventionellen oder Hochtemperatur-Supraleitern gefertigt sind. Zum Schutz der SQUID-Schaltkreise vor mechanischen und chemischen Einwirkungen von außen werden diese in einem Gehäuse verkapselt. Das Gehäuse besteht herkömmlicherweise aus einem Boden und einem Deckel aus dem gleichen Mate rial, wie z. B. glasfaserverstärkten Kunststoff GFK oder Keramik, wobei der Boden und der Deckel nach dem Aufkleben des SQUID-Schaltkreises auf den Boden des Gehäuses miteinander verklebt werden. Die elektrischen Zuleitungen des Magnetometers und von Hilfsbauelementen werden in Form von dünnen Drähten oder Leiterbahnen nach außen geführt.
  • Bei dem Betrieb eines SQUID-Magnetometers, insbesondere mit einem SQUID-Schaltkreis aus Hochtemperatur-Supraleitern, in stark elektromagnetisch gestörter Umgebung ist eine geeignete Unterdrückung niederfrequenter Störfelder erforderlich. Diese wird herkömmlicherweise durch magnetische Kompensationsoder Hilfsfelder erzielt, die im Bereich des Magnetometers eine große Homogenität über der feld-empfindlichen Fläche des SQUID-Schaltkreises aufweisen müssen. Diese Hilfsfelder werden herkömmlicherweise durch Helmholtz-Spulen erzeugt, die im Verhältnis zu der Abmessung des Magnetometers im Bereich von 10 mm × 10 mm relativ groß sind. Die Abmessungen von Helmholtz-Spulen-Systemen betragen mindestens ca. 25 mm × 25 mm × 13 mm. Hierdurch sind herkömmliche SQUID-Magnetometer, wie sie in der DE 197 18 649 A1 und DE 698 01 743 T2 beschrieben sind, mit Feldkompensationsspulen relativ groß und eine Anordnung von mehreren derartigen SQUID-Magnetometern auf engstem Raum ist nahezu unmöglich.
  • In der DE 196 15 254 C2 ist ein ähnlicher SQUID-Magnetometer mit Feldkompensationsspulen beschrieben, die in Abhängigkeit vom Aufstellungsort außerhalb des SQUID-Sensors positioniert werden.
  • In der DE 35 29 815 A1 ist eine Messvorrichtung mit einen SQUID-Magnetometer offenbart, bei dem oberhalb einer SQUID-Schleife und außerhalb der Josephson-Kontakte eine planare Einkoppelspule zur effektiven Einkopplung des Messsignals in den SQUID-Sensor vorgesehen ist. Durch geeignete Modulationsverfahren können dann magnetische Signale kleiner Frequenz gemessen werden. Eine Feldkompensation erfolgt durch die Einkopplungsspule nicht.
  • Aufgabe der Erfindung war es daher, ein verbessertes Magnetometer mit einem in ein Gehäuse verkapselten supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreis (SQUID) zu schaffen, das bei geringsten Abmessungen eine Kompensation zur Störsignalunterdrückung ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Magnetometer erfindungsgemäß gelöst durch planare Feldkompensationsspulen zur Ausbildung eines homogenen Magnetfeldes im Bereich der feldempfindlichen Fläche des supraleitenden Quaten-Interferenz-Schaltkreises einschließlich des Bereichs des mindestens einen Josephson-Kontaktes, die in dem Gehäuseinnenraum in das Gehäuse integriert sind.
  • Hierdurch wird ein kompaktes SQUID-Magnetometer geschaffen, bei dem das SQUID-Chip in das Gehäuse hermetisch verkapselt ist und das ohne Vergrößerung der Abmessungen über ein Kompensationsspulensystem verfügt, mit dem in Verbindung mit einer stabilisierten Stromquelle äußere Magnetfelder im Bereich der feldempfindlichen Fläche des SQUID-Magnetometers homogen unterdrückt werden können.
  • Bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegebenen.
  • Die planaren Spulen sind vorzugsweise oberhalb und unterhalb des supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreises (SQUID-Chip) in einen Deckel und einem Boden des Gehäuses integriert. Hierzu sind die Spulen besonders bevorzugt jeweils als Leiterbahn auf einer Leiterplatte ausgeführt. Die Leiterplatten sind mehrlagig und bilden den Deckel und Boden des Gehäuses. Die Mehrlagigkeit der Leiterplatten hat den Vorteil, dass Verbindungsleitungen mit Hilfe von vias in mehreren Ebenen geführt werden können.
  • Der Abstand zwischen Deckel und Boden des Gehäuses, die jeweils eine planare Spule zur Ausbildung eines magnetischen Kompensationsfeldes aufweisen, sollte mindestens die doppelte Höhe des verkapselten SQUID-Chips haben. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die in den Deckel und den Boden des Gehäuses integrierten planaren Spulen ein homogenes Magnetfeld im Bereich der feldempfindlichen Fläche des SQUID-Chip ausbilden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn auf der in den Innenraum des Gehäuses weisenden Innenfläche des Deckels und/oder Bodens des Gehäuses Leiterbahnen zum Anschluss des supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreises ausgebildet sind. Die metallisierten Leiterbahnen können auf diese Weise nicht nur zur Schaffung der planaren Kompensations-Spulen, sondern darüberhinaus auch zur Verdrahtung des SQUID-Chips und gegebenenfalls zur Kontaktierung weiterer Hilfsbauelemente eingesetzt werden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, die Anschluss-Leiterbahnen in dem Bereich einer Aussenkante des Deckels und/oder Bodens zu führen, um dort das verkapselte Magnetometer extern auf einfache Weise elektrisch zu kontaktieren.
  • Der Deckel und der Boden des Gehäuses sind in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem zwischenliegenden Abstandsrahmen hermetisch miteinander verbunden. Auf diese Weise kann bei der Fertigung gewährleistet werden, dass der Deckel und der Boden planparallel in einem definierten Abstand voneinander angeordnet sind.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, unmittelbar unterhalb des SQUID-Chips eine Hilfsspule zur Signalrückkoppelung in den Boden des Gehäuses zu integrieren, der den SQUID-Chip trägt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Magnetometers;
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Magnetometers.
  • Die 1 lässt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Magnetometers 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung erkennen. Ein supraleitender Quanten-Interferenz-Schaltkreis 2 in Form eines integrierten SQUID-Chips dient zur Messung besonders schwacher magnetischer Felder unter Ausnutzung der Flußquantisierung und ist in ein Gehäuse 3 hermetisch verkapselt. Das Gehäuse 3 besteht aus einem Boden 4, einem Deckel 5 und einem Abstandsrahmen 6. Die Höhe des Abstandsrahmens 6 beträgt mindestens die doppelte Höhe des verkapselten SQUID-Chips 2, wobei der Boden 4 und der Deckel 5 des Gehäuses 3 durch den Abstandsrahmen 6 planparallel zueinander in dem definierten Abstand getragen werden. Der Boden 4, der Deckel 5 und der Abstandsrahmen 6 sind im montierten Zustand hermetisch miteinander verschweißt, verklebt oder sonstwie verbunden.
  • Der SQUID-Chip 2 wird auf dem Boden 4 des Gehäuses aufgenommen, wobei unterhalb des SQUID-Chips 2 eine Hilfsspule 7 zur Signalrückkopplung in dem Boden 4 integriert ist.
  • Weiterhin sind in den Boden 4 und den Deckel 5 jeweils planare Feldkompensationsspulen, im Folgenden als Spulen 8a, 8b bezeichnet zur Ausbildung eines homogenen Magnetfeldes im Bereich der feldempfindlichen Fläche des SQUID-Chip 2 integriert.
  • In dem Boden 4 und Deckel 5 sind weiterhin Anschlussfahnen 9 mit Lötanschlüssen 10 zur externen Kontaktierung des Magnetometers 1 vorgesehen. Die Anschlussleitungen für die planaren Kompensations-Spulen 8a, 8b, die Hilfsspule 7 zur Signalrückkopplung und für den SQUID-Chip 2 werden an diese Lötanschlüsse 10 geführt.
  • Die 2 lässt das erfindungsgemäße Magnetometer 1 in der schematischen Querschnittsansicht erkennen. Es wird deutlich, dass der Boden 4 und der Deckel 5 durch den Abstandsrahmen 6 planparallel voneinander beabstandet, hermetisch miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird ein hermetisch verkapseltes Gehäuse 3 geschaffen, in dessen Innenraum der supraleitende Quanten-Interferenz-Schaltkreis in Form eines SQUID-Chips 2 aufgenommen wird. Der SQUID-Chip 2 ist über Bond-Drähte 11 und Leiterbahnen 12 als elektrische Verbindungen (vias) zwischen den mehreren Lagen des als mehrlagige Leiterplatte ausgeführten Bodens 4 mit den externen Lötanschlüssen 10 kontaktiert.
  • Weiterhin ist erkennbar, dass planare Spulen 8a, 8b jeweils auf der Ober- und Unterseite des als Leiterplatte ausgeführten Bodens 4 und Deckels 5 in Form von Dünnschichtspulen aufgebracht sind. Die planaren Spulen 8a, 8b werden hierbei in den Metallisierungsschichten der mehrlagigen Leiterplatten vorzugsweise durch Lithographie-Verfahren strukturiert. Der Windungsverlauf der planaren Spulen 8a, 8b, d. h. die Form, Windungszahl und der Windungsabstand, sind so dimensioniert, dass durch die planaren Spulenpaare 8a, 8b von dem Boden 4 und dem Deckel 5 jeweils ein über die Fläche des SQUID-Chip 2 homogenes Magnetfeld erzeugt werden kann. Durch Zusammenschaltung beider Spulenpaare 8a, 8b wird dieses Magnetfeld zusätzlich auch in Richtung der Spulenachse zwischen den Spulen 8a, 8b hinreichend homogen. Die Homogenität des erzeugten Magnetfeldes ist dabei so auszulegen, dass die Ungenauigkeiten und Abweichungen bei der Anordnung des SQUID-Chips 2 in dem Gehäuse 3 bei spielsweise durch Verkippung, Verklebung, Fertigungstoleranzen des Rahmens und des SQUID-Chips 2 selbst toleriert werden können.
  • Die planaren Spulen 8b in dem Deckel 5 des Gehäuses 3 sind ebenfalls über Leiterbahnen mit einem außenliegenden Lötanschluss 10 verbunden. Damit sind die Anschlüsse sämtlicher verkapselten Bauelemente, insbesondere der planaren Spulen 8a, 8b der Hilfsspule 7 und des SQUID-Chips 2 von außerhalb des Gehäuses 3 leicht zugänglich.
  • Es ist weiterhin erkennbar, dass die planaren Spulen 8a, 8b zur Ausbildung des homogenen Kompensations-Magnetfeldes in dem Randbereich der Flucht des SQUID-Chips 2 angeordnet sind.

Claims (8)

  1. Magnetometer (1) mit einem in ein Gehäuse (3) verkapselten supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreis (SQUID-Chip 2) mit mindestens einem Josephson-Kontakt, dadurch gekennzeichnet, dass planare Feldkompensationsspulen (8a, 8b) zur Ausbildung eines homogenen Magnetfeldes im Bereich der feldempfindlichen Fläche des supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreises (2) einschließlich des Bereichs des mindestens einen Josephson-Kontaktes im Gehäuseinnenraum in das Gehäuse (3) integriert sind.
  2. Magnetometer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine planare Feldkompensationsspule (8a, 8b) oberhalb und unterhalb des supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreises (2) in einen Deckel (5) und einen Boden (4) des Gehäuses (3) integriert ist.
  3. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldkompensationsspulen (8a, 8b) jeweils als Leiterbahn (12) auf einer Leiterplatte ausgeführt und die Leiterplatten mehrlagig sind und den Deckel (5) und den Boden (4) des Gehäuses (3) bilden.
  4. Magnetometer (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (5) und der Boden (4) des Gehäuses (3) mindestens einen Abstand von der doppelten Höhe des verkapselten supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreises (2) voneinander haben.
  5. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der in den Innenraum des Gehäuses (3) weisenden Innenfläche des Deckels (5) und/oder des Bodens (4) des Gehäuses (3) Leiterbahnen (12) zum Anschluss des supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreises (2) ausgebildet sind.
  6. Magnetometer (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschluss-Leiterbahnen (12) in dem Bereich einer Außenkante des Deckels (5) und/oder Bodens (4) zur externen elektrischen Kontaktierung des Magnetometers (1) geführt werden.
  7. Magnetometer (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (5) und der Boden (4) mit einem zwischenliegenden Abstandsrahmen (6) hermetisch verbunden sind.
  8. Magnetometer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar unterhalb des supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreises (2) eine Hilfsspule (7) zur Signalrückkopplung in den Boden (4) des Gehäuses (3), der den supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreis (2) trägt, integriert ist.
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