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Die
Erfindung betrifft ein Magnetometer mit einem in ein Gehäuse verkapselten
supraleitenden Quanten-Interferenz-Schaltkreis (SQUID) mit mindestens
einem Josephson-Kontakt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bevorzugte
Ausführungsarten
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegebenen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Magnetometers;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Magnetometers.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.