DE19519480C2 - Magnetic flux sensor with high spatial resolution - Google Patents
Magnetic flux sensor with high spatial resolutionInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetflußsensor zur Ermittlung einer örtlichen Magnetflußänderung in einem Magnetfeld, das zwischen Magnetflußsensor und einem mittels des Magnetflußsensors magnetisch zu ana lysierenden Material gegeben ist. Das Magnetfeld wird von einer Sonde detektiert, die relativ zum zu analy sierenden Material bewegbar ist und Meßdaten auf einen SQUID (Supraleitender Quanten-Interferenz-Detektor) überträgt. Der SQUID reagiert auf eine sich bei einer solchen Bewegung ergebende Magnetfeldänderung mit Quanteninterferenzen, die mit einer Gleichstrom- (dc = direkt current) oder Wechselstrom-(rf = radio fre quency) Auswerteelektronik erfaßt werden.The invention relates to a magnetic flux sensor to determine a local magnetic flux change in a magnetic field between the magnetic flux sensor and one magnetically to ana by means of the magnetic flux sensor lysing material is given. The magnetic field is detected by a probe that is relative to the analyte material is movable and measurement data on a SQUID (superconducting quantum interference detector) transmits. The SQUID responds to one at a magnetic field change resulting from such movement Quantum interference with a direct current (dc = direct current) or alternating current (rf = radio fre quency) evaluation electronics are detected.
Ein solcher Magnet flußsensor ist der Druckschrift WO 95/01574 zu entnehmen.Such a magnet Flow sensor can be found in WO 95/01574.
Konventionelle Magnetflußsensoren dieser Art werden insbesondere zur Analyse von Materialoberflächen be nutzt. Beispielsweise werden Materialoberflächen auf magnetische Bereiche, sog. magnetische Domänen, abge tastet. Die geometrischen Abmessungen der SQUIDs ermöglichen üblicherweise eine Ortsauflösung im Bereich von einigen µm. Diese ist vergleichbar mit der Ortsauflösung eines Lichtmikroskops. Eine höhere Auf lösbarkeit und stärkere Empfindlichkeit ist für Anwen dungen von SQUIDs insbesondere im Bereich der Mate rialforschung und Molekularbiologie wünschenswert. Conventional magnetic flux sensors of this type especially for the analysis of material surfaces uses. For example, material surfaces are on magnetic areas, so-called magnetic domains, abge gropes. The geometric dimensions of the SQUIDs usually enable spatial resolution in the area of a few µm. This is comparable to that Spatial resolution of a light microscope. A higher up Solubility and greater sensitivity is for users SQUIDs especially in the area of mate rial research and molecular biology desirable.
Aus der Druckschrift DE 40 21 241 A1 geht ein Lesekopf mit mindestens einem Feldplatten-Sensor zum Lesen eine strich- oder stäbchenartigen magnetischen Information auf einem Datenträger hervor. Über einen Leitstift wird die Information an den eigentlichen Sensor weitergeleitet.From the document DE 40 21 241 A1 a read head goes with at least a field plate sensor for reading a line or stick-like magnetic information on one Disk. Via a guide pin the information is sent to the actual Sensor forwarded.
Aus der Druckschrift DE 39 11 195 C2 ist bekannt, weichmagnetisches Material in Kombination mit einem SQUID bei einem Flußmesser einzusetzen, bei dem eine Flußübertragungsschaltung mit einer supraleitenden Spule verwendet wird.From the publication DE 39 11 195 C2 is known soft magnetic material in combination with a SQUID at a To use a flow meter where one Flow transmission circuit with a superconducting coil is used.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei Magnetflußsensoren die Empfindlichkeit zur Feststellung magnetischer Mi krofeldänderungen zu steigern.The object of the invention is to magnetic flux sensors the sensitivity to detect magnetic Mi increase field changes.
Diese Aufgabe wird bei einem Magnetflußsensor der ein gangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Als Sonde wird eine Spitze aus ferromagnetischem Material verwendet, deren Schaft von zumindest einer supraleitenden Induktionsschleife umfaßt ist, die über eine Signalleitung mit dem SQUID verbunden ist. Für die Spitze wird weichmagnetisches Material hoher Per meabilität verwendet, um permanente Felder im magneti schen Material der Spitze weitestgehend zu vermeiden. Durch die eingesetzte weichmagnetische Spitze wird das zwischen Induktionsschleife und zu analy sierender Materialoberfläche herrschende Magnetfeld konzentriert, es werden die die Magnetfeldstärke symbo lisierenden magnetischen Feldlinien, die von der abge tasteten Materialoberfläche ausgehen, zur Spitze hin abgelenkt. Die Feldlinien verdichten sich an der Spitze, der Magnetfluß steigt also. Magnetflußänderun gen werden somit empfindlicher ermittelt, mit erfin dungsgemäß ausgebildeten Magnetflußsensoren lassen sich Ortsauflösungen von 100 nm oder besser erreichen. Die Feldauflösung wird um den Faktor der Permeabilität des Spitzenmaterials, d. h. bis zu einer Größenordnung von 103 gesteigert. This object is achieved in a magnetic flux sensor of the type mentioned by the features specified in claim 1. A tip made of ferromagnetic material is used as the probe, the shaft of which is surrounded by at least one superconducting induction loop which is connected to the SQUID via a signal line. Soft magnetic material of high permeability is used for the tip in order to largely avoid permanent fields in the magnetic material of the tip. The magnetic field between the induction loop and the material surface to be analyzed is concentrated by the inserted soft magnetic tip, and the magnetic field lines that symbolize the magnetic field strength and emanate from the scanned material surface are deflected towards the tip. The field lines condense at the tip, so the magnetic flux increases. Magnet flux changes are thus determined more sensitively, with magnetic flux sensors designed according to the invention, spatial resolutions of 100 nm or better can be achieved. The field resolution is increased by the factor of the permeability of the tip material, ie up to an order of magnitude of 10 3 .
Die Konzentration des Magnetfeldes an der Spitze ist von deren Schärfe abhängig. Es ist deshalb vorgesehen, den Krümmungsradius r der Spitze nicht größer als 10 nm (r ≦ 10 nm) auszubilden.The concentration of the magnetic field at the top is depending on their sharpness. It is therefore envisaged the radius of curvature r of the tip is not greater than 10 nm (r ≦ 10 nm).
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die den Magnetfluß fokussierende Spitze zentral innerhalb der Induktionsschleife angeordnet. Bei einer solchen Anordnung stellt sich für das Magnetfeld eine axialsymmetrische Struktur ein.In a further embodiment of the invention, the Magnetic flux focusing tip centrally inside arranged the induction loop. With such an arrangement it turns out for the magnetic field has an axially symmetrical structure.
Die Erfindung und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nä her beschrieben.The invention and further refinements of the invention are nä using an exemplary embodiment described here.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung:
einen Magnetflußsensor mit weichmagneti
scher Spitze, deren Schaft von einer su
praleitenden Induktionsschleife umfaßt ist.The drawing shows in a schematic representation:
a magnetic flux sensor with soft magnetic tip, the shaft of which is covered by a su praleiting induction loop.
In der Figur ist schematisch ein Magnetflußsensor mit einer weich magnetischen Spitze 3 dargestellt. Relativ zur Spitze 3 wird eine Probe 4 bewegt, deren Materialstruktur an ihrer Oberfläche zu analysieren ist. Zur Probe 4 hin bildet die Spitze 3 die erhabenste Stelle des Magnet flußsensors. Zwischen Spitzenende und zu analysierender Materialoberfläche besteht ein nur sehr geringer Ab stand s, typischerweise im Bereich von s ≦ 1 µm. In der Zeichnung ist der Abstand s also im Verhältnis zu den Abmessungen der übrigen dargestellten Teile des Mag netflußsensors nicht realistisch, sondern erheblich vergrößert wiedergegeben.In the figure, a magnetic flux sensor with a soft magnetic tip 3 is shown schematically. A sample 4 is moved relative to the tip 3 , the material structure of which is to be analyzed on its surface. Towards sample 4 , tip 3 forms the most elevated point of the magnetic flux sensor. There is only a very small distance s between the tip end and the material surface to be analyzed, typically in the range of s ≦ 1 µm. In the drawing, the distance s is therefore not realistic in relation to the dimensions of the other parts of the magnetic flux sensor shown, but is shown considerably enlarged.
Auf der Materialoberfläche sind magnetische Domänen 5 angedeutet, die zu detektieren sind. Ein zwischen Spitze 3 und einer der magnetischen Domänen 5 sich ver dichtendes Magnetfeld 6 ist mittels magnetischer Feld linien 7 schematisch dargestellt. Bei einer Bewegung zwischen Spitze 3 und Probe 4 ändert sich der mag netische Fluß zwischen Spitze und Probe. Die Flußände rung verursacht am SQUID Quanten-Interferenzen, die mittels der Auswerteelektronik 8 erfaßt und in Bildsig nale umformbar sind.Magnetic domains 5 which are to be detected are indicated on the material surface. A between the tip 3 and one of the magnetic domains 5 ver sealing magnetic field 6 is shown schematically by means of magnetic field lines 7 . When moving between tip 3 and sample 4 , the magnetic flow between tip and sample changes. The river change causes SQUID quantum interference, which is detected by the evaluation electronics 8 and can be converted into image signals.
Die Spitze 3 ist aus weichmagnetischem Material mit einer Permeabi lität µ < 1 gefertigt, bevorzugt aus "weichem" ferro magnetischen Material mit µ << 1 mit Werten im Bereich etwa zwischen µ = 103 bis 105. Als Materialien sind Permalloy oder Ferritte sowie nanokristalline und amorphe Ferromagnetika geeignet. Auf diese Weise lassen sich hohe Magnetflußempfindlichkeiten und hohe Ortsauflösungen erzielen.The tip 3 is made of soft magnetic material with a permeability µ <1, preferably made of "soft" ferromagnetic material with µ << 1 with values in the range approximately between µ = 10 3 to 10 5 . Permalloy or ferrite as well as nanocrystalline and amorphous ferromagnetics are suitable as materials. In this way, high magnetic flux sensitivity and high spatial resolutions can be achieved.
Die Spitze 3 kann als feine Nadel mit einem Schaft durchmesser D von etwa D = 0,1 mm und am Spitzenende 9 mit einem Krümmungsradius r ≦ 10 nm z. B. elektroche misch präpariert werden. The tip 3 can as a fine needle with a shaft diameter D of about D = 0.1 mm and at the tip end 9 with a radius of curvature r ≦ 10 nm z. B. electroche mixed.
Das zu analysierende Material und der Magnetflußsensor lassen sich relativ zueinander mit Rasterantrieben in der abzutastenden Ebene der Oberfläche sowie senkrecht dazu verschieben. Im Ausführungsbeispiel ist typi scherweise die Probe beweglich, der Magnetflußsensor ortsfest angeordnet. Zur Oberflächendetektion ist vor allem eine Messung des Abstandes s notwendig, dieser senkrechte Abstand zwischen Materialoberfläche und Spitzenende wird üblicherweise bei der Rasterbewegung konstant gehalten.The material to be analyzed and the magnetic flux sensor can be relative to each other with raster drives in the plane of the surface to be scanned and perpendicular move to it. In the exemplary embodiment is typi usually the sample is movable, the magnetic flux sensor arranged stationary. For surface detection is in front all that is necessary is a measurement of the distance s, this vertical distance between material surface and The tip end is usually during the raster movement kept constant.
Zur Abstandsmessung stehen alle Methoden zur Verfügung, die auch bei der Rastersondenmikroskopie angewandt wer den. Der Abstand s läßt sich induktiv oder kapazitiv (z. B. DE-PS 39 22 589), interferometrisch (z. B. DE- OS 43 44 499) oder auch mechanisch durch Messung v. d. Waalscher Kräfte oder über Schwingungsdämpfung bestimmen. Mit Hilfe der auf diese Weise gemessenen Signale werden die meist mit piezoelektrischen Ele menten ausgerüsteten Rasterantriebe über eine Regel schleife gesteuert.All methods are available for distance measurement, which are also used in scanning probe microscopy the. The distance s can be inductive or capacitive (e.g. DE-PS 39 22 589), interferometric (e.g. DE- OS 43 44 499) or mechanically by measurement v. d. Waals forces or vibration damping determine. With the help of the measured in this way Signals are mostly with piezoelectric ele raster drives equipped with a rule loop controlled.
Möglich ist es auch, über die aus ferromagnetischem Ma terial ausgebildete Spitze 3 des Magnetflußsensors einen Tunnelstrom zu leiten und den Abstand s zwischen Spitzenende und Materialoberfläche in einer Größenord nung s ≦ 1 nm in gleicher Weise wie bei einem Raster tunnelmikroskop zu regeln. Eine solche Ausbildung des Magnetflußsensors erlaubt dann neben der Detektion mag netischer Domänen auch die Bestimmung der Oberflä chenstruktur der zu analysierenden Materialoberfläche bis hin zu atomarer Auflösung. It is also possible to conduct a tunnel current via the tip 3 of the magnetic flux sensor formed from ferromagnetic material and to regulate the distance s between the tip end and material surface in an order of magnitude s ≦ 1 nm in the same way as in a scanning tunneling microscope. Such a design of the magnetic flux sensor then allows, in addition to the detection of magnetic domains, also the determination of the surface structure of the material surface to be analyzed up to atomic resolution.
Eine weitere Möglichkeit, den Abstand s zu messen, er gibt sich aus dem Modus konstanten SQUID-Signals. Dabei wird der Abstand so variiert, daß der Magnetfluß durch den SQUID immer konstant gehalten wird.Another way to measure the distance s, he results from the mode constant SQUID signal. Here the distance is varied so that the magnetic flux through the SQUID is always kept constant.
Als SQUIDs sind oxydkeramische Hochtemperatur-Supraleiter ein setzbar. Hochtemperatur-Supraleiter werden wegen der geringeren Kühlkosten und den zur Kühlung zur Verfügung stehenden Kleinkältemaschinen bevorzugt eingesetzt. Hohe Empfindlichkeiten werden mit Dünnschicht-SQUIDs aus Hochtemperatur-Supraleiter-Materialien erzielt. Um eine Wandlung des Magnetfeldes in magnetischen Fluß und eine Anpassung an die extrem kleine SQUID-Induktivität zu erreichen, werden Flußtransformatoren, Parallel schleifen-SQUIDs und Flußkonzentratoren eingesetzt.As SQUIDs are oxide-ceramic high-temperature superconductors settable. High temperature superconductors are because of the lower cooling costs and available for cooling standing small chillers are preferred. High sensitivity is achieved with thin-film SQUIDs made from high-temperature superconductor materials. Around a conversion of the magnetic field into magnetic flux and an adaptation to the extremely small SQUID inductance to achieve flow transformers, parallel loop SQUIDs and flux concentrators are used.
Wie in der Figur gezeigt ist, wird auf der Halterung 1 eine mit Dünnschicht filmtechnik aufgebrachte supraleitende Induktions schleife 10 angeordnet, die die ferromagnetische Spitze 3, die in axialer Richtung der Induktions schleife verläuft, an der Halterung (1) am Spitzen schaft umschließt und als Signalgeber über eine Sig nalleitung 12 im Ausführungsbeispiel elektrisch kapazi tiv mit dem örtlich getrennt angeordneten SQUID 2' als Meßsystem verbunden ist. Diese Ortstrennung von Magnetflußsensor und SQUID 2' ermöglicht, das notwen dige Kühlsystem für den SQUID vom Meßort entfernt zu installieren und zu betreiben. Der Magnetflußsensor selbst weist dann nur für die supraleitende Induktions schleife eine Kühlung auf, für die ein erheblich gerin gerer technischer Aufwand als für die Kühlung eines SQUIDs erforderlich ist. Denn für das Detektieren der Magnetfeldänderung ist es nicht erforderlich, daß auch die Spitze des Magnetflußsensors auf Supraleiter-Tempe ratur gehalten wird. Temperaturdifferenzen zwischen SQUID und Spitze sind wegen der Messung im Vakuum verkraftbar.As shown in the figure, a thin film technology superconducting induction loop 10 is arranged on the holder 1 , which encloses the ferromagnetic tip 3 , which runs in the axial direction of the induction loop, on the holder ( 1 ) at the tip shaft and as Signal generator via a signal line 12 in the exemplary embodiment is electrically capacitively connected to the locally separated SQUID 2 'as a measuring system. This separation of the magnetic flux sensor and SQUID 2 'enables the necessary cooling system for the SQUID to be installed and operated from the measuring location. The magnetic flux sensor itself then only has a cooling for the superconducting induction loop, for which a considerably lower technical outlay is required than for the cooling of a SQUID. Because for the detection of the magnetic field change, it is not necessary that the tip of the magnetic flux sensor is kept at superconductor temperature. Temperature differences between the SQUID and the tip are manageable due to the measurement in a vacuum.
Statt nur einer Induk tionsschleife können im Ausführungsbeispiel nach der Figur auch mehrere Induktionsschleifen vorgesehen sein. Die Induktionsschleifen sind dann auf der ebenen Halte rung 1 benachbart aufgebracht und weisen jede einen gegenüber einer benachbarten inneren Induktionsschleife vergrößerten Schleifenradius auf.Instead of only one induction loop, several induction loops can also be provided in the exemplary embodiment according to the figure. The induction loops are then applied adjacent to the plane holding device 1 and each have an enlarged loop radius compared to an adjacent inner induction loop.
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