DE19816218A1 - SQUID-Sensor mit geringer SQUID-Induktivität und starker magnetischer Kopplung mit einer integrierten Einkoppelspule mit großer Induktivität - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen SQUID-Sen­ sor, der als Magnetometer bzw. Magnet-Gradiometer zu verwen­ den ist und vorzugsweise für zerstörungsfreies Prüfen von elektrisch leitenden Materialien, z. B. Stahlteilen, zu benut­ zen ist.

SQUIDs und mit ihnen aufgebaute Magnetometer sind in Fig. 4 dargestellt und aus dem Stand der Technik z. B. aus M.B. Ketchen, IEEE Trans. on Magnetics, Vol. MAG-17, No. 1 (1981), S. 387 ff., M.B. Ketchen, Springer Proceedings in Physics, Vol. 64, Superconducting Devices and their applica­ tions, Proceedings SQUID '91, p. 256, Springer Verlag, 1992, und M. Schilling, R. Scharnweber and S. Völkl, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 5, No. 2, June 1995, p. 2346, hinlänglich bekannt.

Ein SQUID (siehe Fig. 4) ist eine induktivitätsbehaftete Schleife 2 aus supraleitendem Material mit in der Schleife befindlichen Josephson-Kontakten K1, K2. Durch die beiden je einen Josephson-Kontakt enthaltenden Hälften der Schleife 2 geführter elektrischer Gleichstrom IB dient zur Einstellung eines Arbeitspunktes des SQUID.

Ein SQUID-Element setzt als Wandler sehr effizient Magnetfluß in elektrische Spannung um. Die Umwandlung ist umso effizien­ ter, umso kleiner die SQUID-Induktivität ist. Dies gilt ins­ besondere für Hochtemperatur-(HTS-)SQUIDS. Bei einer klein bemessenen SQUID-Induktivität, nämlich bei klein bemessenem SQUID-Loch 5 und -Schlitz 6, ist der vom SQUID-Element umfaß­ bare Magnetfluß, im wesentlichen konstruktiv bedingt, relativ klein. Aus diesem Grunde ist es üblich, für die Magnetfeld- (Flußdichte-)Messung dem als Wandler dienenden SQUID-Element einen sogenannten Flußtransformator vorzuschalten. Als sol­ cher- wird im allgemeinen eine, eine einzige oder mehrere Win­ dungen umfassende Pickup-Schleife 3 benutzt, die an eine dem SQUID zugeordnete/zugehörige Koppelspule 4 angeschlossen wird. Diese Koppelspule hat im Regelfall mehrere Windungen und besteht wie das SQUID üblicherweise aus Supraleitermate­ rial. Diese Koppelspule ist mit dem SQUID über die Schleife 2 induktiv gekoppelt. Der induzierte Strom fließt seriell durch die Josephson-Kontakte K1 und K2. Die SQUID-Induktivität ist im wesentlichen durch die Abmessungen des SQUID-Loches und -Schlitzes bestimmt. Je kleiner das SQUID-Loch 5 und/oder der Schlitz 6 bemessen sind, umso kleiner ist die SQUID-Induk­ tivität. Die Mindestlänge des Schlitzes 6 ergibt sich im üb­ rigen aus der Anzahl der Windungen der Einkoppelspule 4. Im praktischen Falle erzwingt die Forderung, eine gute Magnet­ feldauflösung zu erzielen, dazu, eine große Pickupschleife 3 und entsprechend viele Windungen für die Koppelspule 4 vorzu­ sehen. Dies erfordert, oben als konstruktive Bedingung er­ wähnt, wiederum eine große Fläche der SQUID-Schleife 2 und damit verbunden einen relativ langen Schlitz 6.

Der Einsatz eines SQUID-Sensors, z. B. anzuwenden für zerstö­ rungsfreies Prüfen, erfolgt vorzugsweise beim Hochfrequenz- Wirbelstromverfahren mit Verwendung einer normalleitenden Pickup-Spule oder vorzugsweise beim Niederfrequenz- Wirbelstromverfahren mit Verwendung einer supraleitenden Pic­ kup-Spule, die insbesondere auf dem gleichen Substrat wie das SQUID-Element angeordnet ist. Diese vorzugsweise ausgewählten verschiedenen Prinzipien des Aufbaus vereinfachen den jewei­ ligen technologischen Aufbau eines derartigen SQUID-Sensors.

In der Praxis müssen z. B. beim zerstörungsfreien Prüfen die Messungen auch in einer relativ stark elektromagnetisch ge­ störten Umgebung durchgeführt werden können. Sehr häufig ist der Störpegel um Größenordnungen größer als das Meßsignal. Da die Felder der Störsignale üblicherweise viel geringeren ört­ lichen Gradienten aufweisen als die Felder der zu messenden Nutzsignale, werden vorteilhaft Pickup-Spulen mit einer Gra­ diometer-Struktur benutzt. Ebenso kann man mit der Einkoppel­ spule verfahren. Betreffend die SQUID-Induktivität ist es insbesondere im Falle der Verwendung von Hochtemperatur- Supraleitermaterial technologisch schwierig, diese (ebenfalls) als Gradiometer-Struktur auszuführen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, die eine direkte Magnetfeldempfindlichkeit des Sensors mindestens stark reduzieren. Insbesondere ist es Aufgabe, eine SQUID- Anordnung anzugeben, die trotz großer Anzahl der Windungen der Einkoppelspule eine kleine SQUID-Induktivität im Bereich von sub nH hat und dennoch Fehlanpassung minimiert ist. Wei­ ter ist es Aufgabe der Erfindung, einen Aufbau eines solchen erfindungsgemäßen SQUIDs anzugeben, der sich einfach und mit nur geringem technologischem Aufwand realisieren läßt.

Diese Aufgabe(n) lösen die die Merkmale des Patentanspruches 1.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgen­ den Beschreibung der Figuren hervor.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht der erfindungsgemäßen SQUID- Anordnung.

Fig. 1a zeigt eine Vergrößerung des Zentrums dieser Fig. 1.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht zur Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Wandler nach Fig. 1 mit einer supra­ leitenden Pickup-Spule, und

Fig. 4 zeigt den bereits beschriebenen Stand der Technik.

Beim in Fig. 4 dargestellten Beispiel des Standes der Tech­ nik koppelt die Einkoppelspule 4 direkt mit dem SQUID-Loch 5. Es ist also dort nur eine einzige induktive Kopplung zwischen der Einkoppelspule 4 und der das Koppelloch 5 umgebenden Schleife (= Fläche) 2 des SQUID vorgesehen. Bei der Erfindung koppelt die Einkoppelspule 4 nicht direkt mit dem SQUID-Loch 51 (Fig. 1, 1a), sondern (siehe Fig. 1, 1a) mit einer su­ praleitenden Antenne 21. Diese ist supraleitend mit der SQUID-Schleife, deren Ringstrom das SQUID-Loch 51 umfließt, verbunden. Vorzugsweise sind das supraleitende Material der Antenne 21 und das dieser SQUID-Schleife des SQUID-Loches 51 Supraleitermaterial ein und derselben Ebene A des Aufbaus. Der erfindungsgemäße SQUID-Sensor ist, wie schon aus den vor­ anstehenden Ausführungen ersichtlich, als Sensor mit einer Gradiometerstruktur zum Erfassen der zu messenden Größe zu verstehen, wobei das eigentliche SQUID, und zwar trotz Gra­ diometer-Pickup-Spule und -Einkoppelspule, als Magnetfeld- Sensor zur Abgabe des elektrischen Nutzsignals wirksam/zu be­ trachten ist. Bei der Erfindung wird das zu messende Magnet­ feld bzw. dessen Gradient in Magnetfluß im SQUID umgesetzt und dann dieser Magnetfluß mit der SQUID-Induktivität in elektrische Signalspannung umgewandelt.

Der Aufbau einer solchen erfindungsgemäßen SQUID-Anordnung weist erfindungsgemäß nur zwei supraleitende Schichtebenen auf und besitzt eine nur minimale Anzahl von Durchkontaktie­ rungen. Da bei der Erfindung die Antenne 21 (dem Stand der Technik gegenüber) relativ großflächig sein kann, kann hier die Einkoppelspule relativ groß mit entsprechend größerer In­ duktivität ausgeführt sein.

Die Fig. 1 zeigt bereits den Aufbau 1 eines SQUID- Gradiometers, insbesondere geeignet für Hochfreguenz- Wirbelstromverfahren, mit jeweils zwei Anteilen 4a und 4b ei­ ner Gradiometer-Einkoppelspule 4. Mit a und b sind Anschlüsse für die schon zur Fig. 4 beschriebene und lediglich angedeu­ tete (weil ohnehin bekannte) Pickup-Schleife 3 bezeichnet. Bezüglich dieser Anschlüsse a und b sind die beiden Koppel­ spulen-Anteile 4a und 4b mit zueinander entgegengesetztem Wickelsinn in Reihe geschaltet. Die mit der Einkoppelspule 4 induktiv gekoppelte Antenne 21 ist eine supraleitende Schicht, die bezüglich der Kopplung in zwei Anteile 21a und 21b aufgeteilt zu denken ist. Der Anteil 21a umgibt ein Kop­ pelloch 7a und der Anteil 21b umgibt ein Koppelloch 7b der Vorrichtung. Die Gestalt dieser Koppellöcher 7a und 7b ist im Groben aus der Fig. 1 ersichtlich.

In entsprechender Ausführung kommt die Erfindung auch für ein einfaches Magnetometer in Betracht.

Induktionswirkung eines Stromes des Anteils 4a der Koppelspu­ le führt zu einem Kreisstrom in der Antenne 21a um das Kop­ pelloch 7a herum. Entsprechendes gilt (beim Gradiometer) für den Anteil 4b der Koppelspule, den Anteil 21b der Antenne und das Koppelloch 7b. Die Induktivität dieser Antenne liegt in der Größenordnung von sub µ Henry. Der Einstellstrom I_B des SQUIDS wird über die Anschlüsse c und d eingespeist.

Zum wichtigsten Teil der Funktion der Erfindung, nämlich zu dem durch die Ausgestaltung der Antenne erzwungenen Stromfluß im Zentrum der Darstellung der Fig. 1, sei auf die Fig. 1a hingewiesen. Die vergrößerte Darstellung zeigt das in Fig. 1 nur andeutungsweise zu erkennende SQUID-Koppelloch als läng­ liches Loch 51. Fig. 1a zeigt auch die Lage der beiden Jo­ sephson-Kontakte K1 und K2. Der in die Antenne 21 über die Koppelspule 4 eingekoppelt in der Schichtebene dieser Antenne 21 induziert fließende elektrische Strom I_IND zwängt sich durch den engen Hals H der Schicht der Antenne 21. Der indu­ zierte Strom I_IND fließt im Bereich des Loches 51 im wesentli­ chen im (in Fig. 1a) linksseitigen supraleitenden Bereich 18a um einen, wie aus Fig. 1a ersichtlich, wesentlichen An­ teil des SQUID-Loches 51 herum. Auf diesem linksseitigen Wege ist nämlich der elektrische Weg des supraleitenden Materials des dortigen Anteils 18b widerstandslos, wohingegen im (rechtsseitigen) Bereich 18a mit den Josephson-Kontakten die­ ser Strom I_IND den elektrischen Widerstand der Josephson- Kontakte durchfließen muß/müßte. Dieser beschriebene Verlauf des induzierten Stromes I_IND im Bereich des SQUID-Loches 51 führt zu Flußeinkoppplung im SQUID und zu einem das Loch 51 umgebenden, induzierten Abschirmstrom I_A, der, nämlich ring­ förmig um das SQUID-Loch 51 herum, seriell zwangsläufig durch die beiden Josephson-Kontakte K fließen muß. Dies führt zu dem üblicherweise beim SQUID-Element auftretenden elektri­ schen Meßsignal (eines mit der Pickupspule gemessenen Magnet­ flusses) . Hier liegt die Induktivität des SQUID-Loches 51 (und damit des SQUIDs) im sub-Nano Henry Bereich.

In wie üblicher Weise wird bei der erfindungsgemäßen SQUID- Anordnung das Signal an den Anschlüssen c und d für den Ein­ stell-Gleichstrom abgenommen.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht im Schnitt 2-2 der Fig. 1. Der mittlere Bereich um das SQUID-Loch 51 ist in der waage­ rechten Ausdehnung sehr stark gedehnt dargestellt, um es bei dessen relativ kleiner Länge (siehe Fig. 1a) überhaupt er­ kennbar zu machen. Die schon beschriebenen Bezugszeichen gel­ ten auch für Fig. 2. Mit 30 ist ein Substrat bezeichnet, das sich für das Aufwachsen von Hochtemperatur-Supraleiter­ material eignet. Die Einzelheiten 21 und 18 sind (geschnitten) Leiter/Leiterbahnen der unteren Supraleiter­ schicht A. Wie üblich ist diese Schicht mit einer bekannten Isolatorschicht 31 abgedeckt. Die obere Supraleiterschicht B ist als die der Leiterbahnen und Anschlüsse a, b der Koppel­ spule 4 zu sehen. Auch die Schicht B trägt eine dünne Isola­ torschicht 32 zum Schutz des Supraleitermaterials.

Es ist oben bereits darauf hingewiesen worden, daß es sich empfiehlt, für Hochfrequenzmessung und für Niederfrequenzmes­ sung verschiedene Ausführungsform vorzusehen, nämlich betref­ fend die Pickup-Spule 3.

Die Fig. 3 zeigt in Aufsicht eine Anordnung eines SQUID- Gradiometers 41 mit einer auf ein und demselben Substrat­ plättchen 43 integriert angeordneten Pickup-Spule, bestehend aus den (für ein Gradiometer) zwei Spulenanteilen 3a und 3b.

Der im Zentrum der Fig. 3 gezeigte Aufbau 1 des SQUID- Elements entspricht im wesentlichen demjenigen der Fig. 1. Die diesen Teil betreffenden Bezugszeichen gehören zu bereits oben beschriebenen Einzelheiten des Aufbaues des SQUID- Elementes.

Auf dem Substratplättchen 43 sind übereinanderliegend wieder­ um nur zwei Ebenen mit Supraleiterschicht A und B mit ihren Isolator-/Schutzschichten (wie zur Fig. 2 beschrieben) vor­ gesehen.

In der (vergleichsweise zur Fig. 2) oberen Supraleiterebene B sind die beiden Anteile 3a und 3b der integrierten Pickup- Spule(n) (vergleichsweise der Pickup-Spule 3 der Fig. 4 für das dort gezeigte Magnetometer) als wie dargestellte supra­ leitende Leiterbahnen nahe und entlang dem Rand des Substrat­ plättchens 43 ausgeführt. Die beiden Spulenanteile 3a und 3b haben jeweils gemeinsame supraleitende Verbindungsleitungen 103 ₁ und 103 ₂ mit den jeweiligen Anschlüssen, mit denen sie mit den Anteilen 4a bzw. 4b der Koppelspule des SQUID- Elementes in der Ebene B verbunden sind. Die außerhalb des SQUID-Elementes 1 und innerhalb der Spulenanteile 3a und 3b liegenden Flächenanteile dieser Ebene B sind wenigstens so weit frei von Supraleitermaterial, daß die Einkopplung des zu messenden Magnetflusses in die Pickup-Spule ermöglicht ist.

In der Ebene A, die beim SQUID-Element 1 die Supraleiterebene der Antenne 21 ist, sind in Fig. 3 (durch die Spulenanteile 3a und 3b verdeckt) weitere supraleitende Windungen 126 und 127 gezeigt mit Anschlüssen e bis h ausgeführt/angeordnet. Diese Windungen 126 und 127 können als Signal-Rückkopp­ lungsspule bzw. Signal-Auskoppelspule benutzt werden. Solche Spulen sind Bestandteil von SQUID-Elektronikschaltungen zur Stabilisierung/Auskopplung des den gemessenen Magnetfluß an­ gebenden elektrischen Signals des Gradiometers (bzw. Magneto­ meters). Rauscharme SQUID-Elektronikschaltungen mit großer Bandbreite und hoher Rückführgeschwindigkeit bzw. solche für besonders hohe Frequenzen sind in den prioritätsgleichen Pa­ tentanmeldungen. . . (internes Aktenzeichen 96 E 3774 und 96 E 3775) beschrieben.

Wie in der Ebene B sind ebenso in der Supraleiterebene A der Anordnung nach Fig. 3 die Flächenanteile innerhalb der Spu­ lenanteile 126 und 127 und außerhalb des SQUID-Elementes 1 frei von supraleitendem Material, damit die jeweils gewünsch­ te Induktionswirkung eintreten kann.

Die Reihenfolge der Ebenen A und B kann in Bezug auf das Substrat 30, 41 unter Berücksichtigung der Durchkontaktierun­ gen auch vertauscht sein.

Von Vorteil ist es, eine supraleitende Abdeckung des Bereichs des SQUID-Loches 51 vorzusehen, die gegen störende äußere Einstreuungen wirksam ist. Diese Abdeckung ist dann so zu be­ messen und anzuordnen, daß sich jedoch die erfindungsgemäß erzielt geringe SQUID-Induktivität nicht zu nachteilig verän­ dert. Insbesondere ist der Abstand der Ebene dieser Abdeckung 100 (Fig. 2) von der Ebene A des SQUID-Loches 51 dementspre­ chend genügend groß zu bemessen. Zum Beispiel kann dieser Ab­ stand durch entsprechende Wahl der Dicke d des Substrats 30 (43 in Fig. 4) gegeben sein. Es kann diese Abdeckung 100 auch eine Supraleiterschicht auf einem separaten Substrat­ plättchen 101 sein, das im Bereich des SQUID-Loches 51 auf der Unterseite oder Oberseite der Anordnung angebracht ist. Die (bezogen auf das Substrat 30/43) laterale Ausdehnung die­ ser Abdeckung 100 soll den Bereich des SQUID-Loches 51 über­ spannen, darf aber nicht wesentlich den Bereich des Koppello­ ches 7a, 7b erfassen. Eine geeignet bemessene laterale Aus­ dehnung ist etwa diejenige Fläche, die der Ausschnitt gemäß Fig. 1a erfaßt.

Claims (13)

1. SQUID-Sensor mit einer in einer ersten Ebene (B) mit su­ praleitendem Material vorgesehenen Einkoppelspule (4) für den Anschluß einer Pickup-Spule (3) und mit einem in einer zweiten Ebene (A) mit supraleitendem Material vorgesehenen SQUID-Loch als SQUID-Induktivität mit Josephson-Kontakten (K), dadurch gekennzeichnet,
daß in der zweiten Ebene (A) eine supraleitende Antenne (21) vorgesehen ist,
daß die Einkoppelspule (4) induktiv gekoppelt mit dieser supraleitenden Antenne (21) angeordnet ist und daß diese supraleitende Antenne (21) ein Koppelloch (7) aufweist, und
daß diese supraleitende Antenne mit einer solchen SQUID- Induktivität abgeschlossen ist, die im sub-Nano Henry- Bereich wesentlich kleiner als die durch das Koppelloch (7) bestimmte Induktivität im Mikro Henry-Bereich der Ein­ koppelspule (4) ist, wobei diese SQUID-Induktivität im wesentlichen durch das SQUID-Loch (51) bestimmt ist.

2. SQUID-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung des SQUID-Loches (51) so gewählt ist, daß der von der Einkoppelspule (4) das Koppelloch (7) um­ fließende, in die supraleitende Antenne (21) induzierte Strom (I_IND) auch dieses SQUID-Loch (51) wenigstens weitge­ hend umfließt und damit einen um das SQUID-Loch (51) herum fließenden Abschirm-Ringstrom (I_A) erzeugt, der seriell durch die Josephson-Kontakte (K1, K2) fließt und damit das elektrische Ausgangssignal erzeugt.

3. SQUID-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau so gewählt ist, daß die Flußkopplung in zwei Stufen abläuft:

• a) mit der vorgesehenen Einkoppelspule (4) wird durch magneti­ sche Kopplung derselben mit der Antenne (21) ein dem zu messenden Magnetfeld bzw. Gradienten desselben proportio­ naler Magnetfluß in diese Antenne (21) übertragen, und
• b) durch elektrische Kopplung dieser Antenne (21) in Serien­ schaltung mit dem SQUID-Loch (51) wird der Magnetfluß nach
• a) von der Antenne (21) in das das elektrische Meß-Signal abgebende SQUID übertragen.

4. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in Supraleiter-Dünnfilmtechnik aufgebaut ist.

5. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Einkoppelspule (4) einerseits und die Antenne (21) andererseits flächig übereinanderliegend auf einem Substrat angeordnet sind.

6. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppelspule (4) mit einer integrierten supra­ leitenden Pickup-Spule (Fig. 3) verbunden ist, die inner­ halb einer gemeinsamen Ebene aus supraleitendem Material ausgeführt ist.

7. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor nicht mehr als zwei übereinanderliegende supraleitende Ebenen (A, B) aufweist.

8. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Hochtemperatur-Supraleitermaterial vorgesehen ist.

9. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Josephson-Kontakte (K) als Korngrenzen-Kontakte ausge­ bildet vorgesehen sind.

10. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für das SQUID-Loch (51) eine supraleitende Abdeckung (100) vorgesehen ist, die so angeordnet und hinsichtlich Abstand vom SQUID-Loch (51) und lateraler Erstreckung so bemessen ist, daß genügende abschirmende Wirkung noch oh­ ne nachteilige quantitative Änderung der SQUID- Induktivität erzielt ist.

11. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Abdeckung (100) eine supraleitende Schicht auf der Rückseite des Substrats auf den Bereich des SQUID- Loches (51) beschränkt vorgesehen ist.

12. SQUID-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substratplättchen (101) mit einer supraleitenden Schicht (100) an dem Aufbau des SQUID-Sensors auf den Be­ reich des SQUID-Loches (51) beschränkt vorgesehen ist.

13. SQUID-Sensor Magnetometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das bezüglich der Einkopplung als Gradiometer (Fig. 1) aufgebaut ist.