DE19915226A1 - Magnetflußsensor mit schleifenförmigem Magnetfeldleiter sowie dessen Herstellung - Google Patents
Magnetflußsensor mit schleifenförmigem Magnetfeldleiter sowie dessen HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Magnetflußsensor mit einem schleifenförmigen Magnetfeldleiter und einem insbesondere als DC-SQUID ausgestalteten Detektor, der einen in dem Magnetfeldleiter auftretenden magnetischen Fluß zu registrieren vermag. DOLLAR A Der Magnetfeldleiter ist vorzugsweise eine hochpermeable Folie oder ein dünner Film. Der sehr günstige Magnetisierungsfaktor führt zu einer hohen Meßempfindlichkeit. Der Einsatz von Folien oder dünnen Filmen als Magnetfeldleiter bewirkt eine einfache Handhabung (hohe Verfügbarkeit, Biegsamkeit, einfach strukturierbar) sowie eine Verminderung von auftretenden Wirbelströmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ermöglichen den Einsatz von SQUIDs ohne Bohrungen und Abschirmungen gegen äußere magnetische Störfelder.
Description
Die Erfindung betrifft einen Magnetflußsensor zur Er
mittlung einer örtlichen Magnetflußänderung, der einen
schleifenförmigen Magnetfeldleiter und einen Detektor
aufweist. Mittels des Detektors wird der magnetische
Fluß in dem Magnetfeldleiter bestimmt. Des weiteren be
trifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Her
stellung eines erfindungsgemäßen Magnetflußsensors.
In der Druckschrift DE 195 19 480 A1 ist ein Magnet
feldsensor beschrieben. Dieser besteht aus einem aus
weichmagnetischem, ferromagnetischem Material bestehen
den Stab mit Spitze als Magnetfeldleiter sowie einem
DC-SQUID als Detektor.
Aus der Druckschrift DE 197 27 772 A1 ist ein Magnet
flußsensor zur Ermittlung einer örtlichen Magnetflußän
derung bekannt. Dieser weist eine ringförmige Sonde so
wie einen Detektor auf, der die in dieser Sonde auftre
tenden magnetischen Flüsse registrieren kann.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines wei
teren empfindlichen Magnetflußsensors, dessen Magnet
feldleiter eine sehr gute Meßempfindlichkeit aufweisen
und zudem einfach herstell- und strukturierbar sind.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Ver
fahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Magnet
flußsensors zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch einen Magnetflußsensor mit den
Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Aus
gestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprü
chen.
Der anspruchsgemäße Magnetflußsensor weist einen
schleifenförmigen Magnetfeldleiter, einen den Magnet
feldleiter unterbrechenden Spalt sowie einen Detektor
auf, der den magnetischen Fluß in dem Magnetfeldleiter
mißt.
Ein Magnetfeldleiter ist eine weichmagnetische Sub
stanz, die die Leitung eines magnetischen Flusses er
möglicht, z. B. Eisen, Eisen-Nickel-Legierungen (z. B.
Permalloy) oder amorphe weichmagnetische Legierungen
mit einer hohen Permeabilität.
Ein Magnetfeldleiter ist schleifenförmig im Sinne der
Erfindung, wenn dessen Form dem einer geschlossenen
Kurve entspricht. Beispiele für schleifenartige Formen
sind beispielsweise ein Ring oder ein Oval. Dabei sind
aber Ecken nicht ausgeschlossen. Ein Quadrat oder ein
Rechteck sind ebenfalls schleifenförmig im Sinne der
Erfindung. Des weiteren ist die schleifenartige Form
nicht nur auf den 2-dimensionalen Raum beschränkt, son
dern sie kann auch ein 3-dimensionales Gebilde sein.
Die Schleifenform des anspruchsgemäßen Magnetfeldlei
ters stimmt mit dem Verlauf von geschlossenen Magnet
feldlinien gut überein. Dadurch wird der magnetische
Widerstand herabgesetzt, und es ist möglich, die
Schleife erheblich zu vergrößern, ohne die Meßempfind
lichkeit zu beeinflussen. Damit kann z. B. die Distanz
zwischen einem Detektor und einem Meßobjekt vorteilhaft
vergrößert werden.
Der anspruchsgemäße Magnetfeldleiter ist durch wenig
stens einen Spalt unterbrochen, so daß der Magnetfeld
leiter wenigstens zwei Enden aufweist. Ein Ende eines
Magnetfeldleiters wird im Meßbetrieb durch den Ein-
oder Austritt von Magnetfeldlinien charakterisiert. An
diesem Spalt kann sich beispielsweise ein Meßobjekt be
finden, dessen magnetischer Fluß mit Hilfe des Magnet
flußsensors gemessen werden soll. Die zu registrieren
den Magnetfeldlinien treten am Meßort in ein Ende des
Magnetfeldleiters ein und am anderen Ende aus. Diese
Anordnung des Magnetflußsensors ermöglicht folglich
eine Messung mit sehr hoher Ortsauflösung. Vorteilhaft
kann der Magnetfeldleiter magnetisch abgeschirmt werden
und mindestens ein Ende des Magnetfeldleiters als
Spitze ausgebildet sein, um so die Ortsauflösung noch
mals zu verbessern.
Ferner weist der anspruchsgemäße Magnetfeldleiter einen
Detektor auf, der die in dem Magnetfeldleiter auftre
tenden Flüsse registrieren kann. Ein solcher Detektor
ist insbesondere ein SQUID, da dieser bekanntermaßen
eine sehr hohe Empfindlichkeit für magnetische Flüsse
aufweist. Vorteilhaft sollte die Entfernung zwischen
den beiden Enden des Magnetfeldleiters kleiner sein als
die Entfernung zwischen einem Ende des Magnetfeldlei
ters und dem Ort des Auslesens des magnetischen Flusses
aus dem Magnetfeldleiter. Der Ort des Auslesens ist der
Ort des Detektors, der die in dem Magnetfeldleiter auf
tretenden magnetischen Flüsse registriert. Beim aus DE
195 19 480 A1 bekannten Magnetflußsensor wird der ma
gnetische Fluß z. B. an der Stelle des Magnetfeldleiters
ausgelesen, die von der Induktionsschleife des SQUIDs
umringt wird.
Die Schleifenform des Magnetfeldleiters ermöglicht
größere Abstände zwischen Meßobjekt und Detektor. Im
Falle eines SQUIDs als Detektor kann daher der Meßort
selbst, unabhängig von der Kühlung des SQUIDs mit flüs
sigem Stickstoff, beliebige Temperaturen, z. B. auch
Raumtemperatur aufweisen.
Der anspruchsgemäße Magnetfeldleiter besteht aus einer
insbesondere hochpermeablen (mit einer Permeabilität
wesentlich größer eins, z. B. µ = 1000) Folie oder einem
dünnen Film, wie beispielsweise Permalloy oder einem
amorphen, weichmagnetischen Material. Diese insbeson
dere amorphen Materialien sind vorteilhaft sehr gut
verfügbar. Ferner weisen dünne Folien eine höhere Per
meabilität im Vergleich zu volumenmäßig ausgebildeten
Magnetfeldleitern auf. Folien bzw. Filme verringern die
auftretenden Wirbelströme und führen so zu einer höhe
ren Frequenzbandbreite des Meßsignals.
Folien und dünne Filme sind besonders biegsam und er
möglichen eine einfache Formgebung ohne Verlust an Per
meabilität. Zudem sind ausreichend Techniken (z. B. Ätz
technik, Photolithographie, Laserschneiden, Aufdampf
techniken) bekannt, um diese Materialien im µm-Bereich
herzustellen bzw. zu strukturieren. Damit sind beson
ders vorteilhafte Ausführungsformen möglich. Der Ein
satz von Folien und dünnen Filmen für den anspruchsge
mäßen Magnetfeldleiter ermöglicht des weiteren sowohl
eine planare (2-dimensionale) als auch eine 3-dimensio
nale Bauweise. Beispielsweise können sehr einfach 2-di
mensionale schleifenartige Formen aus einer Folie her
ausgeschnitten werden. Es lassen sich aber auch auf
einfache Weise z. B. zwei gegenüberliegende Ecken einer
rechteckigen Folie durch Biegen der Folie so nah anein
ander bringen, daß ein anspruchsgemäßer, in diesem Fall
3-dimensionaler Magnetfeldleiter entsteht. Durch Über
lappung der Folien oder der dünnen Filme ist zudem eine
besonders gute magnetische Kopplung möglich.
Die anspruchsgemäße Folie, bzw. der dünne Film ist bei
spielsweise breiter als 0.1 mm und weist ein Verhältnis
von Breite zu Dicke von zum Beispiel größer als 5 auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ver
bleibt nur ein Spalt von weniger als 500 µm, insbeson
dere ein Spalt von mehr als 1 µm und weniger als 500 µm,
zwischen den beiden Enden des Magnetfeldleiters.
Der Abstand und die Breite des Spaltes richten sich
nach der gewünschten Ortsauflösung der Probe. Durch
diese vorteilhafte Spaltbreite kann regelmäßig eine be
sonders gute Ortsauflösung erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ma
gnetflußsensors weist der Magnetfeldleiter mindestens
einen weiteren Spalt auf. Dieser Spalt kann beispiels
weise dazu dienen, einen vorteilhaften SQUID ohne Boh
rung als Detektor zu verwenden. Der magnetische Fluß
durch den SQUID kann dabei durch die Formgebung der
Enden des Magnetfeldleiters am SQUID optimiert werden.
Ferner läßt sich durch Spalte in dem Magnetfeldleiter
die Durchführung durch z. B. Kryostatenwandungen oder
sonstige thermische Isolationen bewerkstelligen. Jeder
zusätzliche Spalt in dem Magnetfeldleiter wirkt sich
nachteilig auf den magnetischen Widerstand des Leiters
und damit auf die Meßempfindlichkeit aus. Daher ist
eine besonders gute Kopplung zwischen den Spaltenden,
bzw. den Enden des Magnetfeldleiters an diesem Spalt,
notwendig. Diese starke Kopplung wird vorteilhaft durch
die Verwendung von Folien oder dünnen Filmen erzielt,
welche sich flächenhaft überlappen.
Ein vorteilhafter Magnetflußsensor weist mindestens
einen weiteren Magnetfeldleiter zur Abschirmung vor
äußeren magnetischen Störfeldern und damit zur Verbes
serung der Ortsauflösung auf. Dieser kann vorteilhaft
ein Magnetfeldleiter der eingangs genannten Art sein.
Ein solcher Magnetfeldleiter kann beispielsweise be
nachbart zu dem eigentlichen Magnetfeldleiter verlau
fen. Der magnetische Fluß des Störfeldes, der im ab
schirmenden Magnetfeldleiter auftritt, wird im Gegen
satz zum eigentlichen Magnetfeldleiter von keinem De
tektor ausgelesen. Dadurch wird gewährleistet, daß nur
das lokale Feld des Meßobjektes vom Detektor regi
striert wird und nicht das äußere magnetische Störfeld.
Alle Abschirmungen sind beispielsweise vereinfachte
Formen einer geschlossenen Dose aus weichmagnetischem
hochpermeablem Material mit einer kleinen Öffnung am
Boden. In dieser Öffnung befinden sich die Enden des
Sensors. Die der Abschirmung dienenden Magnetfeldleiter
können 2- oder 3-dimensional ausgestaltet sein. Eine
besonders einfache und gute Abschirmung erreicht man
beispielsweise bei einer planaren Struktur, indem man
zusätzlich zur Abschirmung in der Sensorebene zwei wei
tere planare geschlossene Magnetfeldleiter vor und hin
ter der Ebene insbesondere parallel zum eigentlichen
Magnetfeldleiter vorsieht. Eine weitere gute Abschir
mung erreicht man durch eine ausgedehnte Bodenplatte
mit kleiner Öffnung für die Enden des Sensors. Die Ab
messungen der Platte sollten vorteilhaft wesentlich
größer als die des Sensors sein.
Als Detektor wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung
des Verfahrens ein "Direct-Current",(DC)-SQUID-Magneto
meter oder ein DC-SQUID-Gradiometer vorgesehen, da
diese besonders empfindlich auf magnetische Flüsse rea
gieren. Ein hochpermeabler Megnetfeldleiter, welcher
durch die SQUID-Schleife gezogen wird, stört die Funk
tion eines DC-SQUIDs nicht, im Gegensatz zu Hochfre
quenz SQUIDs (Rf-SQUIDs). Zur Verwendung eines Rf-
SQUIDs als Detektor ist eine gradiometrische Ausführung
mit örtlicher Trennung von Hochfrequenzeinkopplung und
Magnetfeldeinkopplung des Magnetfeldleiters vorteil
haft.
Vorteilhaft kann der anspruchsgemäße Magnetfeldsensor
in einem Magnetfeld-Mikroskop eingesetzt werden. Durch
seine hohe Meßempfindlichkeit und gute Abschirmung ge
gen äußere magnetische Störfelder können kleinste Ma
gnetfelder mit hoher Ortsauflösung detektiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ver
fahrens werden geeignete Magnetfeldleiter zur Messung
einer horizontalen und/oder vertikalen magnetischen
Feldkomponente vorgesehen. Geeignete Magnetfeldleiter
detektieren vorzugsweise homogene Magnetfelder in nur
einer Richtung (z. B. x-Richtung = horizontal und z-
Richtung = vertikal). Somit ist es durch geschickte An
ordnung und/oder Auswahl der Magnetfeldleiter möglich,
einzelne Richtungskomponenten des zu detektierenden Ma
gnetfeldes zu detektieren.
Bei dem anspruchsgemäßen Herstellungsverfahren wird der
Magnetfeldleiter entweder aus einer Folie oder einem
dünnen Film herausgearbeitet, beispielsweise geschnit
ten, oder aus einer Folie oder einem dünnen Film durch
Verformung hergestellt. Die Folie kann entweder planar
(2D) oder in gebogener Form (3D) eingesetzt werden.
Dazu kann eine Folie insbesondere durch Biegen so ver
formt werden, daß zwei Enden dieser Folie nur noch
durch einen Spalt getrennt sind (3D).
Zur näheren Erläuterung sind einige vorteilhafte Aus
führungsformen des Magnetflußsensors in den Fig. 1
bis 5 näher dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine typische Sensoranordnung. Der
schleifenförmige Magnetfeldleiter c leitet den magneti
schen Fluß b der Probe a zum SQUID d und wieder zur
Probe zurück. Der magnetische Fluß der Probe wird an
den beiden Enden des Magnetfeldleiters e in diesen ein-
und ausgekoppelt. An dem der Probe gegenüberliegenden
Teil der Schleife wird der magnetische Fluß von einem
SQUID ausgewertet. Der Umfang des Magnetfeldleiters
kann sehr viel größer sein als die Breite des Spalts
und erlaubt deshalb Messungen einer Probe bei Raumtem
peratur trotz eines gekühlten SQUID-Detektors.
Fig. 2 zeigt mögliche räumliche Strukturen eines an
spruchsgemäßen Magnetfeldleiters schematisch jeweils in
Vorder- und Seitenansicht. Die in Fig. 2.1 darge
stellte planare Variante eines Magnetfeldleiters läßt
sich besonders einfach aus einer Folie herausarbeiten,
während bei der 3-dimensionalen Variante in Fig. 2.2
die Folie oder der dünne Film z. B. verformt werden.
Fünf Möglichkeiten zur Verbesserung der Ortsauflösung
sind in der Fig. 3 wiedergegeben. Dabei ist im Ver
gleich zur Variante 3.1 bei den Ausführungen 3.2-3.5
zumindest ein Ende des Magnetfeldleiters e als Spitze
e' ausgebildet. Auch hier ist eine mögliche Lage des
SQUIDs jeweils durch einen Ring d angedeutet.
Fig. 4 weist einige schematische Varianten eines Ma
gnetfeldleiter auf, bei denen der Ausleseort (Indukti
onsschleife des SQUIDs) durch einen eingezeichneten
Ring d, der um den jeweiligen Magnetfeldleiter herum
führt, angedeutet wird. Die Richtungskomponenten des zu
detektierenden Magnetfeldes sind durch ein x-z-Achsen
kreuz angedeutet.
Dabei zeigt die Fig. 4 einen anspruchsgemäßen Magnet
feldleiter in einer Magnetometer-(4.1 sensitiv für die
horizontale (X-Richtung)Komponente des Magnetfeldes,
4.2 sensitiv für die vertikale (z-Richtung) Komponente
des Magnetfeldes) und einer Gradiometeranordnung (4.3
sensitiv für die horizontale Komponente des Magnetfel
des), wobei die Ausführung in 4.3 zu einer Verbesserung
des Störabstandes führt. Der Störabstand gibt an, in
welchem Maße Störfelder oder entfernte Magnetfelder das
Meßsignal des lokalen Meßfeldes beeinflussen. Gleich
zeitig wird auch die Ortsauflösung verbessert.
Wichtig für die Funktion von 4.3 ist die Symmetrie und
die parallele Ausrichtung der beiden Schleifen. Durch
Formgebung der Spitzen wird das Meßsignal an einem oder
an beiden Spalten eingekoppelt.
Die anspruchsgemäßen Magnetfeldleiter können durch
einen weiteren Magnetfeldleiter abgeschirmt werden.
Mögliche Anordnungen der weiteren zur Abschirmung die
nenden Magnetfeldleiter sind in den Magnetometeranord
nungen (4.4) und (4.5) dargestellt. Der Magnetfeldlei
ter, der die zu messenden magnetischen Flüsse leitet,
ist jeweils durch einen den SQUID andeutenden Ring d
gekennzeichnet.
In Fig. 4 sind nur die planaren Varianten gezeigt.
Entsprechende Formen sind auch für die 3D-Anordnungen
möglich.
Die Fig. 5 zeigt die vorteilhafte Ausgestaltung eines
Magnetflußsensors, bei dem der Magnetfeldleiter einen
zusätzlichen Spalt aufweist (f, f'). In diesem Spalt
befindet sich der SQUID, der in dieser Anordnung vor
teilhaft keine Bohrung zur Durchführung des Magnetfeld
leiters aufweist.
Claims (8)
1. Magnetflußsensor mit einem schleifenförmigen Ma
gnetfeldleiter, einem den Magnetfeldleiter unter
brechenden Spalt und einem Detektor, der einen in
dem Magnetfeldleiter auftretenden magnetischen Fluß
zu registrieren vermag,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetfeldleiter aus einer weichmagneti
schen Folie oder einem weichmagnetischen dünnen
Film besteht.
2. Magnetflußsensor nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand und die Breite des Spaltes weniger
als 500 µm betragen, insbesondere daß sie mehr als
1 µm und weniger als 500 µm betragen.
3. Magnetflußsensor nach vorhergehendem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Magnetfeldleiter mindestens einen weite
ren Spalt aufweist.
4. Magnetflußsensor nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein weiterer Magnetfeldleiter zur
Abschirmung vor äußeren magnetischen Störfeldern
vorhanden ist.
5. Magnetflußsensor nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Detektor ein DC-SQUID-Magnetometer oder
ein DC-SQUID-Gradiometer ist.
6. Verwendung des Magnetflußsensors nach einem der
vorhergehenden Ansprüche in einem Magnetfeld-Mi
kroskop.
7. Verwendung von Magnetflußsensoren nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetfeldleiter zur Messung einer ho
rizontalen und/oder einer vertikalen magnetischen
Feldkomponente vorgesehen sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines Magnetflußsensors
nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der Magnetfeld
leiter
- - aus einer Folie oder aus einem dünnen Film her ausgearbeitet wird, oder
- - aus einer Folie oder einem dünnen Film durch Verformung hergestellt wird.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8304 | Grant after examination procedure | ||
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20111102 |