DE4333225A1 - Meßanordnung für Messungen an großflächigen magnetischen Körpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum hochauflösenden Vermessen von magnetischen Körpern.

Grundsätzlich sind Verfahren zur Messung von Magnetfeldern unter Verwendung von Spulen bekannt. Dazu werden z. B. drahtgewickelte Spulen verwendet. So sind beispielsweise Verfahren bekannt, die unter Verwendung mehrerer Spulen einen dazwischen eingebrachten Supraleiter vermessen. Auch Anordnungen, die mit nur einer Spule Induktivitätsänderungen anzeigen gehören zum Stand der Technik. Nachteilig bei allen vorhergenannten Meßvorrichtungen und -verfahren ist, daß sie eine nur schwache Ortsauflösung der zu vermessenden Magnetfelder zulassen und schwierig hand zu haben sind. Dies ist in der Geometrie der Meßanordnungen und den verwendeten Bauteilen begründet.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen die einfach in der Anwendung ist und gleichzeitig eine hohe Auflösung der zu vermessenden Bauteile zuläßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung und ein Verfahren zur Herstellung der Meßanordnung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die besonderen Vorteile der Erfindung werden dadurch erreicht, daß eine Meßvorrichtung geschaffen wird, die das Mehrspulenverfahren aufgreift und die Spulen erfindungsgemäß in Schichten auf einem Substrat aufbaut. Die Spulenschichten werden in einem bevorzugten Verfahren mit der Photolitographietechnik auf einem Träger erzeugt.

In einer bevorzugten Ausführung werden die Spulen paarweise übereinander als Sende- und als Empfängerspule ausgebildet. In einer weiteren bevor­ zugten Ausführung werden die beiden Spulen als ineinander verschlungene konzentrische Spiralen auf dem Substrat angeordnet. Mit diesen Meßan­ ordnungen und -vorrichtungen können u. a. Supraleiter einfach und mit hoher Auflösung auf Homogenität bzw. Inhomogenitäten untersucht werden. Die Proben können auch auf weitere magnetische Eigenschaften, wie z. B. die Permeabilität als Funktion der Feldstärke etc., untersucht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, aus denen der Fachmann leicht erfindungsgemäße Abwandlun­ gen ableiten kann. Insbesondere stützt sich die Beschreibung auf Abbil­ dungen bevorzugter Ausführungsbeispiele, die nur erläuternden Charakter haben und keine Einschränkung des erfinderischen Konzepts darstellen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung der Erfindung und den erfindungsgemäßen Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit den Abbildungen.

Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des ersten bevorzugten Ausführungs­ beispiels;

Fig. 2 die schematische Darstellung des zweiten bevorzugten Ausführungs­ beispiels;

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines weiteren bevorzugten Ausführungs­ beispiels und

Fig. 4 ein Beispiel zur Packung von Spulen zur flächigen Vermessung von Proben.

Die Erfindung besteht in einer Meßvorrichtung und -anordnung, in der Spulen auf einem Träger aufgebracht sind. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie zu ersehen, besteht die Anordnung A aus einem Träger 1, den Spulen 2 und 3 und einem dazwischenliegendem Isolator 4. Ihr gegenübergestellt befindet sich die zu vermessende Probe B. Der Träger 1 besteht vorzugsweise aus Silizium. Andere Materialien wie z. B. dotiertes Silizium oder Isolatoren können anwendungsspezifisch gemäß ihrer Eigenschaften, z. B. mechanische oder thermische Eigenschaften, alternativ zu den Siliziumträgern verwendet werden.

Gemäß dem ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung befinden sich die Spulenpaare als Schichten 2 und 3 auf dem Träger 1. Sie setzen sich aus Erregerspulen 2 und Detektorspulen 3 zusammen. Sie bestehen aus leitenden Materialien, wie sie üblicherweise aus der Halbleiter-, Supraleiter- oder Elektrotechnik für photolithographische Verfahren oder Aufdampfen, Sputtern u.ä. bekannt sind. Auch Aufkleben auf Träger stellt eine Alternative dar. Die Spulenmaterialien werden nach ihren elektrischen, magnetischen und verfahrenstechnischen Eigenschaften ausgewählt und können u. a. reine Metalle, Legierungen, Supraleiter oder Halbleiter umfassen.

Die Spulen werden in einem bevorzugten Verfahren mit Hilfe der Photolithographietechnik erzeugt. Man stellt die Schichtdicke der Spulen auf unter 100 µm, vorzugsweise unter 30 µm, vorzugsweise auf etwa 5 µm ein. Durch das beschriebene Produktionsverfahren ist eine außergewöhnlich geringe Schwankung in den Schichtdicken möglich. Das wiederum ermöglicht es, daß die Proben sehr nahe an die Meßanordnung herangebracht werden können.

Erfindungsgemäß besteht ein weiterer Vorteil darin, daß den so aufgebauten, hochempfindlichen Meßanordnungen die zu vermessenden Proben problemlos der dem Träger 1 gegenüberliegenden Seite der Meßanordnung gegenübergestellt werden können. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die zu untersuchenden Proben auf einem größeren Träger aufgebracht sind, so z. B. supraleitende Schichten auf einem Trägersubstrat.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Meßvorrichtung mit einer Schutzschicht überzogen. Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau der Meßanordnung A aus Fig. 1 mit einer Schutzschicht 5. Die Schutzschicht 5 kann durch die dafür üblichen Verfahren erzeugt werden, so z. B. durch Aufkleben, Bedampfen, Auflaminieren etc. Die Schutzschicht kann oberflächlich mit einer Haftschicht versehen werden. Bei der Messung kann davon ausgegangen werden, daß jede Meßspule den gleichen Abstand vom Meßobjekt aufweist. Eine Schaltvorrichtung sorgt dafür, daß die Meßspulen der Reihe nach ein- und ausgeschaltet werden, um die Meßfläche abzutasten.

Fig. 3 zeigt als ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel die konzentrische Anordnung der Sende- und Empfängerspule. Dabei weisen die Leiterbahnen der Spulen 31 und 32 Anschlüsse 31a und 32a, sowie eine gemeinsame Erde 33 auf.

Fig. 4 zeigt eine Packung von Spulen zum großflächigen Vermessen von Proben. Des weiteren ist ein Anschluß-Layout der Spulen deutlich zu erkennen. Die Anschlüsse gehen zu den vorzugsweise elektronischen Umschaltern und zum Sender bzw. Empfänger. Die Gesamtgestaltung des Spulenaufbaus der Meßeinrichtung wird den jeweiligen Anforderungen angepaßt.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil der Meßanordnungen liegt darin, daß keine umständlichen Justiervorgänge nötig sind. Mit der Produktion ist die räumliche Beziehung der Spulenpaare 2, 3 zueinander sowie der verschiedenen Spulenpaare untereinander festgelegt. Damit ist nur eine einmalige Eichung nötig, da die Bauteile in ihren geometrischen Beziehungen festliegen.

Die beschriebenen Meßanordnungen lassen auf extrem einfache Weise außerordentlich exakte und hochauflösende Messungen zu, insbesondere für die Ortsauflösung der zu vermessenden Proben. Die Dimensionierung der Spulen läßt sich stark variieren und die einzelnen Spulenpaare können dicht gepackt werden. Je nach gewünschter Empfindlichkeit und Ortsauslösung können die Spulen in ihrer Dimensionierung und der Anzahl ihrer Windungen gewählt werden. Die einzelnen Spulen oder Spulenpaare können einschichtig oder mehrschichtig aufgebaut sein. Der mehrschichtige Aufbau ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Anzahl der Windungen erhöht werden soll ohne die geometrischen Abmessungen zu vergrößern.

Es wurden in den Experimenten verschiedene Dimensionierungen erprobt. Bei Versuchen mit einer Ortsauflösung von 5 mm hatten die Spulen einen Durchmesser von etwa 4 mm und wiesen einen Abstand von ca. 5,5 mm gegeneinander auf. Die Breite der Leiterbahnen der Spulen war etwa 100 µm. Für die Messungen wurde ein Lock-in-Verstärker mit 100 kHz verwendet. In den Versuchen wurden gute Ergebnisse erzielt, die eine weitere Steigerung der Ortsauflösung bei einer Verminderung der Größe der Bauteile erwarten läßt.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäß beschriebenen Verfahrens ist ein großflächiges, elektromagnetisches Vermessen von Proben oder Körpern. So können die Spulen und Träger auch als dünne, großflächige Folien ausgebildet werden. Diese Folien sind einfach zu handhaben und können sich beliebigen Oberflächen flexibel anpassen oder an schwierig zugänglichen Stellen eingebracht werden. So wurden als ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel Detektorfolien hergestellt. Diese können selbsthaftend ausgerüstet werden, wobei die Wiederverwendbarkeit gewährleistet sein sollte. In Versuchen wurden großflächige Detektorfolien als passive Meßanordnung verwendet um die "low frequency magnetic radiation" (LFMR) von Elektronenstrahlröhren, wie Fernsehern und Computerbildschirmen, zu bestimmen. Auch können diese Meßanordnungen verwendet werden, um die magnetischen Eigenschaften großflächiger, elektromagnetischer Bauteile, wie z. B. Eisenbleche zur Erzeugung von Elektromagneten oder -motoren, genauer zu studieren. Auch sind genaue Vermessungen von Magneten und Elektromagneten mit hoher Auflösung möglich, im aktiven sowohl als auch im passiven Zustand. So können die Meßvorrichtungen z. B. in der Fertigung und zur Feinjustierung großflächiger Magnete, wie Kernspintomographen aus der Medizin, Anwendung finden.

Claims (10)

1. Meßanordnung zum hochauflösenden Vermessen von magnetischen Körpern, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Spulen besteht, die auf einem Träger schichtförmig aufgebracht sind.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vermessenden Objekte auf der die Meßanordnung tragende Schicht entgegengesetzten Seite plaziert sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenschichten aus je paarweise einer Sendespule und einer Empfängerspule bestehen.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenpaare als Schichten übereinander aufgebaut sind.

5. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenpaare ineinander verschlungen als eine Schicht ausgebildet sind.

6. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial für die Spulen ein Substrat aus Silizium oder einer Siliziumverbindung ist.

7. Meßanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus einer Kunststoffolie besteht.

8. Meßanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie insbesondere zum ortsaufgelösten Vermessen von Proben mit beliebig geformter Oberfläche verwendet werden.

9. Meßanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie insbesondere zum hoch ortsauflösenden Vermessen von Supraleitern auf Homogenität bzw. auf Inhomogenitäten verwendet wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer Meßanordnung zum hoch aufgelöstem Vermessen von Magnetfeldern nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnungen im Verfahren der Photolithographie erzeugt werden.