DE4333225C2 - Meßanordnung zum hochauflösenden Vermessen von magnetischen Körpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum hochauflösenden Vermes­ sen von magnetischen Körpern sowie auf ein Verfahren zur Herstellung und Ver­ wendung der Meßanordnung.

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 Induktivitätsveränderungen 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 handzuhaben sind. Dies ist in der Geometrie der Meßanordnung und den verwendeten Bauteilen begründet.

In der europäischen Patentanmeldung 0 444 873 A2 wird ein Apparat zur Auswer­ tung der magnetischen Feldverteilung beschrieben. Auf einem Substrat aus nicht­ magnetischen Material ist eine Vielzahl magnetoresistiver Elemente angeordnet.

Diese sind aus einem supraleitenden Material hergestellt. Durch sequentielles An­ legen eines Wechselstromes kann an jedem Ort der schachbrettartig angeordneten Elemente die Übergangsfeldstärke zum normal leitenden Zustand bestimmt werden und damit die zu messende Feldstärke an diesem Ort.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 36 26 328 A1 ist eine Vorrichtung zur potentialgetrennten Meßwerterfassung von Wechselströmen bekannt, bei der im Kraftfeldbereich eines stromdurchflossenen Leiters in einer Leiterbahnschleife, welche sich auf einer isolierenden Substratfläche befindet, ein Strom eingeprägt, der direkt auf eine Schaltungsanordnung einwirkt, wobei eine dem zu messenden Strom im Leiter proportionale Spannung entsteht.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 33 24 208 A1 handelt von einem supraleiten­ den Gradiometerspulensystem für eine Vorrichtung zur mehrkanaligen Messung schwacher, sich ändernder Magnetfelder. Die Vorrichtung enthält in jedem Kanal neben mindestens einer Detektionsspule und mindestens einer Kompensationsspu­ le ein supraleitendes Quanten-Ieterferenz-Element (SQUID) sowie entsprechende supraleitende Verknüpfungsglieder zwischen den Bauteilen und eine elektronische Einrichtung zur Auswertung. Es ist vorgesehen, daß zumindest die Gradiometer­ spulen und ihre gegenseitigen Verknüpfungsglieder als planare Dünnfilmstrukturen auf einem gemeinsamen starren Trägerkörper aufgebracht sind, wobei die Kom­ pensationsspulen zu einer Referenzspulenanordnung zusammengefaßt sind. Um diese sind die einzelnen Detektionsspulen angeordnet und die Kompensationsspu­ len der Referenzspulenanordnung werden aus einzelnen sich umschließenden, in einer Ebene liegenden Schleife gebildet.

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, sowie ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung der Meßanordnung anzugeben. Diese Aufgabe wird für die Meß­ anordnung durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale, für das Verfahren durch die im Anspruch 4 und hinsichtlich der Verwendung durch die in den Ansprü­ chen 5 und 6 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die besonderen Vorteile der Erfindung werden dadurch erreicht, daß eine Meßvor­ richtung geschaffen wird, die das Mehrspulenverfahren aufgreift. Die Spulenschich­ ten werden in einem Verfahren der Photolithographietechnik auf einem Träger er­ zeugt.

Mit diesen Meßanordnungen und -vorrichtungen können u. a. Supraleiter einfach und mit hoher Auflösung auf Homogenität bzw. Inomogenitäten 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.

Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau und

Fig. 2 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. Der Träger 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 der Erfindung befinden sich die Spulenpaare als Schichten auf dem Träger. Sie setzten sich aus Erregerspulen 31 und Detektorspulen 32 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.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß den so aufgebauten, hochempfindlichen Meßanordnungen die zu vermessenden Proben problemlos der dem Träger 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. Die Schutzschicht 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. 1 zeigt 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. 2 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 an gepaßt.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil der Meßanordnungen liegt darin, daß keine umständlichen Justiervorgänge nötig sind. Mit der Produktion ist die räumliche Beziehung der Spulenpaare 31, 32 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 Ortsauflösung können die Spulen in ihrer Dimensionierung und der Anzahl ihrer Windungen gewählt werden.

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.

Claims (6)

1. Meßanordnung zum hochauflösenden Vermessen von magnetischen Körpern, welche Spulen aufweist, die auf einen Träger schichtförmig aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen als Sendespulen und Empfängerspulen in einer Schicht angeordnet sind, und aus diesen jeweils ein Spulenpaar dadurch gebildet wird, daß eine Sende- und eine Empfängerspule ineinander verschlungen sind.

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

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial aus einer Kunststoffolie besteht.

4. Verfahren zur Herstellung einer Meßanordnung zum hochaufgelöstem Ver­ messen von Magnetfeldern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Meßanordnung im Verfahren der Photolithographie erzeugt wird.

5. Verwendung einer Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die zum ortsaufgelösten Vermessen von Proben mit beliebig geformter Oberfläche verwendet wird.

6. Verwendung einer Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß sie zum hoch ortsauflösenden Vermessen von Supraleitern auf Homo­ genität oder auf Inhomogenitäten verwendet wird.