DE4420241A1 - Magnetfeldempfindliche SQUID-Vorrichtung mit einer Reihenschaltung von DC-SQUIDs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetfeldempfindliche SQUID-Vorrichtung mit
- supraleitenden Antennenschleifen zur Erfassung eines Ma­ gnetfeldes,
- einer mit den Antennenschleifen verbundenen supraleitenden Einkoppeleinrichtung und
- mehreren, zu einer Reihe geschalteten, induktiv an die Ein­ koppeleinrichtung angekoppelten Gleichstrom (DC)-SQUIDs.
Eine derartige SQUID-Vorrichtung geht aus "IBM Techn. Discl. Bull.", Vol, 29, No. 2, July 1986, Seite 510 hervor.

Mit supraleitenden Quanten-Interferometern, die auch als "SQUIDs" bezeichnet werden, lassen sich bekanntlich äußerst schwache Felder oder Feldgradienten detektieren. Als ein An­ wendungsgebiet für SQUIDs wird deshalb die medizinische Dia­ gnostik angesehen, da die dort auftretenden biomagnetischen Feldsignale nur Feldstärken im pT-Bereich hervorrufen. Ferner ist auch an einen Einsatz von SQUIDs auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung gedacht, insbesondere wenn metalloxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial eingesetzt werden soll.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Erfassung und Aufbereitung derartig schwacher Magnetfelder oder entsprechender Magnet­ feldgradienten weist mindestens einen Meß- oder Detektions­ kanal auf. Dieser Kanal enthält auf seiner Eingangsseite als Antenne eine feldsensitive Schleifenanordnung mit mindestens einer Detektionsschleife. Die in dieser Schleife hervorgeru­ fenen magnetischen Flüsse oder Feldgradienten werden dann dem SQUID zugeführt. Dies kann induktiv über eine Einkoppelein­ richtung in die SQUID-Schleife des SQUIDs erfolgen.

Derartige Meßvorrichtungen erfordern wegen der extrem gerin­ gen Feldstärken der zu messenden, im allgemeinen verhältnis­ mäßig niederfrequenten Felder Maßnahmen zu einer Unter­ drückung von Störfeldern beispielsweise um mehrere Größenord­ nungen im Vergleich zu den zu detektierenden Feldsignalen. Hierbei hat man insbesondere die Wahl der Aufteilung dieser Störfeldunterdrückungsmaßnahmen einerseits auf Abschirmmaß­ nahmen wie z. B. mittels einer Abschirmkammer und andererseits auf Kompensationsmaßnahmen durch Gestaltung der Anten­ nenschleifen als Gradiometer.

Mit Gradiometern, die im Gegensatz zu Magnetometern zusätz­ lich zu ihrer mindestens einen Detektionsschleife mindestens noch eine weitere, als Kompensationsschleife bezeichnete An­ tennenschleife besitzen, lassen sich nämlich unerwünschte Hintergrundfelder entfernterer Feldquellen diskriminieren, während die Feldsensitivität bezüglich näherer Feldquellen erhalten bleibt (vgl. z. B. "Journal of Magnetism and Magnetic Materials", Vol. 22, 1981, Seiten 129 bis 201).

Seit Bekanntwerden von metalloxidischen Supraleitermateria­ lien mit hohen Sprungtemperaturen T_c, die eine Kühltechnik mit flüssigem Stickstoff (LN₂) erlauben, wird auch versucht, mit diesen Materialien SQUIDs auszubilden. Solche SQUIDs er­ fordern wegen der starken kristallinen Anisotropie des Supra­ leitermaterials epitaktische Herstellungsverfahren. Dann wird bisher jedoch eine räumliche Trennung zwischen einer feldsen­ sitiven Antenne und dem SQUID als nur schwer ausführbar ange­ sehen. Man bevorzugt deshalb bei Verwendung von solchen Hoch- T_c-Supraleitermaterialien Ausführungsformen von SQUIDs mit integrierter Antenne, d. h. SQUIDs, deren SQUID-Schleife zu­ gleich als feldsensitive Antenne ausgebildet ist (vgl. z. B. EP-B 0 286 891).

Ferner ist aus der eingangs genannten Veröffentlichung "IBM Techn. Discl. Bull." bekannt, für eine magnetfeldempfindliche SQUID-Vorrichtung statt nur eines einzigen DC-SQUIDs mehrere solcher SQUIDs zu einer Reihenschaltung anzuordnen. Diese SQUIDs sind induktiv an eine entsprechende Anzahl von Koppel­ spulen bzw. -elementen angekoppelt, welche ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Diese so erhaltene Einkoppeleinrichtung bil­ det zusammen mit der Reihenschaltung von Antennenschleifen ein Magnetometer. Magnetometer sind jedoch verhältnismäßig störempfindlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die SQUID-Vor­ richtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß ihre Störfeldempfindlichkeit verringert ist. Außerdem soll die Vorrichtung verhältnismäßig einfach mit einem der bekannten Hoch-T_c-Supraleitermaterialien aufzu­ bauen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum einen als Supraleitermaterial ein Hoch-T_c-Supraleitermaterial vorgesehen ist, wobei die SQUIDs sowie zumindest die Einkoppeleinrichtung jeweils mit einer einlagigen Struktur von Leiterbahnen aus diesem Material gebildet sind, und zum anderen mit den Antennenschleifen ein Gradiometer ausgebildet ist.

Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist die an sich bekannte Tatsache berücksichtigt, daß die Signalempfindlichkeit eines SQUIDs nicht beliebig erhöht werden kann, z. B. mit einer Flußfokussierung oder mittels eines Flußtransformators. Viel­ mehr sind durch den detektierten Störpegel Grenzen gesetzt. Zum einen steigt der Rauschpegel eines SQUIDs mit dem einge­ fangenen Störfluß an; und zum anderen verringert sich das von dem SQUID erzeugte Signal bis auf Null für den Fall von Stör­ flüssen, die in etwa die Größenordnung eines Flußquants Φ₀ erreichen. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden diese Schwierigkeiten vorteilhaft umgangen, indem man mehrere SQUIDs in Serie schaltet. Hierbei addieren sich die resultie­ renden elektrischen Spannungssignale wegen der Reihenschal­ tung der SQUIDs. Deshalb kann jedes einzelne SQUID eine ver­ hältnismäßig geringe Empfindlichkeit auch bezüglich eines Störflusses haben. Diese Tatsache ist besonders vorteilhaft beim Einsatz von SQUIDs aus Hoch-T_c-Supraleitermaterial.

Ferner werden bei der erfindungsgemäßen SQUID-Vorrichtung we­ gen der einlagigen Strukturen von Leiterbahnen aus dem Hoch- T_c-Supraleitermaterial Epitaxie-Probleme, wie sie bei einem mehrlagigen Aufbau auftreten, vermieden. Die Realisierung entsprechender SQUID-Vorrichtungen ist deshalb verhältnismä­ ßig einfach. Außerdem führt die Gestaltung des mit den An­ tennenschleifen und der Einkoppeleinrichtung gebildeten Ein­ gangskreises der Vorrichtung als Gradiometer zu einer redu­ zierten Störfeldempfindlichkeit. Die erfindungsgemäße SQUID- Vorrichtung ist deshalb in gestörter Umgebung einzusetzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen SQUID-Vor­ richtung gehen aus den vom Hauptanspruch abhängigen Unteran­ sprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schema­ tisch in Aufsicht
deren Fig. 1 eine SQUID-Reihenschaltung einer erfindungs­ gemäßen SQUID-Vorrichtung,
deren Fig. 2 eine zugehörige Einkoppeleinrichtung mit An­ tennenschleifen und
deren Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen SQUID-Vorrichtung.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die supraleitenden Teile der SQUID-Vorrichtung nach der Er­ findung sollen aus einem der bekannten Hoch-T_c-Supraleiterma­ terialien nach geläufigen Verfahren der Dünnfilm-Technik auf hierfür geeigneten Substraten unter Berücksichtigung der kri­ stallinen Anisotropie dieser Materialien hergestellt sein. Beispiele entsprechender Materialien sind insbesondere Cu­ prate mit Hoch-T_c-Phasen auf Basis der aus den Stoffsystemen Y-Ba-Cu-O oder Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O bekannten Grundtypen wie YBa₂Cu₃O_7-x oder Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+y oder (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10-z. Die Materialien sollen eine LN₂-Kühlung ermöglichen.

Mit einem solchen Hoch-T_c-Supraleitermaterial wird erfin­ dungsgemäß auf einem hierfür geeigneten Substrat, beispiels­ weise einem Chip aus SrTiO₃ oder MgO, eine Reihenschaltung von mehreren DC-SQUIDs erstellt. Vorteilhaft weist die Rei­ henschaltung mindestens vier, vorzugsweise mindestens acht SQUIDs auf. Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ersatzschaltbild einer entsprechenden Reihenschaltung 2 sind beispielsweise acht solcher SQUIDs 2a bis 2h auf einem Substrat 3 als einla­ gige Struktur angeordnet. Jedes SQUID enthält wegen seiner Gestaltung als Gleichstrom (DC)-SQUID in seiner SQUID-Schlei­ fe 8 _j(hier: a j h) zwei Josephson-Elemente 4a und 4b. Diese Elemente können vorteilhaft sogenannte Korngrenzen- Elemente sein. Beispielsweise kann die Korngrenze in einem solchen Element dadurch ausgebildet werden, daß man an einer entsprechenden Grenzlinie Leiterbahnbereiche mit unter­ schiedlicher kristalliner Orientierung aneinanderstoßen läßt (vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 59, No. 6, 5. Aug. 1991, Seiten 733 bis 735 oder DE-A 41 41 228). Oder aber man er­ zeugt eine Korngrenze nachträglich in einer Leiterbahn aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial dadurch, daß man in diese Leiterbahn mechanisch eine entsprechende Störzone einarbeitet (vgl. z. B. EP-A 0 364 101, DE-A 43 15 536 oder den Preprint von R. Gross und P. Chaudhari: "Status of dc-SQUIDs in the High Temperature Superconductors", zu veröffentlichen in:

"Principles and Applications of Superconducting Quantum In­ terference Devices", Hrsg.: A. Barone, World Scientific, Sin­ gapore 1991). Ferner ist es auch möglich, eine Korngrenze in einer über die Kante einer Stufe hinwegführenden Leiterbahn auszubilden (vgl. z. B. DE-A 42 19 006). Im allgemeinen sollte für eine erfindungsgemäße SQUID-Vorrichtung eine kritische Stromdichte an entsprechend ausgebildeten Korngrenzen-Joseph­ son-Elementen von 500 A/cm² ausreichen. Die Reihenschaltung 2 der DC-SQUIDs 2a bis 2h erfolgt über eine Verbindungslei­ terbahn 5, die an ihren Enden in Kontaktflächen 6 und 7 über­ geht zum elektrischen Anschließen der SQUID-Reihenschaltung.

Zu einer induktiven Einkopplung von magnetischen Flußgradien­ ten in die einzelnen SQUIDs der Reihenschaltung 2 ist eine Einkoppeleinrichtung aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial vor­ gesehen, die jeweils ein jedem SQUID zugeordnetes Koppelele­ ment aufweist. Diese Einkoppeleinrichtung wird vorteilhaft ebenfalls einlagig ausgebildet. Hierzu bestehen zwei Möglich­ keiten: Entweder wird auf den in Fig. 1 gezeigten Aufbau aus Substrat 3 und darauf aufgebracht er SQUID-Reihenschaltung 2 in einer weiteren rage die einlagige Struktur der Einkoppel­ einrichtung und gegebenenfalls die zugehörenden Antennen­ schleifen abgeschieden. Oder aber man sieht einen getrennten Trägerkörper zumindest für die Struktur der Einkoppeleinrich­ tung vor, die mit diesem Trägerkörper nachträglich an die SQUID-Reihenschaltung 2 bzw. das Substrat 3 angefügt wird. Ein Ausführungsbeispiel dieser zweiten Möglichkeit ist in Fig. 2 angedeutet. Diese dort allgemein mit 10 bezeichnete Einkoppeleinrichtung ist auf einem eigenen Trägerkörper 11, beispielsweise einem Chip aus SrTiO₃ oder MgO, einlagig abge­ schieden und enthält eine der Anzahl der SQUIDs der SQUID- Vorrichtung entsprechende Anzahl an hintereinandergeschalte­ ten Koppelelementen. Entsprechend dem in Fig. 1 angenommenen Ausführungsbeispiel mit acht SQUIDs sind acht Koppelelemente 12a bis 12h vorgesehen, die jeweils die Form eines supraleitenden Leiterbahnstückes haben. Diese in der Figur durch verstärkte Linien hervorgehobenen, als Koppelelemente dienenden Leiterbahnstücke sind hinsichtlich ihrer konkreten Gestalt an die Gestalt der jeweils zugeordneten SQUID- Schleife angepaßt. Die Leiterbahnstücke sind über senkrecht zu ihnen verlaufende Leiterbahnteile 13 _j so zu einer Mäan­ derform angeordnet, daß sie bei einem Aneinanderfügen des Trägerkörpers 11 an das Substrat 3 gemäß Fig. 1 jeweils im Bereich eines zugeordneten SQUIDs zu liegen kommen. Die Enden der Einkoppeleinrichtung 10 sind als Verzweigungsstellen 14 und 15 gestaltet, an denen sich zwei Gradiometerschleifen (Antennenschleifen, Pick-up-Spulen) 17 und 18 der erfin­ dungsgemäßen SQUID-Vorrichtung anschließen. Diese beiden Schleifen 17 und 18 sind somit über die Einkoppeleinrichtung 10 parallelgeschaltet.

Die Gestaltung der Antennenschleifen der SQUID-Vorrichtung als Gradiometerschleifen erfolgt entsprechend bekannter Aus­ führungsformen, wobei vorteilhaft planare Strukturen mit in einer Ebene nebeneinanderliegenden Schleifen vorgesehen wer­ den. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, bilden die Antennenschleifen 17 und 18 zusammen mit der ihnen gemeinsamen Einkoppelein­ richtung 10 vorteilhaft eine einzige, planare, einlagige Struktur. Selbstverständlich sind auch andere mehrlagige Strukturen, gegebenenfalls mit ausgeprägt dreidimensionaler Gestalt, einsetzbar, die an die Einkoppeleinrichtung ange­ schlossen werden. Die Gradiometerschleifen werden vorteilhaft aus demselben Hoch-T_c-Supraleitermaterial erstellt, wie es für die Einkoppeleinrichtung und die SQUIDs der erfindungsge­ mäßen SQUID-Vorrichtung vorgesehen wird.

Fig. 3 zeigt eine konkrete Ausbildungsmöglichkeit einer all­ gemein mit 20 bezeichneten SQUID-Vorrichtung nach der Erfin­ dung. Ihre zu einer Reihe geschalteten DC-SQUIDs 2 _j (mit 1 j n) sind jeweils im Bereich einer Kante 21 bzw. 22 einer Stufe angeordnet. Hierzu sind in das Substrat 3 symmetrisch zueinander liegende Vertiefungen 23 bzw. 24 in Form von ge­ genüber der Substratoberfläche 3a geneigten Flanken eingear­ beitet. Diese Flanken bilden mit der Substratoberfläche die in der Figur durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Kan­ ten 21 und 22. Über diese Kanten hinweg verlaufen die jeweils ein Koppelloch 25 _j umschließenden Schleifen 8 _j der einzelnen SQUIDs 2 _j. In diese Schleifen sind an den Kanten 21 und 22 die Josephson-Elemente 4a und 4b der einzelnen SQUIDs als Korngrenzen-Josephson-Elemente ausgebildet. Die die einzelnen Koppelelemente 12 _j bildenden Leiterbahnteile einer Einkop­ peleinrichtung 30 verlaufen über die außerhalb der Vertiefun­ gen 23 und 24 liegenden Teile der einzelnen SQUID-Schleifen 8 _j hinweg. Die Einkoppeleinrichtung 30 ist entsprechend der Einkoppeleinrichtung 10 nach Fig. 1 mäanderförmig gestaltet und in der Figur im Bereich ihrer Koppelelemente 12 _j als verstärkte Linie veranschaulicht. An ihren Verzwei­ gungsstellen 14 und 15 geht sie in die vorzugsweise gleich­ großen Gradiometerschleifen 17 und 18 über.

Gemäß den Figuren wurde davon ausgegangen, daß die zu einer Reihe geschalteten DC-SQUIDs einer erfindungsgemäßen SQUID- Vorrichtung zusammen mit der Einkoppeleinrichtung und den An­ tennenschleifen zumindest weitgehend quasi symmetrisch aufge­ baut sind. Symmetrie soll dabei bedeuten, daß in einem homo­ genen Magnetfeld mit den beiden parallelgeschalteten Gradio­ meterschleifen zwei über die Einkoppeleinrichtung als Quer­ verbindung dieser Gradiometerschleifen fließende Strombei­ träge erzeugt werden, die sich gerade gegenseitig kompensie­ ren. Ein solcher Aufbau ist im Hinblick auf eine erhöhte Störunempfindlichkeit besonders von Vorteil. Selbstverständ­ lich sind jedoch für eine erfindungsgemäße SQUID-Vorrichtung auch andere Anordnungsmöglichkeiten ihrer einzelnen Komponen­ ten denkbar.

Claims (12)

1. Magnetfeldempfindliche SQUID-Vorrichtung mit

• - supraleitenden Antennenschleifen zur Erfassung eines Ma­ gnetfeldes,
• - einer mit den Antennenschleifen verbundenen supraleitenden Einkoppeleinrichtung und
• - mehreren, zu einer Reihe geschalteten, induktiv an die Ein­ koppeleinrichtung angekoppelten Gleichstrom(DC)-SQUIDs,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - als Supraleitermaterial ein Hoch-T_c-Supraleitermaterial vorgesehen ist, wobei die SQUIDs (2 _j) sowie zumindest die Einkoppeleinrichtung (10, 30) jeweils mit einer einlagigen Struktur von Leiterbahnen aus diesem Material gebildet sind, und
• - mit den Antennenschleifen (17, 18) ein Gradiometer ausge­ bildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Josephson-Elemente (4a, 4b) als Korngrenzen-Elemente.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in jedem Josephson-Element (4a, 4b) die Korngrenze durch eine Grenzlinie zwischen zwei Leiterbahnbereichen mit unterschiedlicher kristalliner Orien­ tierung ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in jedem Josephson-Element (4a, 4b) die Korngrenze durch eine in einer Leiterbahn mecha­ nisch eingearbeitete Störung ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in jedem Josephson-Element (4a, 4b) die Korngrenze mit zwei an einer Stufenkante (21, 22) aneinanderstoßenden Leiterbahnbereichen ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reihen­ schaltung (2) mindestens vier, vorzugsweise mindestens acht SQUIDs (2 _j) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reihen­ schaltung (2) der SQUIDs (2 _j) und die Einkoppeleinrichtung (10) jeweils auf einem eigenen Substrat (3 bzw. 11) einlagig angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der ein­ lagigen Struktur der Reihenschaltung (2) der SQUIDs (2 _j) die einlagige Struktur der Einkoppeleinrichtung (30) aufgebracht ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Antennen­ schleifen (17, 18) eine planare Struktur bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Antennenschleifen (17, 18) zusammen mit der ihnen zugeordneten Einkoppeleinrichtung (10, 30) eine gemeinsame, einlagige Struktur von Leiterbahnen aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial bilden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ge­ k e n n zeichnet durch einen zumindest weitgehend symmetrischen Aufbau.