EP1166139A1 - Magnetflusssensor mit schleifenförmigem magnetfeldleiter sowie dessen herstellung - Google Patents

Magnetflusssensor mit schleifenförmigem magnetfeldleiter sowie dessen herstellung

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EP1166139A1
EP1166139A1 EP00930993A EP00930993A EP1166139A1 EP 1166139 A1 EP1166139 A1 EP 1166139A1 EP 00930993 A EP00930993 A EP 00930993A EP 00930993 A EP00930993 A EP 00930993A EP 1166139 A1 EP1166139 A1 EP 1166139A1
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EP
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magnetic field
magnetic
field conductor
magnetic flux
flux sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00930993A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Egon Zimmermann
Ulrich Poppe
Mikhail Faley
Horst Halling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
    • G01R33/0354—SQUIDS
    • G01R33/0358—SQUIDS coupling the flux to the SQUID

Definitions

  • the invention relates to a magnetic flux sensor for determining a local magnetic flux change, which has a loop-shaped magnetic field conductor and a detector.
  • the magnetic flux in the magnetic field conductor is determined by means of the detector.
  • the invention further relates to a production method for producing a magnetic flux sensor according to the invention.
  • a magnetic field sensor is described in the publication DE 195 19 480 AI. This consists of a rod made of soft magnetic, ferromagnetic material with a tip as a magnetic field conductor and a DC-SQUID as a detector.
  • a magnetic flux sensor for determining a local magnetic flux change is known from the publication DE 197 277 72 AI. This has an annular probe and a detector which can register the magnetic fluxes occurring in this probe.
  • the object of the invention is to provide a further sensitive magnetic flux sensor, the magnetic field conductors of which have a very good measuring sensitivity and are also easy to manufacture and structure. Furthermore, it is an object of the invention to provide a simple method for producing a magnetic flux sensor according to the invention. The task is solved by a magnetic flux sensor with the features of the main claim. Advantageous configurations result from the jerk-related claims.
  • the magnetic flux sensor as claimed has a loop-shaped magnetic field conductor, a gap which interrupts the magnetic field conductor and a detector which measures the magnetic flux in the magnetic field conductor.
  • a magnetic field conductor is a soft magnetic substance that enables the conduction of a magnetic flux, e.g. Iron, iron-nickel alloys (e.g. Permalloy) or amorphous soft magnetic alloys with a high permeability.
  • a magnetic flux e.g. Iron, iron-nickel alloys (e.g. Permalloy) or amorphous soft magnetic alloys with a high permeability.
  • a magnetic field conductor is loop-shaped in the sense of the invention if its shape corresponds to that of a closed curve.
  • loop-like shapes are, for example, a ring or an oval. But corners are not excluded.
  • a square or a rectangle is also loop-shaped in the sense of the invention.
  • the loop-like shape is not only limited to the 2-dimensional space, but it can also be a 3-dimensional structure.
  • the loop shape of the sophisticated magnetic field conductor agrees well with the course of closed magnetic field lines. This reduces the magnetic resistance and it is possible to enlarge the loop considerably without affecting the measuring sensitivity. In this way, for example, the distance between a detector and a measurement object can advantageously be increased.
  • the claimed magnetic field conductor is interrupted by at least one gap, so that the magnetic field conductor has at least two ends.
  • One end of a magnetic field conductor is characterized in measuring operation by the entry or exit of magnetic field lines.
  • At this gap there can be, for example, a measurement object whose magnetic flux is to be measured with the aid of the magnetic flux sensor.
  • the magnetic field lines to be registered enter one end of the magnetic field conductor at the measurement location and exit at the other end.
  • This arrangement of the magnetic flux sensor consequently enables a measurement with a very high spatial resolution.
  • the magnetic field conductor can advantageously be magnetically shielded and at least one end of the magnetic field conductor can be designed as a tip in order to further improve the spatial resolution.
  • the magnetic field conductor according to the claims has a detector which can register the fluxes occurring in the magnetic field conductor.
  • a detector is in particular a SQUID, since it is known that it has a very high sensitivity to magnetic fluxes.
  • the distance between the two ends of the magnetic field conductor should advantageously be smaller than the distance between one end of the magnetic field conductor and the location of the readout of the magnetic flux from the magnetic field conductor.
  • the location of the readout is the location of the detector, which registers the magnetic fluxes occurring in the magnetic field conductor.
  • the magnetic flux is read out, for example, at the point of the magnetic field conductor which is surrounded by the induction loop of the SQUID.
  • the loop shape of the magnetic field conductor enables larger distances between the object to be measured and the detector. in the In the case of a SQUID as a detector, the measurement location itself can therefore have any temperature, for example also room temperature, regardless of the cooling of the SQUID with liquid nitrogen.
  • thin foils have a higher permeability compared to volume-shaped magnetic field conductors. Films or films reduce the eddy currents that occur and thus lead to a higher frequency bandwidth of the measurement signal.
  • Foils and thin films are particularly flexible and allow simple shaping without loss of permeability.
  • sufficient techniques eg etching technology, photolithography, laser cutting, vapor deposition techniques
  • etching technology e.g. etching technology, photolithography, laser cutting, vapor deposition techniques
  • vapor deposition techniques e.g. etching technology, photolithography, laser cutting, vapor deposition techniques
  • the use of foils and thin films for the demanding magnetic field conductor also enables both a planar (2-dimensional) and a 3-dimensional construction. For example, 2-dimensional loop-like shapes can be cut out of a film very easily. However, it is also easy to bring, for example, two opposite corners of a rectangular film so close to one another by bending the film that a magnetic field conductor, in this case 3-dimensional, is created.
  • the sophisticated film or thin film is, for example, wider than 0.1 mm and has a width-to-thickness ratio of, for example, greater than 5.
  • the distance and the width of the gap depend on the desired spatial resolution of the sample. With this advantageous gap width, a particularly good spatial resolution can be achieved on a regular basis.
  • the magnetic field conductor has at least one further gap.
  • This gap can be used, for example, to use an advantageous SQUID as a detector without a hole.
  • the magnetic flux through the SQUID can be optimized by shaping the ends of the magnetic field conductor on the SQUID.
  • gaps in the magnetic field conductor can be used, for example, to carry out cryostat walls or other thermal insulation. Any additional gap in the magnetic field conductor has a disadvantageous effect on the magnetic resistance of the conductor and thus on the measurement sensitivity. A particularly good coupling between the ends of the gap or the ends of the magnetic field conductor at this gap is therefore necessary. This strong coupling is advantageous through achieved the use of foils or thin films, which overlap areal.
  • An advantageous magnetic flux sensor has at least one further magnetic field conductor for shielding from external magnetic interference fields and thus for improving the spatial resolution.
  • This can advantageously be a magnetic field conductor of the type mentioned at the beginning.
  • Such a magnetic field conductor can, for example, run adjacent to the actual magnetic field conductor.
  • the magnetic flux of the interference field that occurs in the shielding magnetic field conductor is not read by any detector. This ensures that only the local field of the measurement object is registered by the detector and not the external magnetic interference field.
  • All shields are, for example, simplified forms of a closed box made of soft magnetic, highly permeable material with a small opening at the bottom. The ends of the sensor are located in this opening.
  • the magnetic field conductors used for shielding can be designed in two or three dimensions. Particularly simple and good shielding is achieved, for example, in the case of a planar structure by providing two further planar, closed magnetic field conductors in front of and behind the plane, in particular parallel to the actual magnetic field conductor, in addition to the shielding in the sensor plane. Another good shielding is achieved by an extended base plate with a small opening for the ends of the sensor. The dimensions of the plate should advantageously be much larger than that of the sensor. Claim 5
  • a "direct current" (DC) SQUID magnetometer or a DC SQUID gradiometer is provided as the detector, since these react particularly sensitively to magnetic fluxes.
  • Rf-SQUIDs high frequency SQUIDs
  • the magnetic field sensor according to the claims can advantageously be used in a magnetic field microscope. Thanks to its high measuring sensitivity and good shielding against external magnetic interference fields, the smallest magnetic fields can be detected with a high spatial resolution.
  • suitable magnetic field conductors are used to measure a horizontal and / or vertical magnetic one
  • the magnetic field conductor is either worked out from a film or a thin film, for example cut, or is produced from a film or a thin film by deformation.
  • the film can be used either planar (2D) or in a curved form (3D).
  • a film can be deformed, in particular by bending, in such a way that two ends of this film are only separated by a gap (3D).
  • FIGS. 1 to 5 For a more detailed explanation, some advantageous embodiments of the magnetic flux sensor are shown in more detail in FIGS. 1 to 5.
  • Figure 1 shows a typical sensor arrangement.
  • the loop-shaped magnetic field conductor c conducts the magnetic flux b of the sample a to the SQUID d and back to the sample.
  • the magnetic flux of the sample is coupled in and out at the two ends of the magnetic field conductor e.
  • the magnetic flux is evaluated by a SQUID.
  • the circumference of the magnetic field conductor can be much larger than the width of the gap and therefore allows measurements of a sample at room temperature despite a cooled SQUID detector.
  • FIG. 2 schematically shows possible spatial structures of a magnetic field conductor as claimed in front and side views.
  • the planar variant of a magnetic field conductor shown in FIG. 2.1 can be worked out particularly easily from a film, while in the 3-dimensional variant in FIG. 2.2 the film or the thin film is deformed, for example.
  • FIG. 3 Five possibilities for improving the spatial resolution are shown in FIG. 3.
  • at least one end of the magnetic field conductor e is designed as a tip e ⁇ .
  • a possible position of the SQUID is also indicated here by a ring d.
  • FIG. 4 shows some schematic variants of a magnetic field conductor, in which the readout location (induction loop of the SQUID) is indicated by a ring d drawn around the respective magnetic field conductor.
  • the directional components of the magnetic field to be detected are indicated by an x-z axis cross.
  • FIG. 4 shows a magnetic field conductor according to the requirements m of a magnetometer (4.1 sensitive for the horizontal (X direction) component of the magnetic field, 4.2 sensitive for the vertical (z direction) component of the magnetic field) and a gradiometer arrangement (4.3 sensitive for the horizontal component of the magnetic field), whereby the execution in 4.3 leads to an improvement of the distance between the storages.
  • the distance between the storages indicates the extent to which interference fields or distant magnetic fields influence the measurement signal of the local measurement field.
  • the spatial resolution is also improved.
  • the symmetry and the parallel alignment of the two loops are important for the function of 4.3.
  • the magnetic field conductors can be shielded by another magnetic field conductor. Possible arrangements of the further magnetic field conductors used for shielding are shown in the magnetometer arrangements (4.4) and (4.5).
  • the magnetic field conductor, which conducts the magnetic fluxes to be measured, is identified by a ring d indicating the SQUID.
  • FIG. 5 shows the advantageous embodiment of a magnetic flux sensor, in which the magnetic field conductor has an additional gap (f, f) - the SQUID is located in this gap, which advantageously has no bore for the passage of the magnetic field conductor in this arrangement.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetflußsensor mit einem schleifenförmigen Magnetfeldleiter (c) und einem insbesondere als DC-SQUID (d) ausgestalteten Detektor, der einen in dem Magnetfeldleiter auftretenden magnetischen Fluß zu registrieren vermag. 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

B e s c h r e i b u n g
Magnetflußsensor mit schleifenförmigem Magnetfeldleiter sowie dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Magnetflußsensor zur Ermittlung einer örtlichen Magnetflußänderung, der einen schleifenförmigen Magnetfeldleiter und einen Detektor aufweist. Mittels des Detektors wird der magnetische Fluß in dem Magnetfeldleiter bestimmt. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Magnetflußsensors.
In der Druckschrift DE 195 19 480 AI ist ein Magnet- feldsensor beschrieben. Dieser besteht aus einem aus weichmagnetischem, ferromagnetischem Material bestehenden Stab mit Spitze als Magnetfeldleiter sowie einem DC-SQUID als Detektor.
Aus der Druckschrift DE 197 277 72 AI ist ein Magnet- flußsensor zur Ermittlung einer örtlichen Magnetflußänderung bekannt. Dieser weist eine ringförmige Sonde sowie einen Detektor auf, der die in dieser Sonde auftretenden magnetischen Flüsse registrieren kann.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines weiteren empfindlichen Magnetflußsensors, dessen Magnetfeldleiter 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 Magnetflußsensors zu schaffen. Die Aufgabe wird durch einen Magnetflußsensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den ruckbezogenen Ansprüchen.
Anspruch 1
Der anspruchsgemaße Magnetflußsensor weist einen schleifenformigen Magnetfeldleiter, einen den Magnetfeldleiter unterbrechenden Spalt sowie einen Detektor auf, der den magnetischen Fluß in dem Magnetfeldleiter mißt .
Ein Magnetfeldleiter ist eine weichmagnetische Substanz, die die Leitung eines magnetischen Flusses ermöglicht, z.B. Eisen, Eisen-Nickel Legierungen (z.B. Permalloy) oder amorphe weichmagnetische Legierungen mit einer hohen Permeabilität.
Ein Magnetfeldleiter ist schleifenformig 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 schleifenformig im Sinne der Erfindung. Des weiteren ist die schleifenartige Form nicht nur auf den 2-dιmensionalen Raum beschränkt, son- dern sie kann auch ein 3-dιmensionales Gebilde sein. Die Schleifenform des anspruchsgemaßen Magnetfeldleiters stimmt mit dem Verlauf von geschlossenen Magnetfeldlinien gut uberein. Dadurch wird der magnetische Widerstand herabgesetzt, und es ist möglich, die Schleife erheblich zu vergrößern, ohne die Meßempfindlichkeit zu beeinflussen. Damit kann z.B. die Distanz zwischen einem Detektor und einem Meßobjekt vorteilhaft vergrößert werden. Der anspruchsgemäße Magnetfeldleiter ist durch wenigstens einen Spalt unterbrochen, so daß der Magnetfeldleiter 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 befinden, dessen magnetischer Fluß mit Hilfe des Magnetflußsensors gemessen werden soll. Die zu registrierenden 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 nochmals 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 Magnetfeldleiters 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 auftretenden magnetischen Flüsse registriert. Beim aus DE 195 19 480 AI bekannten Magnetflußsensor wird der magnetische 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 flüssigem 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 Permeabilität 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 ermöglichen eine einfache Formgebung ohne Verlust an Permeabilität. Zudem sind ausreichend Techniken (z.B. Ätz- technik, Photolithographie, Laserschneiden, Aufdampftechniken) bekannt, um diese Materialien im μm Bereich herzustellen bzw. zu strukturieren. Damit sind besonders vorteilhafte Ausführungsformen möglich. Der Einsatz 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 herausgeschnitten werden. Es lassen sich aber auch auf einfache Weise z.B. zwei gegenüberliegende Ecken einer rechteckigen Folie durch Biegen der Folie so nah aneinander 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 anspruchsgemaße Folie, bzw. der dünne Film ist beispielsweise breiter als 0.1 mm und weist ein Verhältnis von Breite zu Dicke von zum Beispiel großer als 5 auf.
Anspruch 2
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbleibt nur ein Spalt von weniger als 500 μ-m, 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.
Anspruch 3
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Magnetflußsensors weist der Magnetfeldleiter mindestens einen weiteren Spalt auf. Dieser Spalt kann beispielsweise dazu dienen, einen vorteilhaften SQUID ohne Bohrung 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 zusatzliche 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.
Anspruch 4 Ein vorteilhafter Magnetflußsensor weist mindestens einen weiteren Magnetfeldleiter zur Abschirmung vor äußeren magnetischen Störfeldern und damit zur Verbesserung der Ortsauflösung auf. Dieser kann vorteilhaft ein Magnetfeldleiter der eingangs genannten Art sein. Ein solcher Magnetfeldleiter kann beispielsweise benachbart zu dem eigentlichen Magnetfeldleiter verlaufen. Der magnetische Fluß des Störfeldes, der im abschirmenden Magnetfeldleiter auftritt, wird im Gegensatz zum eigentlichen Magnetfeldleiter von keinem De- tektor ausgelesen. Dadurch wird gewährleistet, daß nur das lokale Feld des Meßobjektes vom Detektor registriert wird und nicht das äußere magnetische Störfeld. Alle Abschirmungen sind beispielsweise vereinfachte Formen einer geschlossenen Dose aus weichmagnetischem hochpermeablen 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 weitere planare geschlossene Magnetfeldleiter vor und hinter 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 Abmessungen der Platte sollten vorteilhaft wesentlich größer als die des Sensors sein. Anspruch 5
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 reagieren. Ein hochpermeabler Megnetfeldleiter, welcher durch die SQUID-Schleife gezogen wird, stört die Funktion eines DC-SQUIDs nicht, im Gegensatz zu Hochfrequenz SQUIDs (Rf-SQUIDs) . Zur Verwendung eines Rf- SQUIDs als Detektor ist eine gradiometrische Ausführung mit örtlicher Trennung von Hochfrequenzeinkopplung und Magnetfeldeinkopplung des Magnetfeldleiters vorteilhaft.
Anspruch 6
Vorteilhaft kann der anspruchsgemäße Magnetfeldsensor in einem Magnetfeld-Mikroskop eingesetzt werden. Durch seine hohe Meßempfindlichkeit und gute Abschirmung gegen äußere magnetische Störfelder können kleinste Ma- gnetfeider mit hoher Ortsauflösung detektiert werden.
Anspruch 7
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens 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 Magnetfeldes zu detektieren. Anspruch 8
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 verformt werden, daß zwei Enden dieser Folie nur noch durch einen Spalt getrennt sind (3D) .
Figuren
Zur näheren Erläuterung sind einige vorteilhafte Aus- führungsformen des Magnetflußsensors in den Figuren 1 bis 5 näher dargestellt.
Figur 1 zeigt eine typische Sensoranordnung. Der schleifenförmige Magnetfeldleiter c leitet den magnetischen 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 Raumtemperatur trotz eines gekühlten SQUID Detektors.
Figur 2 zeigt mögliche räumliche Strukturen eines an- spruchsgemäßen Magnetfeldleiters schematisch jeweils in Vorder- und Seitenansicht. Die in Figur 2.1 dargestellte planare Variante eines Magnetfeldleiters läßt sich besonders einfach aus einer Folie herausarbeiten, wahrend bei der 3-dimensionalen Variante in Figur 2.2 die Folie oder der dünne Film z.B. verformt werden.
Fünf Möglichkeiten zur Verbesserung der Ortsauflösung sind in der Figur 3 wiedergegeben. Dabei ist im Vergleich zur Variante 3.1 bei den Ausfuhrungen 3.2-3.5 zumindest ein Ende des Magnetfeldleiters e als Spitze eλ ausgebildet. Auch hier ist eine mögliche Lage des SQUIDs jeweils durch einen Ring d angedeutet.
Figur 4 weist einige schematische Varianten eines Magnetfeldleiter auf, bei denen der Ausleseort (Induktionsschleife des SQUIDs) durch einen eingezeichneten Ring d, der um den jeweiligen Magnetfeldleiter herum- fuhrt, angedeutet wird. Die Richtungskomponenten des zu detektierenden Magnetfeldes sind durch ein x-z-Achsen- kreuz angedeutet.
Dabei zeigt die Figur 4 einen anspruchsgemaßen Magnet- feldleiter m 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 Magnetfeldes) , wobei die Ausfuhrung in 4.3 zu einer Verbesserung des Storabstandes fuhrt. Der Storabstand gibt an, in welchem Maße Storfelder oder entfernte Magnetfelder das Meßsignal des lokalen Meßfeldes beeinflussen. Gleichzeitig 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 dienenden Magnetfeldleiter sind in den Magnetometeranord- nungen (4.4) und (4.5) dargestellt. Der Magnetfeldleiter, der die zu messenden magnetischen Flüsse leitet, ist jeweils durch einen den SQUID andeutenden Ring d gekennzeichnet .
In Figur 4 sind nur die planaren Varianten gezeigt.
Entsprechende Formen sind auch für die 3D-Anordnungen möglich.
Die Figur 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 vorteilhaft keine Bohrung zur Durchführung des Magnetfeldleiters aufweist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Magnetflußsensor mit einem schleifenförmigen Magnetfeldleiter, einem den Magnetfeldleiter unterbrechenden Spalt und einem Detektor, der einen in dem Magnetfeldleiter auftretenden magnetischen Fluß zu registrieren vermag, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldleiter aus einer weichmagnetischen 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.
Magnetflußsensor nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldleiter mindestens einen weiteren Spalt aufweist.
4. Magnetflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Magnetfeldleiter zur Abschirmung vor äußeren magnetischen Störfeldern vorhanden ist.
5. Magnetflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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-Mikroskop.
7. Verwendung von Magnetflußsensoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldleiter zur Messung einer horizontalen und/oder einer vertikalen magnetischen Feldkomponente vorgesehen sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines Magnetflußsensors nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der Magnetfeldleiter
- aus einer Folie oder aus einem dünnen Film her- ausgearbeitet wird, oder
- aus einer Folie oder einem dünnen Film durch Verformung hergestellt wird.
EP00930993A 1999-04-03 2000-03-30 Magnetflusssensor mit schleifenförmigem magnetfeldleiter sowie dessen herstellung Withdrawn EP1166139A1 (de)

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