EP1599739A1 - Magnetflusssensor mit magnetfeldleiter und lochblende - Google Patents

Magnetflusssensor mit magnetfeldleiter und lochblende

Info

Publication number
EP1599739A1
EP1599739A1 EP04708709A EP04708709A EP1599739A1 EP 1599739 A1 EP1599739 A1 EP 1599739A1 EP 04708709 A EP04708709 A EP 04708709A EP 04708709 A EP04708709 A EP 04708709A EP 1599739 A1 EP1599739 A1 EP 1599739A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic field
magnetic flux
flux sensor
magnetic
squid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04708709A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mikhail Faley
Egon Zimmermann
Ulrich Poppe
Knut Urban
Horst Halling
Helmut Soltner
Bernd Jungbluth
Rolf Speen
Walter Glaas
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1599739A1 publication Critical patent/EP1599739A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
    • Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
    • Y10S505/842—Measuring and testing
    • Y10S505/843—Electrical
    • Y10S505/845—Magnetometer
    • Y10S505/846—Magnetometer using superconductive quantum interference device, i.e. squid

Definitions

  • the invention relates to a magnetic flux sensor for determining a local magnetic flux distribution, which has a magnetic field conductor and a pinhole.
  • SQUID Superconducting Quantum Interference Device
  • a magnetic sample is moved under the SQUID so that the local variation of the magnetic flux (magnetic field map of the sample) is determined.
  • Microscopes with high-temperature superconductor (HTS) SQUIDs which operate at 77 K, are better suited for measuring magnetic fields of samples at room temperature than low-temperature superconductor SQUIDs, because for a good field and location resolution, a small distance between the sample and SQUID sensor is particularly important. This distance limits the spatial resolution of SQUID microscopes to approximately 50 ⁇ m.
  • the SQUIDs were combined with ferromagnetic magnetic field conductors in SQUID microscopes. These magnetic field conductors usually consist of several millimeter long, soft magnetic rods with a fine tip at the sample location.
  • a magnetic field sensor is known from 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.
  • the magnetic field sensor reacts disadvantageously compared to interference fields, since the entire rod acts as an antenna, especially in the case of magnetic field distributions generated by current-carrying conductor tracks. The length of the rod severely limits the spatial resolution of the sensor.
  • a magnetic flux sensor with a loop-shaped magnetic field conductor and a detector designed as DC-SQUID which is able to register a magnetic flux occurring in the magnetic field conductor.
  • the magnetic field conductor comprises a highly permeable film or a thin film.
  • a disadvantage of this magnetic flux sensor is also not high spatial resolution.
  • the object of the invention is to provide a high-resolution magnetic flux sensor.
  • the magnetic flux sensor comprises a magnetic field conductor.
  • the magnetic field conductor has a tip for detecting the magnetic field lines of a sample P. The tip widens to a stick or a foil.
  • the magnetic field conductor leads the magnetic flux from the sample location to the SQUID, where it is measured.
  • the magnetic flux sensor further comprises an aperture with a hole. The pinhole determines the resolution of the magnetic flux sensor.
  • the tip of the loop-shaped magnetic field conductor is advantageously arranged in the center, in the so-called spatial area of the pinhole.
  • the spatial area is defined as an approximately spherically extended space with a diameter that corresponds to that of the hole in the pinhole.
  • the center of the ball coincides with the center of the hole in the pinhole. This advantageously brings about an excellent spatial resolution of the magnetic flux sensor.
  • Such a magnetic flux sensor is particularly suitable for measuring the z component of current-carrying wires, conductor tracks and components, as well as magnetic components and storage media.
  • the magnetic field conductor and / or the pinhole is advantageously made of highly permeable material, for. B. with a permeability> 1000. This results in a low magnetic resistance of the magnetic field conductor of the pinhole and thus a largely low-loss guidance of the magnetic flux to the SQUID or to the sample.
  • the magnetic field conductor can furthermore have a loop-shaped part and at least one part returning the magnetic field lines of the sample from the SQUID to the pinhole.
  • the part of the loop-shaped magnetic field conductor returning the magnetic field lines of the sample is then connected to the pinhole of the magnetic flux sensor.
  • the loop-shaped magnetic field conductor can have an interruption at the SQUID, e.g. B. in the form of a gap.
  • the magnetic field lines of the sample to the SQUID and / or the part of the loop-shaped magnetic field conductor returning the magnetic field lines to the sample can have further gaps. This advantageously has the effect that part of such a loop-shaped magnetic field conductor can be cooled and the part on the sample can be kept at room temperature.
  • another embodiment of the invention leads to a rod or a form.
  • the base plate represents the loop-shaped part of the magnetic field conductor. From the base plate, the magnetic flux is returned symmetrically to the pinhole.
  • the magnetic flux sensor according to the invention has a spatial resolution of less than 20 micrometers.
  • a SQUID microscope comprises a magnetic flux sensor according to the invention.
  • the SQUID can be a DC-SQUID magnetometer or a DC-SQUID gradiometer.
  • the SQUID measures the size of the magnetic flux.
  • the magnetic flux is coupled into a so-called SQUID flux antenna.
  • a preferred embodiment of the magnetic flux sensor 1 is shown in perspective in FIG. 1. It has a magnetic field conductor with a tip 2a at the end of a highly permeable rod 2b.
  • the rod 2b widens starting from the tip 2a and opens into a loop-shaped part 3a of the magnetic field conductor.
  • the magnetic field conductor has a part 4 returning the magnetic field lines of the sample.
  • the magnetic flux sensor 1 further comprises a pinhole 5 with a hole 6 and a SQUID 7 with a hole 7a.
  • the magnetic field conductor carries the magnetic flux from one Sample (not shown) below the pinhole to a SQUID 7 and from there loop back over the pinhole 5 to the sample.
  • the pinhole 5 increases the spatial resolution of the magnetic flux sensor 1 and also causes the shielding of interference signals.
  • the feedback increases the sensitivity of the magnetic flux sensor.
  • Such a magnetic flux sensor advantageously measures the z component of a magnetic field generated by a sample.
  • the magnetic flux sensor according to the invention is particularly suitable for measuring conductive traces through which current flows.
  • the sample can e.g. This can be, for example, a current-carrying wire or a conductor track whose magnetic field is measured at room temperature.
  • the loop-shaped magnetic field conductor enables the measurement of samples at room temperature with high spatial resolution and sensitivity.
  • the magnetic flux is very effectively conducted to a cooled SQUID 7 via the magnetic field conductor and therefore allows a sample to be measured at room temperature with a cooled SQUID 7 without the sample also having to be cooled.
  • the loop-shaped magnetic field conductor and the perforated diaphragm 5 are advantageously made of highly permeable film or thin film or wire made of z.
  • Fig. 2 also shows a perspective view of an advantageous embodiment of the invention.
  • the SQUID 27 of the magnetic flux sensor 21 has no bore for the loop-shaped magnetic field conductor. Instead, the part 22b of the loop-shaped magnetic field conductor at SQUID 27 that widens to form a rod or a film is interrupted by a gap.
  • the advantage of this is that the SQUID 27 does not have to have a hole, since holes are comparatively difficult to implement.
  • a good magnetic coupling between the gap ends I and J can advantageously be achieved by overlapping foils.
  • FIG 3 shows the measuring principle of the magnetic flux sensor according to the invention.
  • the tip 32a is arranged in the middle and at the height of the hole 36 of the aperture plate 35.
  • the tip 32a is arranged in the spatial area 38 of the pinhole 35.
  • the spatial area 38 is defined as a spherically expanded space with a diameter that corresponds to that of the hole 36 and is shown in dotted lines in FIG. 3a.
  • the center of the spatial area 38 coincides with the center of the hole 36.
  • the tip 32a should not be positioned too far in the direction of the SQUID located above the tip, since then only a fraction of the magnetic flux of a sample located below the tip 32a would be detected by the tip 32a and this would lead to a lower sensitivity of the magnetic flux sensor.
  • a protruding tip 32a positioned too far in the direction of the sample P would lead to a poorer spatial resolution of the magnetic flux sensor.
  • the tip 32a would not only measure the local magnetic field of the sample P immediately below the tip, but also neighboring magnetic fluxes from more distant sample parts.
  • a position of the tip 32a in the spatial area 38 with a particularly high spatial resolution of the magnetic flux sensor and in particular in the center of hole 36 is therefore desirable.
  • 3b shows the process of detecting the magnetic field lines of a sample P indicated by arrows
  • tip 32a (e.g. current-carrying wire) and its derivation in the direction of a SQUID (not shown) is schematically indicated by tip 32a.
  • 3c shows the shielding of the magnetic field lines of a sample P, represented in a circle by arrows, outside the spatial area 38 via the aperture 35. These magnetic field lines are no longer from the Tip 32a detected and thus not evaluated by a SQUID.
  • FIG. 4a and 4b schematically show the z components of the magnetic field of a sample as a function of the x position of the sample (current in the y direction) without an aperture (FIG. 4a) and with an aperture (FIG. 4b).
  • the zero point of the x position is below a peak.
  • Figures 4 a and b illustrate that the spatial resolution of the magnetic flux sensor with pinhole is significantly improved. This is caused by the shielding of the magnetic field conductor lying in the SQUID direction (FIG. 1, part 3) by means of the pinhole (see, for example, FIG. 1, reference number 5). It is only the part of the tip (see, for example, FIG. 1 reference number 2) in the spatial area at the aperture hole
  • FIG. 5 shows a further preferred embodiment of a magnetic flux sensor 51.
  • the part 52b of the magnetic field conductor which widens into a rod or a film opens into a base plate 53a above the SQUID 57.
  • the bottom plate 53a represents the loop-shaped part of the magnetic field conductor.
  • the tip 52a is arranged in the center of hole 56 of the aperture plate 55 and thus in its spatial area.
  • the tip 52a guides the magnetic field lines (not shown) to the SQUID 57, which here has a bore 57a.
  • the magnetic field lines are across the bottom plate 53a and two parts 5 x and 54 ' % of the loop-shaped magnetic field conductor returning the magnetic field lines are returned to the sample P via the pinhole 55.
  • the parts 54 and 54 ⁇ of the loop-shaped magnetic field conductor returning the magnetic field lines of the sample are to be understood as two parts of a wall which connect the base plate 53a to the pinhole 55.
  • FIG. 6a shows the magnetic field distribution B z (x, y) at a constant distance above a current-carrying meandering conductor track.
  • the fields of the individual tracks can be resolved separately.
  • 6b shows the measured magnetic field distribution B z (x, y) at a constant distance over three tracks of the floppy disk. The magnetic field characteristics of individual bit patterns are resolved.
  • the x, y scan area shown in FIG. 6b is approximately 0.8 x 1.2 mm. Both objects were outside of a SQUID cool lumbar cryostat. The sample to tip distance was approx. 5 ⁇ m.
  • the amorphous soft magnetic materials to be used advantageously for the loop-shaped magnetic field conductor allow simple shaping without loss of permeability.
  • the materials can be created and structured down to the ⁇ m range using etching technology, photolithography, laser cutting and vapor deposition technology.
  • Amorphous materials continue to show less noise and, in the case of high-frequency magnetic fields, low eddy currents, thus enabling a higher frequency bandwidth for the measurement signal.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einenMagnetflusssensor (1, 21, 51) umfassend einen a) schleifenförmigen Magnetfeldleiter, wobei dieser eine Spitze (2, 22, 32, 52), die sich zu einem Stab oder zu einer Folie (3, 23, 52) aufweitet, einen schleifenförmigen Teil (3a, 23a, 53a) sowie mindestens einen die Magnetfeldlinien der Probe rückführenden Teil (4, 24, 54`, 54``), aufweist, b) SQUID (7, 27, 57), c) sowie eine Lochblende (5, 25, 35, 55) mit Loch (6, 26, 36, 56), wobei der die Magnetfeldlinien der Probe rückführende Teil (4, 24, 54`, 54``) des schleifenförmigen Magnetfeldleiters mit der Lochblende (5, 25, 35, 55) verbunden ist.

Description

B e s c h r e i b u n g Magnetflußsensor mit Magnetfeldleiter und Lochblende
Die Erfindung betrifft einen Magnetflußsensor zur Ermittlung einer örtlichen Magnetflußverteilung, der einen Magnetfeldleiter und eine Lochblende aufweist.
In den letzten Jahren wurden verschiedene Raster- Mikroskope mit SQUID (Superconducting Quantum Interfe- rence Devices) -Sensoren entwickelt. Eine magnetische Probe wird unter dem SQUID bewegt, so daß die örtliche Variation des magnetischen Flusses (Magnetfeldkarte der Probe) bestimmt wird. Mikroskope mit Hoch-Temperatur- Supraleiter- (HTS-) SQUIDs, welche bei 77 K arbeiten, sind besser zur Messung magnetischer Felder von Proben bei Raumtemperatur geeignet als Tieftemperatur Supraleiter SQUIDs, da für eine gute Feld- und Ortsauflδsung ein geringer Abstand zwischen Probe und SQUID-Sensor besonders wichtig ist. Dieser Abstand begrenzt die Ortsauflδsung von SQUID-Mikroskopen auf etwa 50 μm. Um diesen Nachteil zu umgehen, wurden in SQUID-Mikroskopen die SQUIDs mit ferromagnetischen Magnetfeldleitern kombiniert. Diese Magnetfeldleiter bestehen üblicherweise aus mehren Millimeter langen, weichmagnetischen Stäben mit einer feinen Spitze am Probenort.
Aus DE 195 19 480 AI ist ein Magnetfeldsensor bekannt. Dieser besteht aus einem aus weichmagnetischem, ferro- magnetischem Material bestehenden Stab mit Spitze als Magnetfeldleiter sowie einem DC-SQUID als Detektor. Nachteilhaft reagiert der Magnetfeldsensor anfällig ge- genüber Störfeldern, da der gesamte Stab, vor allem bei Magnetfeldverteilungen, die von stromdurchflossenen Leiterbahnen erzeugt werden, als Antenne wirkt. Die Längenausdehnung des Stabes schränkt die Ortsauflösung des Sensors stark ein.
Aus DE 199 15 226 ist ein Magnetflußsensor mit einem schleifenförmigen Magnetfeldleiter und einem als DC- SQUID ausgestalteten Detektor bekannt, der einen in dem Magnetfeldleiter auftretenden magnetischen Fluß zu re- gistrieren vermag. Der Magnetfeldleiter umfaßt eine hochpermeable Folie oder einen dünnen Film. Nachteilig ist dieser Magnetflußsensor ebenfalls nicht hoch ortsauflösend.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen hoch ortsauflösen- den Magnetflußsensor bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird durch einen Magnetflußsensor nach Anspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein SQUID-Mikroskop gemäß Ne- benanspruch gelöst .
Der Magnetflußsensor umfasst einen Magnetfeldleiter. Der Magnetfeldleiter weist eine Spitze zur Erfassung der Magnetfeldlinien einer Probe P auf. Die Spitze weitet sich zu einem Stab oder zu einer Folie auf. Der Magnetfeldleiter führt den magnetischen Fluß vom Probenort zum SQUID, wo er gemessen wird. Der Magnetflußsensor umfasst weiterhin eine Blende mit einem Loch. Die Lochblende bestimmt die Auflösung des Magnetflußsensors .
Die Spitze des schleifenförmigen Magnetfeldleiters ist in vorteilhafter Weise im Zentrum, im sogenannten Raumgebiet der Lochblende, angeordnet. Das Raumgebiet ist definiert als ein etwa kugelförmig ausgedehnter Raum mit einem Durchmesser, der dem des Lochs der Lochblende entspricht. Das Zentrum der Kugel stimmt mit dem Zent- rum des Lochs der Lochblende überein. Dies bewirkt vorteilhaft eine hervorragende Ortsauflösung des Magnetflußsensors .
Ein solcher Magnetflußsensor ist insbesondere geeignet zur Messung der z-Komponente von stromdurchflossenen Drähten, Leiterbahnen und Bauelementen, sowie magnetischen Bauelementen und Speichermedien.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Magnetfeldleiter und / oder die Lochblende vorteilhaft aus hochpermeablem Material, z. B. mit einer Per- meabilität > 1000. Dies bewirkt einen geringen magnetischen Widerstand des Magnetfeldleiters der Lochblende und damit eine weitgehend verlustarme Führung des magnetischen Flusses zum SQUID bzw. zur Probe.
Der Magnetfeldleiter kann weiterhin einen schleifenför- migen Teil sowie mindestens einen, die Magnetfeldlinien der Probe rückführenden Teil vom SQUID zur Lochblende aufweisen. Der die Magnetfeldlinien der Probe zurückführende Teil des schleifenförmigen Magnetfeldleiters ist dann mit der Lochblende des Magnetflußsensors verbunden.
Der schleifenfδrmige Magnetfeldleiter kann am SQUID ei- ne Unterbrechung, z. B. in Form eines Spaltes, aufweisen.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, daß der SQUID keine Bohrung aufweisen muß. Bohrungen im SQUID sind vergleichsweise schwierig herzustellen. In diesem Fall muß die Spitze in geeigneter Weise, z. B. am Kryostaten, befestigt sein. Die magnetische Kopplung zwischen den beiden Spaltenden sollte dabei so stark wie möglich gestaltet sein, da die Einführung von zusätzlichen Luftspalten sich nachteilig auf den magnetischen Wider- stand der Schleife und damit auf die Empfindlichkeit eines Mikroskops auswirkt. Hierfür können überlappende Folien mit zwischenliegendem SQUID vorteilhaft eingesetzt werden.
Zur thermischen Isolierung kann der die Magnetfeldli- nien der Probe zum SQUID hin- und / oder der die Magnetfeldlinien zur Probe rückführende Teil des schleifenförmigen Magnetfeldleiters weitere Spalte aufweisen. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, daß ein Teil eines solchen schleifenförmigen Magnetfeldleiters gekühlt und der an der Probe befindliche Teil bei Raumtemperatur gehalten werden kann.
Zur besseren magnetischen Abschirmung des SQUIDs gegenüber Störfeldern mündet in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der sich zu einem Stab oder zu einer Fo- lie aufgeweitete Teil des Magnetfeldleiters in eine Bodenplatte. In diesem Fall stellt die Bodenplatte den schleifenförmigen Teil des Magnetfeldleiters dar. Von der Bodenplatte wird der Magnetfluss symmetrisch zur Lochblende zurückgeführt .
Der erfindungsgemäße Magnetflußsensor weist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Ortsauflösung von kleiner als 20 Mikrometer auf.
Ein SQUID-Mikroskop umfasst einen erfindungsgemäßen Magnetflußsensor.
Der SQUID kann ein DC-SQUID-Magnetometer oder ein DC- SQUID-Gradiometer sein. Der SQUID mißt die Größe des magnetischen Flusses. Dazu wird der magnetische Fluß in einer sogenannten Flußantenne des SQUID eingekoppelt.
Im weiteren wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele und der beigefügten Figuren 1 bis 6 näher beschrieben.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Magnetflußsensors 1 ist in Fig. 1 perspektivisch dargestellt. Er weist einen Magnetfeldleiter mit einer Spitze 2a am Ende eines hochpermeablen Stabes 2b auf. Der Stab 2b weitet sich ausgehend von der Spitze 2a auf und mündet in einen schleifenförmigen Teil 3a des Magnetfeldleiters. Der Magnetfeldleiter weist einen die Magnetfeld- linien der Probe rückführenden Teil 4 auf. Der Magnetflußsensor 1 umfaßt weiter eine Lochblende 5 mit einem Loch 6 sowie einen SQUID 7 mit einer Bohrung 7a. Der Magnetfeldleiter führt den magnetischen Fluß von einer Probe (nicht dargestellt) unterhalb der Lochblende zu einem SQUID 7 und von dort schleifenförmig über die Lochblende 5 zur Probe zurück. Die Lochblende 5 erhöht die Ortsauflösung des Magnetflußsensors 1 und bewirkt aber auch die Abschirmung von Störsignalen. Die Rückführung erhöht die Empfindlichkeit des Magnetflußsen- sors .
Eine derartiger Magnetflußsensor mißt vorteilhaft die z-Komponente eines von einer Probe erzeugten Magnetfei- des. Dadurch ist der erfindungsgemäße Magnetflußsensor insbesondere dazu geeignet stromdurchflossene Leiterbahnen auszumessen.
Die Probe kann z. B. ein stromdurchflossener Draht oder eine Leiterbahn sein, deren Magnetfeld bei Raumtempera- tur gemessen wird.
Der schleifenförmige Magnetfeldleiter ermöglicht die Messung von Proben bei Raumtemperatur mit hoher Ortsauflδsung und Empfindlichkeit. Der magnetische Fluss wird über den Magnetfeldleiter sehr effektiv zu einem gekühlten SQUID 7 geleitet und erlaubt deshalb die Messung einer Probe bei Raumtemperatur mit einem gekühltem SQUID 7, ohne daß auch die Probe gekühlt werden muß.
Hierzu bestehen der schleifenförmige Magnetfeldleiter und die Lochblende 5 vorteilhaft aus hochpermeabler Fo- lie bzw. dünnem Film oder Draht aus z. B. Permalloy oder einem anderen amorphen, weichmagnetischen Material. Vorteilhaft sind solche Materialien mit sehr hoher Permeabilität > 1000 gut verfügbar, insbesondere amorphe Materialien.
Fig. 2 zeigt ebenfalls in perspektivischer Aufsicht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Im Unter- schied zu Fig. 1 weist der SQUID 27 von Magnetflußsensor 21 keine Bohrung zur Durchführung des schleifenförmigen Magnetfeldleiters auf. Statt dessen ist der sich zu einem Stab oder zu einer Folie aufweitende Teil 22b des schleifenförmigen Magnetfeldleiters am SQUID 27 durch einen Spalt unterbrochen. Vorteilhaft wird dadurch bewirkt, daß der SQUID 27 keine Bohrung aufweisen muß, da Bohrungen vergleichsweise schwierig zu verwirklichen sind. Eine gute magnetische Kopplung zwischen den Spaltenden I und J kann durch sich überlappende Fo- lien vorteilhaft verwirklicht werden.
In Fig. 3 ist das Meßprinzip des erfindungsgemäßen Magnetflußsensors dargestellt .
Zur Gewährleistung einer hohen Ortsauflösung des Magnetflußsensors ist die Spitze 32a in der Mitte und in der Höhe vom Loch 36 der Lochblende 35 angeordnet. Die Spitze 32a ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung im Raumgebiet 38 von Lochblende 35 angeordnet. Das Raumgebiet 38 ist als kugelförmig ausgedehnter Raum mit einem Durchmesser, der dem des Lochs 36 entspricht, definiert und in Fig. 3a gepunktet dargestellt. Das Zentrum des Raumgebietes 38 stimmt mit dem Zentrum des Lochs 36 überein. Die Spitze 32a sollte nicht zu weit in Richtung des oberhalb der Spitze angeordneten SQUID positioniert sein, da dann nur ein Bruchteil des magnetischen Flusses einer unterhalb der Spitze 32a angeordneten Probe durch die Spitze 32a erfaßt würde und dies zu einer geringeren Empfindlichkeit des Magnetflußsensors führen würde .
Eine zu weit in Richtung der Probe P (s. Fig. 3b und c) positionierte vorstehende Spitze 32a würde zu einer schlechteren Ortsauflösung des Magnetflußsensors führen. Die Spitze 32a würde in diesem Fall nicht nur das lokale Magnetfeld der Probe P unmittelbar unterhalb der Spitze sondern auch benachbarte Magnetflüsse von entfernteren Probenteilen messen.
Erwünscht ist daher eine Position der Spitze 32a im Raumgebiet 38 mit besonders hoher Ortsauflösung des Magnetflußsensors und insbesondere im Zentrum von Loch 36.
In Fig. 3b ist der Vorgang des Erfassens der durch Pfeile angedeuteten Magnetfeldlinien einer Probe P
(z.B. stromdurchflossener Draht) und deren Ableitung in Richtung eines SQUID (nicht dargestellt) durch Spitze 32a schematisch angedeutet.
In Fig. 3c ist hingegen die Abschirmung der kreisförmig mit Pfeilen dargestellten Magnetfeldlinien einer Probe P außerhalb des Raumgebietes 38 über die Blende 35 gezeigt. Diese Magnetfeldlinien werden nicht mehr von der Spitze 32a erfaßt und somit nicht von einem SQUID ausgewertet .
Fig. 4a und 4b zeigen schematisch die z-Komponenten des Magnetfeldes einer Probe als Funktion der x-Position der Probe (Strom in y-Richtung) ohne Blende (Fig. 4a) und mit Blende (Fig. 4b) . Der Nullpunkt der x-Position befindet sich unterhalb einer Spitze. Als Probe diente ein langer gerader Strom durchflossener Leiter. Die Figuren 4 a und b verdeutlichen, daß die Ortsauflösung des Magnetflußsensors mit Lochblende deutlich verbessert wird. Dies wird durch die Abschirmung des in SQUID-Richtung liegenden Magnetfeldleiters (Fig. 1 Teil 3) durch die Lochblende (s. z.B. Fig. 1 Bezugszeichen 5) bewirkt. Es ist nur der Teil der Spitze (s. z. B. Fig. 1 Bezugszeichen 2) im Raumgebiet am Blendenloch
(s. Fig. 3a Bezugszeichen 38) sensitiv. Eine Verkleinerung des Loches bewirkt somit einen kürzeren sensitiven Teil der Spitze und damit eine Verbesserung der Ortsauflösung .
Figur 5 zeigt eine weitere bevorzugte Aus ührungsform eines Magnetflußsensors 51. Dabei mündet der sich zu einem Stab oder zu einer Folie aufweitende Teil 52b des Magnetfeldleiters oberhalb des SQUID 57 in eine Bodenplatte 53a. In diesem Fall stellt die Bodenplatte 53a den schleifenförmigen Teil des Magnetfeldleiters dar.
Die Spitze 52a ist im Zentrum von Loch 56 der Lochblende 55 und damit in dessen Raumgebiet angeordnet. Die Spitze 52a leitet die Magnetfeldlinien (nicht dargestellt) zum SQUID 57, der hier eine Bohrung 57a auf- weist. Die Magnetfeldlinien werden über die Bodenplatte 53a und zwei die Magnetfeldlinien rückführenden Teile 5 x und 54 ' % des schleifenförmigen Magnetfeldleiters über die Lochblende 55 zur Probe P zurückgeleitet. In diesem Fall sind die die Magnetfeldlinien der Probe rückführenden Teile 54 und 54 Λ des schleifenförmigen Magnetfeldleiters als zwei Teile einer Wand zu verstehen, die die Bodenplatte 53a mit der Lochblende 55 verbinden. Es ist aber genau so gut denkbar, die die Magnetfeldlinien der Probe rückführenden Teile 54 ' und 54 λλ des schleifenförmigen Magnetfeldleiters durchgehend, also in etwa wie eine geschlossene Dose, auszubilden. Diese Art der Rückführung schirmt den SQUID gegen Störfelder noch besser ab.
Fig. 6 zeigt Beispiele von Messungen der z-Komponente des magnetischen Feldes über einer 2-dimensionalen
Stromverteilung Fig. 6a bzw. der Feldverteilung über einer Floppy-Disk Fig. 6b, welche die Ortsauflösung des SQUID-Mikroskops mit Magnetfeldleiter und Blende demonstrieren. In (a) ist die Magnetfeldverteilung Bz (x, y) in konstantem Abstand über einer stromtragenden mä- anderförmigen Leiterbahn dargestellt. Oben rechts ist der Mäanderverlauf mit einer Leiterbahnbreite von 10 μm und einem Abstand zwischen den Leiterbahnen von 10 μm schematisch gezeigt. Die Felder der einzelnen Leiter- bahnen lassen sich getrennt auflösen. In Fig. 6b ist die gemessene Magnetfeldverteilung Bz (x, y) in konstantem Abstand über drei Spuren der Floppy-Disk gezeigt. Die Magnetfeldcharakteristika individueller Bitmuster sind aufgelöst. Der gezeigte x- , y-Scanbereich in Fig. 6b beträgt ca. 0,8 x 1,2 mm. Beide Messobjekte befanden sich bei Raumtemperatur außerhalb eines den SQUID küh- lenden Kryostaten. Der Abstand Probe zu Spitze betrug ca. 5 μm.
Es wird deutlich, daß eine hohe Ortsauflδsung auch für Proben mit räumlich schwach abfallenden Magnetfeldstär- ken oberhalb der Probe, wie z. B. bei stromdurchflosse- nen Leiterbahnen, erreicht wird.
Neben den bereits erwähnten Vorteilen gestatten die vorteilhaft zu verwendenden amorphen weichmagnetischen Materialien für den schleifenförmigen Magnetfeldleiter eine einfache Formgebung ohne Verlust an Permeabilität.
Die Materialien sind bis in den μm-Bereich durch Ätztechnik, Photolithographie, Laserschneiden sowie auch durch Aufdampftechnik erstell- und strukturierbar.
Amorphe Materialien zeigen weiterhin weniger Rauschen und bei hochfrequenten Magnetfeldern geringe Wirbel - ströme und ermöglichen damit höhere Frequenzbandbreite des Messsignals.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetflußsensor (1, 21, 51) umfassend einen Magnetfeldleiter mit einer Spitze (2a, 22a, 32a, 52a) , die sich zu einem Stab oder zu einer Folie (2b, 22b, 32b, 52b) aufweitet und einem SQUID (7, 27,
57) zur Messung des magnetischen Flusses, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetflußsensor eine Lochblende (5, 25, 35, 55) mit einem Loch (6, 26, 36, 56) aufweist.
2. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (2a, 22a, 32a, 52a) im Raumgebiet (38) des Lochs (6, 26, 36, 56) angeordnet ist.
3. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (2a, 22a, 32a, 52a) im Zentrum des Lochs (6, 26, 36, 56) angeordnet ist.
4. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldleiter und / oder die Lochblende (5, 25, 35, 55) aus hochpermeablem Material mit einer Permeabilität > 1000 besteht.
5. Magnetflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch amorphes, weichmagnetisches Material für den Magnetfeldleiter .
6. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spalt im Magnetfeldleiter am SQUID (27) .
7. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen weiteren Spalt im sich aufweitenden Teil des Magnetfeldleiters (2b, 23b, 33b, 53b) zwischen Loch (6, 26, 56) und SQUID (7, 27, 57) .
8. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ortsau lösung von kleiner als 20 Mikrometer.
9. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldleiter einen schleifenförmigen Teil
(3a, 23a, 53a) und mindestens einen die Magnetfeldlinien der Probe rückführenden Teil (4, 24; 54 x , 54λ Λ) aufweist, der mit der Lochblende (5, 25, 35, 55) verbunden ist.
10. Magnetflußsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die Magnetfeldlinien der Probe rückführende Teil des schleifenförmigen Magnetfeldleiters eine geschlossene Dose darstellt.
11. Magnetflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet durch mindestens einen Spalt im rückführenden Teil (4, 24, 54', 54 λ) des schleifenförmigen Magnetfeldleiters .
12. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der SQUID (7, 57) eine Bohrung (7a, 57a) durch eine
Flußantenne aufweist.
13. Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zu einem Stab oder zu einer Folie (53b) aufgeweitete Teil des Magnetfeldleiters in eine Bodenplatte (53a) als schleifenförmigen Teil mündet.
14. SQUID-Mikroskop umfassend Magnetflußsensor (1, 21, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP04708709A 2003-03-05 2004-02-06 Magnetflusssensor mit magnetfeldleiter und lochblende Withdrawn EP1599739A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10309810A DE10309810A1 (de) 2003-03-05 2003-03-05 Magnetflußsensor mit Magnetfeldleiter und Lochblende
DE10309810 2003-03-05
PCT/DE2004/000199 WO2004079384A1 (de) 2003-03-05 2004-02-06 Magnetflusssensor mit magnetfeldleiter und lochblende

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1599739A1 true EP1599739A1 (de) 2005-11-30

Family

ID=32864205

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04708709A Withdrawn EP1599739A1 (de) 2003-03-05 2004-02-06 Magnetflusssensor mit magnetfeldleiter und lochblende

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7221156B2 (de)
EP (1) EP1599739A1 (de)
DE (1) DE10309810A1 (de)
WO (1) WO2004079384A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7262597B2 (en) * 2003-09-15 2007-08-28 Neocera, Llc Hybrid squid microscope with magnetic flux-guide for high resolution magnetic and current imaging by direct magnetic field sensing
GB2427475B (en) * 2005-06-20 2008-07-09 Radiodetection Ltd A detector for detecting a buried current carrying conductor
GB2427473B (en) * 2005-06-20 2008-07-23 Radiodetection Ltd A method of and apparatus for detecting a current carrying conductor
US10613163B1 (en) * 2016-02-09 2020-04-07 Triad National Security, Llc Micro-imaging with an atomic magnetometer and flux guide

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19519480C2 (de) * 1995-05-27 2000-02-03 Forschungszentrum Juelich Gmbh Magnetflußsensor mit hoher Ortsauflösung
US6211673B1 (en) * 1997-06-03 2001-04-03 International Business Machines Corporation Apparatus for use in magnetic-field detection and generation devices
EP0916961B1 (de) * 1997-11-07 2007-01-17 Sumitomo Electric Industries, Limited Magnetfeldsensor
DE19915226C2 (de) * 1999-04-03 2003-06-12 Forschungszentrum Juelich Gmbh Magnetflußsensor mit schleifenförmigen Magnetfeldleiter sowie dessen Herstellung und Verwendung

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2004079384A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
US7221156B2 (en) 2007-05-22
US20060244444A1 (en) 2006-11-02
WO2004079384A1 (de) 2004-09-16
DE10309810A1 (de) 2004-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0111827B2 (de) Vorrichtung zur mehrkanaligen Messung schwacher, sich ändernder Magnetfelder und Verfahren zu ihrer Herstellung
EP0742906B1 (de) Verwendung einer miniaturisierten spulenanordnung hergestellt in planartechnologie zur detektion von ferromagnetischen stoffen
DE3878281T2 (de) Sensor mit einem magneto-elektrischen messwandler.
EP0130490B1 (de) Supraleitendes Gradiometerspulensystem für eine Vorrichtung zur mehrkanaligen Messung schwacher, sich ändernder Magnetfelder
DE4317285C2 (de) Kapazitive Meßsonde für die berührungslose Abstastung von Werkstückoberflächen
DE60312565T2 (de) Vorrichtung zur erfassung eines rf-feldes
EP0503108B1 (de) SQUID-Messeinrichtung mit Abschirmmitteln
EP0279291B1 (de) Vorrichtung zur Messung extrem niederfrequenter Magnetfelder mittels eines SQUID-Magnetometers
DE102006007770A1 (de) Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Magnetfeldgröße
DE69306101T2 (de) Verfahren zum messen von position und winkel
DE4419061A1 (de) Anordnung zur Messung und Regelung des Grundfeldes eines Magneten eines Kernspintomographiegerätes
DE69120043T2 (de) Aufnehmerspule für Magnetfeldmessung
EP1599739A1 (de) Magnetflusssensor mit magnetfeldleiter und lochblende
DE69129347T2 (de) Magnetoresistiver Sensor
DE19519480C2 (de) Magnetflußsensor mit hoher Ortsauflösung
EP0595117A1 (de) Vorrichtung zum ortsaufgelösten, zerstörungsfreien Untersuchen von magnetischen Kenngrössen
DE4125087C2 (de) Meßeinrichtung mit einer feldsensitiven Gradiometer-Schleifenanordnung und darin integriertem Gleichstrom-SQUID
DE2606504C3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen, kontaktlosen Prüfung eines langgestreckten, wenigstens teilweise aus Supraleitermaterial bestehenden Leiters
DE3818887A1 (de) Entfernungsmesssystem mit einem sehr empfindlichen magnetfeld-messgeraet auf supraleitungsbasis
DE69531266T2 (de) Magnetsensor
WO1999001779A2 (de) Magnetflusssensor mit ringförmiger sonde
DE19915226C2 (de) Magnetflußsensor mit schleifenförmigen Magnetfeldleiter sowie dessen Herstellung und Verwendung
DE10158096B4 (de) Bauteil für ein SQUID-Mikroskop für Raumtemperaturproben sowie zugehörige Verwendung
EP0441281A2 (de) Schaltungsanordnung mit Supraleitenden Quanten Interferenz Detektoren (SQUID)
DE4216907A1 (de) Messeinrichtung mit einem squid und einem supraleitenden transformatorkreis

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20050806

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: GLAAS, WALTER

Inventor name: SPEEN, ROLF

Inventor name: JUNGBLUTH, BERND

Inventor name: SOLTNER, HELMUT

Inventor name: HALLING, HORST

Inventor name: URBAN, KNUT

Inventor name: POPPE, ULRICH

Inventor name: ZIMMERMANN, EGON

Inventor name: FALEY, MIKHAIL

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20080910