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Dokumentenidentifikation DE19915226A1 26.10.2000
Titel Magnetflußsensor mit schleifenförmigem Magnetfeldleiter sowie dessen Herstellung
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Zimmermann, Egon, 52459 Inden, DE;
Poppe, Ulrich, Dr., 52349 Düren, DE;
Faley, Mikhail, Dr., 52428 Jülich, DE;
Halling, Horst, Prof., 52459 Inden, DE
DE-Anmeldedatum 03.04.1999
DE-Aktenzeichen 19915226
Offenlegungstag 26.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2000
IPC-Hauptklasse G01R 33/035
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Magnetflußsensor mit einem schleifenförmigen Magnetfeldleiter und einem insbesondere als DC-SQUID 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.

Beschreibung[de]

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 A1 ist ein Magnetfeldsensor 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 27 772 A1 ist ein Magnetflußsensor 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 Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Magnetflußsensors zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch einen Magnetflußsensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.

Anspruch 1

Der anspruchsgemäße Magnetflußsensor weist einen schleifenförmigen 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 schleifenförmig 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 schleifenförmig im Sinne der Erfindung. Des weiteren ist die schleifenartige Form nicht nur auf den 2-dimensionalen Raum beschränkt, sondern sie kann auch ein 3-dimensionales Gebilde sein. Die Schleifenform des anspruchsgemäßen Magnetfeldleiters stimmt mit dem Verlauf von geschlossenen Magnetfeldlinien gut überein. 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 auftretenden 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 A1 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 insbesondere 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 höheren 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. Ätztechnik, 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 anspruchsgemäßen Magnetfeldleiter ermöglicht des weiteren sowohl eine planare (2-dimensionale) als auch eine 3-dimensionale Bauweise. Beispielsweise können sehr einfach 2-dimensionale 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 Überlappung der Folien oder der dünnen Filme ist zudem eine besonders gute magnetische Kopplung möglich.

Die anspruchsgemäße Folie, bzw. der dünne Film ist beispielsweise breiter als 0.1 mm und weist ein Verhältnis von Breite zu Dicke von zum Beispiel größer als 5 auf.

Anspruch 2

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verbleibt nur ein Spalt von weniger als 500 µm, insbesondere 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 besonders 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 zusätzliche 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 Detektor 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 hochpermeablem 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 Abschirmung 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-Magnetometer 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 Magnetfelder 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 Anordnung 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 geschnitten, 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 Ausführungsformen des Magnetflußsensors in den Fig. 1 bis 5 näher dargestellt.

Fig. 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.

Fig. 2 zeigt mögliche räumliche Strukturen eines anspruchsgemäßen Magnetfeldleiters schematisch jeweils in Vorder- und Seitenansicht. Die in Fig. 2.1 dargestellte planare Variante eines Magnetfeldleiters läßt sich besonders einfach aus einer Folie herausarbeiten, während bei der 3-dimensionalen Variante in Fig. 2.2 die Folie oder der dünne Film z. B. verformt werden.

Fünf Möglichkeiten zur Verbesserung der Ortsauflösung sind in der Fig. 3 wiedergegeben. Dabei ist im Vergleich zur Variante 3.1 bei den Ausführungen 3.2-3.5 zumindest ein Ende des Magnetfeldleiters e als Spitze e' ausgebildet. Auch hier ist eine mögliche Lage des SQUIDs jeweils durch einen Ring d angedeutet.

Fig. 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 herumführt, angedeutet wird. Die Richtungskomponenten des zu detektierenden Magnetfeldes sind durch ein x-z-Achsenkreuz angedeutet.

Dabei zeigt die Fig. 4 einen anspruchsgemäßen Magnetfeldleiter in 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 Ausführung in 4.3 zu einer Verbesserung des Störabstandes führt. Der Störabstand gibt an, in welchem Maße Störfelder 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 Magnetometeranordnungen (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 Fig. 4 sind nur die planaren Varianten gezeigt. Entsprechende Formen sind auch für die 3D-Anordnungen möglich.

Die Fig. 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.


Anspruch[de]
  1. 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. 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.
  3. 3. Magnetflußsensor nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldleiter mindestens einen weiteren Spalt aufweist.
  4. 4. Magnetflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Magnetfeldleiter zur Abschirmung vor äußeren magnetischen Störfeldern vorhanden ist.
  5. 5. Magnetflußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein DC-SQUID-Magnetometer oder ein DC-SQUID-Gradiometer ist.
  6. 6. Verwendung des Magnetflußsensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Magnetfeld-Mikroskop.
  7. 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. 8. Verfahren zur Herstellung eines Magnetflußsensors nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei der Magnetfeldleiter
    1. - aus einer Folie oder aus einem dünnen Film herausgearbeitet wird, oder
    2. - aus einer Folie oder einem dünnen Film durch Verformung hergestellt wird.






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