DE3247543A1 - Vorrichtung zur mehrkanaligen messung schwacher, sich aendernder magnetfelder und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Vorrichtung zur mehrkanaligen messung schwacher, sich aendernder magnetfelder und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT . Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 3 6 9 DE
Vorrichtung zur mehrkanaligen Messung schwacher, sich
ändernder Magnetfelder und Verfahren zu ihrer Herstellung
I-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur mehrkanaligen Messung schwacher, sich ändernder
—10 Magnetfelder in einem Feldstärkebereich unter 10 T,
-12
insbesondere unter 10 T, welche in jedem Kanal ein supraleitendes Quanten-Interferenz- Element (SQUID), ein durch supraleitende Spulen gebildetes Gradiometer sowie supraleitende .Verknüpfungsglieder zwischen dem Quanten-Interferenz- Element und dem Gradiometer mit einem Koppeltransformator und Verbindungsleiter enthält, und welche ferner elektronische Einrichtungen zur Auswertung, Verarbeitung und Darstellung der an den Quanten-Interferenz-Elementen gewonnenen Informationen umfaßt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieser Meßvorrichtung.
insbesondere unter 10 T, welche in jedem Kanal ein supraleitendes Quanten-Interferenz- Element (SQUID), ein durch supraleitende Spulen gebildetes Gradiometer sowie supraleitende .Verknüpfungsglieder zwischen dem Quanten-Interferenz- Element und dem Gradiometer mit einem Koppeltransformator und Verbindungsleiter enthält, und welche ferner elektronische Einrichtungen zur Auswertung, Verarbeitung und Darstellung der an den Quanten-Interferenz-Elementen gewonnenen Informationen umfaßt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieser Meßvorrichtung.
• Die Verwendung von supraleitenden Quanten-Interferenz-Elementen,
die allgemein als '1SQUIDs" . (Abkürzung von
"Superconducting Quantum Interference Devices") bezeichnet werden, zur Messung sehr, schwacher magnetischer
Felder· ist allgemein bekannt ("J.Phy.EtSci.
Instrum.", Vol. 13, 1980, Seiten 801 bis-.813;·
"IEEE Transactions on Electron Devices", Vol. ED-27,' No.10, Oktober 1980, Seiten 1896 bis 1908). Als ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet für diese Elemente wir.d deshalb auch die medizinische Technik, insbesondere
die Magnetokardiographie und Magnetoenzephalographie angesehen, wobei magnetische Herz- und Gehirnwellen
mit Feldstärken in der Größenordnung von 50 pT bzw. 0,1 pT auftreten ("Biomagnetism - Proceedings Third
SIm 2 Hag / 22.11.1982 ·
VPA 82 P 33 6 9 DE
International Workshop on Biomagnetism, Berlin 1980",
Berlin/New York 1981, Seiten 3 bis 31).
Eine Vorrichtung zur Messung derartiger biomagnetischer
Felder enthält im wesentlichen folgende Komponenten:
1. Ein SQUID, den eigentlichen Feld-Sensor, :
2. einen Flußtransformator,eine Spulenanordnung zur
. Einkopplung des zu untersuchenden Feldes,
3. elektronische Geräte zur Signalerfassung und -verarbeitung,
4. Abschirmungen für das magnetische Erdfeld und externe Störfelder und
5. ein Kryosystem für den Tieftemperaturbereich der Supraleitung. Entsprechende Vorrichtungen sind
bekannt (Firma S.H.E. Corporation, San Diego, USA/S.H.E. GmbH, D-5100 Aachen).
Bei entsprechenden einkanalig ausgebildeten Vorric.htungen
wird das zu untersuchende Magnetfeld über eine Spulenanordnung aus supraleitendem Draht in den von
einem Radiofrequenz (RF)-SQlJID gebildeten Kreis mit einem Josephson-K'ontakt induktiv eingekoppelt. Dabei
sind durch Kombination einer Sensorspule mit einer oder mehreren Kompensationsspulen Gradiometer erster
bzw. höherer Ordnung ausgebildet. Mit solchen Gradiometern können bei entsprechendem manuellen Abgleich
die drei Komponenten eines im Spulenbereich homogenen Magnetfeldes bzw. auch dessen Anteil mit homogenem
Gradienten weitgehend unterdrückt und das im Gradiometerbereich noch stark inhomogene biomagnetische
Nahfeld selektiv erfaßt werden.Das RF-SQUID ist außerdem mit einem Resonanzschwingkreis induktiv
- . '.-■ ■■'■.·. ·
VPA 82 P 3 3 6 9 DE
gekoppelt, dessen hochfrequente Spannung in Phase.oder
Amplitude durch das Eingangssignal moduliert wird. Im allgemeinen wird durch negative Rückkopplung über eine
zusätzliche Kompensationsspule der Arbeitspunkt des RF-SQUID festgehalten und der Kompensationsstrom,
als'elektronisch auszuwertendes Signal verwendet.
Die in diesen Anlagen eingesetzten RF-SQUIDs weisen ein.charakteristisches Rausch-Signal auf (vgl.z.B.
"SQUID-Supercönducting Quantum Inter- fe'renz Devices
' and their Applications", Berlin/ New York 1977, Seiten
395 bis 431). Zur Ermittlung der genannten, extrem schwachen Magnetfelder muß deshalb an den. einzelnen'
Meßpunkten eine Signalmittelwertbildung durch eine Vielzahl von Einzelmessungen vorgenommen werden. Um
eine räumliche Feldverteilung zu erhalten, muß außerdem zeitlich nacheinander an verschiedenen Orten
des 'zu untersuchenden Bereiches gemessen werden. Bei diesen Meßverfahren besteht dann die Schwierigkeit,
daß über die hierfür erforderliche Meßzeit die · Kohärenz der Felddaten nicht mehr gegeben ist und sich
außerdem klinisch unzumutbare Meßzeiten ergeben..-
Es ist deshalb vorgeschlagen worden, statt der be- .
kannten einkanaligen Messung eine mehrkanalige vorzunehmen, wobei jeder Kanal neben einem RF-SQUID ein ·
abstimmbares supraleitendes Gradiometer und Verknüpfungsglieder
zwischen dem SQUID und dem Gradiometer mit einem Koppeltransformator und Verbindungsleitern
aufweist. Bei einer entsprechenden Vorrichtung ergibt sich jedoch ein erheblicher, zeitraubender
Aufwand hinsichtlich der Abstimmung der einzelnen Kanäle aufeinander. Gemäß der bekannten Vorrichtung
sind nämlich das Gradiometer einerseits und das SQUID
BAD ORIGINAL
■ ■ VPA 82 P 3 3 6 9 DE
mit seinem Koppeltransformator andererseits jeweils auf einer eigenen Trägerstruktur angeordnet und werden
über losbare Verbindungsleiter aneinander angeschlossen. Mit einer derartigen Verbindungstechnik läßt sich
jedoch eine konstante Abstimmung des jeweiligen Flußtransformators nicht von vornherein gewährleisten.
Vielmehr ist vor jeder Messung ein Abgleich aller Kanäle erforderlich, die sich auch untereinander
beeinflussen. Außerdem ist bei einer solchen Anordnung ·
eine gegenseitige Störung der RF-Kreise unvermeidlich.
.Wenn man auf die Grädiometer verzichtete, kann zwar
eine RF-Abschirmung erreicht werden (vgl. z.B. "Physica", Band 107B, 1981, Seiten. 29 und- 30). Aber
selbst wenn sich eine RF-Entkopplung auf anderem Wege lösen
ließe, bleibt das erwähnte Abstimmproblem.
Eine Meßvorrichtung mit drei RF-SQUIDs und nur einem Resonanzkreis auf einer gemeinsamen Trägerstuktur ist
zwar bereits aus der Veröffentlichung "Cryogenics", Dezember 1981,.Seiten 707 bis 710 bekannt. Jedoch ist
es bei dieser Vorrichtung ein technisches Problem, daß alle Signalkanäle in einem Hochfrequenzkanal mit
gegenseitiger Störmöglichkeit zusammengefaßt werden und daß die einzelnen SQUID-Eleme.nte hinsichtlich ■
ihres kritischen Stromes aufeinander abgestimmt sein müssen. Die Zahl der in der Praxis, maximal beherrschbaren
Elemente wird deshalb bei-etwa 10 angesehen.
Neben den genannten RF-SQUIDs mit jeweils einem Josephson-Kontakt sind auch Gleichstrom (DC)-SQUIDs
bekannt, welche zwei Josephson-Kontakte umfassen. Diese DC-SQUIDs lassen sich so gestalten, daß sie
Ίο"
VPA 82 P 33 6 9 DE
ein äußerst kleines Rausch-Signal aufweisen ("IEEE Transactions on Magnetics", Vol.MAG-17, Na. 1,
Januar 1981, Seiten 395 bis 399). An einen Einsatz
eines modular aufgebauten Systems mit 5 SQUIDs dieses Typs zur Messung biomagnetischer Felder ist gedacht.
Zwar ist bei dieser Vorrichtung eine, gegenseitige RF-Störung
nicht zu befürchten, jedoch ist auch hier das erwähnte Abstimmproblem gegeben.. _" _ .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Verwendung
von DC-SQUIDs die vorgeschlagene, eingangs genannte Vorrichtung zur mehrkanaligen Messung
schwacher, sich ändernder Magnetfelder dahingehend zu verbessern, daß mit ihr die räumliche Feldverteilung
von biomagnetischen Feldern während zumutbarer Meßzeiten ermittelt werden kann, wobei eine weitgehende
Kohärenz der Felddaten gewährleistet ist. _
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine gemeinsame starre Trägerstruktur für DC-SQUIDs
und die ihnen zugeordneten, planar gestalteten, Gradiometer-Spulen sowie die supraleitenden Verknüpfungsgliedern
vorgesehen, ist, wobei die Gradiq- ■ meter-Spulen und die Verknüpfungsglieder als.Dünnfilm—
strukturen in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sind.
Bei dieser Ausgestaltung der Meßvorrichtung ist somit eine parallele, d.h. gleichzeitige Registrierung der
Feldwerte von verschiedenen Orten aus mit Hilfe einer Reihe von supraleitenden Gradiometer-Spulen ermöglicht,
die mit einer entsprechenden Reihe von DC*- SQUIDs zu einem starren System verknüpft sind. Hiermit
läßt sich vorteilhaft die.Meßzeit entsprechend der Anzahl der Kanäle reduzieren. Außerdem ist bei dem erfindungsgemäßen
Aufbau unter Verwendung von Dünnfilmstrukturen nur ein einmaliger Abgleich erforderlich.
. ' ' 3-247
-&- . VPA 82 P 3 3 6 9 DE
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Meßvorrichtung nach
der Erfindung bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Meßvorrichtung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur
1 ein Schaltungsschema einer Meßvorrichtung nach der Erfindung angedeutet ist. Die Figur 2 zeigt schematisch
eine Trägerstruktur dieser Vorrichtung mit SQUIDs und
Gradiometern, während in den Figuren 3 und 4 ein Träger
für einen entsprechenden SQÜID-Chip. veranschaulicht
ist. In Figur 5 ist ein weiterer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, von der in den
Figuren 6 und 7 jeweils als Detail eine Verbindung ihrer Leiterbahnen gezeigt ist.
Gemäß dem in Figur 1 angedeuteten Schaltungsschema der Meßvorrichtung nach der Erfindung ist eine vorbestimmte
Anzahl N paralleler Meßkanäle vorgesehen. Jeder Kanal enthält dabei ein supraleitendes Gradiometer
2 und ein mit zwei Josephson-Kontakten 3 ausgestattetes DC-SQUID 4, ein supraleitendes Verknüpfungsglied
5 zur Verbindung des Gradiometers mit dem SQUID 4, ferner einen beispielsweise ebenfalls
gekühlten Vorverstärker 6 sowie einen sogenannten. "Lock-in"- Verstärker 7.
Die aus den Lock-in-Verstärkern 7 entnommenen N Rohsignale
werden dann einem gemeinsamen elektronischen Datenverarbeitungs- und Steuerungssystem 8a zur Weiterverarbeitung und einer Ausgabeeinheit 8b zur
" 41 ' -X- VPA 82 P 33 6 9 DE
stellung zugeführt. Eine Rückkopplung in den Kanälen an die jeweiligen SQUIDs mit den den Look-in-Verstärkern
7 entnommenen Signalen ist durch gepunktete ' " Linien 9 angedeutet. Die Signalübertragüngsrichtungen
sind in der Figur durch Pfeile an den den entsprechenden
Linien, veranschaulicht.. .·.'_" ·
Wie in der Figur ferner durch gestrichelte Linien ;. .
dargestellt ist, sollen gemäß der Erfindung die Gradiometer 2, die SQUIDs 4 sowie die zwischen ihnen
erforderlichen Verbindungsglieder 5 auf einer gemeinsamen, starren Tragerstruktur angeordnet sein. Diese
Trägerstruktur ist in der Figur durch eine mit 10a bezeichnete, gestrichelte Linie angedeutet. In entsprechender
Weise ist ferner veranschaulicht, daß sich die SQUIDs 4 mit ihren zugeordneten Dünnfilmtransformatoren
auf einem Trägerplättchen (Chip) 10b befinden, das fest auf der Trägerstruktur 10a angeordnet
ist. ... '.·"../
Bekanntlich ergeben sich für eine vorbestimmte Ent- ■ ■
fernung zwischen einer Gradiometer-Spule 2 und einer
von ihr zu detektierenden Ftagnetfeldquelle z.B. im Herzen bestimmte optimale Abmessungen der Grädio- ·■ ■
meter-Spulen hinsichtlich der Empfindlichkeit ("Journal of Magnetism and Magnetic Materials", Band
22, 1982, Nr. 2, Seiten 129 bis 201). Für verschieden weit entfernte Feldquellen ist aber eine Änderung der. ;
Abmessungen der einzelnen Gradiometer-Spuleiv praktisch nicht möglich. Um. dennoch eine. Anpassung an den Ab- '
stand zu der jeweils- zu detektierenden Feldquelle vornehmen zu können, lassen sich bei der Meßvorrichtung
nach der Erfindung vorteilhaft die an den einzelnen Gradiometer-Spulen 2 erzeugten Signale in vorbestimmter
Weise zusammenfassen. Dementsprechend kann
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beispielsweise bei dem in Figur 1 angedeuteten Ausführungsbeispiel
eine Zusammenfassung der Signale von jeweils zwei oder.drei der Gradiometer-Spulen 2 vorgenommen
werden. Die Signalzusammenfajssung erfolgt dabei
vorzugsweise im Bereich der für alle Spulen gemein- ■>
samen Elektronik 8a durch entsprechende Verknüpfungsschaltungen.
Außerdem werden vorteilhaft die Abmessungen jeder Gradiometer-Spule, bei runder Geste
It deren Durchmesser/ dem Abstand zu der nächstliegenden, zu
detektierenden Magnetfeldquelle hinsichtlich optimaler
Ortsauflösung angepaßt. So wählt man z.B. für magnetoenzophalographische
Untersuchungen im allgemeinen einen Durchmesser von etwa 2 cm, der für Messungen von
Quellen in der Hirnrinde optimal ist. Um auch eine Anpassung an tieferliegende Magnetfeldquellen zu ermöglichen,
werden dann durch die erwähnte Zusammenfassung der Signale einzelner Gradiometer-Spulen
Spulenverhältnisse eingestellt, die weitgehend effektiven Spulenabmessungen entsprechen, die für
diese größeren Entfernungen zwischen Magnetfeldquelle und Spule optimal sind.
Einzelheiten der Gradiometer- und SQUID-Anordnung auf
entsprechenden Trägerstrukturen' sind in den weiteren Figuren schematisch· dargestellt. . ■
Die einfachste Anordnung von Feldsensoren ist eine Reihe von Gradiometern nullter Ordnung, d.h. eine
ebene Anordnung nebeneinanderliegender flacher Zylinderspulen aus supraleitendem Draht. Für Messungen mit
einer solchen Reihe ohne zusätzliche Kompensation von Fremdfeldern ist zwar eine verhältnismäßig aufwendige
32475 A3
-2- VPA 82 P 33 6 9 DE
Abschirmung erforderlich, jedoch läßt sich eine derartige Gradiometer-Reihe verhältnismäßig einfach her-.
stellen.
Geringere Anforderungen hinsichtlich der Abschirmung
stellen Gradiometer erster Ordnung, wobei zwei Ausführungsformen in den Figuren 2 und 5 angedeutet sind.
Während die in Figur 2 angedeutete Gradiometer-Reihe planar gestaltet ist, handelt es sich bei der in Figur
5 gezeigten Gradiometer-Reihe um eine Anordnung in zwei Ebenen. - .
Gemäß Figur.2 ist auf einer ebenen Trägerstruktur 11,
beispielsweise einer Quarz- oder Siliziumplatte von etwa 10 mm Dicke, 12 cm Breite b'und 30 cm Länge 1
eine planare Gradiometer-Reihe, auch Grädiometer-Feld
(Array) genannt, aufgebracht. Diese mit 12 bezeichnete
Gradiometer-Reihe wird durch eine Reihe 13 von
Detektionsspulen 14, durch eine Reihe 15 m^ einer
entsprechenden Anzahl von Kompensationsspulen 16 sowie
durch entsprechende Verbindungsleitungen 17 gebildet. In der Figur sind nur einige der Flachspulen Und ·
Verbindungsleitungen ausgeführt. Jede der Reihen 1j5_
und 15. besteht beispielsweise aus 4 mal 5 einzelnen supraleitenden Flachspulen mit jeweils einer Windung,
deren Durchmesser D etwa in der Größenordnung des ' Abstandes von.dem zu untersuchenden Objekt liegt und
somit beispielsweise einige Zentimeter betragt. Da, wie in der Figur durch ein "+"- und "-"- Zeichen
angedeutet, der Wickelsinn der Detektionsspulen 1-4 entgegengesetzt zu dem Wickelsinn der Kompensationsspulen 16 ist, muß zwischen den Flachspulenreihen 13
■ und 15. in den zwischen ihnen liegenden Verbindungsleitungen 17 jeweils ein Überkreuzungspunkt 18 ausge-
bildet sein. .
VPA 82 P 3 3 6 9 DE
Neben der in Figur 2 gezeigten Anordnung der Detektionsspulen
14 bzgl. der Kompensationsspulen 16 läßt sich auch eine andere Lage der einzelnen Spulen vorsehen.
So können beispielsweise bei einer äußeren Kompensation die Detektionsspulen von einem Kranz aus den
einzelnen Kompensationsspulen umschlossen sein.
Das Kompensations-Flachspulenfeld 15 kann vorteilhaft
auch durch ein kleineres Feld von Spulen mit entsprechend erhöhter Windungszahl ersetzt werden. Dies läßt
sich beispielsweise durch ein Lithographie-Verfahren mit Hilfe einer isolierenden Zwischenschicht
realisieren.
Auf der Trägerstruktur 11 befindet sich ferner ein Plättchen (Chip) 19 mit einer der Gradiometer-Anzahl
entsprechenden Anzahl von DC-SQUIDs einschließlich supraleitender Koppeltransformatoren und Modulationsspulen mit Anschlüssen. Im allgemeinen wählt man
als Chip.-Kateriai Silizium. Die Koppeltransformatoren können in bekannter Weise als Flachspulen ausgebildet
sein (vgl. "IEEE Trans. Magn. ··, Vol. MAG-17, No. 1,
Januar 1981, Seiten 400 bis 403). An Anschlußpunkten
20 sind an diese Koppeltransformatoren die jeweiligen Verbindungsleitungen 17 zur Zuführung der in den
Gradiometer-Spulen registrierten Feldsignale supraleitend angeschlossen.
Die an den einzelnen SQUIDs abgenommenen Signale werden dann über normalleitende Eingangs-/Ausgangsleitungen
21, die an entsprechenden Anschlußpunkten mit dem DC-SQUID-Chip' 19 verbunden sind, einem Vielfach-Kontaktstreifen
23 zugeführt, an dem dann die Verstärker der jeweiligen Kanäle angeschlossen sind.
35
-3Λ- VPA 82 P 33 6 9 DE
Bei Wahl verschiedener Trägermaterialien für die Trägerplatte
11 und das Chip 19 kann im Fall einer Lotverbindungstechnik
an den Anschlüssen-20 vorteilhaft ein besonderer Chip-Träger verwendet werden, um unterschiedliche
thermische Ausdehnungen zu vermindern oder zu vermeiden. Bei Verwendung eines solchen Chip-Trägers
ist außerdem ein verhältnismäßig einfacher Chip-Austausch ermöglicht. Ein Ausführungsbeispiel für
einen entsprechenden Chip-Träger geht aus der Aufsicht bzw. dem Längsschnitt der Figuren 3 und h hervor-. Der
mit 25 bezeichnete Chip-Träger besteht vorteilhaft aus dem gleichen Material wie das auf ihm angeordnete,'.die
SQUIDs und deren Dünnfilm-Transformatoren tragende Chip 26, d.h. z.B. aus Si, während die die Grädiometer
tragende Platte 27 z.B. aus Quarz besteht» Zum Abbau thermischer Spannungen an den Anschlüssen zwischen den
auf dem Chip-Träger verlaufenden. Leiterbahnen 28 und .
den zu den Gradiometerspulen führenden Leiterbahnen 29 auf der Trägerplatte 27 ist der Chip-Träger 25 zwi- ·
sehen den Anschlüssen tief eingesägt. Es entsteht so
an der Anschlußseite eine kammartige Struktur mit zwischen Einschnitten 30 ausgebildeten Stegen.31, auf
deren freien Enden die Leiterbahnen 28 und 29 durch Verlötungen 32 miteinander verbunden sind. ' -· ■
Wie insbesondere aus .dem Längsschnitt der Figur 4'er- ·
sichtlich, ist das Chip 26 auf"der Unterseite des
Chip-Trägers 25 durch. Verlötun.gen 33 der Leiterbahnenbefestigt.
In der Quarz-Trägerplatte 27 ist deshalb
eine entsprechende. Vertiefung 34 vorgesehen,. Ferner
kann der Chip-Träger 25 auf seiner den Gradiometerspulen abgewandten Seite über die Trägerplatte 27 ein
Stück weit hinausragen. Es ist so möglich, an dieser . Seite des Trägers 25 einen Stecker 35 zum Anschluß .
der SQUIDs an nachfolgende Verstärker direkt an
-να- VPA 82 P 33 6 9 DE
entsprechenden normalleitenden Leiterbahnen angreifen
zu lassen. ·
Die Herstellung einer Meßvorrichtung nach der Erfindung
mit der gezeigten ebenen Trägerplatte wird j nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert.
Hierzu wird zunächst auf dieser Trägerplatte 11 die planare Gradiometer-Reihe 12 mit den Detektionsspulen
.14 und den Kompensationsspulen 16 in einem an sich bekannten Planarlithographie-Schritt in Form von
supraleitenden Dünnfilm-Spulenfeldern beispielsweise aus Blei realisiert. Bei diesem Verfahrensschritt
können auch die Verbindungsleitungen 17 der einzelnen Spulen untereinander sowie deren Überkreuzungspunkte ■
1.8 als Dünnfilm-Struktur hergestellt werden.
Unabhängig davon wird die DC-SQUID-Reihe beispielsweise
aus Niob nach den in.den DE-Patentanmeldungen P 31 28 982.Ί, P 31 29 000.0, P 32 20 211.3 und
P 32 20 251.2 beschriebenen Verfahren erstellt. In weiteren Schritten werden dann die supraleitenden
Koppeltransformatoren und Modulationsspulen mit Anschlüssen
z.B. aus Blei in einer aus der Herstellung integrierter Schaltungen bekannten Technik auf dem
Silizium-Chip 19 in Form einer mehrlagigen Dünnfilm-Struktur aufgebracht. Das so hergestellte DC-SQUID-Chip
wird anschließend fest auf der mit der Gradiometer-Reihe versehenen Trägerplatte 11 angeordnet,
insbesondere nach einem bekannten Verfahren aufgelötet ("J.Electrochem.Soc: Solid-State Science and Technology",
April 1982, Seiten 859 bis 864.).. Ein Auflöten hat nämlich den.großen Vorteil, daß praktisch keine
dreidimensionalen Leiterschleifen entstehen, die den Abgleich der Gradiometer erschweren.
■..-■■
Schließlich wird noch in einem weiteren Schritt die Gradiometer-Reihe ±2 mit den auf dem Chip 19 .befind-
3.2 Λ 7 5 A
.'. VPA 82 P 33 6 9 DE
lichen DC-SQUIDs verbunden. Hierzu sind beispielsweise
Lötverbindungen auf der Basis supraleitender Blei-Legierungen möglich. ■
Nach diesem Aufbau der Gradiometer-Reihe 1_2 und der an
sie angeschlossenen DC-SQUIDs des Chips 19 auf der Trägerplatte 11 wird ein einmaliger Abgleich der
Gradiometer-Spulen vorgenommen. Hierzu kann insbesondere ein Laserstrahl verwendet werden, mit dem die
Breite der einzelnen Spulenwindungen zu. verringern '
ist.·
Bei Ausbildung der Gradiometer als Dünnfilm-Struktur
in. mehreren Ebenen mit Dünnfilm-Verbindungsleitungen auf einer dann orthogonalen Fläche'wird, ein Abgleich
vorteilhaft auf dieser orthogonalen Fläche vorgenommen. Der Abgleich erfolgt zweckmäßig nach Testmessungen in
homogenen Magnetfeldern und homogenen Gradientenfeldern.
, . " .
' .
Da axial aufgebaute Gradiometer bekanntlich eine bessere Richtcharakteristik aufweisen als planare
Gradiometer, kann vorteilhaft eine Planarstruktur in
mehreren Ebenen vorgesehen werden.. Ein. Ausführungsbeispiel
einer entsprechenden Gradiometerstruktur- . erster Ordnung geht aus der in Figur 5 gezeigten
Schrägansicht schematisch hervor. Dab.ei sind in der
gewah.ten Ansicht durch die f ragerstuktur-abgeschattete
Teile teilweise durch gestrichelte Linien angedeutet/ Die Trägerstruktur 257 setzt sich im wesentlichen auszwei
quaderförmigen, starr aneinanderzufügenden Teilen
38 und 39 zur Aufnahme von Gradiometer*-Spulen 40 und
41 bzw. eines DC-SQUID-Chips 42 zusammen. In der Figur sind nur einige der Gradiometer-Spulen mit ihren
entsprechenden Verbindungsleitungen veranschaulicht.
VPA 82 P 3 3 6 9 DE
Auf der vorderen Flachseite 43 des größeren -Träger-.stukturteils
38, beispielsweise eines Quarz-Prismas, sind die Detektionsspulen 40 angeordnet, welche z.B.
den Spulen 14 nach Figur 2 entsprechen, während die rückwärtige Flachseite 44 dieses Quarz-Prismas die den
Spulen 16"nach Figur 2 entsprechenden Kompensationsspulen 41 trägt. Jede Detektionsspule 40 ist mit ihrer
zugeordneten Kompensationsspule 41 auf der gegenüberliegenden Flachseite über die Kanten des Prismas
verbunden. Hierzu dienen Leiterbahnen 45 und 46 von •wenigen Mikrometern Abstand auf den Flachseiten 43
bzw. 44, die zu den Kanten 47 bzw. 48 der zu den Flachseiten 43 und 44 orthogonalen Flachseite 49 des Quarz-Prismas
38 führen, sowie Leiterbahnen 50, die sich über die orthogonale Flachseite 49 zwischen den Kanten
47 und 48 erstrecken.
Wit dem mit den Gradiömeter-Spulen 40 und 41 versehenen
Quarz-Prisma 38 ist auf dessen rückwärtiger Flachseite 44 das weitere, säulenförmige Trägerstukturteil 39,
beispielsweise ebenfalls ein Quarz-Prisma, starr verbunden. Dieses säulenförmige Prisma hat einen der
Große des DC-SQUID-Chips 42 angepaßten Querschnitt. Dieses Chip wird dabei zum Beispiel auf der der Flachseite
44 abgewandten Seite 51 des säulenförmigen Quarz-Prismas 39 angeordnet. Zur Verbindung der DC-SQUIDs
dieses Chips 42 mit den Gradiometer-Spulen sind zunächst den Leiterbahnen 45 entsprechende Leiterbahnen
52 von den einzelnen Detektionsspulen 40 bis zu der Kante 47 der Flachseite 43 vorgesehen. An dieser Kante
sind die Leiterbahnen 52 mit Leiterbahnen 53 verbunden, die sich über die orthogonale Flachseite 49
bis zu der Kante 48 erstrecken und die den Leiterbahnen 50 entsprechen. Über entsprechende Leiterbahnen
54, welche auf der in derselben Ebene wie die ortho-
W
-Ve- VPA 82 P 33 6 9 DE
-Ve- VPA 82 P 33 6 9 DE
gonale Flachseite 49 liegenden Seitenfläche 55 des säulenförmigen Quarz-Prismas 39 aufgebracht sind, ist
die Verbindung zwischen der Kante 48 und der Kante 45 ·
mit der das Chip 42 tragenden Seite 51 des Prismas 39
geschaffen. ■ ,' . · · · ■ ·
Neben der in der Figur 5 dargestellten Anordnung des
Chips 42 auf. der Seite 51 kann das Chip 42 auch auf
der Seitenfläche 55 befestigt werden. Hierbei lassen
sich vorteilhaft Leiterbahnenverbindungen ander Kante
56 einsparen. . . '
Die Anordnung der!Detektionsspulen 40 und der Kompen-.
sationsspulen 41 in zwei parallelen Ebenen einer Tragerstruktur
wie z.B. gemäß.Fig. 5 führt dazu, daß orthogonale Ebenen vorhanden sind, die vorteilhaft ■
dazu verwendet werden können, daß. man in diesen. Ebenen zusätzliche Detektionsschleifen>
beispielsweise in Dünnfilmtechnik, anbringen kann, mit denen man die drei.Vektorkomponenten des Magnetfelds zum.
Zwecke einer adaptiven Filterung, bestimmen kann (vgl. "Rev^Sci.Instrum.", Vol. 5.3, No* 12, 1982, Seiten 1815
bis 1845, insbesondere Seite 1836).
Um den Aufwand für die Lithographie zur Herstellung
des Gradiometers zu verringern, kann man bei verringerten Ansprüchen an die mechanische Stabilität
auch supraleitende Verbindungen vorsehen, die aus mit Pb-In-überzogenem Cu-Draht gebildet werden, wobei an..·. verstärkten
Kontakten F einlötungen möglich sind.. . ;
Die Verbindung der Leiterbahnen 52 mit den Leiterbahnen 53 an der Kante 47 wird vorteilhaft entsprechend einem
mit der DE-Patentanmeldung P 32 46 661.7 mit dem Titel:. "Verfahren zum Herstellen von um eine Außenkante
führenden elektrischen Leitungen",
-16- VPA 82 P 33 6 9 DE
vorgeschlagenen Verfahren vorgenommen und ist in der
Schrägansicht der Figur 6 für zwei iieiterbahnver- Windungen
angedeutet. Dabei sind mit Figur 5 übereinstimmende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Danach wird in die Kante 47 zwischen den beiden Flachseiten 43 und 49 zunächst senkrecht eine
Nut 58 an jeder vorbestimmten Verbindungsstelle eingearbeitet,
bevor auf die Flachseiten einschließlich auf die Wände der Nuten ein dünner film aus dem Plate·*·
itial der Leiterbahnen aufgebracht wird. Anschließend
werden in·bekannter Lithographietechnik die Leiterbahnen
durch Entfernung der überflüssigen Teile der aufgebrachten Filme ausgebildet. Außerdem wird die
Kante 47 leicht abgeschrägt, um dort schärfere Begrenzungen
zwischen beschichteten und nicht beschichteten Teilen zu erhalten. Zur Verbesserung der Verbindung
zwischen den Leiterbahnen 52 und 53 kann zusätzlich noch zwischen den jeweiligen Übergangsstellen zu
den in den Hüten 58 abgeschiedenen Teilen eine Verlötung am Nutengrund vorgenommen werden. In der Figur
sind dementsprechende Lötstellen mit 59 bezeichnet. Supraleitendes Blei-Indium-Lot kommt hierzu insbesondere
in Frage. " .
In entsprechender Weise können auch die Verbindungen
der Leiterbahnen 50 mit den Leiterbahnen 45 und. 46 sowie die Verbindungen an der Kante 56 erstellt
werden. . ■
In Figur 7 ist schematisch der Übergang der Leiterbahnen von dem die Gradiometerspulen 40 und 41 tragenden Prisma
38 auf das das DC-SQUID-Chip 42 tragende Prisma 39 als
Schnitt durch den entsprechenden Teil des Aufbaus nach Figur 5 schematisch veranschaulicht. Um die Leiterbahnen
32475A3
IS
-η- VPA 82 P 3 3 6 9 DE
53 mit den Leiterbahnen 54 zu verbinden, werden' diese ■
zunächst an den jeweiligen Kanten 48 bzw. 61 entsprechend dem in Figur 6 angedeuteten Verfahren mit Verbindungsstücken
in Nuten 62 bzw. 63 versehen. Anschließend werden die Seiten 49 und 55 der beiden
Prismen 38 und 39 so aneinandergefügt, daß die Leiterteile
in diesen Nuten 62 und 63 aneinanderstoßen. An dieser Stelle wird schließlich noch eine Verlötung 64·
z.B. mit einer Blei-Legierung vorgenommen, nachdem die
TO Filmbeläge in den Nuten galvanisch verstärkt werden. .
Bei den in den Figuren gezeigten'Ausfuhrungsbeispielen
von Meßvorrichtüngen- nach der Erfindung wurde auf eine zeichnerische Darstellung von .Maßnahmen..zur Abschirmung
der DC-SQUIDs gegen magnetische Störfeldeir aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Ent- .
sprechende Maßnahmen sind allgemein bekannt. So kann man zur Abschirmung eines SQUID-Chips beispielsweise
die SQUIDs auf dem Chip einzeln durch geschlossene ' supraleitende Ringstrukturen umgeben. Auch eine Beschichtung
der Chip- Rückseite mit supraleitendem Material ist möglich. Für den Fall der .Verwendung
eines besonderen Chip-Trägers läßt sich auch dieser mit einer entsprechenden Schicht auf seiner Rückseite
versehen. In diesem Fall kann ferner der Chip und sein
Chip-Träger auch mit einer bis, auf eine Öffnung an den
Zuleitungen geschlossenen supraleitenden Hülse-umgeben
werden. . '
Sollen Gradiometer zweiter Ordnung ausgebildet" werden, so können vorteilhaft zwei einzelne abgeglichene
Blöcke entsprechend dem Prisma 38 nach Figur 5 aneinandergefügt und deren Leiter entsprechend dem anhand
der Figuren 6 und 7 beschriebenen Verfahren über die Kanten miteinander verbunden werden.
-vs- VPA 82 P 33 6 9 DE
Für die Ausbildung der Trägerstruktur der Meßvorrichtung
nach der Erfindung bestehen also insbesondere die folgenden 3 Möglichkeiten:
a) Es wird ein geraeinsamer Trägerkörper vorgesehen,
I auf den die Dünnfilm-Magnetometer-Reihen und Dünnfilm-Verbindungsleitungen für ein vollständiges
Gradiometer 1. öder 2. Ordnung einschließlich eines SQUID-Chips auf einem Chip-Träger aufgebracht wer- '
den.
b) Es werden zwei komplette Gradiometer 1. Ordnung gemäß der vorstehend unter a) genannten Möglichkeit
realisiert, die dann zu einer mechanisch festen ■ Struktur zusammengesetzt werden, um so ein Gradiometer 2. Ordnung aus zwei Teilen, auch Moduln genannt,
auszubilden.
c) Zwei starre Dünnfilm-Magnetometer-Reihen und ein SQUID-Chip auf einem Chip-Träger werden zu einem
mechanischen festen Aufbau zusammengefügt und unter einander durch supraleitend abgeschirmte Drahtbündel
supraleitend verbunden.
Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der
Gradiometer-Spulen wurde von einer kreisförmigen Gestalt
der einzelnen Windungen ausgegangen. Gegebenenfalls können die Windungen jedoch zur Optimierung der
Flächenausnutzung bei Minimalisierung der gegenseitigen Kopplung von der Kreisform abweichend gestaltet
werden.
20 Patentansprüche
7 Figuren
7 Figuren
Leerseite -
Claims (20)
- Patentansprüche3247543 VPA 82 P 3 3 6 9 DEVorrichtung zur mehrkanaligen Messung schwacher, sich ändernder Magnetfelder in einem Feldstärkebereich unter 10" T,. insbesondere unter 10" T, welche in jedem Kanal ein supraleitendes Quanten-Interferenz-Element (SQUID), ein durch supraleitende Spulen gebildetes Gradiometer sowie supraleitende Verknüpfungsglieder zwischen dem Quanten-Interferenz-Element und dem Gradiometer mit einem Koppeltransformator und Verbindüngsleitern enthält, und welche ferner elektronische Einrichtungen zur Auswertung, Verarbeitung und Darstellung der an den Quanten-Interferenz-Elementen gewonnenen Informationen umfaßt, gekennzeichnet durch eine gemeinsame starre Trägerstruktur (10a, 11, 27, 37) für Gleichstrom-Quanten-Interferenz-Elemente (DC-SQUIDs 4) und die ihnen zugeordneten, planar gestalteten Gradiometer-Spulen (2; 14, 16; 40, 41) sowie die supraleitenden Verknüpfungsglieder (5; 17; 45, 46, 50, 52, 53), wobei die Gradiometer-Spulen und die Verknüpfungsglieder als Dünnfilm-Struktureh in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sind.
- 2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gleichstrom-Quanten-Interferenz-Elemente (4) auf einem gemeinsamen Tragerplättchen (Chip 10b, 19, 26, 42) angeordnet sind und dieses Trägerplättchen auf der Trägerstruktur (10a, 11, 27, 37) starr befestigt ist»
- 3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2 mit einem Gradiometer 1. oder höherer Ordnung, g e k e η η-' zeich n-e t durch eine Trägerstruktur (11) mitI
-ac- VPA 82 P 3 3 6 9 DEeinem einzigen Trägerteil für die Gradiometer-Spulen .(14, 16), die Verknüpfungsglieder (17) und das Trä-. gerplättchen (Chip 19) der Gleichström-Quanten-Interferenz-Elemente. - 4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß alle Gradiometer-Spulen (14, 16) auf einer geraeinsamen Flachseite der Trägerstruktur (11) nebeneinander angeordnet sind (Figur 2).
- 5. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d adurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (37) aus mehreren Teilen (38, 39) zu-sammengesetzt ist (Figur 5). . .
- 6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5 mit einem Gradiometer 2. Ordnung, gekennzeichnet durch eine Trägerstruktur mit zwei Trägerteilen, die jeweils mit einem Gradiometer 1.Ordnung versehen sind. · ■
- 7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 .bis-6, gekennzeichnet durch eine Träger-· struktur (10a, 11, 27, 37) aus Quarz- oder Silizium-Teilen.
- S. Neßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis .7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradiometer-Spulen (2; 14/ 16; 40, 4,1) als eine Reihe (13) von Detektionsspulen. (1.4; 40) und als eine Reihe (1_5) von Kompensationsspuren (16; 41) auf der gemeinsamen Trägerstruktur (10a, 11, 37) angeordnet sind.-2-τ- VPA 82 P 3 3 6 9 DE
- 9. Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektionsspulen (14, 40) im Vergleich zu den ihnen zugeordneten' Koinpensationsspulen (16, 41) verschiedene Windungszahl .5 und/oder verschiedene Flächen haben.
- 10. Meßvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, d adurch gekennzeichnet, daß die De.tektionsspulen (40) und die Koinpensationsspulen (41) auf verschiedenen parallelen Flachseiten (43, 44) der Trägerstruktur (37) angeordnet sind (Figur 5).
- 11. Meßvorrichtung nach Anspruch -10, dadurch gekennzeichnet , daß die Gleichstrom-Quanten-Interferenz-Elemente (SQUID-Chip 42) auf einer Flachseite (51) der Trägerstruktur (37) angeordnet sind, die in einer anderen Ebene als die Flachseiten (43, 44) der Gradiometer-Spulen·(40, 41) liegt.
- 12. Meßvorrichtung nach Anspruch 10 oder .11, d adurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den auf den parallelen Flachseiten (43, 44) befindlichen Gradiometer-Spulen (40, 41) als zwischen den Kanten (47, 48) dieser Flachsei'ten (43, 44) verlaufende Dühnfilm-Leiter (50) ausgebildet sind. · ...
- 13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den. Gradiometer-Spulen (40) und den Gleichstrom-Quanten-Interferenz-Elementen (SQUID-Chip 42) als zwischen den Kanten (47, 48, 56) der diese Teile tragenden Flachseiten (43, 51) verlaufende Dünnfilm-Leiter (53, 54) ausgebildet sind.Ϋ -22- VPA 82 P 33 6 9 DE
- 14. Meßvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13/· dadurch gekennzeichnet., daß die Verbindung der supraleitenden Leiterteile (45,46, 50, •52 bis 54) an den Kanten (47, 48, 56, 61) durch Lötungen (59, 60, 64) mit supraleitendem Material in Nuten (58, 62, 63) ausgebildet sind.
- 15. Meßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die mit den Nuten (58, 62, 63) versehenen Kanten (47, 48, 56, 61) abgeschrägt sind. . .
- 16. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche Λ bis 15/ d a d u ir c h- g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Abmessungen (Durchmesser D) der einzelnen Gradio- · meter-Spulen (2; 14, 16; 40, 41) der nächstliegenden zu detektierenden Magnetfeldquelle angepaßt sind und daß Mittel zur Zusammenfassung der Signale einzelner Gradiometer-Spulen zu einem gemeinsamen Signal einer Gruppe von Gradiometer-Spulen in Abhängigkeit von der Entfernung der jeweils zu detektierenden Magnetfeldquelle vorgesehen sind. · -
- 17. Meßvorrichtung nach Anspruch 16, d. a d u. r.c'h gekennzeichnet ,daß zur Zusammenfassung der Signale einzelner Gradiometer-Spulen (2; 14, 16; 40, 41) die entsprechenden Kanäle in der elektronischen Einrichtung (8a) zur Auswertung und Verarbeitung der an den Quanten-Interferenz- Elementen abgenommenen . ■ Informationen zusammengeschaltet sind.
- 18. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Trägerplättchen (26) mittelbar über einen Zwischenträger (Chip-Träger 25) auf der Tragerstruktur (27) befestigt ist (Figur 4). ' . 'S
-as- VPA 82 P 3 3 6 9 DE - 19. Meßvorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h gekennzeichnet , daß der Zwischenträger (Chip-Träger 25) im Bereich der supraleitenden Leiteranschlüsse mit Schlitzen (30) versehen ist..
- 20. Verfahren zur Herstellung einer Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 18/19, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst.auf der Trägerstruktur (1Oa, 11, 27, 37_) die Grädiometer-Spulen (2; 14, 16, 40, 41) zusammen mit den untereinander und zu den auf dem Tragerplattchen (Chip 10b, 19, 25: und 26, 42) befindlichen Gleichstrom-Quanten-,Interferenz-Elementen (4) verlaufenden Verbindungsleitern (5, 17, 29, 45, 46, 50, 52 bis 54) in einer Planarlithographie-Technik aufgebracht werden, daß unabhängig davon auf dem Tragerplattchen entsprechend einer Technik zur Herstellung integrierter Schaltungen (IC-Technik) die Gleichstrom-Quanten-Interferenz-Elemente (4) ausgebildet werden und daß anschließend das mit den Gleichstrom-Quanten-Interferenz-Elementen versehene Tragerplattchen auf die Trägerstuktur aufgebracht und angeschlossen wird.
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