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SQUID-Stromsensoren messen ungeschirmt

In der PTB wurden hochempfindliche, leicht einzusetzende Stromsensoren mit speziell verschalteten SQUIDs entwickelt, die aufgrund ihrer Störfestigkeit ohne weitere Abschirmmaßnahmen in magnetischen Störfeldern von der Größenordnung des Erdfelds betrieben werden können. Sie haben dadurch kleine Abmessungen und sind für eine breite Palette messtechnischer Aufgaben geeignet.

3" Wafer mit ca. 400 Stromsensorchips, darin ein vergrößerter Einzelchip.

SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Devices), die üblicherweise zur empfindlichen Magnetfeldmessung verwendet werden, lassen sich auch sehr gut für die Messung kleinster elektrischer Ströme einsetzen. So sind sie hervorragend als Vorverstärker für bestimmte Typen von Strahlungsdetektoren wie Mikrokalorimeter oder supraleitende Hot-Spot-Detektoren geeignet, die wie die SQUIDs selbst bei Helium- (4,2 K) oder noch tieferen Temperaturen betrieben werden.

In einem vom BMWA geförderten Vorhaben hat die PTB in Kooperation mit der Vericold GmbH, Ismaning, und der Magnicon GbR, Schenfeld, SQUID-Stromsensoren entwickelt, die speziell für die Anwendung bei der energiedispersiven Röntgenspektroskopie ausgelegt sind, aber auch für andere messtechnische Aufgaben wie bei der Darstellung und Weitergabe der elektrischen Einheiten eingesetzt werden können. Üblicherweise wird bei einem als Stromsensor eingesetzten SQUID der zu messende Strom in eine Spule eingespeist, die so angeordnet ist, dass der magnetische Fluss der Spule das SQUID durchdringt. Mit derartigen Stromsensoren ließen sich in der PTB sehr gute Rauschwerte realisieren (bisher ca. 1 pA/÷Hz für Frequenzen >1 Hz). Die verwendeten Schaltungen werden mit Niob als Supraleiter in einer Mehrlagentechnologie mit Strukturbreiten von 2,5 µm gefertigt. Kürzlich wurden erste Stromsensoren mit einem neuen störungsunempfindlichen Design erfolgreich getestet. Aufgrund ihrer gradiometrischen Anordnung können sie trotz ihrer höchsten Empfindlichkeit ungeschirmt in magnetischen Störfeldern mit Amplituden in der Größenordnung des Erdfeldes (ca. 50 µT) abgekühlt und dann ohne Degradation der Kennlinien und des Stromrauschens betrieben werden. Außerdem kann man sie direkt auf massive Kupfersubstrate, die üblicherweise starkes Rauschen produzieren, montieren, ohne dass es zu einer Verschlechterung der Kenngrößen kommt. Eine solche Montage verbessert die thermische Kontaktierung erheblich und macht die neuen Sensoren erstmals für den Einsatz bis in den Millikelvinbereich geeignet. In der neuesten Version werden Serienschaltungen von bis zu 16 gleichen SQUIDs eingesetzt, um den Dynamikbereich zu erhöhen. Die gleichzeitig betriebene Weiterentwicklung der zur Auslesung der Sensoren verwendeten Elektronik soll eine Erweiterung der Bandbreite von derzeit 5 MHz auf 20 MHz ermöglichen. Die neuen Stromsensoren sind für interessierte Anwender kommerziell über die Firma Magnicon GbR verfügbar, die auch die PTB-SQUID-Elektroniken in Lizenz fertigt und vertreibt.

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