Integrated SQUID Magnetometers with
YBa2Cu3O7 Grain Boundary Josephson Junctions for
Biomagnetic Applications,
Stefan Krey,
PhD Thesis, University of Hamburg, 1999,
Published by Shaker Verlag, Aachen 2000,
ISBN 3-8265-7164-9.
61 images,
136 pages,
182 references.
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Abstract
Integrated dc SQUID magnetometers made of the high temperature superconductor YBa2Cu3O7 are experimentally investigated with regard to biomagnetic applications. Both, step-edge as well as bicrystal Josephson junctions are used. The pickup loop is an essential part for the sensitive coupling of external signals into the SQUID magnetometer. Three different ways for the coupling are investigated. The most simple way is the direct connection of the pickup loop to the SQUID. Although the efficiency of this method is low, it allows the fabrication of the device from a single superconducting layer. A magnetic field resolution of SB1/2=38 fT/Hz1/2 is achieved. A significantly better field resolution is obtained with magnetometers from multilayers. Two different multilayer magnetometers are investigated: the inductively coupled magnetometer with monolithically integrated flux transformer and the multi loop magnetometer. An optimized multi loop layout results in an effective flux capturing area of 2.31 mm2. Noise measurements yield a white noise level of SB1/2=17 fT/Hz1/2 and SB1/2=60 fT/Hz1/2 at 1 Hz.
Biomagnetic measurements demonstrate the practical application. A signal-to-noise ratio of 28 is obtained in a real-time magneto cardiogram, which is already adequate for many clinical applications. A great challenge is the operation of magnetometers from high temperature superconductors in an unshielded environment, where magnetic noise signals have to be suppressed by several orders of magnitude. Methods for the noise rejection are demonstrated by using electronic first order gradiometer schemes. The investigation of the low-frequency noise in static magnetic fields yields no higher values for multilayer magnetometers compared to conventional single-layer devices. A reduction of the low-frequency noise of field-cooled magnetometers is obtained by reducing the maximum line width in the magnetometer layout. This also enhances the magnetometer linearity. A new type of magnetic field sensor is introduced. It is based on a serial array of 105 Josephson junctions on a bicrystal substrate. To increase the sensitivity of the array, it is embedded in flux focusing areas. The junction parameters exhibit a high homogeneity throughout the array. A field resolution of SB1/2=1.2 pT/Hz1/2 is obtained.
Inhaltsangabe
Im Hinblick auf biomagnetische Anwendungen werden integrierte dc SQUID Magnetometer aus dem Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7 experimentell untersucht. Als Josephson-Kontakte werden sowohl Stufenkontakte als auch Eikristall-Kontakte eingesetzt. Ein wesentlicher Bestandteil eines SQUID Magnetometers ist die Einkoppelschleife für eine empfindliche Einkopplung externer Signale in das SQUID. Drei unterschiedliche Arten einer solchen Einkopplung werden untersucht. Eine sehr einfache Möglichkeit ist die direkte Verbindung der Einkoppelschleife an das SQUID. Die Effizienz dieser Methode ist gering, sie ermöglicht aber die Herstellung des Bauelements aus einer einzigen supraleitenden Schicht. Es wird damit eine Feldauflösung von SB1/2=38 fT/Hz1/2 erzielt. Eine deutlich bessere Feldauflösung läßt sich mit Magnetmetern in Mehrlagentechnologie erreichen. Zwei unterschiedliche Mehrlagenbauelemente werden untersucht: Das induktiv gekoppelte Magnetometer mit vollständig integriertem Floßtransformator und das Mehrschleifen-Magnetmeter. Durch eine Optimierung des Mehrschleifen-Layouts wird eine effektive Aufnehmerfläche von 2.31 mm2 erreicht. Rauschmessungen ergeben eine Feldauflösung von SB1/2=17 fT/Hz1/2 im weißen Rauschen und SB1/2=60 fT/Hz1/2 bei 1 Hz.
Die praktische Anwendung der Magnetometer wird anhand von biomagnetischen Messungen demonstriert. Das erreichte Signal-Rausch Verhältnis von 28 in einem Echtzeit-Magnetokardiogramm ist bereits für viele klinische Anwendungen ausreichend. Eine große Herausforderung stellt der Betrieb von Magnetmetern aus Hochtemperatursupraleitern in unabgeschirmter Umgebung dar. Magnetische Störsignale müssen um mehrere Größenordnungen unterdrückt werden. Anhand von elektronischen Gradiometern 1. Ordnung werden Methoden zur Störsignalunterdrückung demonstriert. Untersuchungen des niederfrequenten Rauschens bei Abkühlung in statischen Magnetfeldern ergeben keine höheren Werte für die Mehrlagenbauelemente im Vergleich zu herkömmlichen Einlagen-Magnetmetern. Eine Reduktion des niederfrequenten Rauschens von im Feld gekühlten Magnetmetern kann durch eine Verkleinerung der maximalen Strukturbreite im Layout erreicht werden. Dies verbessert gleichfalls die Linearität des Bauelements. Es wird ein neuartiger Magnetfeldsensor vorgestellt, der auf einer Serienschaltung von 105 Josephson-Kontakten auf einem Eikristall-Substrat basiert. Um seine Feldauflösung zu erhöhen, wird dieser mit zusätzlichen floßkonzentrierenden Flächen versehen. Es wird eine hohe Homogenität der Kontaktparameter innerhalb des Sensors beobachtet. Im Gegensatz zu SQUIDs ermöglicht er auch die Messung von Absolutfeldern. Es wird eine Feldauflösung von SB1/2=1.2 pT/Hz1/2 erreicht.