DE102017127578B4

DE102017127578B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Nutzung eines anisotrop magnetoresistiven Sensors zur Bestimmung von Magnetfeldern und Temperaturen

Info

Publication number: DE102017127578B4
Application number: DE102017127578.9A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Schmitz; Oliver Kugeler; Julia-Marie Köszegi; Khaled Alomari
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: DE102017127578A1

Abstract

Vorrichtung zur Nutzung eines anisotrop magnetoresistiven Sensors zur Bestimmung von Temperaturen und Magnetfeldern, mindestens aufweisend eine halbe wheatstonesche Widerstands-Messbrücke, deren Widerstände (R1, R2, R3, R4) aus anisotrop magnetoresistiven Elementen gebildet sind und einer Testspule (1), dadurch gekennzeichnet, dass• der anisotrop magnetoresistive Sensor zur Auslesung der Signale verschaltet ist und wobei die Verschaltung mindestens einen ersten Schaltkontakt (4) zum Wechsel zwischen Magnetfeldbestimmung und Temperaturbestimmung und zweite Schaltkontakte (2, 3) zur Bestimmung aller Widerstände in der Messbrücke zur Temperaturbestimmung umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Bestimmung von Magnetfeldern und Temperaturen unter Nutzung von anisotrop magnetoresistiven Sensoren, wie z.B. zur temperaturabhängigen Bestimmung magnetischer Materialeigenschaften.
Stand der Technik
Vorrichtungen zur Bestimmung von Magnetfeldern unter Nutzung von anisotrop magnetoresistiven (AMR) Sensoren sind dem Fachmann bekannt. Eine derartige Vorrichtung wird zum Beispiel in dem Aufsatz 1 von P. Ripka und M. Janošek (Advances in Magnetic Field Sensors, IEEE Sensors Journal, Vol 10, 2010 S. 1108-11016) beschrieben. Sie finden vielfältig Einsatz z.B. zur Bestimmung von geologischen Magnetfeldern (Kompass) als auch zur Probencharakterisierung und Qualitätskontrolle.
Die AMR Sensoren zeigen eine starke Temperaturabhängigkeit der bestimmten Magnetfelder, hervorgerufen durch eine temperaturabhängige Sensitivität (Empfindlichkeit). Dies wird zum einen als Nachteil bewertet, wie in dem Aufsatz 2 von W. Magnes und M. Diaz-Michelena (Future Directions for Magnetic Sensors for Space Applications, IEEE Transactions on Magnetics, Vol 45, 2009, S. 4493-4498) beschrieben, da dies eine umfangreiche Kalibrierung erfordert. Zum anderen kann der Effekt der Temperaturabhängigkeit aber auch zur Temperaturbestimmung genutzt werden, wie z. B. in der US 6,667,682 B2 oder der DE 10 2009 028 958 A1 beschrieben, so dass eine Messvorrichtung bereitgestellt werden kann, mit der sowohl eine Temperatur als auch Magnetfelder bestimmt werden können, wobei eine Kalibrierung auch hier Voraussetzung ist.
Eine entsprechende Vorrichtung ist ebenfalls in der US 2015/0054500 A1 offenbart.
Eine Vorrichtung, die lediglich ein magnetoresistives Element zur Bestimmung von Magnetfeld und Temperatur vorsieht, ist in der US 2005/007890 A1 offenbart.
Anwendungen für AMR Sensoren sind im Bereich tiefer Temperaturen nur bis 223 K (-50 °C) berichtet und eine Anwendung bei sogenannten tiefkalten Temperaturen wurde bisher ausgeschlossen. Der tiefkalte Temperaturbereich ist durch den Bereich von flüssigem Helium unter Niederdruck bis zum Bereich von flüssigem Stickstoff (0,95 K bis 77 K) gegeben.
In dem Aufsatz 3 von M. A. Johar et al. (Adding Self-x Capabilities to AMR Sensors as a First Step Towards Dependable Embedded Systems, IEEE 2011 Proceedings of the Ninth International Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems, 2011, S. 41 - 46), der den nächsten Stand der Technik bildet, wird eine Vorrichtung offenbart, mit der unter Verwendung eines AMR Sensors, unter Berücksichtigung einer vor der Benutzung bestimmten, temperaturabhängigen Sensitivität, Temperaturen bestimmt werden. Mit der hier beschriebenen Vorrichtung wird nur ein Widerstandswert der gesamten wheatstoneschen Brücke bestimmt. Zusätzlich ist mit der vorgeschlagenen Vorrichtung nicht eine voneinander unabhängige Bestimmung einer Temperatur und eines Magnetfeldes möglich.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die, unter Nutzung mindestens eines AMR Sensors, eine unabhängige Bestimmung von Magnetfeldern und Temperaturen und eine gegenüber dem Stand der Technik genauere Temperaturbestimmung ermöglichen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine Bestimmung von Magnetfeldern zu ermöglichen, die ohne eine vorherige Kalibration der Sensitivität des Sensors durchführbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch eins und fünf gelöst. Weiterbildungen folgen in den abhängigen Ansprüchen.
Der in der Vorrichtung zur Nutzung eines anisotrop magnetoresistiven (AMR) Sensors zur Bestimmung von Temperaturen und Magnetfeldern, verwendete AMR Sensor weist mindestens eine zur Hälfte aus AMR Elementen bestehende wheatstonesche Widerstands-Messbrücke auf. Bevorzugt wird eine aus mindestens vier AMR Elementen bestehende wheatstonesche Widerstands-Messbrücke eingesetzt, wie es einem Ausführungsbeispiel entspricht. Der Einsatz einer ganzen Brücke birgt den Vorteil einer doppelt so hohen Auflösung und verbesserten Definition der Messrichtung, da die Geometrie der vollen Brücke einen zusätzlichen Richtungsbeitrag orthogonal zur Messrichtung kompensiert. Die Widerstände der Messbrücke sind aus anisotrop magnetoresistiven Elementen (AMR Elemente) gebildet. Der typische Aufbau von AMR Sensoren ist z.B. in dem Aufsatz 3 und der DE 10 2009 028 958 A1 aufgezeigt. Als Materialien für die AMR Elemente kommt z.B. NiFe, NiCo oder z.B. Ni_0,79Fe_0,15Mo_0.5 sowie weitere anisotrop magnetoresistive Materialien in Betracht. Bevorzugt werden Legierungen aus dem Ni_1-xFe_x System verwendet. Die AMR Elemente sind als dünner Film ausgeführt und zudem zur Kompensation von nicht linearer Charakteristik in einer sogenannten „Barber Pole“-Struktur aufgebaut, in der die AMR Elemente mit Aluminiumstreifen in 45° zur Längsrichtung der Elemente bestückt sind. Die Abhängigkeit der Widerstände vom zu messenden Magnetfeld verhält sich dadurch um den Nullpunkt linear, was vorteilhaft ist.
Ebenso bewirkt der durch die Barber Pole Struktur erzeugte Bias eine Projektion in eine Messrichtung und ermöglicht somit eine genaue Bestimmung der Richtung des Feldes. Ohne diesen Bias wird durch den Sensor nur ein Betragswert geliefert, da die Charakteristik des Sensors einem cos² des Winkels zwischen Strom und Magnetisierung des Sensor-Elements folgt. Die AMR Elemente sind in der wheatstoneschen Messbrücke mit diagonal gegenüberliegenden Orientierungen von ±45° der „Barber Pole“ Strukturen angeordnet und jeweils zwei in Längsrichtung in Serie geschaltet.
Ein in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeter AMR Sensor weist darüber hinaus mindestens eine Spule auf. Diese Spule ist die sogenannte Testspule und entlang der Messrichtung des Sensors orientiert. Die meisten AMR Sensoren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, weisen zudem eine zweite Spule auf, die parallel zur Längsrichtung der AMR Elemente angeordnet ist und der Umpolung der Magnetisierung oder deren Initiierung dient. Die sogenannte Flipspule. Diese Spule ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verzichtbar, wenn diese, wie durch eine Ausführungsform ermöglicht, bei tiefkalten Temperaturen zum Einsatz kommt. Eine Magnetisierung des Sensors, die vor dessen Gebrauch z.B. mit einer Helmholtzspule einstellbar ist, wird bei den tiefkalten Temperaturen „eingefroren“ - eine erneute Magnetisierung wird erst nach Aufwärmen des Sensors wieder benötigt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Flipspulen sind zudem nicht für den Einsatz bei tiefkalten Temperaturen geeignet. Ist der Sensor nicht für einen dauerhaften Gebrauch bei tiefkalten Temperaturen vorgesehen, ist eine Spule zur Magnetisierung (Flipspule) zusätzlich, wie es auch aus dem Stand der Technik bekannt ist, anzuordnen, um einen dauerhaften Gebrauch anwendungsnah zu gestalten.
Weiterhin beinhaltet die Verschaltung des Sensors einen ersten Schaltkontakt mit dem zwei Zustände des Sensors, bestehend aus der Bestimmung eines magnetischen Feldes und der Bestimmung des Widerstandes (der Widerstände) zur Temperaturbestimmung schaltbar (wählbar) sind. Als Schaltkontakte kommen Relais, Transistoren, Dioden oder ähnliches in Frage. Wegen ihrer Robustheit sind insbesondere Relais geeignet. Die Schaltkontakte sind, je nach Art, durch entsprechende standardgemäße Mittel zu betätigen. Für die Widerstandsbestimmung wird ein wohldefinierter Stromfluss benötigt, bei welchem ein Spannungsabfall gemessen wird. Die Bestimmung von Magnetfeldern erfolgt hingegen in Spannungskontrolle. Nach dem ohmschen Gesetz ändert sich jedoch der Strom mit dem Widerstand. Eine Summe dieser beiden Ströme erschwert es demnach einen präzisen Widerstandswert zu bestimmen. Eine Trennung der Bestimmung beider Werte, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist, hingegen bringt vorteilhaft eine klare Einstellung einer anliegenden Spannung bzw. des angelegten Stromes.
Der AMR Sensor ist erfindungsgemäß außerdem so verschaltet, dass die Widerstände aller AMR Elemente einzeln bestimmbar sind. Dies erfolgt, in dem jeweils zwischen den einzelnen Elementen Kontakte zur Spannungsmessung eingerichtet sind. Die so entstehenden zwei bzw. vier Kontakte können mit zwei weiteren, zweiten, Schaltkontakten so untereinander verschaltet werden, dass jeweils zwei Kontakte über ein Voltmeter und eine parallel geschaltete, regulierbare, lineare Stromquelle verbunden sind. Die regulierbare, lineare Stromquelle dient zum wohldefinierten Anlegen eines Stromes. Die Kenntnis aller Widerstände ermöglicht eine direkte Berechnung eines Terms für den gesamten Widerstand, gegeben durch die Wheatstone-Beziehung (hier für eine volle Brücke, für eine halbe entsprechend anzupassen): $V_{o u t} = V_{c c} \cdot \frac{R_{1} \cdot R_{4} - R_{3} \cdot R_{2}}{(R_{1} + R_{2}) (R_{3} + R_{4})}$
mit V_cc=Versorgungsspannung und R_1-4 =einzelne Widerstände in der Brücke.
Die Widerstände R_1-q sind temperaturabhängig. Der Spannungsabfall über den Sensor V_out/V_cc, der den gesamt Widerstand R_B der Brücke repräsentiert, hier gegeben aus der Bestimmung der einzelnen Widerstände in der Brücke und der Kenntnis von V_cc, bei konstantem angelegten Strom, und konstantem externen Feld, steht annähernd in einem Zusammenhang mit der Temperatur, gemäß $\frac{V_{o u t}}{V_{c c}} = R_{B} (T) = \frac{R_{1} (T) \cdot R_{4} (T) - R_{3} (T) \cdot R_{2} (T)}{(R_{1} (T) + R_{2} (T)) (R_{3} (T) + R_{4} (T))} = p_{1} \cdot T^{3} + p_{2} \cdot T^{2} + p_{3}$
mit p_1-3 = zu bestimmende Parameter. In kleinen Temperaturbereichen, kann der Zusammenhang als linear angenommen werden. Die Parameter sind für die Temperaturbestimmung auf einer Datenverarbeitungsanlage (DV) bereitzustellen nebst den erforderlichen Algorithmen zur Berechnung. Die so bestimmte Temperatur ist durch die Kenntnis aller Widerstände präziser. Dies ergibt sich daraus, dass die Kenntnis aller Widerstände, die durch die erfindungsgemäße Verschaltung bestimmbar sind, es erlaubt Gradienten zwischen den Widerständen zu bestimmen und so eine verzerrte Temperaturbestimmung zu vermeiden. Es resultieren, gerade bei tiefkalten Temperaturen, bei denen vermehrt mit einem störenden Einfluss durch Gradienten in den Widerständen zu rechnen ist, präzisere Messwerte.
Erfindungsgemäß wird temperaturunabhängig, d.h. ohne einen Temperatureffekt der sich auf den Messwert durch eine veränderte Sensitivität auswirkt herauszurechnen (d.h. ohne eine vorherige Kalibration) ein magnetisches Feld mit dem AMR Sensor bestimmt, in dem die Testspule des Sensors zur Bestimmung der Sensitivität des Sensors bei einer konstanten Temperatur T_K herangezogen wird. Eine Kenntnis der Temperatur ist dann zur Bestimmung eines Magnetfeldes überflüssig. Eine Kalibrierung auf das Temperaturverhalten des AMR Sensors entfällt. Zusätzlich vorteilhaft ist, dass eine Änderung der temperaturabhängigen Sensitivität des Sensors, z.B. durch Alterung des Sensors, nicht berücksichtigt werden muss bzw. ohne Einfluss auf die Präzision und Richtigkeit der bestimmten Felder bleibt. Auch etwaige andere Einflüsse, die wohlmöglich eine Änderung der Sensitivität bewirken, können so in ihrem Einfluss auf die Messung ausgeschlossen werden.
Es wird sich dabei erfindungsgemäß der Umstand zu Nutze gemacht, dass das von einer Spule erzeugte Magnetfeld, bei Kenntnis des geometrischen Spulenparameters C und Kenntnis des Stromflusses durch die Spule bestimmbar ist gemäß:

|H| = C· I mit C = geometrischer Spulenparameter (dieser Faktor berücksichtigt im Wesentlichen die Anzahl der Windungen in der Spule über deren Länge und so den Einfluss der Geometrie der Spule auf ein erzeugtes Feld) und I =Stromfluss durch die Spule. Zur Bestimmung eines externen Feldes H_ext bei einer konstanten Temperatur T_K wird dann der Strom durch die Testspule I_test und damit das Magnetfeld der Testspule H_test variiert und die Ausgangsspannung der Brücke V_out gemessen. Durch eine Anpassung der Werte von V_out aufgetragen gegen I_test ist dann die Sensitivität des Sensors S_T
K bei der Temperatur T_K, durch Anpassung einer linearen Funktion bestimmbar und somit auch das externe Feld H_ext gemäß: $H_{e x t} = \frac{V_{o u t}}{S_{T_{K}}} .$

Ein Offset ist zu berücksichtigen. Durch die Anpassung der Werte von V_out aufgetragen gegen I_test ergibt sich die Sensitivität des Sensors S_T
K als die Steigung einer linearen Funktion. Die Anpassung erfolgt auf einer digitalen Datenverarbeitung (DV), die gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Vorrichtung gehört, durch einen dort bereitgestellten Algorithmus. Für Magnetfelder bei denen die Funktion außerhalb des linearen Verhaltens liegt, d.h. bei sehr großen Feldern (>> 300 Am^-1), sollten andere Messverfahren bemüht werden. Die Bestimmung des geometrischen Spulenparameters c erfolgt vor Inbetriebnahme des Sensors. Der Spulenparameter wird mit einer, an die sogenannte Gegenfeldmethode angelehnten Methode bestimmt. Hierbei wird mit einer Helmholtzspule ein Feld mit entgegengesetzter Richtung zu dem der Testspule erzeugt. Bei einem konstanten Wert für das Feld der Helmholtzspule, ergibt sich so ein konstantes, externes Feld H_ext zu: H_ext = H_HH + H_OS, mit H_HH = Feld der Helmholtzspule und H_OS = Einflüsse aus Erdmagnetfeld und Spannungsoffset. Ist die Ausgangsspannung der Brücke V_out = 0 gilt zugleich H_ext = H_test und damit H_test = C· I_test. Durch mehrmaliges Anpassen einer linearen Funktion an die Werte von V_out vs. I_test bei verschiedenen Werten für H_HH auf der DV, wird jeweils der Spulenstrom $I_{t e s t}^{0}$
bestimmt, bei dem V_out = 0 ist (Nulldurchgang). Durch Auftragen der konstanten Werte H_HH vs der bestimmten Werte $I_{t e s t}^{0}$
am Nulldurchgang ist dann der geometrische Spulenparameter c gegeben durch die Steigung der resultierenden Geraden. Die Anpassung der Geraden erfolgt durch auf der DV bereitgestellte Algorithmen.
Der geometrische Spulenparameter der Testspule wird zur Nutzung durch einen angepassten Algorithmus, in den er einfließt, auf einer digitalen Datenverarbeitungsanlage (DV) bereitgestellt. Der Algorithmus umfasst im Wesentlichen die nötigen Terme um aus den Messwerten für V_out ein magnetisches Feld einer Probe zu bestimmen.
Die Bestimmung der Sensitivität des Sensors S_T
K unter Verwendung des auf der DV bereitgestellten geometrischen Spulenparameters der Testspule erfolgt auf der DV. Die Sensitivität wird zur Bestimmung des Feldes H_ext (bei einer konstanten Temperatur T_K) auf der DV ebenfalls bereitgestellt. Bei einer Änderung der Temperatur oder, wenn gewünscht, zur erneuten Bestimmung von H_ext wird jeweils erneut eine Sensitivität S_T
K bestimmt. Die DV und der Sensor sind zur Übertragung von Signalen (Messwerten) aus dem Sensor an die DV verschaltet. Die DV ist bei Messungen im Kryostaten außerhalb desselben angeordnet. Alle Strom- und Spannungsquellen für eine Versorgung der Vorrichtung sind ebenfalls außerhalb des Einflusses tiefkalter Gase anzubringen, sowie ein eventuell zur Verstärkung des Messsignals benötigtes Gerät. Die hier angedachte Verschaltung kann demnach temporär zu Zwecken der Installation, z.B. im und am Kryostaten, oder zu Transportzwecken unterbrochen vorliegen. Auch die Mittel zur Betätigung des ersten und der zweiten Schaltkontakte sind, gegebenenfalls, außerhalb des Kryostaten angeordnet.
Die Vorrichtung ist, gemäß einer Ausführungsform, zur Verwendung bei tiefkalten Temperaturen auf einer Grundplatte befestigt. Der Abstand zwischen der Grundplatte und dem Sensor beträgt dabei mindestens 1 mm. Die Befestigung erfolgt mit bleihaltigem Weichlot. Der anisotrope magnetoresistive Sensor ist weiterhin in einem Epoxidgruppen tragenden Kunstharz mindestens luftdicht, insbesondere heliumdicht bzw. suprafluidheliumdicht, eingegossen, wobei aus dem Gusskörper nur Aus- und Zugänge zum Sensor herausragen. Diese Anordnung der Sensoren in der Vorrichtung haben überraschend bei der Anmelderin eine Temperaturstabilität bis zu tiefkalten Temperaturen gezeigt.
Alle mit der Vorrichtung bestimmbaren Werte für Magnetfelder und Temperaturen sind von der DV aus an einen Empfänger ausgebbar. Die erfindungsgemäß präziseren Temperaturen und Magnetfelder verbessern z.B. in der Qualitätskontrolle bzw. Überwachung oder Prozessführung die Sicherheit und Qualität.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur wahlweisen Temperaturbestimmung und temperaturunabhängigen Bestimmung von Magnetfeldern erfolgt unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, unter Nutzung einer DV, wie es einer Ausführungsform entspricht, die hierfür bereitzustellen sind, Schritt a.
Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, b, wird durch das Schalten des ersten Schaltkontakts eine Messvariante ausgewählt. Das Schalten beinhaltet dabei auch die bewusste Auslassung des Schaltens, wenn der Schaltkontakt sich bereits in der gewünschten Stellung befindet.
Die Messvarianten sind dabei zum einen (i) die Bestimmung der Temperatur durch Bestimmung aller Widerstände in der Messbrücke (Messung des Spannungsabfalls in wohldefiniertem Stromfluss) und zum anderen (ii) die Bestimmung eines Magnetfeldes (Messung des Spannungsabfalls in Spannungskontrolle).
Die Bestimmung der Temperatur (i) erfolgt durch die Bestimmung aller Widerstände in der Messbrücke. Die Kenntnis aller Widerstände ermöglicht eine direkte Berechnung eines Terms für den gesamten Widerstand, gegeben durch die Wheatstone-Beziehung (hier für eine volle Brücke, für eine halbe entsprechend anzupassen): $V_{o u t} = V_{c c} \cdot \frac{R_{1} \cdot R_{4} - R_{3} \cdot R_{2}}{(R_{1} + R_{2}) (R_{3} + R_{4})}$
mit V_cc=Versorgungsspannung und R_1-4 =einzelne Widerstände in der Brücke.
Die Widerstände R_1-q sind temperaturabhängig. Der Spannungsabfall über den Sensor V_out/V_cc, der den gesamt Widerstand R_B der Brücke repräsentiert, hier gegeben aus der Bestimmung der einzelnen Widerstände in der Brücke und der Kenntnis von V_cc, bei konstantem angelegten Strom, und konstantem externen Feld, steht in linearem Zusammenhang mit der Temperatur, gemäß $\frac{V_{o u t}}{V_{c c}} = R_{B} (T) = \frac{R_{1} (T) \cdot R_{4} (T) - R_{3} (T) \cdot R_{2} (T)}{(R_{1} (T) + R_{2} (T)) (R_{3} (T) + R_{4} (T))} = p_{1} \cdot T^{3} + p_{2} \cdot T^{2} + p_{3} (1)$
mit p_1-3 = zu bestimmende Parameter. In kleinen Temperaturbereichen, kann der Zusammenhang als linear angenommen werden. Die Parameter sind im Vorhinein zu bestimmen und für die Temperaturbestimmung auf der DV der Vorrichtung bereitzustellen. Die so bestimmte Temperatur ist durch die Kenntnis aller Widerstände präziser. Dies ergibt sich daraus, dass die Kenntnis aller Widerstände, die durch die erfindungsgemäße Verschaltung bestimmbar sind, es erlaubt, Gradienten zwischen den Widerständen zu bestimmen und so eine verzerrte Temperaturbestimmung zu vermeiden. Es resultieren, gerade bei tiefkalten Temperaturen, bei denen vermehrt mit einem störenden Einfluss durch Gradienten in den Widerständen zu rechnen ist, präzisere Messwerte.
Die Bestimmung eines Magnetfeldes (ii) erfolgt durch die zwei konsekutiven Schritte der Bestimmung der Sensitivität der Messbrücke bei einer konstanten Temperatur unter Berücksichtigung eines Geometriefaktors der Testspule und der Bestimmung des Magnetfeldes bei der konstanten Temperatur anhand der Ausgangsspannung aus der Messbrücke unter Berücksichtigung der bestimmten Sensitivität.
Der geometrische Spulenparameter der Testspule ist im Vorhinein, nach dem oben beschriebenen Verfahren zu bestimmen und auf einer DV bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Bestimmung des Magnetfeldes macht sich den Umstand zu Nutze, dass sich das von einer Spule erzeugte Magnetfeld, bei Kenntnis des geometrischen Spulenparameters der Testspule und Kenntnis des Stromflusses durch die Spule berechnet gemäß:

|H| = C· I mit c = geometrischer Spulenparameter und I =Stromfluss durch die Spule. Zur Bestimmung eines externen Feldes, H_ext, bei einer konstanten Temperatur T_K wird dann der Strom durch die Testspule, I_test, und damit das Magnetfeld der Testspule, H_test, variiert und die Ausgangsspannung der Brücke, V_out, gemessen. Durch eine Anpassung der Werte von V_out aufgetragen gegen I_test wird folgend die Sensitivität des Sensors, S_T
K, bei der Temperatur T_K durch Anpassung einer linearen Funktion bestimmt und damit das externe Feld H_ext gemäß: $H_{e x t} = \frac{V_{o u t}}{S_{T_{K}}} - \frac{V_{O S}}{S_{T_{K}}},$
bestimmt, mit V_OS= Spannungsoffset (vorher zu bestimmen). Ein entsprechender Algorithmus ist auf der DV bereitgestellt. Durch die Anpassung der Werte von V_out aufgetragen gegen I_test ergibt sich die Sensitivität des Sensors S_T
K als die Steigung einer linearen Funktion. Für Magnetfelder bei denen diese Funktion außerhalb des linearen Verhaltens liegt, d.h. bei sehr großen Feldern (>> 300 Am^-1), sollten andere Messverfahren bemüht werden.

Die gewählte Messvariante wird nach Ihrer Auswahl durchgeführt, Schritt c, und darauf wird erneut eine Messvariante ausgewählt und durchgeführt oder das Verfahren beendet, Schritt d.
Alle bestimmten Werte für Magnetfelder und Temperaturen werden von einer DV aus an einen Empfänger ausgegeben. Die erfindungsgemäß präziseren Temperaturen und Magnetfelder verbessern z.B. in der Qualitätskontrolle bzw. Überwachung oder Prozessführung die Sicherheit und Qualität.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel und anhand von sechs Figuren näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:

1: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäß verwendeten AMR-Sensors mit Testspule (Stand der Technik).
2: Verschaltung des AMR-Sensors zur Bestimmung aller Widerstände in einer Messbrücke.
3: Verschaltung des Sensors mit dem ersten Schaltkontakt zum Wechsel zwischen Temperaturbestimmung und Magnetfeldbestimmung.
4: Feld der Helmholtzspule aufgetragen gegenüber dem Strom der Testspule beim Nulldurchgang (V_out = 0) zur Bestimmung des geometrischen Spulenparameters (C) der Testspule.
5: Ausgangsspannung des Sensors (V_out) aufgetragen gegenüber dem Strom der Testspule zur Bestimmung der Sensitivität des Sensors bei einer konstanten Temperatur (T_k).
6: Widerstandswerte eines Widerstandes in der wheatstoneschen Messbrücke aufgetragen gegenüber der Temperatur zur Bestimmung des temperaturabhängigen Verhaltens.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines AMR-Sensors wie er erfindungsgemäß Verwendung findet und dem Stand der Technik nach bekannt ist. In dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine ganze wheatstonesche Messbrücke. Der Pfeil zeigt die Messrichtung der Testspule 1 an. Zusätzlich zu den Widerständen R₁ - R₄ in der wheatstoneschen Messbrücke sind noch die Versorgungsleitung coil⁺/coil- für die Testspule 1 und die Versorgungsspannung V_cc der Messbrücke, die Erdung GND und die Ausgangsspannung der gesamten Messbrücke V_out V2+/V2- gezeigt. Die Barber Pole Struktur der Widerstände R₁ - R₄ ist durch Striche in den Widerständen angedeutet. Das Material der Widerstände ist eine Ni-Fe-Legierung. Der gezeigte AMR-Sensor ist für die Messung bei tiefkalten Temperaturen in einem Epoxidgruppen tragenden Kunstharz luftdicht eingegossen. Der Sensor ist auf einer Grundplatte (nicht gezeigt) aufgebracht, wobei zwischen dem Sensor und der Grundplatte ein Abstand von 1 mm besteht. Der Sensor ist auf der Grundplatte mit einem bleihaltigen Weichlot befestigt. Die Umrandung in der Figur zeigt symbolisch den Bereich an, der tiefkalten Temperaturen ausgesetzt wird. Alle anderen Teile der Vorrichtung (z.B. DV) befinden sich außerhalb. Die Leitungen sind entsprechend für die Messung in einem Kryostaten aus diesem aus- bzw. eingeführt.
In der 2 ist die Verschaltung gezeigt, mit der erfindungsgemäß alle Widerstände in der wheatstoneschen Messbrücke, R₁ - R₄ bestimmt werden. Mit den beiden zweiten Schaltkontakten 2/3, im Ausführungsbeispiel als Relais ausgeführt, und durch I21_ctrl und I22_ctrl geschaltet, lassen sich alle Widerstände R₁ - R₄ in der Messbrücke durch die einzeln zu bestimmenden Kombinationen der Zusammenschaltung der Kontakte A/B/C/D bestimmen. Die Stromsteuerung Iprobe dient zur wohldefinierten Anlegung eines Stroms. Gemessen wird die Ausgangspannung V_out V1 womit die Widerstände als Spannungsabfall zur Versorgungsspannung bestimmt werden. Mit den gemessenen Werten für die einzelnen Widerstände R₁ - R₄ wird der gesamte Widerstand in der Brücke bestimmt und daraus die Temperatur.
Die Funktionsweise des ersten Schaltkontakts 4, im Ausführungsbeispiel ebenfalls als Relais ausgeführt, ist in der 3 gezeigt. Der Schaltkontakt wird durch I1ctrl geschaltet. Mit diesem Schaltkontakt wird zwischen der Messung des gesamten Widerstandes in der Messbrücke V_out V2 und der einzeln bestimmbaren Widerstände R₁ - R₄ Hin und Her geschaltet. Die zweiten Schaltkontakte (Relais) sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. In dem in der 3 gezeigten Zustand wird die gesamte Ausgangsspannung V_out V2 zwischen den Kontakten D' und B' abgegriffen zur Bestimmung eines Magnetfeldes. Die Versorgungsspannung V_cc wird über die Kontakte A' bzw. C' gespeist. Im anderen Zustand (nicht gezeigt) wird dann entsprechend der 2 wieder durch Schaltung zwischen den Kontakten A/B/C/D geschaltet zur einzelnen Bestimmung der Widerstände R₁ - R₄.
In der 4 ist für das Ausführungsbeispiel die Bestimmung des geometrischen Spulenparameters C der Testspule aus den Werten für die Felder der Helmholtzspule H_HH aufgetragen gegen den Strom $I_{t e s t}^{0}$
beim Nulldurchgang (V_out = 0) gezeigt. Die Linearität der Abhängigkeit und die gute Übereinstimmung der Messwerte (x) mit einer angepassten Geraden (---), siehe insbesondere Vergrößerung, ist ersichtlich. Der Spulenparameter C im Ausführungsbeispiel ist zu 0,198 Am^-1/mA bestimmt.
Die Bestimmung der Sensitivität S_T
K aus einer Anpassung an die gegeneinander aufgetragenen Messwerte der Ausgangsspannung V_out des Sensors gegen den Strom der Testspule I_test ist in der 5 gezeigt. Die Sensitivität S_T
K ergibt sich aus der Steigung der Geraden. Die Linearität und die gute Übereinstimmung der Messwerte (x) mit einer angepassten Geraden (—), siehe insbesondere Vergrößerung, ist ersichtlich. Die Sensitivität S_T
K bei einer Temperatur T_K (nicht bestimmt) im Ausführungsbeispiel ist zu $- 0,117 \frac{V}{A m^{- 1}}$
bestimmt.
Die 6 zeigt beispielhaft das temperaturabhängige Verhalten eines Widerstandes in der wheatstoneschen Messbrücke. Dieses Verhalten wird für alle vier Widerstände bestimmt und entsprechend zur präziseren Temperaturbestimmung verwendet. Die Parameter aus der, an den temperaturabhängigen Verlauf des Widerstandes angepassten Funktion sind:

p₁ = -3,3 · 10^-5ΩK^-3;p₂ = 2,3 · 10^-2ΩK^-2; p₃ = 1382.

Mit der Vorrichtung des Ausführungsbeispiels wird eine Temperatur bestimmt, in dem zunächst alle vier Widerstandswerte, durch Schalten der zweiten Schaltkontakte, der einzelnen Widerstände bei der fraglichen Temperatur bestimmt werden. Der erste Schaltkontakt ist entsprechend geschaltet. Im Ausführungsbeispiel ergeben sich die gemessenen Werte zu
R_1g = 1068Ω, R_2g = 1067 Ω, R_3g = 1066Ω, R_4g = 1067 Ω.
Da die gemessenen Werte nicht trivial zusammenhängen, müssen Sie über die Lösung der folgenden Gleichungssysteme bestimmt werden: $\begin{array}{l} \frac{1}{R_{1 g}} = \frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2} + R_{3} + R_{4}} \\ \frac{1}{R_{2 g}} = \frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{1} + R_{3} + R_{4}} \\ \frac{1}{R_{3 g}} = \frac{1}{R_{3}} + \frac{1}{R_{2} + R_{1} + R_{4}} \\ \frac{1}{R_{4 g}} = \frac{1}{R_{4}} + \frac{1}{R_{2} + R_{3} + R_{1}} \end{array}$
Die Lösung erfolgt nach dem Newtonverfahren.
Die hiernach bestimmten Werte sind:

R₁ = 1425 Ω,R₂ = 1422 Ω,R₃ = 1421 Ω,R₄ = 1422 Ω.

Wird die Gleichung (1) (siehe oben) nach T umgestellt und die Werte eingesetzt so ergeben sich für die zugehörigen Temperaturen:

T₁ = 44,23 K, T₂ = 42,61 K, T₃ = 42,06 K, T₄ = 42,61 K.

Nach erneuter Schaltung des ersten Schaltkontakts wird das anliegende Feld H_ext bestimmt. Mit den aus dem Ausführungsbeispiel bestimmten Werten für den Spulenparameter C = (sieh zu 4) und der Sensitivität S_T
K bei einer konstanten Temperatur T_K (siehe 5) ergibt sich das zu bestimmende, anliegende Feld zu $\begin{array}{l} H_{e x t} = \frac{V_{o u t}}{S_{T_{K}}} - \frac{V_{O S}}{S_{T_{K}}} = 29 nT = 0,0229 A m^{- 1}, mit V_{o u t} = 0,003321 V; V_{O S} = \\ Spannungsoffset (vorher zu bestimmen, siehe dazu auch oben) = 0.006 V . \end{array}$

Claims

Vorrichtung zur Nutzung eines anisotrop magnetoresistiven Sensors zur Bestimmung von Temperaturen und Magnetfeldern, mindestens aufweisend eine halbe wheatstonesche Widerstands-Messbrücke, deren Widerstände (R₁, R₂, R₃, R₄) aus anisotrop magnetoresistiven Elementen gebildet sind und einer Testspule (1), dadurch gekennzeichnet, dass • der anisotrop magnetoresistive Sensor zur Auslesung der Signale verschaltet ist und wobei die Verschaltung mindestens einen ersten Schaltkontakt (4) zum Wechsel zwischen Magnetfeldbestimmung und Temperaturbestimmung und zweite Schaltkontakte (2, 3) zur Bestimmung aller Widerstände in der Messbrücke zur Temperaturbestimmung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • die Vorrichtung mit einer DV zur Auswertung von Signalen aus der Vorrichtung verschaltet ist und wobei auf der DV mindestens ein Auswertealgorithmus zur Bestimmung von Magnetfeldern aus einer Ausgangsspannung der Messbrücke bereitgestellt ist und in den Auswertealgorithmus eine, bei einer konstanten Temperatur bestimmte Sensitivität des Sensors, die unter Berücksichtigung eines auf der DV bereitgestellten geometrischen Spulenparameter der Testspule bestimmbar ist, einfließt und • die DV zur Ausgabe von bestimmten Temperaturen und Magnetfeldern an einen Empfänger eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der anisotrop magnetoresistive Sensor eine ganze wheatstonesche Widerstands-Messbrücke aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • der anisotrope magnetoresistive Sensor in einem Epoxidgruppen tragenden Kunstharz luftdicht eingegossen ist, wobei aus dem Gusskörper nur Aus- und Zugänge zum Sensor herausragen und • der anisotrop magnetoresistive Sensor auf einer Grundplatte befestigt ist, so dass zwischen dem Gehäuse des anisotrop magnetoresistiven Sensors und der Grundplatte ein Abstand von mindestens 1 mm gebildet wird und die Befestigung mit einem bleihaltigen Weichlot erfolgt.
Verfahren zur wahlweisen Temperaturbestimmung und temperaturunabhängigen Bestimmung von Magnetfeldern unter Verwendung eines anisotrop magnetoresistiven Sensors, mindestens aufweisend die Verfahrensschritte a. Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 b. Auswählen einer Messvariante, durch Schalten des ersten Schaltkontakts (4) der Vorrichtung, aus einer der Messvarianten: i. Bestimmung der Temperatur durch Bestimmung aller Widerstände (R₁, R₂, R₃, R₄) in der Messbrücke und ii. Bestimmung eines Magnetfeldes durch die Schritte: • Bestimmung der Sensitivität der Messbrücke bei einer konstanten Temperatur unter Berücksichtigung eines geometrischen Spulenparameters der Testspule (1) und • Bestimmung des Magnetfeldes bei der konstanten Temperatur anhand der Ausgangsspannung (V2+, V2-) aus der Messbrücke unter Berücksichtigung der bestimmten Sensitivität, c. Durchführen der gewählten Messvariante und, d. erneute Durchführung der Schritte b. und c. oder Beenden des Verfahrens.