DE19944586C1 - Magnetic field sensor made using thin film technology - Google Patents
Magnetic field sensor made using thin film technologyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetfeldsensitive Sen soreinrichtung in Dünnfilmtechnik mit einer Flußantenne und einem ihr zugeordneten Flußspannungswandler mit linearem Sen sorelement. Eine derartige Sensoreinrichtung ist aus der Li teraturstelle "Cryogenics", Vol. 38, No. 6, 1998, Seiten 625 bis 629 zu entnehmen.The invention relates to a magnetic field sensitive Sen thin film technology device with a river antenna and one of its associated forward voltage converters with linear Sen element. Such a sensor device is from Li "Cryogenics" department, vol. 38, no. 6, 1998, pages 625 up to 629.
Zu einer hochauflösenden Magnetfeldmessung wurden bisher Dünnfilmsensoreinrichtungen in Form von SQUID-Magnetometern oder -Gradiometern vorgesehen. Solche Sensoreinrichtungen weisen eine supraleitende Flußantenne in Form einer Magneto meterschleife oder Gradiometerschleife auf, an die ein SQUID (Superconduction QUantum Interference Device) als ein Fluß- Spannungs-Wandler induktiv angekoppelt ist oder in die ein derartiges SQUID integriert ist (vgl. z. B. DE 42 16 907 A1 bzw. DE 41 25 087 A1). Als supraleitendes Material für eine derartige SQUID-Sensoreinrichtung ist auch sogenanntes Hoch- Tc-Supraleitermaterial vorgesehen (vgl. z. B. DE 44 19 297 A1). Hierbei handelt es sich um bekannte oxidische Materialien, insbesondere auf Cuprat-Basis, deren Sprungtem peraturen im magnetischen Nullfeld über 77 K liegen und die deshalb prinzipiell eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff (LN2) zulassen. Es zeigt sich jedoch, daß das Spannungssignal von solchen Supraleitungseinrichtungen bzw. ihrer SQUIDs kei ne lineare Proportionalität zu dem zu detektierenden Magnet feld oder Magnetfeldgradienten zeigt und deshalb eine aufwen dige Regelelektronik erforderlich wird.Until now, thin-film sensor devices in the form of SQUID magnetometers or gradiometers have been provided for high-resolution magnetic field measurement. Such sensor devices have a superconducting flux antenna in the form of a magnetometer loop or gradiometer loop, to which a SQUID (Superconduction QUantum Interference Device) is inductively coupled as a flux-voltage converter or into which such a SQUID is integrated (cf. e.g. DE 42 16 907 A1 and DE 41 25 087 A1). So-called high-T c superconductor material is also provided as the superconducting material for such a SQUID sensor device (cf., for example, DE 44 19 297 A1). These are known oxidic materials, in particular based on cuprates, whose temperature jumps in the magnetic zero field are above 77 K and which therefore in principle permit cooling with liquid nitrogen (LN 2 ). It turns out, however, that the voltage signal from such superconducting devices or their SQUIDs does not show any linear proportionality to the magnetic field to be detected or magnetic field gradients and therefore complex electronic control is required.
Im Vergleich zu Flußspannungswandlern mit SQUIDs sind solche mit Hallsensorelementen extrem linear. Ein entsprechendes, einziges Element ist bei der aus der eingangs genannten Lite raturstelle "Cryogenics" zu entnehmenden Sensoreinrichtung vorgesehen. Die bekannte, in Dünnfilmtechnik erstellte Sen soreinrichtung weist eine als Magnetometer gestaltete Flußan tenne aus Hoch-Tc-Supraleitermaterial auf, an welche ein Dünnfilm-Hallsensorelement als ein Flußspannungswandler in duktiv angekoppelt ist. Bei 77 K ist mit einer derartigen Sensoreinrichtung eine Auflösung von etwa 8 pt/√Hz im Be reich des sogenannten weißen Rauschens zu erreichen. Es zeigt sich jedoch, daß mit einer derartigen Sensoreinrichtung in hohem Maße auch magnetische Störfelder detektiert werden, die das zu detektierende Magnetfeld in unerwünschter Weise über lagern. Mit einer derartigen Sensoreinrichtung ist deshalb eine hochauflösende Magnetfelddetektion praktisch nicht mög lich.Compared to forward voltage converters with SQUIDs, those with Hall sensor elements are extremely linear. A corresponding, single element is provided in the sensor device to be extracted from the above-mentioned "Cryogenics" literature site. The known sensor device created in thin-film technology has a flux antenna designed as a magnetometer made of high-T c superconductor material, to which a thin-film Hall sensor element is coupled as a forward voltage converter. At 77 K, such a sensor device can achieve a resolution of about 8 pt / √Hz in the range of the so-called white noise. It turns out, however, that such a sensor device also detects magnetic interference fields to a great extent, which undesirably superimpose the magnetic field to be detected. With such a sensor device, high-resolution magnetic field detection is therefore practically impossible.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die be kannte Sensoreinrichtung dahingehend auszugestalten, daß mit ihr eine hohe Störfeldunterdrückung bei hochauflösender Ma gnetfelddetektion zu gewährleisten ist. Zugleich soll ein sehr einfacher Dünnfilmaufbau zu realisieren sein. Als Dünn film wird hierbei jede Schicht mit einer Dicke von unter 100 µm verstanden.The object of the present invention is therefore to be known sensor device to the effect that with you a high interference suppression with high resolution Ma field detection must be guaranteed. At the same time a very simple thin film construction can be realized. As thin Every layer with a thickness of less than 100 will be film µm understood.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in claim 1.
Die mit dieser Ausgestaltung der Sensoreinrichtung verbunde nen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß eine hoch auflösende Magnetfeldmessung bei verhältnismäßig hohem Störpegel zu gewährleisten ist. Dies ist in erster Linie auf die Verwendung von zwei Flußspannungswandlern in Form von li nearen Sensorelementen statt von SQUIDs und deren Hinterein anderschaltung mit einer antiparallelen Felderfassung beid seitig an dem Mittelsteg der Gradiometer-Doppelschleife zu rückzuführen. Damit ist - im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß der eingangs genannten Literaturstelle aus "Cryogenics" - eine Berücksichtigung des gradientenfreien Anteils des de tektierten Magnetfeldes zumindest weitgehend durch Kompensa tion der diesbezüglichen Spannungssignale zu unterdrücken und praktisch nur eine Feldgradientendetektion zu erreichen. Un ter einem linearen Sensorelement ist dabei ein Sensorelement zu verstehen, daß in einem zu berücksichtigenden Meßbereich ein der Feldstärke eines detektierten Magnetfeld zumindest annähernd (d. h. mit einer Abweichung von unter 10%) linear proportionales Spannungssignal erzeugt.The associated with this configuration of the sensor device Benefits are particularly seen in the fact that a high high-resolution magnetic field measurement Interference level must be guaranteed. This is primarily due to the use of two forward voltage transformers in the form of li near sensor elements instead of SQUIDs and their behind switching with an anti-parallel field detection both on the center bar of the gradiometer double loop return. This is - in contrast to the state of the art according to the above mentioned reference from "Cryogenics" - a consideration of the gradient-free portion of the de detected magnetic field at least largely by means of compensation tion of the related voltage signals to suppress and to achieve practically only a field gradient detection. Un A linear sensor element is a sensor element to understand that in a measuring range to be considered at least one of the field strengths of a detected magnetic field approximately (i.e. with a deviation of less than 10%) linear proportional voltage signal generated.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorein richtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.Advantageous refinements of the sensors according to the invention direction emerge from the dependent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen der linearen Sensorelemente sind Hallsensorelemente oder magnetoresistive Sensorelemente. Als magnetoresistive Sensorelemente können insbesondere solche vorgesehen sein, die Dünnschichtsysteme mit erhöhtem magneto resistiven Effekt sind.Preferred embodiments of the linear sensor elements are Hall sensor elements or magnetoresistive sensor elements. As magnetoresistive sensor elements can in particular be such be provided, the thin film systems with increased magneto are resistive effect.
Besonders vorteilhaft werden Hallsensorelemente vorgesehen. Da nämlich bei solchen Sensorelementen die Felderfassung senkrecht zur Fläche der Elemente erfolgt, können solche Ele mente vorteilhaft in der Ebene der Doppelschleife liegen. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau der Sen soreinrichtung.Hall sensor elements are particularly advantageously provided. Because the field detection with such sensor elements perpendicular to the surface of the elements, such Ele elements advantageously lie in the plane of the double loop. This enables a particularly simple construction of the sen device.
Für die Flußantenne der Sensoreinrichtung können prinzipiell alle elektrisch gut leitenden Materialien, seien es normal leitende oder supraleitende Materialien, verwendet werden. Besonders vorteilhaft kann ein oxidisches Hoch-Tc- Supraleitermaterial vorgesehen sein. Aus einem derartigen Ma terial kann man nämlich auch durch Einstellung eines vorbe stimmten Sauerstoffgehalts auch ein Material mit einem hin reichend großen Hallkoeffizienten ausbilden, so daß dann im Fall einer Verwendung von Hallsensorelementen diese Elemente aus einem Material bestehen, das die metallischen Komponenten des Hoch-Tc-Supraleitermaterials sowie einen vorbestimmten Anteil der Sauerstoffkomponente aufweist.In principle, all electrically highly conductive materials, be they normally conductive or superconductive materials, can be used for the flux antenna of the sensor device. An oxidic high-T c superconductor material can be provided particularly advantageously. From such a material, one can namely also form a material with a sufficiently large Hall coefficient by adjusting a predetermined oxygen content, so that then in the case of using Hall sensor elements, these elements consist of a material that contains the metallic components of the high-T c superconductor material and a predetermined proportion of the oxygen component.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Hallsensorelemente vom 4-Kontakt-Typ sind. Solche Elemente können nämlich insbeson dere derart bezüglich des Mittelstegs der Gradiometer- Doppelschleife angeordnet sein, daß sie insbesondere diesen Mittelsteg als gemeinsame Kontaktfläche besitzen. Eine derar tige Anordnung zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus.It is also advantageous if the Hall sensor elements from Are 4-contact type. Such elements can in particular with respect to the central web of the gradiometer Double loop can be arranged that they especially this Have the center bar as a common contact surface. A derar arrangement is particularly simple Construction from.
Vorteilhaft können die Hallsensorelemente aus einem insbeson dere halbleitenden Material mit einem Hallkoeffizienten von mindestens 100 cm3/A.s gebildet sein. Die Verwendung entspre chender Materialien führt zu hohen Werten der zu gewinnenden Hallspannungen. Eine weitere diesbezügliche Verbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß die Hallsensorelemente gekühlt werden. Dies ist insbesondere dann leicht vorzunehmen, wenn eine supraleitende Flußantenne vorgesehen wird.The Hall sensor elements can advantageously be formed from a semiconducting material in particular with a Hall coefficient of at least 100 cm 3 / As. The use of appropriate materials leads to high values of the Hall voltages to be obtained. A further improvement in this regard can be achieved in that the Hall sensor elements are cooled. This is particularly easy to do if a superconducting flux antenna is provided.
Darüber hinaus ist für die Hallsensorelemente vorteilhaft ei ne Streifenform mit eine Hauptausdehnungsrichtung parallel zu dem Mittelsteg zu wählen. Eine solche Form, bei der die Aus dehnung in der Hauptausdehnungsrichtung mindestens doppelt so groß wie in der Querrichtung sein soll, bringt eine hohes Hallsignal mit sich.In addition, egg is advantageous for the Hall sensor elements ne strip shape with a main direction of expansion parallel to to choose the center bar. Such a form, in which the Aus elongation in the main direction of expansion at least twice as large as it should be in the transverse direction brings a high one Hall signal with itself.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, die in einer einzigen Figur eine bevorzugte Ausführungsform der er findungsgemäßen Sensoreinrichtung zeigt, noch weiter erläu tert. The invention is described below with reference to the drawing which is in a single figure a preferred embodiment of the he sensor device according to the invention shows, further explained tert.
Die Figur zeigt in nicht-maßstabgetreuen Abmessungen eine nach bekannten Verfahren in Dünnfilmtechnik zu erstellende Sensoreinrichtung 2, die auf einem Substrat 3 aus nicht magnetischem Material eine Gradienten-Doppelschleife 4 ange nähert in Form einer rechteckigen Acht aufweist. Die Doppel schleife 4 besteht aus einem elektrisch gut leitenden Materi al. Zu beiden Seiten eines Mittel- oder Querstegs 4a, der den beiden Einzelschleifen 5a bzw. 5b der achtförmigen Doppel schleife gemeinsam ist, sind als lineare Flußspannungswandler gemäß dem ausgewählten Ausführungsbeispiel je ein Hallsensor element 6 bzw. 7 angeordnet. Die Hallsensorelemente 6 und 7 können in Dünnfilm- bzw. Dünnschichttechnik mit einem für solche galvanomagnetischen Bauelemente typischen Material aufgebaut sein. Entsprechende, auch als Hallgeneratoren be zeichnete Hallsensorelemente und deren Funktionsweise sind allgemein bekannt (vgl. z. B. das Buch von H. Reichl u. a. mit dem Titel "Halbleitersensoren", Expert-Verlag, Ehningen (DE), 1989, insbesondere Seiten 243 bis 267, oder das Buch von U. von Borcke mit dem Titel "Feldplatten und Hallgeneratoren" Verlag der Siemens Aktiengesellschaft, Berlin u. a., 1985, insbesondere Seiten 30 und 76 bis 87). Beispiele solcher Ma terialien sind Bi, InAs oder InAsP. Auch Materialien auf Ba sis von Hoch Tc-Supraleitermaterialien, die gegenüber dieses Supraleitermaterialien aufgrund einer Sauerstoffarmut halb leitend sind, können verwendet werden. So ist z. B. an sauer stoffarmem Y-Ba-Cu-O-Material ein hinreichend großer Hall koeffizient zu beobachten.The figure shows in non-scale dimensions a sensor device 2 to be created by known methods in thin-film technology, which has a gradient double loop 4 approximately in the form of a rectangular figure eight on a substrate 3 made of non-magnetic material. The double loop 4 consists of an electrically highly conductive material. On both sides of a central or transverse web 4 a, which is common to the two individual loops 5 a and 5 b of the eight-shaped double loop, a Hall sensor element 6 or 7 are arranged as linear forward voltage converters according to the selected embodiment. The Hall sensor elements 6 and 7 can be constructed using thin-film or thin-film technology with a material typical of such galvanomagnetic components. Corresponding Hall sensor elements, also referred to as Hall generators, and their mode of operation are generally known (cf., for example, the book by H. Reichl, inter alia, with the title "Semiconductor Sensors", Expert Verlag, Ehningen (DE), 1989, in particular pages 243 to 267, or the book by U. von Borcke with the title "Feldplatten und Hallgeneratoren" published by Siemens Aktiengesellschaft, Berlin and others, 1985, especially pages 30 and 76 to 87). Examples of such materials are Bi, InAs or InAsP. Materials based on high T c superconductor materials which are semi-conductive to this superconductor material due to a lack of oxygen can also be used. So z. B. to observe a sufficiently large Hall coefficient on low-oxygen Y-Ba-Cu-O material.
Die Hallsensorelemente 6 und 7 sind vorzugsweise vom soge nannten Vier-Kontakt-Typ in Rechteckform (vgl. z. B. das ge nannte Buch von U. von Borcke, Seiten 23 bis 30) und vorzugs weise als schmale Streifen ausgeführt. Sie weisen jeweils an ihren von dem Mittelsteg 4a abgewandten, dazu parallelen Au ßenseiten Kontakte zum Verbinden mit einer Stromquelle für einen konstanten Einstell- oder Biasstrom IB auf. Dabei sind die Hallsensorelemente 6 und 7 über den Mittelsteg 4a bezüg lich dieses Stroms elektrisch hintereinander (bzw. in Reihe) geschaltet. Die noch erforderlichen äußeren Stromanschlüsse der beiden Elemente sind mit 8a und 8b bezeichnet. Außerdem sind die beiden Hallsensorelemente 6 und 7 bezüglich der an ihnen an Spannungsabgriffen 9a, 9b bzw. 10a, 10b abzunehmen den Hallspannungen derart verschaltet, daß an den Abgriffen 9a und 10b die gesamte Hall-Ausgangsspannung VH beider Ele mente abzunehmen ist. Die zu den Hallspannungen an den ein zelnen Hallsensorelementen 6 und 7 führenden Komponenten EH1 und EH2 der elektrischen Felder zwischen den Spannungsabgrif fen 9a und 9b bzw. 10a und 10b sind somit parallel zu dem Mittelsteg 4a und quer zur Führungsrichtung des Stroms IB ge richtet. Mit einer derartigen Hintereinanderschaltung der Hallsensorelemente 6 und 7 ist zu erreichen, daß sich die auf antiparallele Magnetfeldkomponenten zurückzuführenden Span nungssignale bezüglich paralleler Magnetfelder subtrahieren. Die Folge davon ist, daß der gradientenfreie Anteil des de tektierten Magnetfelds zumindest weitgehend (d. h. zu über 90%) durch Kompensation der diesbezüglichen Spannungssignale eliminiert wird. Damit ist eine praktisch reine Magnetfeld gradienten-Detektion eines magnetischen Feldes mit hoher Ma gnetfeldgradientenauflösung auch bei verhältnismäßig hohem Störpegel zu gewährleisten.The Hall sensor elements 6 and 7 are preferably of the so-called four-contact type in a rectangular shape (see, for example, the ge book by U. von Borcke, pages 23 to 30) and preferably as narrow strips. They each have contacts on their outer sides facing away from the central web 4 a and parallel to them for connecting to a current source for a constant adjustment or bias current I B. The Hall sensor elements 6 and 7 are connected electrically one behind the other (or in series) via the central web 4 a with respect to this current. The still required external power connections of the two elements are designated 8 a and 8 b. Moreover, the two Hall sensor elements 6 and 7 with respect to them at voltage taps 9 a, 9 b and 10 a, 10 b take off connected to the Hall voltage so that at the taps 9 a and 10, the entire Hall output voltage V H b both Ele is to be reduced. The leading to the Hall voltages on the individual Hall sensor elements 6 and 7 components E H1 and E H2 of the electric fields between the voltage taps 9 a and 9 b or 10 a and 10 b are thus parallel to the central web 4 a and transversely to the guide direction of the current I B directed. With such a series connection of the Hall sensor elements 6 and 7 can be achieved that the voltage signals attributable to antiparallel magnetic field components subtract with respect to parallel magnetic fields. The consequence of this is that the gradient-free portion of the detected magnetic field is at least largely (ie over 90%) eliminated by compensating the voltage signals in this regard. This ensures a practically pure magnetic field gradient detection of a magnetic field with a high magnetic field gradient resolution even with a relatively high interference level.
Für die Darstellung in der Figur sind ferner noch folgende
Bezugszeichen gewählt:
W = Ausdehnung der Hallsensorelemente 6 und 7 parallel zum
Mittelsteg 4a,
lb = Basislänge der Gradiometer-Doppelschleife 4, die durch
die Entfernung der parallel zu dem Mittelsteg 4a verlau
fenden Mittellinien durch die Einzelschleifen 5a und 5b
festgelegt ist,
lh = Länge der Anschlüsse 9a, 9b, 10a, 10b an den Hallsenso
relementen 6 und 7 quer zum Mittelsteg 4a,
B = Induktion bzw. die Flußdichte des zu detektierenden ma
gnetischen Feldes im Bereich der Einzelschleifen 5a bzw.
5b, wobei die Flußdichte über dem Bereich der Flußanten
ne variiert,
I = vom Feldgradienten hervorgerufener Abschirmstrom im Mit
telsteg 4a.The following reference numerals have also been chosen for the illustration in the figure:
W = extension of the Hall sensor elements 6 and 7 parallel to the central web 4 a,
l b = basic length of the gradiometer double loop 4 , which is determined by the distance of the center lines running parallel to the central web 4 a through the single loops 5 a and 5 b,
l h = length of the connections 9 a, 9 b, 10 a, 10 b on the Hall sensor elements 6 and 7 transversely to the central web 4 a,
B = induction or the flux density of the magnetic field to be detected in the area of the individual loops 5 a or 5 b, the flux density varying over the area of the flux edges ne,
I = shielding current caused by the field gradient in the center bridge 4 a.
Unter Benutzung der vorstehend aufgeführten Größen wird nach folgend eine Abschätzung der Auflösung einer erfindungsgemä ßen Sensoreinrichtung vorgenommen:Using the sizes listed above, after following an estimate of the resolution of a made sensor device:
Die als achtförmige Doppelschleife 4 gestaltete Flußantenne
ist als ein Gradiometer erster Ordnung anzusehen. In einer
solchen Antenne fließt in dem Mittelsteg 4a ein Abschirmstrom
I, der proportional zu dem Feldgradienten ∇B des zu detek
tierenden Magnetfeldes ist:
The flux antenna designed as an eight-shaped double loop 4 can be regarded as a first order gradiometer. In such an antenna, a shielding current I flows in the central web 4 a, which is proportional to the field gradient ∇B of the magnetic field to be detected:
Dabei sind Aw die Fläche einer Einzelschleife 5a bzw. 5b und Lw die Induktivität einer derartigen Schleife.A w is the area of a single loop 5 a or 5 b and L w is the inductance of such a loop.
Am Mittelsteg 4a erzeugt der Strom I ein Magnetfeld, das zu
ihm proportional ist. Dieses Feld wird dann von den beiden
Hallsensorelementen 6 und 7 erfaßt. Da das Magnetfeld am Mit
telsteg das Vorzeichen wechselt, wechselt auch das Hallfeld
sein Zeichen. Damit verbunden ist, daß das Ausgangssignal der
Hallspannung VH sich verdoppelt hat und außerdem lokale Stör
felder und das lokale Meßfeld, das ohne Flußantenne bereits
vorhanden ist, an den Hallsensorelementen in ihrer Wirkung
eliminiert werden. Die Hallausgangsspannung VH ist dann
At the central web 4 a, the current I generates a magnetic field that is proportional to it. This field is then detected by the two Hall sensor elements 6 and 7 . Since the magnetic field on the center bridge changes sign, the Hall field also changes its sign. This is associated with the fact that the output signal of the Hall voltage V H has doubled and also local interference fields and the local measuring field, which is already present without a flux antenna, are eliminated in their effect on the Hall sensor elements. The Hall output voltage V H is then
VH = 2 . w . EH mit |EH| = |EH1| = |EH2|. (2)V H = 2. w. E H with | E H | = | E H1 | = | E H2 |. (2)
Das vom Strom I erzeugte lokale Feld BH ist mit dem Hallfeld
EH (nach Lorentz) folgendermaßen verknüpft:
The local field B H generated by the current I is linked to the Hall field E H (according to Lorentz) as follows:
so daß gilt:
so that applies:
Dabei sind q die Ladungseinheit (1,6 . 10-19 C), nq die La dungsdichte im Hallmaterial, BH das lokale Magnetfeld am Hallsensorelement und jB die Stromdichte des Einstellstroms Ib bzw. Biasstroms.Here q are the charge unit (1.6. 10 -19 C), n q the charge density in the Hall material, B H the local magnetic field on the Hall sensor element and j B the current density of the set current I b or bias current.
Das lokale Magnetfeld BH läßt sich entsprechend Gleichung (1)
wie folgt beschreiben:
The local magnetic field B H can be described as follows according to equation (1):
wobei M die Gegeninduktivität zwischen dem Mittelsteg 4a und
den Hallsensorelementen ist. Die Gegeninduktivität läßt sich
auch wie folgt darstellen:
where M is the mutual inductance between the central web 4 a and the Hall sensor elements. The mutual inductance can also be represented as follows:
M = w . F, (6)
M = w. F, (6)
wobei F als ein Formfaktor eine geometrieabhängige Induktivi
tät pro Längeneinheit darstellt. Für die an den beiden Hall
sensorelementen 6 und 7 abzugreifende Hallspannung VH ergibt
sich dann
where F as a form factor represents a geometry-dependent inductance per unit length. For the Hall voltage V H to be tapped at the two Hall sensor elements 6 and 7, this then results
Aus dieser Gleichung folgt, daß die Anschlußlänge lh mög lichst klein zu machen ist, um eine entsprechend hohe Aus gangsspannung zu gewinnen. Diese Länge sollte auch die Breite des jeweiligen Hallsensorelements bestimmen. (In der Zeich nung ist die Breite jedes Hallsensorelements zum Zweck einer übersichtlicheren Darstellung übertriegen groß gewählt, ob wohl sie aus den vorstehend genannten Gründen vorteilhaft we sentlich kleiner gewählt wird und insbesondere in etwa der Anschlußlänge/-breite lh weitgehend entsprechen sollte.) From this equation it follows that the connection length l h must be made as small as possible in order to obtain a correspondingly high output voltage. This length should also determine the width of the respective Hall sensor element. (In the drawing, the width of each Hall sensor element is chosen to be larger for the sake of a clearer representation, whether it is advantageously chosen to be considerably smaller for the reasons mentioned above and, in particular, should largely correspond approximately to the connection length / width l h .)
Die Feldgradientenauflösung erfolgt dann aus der Bedingung:
The field gradient resolution is then based on the condition:
Dabei sind ρ der spezifische Widerstand des Hallsensormateri als, dh die Dicke des Hallsensormaterials, kB die Boltzmann konstante und T die absolute Temperatur.Here, ρ is the resistivity of Hallsensormateri than, i.e. the thickness of the Hall sensor material, k is the Boltzmann constant B and T is the absolute temperature.
Aus den Gleichungen (7) und (8) folgt dann die folgende Be
ziehung für die Magnetfeldgradientenauflösung (∇B)min:
From equations (7) and (8) the following relationship for the magnetic field gradient resolution (∇B) min follows:
Dabei sind in der vorstehenden Gleichung rechts vom Gleich heitszeichen der 1. Faktor bedingt durch das Material der Hallsensorelemente, der 2. Faktor bedingt durch die Geometrie der Hallsensorelemente und der 3. Faktor bedingt durch die Geometrie der Flußantenne bzw. Doppelschleife. Aus der Bezie hung der Gleichung (9) ergibt sich, daß man zur Optimierung der Auflösung die Hallsensorelemente vorteilhaft streifenför mig ausbildet, wobei die Streifen eine möglichst große Aus dehnung w parallel zum Mittelsteg 4a, eine möglichst kleine Breite senkrecht zu diesem Mittelsteg und eine verhältnismä ßig große Dicke haben sollten.In the above equation to the right of the equal sign, the 1st factor is due to the material of the Hall sensor elements, the 2nd factor is due to the geometry of the Hall sensor elements and the 3rd factor is due to the geometry of the flux antenna or double loop. From the relation of equation (9) it follows that the Hall sensor elements are advantageously formed in a strip-shaped manner to optimize the resolution, the strips having the greatest possible extension w parallel to the central web 4 a, the smallest possible width perpendicular to this central web and one should have a relatively large thickness.
Für ein konkretes Ausführungsbeispiel seien folgende Werte
angenommen:
Antennenmaterial = Hoch-Tc-Bi-Cuprat
Material der Hallsensoren = Bi
Aw = 32 mm2 (= 8 × 4 mm2)
Lw ≅ 1,2 . 10-8 H
F = 9 . 10-7 H/m (Erfahrungswert, Stand der
Technik)
lb = 4 mm
The following values are assumed for a specific exemplary embodiment:
Antenna material = high T c -Bi cuprate
Hall sensor material = Bi
A w = 32 mm 2 (= 8 × 4 mm 2 )
L w ≅ 1.2. 10 -8 h
F = 9. 10 -7 H / m (empirical value, state of the art)
l b = 4 mm
w = 4000 µm
lh = 10 µm
dh = 1 µm
jB = 109 A/m2 (für Bi bekannter Wert)
ρ = 6,5 . 10-6 Ωcm (für Bi bekannter Wert)w = 4000 µm
l h = 10 µm
d h = 1 µm
j B = 10 9 A / m 2 (value known for Bi)
ρ = 6.5. 10 -6 Ωcm (value known for Bi)
Unter Zugrundelegung dieser Werte ergibt sich dann für die
Feldgradientenauflösung
Taking these values as a basis, the field gradient resolution is then obtained
(∇B)min = 170 fT/cm√Hz.(∇B) min = 170 fT / cm√Hz.
Der vorgenannte Wert ist nur mit wesentlich größeren HTS- SQUIDs und bei geringerem Störpegel zu erreichen.The above value is only possible with much larger HTS SQUIDs and to achieve at a lower noise level.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde davon ausge gangen, daß auch für die Hallsensorelemente ein Bi-Material gewählt wird. Eine weitere Verbesserung ist zu erreichen, wenn man statt dessen andere Materialien für die Hallsenso relemente wählt, die einen größeren Hallkoeffizienten besit zen. Entsprechende Materialien sind dem vorgenannten Buch von U. von Borcke, Seite 30, zu entnehmen. So hat z. B. InAs einen Hallkoeffizienten von etwa 100 cm3/A.s und InAsP einen von 200 cm3/A.s bei Raumtemperatur. Durch Abkühlung der Hallsen sorelemente, insbesondere bei Verwendung von einer Gradiome terschleife mit supraleitendem Material, ergeben sich noch größere Hallkoeffizienten.In the above embodiment, it was assumed that a bi-material is also selected for the Hall sensor elements. A further improvement can be achieved if instead one chooses other materials for the Hall sensor elements that have a larger Hall coefficient. Corresponding materials can be found in the aforementioned book by U. von Borcke, page 30. So z. B. InAs a Hall coefficient of about 100 cm 3 / As and InAsP one of 200 cm 3 / As at room temperature. By cooling the Hall sensor elements, especially when using a Gradiome terschleife with superconducting material, even larger Hall coefficients result.
Bei Verwendung eines Hallsensormaterials auf Basis der Kompo nenten eines für die Gradiometer-Doppelschleife verwendeten Hoch-Tc-Supraleitermaterials besteht die Möglichkeit, den Sauerstoffgehalt gegenüber dem Supraleitermaterial so einzu stellen, daß ein verhältnismäßig hoher Hallkoeffizient zu er reichen ist. Entsprechende Maßnahmen haben zusätzlich den Vorteil, daß man die Gegeninduktivität M auch noch weiter op timieren kann. When using a Hall sensor material based on the components of a high-T c superconductor material used for the gradiometer double loop, it is possible to adjust the oxygen content in relation to the superconductor material in such a way that a relatively high Hall coefficient can be achieved. Appropriate measures have the additional advantage that the mutual inductance M can also be further optimized.
Bei dem vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß als lineare Flußspannungswandler Hall sensorelemente vorgesehen sind. Neben solchen Elementen sind für die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung jedoch auch andere magnetfeldempfindliche Sensorelemente geeignet, die eine li neare Charakteristik zeigen. So können insbesondere magneto resistive Dünnfilmsensorelemente eingesetzt werden. Bei ent sprechenden Sensorelementen kann es sich dabei zum einen um solche vom sogenannten "AMR-Typ" oder zum anderen um solche vom "GMR- oder vom TMR- oder vom CMR- oder vom GMI-Typ" han deln, die gegenüber AMR-Typ-Elementen einen vergleichsweise erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigen. Diese unter der Be zeichnung "XMR-Technologie" zusammengefaßten Typen sind bei spielsweise aus der Veröffentlichung "XMR-Technologien" des VDI-Technologiezentrums "Physikalische Technologien", Düssel dorf, August 1997 zu entnehmen.In the embodiment shown above assumed that as a linear forward voltage converter Hall sensor elements are provided. Besides such elements are for the sensor device according to the invention, however, also others suitable magnetic field sensitive sensor elements that a li Show linear characteristics. For example, magneto resistive thin film sensor elements are used. With ent speaking sensor elements can be, on the one hand those of the so-called "AMR type" or the other around such of the "GMR or TMR or CMR or GMI type" deln compared to AMR-type elements a comparative show increased magnetoresistive effect. This under the Be "XMR technology" types are summarized in for example from the "XMR Technologies" publication of the VDI Technology Center "Physical Technologies", Düssel village, August 1997.
Claims (14)
- - die Flußantenne als achtförmige Gradiometer-Doppelschleife (4) mit einem gemeinsamen Mittelsteg (4a) gestaltet ist,
- - der Flußspannungswandler mit zwei linearen, beidseitig längs des Mittelstegs (4a) angeordneten magnetfeldempfind lichen Sensorelementen (6, 7) ausgebildet ist, die so hin tereinandergeschaltet sind, daß sich ihre durch die gra dientenfreien Anteile des Magnetfeldes hervorgerufenen Spannungssignale zumindest weitgehend kompensieren.
- - The river antenna is designed as an eight-shaped gradiometer double loop ( 4 ) with a common central web ( 4 a),
- - The forward voltage converter with two linear, on both sides along the central web ( 4 a) arranged magnetic field-sensitive sensor elements ( 6 , 7 ) is formed, which are connected in series so that their voltage signals caused by the gra-free portions of the magnetic field at least largely compensate.
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