DE2453540A1 - Magnetoresistives vielfachelement - Google Patents

Description

Tsu 3064

Sony Corporation, Tokyo / Japan

Magnetoresistives Vielfachelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetoresistives Vielfachelement, insbesondere auf ein solches Element, das eine Wellenlängen-Selektivität für periodische magnetische Signale besitzt.

Als Meßelement mit einer Wellenlängen-Selektivität für periodische magnetische Signale, beispielsweise einer magnetischen Skala, wird bisher ein mit einer Anzahl von Spalten versehener Magnetkopf verwendet. Er unterliegt jedoch in beträchtlichem Maße Temperaturänderungen sowie Störungen durch äußere Magnetfelder. Er erfordert weiterhin Spulenwicklungen sowie Sättigungskerne (bei der auf Magnetflüsse ansprechenden Bauart). Einrichtungen mit einem derartigen Vielspalt-Magnetkopf sind daher in ihrem Aufbau kompliziert und aufwendig.

Unter Wellenlängen-Selektivität sei hier die Punktion verstanden, aus einem zusammengesetzten Signal mit unterschiedlichen Prequenzkomponenten einzelne Signale mit bestimmten Frequenzen festzustellen. Wenn beispielsweise die Vielspalt-Magnetköpfe die auf einer magnetischen Skala aufgezeichneten wiederholten magnetischen Signale feststellen, so bedeutet die Wellenlängen-Selektivität

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die Fähigkeit, Signale zu ermitteln, deren Wellenlängen den zweifachen, vierfachen, sechsfachen usw. Wert des Abstandes zwischen benachbarten Spalten des Vielspalt-Magnet kopf es besitzen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein magnetoresistives Vielfachelement zu schaffen, das einfach in seinem Aufbau sowie in seiner Herstellung ist und durch äußere Magnetfelder sowie durch Temperaturänderungen nicht beeinflußt wird.

Das erfindungsgemäße magnetoresistive Vielfachelement ist gekennzeichnet durch

a) erste und zweite magnetoresistive Streifengruppen, die aus ferromagnetischem Material mit anisotroper, magnetoresistiver Wirkung bestehen, elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind und voneinander einen vorbestimmten Abstand aufweisen, wobei die ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen eine Anzahl magnetoresistiver Streifen mit Hauptstromwegteilen aufweisen, die elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind und voneinander einen vorgegebenen Abstand besitzen;

b) einen Ausgangsanschluß, der an einen Verbindungspunkt der ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen angeschlossen ist;

c) Stromanschlüsse, die mit den Enden der ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen verbunden sind;

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- 3 d) eine nit den Stromanschlüssen verbundene Stromquelle.

Einige Äusführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 eine Aufsicht auf ein magnetoresistives Element, das Gegenstand der älteren Anmeldung P 2M 33 645.6 ist;

Fig. 2 ein Prinzipschema des magnetoresistiven Elementes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung des magnetoresistiyen Elements und der Richtung des auf das Element wirkenden Magnetfeldes veranschaulicht;

Fig. 4 ein Ersatz-Schaltbild von Fig. 1;

Fig. 5 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Vielfachelementes;

Fig. 6 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 7 ein Diagramm, das die Charakteristik der Wellenlängen-Selektivität des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Vielfach-Elementes veranschaulicht;

Fig. 8 ein Schema, aus dem die Beziehung zwischen einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elementes und wiederholten magnetischen Signalen hervorgeht;

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Pig. 9 und 10 Schemadarstellung von weiteren Ausführungsbeispielen;

Fig. 11 ein Schema, das die Beziehung zwischen

einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vielfachelements und wiederholten magnetischen Signalen zeigt;

Fig. 12 das Schema eines weiteren Ausführungsbeispieles.

Ein neuartiges magnetoresistives Element wurde von der Anmelderin bereits in ihrer älteren deutschen Anmeldung P 2H 33 6*15.6 vorgeschlagen. Es sei zunächst in seinen Grundzügen näher erläutert.

Das in Fig. 1 veranschaulichte magnetoresistive Element enthält zwei Streifen A und B aus ferromagnetische™ Material, das einen anisotropen magnetoresistiven Effekt besitzt. Ein solches Material ist beispielsweise Nickel-Kobalt. Diese Streifen A und B sind auf eine aus Glas bestehende Grundplatte 1 aufgebracht. Das Aufbringen der Streifen A und B auf die Grundplatte 1 kann beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum erfolgen. Statt dessen können die Streifen A und B auf der Grundplatte 1 auch mittels einer Ätzmethode erzeugt werden, nachdem zuvor ein Film aus ferromagnetischem Material auf die ganze Oberfläche der Grundplatte 1 aufgebracht wurde.

Die Streifen A und B bestehen aus einer Anzahl von Hauptstromwegteilen 2A und 2B sowie aus einer Anzahl von Verbindungsteilen 3A und 3B. Die Hauptstromwegteile 2A verlaufen senkrecht zu den Hauptstromwegteilen 2B. Das eine Ende 4A des letzten Hauptstromwegteiles 2A ist mit dem einen Ende ¹JB des ersten HauptstromwegteiIes 2B ver-

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bunden. Auf diese Weise sind die Streifen A und B in Reihe miteinander geschaltet. Ein Ausgangsanschluß 5 ist mit einem Verbindungspunkt der Streifen A und B verbunden. Ein Stromanschluß 7A ist mit dem einen Ende 6a des ersten Hauptstromwegteiles 2A verbunden; ein weiterer Stromanschluß 7B ist an das eine Ende 6B des letzten Hauptstromwegteiles 2B angeschlossen.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Stromanschlüsse 7A, 7B mit einer Stromquelle 8 verbunden. Der Stromanschluß 7B liegt ferner an Masse. Auf diese Weise erhält man einen Meßkreis 9 für die Richtung des Magnetfeldes H.

Ein Magnetfeld H, das in seiner Stärke ausreicht, um die aus ferromagnetischem Material bestehenden Streifen A und B zu sättigen, wird unter einem Winkel θ gegenüber der Längsrichtung der Hauptstromwegteile 2A der Streifen A an die Streifen A und B angelegt. Die Widerstände 9 _A und % _B der Streifen A und B sind durch folgende Gleichungen gegeben:

= 9j. sin²e + S_/7 cos²9 (1)

S B =?_A cos²© + %_fl sin²e

Hierbei ist %_!L der Widerstand der ferromagnetischen Streifen A oder B bei Sättigung durch ein Magnetfeld, das senkrecht zur Stromflußrichtung der ferromagnetischen Streifen A oder B verläuft. §,, ist der Widerstand der ferromagnetischen Streifen bei Sättigung durch ein Magnetfeld, das parallel zur Stromflußrichtung der ferromagnetischen Streifen A oder B verläuft.

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Die Spannung V_Q am AusgangsanSchluß 5 ergibt sich aus folgender Gleichung

Dabei ist V die Spannung der Stromquelle 8.

Setzt man die Gleichungen(l)und(2) in Gleichung (3) ein, so ergibt sich

^Vo A?cos2e .V

wobei Δξ = B// -3 χ ist.

In Gleichung (4) stellt der erste Ausdruck eine feste Spannung V_ dar (V = -s·⁰— ), während der zweite Ausdruck einen variablen Teil Δν~ der Ausgangsspannung darstellt. Dieser zweite Ausdruck'AV_Q läßt sich wie folgt umformen:

-COB2Ö-V (5)

Hierbei ist 2<?_o =?// ⁺§i » wobei S ₀ der Widerstand der ferromagnetischen Streifen A oder B ist, wenn kein Magnetfeld an die ferromagnetischen Streifen A bzw. B angelegt wird.

Wie Fig. 3 zeigt, ist die Änderung der Ausgangsspannung ein Minimum bei den Richtungen 0° und l80° des Magnetfeldes H, während sich eine maximale Änderung bei den Richtungen 90° und 270° des Magnetfeldes H ergibt. Die Änderung der Ausgangsspannung erfolgt nach einer Sinuskurve.

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Fig. 4 zeigt ein Ersatz-Schaltbild von Fig. 1. Da sich die Widerstände der ferromagnetisehen Streifen A und B mit der Richtung des Magnetfeldes H ändern, können die ferromagnetischen Streifen A und B als veränderliche Widerstände dargestellt werden.

Im folgenden sei nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Gemäß Fig. 5 sind wiederholte magnetische Signale 10 auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium mit einer Wellenlänge Km aufgezeichnet. Die von diesen wiederholten magnetischen Signalen 10 erzeugten Magnetfelder sind so stark, daß sie ein aus einer Vielzahl einzelner Elemente bestehendes magnetoresistives Element 20 sättigen. Eine erste Streifengruppe A enthält eine Anzahl von Streifen des in Fig. 1'veranschaulichten Typs A; sie sind durch Leiter 12 miteinander in Reihe geschaltet. Eine zweite Streifengruppe B enthält eine Anzahl von Streifen des in Fig. 1 veranschaulichten Typs B; sie sind durch Leiter 12' miteinander in Reihe geschaltet. Der Abstand zwischen benachbarten Streifen beträgt ?\. in der ersten Streifengruppe A und in der zweiten Streifengruppe B. Jeder Streifen besitzt die Breite 1. Die Streifen sind gekennzeichnet mit -n,...., -J,...,-l, 0, 1,... +j, .... +n. Ein Anschluß 13 der ersten Streifengruppe A ist mit einem Anschluß 13' der zweiten Streifengruppe B durch einen Leiter 14 verbunden. Ein Ausgangsanschluß 15 ist mit dem Leiter 14 verbunden. Eine Stromquelle 17 liegt zwischen den anderen Anschlüssen 16, 1.6' der ersten bzw. zweiten Streifengruppe A. bzw. B. Der Anschluß 16' liegt ferner an Masse.,

Die erste Streifengruppe A und die zweite Streifengruppe B sind auf den beiden Seiten einer aus Glas bestehenden Grundplatte derart angeordnet, daß die mit denselben Bezugszeichen versehenen Streifen einander Jeweils

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gegenüberliegen. Sie können dabei auch auf derselben Seite der Grundplatte unter Zwischenfügung einer Isolierschicht übereinanderliegen.

Bei dem in Fig. 6 veranschaulichten weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die erste Streifengruppe A und die zweite Streifengruppe B auf derselben Seite der Grundplatte angeordnet. Die Anschlüsse 13' und 16 sind durch einen Leiter 18 miteinander verbunden, an den zugleich der Ausgangsanschluß 15 angeschlossen ist. Der Anschluß 13 ist mit der Stromquelle 17 und der Anschluß 16' mit Masse verbunden. Der Abstand zwischen nten-Streifen der ersten Streifengruppe A und den -nten Streifen der Streifengruppe B beträgt TV, . Entsprechend

beträgt auch der Abstand zwischen benachbarten Streifen in der ersten Streifengruppe A und in der zweiten Streifengruppe B jeweils Λ, . Werden die wiederholten magnetischen Signale 10 als feststehend angenommen und ändert sich der Abstand 71, , so ändert sich die Ausgangs-Spannung am Ausgangsanschluß 15 gemäß Fig. 7, wobei ein Maximum vorliegt bei?c_e = ^~- k (k=l,2,3·..), wobei das magnetoresistive Element 20 die Selektivität der Wellenlänge besitzen kann.

Im folgenden sei die Wellenlängen-Selektivität mathematisch analysiert.

Unter der Annahme, daß nur die Magnetfelder von zwei benachbarten Magneten (entsprechend einer Wellenlänge) auf jeden Streifen wirken (O^ +^ j'-+, η), werden die zusammengesetzten Magnetfelder für jeden Streifen berechnet. Den elektrischen Widerstand jedes Streifens erhält man aus den Gleichungen (1) und (2) unter Berücksichtigung der

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Richtung des zusammengesetzten Magnetfeldes. Die gesamten Widerstände v> λq ^und ^RO ^{der ersten} Streifengruppe A und der zweiten Streifengruppe B ergeben sich wie folgt

27£(n+l)7le ₀ sin 27TnTV e-/7im

Hierbei ist χ die Entfernung von der Lage gemäß iig. 6. Aus den Gleichungen (3), (6) und (7) läßt sich die Ausgangsspannung V₀₀ wie folgt errechnen:

1 ^V I

⁰⁰ " ?A0⁺ 3 BO " ²

[l*2oo.W

ν - 1 ^B°^V° - I°_ AS V * sin 2Tt-ItK m

(C)

(d)

Hierbei ist der erste. Ausdruck eine feste Spannung, während der zweite Ausdruck den veränderlichen Teil der Ausgangs-

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spannung darstellt. In dem zweiten Ausdruck ist (a) eine Konstante, die von den Eigenschaften der Streifen abhängt; der Ausdruck (b) ist ein auf der Breite 1 der Streifen t>eruhender Verlustfaktor; der Ausdruck (c) stellt die Wellenlängen-Selektivität dar und der Ausdruck (d) die Amplitudenänderung der Ausgangsspannung.

Der Ausdruck (c) läßt sich wiedergeben durch »..1.2 .0.2*

Es sei nun der Fall betrachtet, daß Vi ein Maximum ist.

Der Ausdruck cos27T(n+l)A, e/A, m ist ein Maximum oder ein Minimum unabhängig vom Wert von n, wenn T\* /λ/ ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 ist. Bei ■J\e/ 7Un = I k(k=l,2,3. ·.), ergibt sich

= cos7fc(n+l)k = +1 (10),

wobei +1 gilt, wenn k eine gerade Zahl ist oder wenn k eine ungerade Zahl und η eine ungerade Zahl ist, während -1 gilt, wenn k eine ungerade Zahl und η eine gerade Zahl ist.

Der Ausdruck sin2 TTn Ά* e/A,m/sin 2fc TV'e/A/m ist unbestimmt bei TWAm = 1/2 k. Wenn T^e/'^m = 1/2 k +_ β ist, ergibt sich der Grenzwert, wenn B gegen Null geht, mit

■n sin (7t η k-2^n £ ) ^llm

sin (If k +

sin?Tnk'^>cos2X'n Z" cosX'nk

₁ cos7tk*sin2

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- 11 - Λ wobei +η gilt, wenn k eine.gerade Zahl ist oder wenn k

eine ungerade und η eine ungerade Zahl ist, während -n gilt, wenn k eine ungerade Zahl und η eine gerade Zahl ist. Demgemäß ist der Ausdruck sin27Tn7v/ e/h/ m/sin2?f7y/e/A/m ein Maximum oder Minimum bei7Le/7V= 1/2 k.

Infolgedessen ist W- ein Maximum bei Tl e/A/m=l/2 k.

Setzt man die Ergebnisse der Gleichungen (10) und (11) in Gleichung (9) ein, so erhält man

W_e max = 2n + 1 (12),

wobei η und k eine gerade oder eine ungerade Zahl sind.

Fig. 7 zeigt die Charakteristik der Wellenlängen-Selektivität für n=5 und den Bereich 0,5 < Tu e/λ in i

Im folgenden sei die Wellenlängen-Selektivität anhand von Fig. 8 erläutert.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem magnetoresistiven Vielfäch-Element 20 und dem von den wiederholten magnetischen Signalen 10 herrührenden magnetischen Flüssen. Jede Streifengruppe enthält zwei Streifen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Streifen beträgt Ae =—ρ 7Vm(k=l), was durch die ausgezogene Linie in Fig. 8 dargestellt ist* Die Magnetfelder H werden an das magnetoresistive Vielfachelement 20 unter Winkeln von 90° und 270 angelegt. Das maximale Ausgangssignal erhält man am Ausgangsanschluß I5, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Ist der Abstand zwischen den beiden benachbarten Streifen unterschiedlich, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 8 veranschaulicht, so werden die Magnetfelder H an das magneto-

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resistive Vielfachelement 20 unter Winkeln angelegt, die von 90° und 270° abweichen. Das Ausgangssignal verringert sich hierdurch. Es wird daher verständlich, daß das magnetoresistive Element 20 die Wellenlängen-Selektivität bei Xe/% m = —|(k=l) haben kann. Selbstverständlich kann das magnetoresistive Element 20 die

Wellenlängen-Selektivität auch bei 7\/e/7vm k (k=2,3,¹l )

haben. .

Fig. 9 und Io zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei der Ausführung gemäß Fig. 9 sind nur Streifen des Typs A (vgl. Fig. 1) verwendet. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 10 sind dagegen nur Streifen des Typs B (gemäß Fig. 1) benutzt. Der AbstandAe' zwischen der ersten Streifengruppe A (bzw. B) und der zweiten Streifengruppe A¹ (bzw. B') entspricht ( -~^ k + -^p). Der Abstand %e zwischen zwei benachbarten Streifen entspricht k sowohl bei der ersten Streifengruppe A (bzw. B) als auch bei der zweiten Streifengruppe A' (bzw. B'). Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen dem magnetoresistiven Vielfachelement der Fig. 9 oder 10 und dem von den magnetischen Signalen 10 erzeugten Magnetfeld. Die Magnetfelder H werden an die ersten Streifengruppe A (bzw. B) unter Winkeln von 90° bzw. 270° gelegt und an die zweite Streifengruppe A¹ (bzw. B') unter Winkeln von 0° und 180°. Dies ist äquivalent der Tatsache, daß gemäß Fig. die Magnetfelder H der ersten Streifengruppe und der zweiten Streifengruppe unter Winkeln von 90 und 270° zugeführt wurden. Demgemäß können die magnetoresistiven Vielfachelemente 20 der Fig. 9 und 10 die Selektivität einer Wellenlänge haben.

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-.13 -

Bei dem in Fig. 12 veranschaulichten weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Streifen des Typs B in die Streifengruppe A eingefügt. Die Abstände zwischen den Streifen des Typs B und den nächsten Streifen des Typs A sind gleich (-—^k + -J^). Der Abstand zwischen den Streifen an beiden Seiten des Verbindungspunktes zwischen der ersten Streifengruppe und der zweiten Streifengruppe entspricht ( k + —τ——), wenn die Streifen denselben Typ aufweisen. Der Abstand ist dagegen gleich k, wenn die Streifen unterschiedlichen Typ aufweisen.

Die wiederholten magnetischen Signale werden beispielsweise am Umfang eines Drehtisches zum Zwecke der Geschwindigkeitskontrolle aufgezeichnet. Die wiederholten magnetischen Signale können ferner zur Eichung einer magnetischen Skala verwendet, werden. Es ist im allgemeinen schwierig, die wiederholten magnetischen Signale auf irgendeinem magnetischen Medium mit einer ganz exakten Wellenlänge aufzuzeichnen. Aus diesem Grunde ist die Frequenz der aufgezeichneten magnetischen Signale nicht genau konstant.

Da jedoch das erfindungsgemäße magnetoresistive Vielfachelement eine Wellenlängen-Selektivität besitzt, kann es die Länge mehrerer Wellen genau feststellen.

Das magnetoresistive Element wird in einem. Sättigungs-Magnetfeld verwendet. Es wird infolgedessen durch äußere Magnetfelder nicht beeinträchtigt. Wenngleich sich der Widerstand des magnetoresistiven Elementes mit der Temperatur etwas ändert, so sind die Änderungen von Δ % und %

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doch sehr gering, da sich 1,. und ^ ^ in der Gleichung (¹O gleichzeitig mit der Temperatur ändern. Die Ausgangsspannung wird infolgedessen durch Temperaturänderungen nicht beeinträchtigt.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   /lJMagnetoresistives Vielfachelement, gekennzeichnet durch:

   . a) Erste und zweite magneto-resistive Streifengruppen, die aus ferromagnetisehern Material mit anisotroper, magnetoresistiver Wirkung bestehen, elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind und voneinander einen vorbestimmten Abstand aufweisen, wobei die ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen eine Anzahl magnetoresistiver Streifen mit Hauptstromwegteilen aufweisen, die elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind und voneinander einen vorgegebenen Abstand besitzen;

   b) einen Ausgangsanschluß, der an einen Verbindungspunkt der ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen angeschlossen ist;

   c) Stromanschlüsse, die mit den Enden der ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen verbunden sind;

   d) eine mit den Stromanschlüssen verbundene Stromquelle.
2. 2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand "K e zwischen den ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen gleich k ist, wobei Xm die Wellenlänge periodischer magnetischer Signale bedeutet und Jc = 1, 2, 3....

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   Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Hauptstromwegteile der ersten magnetoresistiven Streifengruppe senkrecht zur Richtung der Hauptstromwegteile der zweiten magnetoresistiven Streifengruppe verläuft und daß der Abstand zwischen benachbarten magnetoresistiven Streifen in der ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppe gleich /Ve = k ist.

   Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand λ-e' zwischen den ersten und zweiten magnetoresistiven Streifengruppen gleich _k + (^L-) _ist.

   Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Hauptstromwegteile der ersten magnetoresistiven Streifengruppe parallel zur Richtung der Hauptstromwegteile der zweiten magnetoresistiven Streifengruppe verläuft und daß der Abstand zwischen benachbarten magnetoresistiven Streifen in der ersten und zweiten Streifengruppe gleich ist /Xe = -^S _k .

   Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die erste oder zweite magnetoresistive Streifengruppe wenigstens ein unterschiedlicher magnetoresistiver Streifen eingeschaltet ist, dessen Hauptstromwegteile in ihrer Richtung senkrecht zur Richtung der Hauptstromwegteile der übrigen magnetoresistiven Streifen verlaufen, wobei die Abstände A.e" zwischen diesen unterschiedlichen

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   magnetoresistlven Streifen und den übrigen magnetoresistiven Streifen vor und hinter den unterschiedlichen Streifen gleich sind (^ψ- k + -^p).

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   /P.

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