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Meszfuehler zur Erfassung von oertlichen Magnetfeldern
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung von oertlichen
Magnetfeldern unter Verwendung eines Magnetfeldfuehlers und eines diesem zugeordneten
Koerpers hoher magnetischer Leitfaehigkeit.
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Die erfindungsgemaesze Anordnung kann als neuartige Sonde mit hoher
raeumlicher AuSloesung; zur Messung von Magnet feldern LZ elektrische teiteranordnungen,
insbesondere bandfoermige Streifenleiter, eingesetzt werden und dient zur Bestimmung
des in diesen flieszenden Stromes. Besonders vorteilhaft kann daher mit der Anordnung
z.B. der Stromflusz in Leiterzuegen auf gedruckten Schaltungen gemessen werden,
wobei kein Eingriff in das System zu erfolgen braucht. Der Detektor entnimmt dabei
dem Leitungssystem keinerlei Meszenergie und ist zur Messung von Gleich- und llechselstroemen
gleichermaszen geeignet. Auch sind andere Einsatzmoeglichkeiten der Anordnung denkbar,
z. 3.
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die Messung lokaler Streufelder an der Oberflaeche ferromagnetischer
Koerper. Unter Verwendurlg von ferromagnetischen duennen Schichten mit hoher Widerstandsanisotropie
als magnetfeldempfindliches Material ist die Anordnung in einem groszen Frequenzbereich
von 0 Hz bis etwa 100 erz und in einem groszen Temperaturbereich von 0 K bis etwa
400 K einsatzfaehig. Die Anordnung kann dabei schon in relativ schwachen magnetischen
Feldern hohe Signalspannungen liefern und es kann viahlvieise mit einer dc oder
ac Stromversorgung gearbeitet werden. Als
Duennschichtanordnung
ist sie leicht miniaturisierbar und kann rationell gefertigt werden. Sie wird zweckmaeszig
als Punktsonde mit einer entsprechenden Halterung und einer planparallelen Stirnflaeche
ausgefuehrt, Die Anordnung ist zur Messung lokaler magnetischer Felder auf der Grundlage
bekannter physikalischer Effekte und insbesondere zur Erfassung und fIessung magnetischer
Gleich- und Wechselfelder um elektrische Leiteranordnungen geeignet. Da ein fuer
derartige Zwecke verwendbarer Meszfuehler nicht bekannt ist, soll er mit naheliegenden
technischen Loesungen fuer aehnliche Verwendungszwecke verglichen werden.
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Bekannt ist ein fuer den Handbetrieb verwendbarer magnetoresistiver
Abtaster fuer lokale magnetische Felder, insbesondere von Streufeldern magnetisierter
Medien, wie sie bei magnetischen Kreditkarten, Preisstreifen und anderen digital
kodierten Datenstreifen auftreten (IBM Journ. Reis. u. Dev. 16, 546 (1974).
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Der Abtaster miszt die Staerke des lokalen Streufeldes magnetischer
Dipoluebergaenge. Diese Anordnung besitzt folgende Nachteile: Die Anordnung erfaszt
die Summe aus lokalem Feld und ausgedehnten Stoerfeldern.
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Sie registriert nur die Feldkomponente senkrecht zur Quellenebene
und kann daher nicht zur Messung von magnetischen Feldern an teiteroberflaechen
verwendet werden.
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Der magnetoresistive Effekt des Abtasters ist stark nichtlinear, woraus
eine geringe Magnetfeldempfindlichkeit resultiert.
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Der Abtaster reagiert auf Aenderungen der Umgebungstemperatur stark.
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Bekannt ist weiterhin ein Meszfuehler zur Erfassung von oertlichen
Magnetfeldern bestehend aus einem magnetoresistiven Streifen und einem zugeordneten
Koerper hoher magnetischer Leitfaehigkeit (DE-OS 2620657).
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Der Koerper hoher magnetischer Leitfaehigkeit wirkt als Nebenschluszschicht
fuer auf das magnetoresistive Element wirkende Felder, wodurch der Meszfuehler erst
oberhalb einer vorgegenenen Staerke des jeweiligen lIagnetSeldes entspricht. Diese
Anordnung
besitzt folgende Nachteile: Sie gestattet nur die Messung
von Feldern oberhalb eines Schwellwertes.
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Der magnetoresistive effekt des Meszfuehlers ist stark nichtlinear
und reagiert auf Aenderungen der Umgebungstemperatur stark. Die Anordnung ist nicht
in der Lage, Messungen unabhaengig von ausgedehnten Feldern,also etwa unabhaengig
vom Erdmagnetfeld durchzufuehren.
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Mit der Erfindung wird das Ziel verfolgt, eine handliche, hochempfindliche
Punkt sonde fuer lokale magnetische Felder, insbesondere parallel zur Oberflaeche
elektrischer Leiteranordnungen zu schaffen, die fuer Gleich- und Wechselfelder gleichermaszen
geeignet ist und deren Ergebnissignal nicht von ausgedennten externen magnetischen
Feldern und von Temperaturaenderungen beeinfluszt wird. Auszerdem soll sie eine
Richtungsempfindlichkeit bezueglich oertlicher Magnetfelder besitzen.
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Die Ursache der Abhaengigkeit des Ergebnissignals von ausgedehnten
seuszeren Feldern liegt darin, dasz das magnetfeldempfindliche Element stets die
Summe aus lokalem Feld und aeuszerem Feld registriert. Bei Verwendung eines Koerpers
hoher magnetischer Leitfaehigkeit in der Naehe des Elementes wirkt dieser als magnetischer
Nebenschlusz fuer lokale Felder und die Empfindlichkeit der Anordnung ist gering.
Andererseits ist der magnetoresistive Effekt in kleinen magnetischen Feldern eine
quadratische Funktion der Feldstaerke, sodasz keine ausreichende Feldempfindlichkeit
erzielt werden kann. Der relativ hohe Temperaturkoeffizient des magnetoresistiven
Materials wirkt sich ebenso unguenstig auf den Einsatz der bekannten Anordnung als
Meszfuehler aus.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine als Meszwandler
fuer magnetische Felder von Leiteroberflaechen und aehnliche Aufgaben verwendbare
Anordnung zu schaffen, die nicht von aeuszeren magnetischen Stoerfeldern und Schwankungen
der Umgebungstemperatur beeinfluszt wird und eine hohe EmpSindlichkeit fuer oertliche
magnetische Felder besitzt.
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Erfindungsgemaesz wird diese Aufgabe dadurch geloest, dasz die Anordnung
zur Entkopplung eines Meszsignals vom Einflusz ausgedehnter Felder einen Magnetfeldfuehler
in Porm eines duennen streifenfoermigen magnetoresistiven Elementes, Mittel zur
Linearisierung des magnetoresistiven Effektes und zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit
sowie einen plattenfoermigen Koerper hoher magnetischer Leitfaehigkeit, der eine
Flaechenausdehnung besitzt, die einem Vielfachen des magnetoresistiven Elementes
entspricht und sich in einem Abstand von mindestens dessen Streifebreite von diesem
entfernt befindet, enthaelt.
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Vorteilhaft ist es, wenn das streifenfoermige magnetoresistive Element
aus einer oder mehreren uniaxiale oder unidirektionalen ferromagnetischen duennen
Schichten auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, thermisch gut leitfaehigen
Substrat besteht, bei denen die Vorzugsachse oder Vorzugsrichtung um einen zwischen
Co und 900 liegenden Winkel, insbesondere 450 , gegen die Stromfluszachse geneigt
ist und wenn die Vorzugsachse oder Vorzugsrichtung der Magnetisierung parallel zur
Laengsachse des Streifenlelters liegt und der Neigungswinkel der Stromfluszachse
zur Vorzugsachse oder Vorzugsrichtung durch eine Mehrzahl paralleler Aequipotentialflaechen,
welche unter eines zwischen 300 und 600 liegenden Winkel, insbesondere 450 , gegen
die Laengsachse des Streifenleiters aufgebracht sind, hervorgerufen wird.
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Die Kompensation des Temperaturkoeffizienten des Elementes gelingt
dadurch, dasz unter- oder oberhalb des magnetoresistiven Streifens eine mit diesem
elektrisch verbundene Schicht aus einein Material mit hohem negativen Temperaturkoeffizienten
aufgebracht ist.
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Vorteilhaft ist die Anordnung so aufgebaut, dasz das magnetoresistive
Element aus vier zu einer lieatstone-Bruecke verbundenen magnetoresistiven Streifenleitern
besteht, wobei die die Bruekkerzweige darstellenden Streifenleiter gleicher Abmessung
sich parallel zueinander, in jeweils gleichen, moeglichst geringen. Abstand befinden,
die Brueckenzweige in symmetrischer Weise verbunden sind und die Orientierung der
Aequipotentialflaechen jeweils benachbarter Brueckenelemente derartig erfolgt, dasz
die Summe der Phasenwinkel gegen die Laengsachse der Streifenleiter 1800 ergibt.
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Sie kann als miniaturisierte Duenn ach icht an ordnung ausgefuehrt
sein, wobei die Schicht hoher magnetischer Leitfaehigkeit sich
auf
dem Traegersubstret unterhalbdes magnetoresistiven Elementes oder auf der Rueckseite
des Substrates befindet, magnetisch isotrop ist oder eine Vorzugsachse parallel
zur Laengsrichtung des magnetoresistiven Elementes besitzt.
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Der Koerper hoher magnetischer Leitfaehigkeit kann das rnagnetfeldempfindliche
Element U-foermig umgeben.
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Der Magnetfeldfuehler kann eine langgestreckte streiLen- oder drahtfoermige
Leiteranordnung parallel zur Laengsachse des magnetoresistiven Elementes als Quelle
oertlicher Magnetfelder in moeglichst geringem Abstand zugeordnet sein.
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Vorteilhaft ist auch, wenn seitens des Koerpers hoher magnetischer
Leitfaehigkeit eine der Sonde angepaszte Traegervorrichtung, insbesondere in Form
eines langgestreckten zylinderfoermigen metallischen Koerpers, seitens des magnetoresistiven
Element tes eine planparallele Stirnflaeche aus einer Isolatorschicht, deren Dicke
die Querausdehnung des magnetoresistiven Elementes nicht uebersteigt, vorgesehen
ist.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausfuehrungsbeispielen naeher
erlaeutert werden. In den zugehoerigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Meszfuehler
zur Erfassung von oertlichen Magnetfeldern, bestehend aus einem magnetoresistiven
Element, einem Substrat und einem Koerper hoher magnetischer Leitfaehigkeit.
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Fig. 2 einen Meszfuehler zur Erfassung von oertlichen Magnetfeldern,
bestehend aus einer Brueckenanordnung magnetoresistiver Elemente, einem Substrat
und einem Koerper hoher magnetischer Leitfaehigkeit.
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Fig. 3 einen Abschnitt von zwei benachbarten Brueckenelementen mit
aufgebrachten Aequipotentialflaechen.
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Fig. 4 den Querschnitt durch einen Meszfuehler mit Kompensationselement
und zugeordneten elektrischen Leiter als Quelle des oertlichen ignetfeldes, sowie
einen U-foermig anale ordneten Koerper hoher magnetischer Beitfaehigkeit.
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Fig. 5 eine komplette Punktsonde mit handlicher Halterung urd planparalleler
Stirnflaeche .
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In wig. 1 ist ein gemaesz der Erfindung gestalteter Meszfuehler dargestellt.
Ein nagnetoresistives Element 1 befindet sich auf einem ebenen, elektrisch isolierenden,
gut waermeleitfaehigen Koerper 2, vorzugsweise aus Materialien wie thermisch oxydierter
bzw. undotierter Si-Einkristall, Saphir-Einkristall oder Berylliumoxid-Keramik,
wobei dessen Dicke d die Breite b des magnetoresistiven Elementes ueberschreitet.
Ein Koerper 3 mit wesentlich hoeherer magnetischer Leitfaehigkeit als das magnetoresistive
Element ist als magnetisch isotrope hochpermeable Schicht auf der Rueckseite des
Traegersubstrates aufgebracht.
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Die hohe magnetische Leitfaehigkeit wird durch eine entspreend grosze
Dicke des Materials und dessen hohe Permeabilitaet bewirkt. Entsprechend der raeumlichen
Anordnung der magnetisalzen Funktionselenente 1 und 3 werden raeumlich ausgedehnte
Felder Xeert vorzugsweise durch die hier als Nebenschlusz- oder Abschirmschicht
wirkende Schicht hoher magnetischer Leitfaehigkeit gefuehrt, waehrend oertlich begrenzte
magnetische Felder Hlok vorzugsweise das magnetoresistive Element 1 durchsetzen
und aussteuern.
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Zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes und Verringerung
der Temperaturempfindlichkeit ist das magnetoresistive Element aus mehreren Teilen
zusammengesetzt. Die magnetoresistive Funktionsschicht la selbst besteht aus einer
einachsigen, etwa 30 nm dicken NiFeOo-Permalloyschicht, deren Vorzugsachse V. A.
parallel zur Laengsrichtung des magnetoresistiven Elementes liegt. Diese Vorzugsachse
bildet mit der Stromrichtung I einen Winkel 45°. Die Schraegstellung der Stromrichtung
wird durch schraege, elektrisch gut leitende schmale Metallstreifen 1b, die in elektrischem
Kontakt mit der magnetoresistiven Schicht stehen, bewirkt. Der erforderliche Winkel
zwischen Stromrichtung und Vorzugsachse kann auch mit anderen Mitteln realisiert
werden. Moeglich sind zum Beispiel das Stoppen der Vorzugsachse gegenueber der Laengsrichtung
des magnetorisistiven Elements mit Hilfe einer induzierten einachsigen Anisotropie,
das Herausdrehen der Anfangslage der Magnetisierung mit Hilfe magnetostatisch- bzw
austauschgekoppelter ferromagnetischer bzw. antiferromagnetischer Hifsschichten,
Shunt-Streifenleitern oder magnetostatisch gekoppelter Doppelschichten ferromagnetischen
magnetoresistiven
Materials und Kombinationen aller angegebenen Methoden.
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Zur Verringerung des Temperaturkoeffizienten des magnetoresistiven
Elementes ist eine mit der magnetoresistiven Funktionsschicht elektrisch verbundene
Nebenschluszschicht 1c mit hohem negativen Temperaturkoeffizienten vorgesehen, welche
den magnetoresistiven Effekt infolge ihres hohen Widerstandes nur wenig beeinfluszt.
Deren Dicke ist so bemessen, dasz der schwach positive Temperaturkoeffizient des
magnetoresistiven Materials zu Null kompensiert wird.
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Das magnetoresistive Element wird mit dem Konstant strom 1 betrieben,
der ueber entsprechende Zuleitungen 4-5 zugefuehrt wird.
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Eine sehr attraktive Loesungsvariante des Meszfuehlers zeigt Fig.
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2, wobei das magnetoresistive Element aus vier Teilelementen ld -
if zusammengesetzt ist, die zu einer Wheatstone-Bruecke elektrisch verbunden sind.
Diese Variante zeichnet sich durch eine besonders hohe Linearitaet des Ergebnissignals
vom zu messenden Signalfeld und eine nahezu vollstaendige Kompensation der Temperaturempfindlichkeit
aus. Die Bruecke wird dabei mit den Strom 21 betrieben, die Differenzspannung U
stellt das Ergebnissignal des Meszfuehlers dar.
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Entsprechende Zuleitungen zur Meszbruecke 6-10 sind vorgesehen.
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Die Linearisierung des magnetoresistiven Effektes der Elemente der
Meszbruecke erfolgt ebenso, wie in Fig. 3 gezeigt wird, mittels schraeg aufgebrachter
metallischer Aequipotentialstreifen.
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Zur Erzielung einer entgegengesetzten Polaritset der viderstandsaenderung
benachbarter Brueckenelemente sind die Metallstreifen gegen die Laengsachse der
Streifenleiter so orientiert, dasz die Summe der Phasenwinkel zweier Metallstreifen
benachbarter Brueckenelemente 1d und le gegen diese Achse 1800 betraegt.
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In Fig. 4 ist ein Querschnitt senkrecht zur Substratebene quer zur
Laengsachse des magnetoresistiven Elementes dargestellt. Der isolierende Koerper
2 und der Koerper hoher magnetischer Leitfaehigkeit 3 umgeben das magnetoresistive
Element 1 U-foermig.
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Diese Variante bietet den Vorteil, dasz die Shunt-¢irkung fuer ausgedehnte
magnetische Felder verstaerkt wird. Ein Streifenleiter 11 ist elektrisch isoliert
ueber dem magnetoresistiven Element angeordnet und kompensiert das lokale magnetische
Peld,
welches auf das magnetoresistive Element wirkt, vollstaendig.
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Als Quelle des lokalen magnetischen Feldes dient ein stromfuehrender
Streifenleiter 12. Die komplette Anordnung wirkt daher als Nulldetektor in einem
Regelkreis und zeichnet sich durch ein exakt linearisiertes Ergebnissignal aus,
wobei eine Uebersteuerung bzw. Saettigung des magnetoresistiven Meszstreifens verhindert
wird. Stoerungen infolge des Ummagnetisierungsprozesses der magnetischen Schicht
entfallen daher.
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In Fig. 5 ist die komplette Punktsonde zur Messung von oertliehen
Magnetfeldern mit Halterungsvorrichtung 13 und planpaalleler Stirnflaeche 14 dargestellt.
Als Halterung wird ein langgestreckter, duenner, zylinderfeermiger Metallstab verwendet,
in dessen Mantelflaeche entsprechende Nuten 15 fuer die Zuleitungen zum Meszfuehler
vorgesehen sind. Das oertliche magnetische Peld, welches den stromfuehrenden Leiter
12 umgibt, berechnet sich nach der Beziehung Hlok = It/3v, wenn w die Breite dieses
Leiters mit vernachlaessigbarer Dicke ist. Aus dem Ergebnissignal der Meszsonde
kann daher bei bekannter Breite des stromfuehrenden Leiters der Stromflusz I' ermittelt
werden.
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-L e e r s e i t e-