DE3711326A1 - Sensor mit kerreffekt - Google Patents

Sensor mit kerreffekt

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DE3711326A1 DE19873711326 DE3711326A DE3711326A1 DE 3711326 A1 DE3711326 A1 DE 3711326A1 DE 19873711326 DE19873711326 DE 19873711326 DE 3711326 A DE3711326 A DE 3711326A DE 3711326 A1 DE3711326 A1 DE 3711326A1
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Alcatel Lucent Deutschland AG
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Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit Kerreffekt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Anordnung ist aus der GB-PS 9 85 034 bekannt. Die bekannte Anordnung besteht aus einer Lichtquelle, einem Polarisator, einem Reflektor, einem Analysator und einem Lichtdetektor. Der Reflektor weist eine ferromagnetische, magnetooptische, den Kerreffekt zeigende Schicht auf. Diese Anordnung dient zum optischen Auslesen binärer Signale, die durch die Richtung einer eingeprägten Magnetisierung gebildet sind. Es treten dabei zwei um 90° zueinander verdrehte Magnetisierungsrichtungen auf. Die Orientierung der Magnetisierung wird aufgrund des optischen Kerreffekts mit Hilfe von polarisiertem Licht ausgelesen.
Das Funktionsprinzip des hier verwendeten optischen Kerreffekts ist im folgenden erläutert. Durch die Anordnung bedingt tritt linear polarisiertes Licht auf den Reflektor, wobei die Polarisationsebene und die Reflektionsebene einen rechten Winkel bilden. Aufgrund des Kerreffekts tritt bei der Reflexion zusätzlich zur normalen Reflexion eine Kerrkomponente auf, die ebenfalls linear polarisiert ist und deren Schwingungsebene einen rechten Winkel zur Schwingungsebene des normal reflektierten und ebenfalls linear polarisierten Lichts aufweist. Die Amplitude der Kerrkomponente ist dabei proportional zu der Magnetisierungskomponente des Reflektors, die parallel zur Einfallsebene liegt. Der Analysator ist so ausgerichtet, daß er die Kerrkomponente des reflektierten Lichtes durchläßt.
Die bekannte Anordnung eignet sich besonders zum Auslesen binärer Daten, die über einen elektrischen Leiter dem Reflektor eingeprägt werden. Der optische Weg zwischen Lichtquelle und Detektor ist dabei möglichst kurz, was auch eine thermische Kopplung bewirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu schaffen, der eine möglichst geringe Kopplung mit dem Meßbereich aufweist und eine größere räumliche Trennung zwischen Meßbereich und elektrischem Meßsignal ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und dem folgenden Teil der Beschreibung zu entnehmen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß keine spezielle Fokussiereinrichtung zum Bündeln des reflektierten Lichts notwendig ist, die beim Justieren der Anordnung zusätzliche Justierschritte mit sich bringt.
Fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden beschrieben, davon sind vier in den Fig. 1 bis 4 abgebildet. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel, einen Magnetfeldsensor im Schnitt,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel, einen Kraftsensor im Schnitt, und
Fig. 4 eine für die vorgenannten Ausführungsbeispiele alternative optische Einrichtung.
Beim ersten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Sensor als Magnetfeldsensor 1 ausgebildet. Er besteht aus einem diamagnetischen Träger 2, der einen Hohlraum 3 und zwei Öffnungsn 4, 4′ aufweist. In der Öffnung 4 ist ein Polarisator 5, in der Öffnung 4′ ein Analysator 6 angeordnet. Im Hohlraum 3 befindet sich ein Prisma 7, an dessen Basisfläche 8 eine ferromagnetische Schicht 9 angebracht ist. Der Magnetfeldsensor 1 wird im folgenden, soweit er oben beschrieben ist, Sensorspitze 13 genannt und ist in Fig. 1 im Schnitt abgebildet. Zusätzliche Teile des Magnetfeldsensors 1, wie eine Lichtquelle 10, ein Lichtdetektor 11 und der Lichtweg sind in Fig. 1 ebenfalls abgebildet.
Als Lichtquelle 9 eignet sich besonders ein HeNe-Gaslaser, der eine Emissionswellenlänge l o=633 nm und Öffnungswinkel von 0,03° aufweist. Dies bedeutet, daß der Lichtstrahl auch über eine mehrere Meter weite Entfernung zwischen Lichtquelle 10 und Sensorspitze 13 und/oder Lichtdetektor 11 und Sensorspitze 13 gebündelt bleibt, ohne daß hierfür besondere Fokussierungseinrichtungen notwendig sind, und ohne daß die Funktion des Magnetfeldsensors 1 beeinträchtigt wird. Der Lichtdetektor 11 weist eine Siliziumdiode auf, die im Spektralbereich der Wellenlänge l o empfindlich ist. Es ist vorteilhaft, vor dem Lichtdetektor 11 ein optisches Filter 12 anzuordnen, um z.B. Streulicht auszufiltern. Als Polarisator 5 und Analysator 6 eignen sich besonders Polarisationsprismen.
Der Träger 2, das Prisma 7, die ferromagnetische Schicht 9, der Polarisator 5 und der Analysator 6 sind, wie in Fig. 1 abgebildet, spiegelsymmetrisch aufgebaut und angeordnet. Das Licht dringt durch den Polarisator 5 in den Hohlraum 3 des Trägers 2 ein und wird dort an einer Seitenfläche des Prismas 7 in Richtung des Mittelpunktes der Basisfläche 8 gebrochen. Da an dieser Stelle der Basisfläche 8 die ferromagnetische Schicht 9 aufgebracht ist, wird das Licht reflektiert und an der zweiten Stirnfläche des Prismas 7 in Richtung Analysator gebrochen. Licht mit der richtigen Polarisation kann durch den Analysator 7 dringen. Der Polarisator 6 ist so orientiert, daß der einfallende Lichtstrahl in der Einfallsebene polarisiert ist. Das Laserlicht weist dabei schon diese Schwingungsebene auf, der Polarisator 6 verhindert lediglich den Einfall von Streulicht anderer Schwingungsebenen in den Hohlraum des Trägers 2. Der Lichtstrahl trifft anschließend in gleicher Weise auf die ferromagnetische Schicht 9, die den optischen Kerreffekt zeigt, so daß das von der ferromagnetischen Schicht 9 reflektierte Licht zwei Komponenten aufweist, nämlich eine normale Komponente, deren Schwingungsebene gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl beibehalten bleibt und eine Kerrkomponente, deren Schwingungsebene gegenüber der normalen Ebene um 90° gedreht ist. Beide reflektierten Komponenten treffen dann über das Prisma auf den Analysator 7, der so orientiert ist, daß ihn die Kerrkomponente durchdringen kann. Hierzu weist der Analysator 7 gegenüber dem Polarisator 6 eine Verdrehung in der Orientierung von 90° + α auf, mit α=+2° oder α=-2°. Die normale Reflexionskomponente wird im Analysator 2 größtenteils absorbiert. Die Abweichung vom 90°-Winkel um den Winkel α dient zur Linearisierung des Signals und zur Signalverstärkung, indem auch ein Teil der normalen Reflexionskomponente durchgelassen und nachgewiesen wird. Die Intensität der Kerrkomponente ist dabei proportional zur magnetischen Induktion eines anliegenden Magnetfeldes H.
Die ferromagnetische Schicht 9 besteht aus einer amorphen Legierung mit der Zusammensetzung Co₇₂Fe₈B₂₀, die extrem weichmagnetisch ist und sich daher zum analogen Nachweis von Magnetfeldern besonders eignet. Metallische Legierungen und amorphe Legierungen anderer Zusammensetzung finden ihre Anwendung beim digitalen oder gar binären Nachweis von Magnetfeldern. Die Intensität der Kerrkomponente ist linear von der Magnetisierung M der ferromagnetischen Schicht 9 abhängig und wird zur Bestimmung der Richtung von M herangezogen. Die Richtung von M hängt vom zu messenden äußeren Magnetfeld H ab. So gilt z.B. für den Fall, daß das äußere Magnetfeld H und die schwere Richtung der ferromagnetischen Schicht 9 parallel liegen, für den Winkel ϕ zwischen der Magnetisierung M und der "leichten Richtung"
sin ϕ = H/H K
mit H k als Anisotropiefeldstärke. Über diese Abhängigkeit wird die magnetische Induktion eines Magnetfeldes H über die Intensität I der reflektierten Kerrkomponente nachgewiesen.
Letztlich wird die magnetische Induktion eines Magnetfeldes H in ein elektrisches Signal umgewandelt, wobei der Teil der Anordnung, der elektrische Anschlüsse aufweist, und der tatsächliche Meßort räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.
Um Störungen der Messung durch Umgebungslicht zu unterdrücken, kann der Strahl mit Hilfe eines mechanischen Zerhackers oder eines elektro- oder magnetooptischen Schalters moduliert werden. Die Modulation bewirkt gleichzeitig eine Rauschverminderung in der Nachweiselektronik. Die Messung erfolgt zweckmäßiger Weise mit einem schmalbandigen Lock-in Verstärker.
Beim Nachweis statischer Magnetfelder ist es erforderlich, das optische Signal zu normieren, hierzu wird ein Referenzstrahl erzeugt. In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel abgebildet, bei dem der Meßstrahl und ein Referenzstrahl gemeinsam detektiert und verstärkt werden. Dabei wird der aus einem Laser kommende Lichtstrahl in einem Strahlteiler T 1 geteilt, dabei bildet der eine Teil den Meßstrahl und der andere Teil den Referenzstrahl. Der Meßstrahl wird über einen optischen Schalter S 1 einer Sensorspitze Ss zugeleitet, durchläuft diese, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, und fällt auf einen teildurchlässigen Spiegel T 2. Der Referenzstrahl wird über einen Spiegel Sp 1, einen optischen Schalter S 2 und einen Referenzreflektor Rr zu einem Spiegel Sp 2 geleitet und fällt zuletzt ebenfalls auf den teildurchlässigen Spiegel T 2, so daß beide Teilstrahlen in ihrer Richtung wieder zusammenfallen.
Der Referenzreflektor Rr und die Sensorspitze Ss sind dicht nebeneinander angeordnet, so daß die beiden optischen Wege des Meßstrahles und des Referenzstrahles gleich lang sind. Der teildurchlässige Spiegel T 2 ist so dimensioniert, daß beide Strahlen nach Durchlauf des teildurchlässigen Spiegels T 2 Intensitäten in der gleichen Größenordnung aufweisen. Die beiden Strahlen werden über einen optischen Frequenzfilter F auf einen Lichtdetektor D geleitet und in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches anschließend einem Verstärker V und danach einem Lock-in Verstärker LV zugeführt wird. Der Lock-in Verstärker LV und die beiden optischen Schalter S 1 und S 2 sind mit einem Funktionsgenerator G verbunden, der die beiden optischen Schalter S 1 und S 2 abwechselnd öffnet und dem Lock-in Verstärker L den zugehörigen Synchrontakt liefert. Im Lock-in Verstärker LV wird nun das Differenzsignal gebildet und verstärkt. Dieses Signal wird an einen Prozessor mit Ausgabe weitergeleitet.
In einem dritten Ausführungsbeispiel (keine Figur) wird der aus einem Laser kommende Lichtstrahl 2n-fach aufgeteilt und entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel über 2n optische Schalter S 1, ..., S 2n nacheinander auf n Sensorspitzen mit Referenzreflektoren geleitet, wobei alle 2n optischen Wege wieder in einem Lichtdetektor L zusammentreffen. Die Signale werden dabei entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel weiterverarbeitet. Dabei werden statt der zwei Takte 2n Takte notwendig sein. Auf diese Weise lassen sich mit nur einem Laser und nur einer Nachweis- und Auswertevorrichtung Magnetfelder an n verschiedenen Stellen oder n unterschiedlichen Magnetfeldkomponenten messen. Es ist auch denkbar, anstelle der n Referenzreflektoren nur einen repräsentativen Referenzreflektor anzuordnen.
Die Lichtstrahlen zwischen der Sensorspitze Ss (Referenzreflektor Rr) und dem Laser und/oder dem Lichtdetektor können auch durch optische Wellenleiter, wie Glasfasern, geleitet werden. In diesem Fall kann das ausgestrahlte Licht auch einen Öffnungswinkel größer als 1 Grad aufweisen. Diese Ausführung hat dann den Vorteil, daß der Lichtstrahl vor Staub, Nebel oder sonstigen Einflüssen geschützt ist. Ferner können auch Strecken über mehrere hundert Meter überwunden werden.
In einem vierten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) wird ein Kraftsensor 20 beschrieben, auf den die in den vorher genannten Ausführungsbeispielen gemachten Überlegungen übertragbar sind. Es wird daher nur die Sensorspitze 21 des Kraftsensors 20 beschrieben. Sie besteht aus einem ferromagnetischen Träger 22, der einen Hohlraum 23 und drei Öffnungen 24, 24′ und 25 aufweist. In der Öffnung 24 ist ein Polarisator 26, in der Öffnung 24′ ein Analysator 27 und in der Öffnung 25 ist ein Biegeplättchen 28 angebracht. Auf der hohlraumseitigen Fläche des Biegeplättchens 28 befindet sich eine ferromagnetische Schicht 29. Im Hohlraum 23 ist ein Prisma oder sind zwei Teilprismen 30, 31 angeordnet. Der Verlauf des Lichtstrahles im Bereich der Sensorpsitze 21 ist aus dem ersten Ausführungsbeispiel übertragbar. Der einzige wesentliche Unterschied liegt in der Ursache für die Veränderung der Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 29 und dem sich daraus ergebenden Meßergebnis.
Die ferromagnetische Schicht 29 ist eine amorphe Legierung aus Fe₈₀B₂₀, deren Magnetisierung unter Spannung die Richtung ändert. Eine mechanische Spannung σ in der ferromagnetischen Schicht 29 erzeugt eine Anisotropiefeldstärke
mit λ als Magnetostriktion der ferromagnetischen Schicht 29. Die ferromagnetische Schicht 29 weist eine "innere leichte Richtung" und eine durch Spannungsanisotropie gebildete "zweite leichte Richtung" auf. Bilden nun die "innere leichte Richtung" und die "zweite leichte Richtung" einen Winkel von +45° oder -45°, so läßt sich die resultierende leichte Richtung durch mechanische Spannung und Druck in einem Winkelbereich von nahezu 90° drehen. Die Magnetisierung folgt dieser resultierenden leichten Richtung. Durch die Drehung der Magnetisierung ändert sich die Komponente der Magnetisierung parallel zur Einfallsebene und damit auch das Meßsignal.
Wenn für die ferromagnetische Schicht 29 Dehnung als auch Stauchung zu erwarten sind, schließen die "innere leichte Richtung" und die Einfallsebene einen Winkel von 45° ein, damit zwischen Dehnung und Stauchung kein Vorzeichenwechsel der Magnetisierung, der nicht meßbar wäre, bezüglich der Einfallsebene des Lichtstrahles auftritt. Ist nur Stauchung oder Dehnung zu erwarten, ist es vorteilhaft, die "innere leichte Richtung" in die Einfallsebene des Lichtstrahls zu legen, um den Meßbereich zu erweitern. Die Dehnung oder Stauchung erfährt die ferromagnetische Schicht 29 über das Biegeplättchen 28, auf das die zu ermittelnde Kraft einwirkt. Soll der Kraftmesser als Druckmesser (Gasdruck) dienen, ist es erforderlich, daß der Hohlraum geschlossen und der darin herrschende Gasdruck bekannt ist.
Im fünften Ausführungsbeispiel wird eine alternative Anordnung des optischen Aufbaus einer Sensorspitze prinzipiell angegeben. Sie besteht aus drei gleich großen, gleichseitig ausgebildeten Substraten. Auf zwei Substraten ist jeweils eine Metallschicht 40, 41, z.B. eine Aluminiumschicht, auf dem dritten Substrat ist eine ferromagnetische Schicht 43 gemäß den vorhergehenden Ausführungsbeispielen aufgebracht (Fig. 4). Die drei Substrate sind, einen Tetraeder 44 bildend, angeordnet. Ein linear polarisierter Lichtstrahl tritt nun durch die offene Fläche des Tetraeders 44 ein und wird von der Metallschicht 40 auf die ferromagnetische Schicht 42, danach auf die Metallschicht 41 und von dort parallel zum einfallenden Lichtstrahl reflektiert. Die Schwingungsebene des Lichtstrahles liegt beim Auftritt auf die ferromagnetische Schicht parallel zu dessen Einfallsebene. Ein Polarisator 45 und ein Analysator 46 sind gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Lichtstrahl jeweils zwischen einer Metallschicht 40, 41 und der ferromagnetischen Schicht 42 angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine Möglichkeit auf, die oben verwendeten Prismen durch Spiegel zu ersetzen. Die Tetraederanordnung bietet dabei eine besonders einfache Justierung des Strahlenverlaufs.

Claims (16)

1. Sensor mit einer ferromagnetischen, den optischen Kerreffekt aufweisenden Schicht, einer Lichtquelle, einem Polarisator, einem Analysator und einem Lichtdetektor, wobei ein von der Lichtquelle ausgestrahlter Lichtstrahl linear polarisiert durch den Polarisator auf die ferromagnetische Schicht fällt und von dort zum Analysator reflektiert wird, der so orientiert ist, daß ihn die Kerrkomponente durchdringen kann, deren Intensität im Lichtdetektor nachgewiesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Schicht (9, 29, 43) einer Sensorspitze (13, 21) zugehörig ist und daß der Lichtweg zwischen der Lichtquelle (10) und der Sensorspitze (13, 21) und/oder zwischen dem Lichtdetektor (11) und der Sensorspitze (13, 21) jeweils wenigstens 5 cm beträgt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) ein Gaslaser ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgestrahlte Licht der Lichtquelle (10) einen Öffnungswinkel von höchstens 1 Grad hat.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (10) und der Sensorspitze (13) und/oder zwischen dem Lichtdetektor (11) der Sensorspitze (13) Lichtwellenleiter angeordnet sind.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Schicht (9, 29, 43) eine amorphe Legierung ist.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er als Magnetfeldsensor (1) ausgebildet ist, daß die ferromagnetische Schicht (9) aus einer Legierung, wie amorphes Metall Co₇₂Fe₈B₂₀, mit geringer Koerzitivfeldstärke besteht.
7. Magnetfeldsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er einen diamagnetischen Träger (2) mit zwei Öffnungen (4, 4′) aufweist, daß in der einen Öffnung (4) ein Polarisator (5) und in der anderen Öffnung (4′) ein Analysator (6) angeordnet ist, daß auf dem Lichtweg zwischen dem Polarisator (5) und dem Analysator (6) die ferromagnetische Schicht (9) auf einer Halterung angeordnet ist.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung ein Prisma (7) ist.
9. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er als analoger Magnetfeldsensor (1) ausgebildet ist.
10. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Schicht (9) durch Aufdampfen oder Aufstäuben aufgebracht ist.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er als Kraftsensor (20) ausgebildet ist, daß die ferromagnetische Schicht (29) aus einer Legierung, wie amorphes Metall Fe₈₀B₂₀, mit hoher Magnetostriktion besteht.
12. Kraftsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß er einen ferromagnetischen Träger (22) mit drei Öffnungen (24, 24′, 25) aufweist, daß in der Öffnung (24) der Polarisator (26) und in der Öffnung (24′) der Analysator (27) angeordnet ist, daß in der Öffnung (25) ein Biegeplättchen (28) formschlüssig oder geklebt angebracht ist und die ferromagnetische Schicht (29) auf der innenliegenden Seite des Biegeplättchens (28) aufgebracht ist.
13. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Trägers (22) ein oder mehrere Prismen (30, 31) angeordnet sind.
14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) gepulst betrieben oder der Lichtstrahl moduliert ist.
15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Meßstrecke, eine Referenzstrecke, einen oder mehrere Schalter (S 1, S 2) zur Einkoppelung des Lichtstrahls in die Meßstrecke oder in die Referenzstrecke, eine Zusammenführung (T 2) der beiden Strecken, einen Lock-in Verstärker (LV) und einen Funktionsgenerator (G) aufweist, wobei der oder die Schalter (S 1, S 2) und der Lock-in Verstärker (LV) mit dem Funktionsgenerator (G) so gekoppelt sind, daß ein Differenzsignal entsteht.
16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere voneinander unabhängig angeordnete Sensorspitzen (13) zusammen mit nur einer Lichtquelle (10) und nur einem Lichtdetektor (11) zu einer Einheit zusammengefaßt sind.
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