DE4343686B4

DE4343686B4 - Magnetometer

Info

Publication number: DE4343686B4
Application number: DE4343686A
Authority: DE
Inventors: Gordon F. Arden Hills Rouse; Howard B. Falcon Heights French
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1992-12-31
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2013-12-22
Also published as: JP3368964B2; JPH06235759A; DE4343686A1; US5351005A

Abstract

Magnetometer (10), umfassend
eine mit einer Gleichspannung (+V, –V) betriebene Brückenschaltung (12) mit mehreren Magnetfeldwiderständen (14); und
einen an die Brückenschaltung (12) angeschlossenen ersten Verstärker (52);
einen an den Ausgang des ersten Verstärkers (52) angeschlossenen Analogschalter (54);
einen an den Ausgang des Analogschalters (54) angeschlossenen Integrator (56);
eine Rückführspule (62), die magnetisch an die Brückenschaltung gekoppelt ist und elektrisch an den Ausgang des Integrators (56) angeschlossen ist;
eine an den Ausgang des Integrators (56) angeschlossene Abtasteinrichtung (64);
einen an den Ausgang der Abtasteinrichtung (64) angeschlossenen zweiten Verstärker (66);
eine magnetisch an die Brückenschaltung (12) gekoppelte Rücksetzspule (68); und
einen Taktgenerator (70), der an die Rücksetzspule (68), an den Analogschalter (54) und an die Abtasteinrichtung (64) angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Magnetometer mit einer Brüchenschaltung von mehreren Magnetfeldwiderständen Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Sensoren mit Magnetfeldwiderständen zur Erfassung magnetischer Felder oder Störungen von magnetischen Feldern.
Magnetfeldsensoren finden Anwendung bei der magnetischen Richtungsbestimmung. Sie bilden ferner eine Einrichtung zur Feststellung von magnetischen Feldänderungen, die durch Komponenten in Maschinen, wie beispielsweise Metallstangen, Getriebe, Nocken, durch Fahrzeuge, das magnetische Erdfeld, explosive Minen, Waffen und durch Mineralien in Minen unter anderem hervorgerufen werden.
Eine Art von magnetischem Sensor ist der Magnetfeld-Widerstandssensor, der eine Einrichtung benutzt, die aus Material aufgebaut ist, welches in Gegenwart eines magnetischen Feldes seinen Widerstand verändert. Viele Materialien zeigen einen vom Magnetfeld abhängigen Widerstand. Der Effekt ist besonders groß in ferromagnetischen Materialien. Jedoch zeigt ebenfalls Aluminium eine magnetische Widerstandänderung. Ein sehr wirksames magnetoresistives Material ist eine Nickel/Eisen-Legierung, die als Permalloy bezeichnet wird.
Irgendeine Probe aus ferromagnetischem Material besitzt eine Magnetisierung oder ein magnetisches Moment pro Volumeneinheit, d.h. einen Vektor, der in jedem Punkt des Materials definiert ist. Ein Stangenmagnet besitzt beispielsweise eine reine Volumenmagnetisierung, da die Mehrheit der magnetischen Momente in der Stange parallel zueinander ausgerichtet sind. Es sei ein sehr langer dünner Film aus ferromagnetischem Material, wie beispielsweise Permalloy, angenommen, wobei ein Strom entlang der Länge des Films durchfließt. Die Magnetisierung des Films bildet im allgemeinen einen Winkel mit dem Strom und der Widerstand des Films hängt von diesem Winkel ab. Wenn die Magnetisierung parallel zu dem Strom verläuft, so ist der Widerstand des Films auf einem Maximum und wenn die Magnetisierung senkrecht zu dem Strom verläuft, so befindet sich der Widerstand auf einem Minimum oder einem Nominalwert. Wenn somit ein Permalloyfilm einem externen magnetischen Feld ausgesetzt wird, so wirkt das Feld auf die Magnetisierung, dreht diese und verändert hierdurch den Widerstand des Films. Es ist diese Widerstandsänderung, die festgestellt und bei der Messung der Magnetfeldänderung verwendet wird.
Magnetoresistive Sensoren sind in der Lage, magnetische Felder von 0,00001 Gauss bis 100 Gauss zu messen. Um die Bedeutung dieser Größen zu veranschaulichen, sei darauf verwiesen, daß ein mittelgroßes Auto in einem Abstand von 3,3 Metern von einem Sensor eine Störung des Erdfeldes von ungefähr 0,01 Gauss erzeugt; daß die Felder in der Nähe eines Magnetbandes ungefähr 10 Gauss betragen und daß das Feld an der Spitze eines Stangenmagnetes ungefähr 1000 Gauss aufweist. Magnetoresistive Sensoren besitzen einen großen Frequenzbereich insofern als sie Gleichfelder oder veränderliche Felder mit Frequenzen bis zu über 1 GHz messen können.
Der Nachteil, der üblicherweise verwendeten Permalloy-Magnetfeldwiderstände liegt in ihrer Temperaturempfindlichkeit, die typischerweise 3000 ppm pro Grad Celsius betragen kann. Daher haben die Hersteller Wheatstone-Brücken aufgebaut, von denen jede 4 Magnetfeldwiderstände aufweist, die in solcher Weise angeordnet sind, daß dieser Temperatureffekt erster Ordnung eliminiert wird. Auf Grund von Veränderungen in den Magnetfeldwiderständen, wie beispielsweise Permalloy-Dünnfilmwiderständen, die durch eine nicht gleichmäßige Beschichtung hervorgerufen werden, sind jedoch die vier Magnetfeldwiderstände nicht genügend aneinander angepaßt, um alle Verstimmungen in der Brückenschaltung zu eliminieren. Bei Vorspannung mit einer Spannung oder einem Strom zeigt die Brücke einen temperaturabhängigen Offset im Ausgangssignal. Ein solches Ausgangssignal ist für viele Anwendungen der Magnetfelderfassung, die eine Genauigkeit über einen Temperaturbereich erfordern, nicht akzeptabel. Es ist im verwandten Stand der Technik vorgeschlagen worden, eine magnetoresistive Einrichtung als einen Sensor in geschlossener Schleife zu betreiben, um die Querachsenempfindlichkeit und die Nichtlinearität des Ausgangssignals der Brückenschaltung zu vermindern. In einer solchen Konfiguration wird das Ausgangssignal der Brückenschaltung magnetisch durch eine Rückführungsspule auf null gebracht und die Brücke arbeitet auf dem gleichen Arbeitspunkt der Ein/Ausgangs-Wandlerkurve, wodurch das Ausgangsignal linear zu dem Eingangsfeld wird. Da ferner die Makro-Magnetisierungrichtung in einer festen Position gehalten wird, wird die Querachsenempfindlichkeit auf externe Felder auf ein Minimum gebracht. Die bei der magnetoresistiven Brückenschaltung angewandte Konfiguration mit geschlossener Schleife besitzt den Vorteil einer hohen Linearität und eines dynamischen Bereiches; aber unglücklicherweise liefert diese Konfiguration mit geschlossener Schleife keine größere Verminderung der Temperaturempfindlichkeit als die magnetoresistive Brückenschaltung in einer Konfiguration mit offener Schleife.
Die Magnetisierung einer magnetoresistiven Brückenschaltung mit Permalloy-Filmschichtwiderständen kann unter Verwendung einer Spule eingestellt werden, die eine magnetische Feldrichtung parallel zu der Magnetisierung besitzt, d. h. zu der Vorzugsachse des magnetischen Feldsensors. In Abhängigkeit von der Stromrichtung der Spule kann die Magnetisierung und die Eingangsachse der magnetoresistiven Brückenschaltung um einen Winkel von 180 DEG verändert werden. Im verwandten Stand der Technik ist vorgeschlagen worden, dass die Umschaltung der Magnetisierung einer magnetoresistiven Brückenschaltung mit einer Spule von 0 DEG auf 180 DEG usw. und sodann das Ablesen der Brückenschaltung in jeder Richtung und die Differenzbildung der Ablesungen das Ausgangssignal des Sensors unempfindlich für thermische Driften und für die Verstellung der Brückenschaltung bei großen magnetischen Feldern macht. Diese vorgeschlagene Lösung wurde nur im Zusammenhang mit einer Konfiguration mit offener Schleife gemacht, die einen temperaturabhängigen Offset in dem Ausgangssignal nicht eliminiert, da die vier Magnetfeldwiderstände der Brücke nicht genug aneinander angepasst sind, um das gesamte Ungleichgewicht der Brücke zu eliminieren.

In der DE 31 33 908 A1 ist ein kompensierter Messwandler beschrieben. Hierbei ist zur Bildung eines linearen Abbildes eines in einem Meßleiter fließenden Meßstromes eine Magnetfeldsonde einem vom Meßstrom erzeugten Meßmagnetfeld sowie einem Kompensationsmagnetfeld ausgesetzt. Der Ausgang der Magnetfeldsonde ist über einen elektronischen Verstärkerkreis mit einem das Kompensationsmagnetfeld erzeugenden Kompensationsstromleiter gekoppelt. Die Magnetfeldsonde ist eine aus vier magnetoresistiven Dünnfilmen bestehende Brücke. An jeden Dünnfilm ist in Richtung der harten Magnetachse ein magnetisches Hilfsfeld angelegt. Die Dünnfilme sind durch magnetkernlose Kopplung dem Meßmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld so ausgesetzt, daß sie durch diese in Richtung ihrer harten Magnetachse magnetisiert werden.

In der US 4 525 671 ist eine Vorrichtung zur Erfassung zweier Komponenten eines Magnetfelds beschrieben. Hierbei umfasst ein Erfassungselement, das zur Erfassung zweier Komponenten eines externen Magnetfelds in einem orthogonalen Koordinatensystem geeignet ist, einen umgekehrt C-förmigen ersten Leiter, einen zweiten Leiter und ein magnetoresistives Element. Eine Steuerungsschaltung führt einen Strom in einem periodischen Zyklus in wechselnden Richtungen dem ersten Leiter zu, während dem zweiten Leiter ein Strom in einer einzigen Richtung zugeführt wird. Im nachfolgenden Zyklus wird die Stromrichtung in dem zweiten Leiter umgekehrt. Werte des spezifischen elektrischen Widerstands des Elements für die vier Kombinationen von Stromrichtungen (und somit von Magnetfeldrichtungen) ermöglichen eine Lösung einer simultanen Gleichung, um die zwei Komponenten zu ergeben.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetometer bereitzustellen, bei dem das Ausgangssignal im wesentlichen frei von Fehlern ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den in den unabhängigen Ansprüchen angegesenen Merkmalen Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetometers sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet sowohl die magnetische geschlossene Schleifenkonfiguration, als auch das Umschalten der magnetoresistiven Brückenschaltung, um eine große Reduktion bzw. Eliminierung der Querachsenempfindlichkeit und der Nichtlinearität des Brücken-Ausgangssignales sowie eine Unempfindlichkeit gegen thermisches Driften und gegen eine Verstellung der Brücke bei großen Magnetfeldern zu erzielen. Die vorliegende Erfindung ist z.B. akteptabler bei Anwendungen mit hoher Richtungsgenauigkeit im Gegensatz zu irgendeiner der zuvor erwähnten Versionen des magnetischen Sensors im Stand der Technik.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnungen seien im folgenden Ausführungsbeispiele des Magnetometers gemäß der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein grundlegendes Schema des Magnetometers mit Rückführungsschaltern vor dem Integrator und mit einer Abtast- und Speichereinrichtung.
2 ein grundlegendes Schema des Magnetometers mit Rückführungsschaltern vor dem Integrator und ohne eine Abtast- und Speichereinrichtung.
3 ein grundlegendes Schema des Magnetometers mit Rückführungsschaltern nach dem Integrator und mit einer Abtast- und Speichereinrichtung.
4a–d der Magnetfeld-Widerstandseffekt und die Vorspannung der Elemente des Sensors.
5 ein Diagramm des normierten Widerstandes über dem angelegten Magnetfeld.
6 ein Diagramm der Wheatstone-Brücke der Magnetfeldwiderstände.
7 ein Zeittaktdiagramm der verschiedenen Signale eines Magnetometers.
8 ein detailliertes Schema des Magnetometers mit Rückführungsschaltern vor dem Integrator und mit einer Abtast- und Speichereinrichtung.
9 ein detailliertes Schema des Magnetometers mit Rückführungsschaltern vor dem Integrator und ohne eine Abtast- und Speichereinrichtung.
10 ein detailliertes Schema des Magnetometers mit Rückführungsschaltern nach dem Integrator und mit einer Abtast- und Speichereinrichtung.
1 ist ein grundlegendes Diagramm des Magnetfeld-Widerstandssensors 10. Die magnetoresistive Brückenschaltung 12 ist eine Wheatstone-Brücke, die aus vier Magnetfeldwiderständen besteht. Jeder Widerstand besitzt einen Widerstandswert, der sich beim Vorliegen eines magnetischen Feldes verändert. Ein typischer Magnetfeldwiderstand ist ein Dünnfilm aus Permalloy, wobei ein Strom entlang der Länge des Films verläuft. Die Magnetisierung des Films bildet im allgemeinen einen Winkel mit der Stromrichtung und der Widerstand des Films hängt von diesem Winkel ab. Wenn die Magnetisierung des Magnetfeldwiderstandes parallel zu dem Strom verläuft, so befindet sich der Widerstand auf einem Maximum und wenn diese senkrecht zu dem Strom verläuft, so besitzt der Widerstand seinen Minimalwert bzw. seinen Nominalwert. Der magnetische Widerstand eines jeden Brückenelementes ist durch die Differenz dieser beiden Widerstandswerte festgelegt. Wenn somit ein Permalloyelement einem externen magnetischen Feld unterworfen wird, so wirkt das Feld auf die Magnetisierung des Widerstandes, dreht diese und verändert hierdurch den Widerstand des Elements. Der Widerstand des Elements bzw. des Permalloyfilms variiert mit dem Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen der Magnetisierung und dem Strom. Der absolute Widerstandswert des Magnetfeldwiderstandes ist nicht so sehr von Bedeutung wie die Widerstandsänderung in Bezug auf die Änderung des den Magnetfeldwiderstand beeinflussenden externen magnetischen Feldes. Somit wird der Magnetfeldwiderstand nützlicher ausgedrückt durch das Verhältnis der Veränderung des Gesamtwiderstandes zu dem Nominalwiderstand als eine Funktion von dem angelegten magnetischen Feld. In einem Permalloyelement beträgt die maximale Veränderung und der Widerstand (d.h. die Veränderung, wenn die Magnetisierung aus der Parallelrichtung des Stromflusses senkrecht zu der Stromrichtung herausgedreht wird) ungefähr 2% des Nominalwiderstandes.
Der Leitungswiderstand ρ des Elementes 14 ist durch folgende Formel vorgegeben: ρ = ρo + Δρcos2(θ + Φ)wobei ρ_o der isotropische Leitungswiderstand ist, Δρ die maximale Leitungswiderstandsänderung ist und Θ + Φ den Winkel zwischen der Magnetisierung und dem Strom darstellt. Die Formel kann wie folgt geschrieben werden: ρ = ρo + Δρ/2[1 + cos2θcos2Φ – sin2θsin2Φ]
Wenn Θ = 0° bei einem nicht-vorgespannten Magnetfeldwiderstand ist, so ergibt sich ρ = ρo + Δρ/2[1 + cos2Φ]
Wenn Θ = 45° bei einem vorgespannten Magnetfeldwiderstand ist, so ergibt sich ρ = ρo + Δρ/2 [1 – sin2Φ] ρ = ρo + Δρ/2 – ΦΔρforΦ < 1
Die 4a–d zeigen den Magnetfeld-Widerstandseffekt und die Vorspannung in den Elementen 14. 4a zeigt die Vorzugsachse 20 bzw. die Magnetisierung 16 parallel zu dem Stromfluß 18 in dem Element 14. Die Vorzugsachse 20 ist die Richtung des Magnetisierungsvektors, wenn kein magnetisches Feld angelegt ist. 4b zeigt das Element 14, welches einem magnetischen Feld ausgesetzt ist, welches zu einer Verschiebung in der Richtung des magnetischen Vektors 16 um einen Winkel von Θ, bezogen auf den Stromvektor 18 führt. 4c zeigt das mit einem Magneto-Widerstandskopf MHD vorgespannte Dünnfilmelement 14, bei dem der Stromflußvektor 18 um einen Winkel von 45° (d.h. Θ = 45°), bezogen auf den Magnetisierungsvektor 16 vorgespannt ist, wobei kein magnetisches Feld das Element 14 beeinflußt. 4d zeigt ebenfalls das MHD-vorgespannte Dünnfilmelement 14 aber unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes. Der Magnetisierungsvektor 16 ist mehr parallel zu dem Stromflußvektor 18 unter einem Winkel von Φ verschoben. Ein Winkel Θ bzw. 45° – Φ verbleibt zwischen dem Stromvektor 18 und dem Magnetisierungsvektor 16.
5 ist ein Diagramm, das den Magnetfeldwiderstand zeigt, der als ein Verhältnis der Gesamt-Widerstandsverändrung des Filmes zu dem Nominalwiderstand des Filmes ausgedrückt ist, wobei der Nominalwiderstand als der Widerstand definiert ist, bei dem die Magnetisierung senkrecht zu dem Strom verläuft, wobei die Abhängigkeit des Magnetfeldwiderstandes von dem angelegten Magnetfeld dargestellt ist. Bei der Magnetfeld-Widerstandskurve in Form des quadrierten Kosinus ist ein Problem bezüglich der Linearität festzustellen. Widerstandsveränderungen sind nur bezüglich Teilen der Magnetfeld-Widerstandskurve linear und zwar dort, wo sie einen nahezu konstanten Verlauf aufweist, der durch den linearen Betriebsbereich 22 gezeigt ist. Um diese lineare Beziehung zu erhalten, wird der Sensor 14 einem Vorspannungsfeld ausgesetzt, das sein Ausgangssignal in die Mitte eines Teiles der Magnetfeld-Widerstandskurve versetzt, der eine konstante Neigung besitzt.
6 zeigt eine schematische Darstellung der Wheatstone-Brückenkonfiguration von vier Magnetfeldwiderständen 14. Die vier Zweige werden durch Magnetfeldwiderstände gebildet, die ursprünglich einen identischen Wert aufweisen und die Brücke ist abgeglichen und besitzt kein Ausgangssignal an den Punkten 24 und 26, wenn ein Spannungspotential an den Punkten 28 und 30 angelegt wird. In Gegenwart einer parallelen Vorspannung und von Signalfeldern steigen die Widerstände in den zwei gegenüberliegenden Zweigen 14 der Brücke 12 an und die Widerstände der verbleibenden beiden Zweige 14 nehmen ab. Somit bildet die Brücke 12 eine Ausgangsspannung zwischen den Punkten 24 und 26, die proportional zu dem Signalfeld ist. Um die Brücke 12 im linearen Bereich 22 der Magnetfeld-Widerstandskurve zu betreiben, wird ein Vorspannungsfeld entlang einer Achse angelegt, die von dem Punkt 30 zu dem Punkt 28 der Brücke bzw. der Raute 12 verläuft. Das Vorspannungsfeld 32 beeinflußt den Widerstand der Zweige bzw. Elemente 14; da aber der magnetische Feldvektor 16 und der Stromvektor 18 den gleichen Winkel in allen vier Zweigen bzw. Elementen 14 bilden, verändern sich die Widerstände der Elemente 14 um den gleichen Betrag. Somit besitzt die Brücke 12 weiterhin keine Ausgangsspannung. Wenn die Brücke 12 in ein Signalfeld bzw. externes Feld gebracht wird (d.h. in ein zu erfassendes magnetisches Feld), das entlang der anderen Achse von dem Punkt 26 zu dem Punkt 24 der Brücke 12 ausgerichtet ist, so formt der sich ergebende Feldvektor 16 einen Winkel Θ mit dem Stromvektor 18 in gegenüberliegenden Zweigen 14 und einen unterschiedlichen Winkel Θ mit dem Stromvektor 18 in den verbleibenden zwei Zweigen 14. In den zwei gegenüberliegenden Zweigen 14 nimmt der Widerstand ab und in den verbleibenden zwei Zweigen 14 wächst der Widerstand an. Somit bildet die Brücke 12 eine Ausgangsspannung, die proportional zu dem Signalfeld 34 ist. Die Ausgangsspannung 36 ist ferner proportional zu der Empfindlichkeit der Brücke 12. Bei einer vorgegebenen Spannungsversorgung 38 ist die Empfindlichkeit der Brücke ein Verhältnis der Ausgangsspannung 36 zu dem Signalfeld 34. Umso empfindlicher die Brücke 12 ist, umso größer wird die Ausgangsspannung 36, die durch das Signalfeld 34 gebildet wird. Die typische Empfindlichkeit einer Permalloybrücke beträgt ungefähr 300 ppm pro Gauss. Dies bedeutet bei einer Brücke 12, die mit einer Spannungsversorgung 38 von 10 Volt gespeist wird und die einem Feld von 10 Milligauss (0,01 Gauss) ausgesetzt ist, daß diese eine Offsetspannung von 30 μV erzeugt. Die Widerstände der Brücke 12 bewegen sich typischerweise in einem Bereich von 1 kΩ bis 100 kΩ in Abhängigkeit von der Größe, der Empfindlichkeit, dem Bereich und den Spannungsanforderungen.
Die beiden wichtigsten Charakteristiken eines Magnetfeldwiderstandes sind seine Empfindlichkeit und sein Linearitätsbereich. Ein empfindlicher Widerstand ist ein solcher, dessen Magnetisierungsvektor 16 sich um einen großen Winkel verdreht, wenn ein magnetisches Feld an den Widerstand 14 angelegt wird. Die kleinen Zuwächse in der angelegten Feldstärke verursachen relativ große Veränderungen in dem Widerstand des Elementes 14. Diese Eigenschaft bedeutet jedoch ferner, daß die Magnetisierung leicht ihre Sättigung erreicht. Das heißt, der Magnetisierungsvektor 16 kann in die gleiche Richtung weisen, unabhängig davon, ob das magnetische Feld kleiner oder größer ist und jegliches weitere Anwachsen der magnetischen Feldstärke erzeugt keinen weiteren Effekt. Wenn somit ein Film empfindlich ist, so ist sein Meßbereich begrenzt.
Die Richtung des Magnetisierungsvektors 18 ist angenommenerweise eine Folge des Wettbewerbs zwischen den Kräften auf Grund der Anisotropie, des Endmagnetisierungsfeldes und des externen Feldes. Anisotropie bedeutet, daß eine Eigenschaft unterschiedliche Werte entlang verschiedener Richtungen bei einer Materialprobe aufweist. Hier bedeutet Anisotropie, daß der Magnetisierungsvektor 16 eine bevorzugte Richtung in dem Magnetfeldwiderstand 14 aufweist. Magnetische Dünnfilme werden bei der Herstellung von Magnetfeldwiderständen 14 in Gegenwart eines magnetischen Feldes niedergeschlagen und die bevorzugte Richtung des Magnetisierungsvektors 16, die als Vorzugsachse 20 bezeichnet wird, wird durch das magnetische Feld vorgegeben. Die Richtung parallel zu der Vorzugsachse 20 ist die Konfiguration für den Magnetisierungsvektor 16 mit der geringsten Energie. Das magnetische Feld, das erforderlich ist, um den Magnetisierungsvektor 16 um 90° von der Vorzugsachse 20 wegzudrehen, wird als Anisotropiefeld bezeichnet. Wenn ein sehr starkes Feld angelegt wird, das eine Richtung von 180° zu dem Magnetisierungsvektor 16 aufweist, so kann der Magnetisierungsvektor 16 in die gleiche Richtung dieses Feldes umschalten. Wenn dieses starke Feld entfernt wird, kann der Magnetisierungsvektor 16 seine entgegengesetzte Richtung beibehalten, befindet sich aber immer noch parallel zu der Vorzugsachse 20.
Das angelegte magnetische Feld kann als eine bewertete Größe ausgedrückt werden, d.h. der Ausdruck umfaßt das Verhältnis des angelegten Feldes und einer Größe, die als magnetisches Feldmaß bezeichnet ist. Das magnetische Feldmaß ist eine Funktion verschiedener Parameter des Films. In einem vereinfachten Fall, wo die Vorzugsachse 20 entlang bzw. parallel zu der Länge des Magnetfeld-Widerstandsfilmes 14 verläuft, ist das magnetische Feldmaß durch die folgende Gleichung vorgegeben:
wobei H_S das magnetische Feldmaß ist, H_k das Anisotropiefeld ist, α eine Konstante ist, die einen Wert von ungefähr 10 besitzt, T die Dicke und W die Breite des Widerstandsfilmes 14 ist und M_S die Sättigungsmagnetisierung des Widerstandes 14 ist. M_S ist der Wert der Magnetisierung, bei der alle magnetischen Momente in einem vorgegebenen Volumen ausgerichtet sind, was ein Zustand ist, der durch die Anlegung eines starken externen magnetischen Feldes erzielt wird.
Da ein Ausdruck für den Magnetfeldwiderstand das externe Feld als eine proportionale Variable enthält, hängt die Empfindlichkeit und der Linearitätsbereich des Widerstands 14 von dem magnetischen Feldmaß ab. Die Empfindlichkeit ist umgekehrt proportional zu dem magnetischen Feldmaß und der Linearitätsbereich ist direkt proportional zu dem Feldmaß. Wenn das magnetische Feldmaß gering ist, ist das Magnetfeld-Widerstandselement 14 emfpindlich, aber sein Linearitätsbereich ist begrenzt. Wenn das magnetische Feldmaß groß ist, so ist das Element 14 vergleichsweise unemfpindlich, aber es besitzt einen größeren Linearitätsbereich. Hieraus folgt, daß das Produkt der Empfindlichkeit und des Linearitätsbereiches eine Konstante ist, die von dem magnetischen Feldmaß unabhängig ist. Eine ähnliche Beziehung zeigt ein elektronischer Verstärker, bei dem das Verstärkungs/Bandbreitenverhältnis eine Konstante ist.
Wenn man einen empfindlichen Magnetfeldwiderstand 14 wünscht, so wird das magnetische Feldmaß so klein wie möglich gemacht. Das Feldmaß kann vermindert werden, indem das Anisotropiefeld oder die Sättigungsmagnetisierung vermindert wird. Sowohl das Feldmaß, als auch die Sättigungsmagnetisierung hängen von dem Material des Magnetfeldwiderstandes 14 ab. Permalloy besitzt beispielsweise ein Anisotropiefeld von ungefähr 3 Oersted und eine Sättigungsmagnetisierung von ungefähr 800 emu/cc. Diese Charakteristiken sind durch das Material festgelegt. Der einzige Term in dem magnetischen Feldmaß, der leicht verändert werden kann, ohne das Material zu verändern, ist das Verhältnis der Dicke zu der Breite des Magnetfeld-Widerstandsfilms 14. Somit kann der Widerstandsfilm 14 dünner oder breiter gemacht werden oder beide Maßnahmen in Kombination angewendet werden, um eine größere Empfindlichkeit zu erzielen. Ferner kann der Magnetfeldwiderstand empfindlicher gemacht werden durch Drehung der Vorzugsachse 20, weg von der Richtung des Stromvektors 18.
Das Vorspannungsfeld ist ein weiterer Parameter, der von dem magnetischen Feldmaß abhängt. Das Vorspannungsfeld verändert den Winkel zwischen dem Stromvektor 18 und dem Magnetisierungsvektor 16, um den Magnetisierungsvektor in den linearen Bereich der Magnetfeld-Widerstandskurve 40 zu bringen. Die Stärke des Vorspannungsfeldes ebenso wie der Linearitätsbereich ist proportional zu dem magnetischen Feldmaß. Mit anderen Worten, wenn der Magnetfeldwiderstand 14 empfindlich ist, so besitzt er einen vergleichsweise kurzen Linearbereich und erfordert ein vergleichsweise geringes Vorspannungsfeld, das sehr genau eingestellt werden muß. Ein weniger empfindlicher Magnetfeldwiderstand 14 ist toleranter in Bezug auf Änderungen des Vorspannungsfeldes.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Widerstandsfilme 14 vorzuspannen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Spule um den Magnetfeld-Widerstandsfilm zu wickeln, wobei der Strom der Spule den Anstieg eines ziemlich gleichmäßigen magnetischen Feldes entlang der Achse der Spule bewirkt. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß Leistung erforderlich ist, um das Vorspannungsfeld aufrechtzuerhalten. Eine Alternative besteht in der Niederschlagung von Dünnfilm-Permanentmagneten auf der Schicht des Magnetfeld-Widerstandsfilms. Die Dünnfilm-Permanentmagnete, wie beispielsweise Kobalt oder Legierungen von Kobalt können magnetisiert werden durch Anlegung eines starken magnetischen Feldes, nachdem sie auf dem Magnetfeld-Widerstandsfilm niedergeschlagen worden sind. Diese Art der Vorspannung erfordert keine Leistungszufuhr aber die sich ergebenden Vorspannungs magnete zeigen eine Empfindlichkeit gegenüber Temperaturveränderungen.
Statt den Magnetisierungsvektor 16 von dem Stromvektor 18 wegzudrehen, kann der Magnetfeld-Widerstandsfilm 14 vorgespannt werden, indem der Stromvektor 18 von dem Magnetisierungsvektor 16 weggedreht wird, wie dies in den 4c und 4d gezeigt ist. Diese Vorspannung kann erfolgen, indem unter einem Winkel angeordnete Streifen 15 aus einem in hohem Maße leitenden Material, wie beispielsweise Gold auf dem Magnetfeld-Widerstandsfilm 14 niedergeschlagen werden. Der Strom nimmt den kürzesten Weg (in Richtung des Stromvektors 18) durch den Magnetfeld-Widerstandsfilm 14 zwischen den leitenden Streifen 15. Wenn der Winkel Θ zwischen dem Magnetisierungsvektor 18 und dem Stromvektor 16 geeignet eingestellt ist, so arbeitet der Film 14 in einem linearen Bereich der Magnetfeld-Widerstandskurve 40. Dieses Vorspannungsverfahren, welches auf Grund des Musters der leitenden Streifen als MHD (Barber-Pole)-Vorspannung bezeichnet wird, ist wirksam, um den Betrieb des Films 14 in einen linearen Bereich der Magnetfeld-Widerstandskurve 40 zu verschieben, besitzt aber den Nachteil, daß ein geringerer Teil der Fläche des Magnetfeld-Widerstandsfilms 14 für die Sensierung verwendet wird. Ein typisches Magnetfeld-Widerstandselement 14 ist aus Permalloy hergestellt, welches eine Legierung aus Nickel und Eisen ist. Ein solches Material wird bevorzugt, da es einen relativ hohen Magnetfeld-Widerstandskoeffizienten und einen Magnetostriktionskoeffizienten von Null aufweist und mit Herstellungstechniken kompatibel ist, die verwendet werden, um integrierte Schaltkreise aus Silicium herzustellen. Somit kann die Brücke 12 ein integrierter Schaltkreis sein, der vier Permalloy-Widerstände aufweist, die in einem Sputterverfahren auf einem Siliciumsubstrat niedergeschlagen werden. Verschiedene Widerstände 14 können so entworfen werden, daß sie ein Lasertrimmen ermöglichen, so daß die Brücke 12 bei der Herstellung abgeglichen werden kann. Jeder Widerstand 14 ist vorgespannt in der Weise, daß die Richtung seines Magnetisierungsvektors 16 gedreht ist, um ihn in einen Bereich zu bringen, wo eine Widerstandsänderung auf Grund einer Änderung des angelegten magnetischen Feldes linear und relativ groß ist. Diese Vorspannung erfolgt durch Aufsputtern eines Dünnfilmes aus Kobalt über den Widerständen 14 und durch Magnetisierung des Kobalts. Ein solcher Magnetfeldwiderstand 14 ist relativ strahlungsgehärtet. Obgleich Permalloy (NiFe) ein bevorzugtes Material ist, können andere Materialien verwendet werden und bieten einen Widerstandskoeffizienten von größer als 2% Sättigung. Ferner kann die Geometrie des Materials den Widerstandskoeffizienten erhöhen. Beispielsweise können Mehrschichtstapel aus magnetischen Dünnfilmen entworfen und gebaut werden, die einen magnetorestriktiven Koeffizienten aufweisen, der sich 25% annähert. Ein solcher Entwurf kann jedoch zu einer weniger stabilen und wiederholbaren Auslesung des magnetorestriktiven Effekts führen.
Die 1 und 8 zeigen eine Ausgestaltung 10 eines Magnetfeld-Widerstandssensors. Die Magnetfeld-Widerstandsbrücke 12 besitzt vier Magnetfeld-Widerstandselemente 14 aus Permalloy, die in einer Wheatstonebrücke angeordnet sind (um Temperatureffekte erster Ordnung zu eliminieren), bei der positive und negative Spannungen an gegenüberliegenden Anschlüssen der Brücke 12 angelegt werden. Die beiden anderen gegenüberliegenden Brückenanschlüsse sind an die Eingänge eines Differentialverstärkers 52 angeschlossen. Die MHD-vorgespannten Permalloyelemente 14 können Widerstandswerte irgendwo zwischen wenigen 100 Ω bis 100.000 Ω aufweisen. Jede Spannung ist über einen Widerstand von 511 Ω an die Brücke 12 angeschlossen. Der Verstärker 52 ist ein Modell LT1101 der Firma Linear Technology.
Der Ausgang des Verstärkers 52 verläuft zu einem Analogschalter 54. Der Analogschalter 54 ist ein Modell DG308A der Firma Siliconix Inc. Die Ausgänge des Analogschalters 54 sind an die Differentialeingänge des integrierenden Operationsverstärkers 80 angeschlossen. Der Rückführungskondensator 82 des Integrators 80 beträgt 0,1 μF. Der Ausgang 78 des Integrators 80 verläuft zu der Rückführungsspule 62 und zu einem Widerstand 58, sowie zu einer Abtast- und Halteeinrichtung 64. Der Widerstand 58 besitzt einen Wert von 715 Ω. Der Widerstand 58 ist ein Präzisionswiderstand, der einen Strom/Spannungswandler vorgibt, der den über die Rückführungsspule 62 verlaufenden Strom vom Ausgang des Integrators 56 in ein Signal für die Einrichtung 64 umwandelt. Die Operationsverstärker 80 und 66 können Modelle OP-97 bzw. OP-22 sein.
Die Abtast- und Speichereinrichtung 64 besitzt Abtast- und Speicherverstärker 83 und 84, welche alternativ Ausgangssignale an einen Differentialverstärker 66 ausgeben. Die Abtast- und Speicherverstärker 83 und 84 sind durch das Modell LF398AN der Firma National Semiconductor Corporation vorgegeben. Die Schaltkreise 83 und 84 besitzen jeweils einen Polypropylen-Kondensator mit einem Wert von 0,01 μF. Die Abtast- und Speichereinrichtung 64 kann auch irgendeine andere Abtasteinrichtung sein, wie beispielsweise ein Analog/Digital-Wandler, der durch einen Mikroprozessor gesteuert ist, wobei die Abtastung durch einen Takt 70 synchronisiert ist.
Der Verstärker 66 wirkt als ein Tiefpaßfilter und besitzt einen Ausgang 90. Der Ausgang 90 gibt eine lineare Anzeige der magnetischen Felder vor, die die Brücke 12 beeinflussen. Die Rückführungsspule 62 wirkt magnetisch dem externen magnetischen Feld entgegen, welches die Brücke 12 beeinflußt und macht den Eingang des Verstärkers 52 zu Null. Die Rückführungsspule 62 ist magnetisch an die Brücke 12 über die empfindlichste Achse der Brücke 12 angeschlossen. Eine Rücksetzspule 68 ist ebenfalls magnetisch mit der Brücke 12 gekoppelt. Die Achse der Rücksetzspule 68 verläuft annähernd senkrecht zu der Achse der Rückführungsspule 62. Die Rücksetzspule 68 schaltet die Richtung der Vorzugsachse 20 der Elemente 14 periodisch um 180° durch ein Rücksetzfeld 81 um. Ein Signal 76 von einem Taktgenerator 70 verläuft zu der Rücksetzspule 68, wodurch die Umschaltung der Vorzugsachse 20 der Elemente 14 bewirkt wird. 7 zeigt den Zeittakt und die Form des Signales 76 relativ zu den anderen Signalen in den Schaltungssystemen 10, 50 und 60.
Der Takt 70 besitzt eine Frequenz, die von einem bis zu einigen wenigen kHz variiert und die entsprechend der Anwendung des in einer geschlossenen Schleife betriebenen Magnetometers 10 mit umgeschalteter Magnetisierung eingestellt werden kann. Der Zähler im Taktgenerator 70 ist ein Modell CD 4020B von der Firma RCA.
Der Taktgenerator 70 gibt Signale 71 und 72 zu dem Schalter 54 aus. Der Schalter 54 schaltet alternativ Verbindungen Θ1 und Θ2, die die Polaritäten der Differentialeingänge des Integrators 56 umschalten. Der Ausgang 78 verläuft zu der Rückführungsspule 62 und ist synchron zu der Umschaltung der Vorzugsachse der Elemente 14 durch die Rücksetzspule 68. Das Signal 78 verläuft zu der Einrichtung 64 über die Spule 62 und den Widerstandsteiler 58. Die Abtast- und Speicherschaltkreise 83 und 84 tasten alternativ das Signal 78 in Übereinstimmung mit Eingangssignalen 73 und 74 entsprechend ab, die mit dem Zeitdiagramm in 7 übereinstimmen. Die Signale 73 und 74 sind mit den Signalen 76, 71 und 72 des Taktgenerators 70 synchronisiert.
Die aus dem Signal 78 abgetasteten Signale der Schaltkreise 83 und 84 werden durch den Verstärker 66 einer Differenzbildung unterzogen. Ein Signal des Schaltkreises 83 befindet sich auf einer Spannung von V_H + V_T. Das Signal des Schaltkreises 34 befindet sich auf einer Spannung von – V_H + V_T. Diese Signale werden einer Differenzbildung unterzogen, was zu einer Ausgangsspannung von 2V_H am Anschluß 90 führt. Die durch die Temperatur induzierten Spannungsoffsets in der Brücke und der geschlossenen Schleife fallen durch die Differenzbildung heraus, d.h. V_T des einen Signales wird von V_T des anderen Signales subtrahiert.
Die 2 und 9 zeigen Diagramme einer anderen Ausgestaltung 50 des in einer geschlossenen Schleife betriebenen Magnetometers mit geschalteter Magnetisierung. Das Magnetometer 50 ist ähnlich dem Magnetometer 10 mit der Ausnahme, daß es keine Abtast- und Speichereinrichtung 64 aufweist. Der Ausgang 78 des Integrators 56 verläuft zu dem Verstärker 66. Das Signal 78 an dem Eingang des Verstärkers 66 ist ein Gleichspannungspegel von 2V_H, dem abwechselnd ein positives und negatives V_T überlagert ist. Der Verstärker 66 filtert das überlagerte V_T-Signal heraus und bildet ein in etwa geglättetes Ausgangssignal von 2V_H am Ausgangsanschluß 90. Das Ausgangssignal 90 ist bei der Konfiguration 50 nicht ganz so sauber wie das Ausgangssignal 90 bei der Konfiguration 10 bzw. 60. In jeder anderen Hinsicht arbeitet die Konfiguration 50 in gleicher Weise wie die Konfiguration 10.
Die Konfiguration 60 der 3 und 10 ist die gleiche Konfiguration 10 der 1 und 8 mit der Ausnahme, daß der Analogschalter 54 bei der Konfiguration 60 zwischen dem Integrator 56 und der Einrichtung 64 angeordnet ist, während bei der Konfiguration 10 der Analogschalter 54 zwischen dem Verstärker 52 und dem Integrator 56 angeordnet ist. In jeder anderen Hinsicht ist die Funktion der Konfiguration 60 die gleiche wie die der Konfiguration 10. Die Modellbezeichnungen der Komponenten sind in den Konfigurationen 10, 50 und 60 die gleichen. Ferner besitzt die Konfiguration 50 ebenfalls keine Abtast- und Speichereinrichtung 64 wie bei den Konfigurationen 10 und 60, was bei der Konfiguration 50 zu der Abwesenheit jener Teile und bestimmter Teile des Taktes 70 führt, die die Signale für die Einrichtung 64 vorgeben.

Claims

Magnetometer (10), umfassend eine mit einer Gleichspannung (+V, –V) betriebene Brückenschaltung (12) mit mehreren Magnetfeldwiderständen (14); und einen an die Brückenschaltung (12) angeschlossenen ersten Verstärker (52); einen an den Ausgang des ersten Verstärkers (52) angeschlossenen Analogschalter (54); einen an den Ausgang des Analogschalters (54) angeschlossenen Integrator (56); eine Rückführspule (62), die magnetisch an die Brückenschaltung gekoppelt ist und elektrisch an den Ausgang des Integrators (56) angeschlossen ist; eine an den Ausgang des Integrators (56) angeschlossene Abtasteinrichtung (64); einen an den Ausgang der Abtasteinrichtung (64) angeschlossenen zweiten Verstärker (66); eine magnetisch an die Brückenschaltung (12) gekoppelte Rücksetzspule (68); und einen Taktgenerator (70), der an die Rücksetzspule (68), an den Analogschalter (54) und an die Abtasteinrichtung (64) angeschlossen ist.
Magnetometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführspule (62) magnetisch ein Signal der Brücke zu dem ersten Verstärker auf Null bringt; und die Rücksetzspule (68) periodisch und magnetisch die Richtung der Vorzugsachse (20) in jedem der mehreren Magnetfeldwiderstände umkehrt.
Magnetometer (50), umfassend eine mit einer Gleichspannung (+V, –V) betriebene Brückenschaltung (12) mit mehreren Magnetfeldwiderständen (14); und einen an die Brückenschaltung (12) angeschlossenen ersten Verstärker (52); einen an den Ausgang des ersten Verstärkers (52) angeschlossenen Analogschalter (54); einen an den Ausgang des Analogschalters (54) angeschlossenen Integrator (56); eine Rückführspule (62), die magnetisch an die Brückenschaltung gekoppelt ist und elektrisch an den Ausgang des Integrators angeschlossen ist; einen an den Ausgang des Integrators (56) angeschlossenen zweiten Verstärker (66); eine an die Brückenschaltung (12) magnetisch gekoppelte Rücksetzspule (68); und einen Taktgenerator (70), der an die Rücksetzspule (68) und an den Analogschalter (54) angeschlossen ist.
Magnetometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführungsspule (62) magnetisch ein Signal von der Brückenschaltung zu dem ersten Verstärker auf Null bringt; und die Rücksetzspule (68) periodisch und magnetisch die Richtung der Vorzugsachse in jedem der mehreren Magnetfeldwiderstände umkehrt.
Magnetometer (60), umfassend eine mit einer Gleichspannung (+V, –V) betriebene Brückenschaltung (12) mit mehreren Magnetfeldwiderständen (14); und einen an die Brückenschaltung (12) angeschlossenen ersten Verstärker (52); einen an den Ausgang des ersten Verstärkers (52) angeschlossenen Integrator (56); einen an den Ausgang des Integrators (56) angeschlossenen Analogschalter (54); eine Rückführspule (62), die magnetisch an die Brückenschaltung gekoppelt ist und elektrisch an den Ausgang des Analogschalters angeschlossen ist; eine an den Ausgang des Analogschalters (54) angeschlossene Abtasteinrichtung (64); einen an den Ausgang der Abtasteinrichtung (64) angeschlossenen zweiten Verstärker (66); eine magnetisch an die Brückenschaltung (12) gekoppelte Rücksetzspule (68); und einen Taktgenerator (70), der an die Rücksetzspule (68), an den Analogschalter (54) und an die Abtasteinrichtung (64) angeschlossen ist.
Magnetometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführspule (62) magnetisch ein Signal von der Brückenschaltung zu dem ersten Verstärker auf Null bringt; und die Rücksetzspule (68) periodisch und magnetisch die Richtung der Vorzugsachse in jedem der mehreren Magnetfeldwiderstände umkehrt.
Magnetometer (60) zur Bereitstellung eines Ausgangsignals, das auf ein Eingangsmagnetfeld bezogen ist, mit: einer Brückenschaltung (12), die eine Vielzahl von Magnetfeldwiderständen (14) umfasst, von denen zumindest einige eine magnetische Vorzugsachse aufweisen, einer Rückführspule (62) zur Bereitstellung eines Rückführmagnetfelds, das entgegengesetzt zu dem Eingangsmagnetfeld ist, einer Rücksetzspule (68) zur Bereitstellung eines Rücksetzmagnetfelds, wobei die Vielzahl von Magnetfeldwiderständen (14) an das Eingangsmagnetfeld, das Rückführmagnetfeld und das Rücksetzmagnetfeld magnetisch gekoppelt ist, und einer Steuerungseinrichtung, die an die Brückenschaltung angeschlossen ist, wobei die Steuerungseinrichtung der Rückführspule (62) ein Rückführsignal bereitstellt, so dass das sich ergebende Rückführmagnetfeld zumindest einen Teil des Eingangsmagnetfelds bei der Brückenschaltung (12) aufhebt, wobei die Steuerungseinrichtung ebenso die Rücksetzspule (68) periodisch ansteuert, so dass die Rücksetzspule (68) die Vorzugsachse der zumindest einigen der Vielzahl von Magnetfeldwiderständen (14) umschaltet, wobei das Ausgangssignal des Magnetometers (60) auf das Rückführsignal bezogen ist.
Magnetometer nach Anspruch 7, wobei die Brückenschaltung der Steuerungseinrichtung ein Signal oder mehrere Signale bereitstellt, wobei die Steuerungseinrichtung eine Schalteinrichtung umfasst zum Umschalten der Polarität des einen Signals oder der mehreren Signale, die durch die Brückenschaltung bereitgestellt werden, jedes Mal, wenn die Rücksetzspule (68) die Vorzugsachse der zumindest einigen der Vielzahl von Magnetfeldwiderständen (14) umschaltet.