DE68915346T2

DE68915346T2 - Magnetfeldmessgerät mit einem supraleitenden magnetoresistiven Element.

Info

Publication number: DE68915346T2
Application number: DE68915346T
Authority: DE
Inventors: Nobuo Hashizume; Shoei Kataoka; Hidetaka Shintaku; Shuhei Tsuchimoto
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1988-07-04
Filing date: 1989-07-04
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2009-07-05
Also published as: EP0349996A2; EP0349996B1; JPH0216475A; US5055785A; EP0349996A3; DE68915346D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

(Gebiet der Erfindung)

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes, magnetoresistives Magnetfeldmeßgerät, d. h. ein Gerät zum Messen der Stärke eines magnetischen Feldes durch ein supraleitendes, magnetoresistives Element, das ein schwaches Magnetfeld dadurch erfassen kann, daß es den magnetoresistiven Effekt eines keramischen Supraleiters verwendet.
Es wird darauf hingewiesen, daß in der folgenden Beschreibung das Wort "Widerstand" "elektrischen Widerstand" bedeutet und daß "magnetoresistives Element" ein "Element, das seinen elektrischen Widerstand abhängig von der Stärke eines angelegten Magnetfelds ändert" bedeutet.

(Beschreibung des Standes der Technik)

Ein supraleitendes, magnetoresistives Magnetfeldmeßgerät mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist in einem Artikel von H. Nojima et al mit dem Titel "Galvanomagnetic Effect of an Y-Ba-Cu-O Ceramic Superconductor and Its Application to Magnetic Sensors" beschrieben, wie in Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27, No. 5, Mai 1988, S. 746-750 veröffentlicht. Solange das magnetoresistive Element in diesem Gerät seine Supraleitungseigenschaften aufweist, entsteht praktisch keine Spannung zwischen den Innenelektroden des Elements, wenn ein Strom zwischen den Außenelektroden fließt. Jedoch gehen die Supraleitungseigenschaften verloren und eine Spannung kann zwischen den Innenelektroden gemessen werden, wenn die Stärke eines angelegten Magnetfelds einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, der vom fließenden Strom abhängt, oder wenn der Strom einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, der von der Stärke des angelegten Magnetfelds abhängt. Diese Abhängigkeit ist in Fig. 1 dargestellt. Gemäß der Lehre des vorstehend genannten Artikels wird die Stärke des angelegten Magnetfeldes dadurch gemessen, daß der Strom erhöht wird, bis gerade eine Spannung zwischen den Innenelektroden entsteht. Das Gerät wird durch Anlegen von Magnetfeldern verschiedener Stärken kalibriert, wobei in jedem Fall die Stromstärke gemessen wird, bei der gerade eine Spannung zwischen den Innenelektroden entsteht.
Aus dem Dokument EP-A-0 251 023 ist es bekannt, ein nicht supraleitendes, magnetoresistives Element dadurch vorzubelasten, daß eine konstante Vorspannung angelegt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr empfindliches und genaues Gerät zum Messen der Stärke eines angelegten Magnetfelds unter Verwendung eines magnetoresistiven Elements zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Gerät ist durch die Merkmale von Anspruch 1 definiert. Im Gegensatz zum bekannten Gerät, wie es im oben genannten Artikel beschrieben ist, mißt das erfindungsgemäße Gerät nicht den Strom, bei dem gerade eine Spannung zwischen den Innenelektroden entsteht, sondern es mißt den Strom, bei dem eine bestimmte vorgegebene Spannung größer Null entsteht. Diese Spannung wird auf die Stromeinstellschaltung rückgekoppelt, um den Strom gerade in solcher Weise einzustellen, daß die vorgegebene Spannung aufrechterhalten bleibt. Diese Rückkopplungsspannung ist eine Spannung in einem offenen Stromkreis und keine zu einem Strom führende Vorspannung wie im Fall des im Dokument EP-A- 0 251 023 beschriebenen Geräts.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm zum Darstellen der Charakteristik eines die Erfindung verkörpernden supraleitenden, magnetoresistiven Elements;
Fig. 2 ist ein Diagramm zum Darstellen der Charakteristik des magnetoresistiven Elements, um die Funktion der Erfindung zu beschreiben;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung zum Veranschaulichen des wesentlichen Teils der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Geräts; und
Fig. 5 veranschaulicht ein Herstellverfahren für ein magnetoresistives Element oder den Unterschied zwischen den Charakteristiken von Vorrichtungen verschiedener Form.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Supraleiter als keramisches, supraleitendes, magnetoresistives Element verwendet. Die Korngrenzen des Supraleiters sind so ausgebildet, daß benachbarte Teilchen über einen extrem dünnen Isolierfilm oder einen normal elektrisch leitenden Film zusammenhängen, oder sie hängen an einem Punkt schwach zusammen. Unter dieser Bedingung kann der supraleitende Zustand des Supraleiters durch Anlegen eines Magnetfelds leicht zum Zusammenbrechen in den Normalzustand gebracht werden.
Der verwendete Supraleiter ist ein solcher vom Typ Ba&sub2;Y&sub1;Cu&sub2;Ox, der als Hochtemperatursupraleiter bekannt ist. Er wird wie folgt hergestellt: BaCO&sub2;-Pulver, Y&sub2;O&sub3;-Pulver und CuO-Pulver werden mit vorgegebenen Mengen eingewogen, in einem Mörser ausreichend vermischt und bei einer Temperatur von 900ºC für 5 Stunden an Luft vorläufig gebrannt; die gebrannte Mischung wird erneut pulverisiert, um ein Pulver (mit einem Teilchendurchmesser von 1 um oder weniger) zu erhalten, das dann bei einem Druck von 1 t/cm² zu kreisförmigen Tabletten gepreßt wird; die kreisförmigen Tabletten werden an Luft für 3 Stunden auf eine Temperatur von 1000ºC erhitzt und innerhalb von 5 Stunden langsam auf eine Temperatur von 200ºC abgekühlt, um die oben genannten Supraleiter zu erhalten.
Durch Röntgenstrahlbeugungsuntersuchung wird bestätigt, daß der erhaltene keramische Supraleiter eine einzige Phase in einem rhombischen System zeigt.
Supraleitende Materialien können nicht nur durch ein Brennverfahren unter Verwendung von Pulvermaterialien hergestellt werden, sondern auch durch Sputtern oder durch einen CVD- Prozeß, bei dem die Brennbedingungen für einen filmförmigen Supraleiter gesteuert werden.
Der hergestellte Supraleiter wird zu rechteckigen Chips (l mm Breite · 7 mm Länge · 0,7 mm Dicke) zerschnitten, wie durch die Ziffer 1 in Fig. 3 dargestellt. Ein Paar Stromelektroden 9 werden in jeweiligen Bereichen nahe den beiden Enden desselben angebracht, um einen elektrischen Strom zuzuführen, und ein Paar Spannungselektroden 10 wird jeweils an Positionen auf dem Supraleiter 1 angebracht, die innerhalb in Bezug auf die Stromelektroden liegen, um die in ihm entstehende Spannung zu erfassen. Diese Elektroden werden dadurch hergestellt, daß Ti-Metall abgeschieden wird, das ausgezeichnete elektrische Anschlußeigenschaften zu Keramik oder dergleichen aufweist. Anschlußdrähte werden mit den jeweiligen Stromelektroden 9 und Spannungselektroden 10 aus Ti durch eine Ag-Paste angeschlossen und die jeweiligen Anschlußdrähte werden mit einer Konstantstromquelle 11 bzw. einem Spannungsanzeigegerät 12 verbunden.
Der keramische Supraleiter 1 wird auf der Temperatur flüssigen Stickstoffs (77 K) unter seiner kritischen Temperatur Tc gehalten, und die zwischen den Spannungselektroden 10 entstehende Spannung wird durch das Spannungsanzeigegerät 12 gemessen, um den Strom von der Konstantstromquelle 11 durch die Stromelektroden 9 einzustellen.
Wenn unter den vorstehend genannten Bedingungen keinerlei Magnetfeld an den Supraleiter 1 angelegt wird, entsteht keinerlei Spannung bevor nicht dem Supraleiter 1 ein Strom von einigen zehn mA zugeführt wird, jedoch verfügt der Supraleiter über die Eigenschaft, daß selbst dann, wenn ihm ein Strom von einigen 10 mA zugeführt wird, eine Spannung plötzlich beim Anlegen eines relativ schwachen Magnetfelds an einigen zehn Oersted entsteht und diese schnell ansteigt, wie in Fig. 2 dargestellt.
Ein Supraleiter unterscheidet sich von einem herkömmlichen Halbleiter und einem magnetischen Material dahingehend, daß der magnetoresistive Effekt bei einem Supraleiter beim Anlegen eines kleinen Magnetfeldes eine radikale Widerstandsänderung erfährt, wie oben ausgeführt, während ein magnetoresistives Element aus einem Halbleiter oder einem magnetischen Material eine Widerstandsänderung zeigt, die sich entlang einer quadratischen Kurve erstreckt. Der Grund, weswegen ein Supraleiter eine derartige radikale Widerstandsänderung zeigt, ist der, daß der supraleitende Zustand beim Anlegen eines schwachen Magnetfelds, wie oben beschrieben, ausgehend von den Korngrenzen zusammenbricht, so daß der Supraleiter plötzlich die Eigenschaft elektrischen Widerstands aufweist.
Dank diesem magnetoresistiven Effekt kann durch Erhöhen des dem Supraleiter 1 zugeführten Stroms, wie in Fig. 3 dargestellt, die Stärke des Magnetfeldes zum Hervorrufen einer Spannung zwischen dem Supraleiter verringert werden, wie in Fig. 1 dargestellt. Wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird dann, wenn dem Supraleiter 1 ein Strom von 1 mA zugeführt wird, eine Spannung beim Anlegen eines Magnetfeldes von 25 Oersted (nachfolgend mit Oe bezeichnet) hervorgerufen; wenn ihm ein Strom von 5 mA zugeführt wird, wird eine Spannung beim Anlegen eines Magnetfeldes von 7,5 Oe hervorgerufen; und wenn ihm ein Strom von 10 mA zugeführt wird, wird durch Anlegen eines Magnetfelds von 3 Oe eine Spannung hervorgerufen.
Fig. 2 veranschaulicht die erfindungsgemäße Magnetfeldmessung, die den vorstehend genannten magnetoresistiven Effekt eines Supraleiters verwendet, und zwar unter der Bedingung, daß kein Magnetfeld an den Supraleiter 1 in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche 1a des Supraleiters 1 durch eine Magnetquelle 20 angelegt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß in jeder Richtung ein Magnetfeld an den Supraleiter 1 angelegt werden kann. Um eine Spannung im Punkt A (0,5 uV) zu erzeugen, wird ein Strom von 21 mA mit Hilfe der Stromelektroden 9 durch ihn geschickt. Wenn in diesem Zustand ein Magnetfeld an den Supraleiter angelegt wird, steigt der Widerstand des Supraleiters an, wodurch sich die Ausgangsspannung des Supraleiters 1 erhöht. Aus diesem Grund wird der Strom verringert, um die Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Wert zu erniedrigen. Wenn ein Magnetfeld von 8 Oe an den Supraleiter 1 angelegt wird, wird der Strom auf 5 mA erniedrigt, um den Spannungswert nach B zu verschieben. Wenn ein Magnetfeld von 29 Oe an den Supraleiter 1 angelegt wird, wird der Strom auf 1 mA verringert, um den Spannungswert nach C zu verschieben. In diesem Zusammenhang gilt, daß die Ausgangsspannung in den Punkten B und C auf 0,5 uV festgelegt ist.
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann durch Erstellen eines Diagramms für die Beziehungscharakteristik oder von Daten für den ihm zugeführten Strom die Stärke des angelegten Magnetfeldes, die Ausgangsspannung des jeweiligen keramischen, supraleitenden, magnetoresistiven Elements, auf Grundlage der Stromstärke berechnet werden, die der vorgegebenen Ausgangsspannung entspricht.
Fig. 4 ist ein Schaltbild zum Ausführen der Magnetfeldmeßvorgänge durch das erfindungsgemäße keramische, supraleitende, magnetoresistive Element.
Links in Fig. 4 ist eine Ausgangsspannung-Einstellschaltung dargestellt. Gemäß Fig. 4 sind eine Konstantspannungsschaltung 4 aus einer integrierten Schaltung (IC) sowie ein halbvariabler Widerstand 8 zur Spannungsteilung parallel geschaltet und über einen Widerstand 6 an eine Spannungsquelle Vc angeschlossen. Die Ausgangsspannung wird durch Einstellen des halbvariablen Widerstandes 8 eingestellt. Rechts in Fig. 4 sind ein aus einem Supraleiter 1 bestehendes magnetoresistives Element, ein Transistor 7 und ein Ausgangswiderstand 5 in Reihe an die Spannungsquelle Vc angeschlossen. Bei dieser Schaltungsanschlußart wird die Ausgangsspannung von den Spannungselektroden 10 des magnetoresistiven Elements in einen Differenzverstärker 2 eingegeben, dessen Ausgangsanschluß mit dem negativen Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 3 verbunden ist, und der Ausgang der oben genannten Ausgangsspannung-Einstellschaltung ist mit dem positiven Anschluß des Operationsverstärkers 3 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 3 ist an die Basis des Transistors 7 angeschlossen. Der Operationsverstärker 3 vergleicht den vorgegebenen Spannungswert des positiven Eingangsanschlusses mit der Ausgangsspannung des magnetoresistiven Elements am negativen Eingangsanschluß und gibt in den Transistor 7 ein Signal ein, das die Differenz zwischen diesen Spannungen anzeigt, und der Transistor 7 steuert den durch das magnetoresistive Element 1 fließenden Strom so, daß die Spannung am positiven Eingangsanschluß des Verstärkers 3 und diejenige am negativen Eingang gleich werden.
Durch den vor stehend genannten Schaltungsbetrieb wird die stabilisierte Stromstärke über den Widerstand 5 als Spannung abgegriffen. Dies erfolgt in Anpassung an das Ausführungsbeispiel, wie es in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde. Wenn der Widerstand 5 auf 100 Ω und die vorgegebene Spannung auf 0,5 uV eingestellt sind, fließen Ströme von 21 mA, 5 mA und 1 mA entsprechend den jeweiligen Magnetfeldern von 0 Oe, 8 Oe bzw. 29 Oe und demgemäß werden Spannungen von 2,1 V, 0,5 V bzw. 0,1 V über den Widerstand 5 am Ausgangsspannungsanschluß AUS erzeugt. Die Spannung am Anschluß AUS wird an einen Datenprozessor 21 gelegt, in dem eine Berechnung zum Umwandeln der Stromstärke in die Stärke des Magnetfelds ausgeführt wird.
Die vor stehende Beschreibung erfolgte unter Bezug auf den magnetischen Meßvorgang gemäß der Erfindung, jedoch wird die Meßgenauigkeit dadurch verbessert, daß ein supraleitendes, magnetoresistives Element verbessert wird, das für die Stärke eines angelegten Magnetfelds am besten geeignet ist, und zwar durch Auswählen aus magnetoresistiven Elementen verschiedener Empfindlichkeiten.
Die keramischen, supraleitenden, magnetoresistiven Elemente weisen verschiedene Empfindlichkeiten auf, um die oben angegebene Aufgabe zu lösen. Supraleiter, wie sie für keramische, supraleitende, magnetoresistive Vorrichtungen verwendet werden, können dadurch verschiedene Empfindlichkeiten aufweisen, daß die Herstellbedingungen verändert werden.
Z.B. wird ein keramischer Supraleiter dadurch hergestellt, daß die oben angegebenen Pulvermaterialien gebrannt werden. Wenn die Preßkraft nur von 1 t/cm² auf 0,5 t/cm² geändert wird, verändert sich die Packungsdichte auf 90% oder weniger gegenüber der, die bei einem Druck von 1 t/cm² entsteht, die Oberflächenrauhigkeit wird auf 1 um oder mehr erhöht, jedoch erhöht sich die Empfindlichkeit des magnetoresistiven Elements. Ferner wird die Supraleiterempfindlichkeit dadurch verbessert, daß die Packungsdichte des Supraleiters verringert wird, um einen porösen Supraleiter herzustellen, und zwar durch Ausbilden feiner Poren in der Supraleiteroberfläche durch einen Laser oder dergleichen oder durch Verändern der Übergangsbedingungen an den Korngrenzen des Supraleiters durch einen thermischen oder mechanischen Prozeß. Die Empfindlichkeitseigenschaften einer durch den vorstehend angegebenen Prozeß erhaltenen magnetoresistiven Vorrichtung sind reproduzierbar, ändern sich nicht mit der Zeit und können stabil auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden.
Fig. 5 ist eine Modifizierung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels, bei der ein Supraleiter dickenmäßig verändert ist, um die Empfindlichkeit des magnetoresistiven Elements zu verändern. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der keramische Supraleiter als rechteckiger Typ von 1 mm · 7 mm Länge ausgebildet, und das Diagramm I repräsentiert die ursprüngliche Dicke von 1 mm desselben nach dem Schneiden, und das Diagramm II repräsentiert eine Dicke von 0,6 mm nach mechanischem Abtragen. Die ihnen zugeführten Ströme sind 1 mA.
Wie es aus der oben angegebenen Beschreibung ersichtlich ist, wird die Empfindlichkeit eines magnetoresistiven Elements abhängig von den Herstellbedingungen des Supraleiters verändert und der der Vorrichtung zugeführte Strom kann beliebig abhängig von der Größe, der Form oder einem anderen Konstruktionsmerkmal der Vorrichtung eingestellt werden. Daher kann ein gewünschtes magnetoresistives Element hergestellt werden, das an die Meßbedingungen angepaßt sein kann, wie an die Stärke des angelegten Magnetfelds, das magnetische und räumliche Auflösungsvermögen oder dergleichen, wie erforderlich, so daß eine genaue Magnetismusmessung ausgeführt werden kann.
Wenn ein magnetoresistives Element aus solchen mit verschiedenen Charakteristiken für die Anwendung ausgewählt wird, oder wenn der vorgegebene Spannungswert der Meßschaltung verändert wird, wird ein Gerät zum Erzeugen eines vorgegebenen Magnetfeldes bereitgestellt, um schnell Kalibrierdaten für das Element zu erstellen, so daß der Kalibriervorgang schnell ausgeführt werden kann, der die Bedingungen der magnetoresistiven Vorrichtung und der in ihr vorhandenen Ansteuerschaltung berücksichtigt. Demgemäß kann die Stärke eines Magnetfeldes genau unter den geeignetsten Bedingungen berechnet werden.
Erfindungsgemäß wird ein keramisches, supraleitendes, magnetoresistives Element mit hoher Empfindlichkeit gegenüber einem schwachen Magnetfeld, da ein schwacher Korngrenzenübergang besteht, zum Messen eines Magnetfeldes verwendet, wobei die Eigenschaft genutzt wird, daß sich der Strom deutlich abhängig von einer Änderung der Magnetfeldstärke ändert. Anders gesagt, kann ein supraleitendes, magnetoresistives Element das Magnetfeld unter der Bedingung des Elements gemessen werden, daß die Stromstärke durch einen kleinen elektrischen Widerstand erfaßt wird, wodurch der durch es hindurchgeleitete Strom mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann. Daher kann durch Messen dieses eingestellten Stroms die Magnetfeldstärke unter den wirkungsvollsten Zuständen des keramischen, supraleitenden, magnetoresistiven Elements gemessen werden.

Claims

1. Gerät zum Messen der Stärke eines Magnetfelds, mit

- einem supraleitenden, magnetoresistiven Element (1), das seinen elektrischen Widerstand abhängig von der Stärke eines angelegten Magnetfelds ändert;

- einem Paar äußerer Elektroden (9, 9), die auf dem Element angeordnet sind;

- einem Paar innerer Elektroden (10, 10), die entlang des Strompfads zwischen den äußeren Elektroden angeordnet sind;

- einer Stromeinstelleinrichtung (11; 3-8), die mit den äußeren Elektroden verbunden ist, um einen elektrischen Strom durch das Element zu schicken, wobei die Stärke des eingestellten Stroms das Maß für die Stärke des angelegten Magnetfeldes ist; und

- einer Spannungsanzeigeeinrichtung (12; 2), die mit den inneren Elektroden verbunden ist, um die Spannung zu messen, die zwischen den inneren Elektroden entsteht, wenn ein Strom zwischen den äußeren Elektroden fließt;

dadurch gekennzeichnet, daß die Stromeinstelleinrichtung (11; 3-8) die von der Spannungsanzeigeeinrichtung (12; 2) gemessene Spannung als Rückkopplungswert erhält, um eine Rückkopplungseinstellung des Stroms auf solche Weise vorzunehmen, daß die zwischen den Innenelektroden entstehende Spannung auf eine vorgegebene Spannung größer Null eingestellt ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, das weiter eine Einrichtung zum Anlegen eines vorgegebenen konstanten Magnetfelds an das supraleitende, magnetoresistive Element (1) zum Kalibrieren des Geräts aufweist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, mit mehreren solchen supraleitenden, magnetoresistiven Elementen, die sich jeweils voneinander in der Empfindlichkeit in Bezug auf die Stärke des angelegten Magnetfelds unterscheiden, für wahlweise Verwendung abhängig von der Stärke des angelegten Magnetfelds.