WO2007096318A1 - Sensor device for detecting a magnetic field variable - Google Patents

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WO2007096318A1
WO2007096318A1 PCT/EP2007/051544 EP2007051544W WO2007096318A1 WO 2007096318 A1 WO2007096318 A1 WO 2007096318A1 EP 2007051544 W EP2007051544 W EP 2007051544W WO 2007096318 A1 WO2007096318 A1 WO 2007096318A1
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WO
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magnetic field
sensor device
tunnel
magnetic
transducer
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/051544
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German (de)
French (fr)
Inventor
Gabriel Daalmans
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices

Definitions

  • the invention relates to a sensor device for detecting a magnetic field size. It comprises at least one converter unit, a source supplying the converter unit and an amplifier connected to the converter unit.
  • Such a magnetic field-sensitive sensor device is known, for example, from the article by R. Stolz et al. "Integrated SQUID Gradiometer System for Magneto-Cardiography Without Magnetic Shielding", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003, Vol 13 (2), pages 356 to 359.
  • Such sensor devices are suitable for high-resolution detection even of very weak magnetic field distributions.
  • they usually have a magnetic field converter designed as a SQUID (superconducting quantum interference p-detector) sensor as the main component of the converter unit.
  • SQUID sensors allow a magnetic field resolution in the order of 10 fT / VHz to 10 pT / VHz, the high sensitivity even for very weak magnetic fields but only by means of a costly cooling to -269 ° C (liquid
  • Helium or at -196 ° C (liquid nitrogen) is achieved.
  • additional components such as the magnetic flux concentrating antennas and / or reference sensors including electronic units for compensating homogeneous interference magnetic fields can be provided. This results in a high sensitivity for gradient fields with simultaneous insensitivity to homogeneous fields. Overall, these known sensor devices are complex and often relatively large.
  • the invention relates to a sensor device for detecting a magnetic field size comprising at least one transducer unit, a source feeding the transducer unit and an amplifier connected to the transducer unit, wherein the transducer unit comprises first magnetic field transducer and another branch element connected in series in which at least one of the first magnetic field transducers is arranged a magnetic antenna which increases a local magnetic flux density at this first magnetic field transducer and in that there is a modulation unit which is magnetically connected to the antenna by means of a modulation coil.
  • a feedback path is preferably provided between the amplifier and at least one of the first magnetic field converter.
  • the feedback branch is preferably connected to the first magnetic field converter by means of a magnetic antenna and a modulation coil.
  • Transducer bridge circuit comprising two bridge branches connected in parallel, b) each of the bridge branches comprises a first magnetic field transducer and a series-connected further branch element.
  • the amplifier is connected to two tap nodes, one of which is provided between the first magnetic field converter and the other branch element of each bridge branch, and is preferably d) the first magnetic field converter each bridge branch each a tunnel magnetoresistor, the is composed of several electrically connected in series tunnel elements.
  • TMR tunnel magnetoresistor
  • the field or field gradient resolution can be set. It was recognized that the resolution can be improved with increasing number of tunnel elements.
  • Magnetic field size may in particular be a magnetic field or a gradient of a magnetic field.
  • the noise of the converter unit can be increased, so that it is preferably at least as large as the noise of the (pre-) amplifier. Then the noise of the amplifier has a negligible and in particular much smaller impact on the finally achievable resolution than in other solutions in which the amplifier noise outweighs that of the transducer unit.
  • the amplifier is preferably low noise, but still inexpensive, so for example, in a "low cost" variant executed.
  • the multiplicity of tunnel elements can preferably be integrated on a common chip without further ado, so that the sensor device according to the invention can be realized essentially in a very compact manner.
  • the converter unit is very space-saving. It can be realized without voluminous components.
  • the converter bridge circuit included in the converter unit improves the temperature behavior.
  • the output of the sensor device according to the invention is therefore also very stable in temperature.
  • the bridge circuit can help to prevent the influence of disturbing, in particular homogeneous magnetic fields, which are superimposed on the measured magnetic field magnitude.
  • a very high field or field gradient resolution can be achieved by means of the sensor device according to the invention, which is comparable to that of a SQUID sensor, but no part of the sensor device according to the invention is to be cooled to a low temperature.
  • the sensor device according to the invention thus works at room temperature, so that in particular no expensive cooling devices are required. It is advantageous to use standard combined in a novel way. This reduces both the manufacturing and the operating costs.
  • a variant is expedient in which the tunnel elements assigned to one of the tunnel magnetoresistors are connected to one another in the form of a chain structure.
  • This chain-like arrangement is particularly space-saving and can be produced in particular integrated on a chip.
  • each bridge branch is designed as a magnetoresistance-insensitive resistor, in particular as an ohmic metal resistor.
  • a magnetoresistance-insensitive resistor in particular as an ohmic metal resistor.
  • each bridge branch is designed as a second magnetic field converter, in particular in the form of a tunnel magnetoresistor.
  • a second magnetic field converter in particular in the form of a tunnel magnetoresistor.
  • a linear magnetic field converter is also provided.
  • a tunnel magnetoresistor which is linearly dependent on the magnetic field quantity to be detected, has in particular two easy axes of magnetization ("easy axis") which are perpendicular to one another and to the direction of the magnetic field quantity to be detected whereas magnetic field gradients can be detected by means of alternative variants realized without shielding, for example.
  • a magnetic antenna is arranged, which increases a local magnetic flux density at this first magnetic field transducer.
  • this flux density increase by the antenna takes place only at the first magnetic field transducer assigned to it, whereas the flux ratios at the other first magnetic field transducer remain unaffected by this antenna.
  • the antenna leads to an increase in field sensitivity and / or resolution. This is especially true when the antenna has a sufficiently large thickness to act as a flux concentrator. For space and efficiency reasons, it is favorable to integrate the antenna and the associated magnetic field transducer together on a chip.
  • a further variant is expedient in which, in particular for noise suppression, a modulation unit, in particular by means of a modulation coil, is magnetically connected to the antenna.
  • a modulation unit in particular by means of a modulation coil
  • a non-linear magnetic field converter is preferably provided, in which the easy axes of the magnetization ("easy axis") in the relevant magnetic layers of the tunnel magnetoresistance are therefore not oriented perpendicular to each other but parallel.
  • a feedback branch may also be provided between the amplifier and at least one of the first magnetic field transducers. Such feedback stabilizes and linearizes the output signal of the sensor device.
  • the feedback branch is connected to the first magnetic field converter by means of a magnetic antenna and a coil.
  • the antenna and the coil can then also be used otherwise, for example for a modulation for low-frequency noise suppression. Then the number of components required is reduced.
  • the antenna is used for several purposes.
  • the invention can be used for a wide variety of technical applications. Particularly advantageous is the application for a magnetic field measurement in magnetic resonance tomographs.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a sensor device for
  • Magnetic transducers 2 shows an embodiment of a magnetic field converter according to FIG. 1 with a chain-like arrangement of the tunnel elements, FIG.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a transducer unit for detecting a magnetic field gradient comprising antennas assigned to the magnetic field converters,
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of the magnetic fluxes which occur in one of the antenna-provided magnetic field converters according to FIG. 3
  • FIG. 5 shows a block diagram of a sensor device for
  • FIG. 6 shows a block diagram of a sensor device for
  • Detecting a magnetic field comprising a magnetically shielded magnetic field transducer and a feedback branch
  • FIG. 7 shows a block diagram of a transducer unit for detecting a magnetic field gradient comprising antennas assigned to the magnetic field converters and one connected to the antennas
  • Detection of a magnetic field comprising a transducer unit in half or full bridge circuit and a modulation unit.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a sensor device 1 for detecting a gradient .theta.B / .theta.x of a magnetic field B (x). It contains a magnetic field-sensitive converter unit 2, a source 3 supplying the converter unit 2 with a bias voltage E and an amplifier 4 connected to the converter unit 2.
  • the converter unit 2 is realized as a bridge circuit which has two bridge branches 5 connected in parallel and 6 in each case with a series connection of a first magnetic field converter 7 or 8 and a further branch element 9 or 10. Between the magnetic field converters 7 and 8 on the one hand and the branch elements 9 and 10 on the other hand, in each case a tap node 11 or 12 is present. The tap nodes 11 and 12 form a center tap to which the amplifier 4 is connected.
  • the magnetic field converters 7 and 8 are each designed as tunnel magnetoresistors with a magnetic field-dependent resistance value Ri (B) or R 2 (B).
  • the branch elements 9 and 10 are designed as simple ohmic resistors, in the exemplary embodiment as metal resistors, with a magnetic field-independent resistance value Ro.
  • the bridge circuit is thus executed in the embodiment of FIG 1 as a half bridge.
  • the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converters 7 and 8 also have a resistance of R 0 . Otherwise, their resistance value Ri (B) or R 2 (B) depends on the magnetic field B (xi) or B (x 2 ) pending at their location Xi or x 2 .
  • the magnetic field transducers 7 and 8 are arranged in the direction of an x-spatial coordinate with a distance I Xi-X 2 I to each other.
  • the magnetic field converters 7 and 8 are linear, ie their output signal depends linearly on the magnetic field B (xi) or B (x 2 ) to be detected.
  • the linear behavior is caused by the magnetizations Mi and M 2 oriented perpendicular to each other in the direction of the easy axes ("easy axis") and the magnetizations Mi and M 2 are field-free Case symmetrical with respect to the magnetic field direction to be detected. So they are each at an angle of about 45 ° to the x direction. Under the influence of a magnetic field B to be measured, at least one of the magnetizations Mi and M 2 is rotated with respect to its original orientation.
  • the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converters 7 and 8 are composed of a number N of individual tunnel elements 13, which are electrically connected in series.
  • Each tunnel element 13 has a lower and an upper electrode 14 and 15, between which a tunnel junction 16 is arranged.
  • At least one of the electrodes 14 and 15 is realized in the embodiment with a soft magnetic material.
  • the N tunnel elements 13 of a tunnel magnetoresistor are connected to one another like a chain structure.
  • Each lower and each upper electrode 14 and 15 contacts two adjacent tunnel elements 13, wherein the tunnel element pairs contacted by the upper electrodes 15 are each offset by one tunnel element 13 from the tunnel element pairs contacted by the lower electrodes 14.
  • Adjacent tunnel elements 13 are therefore always in the opposite direction, ie from top to bottom or from bottom to top, passed by the charge carriers.
  • the amplifier 4 is a low-cost, low-noise preamplifier whose noise is, for example, at a value of 5 nV / VHz. Depending on the frequency range covered in the specific case of application, however, even higher noise values than 5 nV / VHz may still be regarded as low in noise.
  • the mode of operation of the sensor device 1 according to FIG. 1 as well as particularly favorable dimensioning specifications for individual components of the sensor device 1 are described in more detail below:
  • This measurement signal is further processed in the amplifier 4 low noise, so that a total of a very high magnetic field gradient resolution results.
  • the latter can be adjusted in particular by a suitable choice of the number N of the tunnel elements 13.
  • the nominally identical magnetic field-dependent resistance values Ri (B) and R 2 (B) of the magnetic field converters 7 and 8 are calculated when the magnetic field B (xi) and B (x 2 ) are present according to:
  • R 2 (B) R 0 + ( ⁇ R 2 / ⁇ B) B (x 2 ) (2)
  • a noise voltage density u n at the center tap of the half-bridge can be approximated by the following equation:
  • f stands for the frequency
  • k b for the Boltzmann constant
  • T for a temperature of the magnetic field transducers 7 and 8
  • for a proportionality constant dependent on the technology and the material
  • V for an active volume of the tunnel junction of each of the tunnel elements 13.
  • the active volume V included in equation (8) is linearly proportional to the transversal cross-sectional area A
  • the white noise u 2 : according to equation (7) is linearly proportional to the resistance R- of the tunneling elements 13 and thus inversely proportional to the cross-sectional area A of the transition.
  • the relationship for the noise voltage density u 2 n can be transformed to:
  • p denotes the resistivity of the tunnel elements 13, t B the thickness of the tunnel barrier of the tunnel elements 13 and ⁇ thermalisation length within the charge carriers on the average after tunneling through one of the tunnel elements 13.
  • (3B / 3x) min [1 / V (NA)] [4k b T (pt B) + 0, 5 ⁇ E 2 / ( ⁇ f)] ° '5 /
  • Equation (10) shows that the Magnetfeldgradientenankans (.theta..sub.B / ⁇ x) min of the converter unit 2 in total inversely proportional to the square root of the product of the transitional cross-sectional area A one of the tunnel elements 13 and the number N of the tunnel elements 13 is. By means of a change of these two sizes, the resolution can thus be adjusted.
  • the equation (10) shows that the magnetic field gradient resolution ( ⁇ B / ⁇ x) min of the transducer unit 2 as a whole versus the magnetic field gradient resolution ( ⁇ B / ⁇ x) -
  • , mm of a single one of the tunnel elements 13 is a factor of the square root of the number N of the tunnel elements 13 can be improved.
  • this statement is valid only when the noise u 2 n of the half bridge, so the transducer unit 2, A is greater than a noise amplifier 2 u n, the amplifier 4. Accordingly, the condition:
  • Equations (10) and (11) are the design rules for the transducer unit 2, in particular for the tunneling magnetoresistors of the magnetic field converters 7 and 8.
  • the number N thus determined may be substituted into equations (10) and (11) to derive a condition for the transition area A of each of the tunnel elements 13:
  • the total cross-sectional area of the tunnel junctions of all tunnel elements 13 of one of the magnetic field transducers 7 and 8 is of the order of 10 5 ⁇ m 2 .
  • the tunnel elements 13 are integrated in particular on a chip. Consequently, the magnetic field converter 7 and 8 and thus also the transducer unit 2 and the sensor device 1 overall have a very compact design with a small footprint. In addition, the sensor device 1 can be produced with comparatively low production costs.
  • FIG. 3 another embodiment of a converter unit 17 is shown in block diagram representation.
  • the converter unit 17, like the converter unit 2, is a gradiometer. It detects a magnetic field gradient. you
  • the construction is essentially similar to that of the converter unit 2.
  • the main difference consists in additionally provided magnetic antennas 18 and 19, one of which is assigned to one of the two magnetic field converters 7 and 8 respectively.
  • the antennas 18 and 19 are made of a soft magnetic
  • the antennas 18 and 19 do not cause any influence on the flux density at the respectively non-associated magnetic field converter 8 or 7. Ultimately, the two antennas 18 and 19 lead to an improvement of the sensitivity and the resolution.
  • the antennas 18 and 19 are laterally adjacent to the respective magnetic field transducer 7 and
  • the antenna 18 or 19 is converted into an impedance R A , the air gap 20 or 21 in an impedance R G and the soft magnetic electrodes 14 and 15 of the tunnel junctions in an impedance R ⁇ .
  • These impedances R A , R G and R ⁇ are connected in series. Parallel to this series connection, a further impedance Rp is arranged, which describes the interacting volume, in which the flux density is influenced by the antenna 18 or 19.
  • the main task of the antenna 18 or 19 is to increase this interacting volume.
  • the flux ⁇ i can be expressed by the total magnetic flux ⁇ in the interacting volume in combination with the mentioned magnetic impedances:
  • a A an antenna cross-section perpendicular to the magnetic field, with w A an antenna width, with L A an antenna length, with h an air gap width, with B G a local flux density in the air gap 20 and 21 and B 0 a
  • Flux density of the output measuring field is designated. These variables are entered in the illustration in FIG 3 with.
  • the different magnetic impedances are calculated according to:
  • RG h / ( ⁇ o w A t A ): i6c) w ⁇ / ( ⁇ o ⁇ ⁇ w A t ⁇ : i6d)
  • Magnetic field transformers 17 thus dimensioned make it possible to improve the magnetic field gradient resolution up to about 100 fT / cmVHz at frequencies f which are above the limit frequency f c mentioned in table 2.
  • a resolution comparable to that of the SQUID sensors can be achieved.
  • all components in the magnetic field converter 17 can be at room temperature. Cooling to low temperatures is not required.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a sensor device 22 as a block diagram.
  • the magnetic field gradient B is not detected by means of the sensor device 22, but the magnetic field B is detected.
  • the sensor device 22 comprises a transducer unit 23, which is designed as a half-bridge.
  • a shielded magnetic field transducer 24 is provided in the other bridge branch 5, which apart from a magnetic shield 25 as well as the magnetic field converters 7 and 8 is constructed.
  • he is also a tunnel magnetoresistor with a variety in
  • the shield 25 is designed as a low-sized soft magnetic resistance. In a basically possible alternative embodiment as a full bridge, three of the then four provided magnetic field converter would be shielded.
  • U1-U2 present at the center tap of the half-bridge of the sensor device 22 according to FIG. 5
  • This sensor device differs from that of the sensor device 22 shown in FIG 5 only in that the magnetic field converter is magnetically not shielded in the left bridge branch 5 and that in the right bridge branch 6 of the (also unshielded) magnetic field transducer 8 and the ohmic resistance executed branch element 10 are reversed in order.
  • the magnetic field sensitive components are thus arranged diagonally in the bridge.
  • the bridge of the sensor device, not shown is built very close, so that both magnetic field sensitive components detect the same magnetic field B. Then the following relationships apply.
  • Equation (22) simplifies equation (21) to:
  • an additional feedback branch 27 is provided in the exemplary embodiment of a sensor device 26 shown in FIG.
  • a converter unit 28 of the sensor device 26 differs from the converter unit 23 of the sensor device 22 only by a magnetic antenna 29 additionally provided on the magnetic field converter 8, which is surrounded by a modulation coil 30.
  • the feedback branch 27 leads from the output of Amplifier 4, for example, via an optional inverting isolation amplifier 31 to the modulation coil 30.
  • the feedback branch 27 may also contain other or further components such as a summing element and / or a modulation unit.
  • Magnetic field gradient ⁇ B / ⁇ x detecting sensor device 1 applies, can also for the magnetic field B sensing sensor devices 22 and 28 specify a sizing rule for the number N of the tunnel elements 13 of the magnetic field converters 25 and 8. It is:
  • FIG. 7 shows a block diagram of a further exemplary embodiment of a transducer unit 32 for detecting a magnetic field gradient .theta.B / .theta.x. It is designed as a full bridge. There are a total of four magnetic-field converter 33, 34, 35 and 36 are provided which are each designed as a tunnel magneto resistors having a resistance value Ri, R.2, R3 and R 4. Also the
  • Tunnel magnetoresistors of the magnetic field converters 33 to 36 have the chain-type structure shown in FIG. 2 with a plurality of tunnel elements 13.
  • each bridge branch 5 and 6 a shielded and a field-sensitive sensor is provided. Magnetically shielded are therefore the magnetic field transducers 35 and 36, whereas the Meß conductingnwen and for the purpose of Gradient detection at the same height (ie, perpendicular to the x direction) arranged magnetic field converters 33 and 34 each have a magnetic antenna 37 and 38 is assigned. Each of the antennas 37 and 38 is wound with a modulation coil 39 and 40, respectively, implemented in planar technology, which is electrically connected to a modulation unit 41.
  • the modulation unit 41 allows in the range of the measuring variable-sensitive magnetic field converters 33 and 34, the targeted additional generation of a magnetic
  • the then at the center tap pending measurement signal .DELTA.U U1-U2 has an amplitude modulation with the modulation frequency f mod on.
  • a nonlinear dependency of the voltages Ui or U2 present at the middle tap is provided by the magnetic field B.
  • the nonlinear behavior of at least the measuring variable-sensitive magnetic field converters 33 and 34 is achieved by magnetizations M 3 and M 4 in the direction of the easy axes in the relevant magnetic layers are not perpendicular to each other, but oriented parallel or anti-parallel.
  • the magnetizations M 3 and M 4 are preferably oriented vertically.
  • the essential frequency content of the magnetic field B (x) is thus below the modulation frequency f M ⁇ d -
  • the modulation magnetic field B Mod is equal to the two magnetic field converters 33 and 34. Without the low-frequency magnetic field B (x) to be measured, it generates a change in the respectively associated resistance values Ri and R2 according to:
  • R 2 R 0 + ⁇ R 2 expj (4 ⁇ f M ⁇ dt) (28)
  • An additional low-frequency magnetic field B (x) to be measured modulates the resistance changes ⁇ Ri and ⁇ R 2 according to FIG.
  • Ri - R 0 .DELTA.R Moc ⁇ expj (4 ⁇ f M ⁇ dt) + ( ⁇ Ri / OEB) B (x x) expj (2.pi.f Mod t) (29)
  • R 2 - R 0 .DELTA.R Mod expj (4 ⁇ f Mod t) + ( ⁇ R 2 / ⁇ B) B (x 2 ) expj (2 ⁇ f mod t) (30)
  • ⁇ R Mod is an amplitude of the modulation-induced change in the nominally equal resistance values Ri and R 2 of the magnetic field converters 33 and 34.
  • Ri and R 2 With nominally identical resistance values Ri and R 2 and without gradient field:
  • the modulation magnetic field B mOd generated by the modulation is superimposed on the external magnetic field B to be measured.
  • the field sensitivity of the affected magnetic field converters 33 and 34 is modulated between a maximum and a minimum, eg a vanishing, sensitivity.
  • Magnetic field converters 33 and 34 make noticeable.
  • the detection of the magnetic field B to be measured is consequently not affected by these low-frequency fluctuations.
  • the converter unit 32 has an improved behavior with regard to sensitivity and resolution compared to the converter unit 2 according to FIG.
  • the advantageous magnetic field modulation for suppressing low-frequency noise components can be used not only in the detection of the magnetic field gradient ⁇ B / ⁇ x, but also in the detection of the magnetic field B.
  • Corresponding embodiments magnetic field detecting Sensor devices 42 and 43 are shown as block diagrams in FIGS. 9 and 10, respectively.
  • the sensor device 42 has a converter unit 44 realized as a half-bridge with the branch elements 9 and 10 designed as simple ohmic resistors and with a shielded and a measuring-variable-sensitive magnetic field converter 45 and 46, respectively.
  • the latter are non-linear tunnel magnetoresistors each having a plurality in FIG Series of switched tunnel elements 13.
  • the measuring variable-sensitive magnetic field transducer 46 is provided as a magnetic flux concentrator acting magnetic antenna 47 which is surrounded by a modulation unit 48 is electrically connected to a modulation coil 49.
  • the sensor device 43 according to FIG. 10 has a converter unit 50 in the form of a full bridge with four non-linear magnetic field converters 51, 52, 53 and 54 which are again constructed as tunnel magnetoresistors each with a multiplicity of tunnel elements 13 connected in series.
  • each bridge branch 5 and 6 a shielded and a field-sensitive sensor is provided. Accordingly, the magnetic field transducers 52 and 53 are magnetically shielded, whereas magnetic field transducers 51 and 54 each have a magnetic antenna 55 or 56 associated therewith for the purpose of field detection perpendicular to the x-direction at different heights.
  • Each of the antennas 55 and 56 is wound with a modulation coil 57 and 58, respectively.
  • Modulation coils 57 and 58 are electrically connected in series and connected to a modulation unit 59.
  • the magnetic field modulations produced on both magnetic field converters 51 and 54 are preferably in phase.
  • the sensor device 43 results in a signal amplitude of the measurement signal U1-U2 that is twice as large compared to the sensor device 42. Both sensor device 42 and 43 have the favorable suppression of low-frequency noise components.
  • All of the above-described sensor devices 1, 22, 26, 42 and 43 as well as transducer units 17 and 32 offer a high magnetic field or magnetic field gradient resolution in the case of a small volume of construction.
  • the respective converter units 2, 17, 23, 28, 32, 44 and 50 can be integrated in particular on a chip. At an achievable resolution of a few pT / cm, the chip has
  • the sensor devices described above can be used for a wide variety of applications with magnetic field measurements.
  • metrological problems with nuclear spin tomographs that work according to the magnetic resonance method can thus be solved.
  • the DC magnetic fields that serve to magnetically mark the diagnostic room.
  • the local field determines the frequency of the nuclear resonance and thus the diagnostic space is uniquely marked by the frequency.
  • the DC field is composed of a large homogeneous field and of gradient fields in the three coordinate directions.
  • the homogeneous field is typically between 0.3 and 3 Tes- Ia.
  • the gradient fields are typically in the range of about 0.1 mT / cm.
  • the nuclear spins of the protons are transmitted through the DC magnetic field aligned.
  • a high-frequency field (42 MHz at 1 Tesla) deflects the spins and brings them to precision around the DC field. Switching off the high-frequency field then leads to a relaxation of the spins and an inductive spin echo in the high-frequency coil.
  • the relaxation is tissue-specific and thus causes the contrast in the subsequent image representation during the evaluation.
  • the feedback loop is technologically correctly designed and suitably dimensioned, and the homogeneous field is switched off during the measurement of the gradient field.
  • the chain of tunnel elements described in detail with reference to FIG. 2 is not absolutely necessary.
  • Other magnetoresistive resistors are possible.
  • the low-frequency noise of the sensor is very important.
  • tunnel elements are rushing heavily, which is why the
  • a measuring bridge composed of chains of magnetoresistive transducers can be useful, whereby the transducers can be both GMR (Giant Magnetic Resonance), AMR (Anisotropic Magnetic Resonance) or TMR (Tunnel Magnetic Resonance) elements.
  • GMR Global Magnetic Resonance
  • AMR Analog Magnetic Resonance
  • TMR Transmission Magnetic Resonance
  • a chain with AMR transducers is an extended element: Resistors are interconnected with one structural element, which can advantageously be done without additional connection technology.
  • hybrid sensors are required.
  • sensors with XMR elements are used for the gradient fields.
  • Such a hybrid measuring device can be realized with a sensor chip.
  • a sensor chip is repeatedly used in the MRI scanner in a plane perpendicular to the longitudinal axis and in two positions which are rotated with respect to each other by 90 ° about the longitudinal axis. In this case, two such measurement levels can be provided. This allows a complete measurement of the field distribution in all three coordinate directions simultaneously. With the latter approach, the following field components can be measured:
  • a universal chip for the measurement of the fields in nuclear resonance thus consists in the present case at least of a Hall element and an AMR bridge.
  • the chip can thus measure B (z) and ⁇ B (y) / ⁇ y simultaneously in the event that the chip plane is the xy plane.
  • a rotation of the chip 90 ° about the z-axis allows the simultaneous measurement of B (z) and ⁇ B (x) / ⁇ x. For this reason, two 90 ° twisted chips in the same xy plane are capable of measuring the magnetic field quantities B (z), ⁇ B (x) / ⁇ x and ⁇ B (y) / ⁇ y.
  • the measuring bridge can also directly measure the components B (x) and B (y) instead of their gradients.
  • the measurement in two levels also allows the detection of ⁇ B (z) / ⁇ z by interconnecting the Hall sensors of the two levels.
  • the XMR sensors have - as described - the property of feedback and can thus detect the magnetic fields as linear or non-linear sensors with great accuracy. However, this results in the need for substrate positioning.
  • the combination of XMR sensors and Hall sensors in a room with very high fields is metrologically only meaningful. full if the very high field is oriented perpendicular to the substrate plane. Because only in this case, the magnetization of the magnetic layers is not affected by the axial field. It is therefore necessary for meaningful use of the chip to have a separate device that allows for proper alignment of the chip. Such a device must therefore have two orthogonal axes of rotation, which are perpendicular to the direction of the large axial field. In this case, the substrate plane is spanned by coordinates x s , y s and z s . With an optimal orientation of the substrate, x s and y s would be infinite. The normal vector n s may be aligned in the z direction.
  • the magnetic field gradient sensors are powered by electrical power and operated so that the gradient fields ⁇ B x / ⁇ x and ⁇ B y / ⁇ y can be measured.
  • Two measurement planes are used for the measurement of ⁇ B z / ⁇ z.
  • the differential voltage of the two Hall sensors is evaluated, whereby the principle of the positioning device is realized.
  • a feedback of magnetic fields that lie in the substrate plane is not self-evident in practice.
  • the return Coupling can be realized with wire wound coils in the feedback circuit.
  • the chip is then positioned between two macroscopic coils.
  • Such an arrangement is large and thus limits the spatial resolution in the measurement.
  • Such an arrangement is also expensive, since the coils must be wound and several components must be assembled.
  • Such an arrangement can feed back only relatively small fields, since the magnetic circuit has a large air gap. The product of current and number of turns must be large.
  • the feedback coils are thick film coils fabricated in planar technology, which are located a few microns away from the magnetoresistors on the substrate.
  • a feedback coil having dimensions b and s becomes more effective by a factor of b / s, by adding the above-described magnetic antenna as a core can be done.
  • the magnetic resistance of vacuum R M (air) is represented as:
  • the demand R M (A) ⁇ R M (air) thus means: d »(b / ⁇ ef f) (35)
  • the technical teaching described above thus includes the instruction that the length b of the antenna is not simply arbitrarily increased in order to improve the feedback matrix, but that at the same time the cross section of the antenna is also increased.
  • the antenna will be designed in thick film technology, in the range of about one micron (1 ⁇ m) to several tens of microns (nxlO ⁇ m).

Abstract

The sensor device (1) detects a magnetic field variable. It comprises a transducer unit (2), a source (3) which feeds the transducer unit (2), and an amplifier (4) which is connected to the transducer unit (2). The transducer unit (2) contains at least one transducer bridge circuit having two bridge paths (5, 6) which are connected in parallel and each of which comprises a first magnetic field transducer (7, 8) and a further path element (9, 10) which is connected in series. The amplifier (4) is connected to two tap nodes (11, 12), a respective one of which is provided between the first magnetic field transducer (7, 8) and the further path element (9, 10) of each bridge path (5, 6). The first magnetic field transducer (7, 8) of each bridge path (5, 6) is a respective tunnel magnetoresistor which may be composed of a plurality of tunnel elements (13) which are electrically connected in series. A magnetic antenna (29; 37, 38; 47; 55, 56) which increases a local magnetic flux density at this first magnetic field transducer (8; 33, 34; 46; 51, 54) and a modulation unit (41; 48; 59) which is magnetically connected to the antenna (37, 38; 47; 55, 56) by means of a modulation coil (39, 40; 49; 57, 58) are provided.

Description

Beschreibungdescription
Sensoreinrichtung zur Erfassung einer MagnetfeldgrößeSensor device for detecting a magnetic field size
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Magnetfeldgröße. Sie umfasst mindestens eine Wandler- Einheit, eine die Wandler-Einheit speisende Quelle und einen an die Wandler-Einheit angeschlossenen Verstärker.The invention relates to a sensor device for detecting a magnetic field size. It comprises at least one converter unit, a source supplying the converter unit and an amplifier connected to the converter unit.
Eine derartige magnetfeldsensitive Sensoreinrichtung ist beispielsweise aus dem Fachartikel von R. Stolz et al . „Integrated SQUID-Gradiometer System for Magneto-Cardiography without magnetic shielding", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003, Vol. 13 (2), Seiten 356 bis 359, bekannt. Solche Sensoreinrichtungen eignen sich zur hoch auflösenden Erfassung auch sehr schwacher Magnetfeldverteilungen. Sie haben derzeit üblicherweise einen als SQUID (Supraleitende Quanten-^nterferenz-p_etektor) -Sensor ausgebildeten Magnetfeld-Wandler als Hauptkomponente der Wandler-Einheit.Such a magnetic field-sensitive sensor device is known, for example, from the article by R. Stolz et al. "Integrated SQUID Gradiometer System for Magneto-Cardiography Without Magnetic Shielding", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003, Vol 13 (2), pages 356 to 359. Such sensor devices are suitable for high-resolution detection even of very weak magnetic field distributions. At present, they usually have a magnetic field converter designed as a SQUID (superconducting quantum interference p-detector) sensor as the main component of the converter unit.
SQUID-Sensoren ermöglichen eine Magnetfeldauflösung in der Größenordnung von 10 fT/VHz bis 10 pT/VHz, wobei die hohe Empfindlichkeit auch für sehr schwache Magnetfelder aber nur mittels einer aufwändigen Kühlung auf -269°C (flüssigesSQUID sensors allow a magnetic field resolution in the order of 10 fT / VHz to 10 pT / VHz, the high sensitivity even for very weak magnetic fields but only by means of a costly cooling to -269 ° C (liquid
Helium) oder auf -196°C (flüssiger Stickstoff) erreicht wird. Außerdem können zusätzliche Komponenten wie den magnetischen Fluss konzentrierende Antennen und/oder Referenzsensoren inklusive elektronischer Einheiten zur Kompensation homogener Störmagnetfelder vorgesehen sein. So ergibt sich eine hohe Empfindlichkeit für Gradientenfelder bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegenüber homogenen Feldern. Insgesamt sind diese bekannten Sensoreinrichtungen aufwändig und oft auch relativ groß.Helium) or at -196 ° C (liquid nitrogen) is achieved. In addition, additional components such as the magnetic flux concentrating antennas and / or reference sensors including electronic units for compensating homogeneous interference magnetic fields can be provided. This results in a high sensitivity for gradient fields with simultaneous insensitivity to homogeneous fields. Overall, these known sensor devices are complex and often relatively large.
Neben obigem, eher grundlagenorientiertem Stand der Technik sind aus der DE 102 44 889 Al, der DE 10 2004 017 191 Al, der US 6 82 443 Bl und der DE 10 2004 040 079 B3 technische Einrichtungen zur Messung von Magnetfeldgrößen bekannt. Solche Einrichtungen enthalten als Magnetfeldsensoren insbesondere sog. XMR-Elemente, die in zeitgemäßer Technologie als GMR(Giant Magnetic Resonance)-, AMR (Anisotropie Magnetic Resonance) - oder TMR (Tunnel Magnetic Resonance) -Elemente realisiert sind. Beispielsweise werden in der DE 102 44 889 Al zur Magnetfeldmessung Ketten aus einzelnen TMR-Sensorelementen gebildet. Die DE 10 2004 017 191 Al zeigt im Einzelnen die Verwendung von Magnetfeldsensoren zurIn addition to the above, rather basic-oriented state of the art are known from DE 102 44 889 Al, DE 10 2004 017 191 Al, the US 6 82 443 Bl and DE 10 2004 040 079 B3 technical devices for measuring magnetic field quantities known. Such devices contain, as magnetic field sensors, in particular so-called XMR elements, which are realized in modern technology as GMR (Giant Magnetic Resonance), AMR (Anisotropic Magnetic Resonance) or TMR (Tunnel Magnetic Resonance) elements. For example, in DE 102 44 889 A1 for measuring the magnetic field, chains are formed from individual TMR sensor elements. The DE 10 2004 017 191 Al shows in detail the use of magnetic field sensors for
Richtungsbestimmung von bewegten Objekten Die US 6 82 443 Bl beschreibt dagegen Sensoren zum genauen Ausmessen und Darstellen („Mapping") elektromagnetischer Felder. Schließlich offenbart die DE 10 2004 040 079 B3 Brückenanordnungen aus Magnetfeldsensoren.Direction Determination of Moving Objects On the other hand, US 6 82 443 B1 describes sensors for accurately measuring and displaying ("mapping") electromagnetic fields Finally, DE 10 2004 040 079 B3 discloses bridge arrangements of magnetic field sensors.
Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Sensoreinrichtung anzugeben, die hoch auflösend ist und sich kostengünstiger als die vergleichbaren bekannten Sensoreinrichtungen herstellen oder betreiben lässt .Based on the above prior art, it is an object of the invention to provide a sensor device which is highly soluble and can be produced or operated more cost-effectively than the comparable known sensor devices.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the features of independent claim 1. Further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Gegenstand der Erfindung ist eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Magnetfeldgröße umfassend mindestens eine Wandler-Einheit, eine die Wandler-Einheit speisende Quelle und einen an die Wandler-Einheit angeschlossenen Verstärker, wobei die Wandler-Einheit erste Magnetfeld-Wandler und in Reihe geschaltetes weiteres Zweigelement umfasst, wobei an mindestens einem der ersten Magnetfeld-Wandler eine magnetische Antenne angeordnet ist, die eine lokale magnetische Flussdichte an diesem ersten Magnetfeld-Wandler erhöht und dass eine Modulationseinheit vorhanden ist, die mittels einer Modulationsspule, magnetisch an die Antenne angeschlossen ist. Bei der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ist vorzugsweise zwischen dem Verstärker und mindestens einem der ersten Magnetfeld-Wandler ein Rückkopplungszweig vorgesehen. Der Rückkopplungszweig ist vorzugsweise mittels einer magnetischen Antenne und einer Modulationsspule an den ersten Magnetfeld-Wandler angeschlossen.The invention relates to a sensor device for detecting a magnetic field size comprising at least one transducer unit, a source feeding the transducer unit and an amplifier connected to the transducer unit, wherein the transducer unit comprises first magnetic field transducer and another branch element connected in series in which at least one of the first magnetic field transducers is arranged a magnetic antenna which increases a local magnetic flux density at this first magnetic field transducer and in that there is a modulation unit which is magnetically connected to the antenna by means of a modulation coil. In the measuring device according to the invention, a feedback path is preferably provided between the amplifier and at least one of the first magnetic field converter. The feedback branch is preferably connected to the first magnetic field converter by means of a magnetic antenna and a modulation coil.
Im Rahmen der Erfindung ist vorteilhafterweise eine solche Sensoreinrichtung realisiert, bei der a) die Wandler-Einheit mindestens eineIn the context of the invention, such a sensor device is advantageously realized, in which a) the converter unit at least one
Wandlerbrückenschaltung mit zwei parallel geschalteten Brückenzweigen enthält, b) jeder der Brückenzweige einen ersten Magnetfeld-Wandler und ein in Reihe geschaltetes weiteres Zweigelement umfasst .Transducer bridge circuit comprising two bridge branches connected in parallel, b) each of the bridge branches comprises a first magnetic field transducer and a series-connected further branch element.
Im letzteren Zusammenhang ist vorteilhafterweise c) der Verstärker an zwei Abgriffknoten angeschlossen, von denen jeweils einer zwischen dem ersten Magnetfeld-Wandler und dem weiteren Zweigelement jedes Brückenzweigs vorgesehen ist, und ist vorzugsweise d) der erste Magnetfeld-Wandler jedes Brückenzweigs jeweils ein Tunnelmagnetowiderstand, der sich aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Tunnelelementen zusammensetzt .In the latter context, advantageously c) the amplifier is connected to two tap nodes, one of which is provided between the first magnetic field converter and the other branch element of each bridge branch, and is preferably d) the first magnetic field converter each bridge branch each a tunnel magnetoresistor, the is composed of several electrically connected in series tunnel elements.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann also dahingehend realisiert werden, dass als Magnetfeld-Wandler vorteilhafterweise ein Tunnelmagnetowiderstand (= TMR) mit mehreren Tunnelelementen vorgesehen ist. Je nach Anzahl und insbesondere Fläche der Tunnelelemente kann die Feld- oder die Feldgradientenauflösung eingestellt werden. Es wurde erkannt, dass sich die Auflösung mit steigender Anzahl der Tunnelelemente verbessern lässt. Eine Optimierung derThe sensor device according to the invention can therefore be realized to the effect that as a magnetic field transducer advantageously a tunnel magnetoresistor (= TMR) is provided with a plurality of tunnel elements. Depending on the number and in particular surface of the tunnel elements, the field or field gradient resolution can be set. It was recognized that the resolution can be improved with increasing number of tunnel elements. An optimization of
Auflösung ist also insbesondere auch möglich, ohne dass bereits jedes einzelne Tunnelelement hinsichtlich optimaler Auflösung ausgelegt ist. Bei der zu erfassenden Magnetfeldgröße kann es sich insbesondere um ein Magnetfeld oder um einen Gradienten eines Magnetfelds handeln.Resolution is therefore also possible in particular without any individual tunnel element being designed for optimal resolution. At the to be detected Magnetic field size may in particular be a magnetic field or a gradient of a magnetic field.
Des Weiteren lässt sich anhand der Anzahl der Tunnelelemente das Rauschen der Wandler-Einheit anheben, so dass es vorzugsweise mindestens so groß ist wie das Rauschen des (Vor-) Verstärkers. Dann hat das Rauschen des Verstärkers einen vernachlässigbaren und insbesondere sehr viel kleineren Einfluss auf die letztendlich erzielbare Auflösung als bei anderen Lösungen, bei denen das Verstärker-Rauschen dasjenige der Wandler-Einheit überwiegt. Der Verstärker ist vorzugsweise rauscharm, aber dennoch preiswert, also beispielsweise in einer „Low Cost"-Variante, ausgeführt.Furthermore, based on the number of tunnel elements, the noise of the converter unit can be increased, so that it is preferably at least as large as the noise of the (pre-) amplifier. Then the noise of the amplifier has a negligible and in particular much smaller impact on the finally achievable resolution than in other solutions in which the amplifier noise outweighs that of the transducer unit. The amplifier is preferably low noise, but still inexpensive, so for example, in a "low cost" variant executed.
Die Vielzahl der Tunnelelemente kann bevorzugt und ohne weiteres auf einem gemeinsamen Chip integriert werden, sodass die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung im Wesentlichen sehr kompakt realisiert werden kann. Insbesondere die Wandler- Einheit ist sehr platz sparend. Sie lässt sich ohne voluminöse Komponenten realisieren.The multiplicity of tunnel elements can preferably be integrated on a common chip without further ado, so that the sensor device according to the invention can be realized essentially in a very compact manner. In particular, the converter unit is very space-saving. It can be realized without voluminous components.
Die von der Wandler-Einheit umfasste Wandlerbrückenschaltung verbessert das Temperaturverhalten. Die Ausgangsgröße der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist also auch sehr temperaturstabil. Außerdem kann die Brückenschaltung mit dazu beitragen, den Einfluss von störenden insbesondere homogenen Magnetfeldern, die sich der zu messenden Magnetfeldgröße überlagern, zu unterbinden.The converter bridge circuit included in the converter unit improves the temperature behavior. The output of the sensor device according to the invention is therefore also very stable in temperature. In addition, the bridge circuit can help to prevent the influence of disturbing, in particular homogeneous magnetic fields, which are superimposed on the measured magnetic field magnitude.
Insgesamt ist mittels der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung eine sehr hohe Feld- bzw. Feldgradientenauflösung zu erzielen, die vergleichbar der eines SQUID-Sensors ist, wobei aber kein Teil der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung auf eine tiefe Temperatur zu kühlen ist. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung funktioniert bei also bei Raumtemperatur, so dass insbesondere keine aufwändigen Kühleinrichtungen erforderlich keine. Es sind vorteilhafterweise Standard- bauelemente in neuartiger Weise kombiniert. Dies senkt sowohl die Herstellungs- als auch die Betriebskosten.Overall, a very high field or field gradient resolution can be achieved by means of the sensor device according to the invention, which is comparable to that of a SQUID sensor, but no part of the sensor device according to the invention is to be cooled to a low temperature. The sensor device according to the invention thus works at room temperature, so that in particular no expensive cooling devices are required. It is advantageous to use standard combined in a novel way. This reduces both the manufacturing and the operating costs.
Insbesondere mit den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche ergeben sich besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung:In particular, with the features of the dependent claims of claim 1, particularly advantageous embodiments of the sensor device according to the invention result:
Günstig ist eine Variante, bei der die einem der Tunnelmagnetowiderstände zugeordneten Tunnelelemente in Form einer Kettenstruktur miteinander verbunden sind. Diese kettenstrukturartige Anordnung ist besonders Platz sparend und lässt sich insbesondere auch auf einem Chip integriert herstellen .A variant is expedient in which the tunnel elements assigned to one of the tunnel magnetoresistors are connected to one another in the form of a chain structure. This chain-like arrangement is particularly space-saving and can be produced in particular integrated on a chip.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das weitere Zweigelement jedes Brückenzweigs als magnetfeldunempfindlicher Widerstand, insbesondere als ohmscher Metallwiderstand, ausgebildet ist. Es ergibt sich eine Halbbrücke mit besonders niedrigen Herstellungskosten. Ein magnetfeldunempfindlicher konventioneller ohmscher Widerstand ist preiswerter als ein Tunnelmagnetowiderstand. Bei einer derartigen Halbbrücke kommen dann insgesamt nur zwei verschieden orientierte leichte Magnetisierungsachsen („easy axis") vor, nämlich je eine für eine der beiden Elektroden eines Tunnelübergangs der ersten Magnetfeld-Wandler.Furthermore, it is preferred that the further branch element of each bridge branch is designed as a magnetoresistance-insensitive resistor, in particular as an ohmic metal resistor. This results in a half bridge with particularly low production costs. A magnetic field insensitive conventional ohmic resistance is less expensive than a tunnel magnetoresistor. In such a half-bridge then only two differently oriented easy magnetization axes ("easy axis") occur, namely one for each of the two electrodes of a tunnel junction of the first magnetic field converter.
Andererseits ist es aber auch möglich, dass das weitere Zweigelement jedes Brückenzweigs als zweiter Magnetfeld- Wandler, insbesondere in Form eines Tunnelmagnetowiderstands, ausgebildet ist. So resultiert insbesondere eine Vollbrücke mit insgesamt vier Magnetfeld-Wandlern. Eine derartige Vollbrücke liefert einen um den Faktor 2 höheren Ausgangssignalpegel bei der Wandler-Einheit und damit auch bei der Sensoreinrichtung insgesamt.On the other hand, it is also possible that the further branch element of each bridge branch is designed as a second magnetic field converter, in particular in the form of a tunnel magnetoresistor. This results in particular in a full bridge with a total of four magnetic field converters. Such a full bridge provides a higher by a factor of 2 output signal level at the converter unit and thus also in the sensor device as a whole.
Bei einer anderen bevorzugten Variante ist einer der ersten Magnetfeld-Wandler oder zumindest eines der weiteren Zweigelemente mit einer magnetischen Abschirmung versehen. Vorzugsweise ist dabei außerdem ein linearer Magnetfeld- Wandler vorgesehen. Ein solcher linear von der zu erfassenden Magnetfeldgröße abhängiger Tunnelmagnetowiderstand weist insbesondere zwei zueinander senkrecht und zur Richtung der zu erfassenden Magnetfeldgröße unter 45° angeordnete leichte Achsen der Magnetisierung („easy axis") auf. Bei der zu erfassenden Magnetfeldgröße kann es sich um ein Magnetfeld handeln, wohingegen mittels alternativer, beispielsweise ohne Abschirmung realisierter Varianten Magnetfeldgradienten detektiert werden können.In another preferred variant is one of the first magnetic field converter or at least one of the other Branch elements provided with a magnetic shield. Preferably, a linear magnetic field converter is also provided. Such a tunnel magnetoresistor, which is linearly dependent on the magnetic field quantity to be detected, has in particular two easy axes of magnetization ("easy axis") which are perpendicular to one another and to the direction of the magnetic field quantity to be detected whereas magnetic field gradients can be detected by means of alternative variants realized without shielding, for example.
Vorzugsweise ist es weiterhin möglich, dass an mindestens einem der ersten Magnetfeld-Wandler eine magnetische Antenne angeordnet ist, die eine lokale magnetische Flussdichte an diesem ersten Magnetfeld-Wandler erhöht. Insbesondere erfolgt diese Flussdichteerhöhung durch die Antenne aber nur an dem ihr zugeordneten ersten Magnetfeld-Wandler, wohingegen die Flussverhältnisse am anderen ersten Magnetfeld-Wandler durch diese Antenne unbeeinflusst bleiben. Dort kann eine weitere Antenne vorgesehen sein. Die Antenne führt zu einer Steigerung der Feldempfindlichkeit und/oder der Auflösung. Dies gilt insbesondere, wenn die Antenne eine ausreichend große Dicke aufweist, um als Flusskonzentrator zu wirken. Aus Platz- und Effizienzgründen ist es günstig, die Antenne und den zugeordneten Magnetfeld-Wandler gemeinsam auf einem Chip zu integrieren.Preferably, it is also possible that at least one of the first magnetic field transducer, a magnetic antenna is arranged, which increases a local magnetic flux density at this first magnetic field transducer. In particular, however, this flux density increase by the antenna takes place only at the first magnetic field transducer assigned to it, whereas the flux ratios at the other first magnetic field transducer remain unaffected by this antenna. There may be provided a further antenna. The antenna leads to an increase in field sensitivity and / or resolution. This is especially true when the antenna has a sufficiently large thickness to act as a flux concentrator. For space and efficiency reasons, it is favorable to integrate the antenna and the associated magnetic field transducer together on a chip.
Günstig ist eine weitere Variante, bei der insbesondere zur Rauschunterdrückung eine Modulationseinheit, insbesondere mittels einer Modulationsspule, magnetisch an die Antenne angeschlossen ist. Vorzugsweise ist dabei ein nichtlinearer Magnetfeld-Wandler vorgesehen, bei dem die leichten Achsen der Magnetisierung („easy axis") in den maßgeblichen Magnet- schichten des Tunnelmagnetowiderstands also insbesondere nicht senkrecht zueinander, sondern parallel orientiert sind. Mittels der erfindungsgemäß angegebenen Modulation ist es möglich, einen niederfrequenten Rauschanteil der Wandler- Einheit im Ausgangssignal der Sensoreinrichtung zu unterdrücken .A further variant is expedient in which, in particular for noise suppression, a modulation unit, in particular by means of a modulation coil, is magnetically connected to the antenna. In this case, a non-linear magnetic field converter is preferably provided, in which the easy axes of the magnetization ("easy axis") in the relevant magnetic layers of the tunnel magnetoresistance are therefore not oriented perpendicular to each other but parallel. By means of the modulation specified according to the invention, it is possible to suppress a low-frequency noise component of the converter unit in the output signal of the sensor device.
Vorteilhafterweise kann außerdem zwischen dem Verstärker und mindestens einem der ersten Magnetfeld-Wandler ein Rückkopplungszweig vorgesehen sein. Eine solche Rückkopplung stabilisiert und linearisiert das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung.Advantageously, a feedback branch may also be provided between the amplifier and at least one of the first magnetic field transducers. Such feedback stabilizes and linearizes the output signal of the sensor device.
Darüber hinaus ist es günstig, wenn der Rückkopplungszweig mittels einer magnetischen Antenne und einer Spule an den ersten Magnetfeld-Wandler angeschlossen ist. Die Antenne und die Spule können dann auch anderweitig, beispielsweise für eine Modulation zur niederfrequenten Rauschunterdrückung, verwendet werden. Dann reduziert sich die Anzahl der insgesamt benötigten Komponenten. Die Antenne wird für mehrere Zwecke verwendet.Moreover, it is favorable if the feedback branch is connected to the first magnetic field converter by means of a magnetic antenna and a coil. The antenna and the coil can then also be used otherwise, for example for a modulation for low-frequency noise suppression. Then the number of components required is reduced. The antenna is used for several purposes.
Die Erfindung ist für unterschiedlichste technische Anwendungen einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung für eine Magnetfeldmessung bei Kernspin- Tomographen .The invention can be used for a wide variety of technical applications. Particularly advantageous is the application for a magnetic field measurement in magnetic resonance tomographs.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung vonFurther details and advantages of the invention will become apparent from the following description of the figures
Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.Embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims.
Es zeigen:Show it:
FIG 1 ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung zur1 shows a block diagram of a sensor device for
Erfassung eines Magnetfeldgradienten mit zwei jeweils mehrere Tunnelelemente umfassendenDetecting a magnetic field gradient with two each comprising a plurality of tunnel elements
Magnetfeld-Wandlern, FIG 2 ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeld- Wandlers gemäß FIG 1 mit kettenstrukturartiger Anordnung der Tunnelelemente,Magnetic transducers 2 shows an embodiment of a magnetic field converter according to FIG. 1 with a chain-like arrangement of the tunnel elements, FIG.
FIG 3 ein Blockschaltbild einer Wandler-Einheit zur Erfassung eines Magnetfeldgradienten umfassend den Magnetfeld-Wandlern zugeordnete Antennen,3 shows a block diagram of a transducer unit for detecting a magnetic field gradient comprising antennas assigned to the magnetic field converters,
FIG 4 ein Ersatzschaltbild der magnetischen Flüsse, die bei einem der mit Antenne versehenen Magnetfeld-Wandler gemäß FIG 3 auftreten, FIG 5 ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung zur4 shows an equivalent circuit diagram of the magnetic fluxes which occur in one of the antenna-provided magnetic field converters according to FIG. 3, FIG. 5 shows a block diagram of a sensor device for
Erfassung eines Magnetfelds umfassend einen magnetisch abgeschirmten Magnetfeld-Wandler,Detecting a magnetic field comprising a magnetically shielded magnetic field transducer,
FIG 6 ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung zur6 shows a block diagram of a sensor device for
Erfassung eines Magnetfelds umfassend einen magnetisch abgeschirmten Magnetfeld-Wandler und einen Rückkopplungszweig,Detecting a magnetic field comprising a magnetically shielded magnetic field transducer and a feedback branch,
FIG 7 ein Blockschaltbild einer Wandler-Einheit zur Erfassung eines Magnetfeldgradienten umfassend den Magnetfeld-Wandlern zugeordnete Antennen und einer an die Antennen angeschlossenen7 shows a block diagram of a transducer unit for detecting a magnetic field gradient comprising antennas assigned to the magnetic field converters and one connected to the antennas
Modulationseinheit,Modulation unit,
FIG 8 Diagramme für Verläufe eines Messsignals der8 shows diagrams for courses of a measuring signal of
Wandler-Einheit gemäß FIG 7 über dem Magnetfeld und über der Zeit für einen nichtlinearen Magnetfeld-Wandler mit und ohne externemConverter unit according to FIG 7 over the magnetic field and over time for a non-linear magnetic field transducer with and without external
Magnetfeld, sowieMagnetic field, as well
FIG 9 und9 and
FIG 10 Blockschaltbilder von Sensoreinrichtungen zur10 shows block diagrams of sensor devices for
Erfassung eines Magnetfelds umfassend eine Wandler-Einheit in Halb- bzw. Vollbrückenschal- tung und eine Modulationseinheit.Detection of a magnetic field comprising a transducer unit in half or full bridge circuit and a modulation unit.
In den Figuren sind einander entsprechende Teile bzw. Einheiten mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren 1 bis 10 werden nachfolgend im gemeinsamen Zusammenhang mit der Messung von Magnetfeldgößen beschrieben. Anschließend wird auf eine konkrete Anwendung bei Kernspin-Tomographen eingegangen . In FIG 1 ist ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung 1 zur Erfassung eines Gradienten θB/θx eines Magnetfelds B (x) gezeigt. Sie enthält eine magnetfeldsensitive Wandler-Einheit 2, eine die Wandler-Einheit 2 mit einer Vorspannung E speisende Quelle 3 und einen an die Wandler-Einheit 2 angeschlossenen Verstärker 4. Die Wandler-Einheit 2 ist als Brückenschaltung realisiert, die zwei parallel geschaltete Brückenzweige 5 und 6 jeweils mit einer Reihenschaltung eines ersten Magnetfeld-Wandlers 7 bzw. 8 und eines weiteren Zweigelements 9 bzw. 10 umfasst. Zwischen den Magnetfeld- Wandlern 7 bzw. 8 einerseits und den Zweigelementen 9 bzw. 10 andererseits ist jeweils ein Abgriffknoten 11 bzw. 12 vorhanden. Die Abgriffknoten 11 und 12 bilden einen Mittenabgriff, an den der Verstärker 4 angeschlossen ist.In the figures, corresponding parts or units are provided with the same reference numerals. FIGS. 1 to 10 will be described below in conjunction with the measurement of magnetic field quantities. Subsequently, a specific application for MRI scanners will be discussed. FIG. 1 shows a block diagram of a sensor device 1 for detecting a gradient .theta.B / .theta.x of a magnetic field B (x). It contains a magnetic field-sensitive converter unit 2, a source 3 supplying the converter unit 2 with a bias voltage E and an amplifier 4 connected to the converter unit 2. The converter unit 2 is realized as a bridge circuit which has two bridge branches 5 connected in parallel and 6 in each case with a series connection of a first magnetic field converter 7 or 8 and a further branch element 9 or 10. Between the magnetic field converters 7 and 8 on the one hand and the branch elements 9 and 10 on the other hand, in each case a tap node 11 or 12 is present. The tap nodes 11 and 12 form a center tap to which the amplifier 4 is connected.
Die Magnetfeld-Wandler 7 und 8 sind jeweils als Tunnelmagnetowiderstände mit einem magnetfeldabhängigen Widerstandswert Ri(B) bzw. R2 (B) ausgebildet. Dagegen sind die Zweigelemente 9 und 10 als einfache ohmsche Widerstände, im Ausführungsbeispiel als Metallwiderstände, mit einem magnetfeldunabhängigen Widerstandswert Ro ausgeführt. Die Brückenschaltung ist im Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 also als Halbbrücke ausgeführt. Im feldfreien Fall haben auch die Tunnelmagnetowiderstände der Magnetfeld-Wandler 7 und 8 einen Widerstandswert von R0. Ansonsten hängt ihr Widerstandswert Ri(B) bzw. R2(B) von dem an ihrem Ort Xi bzw. x2 anstehenden Magnetfeld B (xi) bzw. B(x2) ab. Die Magnetfeld-Wandler 7 und 8 sind in Richtung einer x-Ortskoordinate mit einem Abstand I Xi-X2 I zueinander angeordnet.The magnetic field converters 7 and 8 are each designed as tunnel magnetoresistors with a magnetic field-dependent resistance value Ri (B) or R 2 (B). In contrast, the branch elements 9 and 10 are designed as simple ohmic resistors, in the exemplary embodiment as metal resistors, with a magnetic field-independent resistance value Ro. The bridge circuit is thus executed in the embodiment of FIG 1 as a half bridge. In the field-free case, the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converters 7 and 8 also have a resistance of R 0 . Otherwise, their resistance value Ri (B) or R 2 (B) depends on the magnetic field B (xi) or B (x 2 ) pending at their location Xi or x 2 . The magnetic field transducers 7 and 8 are arranged in the direction of an x-spatial coordinate with a distance I Xi-X 2 I to each other.
Die Magnetfeld-Wandler 7 und 8 sind linear, d.h. ihr Ausgangssignal hängt linear vom zu erfassenden Magnetfeld B(xi) bzw. B(x2) ab. Das lineare Verhalten wird bei den Tunnelmagnetowiderständen der Magnetfeld-Wandler 7 und 8 durch die im feldfreien Fall senkrecht zueinander orientierten Magnetisierungen Mi und M2 in Richtung der leichten Achsen („easy axis") hervorgerufen. Außerdem sind die Magnetisierungen Mi und M2 im feldfreien Fall symmetrisch bezüglich der zu detektierenden Magnetfeldrichtung. Sie stehen also jeweils in einem Winkel von etwa 45° zur x- Richtung. Unter dem Einfluss eines zu messenden Magnetfelds B wird zumindest eine der Magnetisierungen Mi und M2 gegenüber ihrer ursprünglichen Orientierung verdreht.The magnetic field converters 7 and 8 are linear, ie their output signal depends linearly on the magnetic field B (xi) or B (x 2 ) to be detected. In the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converters 7 and 8, the linear behavior is caused by the magnetizations Mi and M 2 oriented perpendicular to each other in the direction of the easy axes ("easy axis") and the magnetizations Mi and M 2 are field-free Case symmetrical with respect to the magnetic field direction to be detected. So they are each at an angle of about 45 ° to the x direction. Under the influence of a magnetic field B to be measured, at least one of the magnetizations Mi and M 2 is rotated with respect to its original orientation.
Gemäß dem in FIG 2 gezeigten Ausführungsbeispiel setzen sich die Tunnelmagnetowiderstände der Magnetfeld-Wandler 7 und 8 aus einer Anzahl N einzelner Tunnelelemente 13 zusammen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jedes Tunnelelement 13 hat eine untere und eine obere Elektrode 14 bzw. 15, zwischen denen ein Tunnelübergang 16 angeordnet ist. Mindestens eine der Elektroden 14 und 15 ist im Ausführungsbeispiel mit einem weich magnetischen Material realisiert.According to the embodiment shown in FIG. 2, the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converters 7 and 8 are composed of a number N of individual tunnel elements 13, which are electrically connected in series. Each tunnel element 13 has a lower and an upper electrode 14 and 15, between which a tunnel junction 16 is arranged. At least one of the electrodes 14 and 15 is realized in the embodiment with a soft magnetic material.
Die N Tunnelelemente 13 eines Tunnelmagnetowiderstands sind kettenstrukturartig miteinander verbunden. Jede untere und jede obere Elektrode 14 bzw. 15 kontaktiert jeweils zwei benachbarte Tunnelelemente 13, wobei die durch die oberen Elektroden 15 kontaktierten Tunnelelementpaare jeweils um ein Tunnelelement 13 versetzt sind gegenüber den durch die unteren Elektroden 14 kontaktierten Tunnelelementpaaren. Benachbarte Tunnelelemente 13 werden deshalb stets in entgegengesetzter Richtung, also von oben nach unten bzw. von unten nach oben, von den Ladungsträgern passiert.The N tunnel elements 13 of a tunnel magnetoresistor are connected to one another like a chain structure. Each lower and each upper electrode 14 and 15 contacts two adjacent tunnel elements 13, wherein the tunnel element pairs contacted by the upper electrodes 15 are each offset by one tunnel element 13 from the tunnel element pairs contacted by the lower electrodes 14. Adjacent tunnel elements 13 are therefore always in the opposite direction, ie from top to bottom or from bottom to top, passed by the charge carriers.
Der Verstärker 4 ist ein kostengünstiger rauscharmer Vorverstärker, dessen Rauschen beispielsweise bei einem Wert von 5 nV/VHz liegt. Je nach im speziellen Anwendungsfall abgedecktem Frequenzbereich können aber auch höhere Rauschwerte als 5 nV/VHz noch als rauscharm gelten.The amplifier 4 is a low-cost, low-noise preamplifier whose noise is, for example, at a value of 5 nV / VHz. Depending on the frequency range covered in the specific case of application, however, even higher noise values than 5 nV / VHz may still be regarded as low in noise.
Im Folgenden werden die Funktionsweise der Sensoreinrichtung 1 gemäß FIG 1 sowie besonders günstige Dimensionierungsvor- Schriften für einzelne Komponenten der Sensoreinrichtung 1 näher beschrieben: Die eigentliche Erfassung des zu messenden Magnetfeldgradienten θB/θx erfolgt mittels der Magnetfeld-Wandler 7 und 8, wobei die Halbbrückenbeschaltung einer Temperaturstabilisierung einer an den Abgriffknoten 11 und 12 als ursprüngliches Messsignal anstehenden Spannungsdifferenz U1-U2 (= Ausgangsspannung) dient. Dieses Messsignal wird im Verstärker 4 rauscharm weiter bearbeitet, so dass insgesamt eine sehr hohe Magnetfeldgradientenauflösung resultiert. Letztere lässt sich insbesondere durch eine geeignete Wahl der Anzahl N der Tunnelelemente 13 einstellen.The mode of operation of the sensor device 1 according to FIG. 1 as well as particularly favorable dimensioning specifications for individual components of the sensor device 1 are described in more detail below: The actual detection of the magnetic field gradient θB / θx to be measured takes place by means of the magnetic field converters 7 and 8, the half-bridge circuit serving for temperature stabilization of a voltage difference U1-U2 (= output voltage) present at the tap nodes 11 and 12 as the original measurement signal. This measurement signal is further processed in the amplifier 4 low noise, so that a total of a very high magnetic field gradient resolution results. The latter can be adjusted in particular by a suitable choice of the number N of the tunnel elements 13.
Die nominell gleichen magnetfeldabhängigen Widerstandswerte Ri (B) und R2 (B) der Magnetfeld-Wandler 7 und 8 berechnen sich bei anstehendem Magnetfeld B(xi) und B(x2) gemäß:The nominally identical magnetic field-dependent resistance values Ri (B) and R 2 (B) of the magnetic field converters 7 and 8 are calculated when the magnetic field B (xi) and B (x 2 ) are present according to:
Ri(B) = R0 + (öRi/δB)B(xi) , (1)Ri (B) = R 0 + (öRi / δB) B (xi), (1)
R2(B) = R0 + (ÖR2/ÖB)B(x2) (2)R 2 (B) = R 0 + (ÖR 2 / ÖB) B (x 2 ) (2)
mitWith
Ro = NR3 , ( 3 )Ro = NR 3 , (3)
(δRi/2 /δB ) = N (δR: /δB ) , ( 4 )(δRi / 2 / δB) = N (δR : / δB), (4)
wobei mit R-, der Widerstand jedes der Tunnelelemente 13 und mit j eine laufende Nummer der Tunnelelemente 13 bezeichnet ist. Damit ergibt sich die am Mittenabgriff der Halbbrücke als Messsignal anstehende Spannungsdifferenz Ui-U2 zu:where R-, the resistance of each of the tunnel elements 13 and j is a serial number of the tunnel elements 13. This results in the voltage difference Ui-U 2 present at the center tap of the half-bridge as a measuring signal to:
Ui-U2= [E/2R0] [ (ÖRi/ÖB)B(xi) - (ÖR2/ÖB) B (x2) ] = ≡ [NE3] [ (1/R:) (ÖR:/ÖB) ] (Xi-X2) (öB(x) /δx) , (5)Ui-U 2 = [E / 2R 0 ] [(ÖRi / ÖB) B (xi) - (ÖR 2 / ÖB) B (x 2 )] = ≡ [NE 3 ] [(1 / R :) (ÖR : / ÖB)] (Xi-X 2 ) (öB (x) / δx), (5)
wobei mit E die über der kompletten Halbbrücke abfallende Vorspannung, mit E3 eine über jedem der Tunnelelemente 13 abfallende Teilvorspannung und mit (l/R-,) (OR1ZdB) eine Feldempfindlichkeit jedes der Tunnelelemente 13 bezeichnet ist. Die zuletzt genannte Feldempfindlichkeit ist ein technologie- und materialempfindlicher Parameter. Sie hängt in erster Linie von einer in eV angegebenen energetischen Barrierenhohe des Tunnelubergangs jedes der Tunnelelemente 13 und von einer Tunnelbarrierendicke tB ab, nicht jedoch von einer Ubergangsquerschnittsflache A jedes der Tunnelelemente 13. Insgesamt ist das Messsignal U1-U2 gemäß Gleichung (5) also linear abhangig von der Anzahl N der Tunnelelemente 13, nicht aber von den lateralen Abmessungen der Tunnelubergange .wherein with E the voltage drop across the complete half-bridge bias, with E 3 a falling across each of the tunnel elements 13 partial bias and with (l / R-,) (OR 1 ZdB) a field sensitivity of each of the tunnel elements 13 is designated. The latter field sensitivity is a technology- and material-sensitive parameter. It depends primarily on an energetic given in eV Barrier height of the tunnel junction of each of the tunnel elements 13 and of a tunnel barrier thickness t B , but not of a transition cross-sectional area A of each of the tunnel elements 13. Overall, the measurement signal U1-U2 according to equation (5) thus linearly dependent on the number N of the tunnel elements 13, not but from the lateral dimensions of the tunnel crossing.
Eine Rauschspannungsdichte u n am Mittenabgriff der Halbbrücke kann naherungsweise durch die folgende Gleichung angegeben werden:A noise voltage density u n at the center tap of the half-bridge can be approximated by the following equation:
u2 n = Nu2 : + 0,5Nu2 : (f) , (6)u 2 n = Nu 2 : + 0.5Nu 2 : (f), (6)
wobei mitbeing with
u2 : = 4kbTR: (7)u 2 : = 4k b TR : (7)
das weiße thermische Rauschen eines Übergangs, also eines der Tunnelelemente 13 und mitthe white thermal noise of a transition, so one of the tunnel elements 13 and with
u2 : (f) > αE2 :/(Vf) , (8)u 2 : (f)> αE 2 : / (Vf), (8)
das niederfrequente, auf elektrische Einflüsse zurückzuführende 1/f-Rauschen eines Übergangs bezeichnet ist.is the low-frequency, due to electrical influences 1 / f noise of a transition is called.
Darüber hinaus steht in den Gleichungen (6) bis (8) f für die Frequenz, kb für die Boltzmann-Konstante, T für eine Temperatur der Magnetfeld-Wandler 7 und 8, α für eine von der Technologie und dem Material abhangige Proportionalitatskonstante und V für ein aktives Volumen des Tunnelubergangs jedes der Tunnelelemente 13.Moreover, in equations (6) to (8) f stands for the frequency, k b for the Boltzmann constant, T for a temperature of the magnetic field transducers 7 and 8, α for a proportionality constant dependent on the technology and the material and V for an active volume of the tunnel junction of each of the tunnel elements 13.
Das in Gleichung (8) umfasste aktive Volumen V ist linear proportional zur Ubergangsquerschnittsflache A, wohingegen das weiße Rauschen u2 : gemäß Gleichung (7) linear proportional zum Widerstand R-, der Tunnelelemente 13 und damit umgekehrt proportional zur Ubergangsquerschnittsflache A ist. Damit kann die Beziehung für die Rauschspannungsdichte u2 n umgeformt werden zu:The active volume V included in equation (8) is linearly proportional to the transversal cross-sectional area A, whereas the white noise u 2 : according to equation (7) is linearly proportional to the resistance R- of the tunneling elements 13 and thus inversely proportional to the cross-sectional area A of the transition. Thus, the relationship for the noise voltage density u 2 n can be transformed to:
u2 n = (N/A) [4kbT(ptB) + 0,5αE2 :/(λf) ] , (9)u 2 n = (N / A) [4k b T (pt B ) + 0.5αE 2 : / (λ f)], (9)
wobei mit p der spezifische ohmsche Widerstand der Tunnelelemente 13, mit tB die Dicke der Tunnelbarriere der Tunnelelemente 13 und mit λ eine Thermalisierungslänge, innerhalb der Ladungsträger im Mittel nach dem Tunneln durch eines der Tunnelelemente 13 thermalisieren, bezeichnet ist.wherein p denotes the resistivity of the tunnel elements 13, t B the thickness of the tunnel barrier of the tunnel elements 13 and λ thermalisation length within the charge carriers on the average after tunneling through one of the tunnel elements 13.
Aus den Gleichungen (5) und (9) ergibt sich eine gesamte Magnetfeldgradientenauflösung (θB/θx)min zu:From the equations (5) and (9), a total magnetic field gradient resolution (θB / θx) min results:
(3B/3x)min = [1/V(NA) ] [4kbT(ptB) + 0 , 5αE2 :/ (λf) ] °'5 /(3B / 3x) = min [1 / V (NA)] [4k b T (pt B) + 0, 5αE 2 / (λf)] ° '5 /
[E1 { (1/R:) (OR1ZdB) } (Xi-X2) ] = = (l/VN) (3B/3x):,min , (10)[E 1 {(1 / R :) (OR 1 ZdB)} (Xi-X 2 )] = = (1 / VN) (3B / 3x) : , min , (10)
mit (θB/θx) -j,mm als einer Magnetfeldgradientenauflösung eines einzigen der Tunnelelemente 13. Gleichung (10) verdeutlicht, dass die Magnetfeldgradientenauflösung (θB/θx)min der Wandler- Einheit 2 insgesamt umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Produkts aus der Übergangsquerschnittsfläche A eines der Tunnelelemente 13 und der Anzahl N der Tunnelelemente 13 ist. Mittels einer Veränderung dieser beiden Größen kann also die Auflösung eingestellt werden.with (.theta..sub.B / θx) - j, mm as a Magnetfeldgradientenauflösung a single of the tunnel elements 13. Equation (10) shows that the Magnetfeldgradientenauflösung (.theta..sub.B / θx) min of the converter unit 2 in total inversely proportional to the square root of the product of the transitional cross-sectional area A one of the tunnel elements 13 and the number N of the tunnel elements 13 is. By means of a change of these two sizes, the resolution can thus be adjusted.
Außerdem zeigt die Gleichung (10), dass die Magnetfeldgradientenauflösung (θB/θx) min der Wandler-Einheit 2 insgesamt gegenüber der Magnetfeldgradientenauflösung (θB/θx) -|,mm eines einzigen der Tunnelelemente 13 um den Faktor der Quadratwurzel der Anzahl N der Tunnelelemente 13 verbessert werden kann. Allerdings gilt diese Aussage nur, wenn das Rauschen u2 n der Halbbrücke, also der Wandler- Einheit 2, größer ist als ein Verstärkerrauschen u2 n,A des Verstärkers 4. Folglich ist die Bedingung:In addition, the equation (10) shows that the magnetic field gradient resolution (θB / θx) min of the transducer unit 2 as a whole versus the magnetic field gradient resolution (θB / θx) - |, mm of a single one of the tunnel elements 13 is a factor of the square root of the number N of the tunnel elements 13 can be improved. However, this statement is valid only when the noise u 2 n of the half bridge, so the transducer unit 2, A is greater than a noise amplifier 2 u n, the amplifier 4. Accordingly, the condition:
u2 n = (N/A) [4kbT(ptB) + 0,5αE2 :/(λf) ] > u2 n,A (11) zu erfüllen. Die Gleichungen (10) und (11) sind die Auslegungsregeln für die Wandler-Einheit 2, insbesondere für die Tunnelmagnetowiderstände der Magnetfeld-Wandler 7 und 8.u 2 n = (N / A) [4k b T (pt B ) + 0.5αE 2 : / (λ f)]> u 2 n , A (11) to fulfill. Equations (10) and (11) are the design rules for the transducer unit 2, in particular for the tunneling magnetoresistors of the magnetic field converters 7 and 8.
Um zu einer preisgünstigen Lösung zu gelangen, kommt als Verstärker 4 der Low-Cost-Vorverstärker mit einem Verstärkerrauschen von mindestens 5 nV/VHz zum Einsatz. Bei gegebener bzw. geforderter Magnetfeldgradientenauflösung (θB/θx)min der Wandler-Einheit 2 insgesamt und bei bekanntem Material- und Technologieparameter (1/R:) (3R1ZdB) ist es dann möglich, aus den Gleichungen (10) und (11) eine Bedingung für die Anzahl N der Tunnelelemente 13 anzugeben:To arrive at a low-cost solution, comes as amplifier 4 of the low-cost preamplifier with an amplifier noise of at least 5 nV / VHz used. Given the required magnetic field gradient resolution (θB / θx) min of the transducer unit 2 as a whole and with known material and technology parameter (1 / R :) (3R 1 ZdB), it is then possible to derive from equations (10) and (11 ) specify a condition for the number N of tunnel elements 13:
N > (u"n,A)u'V[ (3B/3x)min(ED) { (1/R:) (3R1ZdB) } (X1-X2) 1 :i2)N> (u " n , A ) u 'V [(3B / 3x) min (E D ) {(1 / R :) (3R 1 ZdB)} (X 1 -X 2 ) 1: i2)
In der folgenden Tabelle 1 sind anhand von Gleichung (12) ermittelte Mindestwerte der Anzahl N für verschiedene Vorgaben der Magnetfeldgradientenauflösung (θB/θx) min, des Verstärkerrauschens u2 n,A, des Abstands (X1-X2) der Magnetfeld- Wandler 7 und 8, des Material- und Technologieparameters (1/R-,) (3R1ZdB) und der über jedem der Tunnelelemente 13 abfallenden Teilvorspannung E3 aufgelistet:In the following Table 1, minimum values of the number N determined for various specifications of the magnetic field gradient resolution (θB / θx) min , the amplifier noise u 2 n , A , the distance (X1-X2) of the magnetic field converters 7 and 12 are determined from equation (12) 8, of the material and technology parameter (1 / R-,) (3R 1 ZdB) and the partial bias voltage E 3 dropping across each of the tunnel elements 13:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
Die so ermittelte Anzahl N kann in die Gleichungen (10) und (11) eingesetzt werden, um eine Bedingung für die Übergangsquerschnittsfläche A jedes der Tunnelelemente 13 abzuleiten :The number N thus determined may be substituted into equations (10) and (11) to derive a condition for the transition area A of each of the tunnel elements 13:
A < [ N/u2 n, A] [ 4 kbT ( ptB ) + 0 , 5αE: 2 /λf ] ( 13 ) Bei Tunnelelementen 13 mit Aluminiumoxid (AI2O3) -Barriere nehmen die Ausdrucke (ptB) und (α/λ) üblicherweise folgende Werte an:A <[N / 2 u, n A] [4 k T b (pt B) + 0, 5αE: 2 / λf] (13) For tunnel elements 13 with alumina (Al 2 O 3) barrier, the expressions (pt B ) and (α / λ) usually take the following values:
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
Damit reduziert sich die Gleichung (13) für die Al2θ3-Techno- logie zu:This reduces equation (13) for Al 2 O 3 technology to:
A < [ N / UV A ] [ 10"" + 10"" E1 V f ] ;i3a)A <[N / UV A] [10 " " + 10 " " E 1 V f]; i3a)
Daraus lasst sich ableiten, bis zu welcher Grenzfrequenz fc das niederfrequente 1/f-Rauschen überwiegt. Dann ist der zweite Summand im letzten Klammerausdruck von Gleichung (13a) großer als der erste Summand. Wie aus der nachfolgenden Tabelle 2 ersichtlich ist, hangt dieser Frequenzbereich mit dominantem 1/f-Rauschen sehr stark von der Teilvorspannung E3 ab :It can be deduced from this, up to which cut-off frequency f c the low-frequency 1 / f noise predominates. Then the second addend in the last parenthetical expression of equation (13a) is greater than the first addend. As can be seen from the following Table 2, this frequency range with dominant 1 / f noise depends very much on the partial bias E 3 :
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
Aus Gleichung (13a) und in Übereinstimmung mit den Vorgaben von Tabelle 1 lassen sich (Mindest-) Werte für die Ubergangsquerschnittsflache A von Tunnelelementen 13, die in Al203-Technologie realisiert sind, ermitteln. In der nachfolgenden Tabelle 3 sind beispielhaft und unter Voraussetzung einer für die Wandler-Einheit 2 geforderten Auflosung von 1 pT/cmVHz und des Einsatzes des vorstehend spezifizierten Low-Cost-Vorverstarkers so ermittelte Werte für die Ubergangsquerschnittsflache A aufgelistet:From Equation (13a) and in accordance with the specifications of Table 1, (minimum) values for the transitional cross-sectional area A of tunneling elements 13 realized in Al 2 O 3 technology can be determined. In the following Table 3, values for the transition cross-sectional area A thus determined are listed as examples and assuming a resolution of 1 pT / cmVHz required for the converter unit 2 and the use of the above-specified low-cost pre-amplifier:
Figure imgf000017_0003
1 3 - 1 03
Figure imgf000017_0003
1 3 - 1 0 3
40 5 0 , 340 5 0, 3
0 , 0 1 1 , 5 - 1 05 0, 0 1 1, 5 - 1 0 5
1 1 , 6 - 1 03 1 1, 6 - 1 0 3
80 10 0 , 380 10 0, 3
0 , 0 1 8 - 1 04 0, 0 1 8 - 1 0 4
1 1 , 6 - 1 04 1 1, 6 - 1 0 4
800 10 0 , 3800 10 0, 3
0 , 0 1 8 - 1 05 0, 0 1 8 - 1 0 5
Die gesamte Querschnittsfläche der Tunnelübergänge aller Tunnelelemente 13 eines der Magnetfeld-Wandler 7 und 8 liegt in der Größenordnung von 105 μm2. Die Tunnelelemente 13 sind insbesondere auf einem Chip integriert. Folglich haben die Magnetfeld-Wandler 7 und 8 und damit auch die Wandler-Einheit 2 sowie die Sensoreinrichtung 1 insgesamt einen sehr kompakten Aufbau mit einem geringen Platzbedarf. Außerdem lässt sich die Sensoreinrichtung 1 mit vergleichsweise geringem Fertigungsaufwand herstellen.The total cross-sectional area of the tunnel junctions of all tunnel elements 13 of one of the magnetic field transducers 7 and 8 is of the order of 10 5 μm 2 . The tunnel elements 13 are integrated in particular on a chip. Consequently, the magnetic field converter 7 and 8 and thus also the transducer unit 2 and the sensor device 1 overall have a very compact design with a small footprint. In addition, the sensor device 1 can be produced with comparatively low production costs.
In FIG 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Wandler- Einheit 17 in Blockschaltbilddarstellung gezeigt. Die Wandler-Einheit 17 ist wie die Wandler-Einheit 2 ein Gradiometer. Sie erfasst einen Magnetfeldgradienten. IhrIn Figure 3, another embodiment of a converter unit 17 is shown in block diagram representation. The converter unit 17, like the converter unit 2, is a gradiometer. It detects a magnetic field gradient. you
Aufbau gleicht im Wesentlichen dem der Wandler-Einheit 2. Der Hauptunterschied besteht in zusätzlich vorgesehenen magnetischen Antennen 18 und 19, von denen je eine einem der beiden Magnetfeld-Wandler 7 bzw. 8 zugeordnet ist. Die Antennen 18 und 19 bestehen aus einem weich magnetischenThe construction is essentially similar to that of the converter unit 2. The main difference consists in additionally provided magnetic antennas 18 and 19, one of which is assigned to one of the two magnetic field converters 7 and 8 respectively. The antennas 18 and 19 are made of a soft magnetic
Material und dienen einer Erhöhung der lokalen magnetischen Flussdichte am Ort der jeweils zugehörigen Magnetfeld-WandlerMaterial and serve to increase the local magnetic flux density at the location of each associated magnetic field transducer
7 bzw. 8. Andererseits rufen die Antennen 18 und 19 keine Beeinflussung der Flussdichte am jeweils nicht zugehörigen Magnetfeld-Wandler 8 bzw. 7 hervor. Letztlich führen die beiden Antennen 18 und 19 zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit und der Auflösung. Die Antennen 18 und 19 sind seitlich neben dem jeweiligen Magnetfeld-Wandler 7 bzw.7 and 8, respectively. On the other hand, the antennas 18 and 19 do not cause any influence on the flux density at the respectively non-associated magnetic field converter 8 or 7. Ultimately, the two antennas 18 and 19 lead to an improvement of the sensitivity and the resolution. The antennas 18 and 19 are laterally adjacent to the respective magnetic field transducer 7 and
8 angeordnet, sodass ein kleiner Luftspalt 20 bzw. 21 verbleibt. Im Folgenden wird auch unter Bezugnahme auf FIG 4 der Einfluss der Antennen 18 und 19 mittels einer Flussanalyse der Einheit aus Antenne 18 bzw. 19, Luftspalt 20 bzw. 21 und weich magnetischen Elektroden 14 und 15 der Tunnelelemente 13 untersucht.8, so that a small air gap 20 or 21 remains. The influence of the antennas 18 and 19 by means of a flux analysis of the unit of antenna 18 or 19, air gap 20 or 21 and soft magnetic electrodes 14 and 15 of the tunnel elements 13 is also examined below with reference to FIG.
Diese Analyse basiert auf der Definition magnetischer Flussleiter bzw. von Magnetflusswiderständen, die in dem Ersatzschaltbild gemäß FIG 4 wiedergegeben sind. Die Antenne 18 bzw. 19 wird in eine Impedanz RA, der Luftspalt 20 bzw. 21 in eine Impedanz RG und die weich magnetischen Elektroden 14 und 15 der Tunnelübergänge in eine Impedanz Rτ überführt. Diese Impedanzen RA, RG und Rτ sind in Reihe geschaltet. Parallel zur dieser Reihenschaltung ist eine weiter Impedanz Rp angeordnet, die das wechselwirkende Volumen beschreibt, in dem die Flussdichte durch die Antenne 18 bzw. 19 beeinflusst wird. Die Hauptaufgabe der Antenne 18 bzw. 19 besteht darin, dieses wechselwirkende Volumen zu vergrößern.This analysis is based on the definition of magnetic flux conductors or of magnetic flux resistances, which are reproduced in the equivalent circuit diagram according to FIG. The antenna 18 or 19 is converted into an impedance R A , the air gap 20 or 21 in an impedance R G and the soft magnetic electrodes 14 and 15 of the tunnel junctions in an impedance R τ . These impedances R A , R G and R τ are connected in series. Parallel to this series connection, a further impedance Rp is arranged, which describes the interacting volume, in which the flux density is influenced by the antenna 18 or 19. The main task of the antenna 18 or 19 is to increase this interacting volume.
Der sich im Luftspalt 20 bzw. 21 ausbildende magnetischeThe forming in the air gap 20 and 21 magnetic
Fluss Φi lässt sich durch den gesamten magnetischen Fluss Φ im wechselwirkenden Volumen in Verbindung mit den genannten magnetischen Impedanzen ausdrücken:The flux Φi can be expressed by the total magnetic flux Φ in the interacting volume in combination with the mentioned magnetic impedances:
Φi = Φ/ [1+(RA+RG+RT) /RP] (14)Φ i = Φ / [1+ (R A + R G + R T ) / RP] (14)
mitWith
Φ = AAB0 = (wALA)B0 (15a) Φi = (hwA)BG (15b)Φ = A A B 0 = (w A L A ) B 0 (15a) Φ i = (hw A ) B G (15b)
wobei mit AA ein Antennenwirkungsquerschnitt senkrecht zum Magnetfeld, mit wA eine Antennenbreite, mit LA eine Antennenlänge, mit h eine Luftspaltbreite, mit BG eine lokale Flussdichte im Luftspalt 20 bzw. 21 und mit B0 einewhere with A A an antenna cross-section perpendicular to the magnetic field, with w A an antenna width, with L A an antenna length, with h an air gap width, with B G a local flux density in the air gap 20 and 21 and B 0 a
Flussdichte des Ausgangsmessfeldes bezeichnet ist. Diese Größen sind in die Darstellung gemäß FIG 3 mit eingetragen. Die verschiedenen magnetischen Impedanzen berechnen sich gemäß :Flux density of the output measuring field is designated. These variables are entered in the illustration in FIG 3 with. The different magnetic impedances are calculated according to:
RP = 1 / (μowA) ;i6a)R P = 1 / (μ o w A ); i6a)
RA = LA/ ( μoμAWAtA :i6b)RA = L A / (μ o μAW A t A : i6b)
RG = h/ (μowAtA) :i6c) wτ/ (μoμτwAtτ :i6d)RG = h / (μ o w A t A ): i6c) w τ / (μ o μ τ w A t τ : i6d)
wobei mit μo die magnetische Permeabilität des Vakuums, mit μA eine effektive, relative Permeabilität der Antennen 18 bzw. 19, mit μτ eine effektive, relative Permeabilität der weich magnetischen Elektroden 14 und 15 der Tunnelelemente 13, mit wτ eine Elektrodenbreite, mit tA eine Antennenschichtdicke und mit tτ eine Elektrodenschichtdicke bezeichnet ist. Setzt man die Gleichungen (15) und (16) in Gleichung (14) ein, ergibt sich für den Antennengewinn folgende Beziehung:where μ o the magnetic permeability of the vacuum, with μ A an effective relative permeability of the antennas 18 and 19, with μ τ an effective relative permeability of the soft magnetic electrodes 14 and 15 of the tunnel elements 13, with w τ an electrode width, with t A is an antenna layer thickness and t t denotes an electrode layer thickness . Substituting equations (15) and (16) into equation (14) yields the following relationship for antenna gain:
BG/B0 = (LA/h)/[l+{l+LA/(μAtA)+wτ/(μτtτ) }] (17)B G / B 0 = (L A / h) / [l + {l + L A / (μ A t A) + τ w / (μ τ τ t)}] (17)
Daraus wird deutlich, dass der maximale Gewinn in der Flussdichte gleich (LA/2h) ist. Dieser maximale Gewinn ist jedoch nur dann zu erzielen, wenn die Voraussetzungen:It is clear that the maximum gain in the flux density is equal to (L A / 2h). However, this maximum profit can only be achieved if the conditions:
LA/(μAtA) « 1 ;i8a) Wτ/ (μτtτ) « 1 ;i8b)L A / (μ A t A ) «1; i8a) W τ / (μ τ t τ )« 1; i8b)
erfüllt sind. Dies ist insbesondere für großeare fulfilled. This is especially great for
Permeabilitätswerte und große Schichtdicken der Fall. In der nachfolgenden Tabelle 4 sind Beispielzahlenwerte aufgelistet, die bei Berücksichtigung von Gleichung (17) zu einem Gewinn von etwa 10 führen:Permeability values and large layer thicknesses of the case. Example numerical values are listed in Table 4 below, yielding a gain of approximately 10 when taking equation (17) into consideration:
Figure imgf000020_0001
So dimensionierte Magnetfeld-Wandler 17 ermöglichen es, die Magnetfeldgradientenauflösung bei Frequenzen f, die über der in Tabelle 2 genannten Grenzfrequenz fc liegen, bis auf etwa 100 fT/cmVHz zu verbessern. Damit kann im Frequenzbereich des weißen Rauschens eine Auflösung erreicht werden, die vergleichbar der der SQUID-Sensoren ist. Im Unterschied zu den SQUID-Sensoren können sich bei dem Magnetfeld-Wandler 17 aber alle Komponenten auf Raumtemperatur befinden. Eine Kühlung auf tiefe Temperaturen ist nicht erforderlich.
Figure imgf000020_0001
Magnetic field transformers 17 thus dimensioned make it possible to improve the magnetic field gradient resolution up to about 100 fT / cmVHz at frequencies f which are above the limit frequency f c mentioned in table 2. Thus, in the frequency range of the white noise, a resolution comparable to that of the SQUID sensors can be achieved. In contrast to the SQUID sensors, however, all components in the magnetic field converter 17 can be at room temperature. Cooling to low temperatures is not required.
In FIG 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung 22 als in Blockschaltbild gezeigt. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird mittels der Sensoreinrichtung 22 nicht der Magnetfeldgradient θB/θx, sondern das Magnetfeld B erfasst. Auch die Sensoreinrichtung 22 umfasst eine Wandler-Einheit 23, die als Halbbrücke ausgebildet ist.FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a sensor device 22 as a block diagram. In contrast to the preceding exemplary embodiments, the magnetic field gradient B is not detected by means of the sensor device 22, but the magnetic field B is detected. Also, the sensor device 22 comprises a transducer unit 23, which is designed as a half-bridge.
Neben dem im Brückenzweig 6 unverändert beibehaltenem Magnetfeld-Wandler 8 ist im anderen Brückenzweig 5 ein abgeschirmter Magnetfeld-Wandler 24 vorgesehen, der abgesehen von einer magnetischen Abschirmung 25 genau so wie die Magnetfeld-Wandler 7 und 8 aufgebaut ist. Insbesondere ist auch er als Tunnelmagnetowiderstand mit einer Vielzahl inIn addition to the unchanged in the bridge branch 6 maintained magnetic field transducer 8 a shielded magnetic field transducer 24 is provided in the other bridge branch 5, which apart from a magnetic shield 25 as well as the magnetic field converters 7 and 8 is constructed. In particular, he is also a tunnel magnetoresistor with a variety in
Reihe geschalteter Tunnelelemente 13 realisiert. Das lineare Verhalten der Magnetfeld-Wandler 24 und 8 wird analog wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 1 durch den Einsatz von Magnetschichten mit senkrecht zueinander verlaufenden leichten Magnetisierungsachsen.Series switched tunnel elements 13 realized. The linear behavior of the magnetic field converter 24 and 8 is analogous to the embodiment of FIG 1 by the use of magnetic layers with mutually perpendicular easy magnetization axes.
Die Abschirmung 25 ist als niedrig dimensionierter weich magnetischer Widerstand ausgeführt. Bei einer grundsätzlich auch möglichen alternativen Ausgestaltung als Vollbrücke, wären drei der dann vier vorgesehenen Magnetfeld-Wandler abgeschirmt . Zur Herleitung der am Mittenabgriff der Halbbrücke der Sensoreinrichtung 22 gemäß FIG 5 als Messsignal anstehende Spannungsdifferenz U1-U2 wird zunächst ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer nicht figurlich gezeigten Sensoreinrichtung betrachtet.The shield 25 is designed as a low-sized soft magnetic resistance. In a basically possible alternative embodiment as a full bridge, three of the then four provided magnetic field converter would be shielded. For deriving the voltage difference U1-U2 present at the center tap of the half-bridge of the sensor device 22 according to FIG. 5, a further exemplary embodiment of a sensor device not shown in FIG.
Diese nicht gezeigte Sensoreinrichtung unterscheidet sich von der der Sensoreinrichtung 22 gemäß FIG 5 nur dadurch, dass der Magnetfeld-Wandler im linken Bruckenzweig 5 magnetisch nicht abgeschirmt ist und dass im rechten Bruckenzweig 6 der (ebenfalls unabgeschirmte) Magnetfeld-Wandler 8 und das als ohmscher Widerstand ausgeführte Zweigelement 10 in der Reihenfolge vertauscht sind. Die magnetfeldempfindlichen Komponenten sind also diagonal in der Brücke angeordnet. Außerdem ist die Brücke der nicht gezeigten Sensoreinrichtung sehr eng gebaut, sodass beide magnetfeldempfindlichen Komponenten das gleiche Magnetfeld B erfassen. Dann gelten folgende Zusammenhange.This sensor device, not shown, differs from that of the sensor device 22 shown in FIG 5 only in that the magnetic field converter is magnetically not shielded in the left bridge branch 5 and that in the right bridge branch 6 of the (also unshielded) magnetic field transducer 8 and the ohmic resistance executed branch element 10 are reversed in order. The magnetic field sensitive components are thus arranged diagonally in the bridge. In addition, the bridge of the sensor device, not shown, is built very close, so that both magnetic field sensitive components detect the same magnetic field B. Then the following relationships apply.
Die an den Abgriffknoten 11 und 12 im linken bzw. rechten Bruckenzweig 5 bzw. 6 anstehenden Spannungen Ui bzw. U2 ergeben sich zu:The voltages Ui and U 2 present at the tap nodes 11 and 12 in the left and right bridge branch 5 and 6 respectively result in:
Figure imgf000022_0001
U2= ER0/ (R0+R2) (20)
Figure imgf000022_0001
U 2 = ER 0 / (R 0 + R 2 ) (20)
und damit die am Mittenabgriff abgreifbare Spannungsdifferenz U1-U2 zu:and thus the voltage difference U1-U2 which can be tapped off at the center tap:
Ui-U2 = E[Ri/ (R0+Ri) -R0/ (R0+R2) ] (21)Ui-U 2 = E [Ri / (Ri + R 0) -R 0 / (R 0 + R 2)] (21)
Idealerweise gilt gemäß Gleichungen (1) und (2):Ideally, according to equations (1) and (2):
Ri = R2 = R0+ (ÖR/ÖB)B(X) , (22)Ri = R 2 = R 0 + (ER / OEB) B (X), (22)
wobei die Änderung des Magnetfelds B zwischen den Einbauorten Xi und x2 der beiden magnetfeldempfindlichen Komponenten aufgrund des kompakten Aufbaus vernachlässigbar ist. Mit Gleichung (22) vereinfacht sich Gleichung (21) zu:wherein the change of the magnetic field B between the mounting locations Xi and X 2 of the two magnetic field sensitive components is negligible due to the compact design. Equation (22) simplifies equation (21) to:
Ui-U2= E (ÖR/ÖB)B(X) / [2R0+ (ÖR/ÖB)B(X) ] (23)Ui-U 2 = E (ÖR / ÖB) B (X) / [2R 0 + (ÖR / ÖB) B (X)] (23)
und unter Annahme eines kleinen Magnetfelds B zu:and assuming a small magnetic field B to:
Ui-U2 = E (öR/δB)B(x) /2R0 (24)Ui-U 2 = E (öR / δB) B (x) / 2R 0 (24)
Berücksichtigt man, dass die nicht gezeigte Sensoreinrichtung aufgrund der doppelten Anzahl unabgeschirmter, magnetfeldempfindlicher Komponenten auch das doppelte Ausgangssignal liefert wie die Sensoreinrichtung 22 gemäß FIG 5, so errechnet sich die am Mittenabgriff der Halbbrücke der Sensoreinrichtung 22 gemäß FIG 5 als Messsignal anstehende Spannungsdifferenz Ui-U2 zu:Taking into account that the sensor means, not shown, due to the double number of unshielded, magnetic field sensitive components also provides twice the output signal as the sensor device 22 shown in FIG 5, so calculated at the center tap of the half bridge of the sensor device 22 shown in FIG 5 as a measurement signal voltage difference Ui-U 2 to:
Ui-U2= (E/4R0) (ÖR/ÖB) ]B(x2) (25)Ui-U 2 = (E / 4R 0 ) (ÖR / ÖB)] B (x 2 ) (25)
Erfasst wird also ein Messsignal für das am Ort x2 des rechten Magnetfeld-Wandlers 8 anstehende Magnetfeld B(x2).Thus, a measurement signal is detected for the magnetic field B (x 2 ) present at the location x 2 of the right-hand magnetic field converter 8.
Bei einer Felderfassung machen sich im Unterschied zu einer Gradientenerfassung örtlich homogene Störfelder stärker bemerkbar. Wenn die Wandler-Einheit 23 extrem empfindlich ausgelegt ist, können derartige homogene Störfelder zu einer Arbeitspunktverlagerung führen, sodass der lineare Betriebsbereich verlassen wird.In a field detection, in contrast to a gradient detection, locally homogeneous interference fields become more noticeable. If the transducer unit 23 is designed to be extremely sensitive, such homogeneous interference fields can lead to an operating point shift, so that the linear operating range is left.
Um dies zu verhindern und zur Stabilisierung des Arbeitspunkts ist bei dem in FIG 6 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Sensoreinrichtung 26 ein zusätzlicher Rückkopplungszweig 27 vorgesehen. Eine Wandler- Einheit 28 der Sensoreinrichtung 26 unterscheidet sich von der Wandler-Einheit 23 der Sensoreinrichtung 22 nur durch eine am Magnetfeld-Wandler 8 zusätzlich vorgesehene magnetische Antenne 29, die von einer Modulationsspule 30 umgeben ist. Der Rückkopplungszweig 27 führt vom Ausgang des Verstärkers 4 beispielsweise über einen optionalen invertierenden Trennverstärker 31 an die Modulationsspule 30. Ggf. kann der Rückkopplungszweig 27 auch andere oder weitere Komponenten wie ein Summenglied und/oder eine Modulationseinheit enthalten.In order to prevent this and to stabilize the operating point, an additional feedback branch 27 is provided in the exemplary embodiment of a sensor device 26 shown in FIG. A converter unit 28 of the sensor device 26 differs from the converter unit 23 of the sensor device 22 only by a magnetic antenna 29 additionally provided on the magnetic field converter 8, which is surrounded by a modulation coil 30. The feedback branch 27 leads from the output of Amplifier 4, for example, via an optional inverting isolation amplifier 31 to the modulation coil 30. Ggf. For example, the feedback branch 27 may also contain other or further components such as a summing element and / or a modulation unit.
Analog zur Gleichung (12), die für die denAnalogous to the equation (12), which for the
Magnetfeldgradienten θB/θx erfassende Sensoreinrichtung 1 gilt, lässt sich auch für die das Magnetfeld B erfassenden Sensoreinrichtungen 22 und 28 eine Dimensionierungsvorschrift für die Anzahl N der Tunnelelemente 13 der Magnetfeld-Wandler 25 und 8 angeben. Sie lautet:Magnetic field gradient θB / θx detecting sensor device 1 applies, can also for the magnetic field B sensing sensor devices 22 and 28 specify a sizing rule for the number N of the tunnel elements 13 of the magnetic field converters 25 and 8. It is:
N > (u2 n,A)°'5/[Bmin(E:) (1/R:) (8R1ZdB) ] , (26)N> (u 2 n, A) ° '5 / [B min (E:) (1 / R:) (8R ZdB 1)], (26)
wobei mit Bmin eine gewünschte und damit also vorgebbarewhere B min is a desired and thus therefore predefinable
Magnetfeldauflösung bezeichnet ist. Dagegen gilt die weitereMagnetic field resolution is designated. In contrast, the other applies
Dimensionierungsvorschrift für dieSizing rule for the
Übergangsquerschnittsfläche A jedes der Tunnelelemente 13 gemäß Gleichung (13) gleichermaßen für Magnetfeldgradienten θB/θx erfassende und für Magnetfeld B erfassendeTransitional cross-sectional area A of each of the tunnel elements 13 according to equation (13) equally for magnetic field gradients θB / θx and detecting magnetic field B detected
Sensoreinrichtungen .Sensor devices.
In FIG 7 ist ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wandler-Einheit 32 zur Erfassung eines Magnetfeldgradienten θB/θx gezeigt. Sie ist als Vollbrücke ausgebildet. Es sind also insgesamt vier Magnetfeld-Wandler 33, 34, 35 und 36 vorgesehen, die jeweils als Tunnelmagnetowiderstände mit einem Widerstandswert Ri, R.2, R3 bzw. R4 ausgeführt sind. Auch dieFIG. 7 shows a block diagram of a further exemplary embodiment of a transducer unit 32 for detecting a magnetic field gradient .theta.B / .theta.x. It is designed as a full bridge. There are a total of four magnetic-field converter 33, 34, 35 and 36 are provided which are each designed as a tunnel magneto resistors having a resistance value Ri, R.2, R3 and R 4. Also the
Tunnelmagnetowiderstände der Magnetfeld-Wandler 33 bis 36 haben den in FIG 2 gezeigten kettenstrukturartigen Aufbau mit mehreren Tunnelelementen 13.Tunnel magnetoresistors of the magnetic field converters 33 to 36 have the chain-type structure shown in FIG. 2 with a plurality of tunnel elements 13.
In jedem Brückenzweig 5 und 6 ist ein abgeschirmter und ein feldempfindlicher Sensor vorgesehen. Magnetisch abgeschirmt sind demnach die Magnetfeld-Wandler 35 und 36, wohingegen den messgrößenempfindlichen und zum Zwecke der Gradientenerfassung auf gleicher Höhe (d.h. senkrecht zur x- Richtung) angeordneten Magnetfeld-Wandlern 33 und 34 jeweils eine magnetische Antenne 37 bzw. 38 zugeordnet ist. Jede der Antennen 37 und 38 ist mit einer in planarer Technologie ausgeführten Modulationsspule 39 bzw. 40 bewickelt, die elektrisch an eine Modulationseinheit 41 angeschlossen ist.In each bridge branch 5 and 6, a shielded and a field-sensitive sensor is provided. Magnetically shielded are therefore the magnetic field transducers 35 and 36, whereas the Meßgrößenempfindlichen and for the purpose of Gradient detection at the same height (ie, perpendicular to the x direction) arranged magnetic field converters 33 and 34 each have a magnetic antenna 37 and 38 is assigned. Each of the antennas 37 and 38 is wound with a modulation coil 39 and 40, respectively, implemented in planar technology, which is electrically connected to a modulation unit 41.
Die Modulationseinheit 41 ermöglicht im Bereich der messgrößenempfindlichen Magnetfeld-Wandler 33 und 34 die gezielte zusätzliche Erzeugung eines magnetischenThe modulation unit 41 allows in the range of the measuring variable-sensitive magnetic field converters 33 and 34, the targeted additional generation of a magnetic
Modulationsflusses Φmocι und eines Modulationsmagnetfelds Bmocι mit einer Modulationsfrequenz fmOd- Das dann am Mittenabgriff anstehende Messsignal ΔU = U1-U2 weist eine Amplitudenmodulation mit der Modulationsfrequenz fmod auf. Diese Amplitudenmodulation geht aus dem rechten Diagramm gemäß FIG 8 hervor, in dem Verläufe des resultierenden Messsignals ΔU = U1-U2 über der Zeit t mit und ohne externem Magnetfeld B dargestellt sind. Wie ersichtlich ist die Messinformation über das externe Magnetfeld B und den interessierenden Magnetfeldgradienten θB/θx in der Amplitude des Messsignals ΔU = U1-U2 enthalten. Sie lässt sich mittels nicht näher gezeigter phasensensitiver Demodulation extrahieren .Modulation flux Φ moc ι and a modulation magnetic field B moc ι with a modulation frequency f mOd - The then at the center tap pending measurement signal .DELTA.U = U1-U2 has an amplitude modulation with the modulation frequency f mod on. This amplitude modulation is shown in the right-hand diagram according to FIG. 8, in which characteristics of the resulting measurement signal .DELTA.U = U1-U2 over time t with and without external magnetic field B are shown. As can be seen, the measurement information about the external magnetic field B and the magnetic field gradient θ B / θ x of interest is contained in the amplitude of the measurement signal ΔU = U 1 -U 2. It can be extracted by means of phase-sensitive demodulation not shown in detail.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 7 ist eine aus dem linken Diagramm von FIG 8 ersichtliche nichtlineare Abhängigkeit der am Mittenabgriff anstehenden Spannungen Ui bzw. U2 vom Magnetfeld B vorgesehen. Das nichtlineare Verhalten zumindest der messgrößenempfindlichen Magnetfeld- Wandler 33 und 34 wird erreicht, indem Magnetisierungen M3 und M4 in Richtung der leichten Achsen (easy axis) in den maßgeblichen Magnetschichten nicht senkrecht zueinander, sondern parallel oder antiparallel orientiert sind. Bezüglich der Richtung des externen Magnetfelds B sind die Magnetisierungen M3 und M4 vorzugsweise senkrecht orientiert.In the exemplary embodiment according to FIG. 7, a nonlinear dependency of the voltages Ui or U2 present at the middle tap, as can be seen from the left-hand diagram of FIG. 8, is provided by the magnetic field B. The nonlinear behavior of at least the measuring variable-sensitive magnetic field converters 33 and 34 is achieved by magnetizations M 3 and M 4 in the direction of the easy axes in the relevant magnetic layers are not perpendicular to each other, but oriented parallel or anti-parallel. With respect to the direction of the external magnetic field B, the magnetizations M 3 and M 4 are preferably oriented vertically.
Das örtliche Gesamt-Magnetfeld setzt sich aus dem Modulationsmagnetfeld BMOci = I BMocι I expj (2πfdt) und dem zu messenden Magnetfeld B (x) zusammen, das verglichen mit der Modulationsfrequenz fMod niederfrequenter ist. Der wesentliche Frequenzgehalt des Magnetfelds B (x) liegt also unter der Modulationsfrequenz fMθd-The local total magnetic field consists of the modulation magnetic field B MO ci = IB Moc ι I expj (2πf dt) and to be measured Magnetic field B (x) together, which is lower frequency compared to the modulation frequency f Mod . The essential frequency content of the magnetic field B (x) is thus below the modulation frequency f Mθd -
Das Modulationsmagnetfeld BMod ist an den beiden Magnetfeld- Wandlern 33 und 34 gleich groß. Es erzeugt ohne das niederfrequente zu messende Magnetfeld B (x) eine Änderung der jeweils zugehörigen Widerstandswerte Ri und R2 gemäß:The modulation magnetic field B Mod is equal to the two magnetic field converters 33 and 34. Without the low-frequency magnetic field B (x) to be measured, it generates a change in the respectively associated resistance values Ri and R2 according to:
Ri = R0 + ΔRiexpj (4πfdt) (27)Ri = R 0 + ΔRiexpj (4πf dt) (27)
R2 = R0 + ΔR2expj (4πfdt) (28)R 2 = R 0 + ΔR 2 expj (4πf dt) (28)
Ein zusatzlich vorhandenes niederfrequentes zu messendes Magnetfeld B (x) moduliert die Widerstandsanderungen ΔRi und ΔR2 gemäßAn additional low-frequency magnetic field B (x) to be measured modulates the resistance changes ΔRi and ΔR 2 according to FIG
Ri - R0 = ΔRMocιexpj (4πfdt) + (δRi/öB) B (xx) expj (2πfModt) (29) R2 - R0 = ΔRModexpj (4πfModt) + (ÖR2/ÖB) B (x2) expj (2πfModt) (30)Ri - R 0 = .DELTA.R Moc ιexpj (4πf dt) + (δRi / OEB) B (x x) expj (2.pi.f Mod t) (29) R 2 - R 0 = .DELTA.R Mod expj (4πf Mod t) + (ÖR 2 / ÖB) B (x 2 ) expj (2πf mod t) (30)
wobei mit ΔRMod eine Amplitude der durch die Modulation hervorgerufenen Änderung der nominell gleichen Widerstandswerte Ri und R2 der Magnetfeld-Wandler 33 und 34 bezeichnet ist. Bei nominell gleichen Widerstandswerten Ri und R2 und ohne Gradientenfeld gilt:where ΔR Mod is an amplitude of the modulation-induced change in the nominally equal resistance values Ri and R 2 of the magnetic field converters 33 and 34. With nominally identical resistance values Ri and R 2 and without gradient field:
ΔRi = ΔR2 = ΔRMod (31)ΔRi = ΔR 2 = ΔR Mod (31)
Das Messsignal ΔU = Ui-U2 der Wandler-Einheit 32 ist dann:The measuring signal ΔU = Ui-U 2 of the converter unit 32 is then:
Ul - U2 = (E/2R0) (Ri - R2 ) =Ul - U2 = (E / 2R 0 ) (Ri - R2) =
= (E/2R0)<δR/δB>{B(xi) - B (x2) } expj (2πfModt) (32)= (E / 2R 0 ) <δR / δB> {B (xi) -B (x 2 )} expj (2πf Mod t) (32)
wobei <ÖR/ÖB> für den über die Magnetfeld-Wandler 33 und 34 gemittelten Mittelwert der Großen δRi/öB und ÖR2/ÖB steht. Aus Gleichung (32) ist zu entnehmen, dass die Ausgangsspannung ΔU = Ui-U2 nur dann von Null abweicht, wenn ein Feldgradient des zu messenden Magnetfelds B (x) vorliegt. Durch Fertigungstoleranzen bei den Magnetfeld-Wandlern 33 bis 36 kann die Brückenschaltung der Wandler-Einheit 32 nicht perfekt symmetrisch ausfallen, sodass in der Ausgangsspannung auch ein Anteil mit der doppelten Modulationsfrequenz fMod auftreten kann. Aufgrund der zur Demodulation ohnehin vorge- sehnen phasenempfindlichen Detektion um fMod wird dieser Anteil mit der doppelten Modulationsfrequenz fMθd automatisch weggefiltert .where <ÖR / ÖB> stands for the average of the magnitudes aδRi / öB and ÖR 2 / ÖB averaged over the magnetic field converters 33 and 34. From equation (32) it can be seen that the output voltage ΔU = Ui-U 2 deviates from zero only if there is a field gradient of the magnetic field B (x) to be measured. Due to manufacturing tolerances in the magnetic field converters 33 to 36, the bridge circuit of the converter unit 32 may not be perfectly symmetrical, so that in the output voltage and a proportion with twice the modulation frequency f Mod may occur. Due to the phase-sensitive detection by f Mod , which is anyway required for demodulation, this component is automatically filtered out with twice the modulation frequency f Mθd .
Aufgrund der Kombination aus nichtlinearen Magnetfeld- Wandlern 33 und 34 und zusätzlicher Magnetfeldmodulation kann ein niederfrequenter, auf das 1/f-Rauschen der Magnetfeld- Wandler 33 bis 36 zurückzuführender Rauschanteil unterdrückt werden.Due to the combination of non-linear magnetic field converters 33 and 34 and additional magnetic field modulation, a low-frequency noise component due to the 1 / f noise of the magnetic field converters 33 to 36 can be suppressed.
Das durch die Modulation erzeugte Modulationsmagnetfeld BmOd überlagert sich dem zu messenden externen Magnetfeld B. Dadurch wird die Feldempfindlichkeit der betroffenen Magnetfeld-Wandler 33 und 34 zwischen einer maximalen und einer minimalen, z.B. einer verschwindenden, Empfindlichkeit moduliert. Somit wird der Einfluss des zu messenden Magnetfelds B in einem Zeitfenster gemessen, das sehr viel kleiner als die Zeitspanne ist, innerhalb derer sich die niederfrequenten Schwankungen (= 1/f-Rauschen) derThe modulation magnetic field B mOd generated by the modulation is superimposed on the external magnetic field B to be measured. As a result, the field sensitivity of the affected magnetic field converters 33 and 34 is modulated between a maximum and a minimum, eg a vanishing, sensitivity. Thus, the influence of the magnetic field B to be measured is measured in a time window which is much smaller than the time period within which the low-frequency fluctuations (= 1 / f noise) of the
Magnetfeld-Wandler 33 und 34 bemerkbar machen. Die Erfassung des zu messenden Magnetfelds B wird folglich nicht durch diese niederfrequenten Schwankungen beeinträchtigt. Die Wandler-Einheit 32 weist also zumindest im Frequenzbereich unterhalb der Grenzfrequenz fc ein gegenüber der Wandler- Einheit 2 gemäß FIG 1 verbessertes Verhalten hinsichtlich Empfindlichkeit und Auflösung auf.Magnetic field converters 33 and 34 make noticeable. The detection of the magnetic field B to be measured is consequently not affected by these low-frequency fluctuations. Thus, at least in the frequency range below the cutoff frequency f c , the converter unit 32 has an improved behavior with regard to sensitivity and resolution compared to the converter unit 2 according to FIG.
Die vorteilhafte Magnetfeldmodulation zur Unterdrückung niederfrequenter Rauschanteile lässt sich nicht nur bei der Erfassung des Magnetfeldgradienten θB/θx, sondern auch bei der Erfassung des Magnetfelds B einsetzen. Dementsprechende Ausführungsbeispiele Magnetfeld erfassender Sensoreinrichtungen 42 und 43 sind als Blockschaltbilder in FIG 9 bzw. 10 gezeigt.The advantageous magnetic field modulation for suppressing low-frequency noise components can be used not only in the detection of the magnetic field gradient θB / θx, but also in the detection of the magnetic field B. Corresponding embodiments magnetic field detecting Sensor devices 42 and 43 are shown as block diagrams in FIGS. 9 and 10, respectively.
Die Sensoreinrichtung 42 gemäß FIG 9 hat eine als Halbbrücke realisierte Wandler-Einheit 44 mit den als einfache ohmsche Widerstände ausgeführten Zweigelementen 9 und 10 sowie mit einem abgeschirmten und einem messgrößenempfindlichen Magnetfeld-Wandler 45 bzw. 46. Letztere sind nichtlineare Tunnelmagnetowiderstände jeweils mit einer Vielzahl in Reihe geschalteter Tunnelelemente 13. Am messgrößenempfindlichen Magnetfeld-Wandler 46 ist eine als magnetischer Flusskonzentrator wirkende magnetische Antenne 47 vorgesehen, die von einer an eine Modulationseinheit 48 elektrisch angeschlossenen Modulationsspule 49 umgeben ist.The sensor device 42 according to FIG. 9 has a converter unit 44 realized as a half-bridge with the branch elements 9 and 10 designed as simple ohmic resistors and with a shielded and a measuring-variable-sensitive magnetic field converter 45 and 46, respectively. The latter are non-linear tunnel magnetoresistors each having a plurality in FIG Series of switched tunnel elements 13. The measuring variable-sensitive magnetic field transducer 46 is provided as a magnetic flux concentrator acting magnetic antenna 47 which is surrounded by a modulation unit 48 is electrically connected to a modulation coil 49.
Die Sensoreinrichtung 43 gemäß FIG 10 hat eine Wandler- Einheit 50 in Form einer Vollbrücke mit vier nichtlinearen Magnetfeld-Wandlern 51, 52, 53 und 54, die wieder als Tunnelmagnetowiderstände jeweils mit einer Vielzahl in Reihe geschalteter Tunnelelemente 13 aufgebaut sind.The sensor device 43 according to FIG. 10 has a converter unit 50 in the form of a full bridge with four non-linear magnetic field converters 51, 52, 53 and 54 which are again constructed as tunnel magnetoresistors each with a multiplicity of tunnel elements 13 connected in series.
In jedem Brückenzweig 5 und 6 ist ein abgeschirmter und ein feldempfindlicher Sensor vorgesehen. Magnetisch abgeschirmt sind demnach die Magnetfeld-Wandler 52 und 53, wohingegen den messgrößenempfindlichen und zum Zwecke der Felderfassung senkrecht zur x-Richtung auf unterschiedlicher Höhe angeordneten Magnetfeld-Wandlern 51 und 54 jeweils eine magnetische Antenne 55 bzw. 56 zugeordnet ist. Jede der Antennen 55 und 56 ist mit einer Modulationsspule 57 bzw. 58 bewickelt. Modulationsspulen 57 und 58 sind elektrisch hintereinander geschaltet und an eine Modulationseinheit 59 angeschlossen. Die an beiden Magnetfeld-Wandlern 51 und 54 hervorgerufenen Magnetfeldmodulationen sind vorzugsweise in Phase .In each bridge branch 5 and 6, a shielded and a field-sensitive sensor is provided. Accordingly, the magnetic field transducers 52 and 53 are magnetically shielded, whereas magnetic field transducers 51 and 54 each have a magnetic antenna 55 or 56 associated therewith for the purpose of field detection perpendicular to the x-direction at different heights. Each of the antennas 55 and 56 is wound with a modulation coil 57 and 58, respectively. Modulation coils 57 and 58 are electrically connected in series and connected to a modulation unit 59. The magnetic field modulations produced on both magnetic field converters 51 and 54 are preferably in phase.
Bei der Sensoreinrichtung 43 resultiert im Vergleich zur Sensoreinrichtung 42 eine doppelt so große Signalamplitude des Messsignals U1-U2. Beide Sensoreinrichtung 42 und 43 weisen die günstige Unterdrückung niederfrequenter Rauschanteile auf.The sensor device 43 results in a signal amplitude of the measurement signal U1-U2 that is twice as large compared to the sensor device 42. Both sensor device 42 and 43 have the favorable suppression of low-frequency noise components.
Alle der vorstehend beschriebenen Sensoreinrichtungen 1, 22, 26, 42 und 43 sowie Wandler-Einheiten 17 und 32 bieten bei kleinem Bauvolumen eine hohe Magnetfeld- oder Magnetfeldgradientenauflösung. Die jeweiligen Wandler- Einheiten 2, 17, 23, 28, 32, 44 und 50 lassen sich insbesondere auf einem Chip integrieren. Bei einer erzielbaren Auflösung von einigen pT/cm hat der ChipAll of the above-described sensor devices 1, 22, 26, 42 and 43 as well as transducer units 17 and 32 offer a high magnetic field or magnetic field gradient resolution in the case of a small volume of construction. The respective converter units 2, 17, 23, 28, 32, 44 and 50 can be integrated in particular on a chip. At an achievable resolution of a few pT / cm, the chip has
Kantenabmessungen von einigen mm mal 10 mm. Dies ist sehr klein für eine so hohe Auflösung. Unter Einschluss von Antennen lässt sich im Frequenzbereich zwischen etwa 1 kHz (= typischer Wert für die Grenzfrequenz fc) und der ferromagnetischen Resonanzfrequenz sogar eine noch höhereEdge dimensions of a few mm by 10 mm. This is very small for such a high resolution. With the inclusion of antennas, even an even higher frequency range between about 1 kHz (= typical value for the cutoff frequency f c ) and the ferromagnetic resonance frequency
Auflösung von besser als 1 pT/VHz oder 1 pT/cmVHz erzielen.Achieve resolution of better than 1 pT / VHz or 1 pT / cmVHz.
Die vorstehend beschriebenen Sensoreinrichtungen sind für unterschiedlichste Anwendungen mit Magnetfeldmessungen einsetzbar. Insbesondere können damit messtechnische Probleme bei Kernspin-Tomographen, die nach dem Magnetresonanzverfahren arbeiten, gelöst werden.The sensor devices described above can be used for a wide variety of applications with magnetic field measurements. In particular, metrological problems with nuclear spin tomographs that work according to the magnetic resonance method can thus be solved.
Beim Magnetresonanzverfahren gibt es zwei Arten von Magnet- feidern. Zum einen gibt es DC-Magnetfeider, die dazu dienen, dass der Diagnoseraum magnetisch markiert ist. Das lokale Feld bestimmt die Frequenz der Kernresonanz und somit ist der Diagnoseraum über die Frequenz eindeutig markiert. Das DC- FeId ist zusammengesetzt aus einem großen homogenen Feld und aus Gradientenfeldern in den drei Koordinatenrichtungen. Das homogene Feld beträgt typischerweise zwischen 0,3 und 3 Tes- Ia. Die Gradientenfelder liegen dagegen typischerweise im Bereich von etwa 0,1 mT/cm.There are two types of magnetic feeder in the magnetic resonance method. For one thing, there are DC magnetic fields that serve to magnetically mark the diagnostic room. The local field determines the frequency of the nuclear resonance and thus the diagnostic space is uniquely marked by the frequency. The DC field is composed of a large homogeneous field and of gradient fields in the three coordinate directions. The homogeneous field is typically between 0.3 and 3 Tes- Ia. In contrast, the gradient fields are typically in the range of about 0.1 mT / cm.
Bekanntermaßen werden beim Magnetresonanzverfahren die Kernspins der Protonen (H+) durch das DC-Magnetfeld ausgerichtet. Ein Hochfrequenzfeld (42 MHz bei 1 Tesla) lenkt die Spins aus und bringt sie zum Präzessieren um das DC-FeId. Ein Abschalten des Hochfrequenzfeldes führt dann zu einer Relaxation der Spins und einem induktiven Spinecho in der Hochfrequenzspule. Die Relaxation ist gewebespezifisch und bewirkt somit bei der Auswertung den Kontrast in der nachfolgenden Bilddarstellung.As is known, in the magnetic resonance method, the nuclear spins of the protons (H + ) are transmitted through the DC magnetic field aligned. A high-frequency field (42 MHz at 1 Tesla) deflects the spins and brings them to precision around the DC field. Switching off the high-frequency field then leads to a relaxation of the spins and an inductive spin echo in the high-frequency coil. The relaxation is tissue-specific and thus causes the contrast in the subsequent image representation during the evaluation.
Im Kernspin-Tomographen müssen also zwei Magnetfelder erfasst werden und zwar einerseits das große homogene Feld und andererseits die Gradientenfelder. Das homogene Feld ist derart groß, dass zur Messung insbesondere auch Hall-Sonden im Betracht kommen, da die weichmagnetischen Schichten in Feldern der Größenordnung 1 Tesla üblicherweise magnetisch hart werden und keine Sensorwirkung mehr zeigen. Somit scheiden hierfür magnetoresitive Sensoren aus. Gradientenfelder von typischerweise 0,1 mT/cm führen über eine Länge von 2 m für einen symmetrischen Anwendungsfall zu maximal 10 mT an den axialen Endflächen.In the MRI scanner, two magnetic fields must therefore be detected, namely the large homogeneous field on the one hand and the gradient fields on the other hand. The homogeneous field is so large that, in particular, Hall probes are also suitable for the measurement, since the soft magnetic layers in fields of the order of magnitude of 1 Tesla usually become magnetically hard and no longer show any sensor effect. Thus, magnetoresistive sensors are eliminated for this purpose. Gradient fields of typically 0.1 mT / cm lead over a length of 2 m for a symmetrical application to a maximum of 10 mT at the axial end faces.
Letztere Felder kann man sehr gut messen, wenn man einen mag- netoresistiven Sensor mit Rückkoppelkreis gemäß den oben beschriebenen Einrichtungen einsetzt. Entscheidend ist dabei der in die Sensoreinrichtung integrierte Rückkoppelkreis, der es ermöglicht, auch größere Felder zu messen - vorausgesetzt, dassThe latter fields can be measured very well, if one uses a magnetoresistive sensor with feedback circuit according to the facilities described above. Decisive here is the feedback circuit integrated in the sensor device, which makes it possible to measure even larger fields - provided that
- das Feld von Null ab erhöht wird,- the field is increased from zero,
- der Rückkoppelkreis technologisch richtig gestaltet sowie geeignet dimensioniert ist und - während der Messung des Gradientenfeldes das homogene Feld ausgeschaltet wird.the feedback loop is technologically correctly designed and suitably dimensioned, and the homogeneous field is switched off during the measurement of the gradient field.
Bei einer solchen Sensoreinrichtung ist die anhand der Figur 2 im Einzelnen beschrieben Kette von Tunnelelementen nicht zwingend erforderlich. Es sind auch andere magnetoresistive Widerstände möglich. Insbesondere bei der beim Kernspin- Tomographen vorliegenden Problematik mit einem DC-Magnetfeld ist das Niederfrequenzrauschen des Sensors sehr wichtig. Speziell Tunnelelemente rauschen zwar stark, weswegen derIn such a sensor device, the chain of tunnel elements described in detail with reference to FIG. 2 is not absolutely necessary. Other magnetoresistive resistors are possible. Particularly in the problem with a DC magnetic field in the case of the MRI scanner, the low-frequency noise of the sensor is very important. Especially tunnel elements are rushing heavily, which is why the
Zusammenhang mit der Erfindung von Bedeutung ist. Sofern AMR- Widerstände benutzt werden, liegt ein geringeres Niederfrequenzrauschen vor, so dass für einen Teil der Anwendungen eine Modulation überflüssig sein kann.Significance is related to the invention. If AMR resistors are used, there is less low frequency noise, so modulation may be unnecessary for some of the applications.
Im letzteren Zusammenhang kann aber eine Messbrücke aus Ketten von magnetoresistiven Wandlern sinnvoll sein, wobei die Wandler sowohl GMR(Giant Magnetic Resonance)-, AMR(Aniso- tropic Magnetic Resonance)- oder TMR (Tunnel Magnetic Reso- nance) -Elemente sein können. Insbesondere eine Kette mit AMR- Wandlern ist ein ausgedehntes Element: Es werden dazu Widerstände mit je einem Strukturelement zusammengeschaltet, was vorteilhafterweise ohne zusätzliche Verbindungstechnik erfolgen kann.In the latter context, however, a measuring bridge composed of chains of magnetoresistive transducers can be useful, whereby the transducers can be both GMR (Giant Magnetic Resonance), AMR (Anisotropic Magnetic Resonance) or TMR (Tunnel Magnetic Resonance) elements. In particular, a chain with AMR transducers is an extended element: Resistors are interconnected with one structural element, which can advantageously be done without additional connection technology.
Sofern die komplette Magnetfeldverteilung im Kernspin- Tomographen gemessen werden solle, benötigt man hybride Sensoren und zwar - für das homogen DC-FeId Sensoren mit Hall-Elementen - für die Gradientenfelder Sensoren mit XMR-Elementen .If the complete magnetic field distribution in the MRI scanner is to be measured, hybrid sensors are required. For the homogeneous DC-FeId sensors with Hall elements, sensors with XMR elements are used for the gradient fields.
Eine solche hybride Messeinrichtung kann mit einem Sensor- Chip realisiert werden. Ein solcher Sensor-Chip wird beim Kernspin-Tomographen mehrfach eingesetzt und zwar in einer Ebene senkrecht zur Längsachse und in zwei Positionen, die bezüglich einander um 90° über die Längsachse verdreht sind. Dabei können zwei derartige Messebenen vorgesehen sein. Dadurch ist eine komplette Messung der Feldverteilung in allen drei Koordinatenrichtungen gleichzeitig möglich. Mit letzterer Vorgehensweise können die folgenden Feldkomponenten gemessen werden:Such a hybrid measuring device can be realized with a sensor chip. Such a sensor chip is repeatedly used in the MRI scanner in a plane perpendicular to the longitudinal axis and in two positions which are rotated with respect to each other by 90 ° about the longitudinal axis. In this case, two such measurement levels can be provided. This allows a complete measurement of the field distribution in all three coordinate directions simultaneously. With the latter approach, the following field components can be measured:
- B(z) mit einem Hall-Sensor in einer Messebene;B (z) with a Hall sensor in a measuring plane;
- θB(z)/θz mit einem Hall-Sensor in zwei Messebenen;- θB (z) / θz with a Hall sensor in two measurement planes;
- B (x) bzw. dB (x) /θx mit einem XMR-Sensor in einer Messebene;B (x) or dB (x) / θx with an XMR sensor in a measuring plane;
- B(y) bzw. θB(y)/θy mit einem XMR-Sensor in einer Messebene.- B (y) or θB (y) / θy with an XMR sensor in a measuring plane.
Ein Universalchip für die Messung der Felder bei der Kernresonanz besteht also im vorliegenden Fall wenigstens aus einem Hall-Element und einer AMR-Messbrücke . Der Chip kann damit B(z) und θB(y)/θy gleichzeitig messen für den Fall, dass die Chipebene die xy-Ebene ist. Eine Rotation des Chips um 90° um die z-Achse ermöglicht die gleichzeitige Messung von B(z) und θB(x)/θx. Aus diesem Grund sind zwei gegen einander um 90° verdrehte Chips in der gleichen xy-Ebene in der Lage, die Magnetfeldgrößen B(z), θB (x) /θx und θB(y)/θy zu messen. Bei einer anderen Anordnung der Pole kann die Mess- brücke auch direkt die Komponenten B (x) und B(y) statt deren Gradienten messen.A universal chip for the measurement of the fields in nuclear resonance thus consists in the present case at least of a Hall element and an AMR bridge. The chip can thus measure B (z) and θB (y) / θy simultaneously in the event that the chip plane is the xy plane. A rotation of the chip 90 ° about the z-axis allows the simultaneous measurement of B (z) and θB (x) / θx. For this reason, two 90 ° twisted chips in the same xy plane are capable of measuring the magnetic field quantities B (z), θB (x) / θx and θB (y) / θy. If the poles are arranged differently, the measuring bridge can also directly measure the components B (x) and B (y) instead of their gradients.
Das Messen in zwei Ebenen ermöglicht zudem die Erfassung von θB(z)/θz durch Verschaltung der Hall-Sensoren der beiden Ebenen.The measurement in two levels also allows the detection of θB (z) / θz by interconnecting the Hall sensors of the two levels.
Die XMR-Sensoren haben - wie beschrieben - die Eigenschaft der Rückkopplung und können damit als lineare oder nichtlineare Sensoren mit großer Genauigkeit die magnetischen Felder erfassen. Es ergibt sich dabei aber die Notwendigkeit einer Substratpositionierung.The XMR sensors have - as described - the property of feedback and can thus detect the magnetic fields as linear or non-linear sensors with great accuracy. However, this results in the need for substrate positioning.
Die Kombination von XMR-Sensoren und Hall-Sensoren in einem Raum mit sehr hohen Feldern ist messtechnisch nur dann sinn- voll, wenn das sehr hohe Feld senkrecht zu der Substratebene orientiert ist. Denn nur für diesen Fall wird die Magnetisierung der magnetischen Schichten nicht vom axialen Feld beeinträchtigt. Es ist deswegen für eine sinnvolle Nutzung des Chips erforderlich, dass es eine separate Vorrichtung aufweist, die eine korrekte Ausrichtung des Chips ermöglicht. Eine solche Vorrichtung muss also über zwei orthogonale Rotationsachsen verfügen, die senkrecht auf die Richtung des großen, axialen Feldes stehen. Die Substratebene wird dabei beispielhaft durch Koordinaten xs, ys und zs aufgespannt. Bei einer optimalen Ausrichtung des Substrates würden xs und ys unendlich sein. Der Normalvektor ns kann in z-Richtung ausgerichtet sein.The combination of XMR sensors and Hall sensors in a room with very high fields is metrologically only meaningful. full if the very high field is oriented perpendicular to the substrate plane. Because only in this case, the magnetization of the magnetic layers is not affected by the axial field. It is therefore necessary for meaningful use of the chip to have a separate device that allows for proper alignment of the chip. Such a device must therefore have two orthogonal axes of rotation, which are perpendicular to the direction of the large axial field. In this case, the substrate plane is spanned by coordinates x s , y s and z s . With an optimal orientation of the substrate, x s and y s would be infinite. The normal vector n s may be aligned in the z direction.
Eine optimale Ausrichtung wird dadurch erreicht, dassAn optimal alignment is achieved by that
- durch Drehung um die x-Achse der Normalvektor der Substratebene in der x-z Ebene ausgerichtet wird. Die optimale Ausrichtung fällt zusammen mit einem Signalmaximum des Hall-Sensors; - durch Drehung um die y-Achse wird der Normalvektor der Substratebene in z-Richtung ausgerichtet. Die optimale Ausrichtung fällt wiederum zusammen mit einem Signalmaximum des Hall-Sensors.- By rotation about the x-axis of the normal vector of the substrate plane in the x-z plane is aligned. The optimal alignment coincides with a signal maximum of the Hall sensor; - By rotation about the y-axis of the normal vector of the substrate plane is aligned in the z-direction. The optimal alignment, in turn, coincides with a signal maximum of the Hall sensor.
Sobald die Ausrichtung abgeschlossen ist, werden die Sensoren für die Magnetfeldgradienten mit elektrischer Leistung versorgt und so betrieben, dass die Gradientenfelder θBx/θx und θBy/θy gemessen werden können. Für die Messung von θBz/θz werden zwei Messebenen verwendet. Dazu wird die Differenz- Spannung der beiden Hall-Sensoren ausgewertet, womit das Prinzip der Positioniervorrichtung realisiert ist.Once the alignment is completed, the magnetic field gradient sensors are powered by electrical power and operated so that the gradient fields θB x / θx and θB y / θy can be measured. Two measurement planes are used for the measurement of θB z / θz. For this purpose, the differential voltage of the two Hall sensors is evaluated, whereby the principle of the positioning device is realized.
Eine Rückkopplung von Magnetfeldern, die in der Substratebene liegen, ist in der Praxis nicht selbstverständlich. Die Rück- kopplung kann mit drahtgewickelten Spulen im Rückkoppelkreis realisiert werden. Der Chip ist dann zwischen zwei makroskopischen Spulen positioniert. Sofern die Rückkopplung des Sensors für Felder in der Ebene des Substrats gemäß dem Stand der Technik erfolgt, ist allerdings eine derartige Anordnung groß und somit die räumliche Auflösung bei der Messung begrenzt. Eine solche Anordnung ist auch teuer, da die Spulen gewickelt werden müssen und mehrere Komponenten assembliert werden müssen. Weiterhin kann eine solche Anordnung nur rela- tiv geringe Felder rückkoppeln, da der magnetische Kreis einen großen Luftspalt aufweist. Dabei muss das Produkt aus Strom und Windungszahl groß sein. Die Rückkoppelspulen sind in Planartechnik hergestellte Dickfilmspulen, die wenige Mikrometer entfernt von den Magnetwiderständen auf dem Substrat angeordnet sind.A feedback of magnetic fields that lie in the substrate plane is not self-evident in practice. The return Coupling can be realized with wire wound coils in the feedback circuit. The chip is then positioned between two macroscopic coils. However, as far as the feedback of the sensor is done for fields in the plane of the substrate according to the prior art, such an arrangement is large and thus limits the spatial resolution in the measurement. Such an arrangement is also expensive, since the coils must be wound and several components must be assembled. Furthermore, such an arrangement can feed back only relatively small fields, since the magnetic circuit has a large air gap. The product of current and number of turns must be large. The feedback coils are thick film coils fabricated in planar technology, which are located a few microns away from the magnetoresistors on the substrate.
Unter den Voraussetzungen s/b << 1 und RM(A) << RM(Luft) wird beispielsweise eine Rückkoppelspule mit Dimensionierung b und s um den Faktor b/s wirksamer, was durch Hinzufügen von der oben beschriebenen magnetischen Antenne als Kern erfolgen kann .For example, assuming s / b << 1 and R M (A) << R M (air), a feedback coil having dimensions b and s becomes more effective by a factor of b / s, by adding the above-described magnetic antenna as a core can be done.
Der magnetische Widerstand der Antenne RM(A) wird dargestellt als : RM(A) = b/[μoμeffdw] (33)The magnetic resistance of the antenna R M (A) is represented as: R M (A) = b / [μ o μ eff dw] (33)
Der magnetische Widerstand von Vakuum RM(Luft) wird dargestellt als:The magnetic resistance of vacuum R M (air) is represented as:
RM (Luft) = b/ [μobw] (34)R M (air) = b / [μobw] (34)
Die Aufforderung RM(A) << RM(Luft) bedeutet somit: d » (b/μeff) (35) Die vorstehend beschriebene technische Lehre beinhaltet somit die Anweisung, dass zur Verbesserung des Rückkoppelfeldes nicht einfach beliebig die Länge b der Antenne vergrößert wird, sondern dass gleichzeitig auch der Querschnitt der Antenne vergrößert wird. Vorteilhafterweise aus diesem Grund wird die Antenne in Dickfilm-Technologie zu gestalten und zwar im Bereich von etwa einem Mikron (1 μm) bis zu einigen Zehn Mikron (nxlO μm) . The demand R M (A) << R M (air) thus means: d »(b / μ ef f) (35) The technical teaching described above thus includes the instruction that the length b of the antenna is not simply arbitrarily increased in order to improve the feedback matrix, but that at the same time the cross section of the antenna is also increased. Advantageously, for this reason, the antenna will be designed in thick film technology, in the range of about one micron (1 μm) to several tens of microns (nxlO μm).

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Magnetfeldgröße (B, θB/θx) , umfassend mindestens eine Wandler-Einheit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50), eine die Wandler-Einheit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50) speisende Quelle (3) und einen an die Wandler-Einheit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50) angeschlossenen Verstärker (4), wobei die Wandler-Einheit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50) wenigstens einen ersten Magnetfeld-Wandler (7, 8; 24; 33, 34; 45, 46; 51, 54) und einen in Reihe geschaltetes weiteres Zweigelement (9, 10; 35, 36; 52, 53) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der ersten Magnetfeld-Wandler (8; 33, 34; 46; 51, 54) eine magnetische Antenne (29; 37, 38; 47; 55, 56) angeordnet ist, die eine lokale magnetische Flussdichte an diesem ersten Magnetfeld-Wandler (8; 33, 34;A sensor device for detecting a magnetic field magnitude (B, θB / θx) comprising at least one transducer unit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50), a transducer unit (2; 17; 23; 28 ; 32; 44; 50) source (3) and an amplifier (4) connected to the transducer unit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50), the transducer unit (2; 17; 23, 28, 32, 44, 50) comprise at least one first magnetic field transducer (7, 8, 24, 33, 34, 45, 46, 51, 54) and a series-connected further branch element (9, 10, 35, 36) 52, 53), characterized in that a magnetic antenna (29, 37, 38, 47, 55, 56) is arranged on at least one of the first magnetic field transducers (8, 33, 34, 46, 51, 54) having a local magnetic flux density at this first magnetic field transducer (8; 33, 34;
46; 51, 54) erhöht, und dass eine Modulationseinheit (41; 48; 59) vorhanden ist, die mittels einer Modulationsspule (39, 40; 49; 57, 58) magnetisch an die Antenne (37, 38; 47; 55, 56) angeschlossen ist.46; 51, 54), and in that there is a modulation unit (41; 48; 59) which is magnetically coupled to the antenna (37, 38; 47; 55, 56) by means of a modulation coil (39, 40; 49; 57, 58). connected.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verstärker (4) und mindestens einem der ersten Magnetfeld-Wandler (8) ein Rückkopplungszweig (27) vorgesehen ist.2. Sensor device according to claim 1, characterized in that between the amplifier (4) and at least one of the first magnetic field transducer (8), a feedback branch (27) is provided.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungszweig (27) mittels der magnetischen Antenne (29) und einer Modulationsspule (30) an den ersten Magnetfeld-Wandler (8) angeschlossen ist.3. Sensor device according to claim 2, characterized in that the feedback branch (27) by means of the magnetic antenna (29) and a modulation coil (30) to the first magnetic field transducer (8) is connected.
4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erfassende Magnetfeldgröße ein Magnetfeldgradient (θB/θx) ist und dass eine Anzahl (N) der in Reihe geschalteten Tunnelelemente (13) eines Tunnelmagnetowiderstands gemäß der BeziehungA sensor device according to claim 1, characterized in that the magnetic field magnitude to be detected is a magnetic field gradient (θB / θx), and that a number (N) of tunneling tunnel elements (13) connected in series is a tunnel magnetoresistance according to the relationship
N > (u2 n,A)°'5/[ (θB/θx)min (E3) { (1/R:) (3R:/aB) } (X1-X2)] vorgesehen ist, wobei mit u2 n,A das Rauschen des Verstärkers (4), mit (θB/θx)min eine vorgebbare Magnetfeldgradientenauflösung, mit E-, eine über jedem der Tunnelelemente (13) abfallende Teilvorspannung, mit (l/R-,) (3R:/θB) ein material- und technologieabhängiger Parameter der Tunnelelemente (13) und mit (X1-X2) ein Abstand zwischen den beiden ersten Magnetfeld-Wandlern (7, 8; 33, 34) bezeichnet sind.N> (u 2 n , A ) ° ' 5 / [(θ B / θ x) min (E 3 ) {(1 / R :) ( 3 R : / a B)} (X 1 -X 2 )] with u 2 n , A is the noise of the amplifier (4), with (θB / θx) min a predeterminable magnetic field gradient resolution, with E-, one over each of the tunnel elements (13) sloping partial bias, with (l / R- ,) (3R : / θB) a material- and technology-dependent parameter of the tunnel elements (13) and (X1-X2) a distance between the two first magnetic field converters (7, 8, 33, 34) are designated.
5 Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erfassende Magnetfeldgröße ein Magnetfeld (B) ist und eine Anzahl (N) der in Reihe geschalteten Tunnelelemente (13) eines Tunnelmagnetowiderstands gemäß der BeziehungA sensor device according to claim 1, characterized in that the magnetic field quantity to be detected is a magnetic field (B) and a number (N) of the series-connected tunnel elements (13) of a tunnel magnetoresistance according to the relationship
N > (u2 n,A)°'5/[Bmin(E:) (1/R:) OR3ZdB)]N> (u 2 n , A ) ° ' 5 / [B min (E :) (1 / R :) OR 3 ZdB)]
vorgesehen ist, wobei mit u2 n,A das Rauschen des Verstärkers (4), mit Bmin eine vorgebbare Magnetfeldauflösung, mit E3 eine über jedem der Tunnelelemente (13) abfallende Teilvorspannung und mit (l/R-,) (θR-|/θB) ein material- und technologieabhängiger Parameter der Tunnelelemente (13) bezeichnet sind.with u 2 n , A the noise of the amplifier (4), with B min a predeterminable magnetic field resolution, with E 3 one over each of the tunnel elements (13) sloping partial bias and with (l / R-,) (θR- | / θB) a material- and technology-dependent parameter of the tunnel elements (13) are designated.
6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erfassende Magnetfeldgröße ein Magnetfeldgradient (θB/θx) oder ein Magnetfeld (B) ist und eine Übergangsquerschnittsfläche (A) jedes der Tunnelelemente (13) eines Tunnelmagnetowiderstands gemäß der BeziehungA sensor device according to claim 1, characterized in that the magnetic field quantity to be detected is a magnetic field gradient (θB / θx) or a magnetic field (B) and a junction cross-sectional area (A) of each tunnel element (13) of a tunnel magnetoresistance according to the relationship
A < [N/u2 n,A] [4kbT(ptB) + 0,5αE2 :/λf]A <[N / u 2 n , A ] [4k b T (pt B ) + 0.5αE 2 : / λf]
vorgesehen ist, wobei mit N eine Anzahl der in Reihe geschalteten Tunnelelemente (13) eines Tunnelmagnetowiderstands, mit u2 n,A das Rauschen des Verstärkers (4), mit kb die Boltzmann-Konstante, mit T eine Umgebungstemperatur, mit p der spezifische ohmsche Widerstand der Tunnelelemente (13), mit tB eine Tunnelbarrierendicke jedes der Tunnelelemente (13) eines Tunnelmag- netowiderstands, mit α eine Konstante, mit E3 eine über jedem der Tunnelelemente (13) abfallende Teilvorspannung, mit λ eine Thermalisierungslänge, innerhalb der Ladungsträger im Mittel nach dem Tunneln durch eines der Tunnelelemente (13) thermalisieren, und mit f eine Frequenz der zu erfassenden Magnetfeldgröße bezeichnet sind.where N is a number of tunneling tunneling elements (13) connected in series, u 2 n , A is the noise of the amplifier (4), k B is the Boltzmann constant, T is an ambient temperature, p is the specific one ohmic resistance of the tunnel elements (13), with t B a tunnel barrier thickness of each of the tunnel elements (13) of a tunneling magnet with a constant, with E 3 a partial bias voltage dropping across each of the tunnel elements (13), thermalising λ within the charge carriers on average after tunneling through one of the tunnel elements (13), and with f a frequency of detecting magnetic field magnitude are designated.
7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Wandler-Einheit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50) mindestens eine Wandlerbrückenschaltung mit zwei parallel geschalteten Brückenzweigen (5, 6) enthält und b) jeder der Brückenzweige (5, 6) aus dem ersten Magnetfeld- Wandler (7, 8; 24; 33, 34; 45, 46; 51, 54) und dem in Reihe geschalteten Zweigelement (9, 10; 35, 36; 52, 53) besteht .7. Sensor device according to claim 1, characterized in that a) the converter unit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50) contains at least one converter bridge circuit with two bridge branches (5, 6) connected in parallel, and b) each the bridge branches (5, 6) from the first magnetic field converter (7, 8, 24, 33, 34, 45, 46, 51, 54) and the branched branch element (9, 10, 35, 36, 52, 53) ) consists .
8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass c) der Verstärker (4) an zwei Abgriffknoten (11, 12) angeschlossen ist, von denen jeweils einer zwischen dem ersten Magnetfeld-Wandler (7, 8; 24; 33, 34; 45, 46; 51, 54) und dem weiteren Zweigelement (9, 10; 35, 36; 52, 53) jedes Brückenzweigs (5, 6) vorgesehen ist, und d) der erste Magnetfeld-Wandler (7, 8; 24; 33, 34; 45, 46; 51, 54) jedes Brückenzweigs (5, 6) jeweils ein Tunnelmagnetowiderstand ist, der sich aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Tunnelelementen (13) zusammensetzt .8. Sensor device according to claim 1, characterized in that c) the amplifier (4) is connected to two tap nodes (11, 12), of which one between the first magnetic field converter (7, 8, 24, 33, 34; 45, 46, 51, 54) and the further branch element (9, 10, 35, 36, 52, 53) of each bridge branch (5, 6), and d) the first magnetic field converter (7, 8, 24; 33, 34, 45, 46, 51, 54) of each bridge branch (5, 6) is in each case a tunnel magnetoresistor composed of a plurality of tunnel elements (13) connected electrically in series.
9. Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einem der Tunnelmagnetowiderstände zugeordneten Tunnelelemente (13) in Form einer Kettenstruktur miteinander verbunden sind.9. Sensor device according to claim 8, characterized in that one of the tunnel magnetoresistors associated tunnel elements (13) are connected together in the form of a chain structure.
10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zweigelement (9, 10) jedes Brückenzweigs (5, 6) als magnetfeldunempfindlicher Widerstand, insbesondere als ohmscher Metallwiderstand, ausgebildet ist.10. Sensor device according to claim 7, characterized in that the further branch element (9, 10) of each bridge branch (5, 6) as magnetfeldunempfindlicher Resistance, in particular as an ohmic metal resistor, is formed.
11. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zweigelement jedes11. Sensor device according to claim 7, characterized in that the further branch element each
Brückenzweigs (5, 6) als zweiter Magnetfeld-Wandler (35, 36; 52, 53), insbesondere in Form eines Tunnelmagnetowiderstands (TMR), ausgebildet ist.Bridge branch (5, 6) as a second magnetic field transducer (35, 36, 52, 53), in particular in the form of a tunnel magnetoresistor (TMR) is formed.
12. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden12. Sensor device according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der ersten Magnetfeld-Wandler (24; 45) oder zumindest eines der weiteren Zweigelemente (35, 36; 52, 53) mit einer magnetischen Abschirmung (25) versehen ist.Claims, characterized in that one of the first magnetic field converter (24; 45) or at least one of the further branch elements (35, 36; 52, 53) is provided with a magnetic shield (25).
13. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden13. Sensor device according to one of the preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mess-Chip aus wenigstens einem XMR-Sensor und einem Hall-Sensor gebildet ist .Claims, characterized in that a measuring chip of at least one XMR sensor and a Hall sensor is formed.
14. Sensoreinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine magnetoresitive Messbrücke zur Erfassung eines Feldes bzw. eines Feldgradienten in der Ebene des Substrats zusammen mit einem auf dem Chip befindlichen Rückkoppelkreis, der die Feldstärke bzw. den Gradienten des Messfeldes durch Rückkoppelung zu kompensiert, vorgesehen ist.14. Sensor device according to claim 13, characterized in that at least one magnetoresistive measuring bridge for detecting a field or a field gradient in the plane of the substrate together with an on-chip feedback circuit, which compensates for the field strength or the gradient of the measuring field by feedback , is provided.
15. Sensoreinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip Mittel zur Unterdrückung des Niederfrequenzrauschens durch Modulation enthält.15. Sensor device according to claim 14, characterized in that the chip contains means for suppressing the low-frequency noise by modulation.
16. Sensoreinrichtung nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Chip zwei XMR-Sensoren, die bezüglich einander um 90° verdreht sind, angeordnet sind. 16. Sensor device according to claim 14 or claim 15, characterized in that on the chip two XMR sensors, which are rotated with respect to each other by 90 °, are arranged.
17. Sensoreinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Sensor Chip entweder die Gradienten oder die Feldstärken zweier orthogonaler Felder in der Substratebene mess- und rückkoppelbar sind.17. Sensor device according to claim 16, characterized in that with the sensor chip either the gradient or the field strengths of two orthogonal fields in the substrate plane can be measured and fed back.
18. Sensoreinrichtung nach einen der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Chip mit den mag- netoresistiven Sensoren einerseits und Hall-Sensoren andererseits ein Magnetfeldvektor vollständig charakterisierbar ist, insbesondere zur Messung eines Magnetfeldes in einem Kernspin-Tomographen. 18. Sensor device according to one of claims 13 to 17, characterized in that a magnetic field vector is completely characterized by the chip with the magneto-resistive sensors on the one hand and Hall sensors on the other hand, in particular for measuring a magnetic field in a magnetic resonance tomograph.
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DE200610007770 DE102006007770A1 (en) 2006-02-20 2006-02-20 Sensor unit for detection of magnetic field intensity, has transducer unit contains transducer bridge connection with two parallely switched bridge arms, and each bridge arm has magnetic field transducer and arm unit switched in sequence

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