Sensorik/Aktorik

7.10 Herzzeitvolumen (Cardiac Output)
• Förderleistung des Herzens: HZV=Schlagvolumen mal Schlagrate [l/min]
• gekühlte Kochsalzlösung wird schlagartig in den rechten Vorhof injeziert
• in der Pulmonalarterie wird die Temperatur gemessen
• die Fläche unter der Temperaturkurve (bezogen auf Körpertemperatur) ist antiproportional zum
HZV (mehr Förderleistung → kürzere Dauer, bis die Kälte vorbeigezogen ist)
• Vorteil: benötigt keine Kalibration
8 Magnetsensoren
• Biomagnetfelder etwa fT, meßbar bis 10 fT
• Supraleiter einige 10 T
• Anwendungen direkt:
– Erdmagnetfeld
– Speichermedien (größter MST-Markt)
– Metalldetektoren
– Biomagnetfelder
• indirekt:
– Stromdetektion
– Erfassung von Position, Verschiebung, Geschwindigkeit, Drehzahl etc.
• Sensoreffekte:
– galvanomagnetisch (Lorentz-Kraft)
– magnetoresistiv
– Fluxgate
– Wiegandeffekt
– Magnetoelastizität (Villari-Effekt, Änderung der Magnetisierung unter Druch oder Zug)
– Torsion (Matteucci-Effekt)
– Optoelektronisch (Faraday-Effekt: Änderung der Polarisationsebene infolge der Lorentz-
Kraft auf gebundene Elektronen)
– Magnetostriktion (bewirkt Änderung des Brechungsindexes)
– SQUID (superconductions quantum interference device, Messung extrem kleiner Felder)
• Materialien: dia- oder paramagnetisch (µ ≈ 1) und ferro- oder ferrimagnetisch (µ ≫ 1)
8.1 Grundlagen
• Lorentzkraft und elektrisches Feld: ⃗ F = q( ⃗ E + ⃗v × ⃗ B)
• im Leiter: ⃗ F = q( ⃗ E + µ ∗ ⃗ E × ⃗ B = bzw. ⃗j = σ( ⃗ E + µ ∗ ⃗ E × B
• Hallstreufaktor µ ∗ = rµ, da Ladungsträger nur im Durchschnitt v besitzen (r = 1, 18 für niederdotiertes
Si
• Halleffekt: sei ⃗ B senkrecht zum Leiter, dann fließt ein zusätzlicher Strom in Querrichtung, bis
das entstehende elektrische Feld die Lorentzkraft kompensiert
– bei sehr kurzen breiten Leitern (entspricht Kurzschluß des Hallfelds) Stromdichtevektoren
um den Hallwinkel θ = arctan(−µ ∗ B) verdreht
– bei sehr langen schmalen Leitern (Stromfluß nur in Leiterrichtung) Verdrehung der Äquipotentiallinien
um θ, es ensteht ein Feld E y = −µ ∗ BE x
– Hall-Koeffizient R n = −r n /qn
– Messung der Hallspannung ermöglicht Aussage über Ladungsträgerbeweglichkeit und -typ
8.2 Magnetowiderstand
physikalisch (sehr kleiner Effekt, in n-Si vernachlässigbar)
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