1 Überblick über die Sensorik

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246 5.2 Magnetosensitive Sensoren 5.2.2 Permalloy-Sensoren 247
Wegen des Minimums der Sensorkurve in Bild 5.2.1-4a ist die Empfindlichkeit bei niedrigen
magnetischen Induktionsflußdichten gering, eine Vergrößerung kann durch Verschiebung
des Arbeitspunktes über eine Vormagnetisierung erfolgen (Bild 5.2.1-6).
Wie in Bild 5.2.1-6b zu erkennen, kann bei vormagnetisierten Feldplatten auch die Richtung
der magnetischen Induktionsflußdichte erfaßt werden. In diesem Fall können zwei
verschiedene Feldplatten, die auf ein äußeres Magnetfeld mit unterschiedlichem Vorzeichen
der Widerstandsänderung reagieren, in einer Brückenschaltung zusammengefaßt
werden (Differentialfeldplatte). Damit kann die Wirkung der bei beiden Feldplatten
in derselben Richtung verlaufenden Temperaturabhängigkeit reduziert werden
(Bild 5.2.1-7).
Bild 5.2.1-6
Bild 5.2.1-7
Zur Vergrößerung der Empfindlichkeit (∆R/∆Β) gegenüber kleinen Änderungen
der magnetischen Induktionsflußdichte wird der Arbeitspunkt aus dem Bereich mit
der Steigung Null bei B = 0 (a) in einen Bereich mit größerer Steigung verschoben
(b): Dieses läßt sich erreichen durch eine Vormagnetisierung mit Hilfe eines kleinen Permanentmagneten
(c), der fest mit der Feldplatte verbunden ist (nach [5.5]).
a) Brückenschaltung einer Differentialfeldplatte
b) Magnetfeldabhängigkeit der Sensorempfindlichkeit für die beiden Dotierungen
in Bild 5.2.1-4 und zwei Temperaturen in Abhängigkeit von der magnetischen
Induktionsflußdichte. Um bei der Messung kleiner Feldstärken eine maximale
Empfindlichkeit zu erhalten, ist eine Vormagnetisierung von ca. 0,2 T durch einen
Permanentmagneten notwendig (nach [5.10]).
5.2.2 Permalloy-Sensoren
Wie im Anhang C2 erläutert, besteht die Wirkung des Hallfeldes darin, daß die ursprünglich
aufgrund der Lorentzkraft abgelenkten Ladungsträger wieder in die durch
die Geometrie des Widerstandes vorgeschriebenen Bahnen zurückgedrängt werden
(veranschaulicht in Bild 5.1.1-2). Hierdurch werden in der Regel die ursprünglich (und
weiterhin in den Randbereichen an den Kontakten, s. Anhang C3) geometrisch verlängerten
Strombahnen wieder verkürzt: Die Wirkung des Hallfeldes besteht also darin,
daß der magnetoresistive Effekt verkleinert wird.
Bei Werkstoffen mit kleinen Hallkoeffizienten und -winkeln, wie z.B.den Metallen, liefert
auch die Elimination des (verallgemeinerten) Hallfeldes keine wesentliche Vergrößerung
des geometrisch bedingten magnetfeldabhängigen Widerstands, da in den Gleichungen
(5.1.2-1) nur sehr kleine transversale Feldstärken E H auftreten. Erst bei Wirkung
extrem großer magnetischer Feldstärken, z.B. in der Größenordnung 1T=1 Tesla =
10 000 Gauß, lassen sich nach einem anderen Mechanismus – über den magnetischen
Widerstandseffekt – gut meßbare Widerstandsänderungen im Prozentbereich erreichen.
Induktionsflußdichten dieser Größenordnung können durch voluminöse elektrisch erregte
oder supraleitende Magnete erzeugt werden, bei ferromagnetischen Werkstoffen
treten sie aber in Form einer Sättigungspolarisation (s.u.) "von selbst" auf (Band 1, Abschnitt
7): Bei einigen Elementen des Periodensystems ist das Energiespektrum der
Elektronen so beschaffen, daß Elektronen in bestimmten Unterschalen zur Minimierung
ihrer freien Energie eine parallele Spinausrichtung annehmen (Band 1, Abschnitt 7.1.4).
In diesem Fall können sich die magnetischen Momente der Elektronen zu einem Gesamtmoment
erheblicher Größe aufaddieren. Bezogen auf das Werkstoffvolumen wird
das magnetische Moment als Sättigungsmagnetisierung M s (Einheit wie die der
magnetischen Feldstärke, A/m) bezeichnet. Dieser entspricht eine Sättigungspolarisation
J s der Größe