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