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DE102006007770A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Publication number
DE102006007770A1
DE102006007770A1 DE200610007770 DE102006007770A DE102006007770A1 DE 102006007770 A1 DE102006007770 A1 DE 102006007770A1 DE 200610007770 DE200610007770 DE 200610007770 DE 102006007770 A DE102006007770 A DE 102006007770A DE 102006007770 A1 DE102006007770 A1 DE 102006007770A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
magnetic field
tunnel
transducer
sensor device
bridge
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200610007770
Other languages
German (de)
Inventor
Gabriel Daalmans
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
Priority to DE200610007770 priority Critical patent/DE102006007770A1/en
Priority to PCT/EP2007/051544 priority patent/WO2007096318A1/en
Publication of DE102006007770A1 publication Critical patent/DE102006007770A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

The unit has a transducer unit (2), a source (3) energizing the transducer unit and an amplifier (4) attached to the transducer unit. The transducer unit contains a transducer bridge connection with two parallely switched bridge arms (5,6). Each bridge arm has a magnetic field transducer (7,8) and an arm unit (9,10) switched in sequence. The amplifier is attached to two pick-up nodes (11,12), one of which is provided between the magnetic field transducer and the arm unit of each bridge arm. The first magnetic field transducer of each bridge arm is a tunnel magneto-resistor, which consists of multiple tunnel elements electrically switched in sequence.

Description

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 The invention relates to a sensor device for detecting a magnetic field size. she comprises at least one transducer unit, a source feeding the converter unit and one connected to the converter unit Amplifier.

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-Interferenz-Detektor)-Sensor ausgebildeten Magnetfeld-Wandler als Hauptkomponente der Wandler-Einheit. Diese SQUID-Sensoren ermöglichen eine Magnetfeldauflösung in der Größenordnung von 10 fT/√Hz bis 10 pT/√Hz, wobei die hohe Empfindlichkeit auch für sehr schwache Magnetfelder aber nur mittels einer aufwändigen Kühlung auf –269°C (flüssiges 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.A Such magnetic field-sensitive sensor device is, 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, known. Such sensor devices are suitable for high-resolution detection also very weak magnetic field distributions. You currently usually have one as a SQUID (Superconducting Quantum Interference Detector) sensor trained magnetic field transducer as the main component of the transducer unit. These SQUID sensors allow a magnetic field resolution in the order of magnitude of 10 fT / √Hz up to 10 pT / √Hz, the high sensitivity even for very weak magnetic fields but only by means of a complex cooling to -269 ° C (liquid helium) or at -196 ° C (liquid nitrogen) is reached. Furthermore can additional Components such as the magnetic flux concentrating antennas and / or reference sensors including electronic units for Compensation of homogeneous interference magnetic fields be provided. This results in a high sensitivity for gradient fields with simultaneous insensitivity to homogeneous fields. Total are These known sensor devices consuming and often relatively large.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Sensoreinrichtung anzugeben, die hoch auflösend ist und sich kostengünstiger als die vergleichbaren bekannten Sensoreinrichtungen herstellen oder betreiben lässt.The The object of the invention is therefore a sensor device specify the high resolution is and cheaper produce as the comparable known sensor devices or operate.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung handelt es sich um eine solche, bei der

  • a) die Wandler-Einheit mindestens eine Wandlerbrückenschaltung mit zwei parallel geschalteten Brückenzweigen enthält,
  • b) jeder der Brückenzweige einen ersten Magnetfeld-Wandler und ein in Reihe geschaltetes weiteres Zweigelement umfasst,
  • c) der Verstärker an zwei Abgriffknoten angeschlossen ist, von denen jeweils einer zwischen dem ersten Magnetfeld-Wandler und dem weiteren Zweigelement jedes Brückenzweigs vorgesehen ist, und
  • d) der erste Magnetfeld-Wandler jedes Brückenzweigs jeweils ein Tunnelmagnetowiderstand ist, der sich aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Tunnelelementen zusammensetzt.
This object is achieved by the features of independent claim 1. The sensor device according to the invention is such, in which
  • a) the converter unit contains at least one converter bridge circuit with two bridge branches connected in parallel,
  • b) each of the bridge branches comprises a first magnetic field converter and a series-connected further branch element,
  • 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
  • d) the first magnetic field transducer of each bridge branch is in each case a tunnel magnetoresistor which is composed of a plurality of tunnel elements connected in series electrically.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass als Magnetfeld-Wandler 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 der 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.The Sensor device according to the invention is characterized by the fact that as a magnetic field transducer a tunnel magnetoresistance (= TMR) is provided with multiple tunnel elements. Depending on the number and in particular surface The tunnel elements can set the field or field gradient resolution become. It was recognized that the resolution increases with increasing number improve the tunnel elements. An optimization of the resolution is therefore also possible in particular without already optimizing each individual tunnel element resolution is designed. In the magnetic field to be detected can it is in particular a magnetic field or a gradient act of a magnetic field.

Außerdem lässt sich anhand der Anzahl der Tunnelelemente das Rauschen der Wandler-Einheit anheben, sodass 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.In addition, can be based on the number of tunnel elements, the noise of the transducer unit raise, so it is preferably at least as large as the noise of the (pre-) amplifier. Then there is the noise of the amplifier a negligible and in particular much smaller impact on the eventuality achievable resolution as with other solutions, where the amplifier noise that of the transducer unit predominates. 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 Variety of tunnel elements can preferably and readily on integrated with a common chip, so that the sensor device according to the invention essentially very compact can be realized. Especially the transducer unit is very space saving. She lets without voluminous Realize 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 The converter bridge circuit included in the converter unit improves this Temperature behavior. The output of the sensor device according to the invention is therefore also very temperature stable. In addition, the bridge circuit contribute to the influence of disturbing in particular homogeneous Magnetic fields superimposed on the magnetic field quantity to be measured, to prevent.

Insgesamt ist mittels der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung eine sehr hohe Feld- bzw. Feldgradientenauflösung vergleichbar der eines SQUID-Sensors zu erzielen, wobei aber kein Teil der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung auf eine tiefe Temperatur zu kühlen ist. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung funktioniert bei Raumtemperatur. Insbesondere sind keine aufwändigen Kühleinrichtungen erforderlich. Dies senkt sowohl die Herstellungs- als auch die Betriebskosten.All in all is by means of the sensor device according to the invention a very high field or field gradient resolution comparable to one To achieve SQUID sensor, but no part of the sensor device according to the invention to cool to a low temperature is. The sensor device according to the invention works at room temperature. In particular, no elaborate cooling devices required. This reduces both the manufacturing and the operating costs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.advantageous Embodiments of the sensor device according to the invention result arising from the features of the dependent claims of claim 1.

Günstig ist eine Variante, bei der die einem der Tunnelmagnetowiderstände zugeordneten Tunnelelemente in Form einer Kettenstruktur miteinander verbunden sind. Diese kettenstruktur artige Anordnung ist besonders Platz sparend und lässt sich insbesondere auch auf einem Chip integriert herstellen.Cheap is a variant in which one of the tunnel magnetoresistors assigned Tunnel elements connected in the form of a chain structure are. This chain-structure-like arrangement is particularly space-saving and lets in particular also integrated on a chip manufacture.

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.Farther it is preferred that the further branch element of each bridge branch as magnetfeldunempfindlicher resistor, in particular as resistive Metal resistance is formed. It results in a half bridge with especially low production costs. A magnetic field insensitive Conventional ohmic resistance is cheaper than a tunnel magnetoresistor. In such a half bridge then come only a total of two differently oriented easy magnetization axes (easy axis), namely one for each one of the two electrodes of a tunnel junction of the first magnetic field transducer.

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 but it is also possible that the further branch element of each bridge branch as a second magnetic field transducer, in particular in the form of a tunnel magnetoresistor. This results in particular a full bridge with a total of four magnetic field converters. Such a full bridge delivers a factor of 2 higher Output signal level at the converter unit and thus also at the Total sensor device.

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.at Another preferred variant is one of the first magnetic field converter or at least one of the further branch elements with a magnetic Shield provided. In addition, a linear magnetic field converter is preferred intended. Such a linearly dependent on the magnetic field size to be detected tunnel magnetoresistance in particular has two mutually perpendicular and to the direction of under magnetic field to be detected 45 ° arranged easy axes of magnetization (easy axis). At the to be detected Magnetic field size can it is a magnetic field, whereas by alternative, For example, without shielding realized variants magnetic field gradients can be detected.

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 is it still possible in that at least one of the first magnetic field converters has a magnetic field Antenna is arranged, which has a local magnetic flux density increased at this first magnetic field transducer. In particular, this is done Flux density increase through the antenna but only at its associated first magnetic field transducer, whereas the river conditions at the other first magnetic field transducer unaffected by this antenna stay. There may be provided a further antenna. The antenna leads to an increase in field sensitivity and / or resolution. This especially applies if the antenna has a sufficiently large thickness to act as a flux concentrator. For space and efficiency reasons is it cheap, the antenna and the associated magnetic field transducer together to integrate 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 Magnetschichten des Tunnelmagnetowiderstands also insbesondere nicht senkrecht zueinander, sondern parallel orientiert sind. Mittels einer Modulation ist es möglich, einen niederfrequenten Rauschanteil der Wandler-Einheit im Ausgangssignal der Sensoreinrichtung zu unterdrücken.Cheap is another variant, in particular for noise suppression a Modulation unit, in particular by means of a modulation coil, magnetically connected to the antenna. Preferably is a non-linear magnetic field transducer is provided in which the light Axes of magnetization (easy axis) in the relevant magnetic layers the tunnel magnetoresistance so in particular not perpendicular to each other, but are oriented in parallel. By means of a modulation it is possible, a low-frequency noise component of the converter unit in the output signal to suppress 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, can also between the amplifier and at least one of the first magnetic field transducers, a feedback branch be provided. 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.Furthermore is it cheap if the feedback branch by means of a magnetic antenna and a coil to the first Magnetic field transducer is connected. The antenna and the coil can then also otherwise, for example, for a modulation to low-frequency Noise reduction, be used. Then the number of components required is reduced. The antenna is for used several purposes.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further Features, advantages and details of the invention will become apparent the following description of embodiments with reference to Drawing. It shows:

1 ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Magnetfeldgradienten mit zwei jeweils mehrere Tunnelelemente umfassenden Magnetfeld-Wandlern, 1 1 is a block diagram of a sensor device for detecting a magnetic field gradient with two magnetic field transducers, each comprising a plurality of tunnel elements,

2 ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeld-Wandlers gemäß 1 mit kettenstrukturartiger Anordnung der Tunnelelemente, 2 an embodiment of a magnetic field converter according to 1 with a chain-like arrangement of the tunnel elements,

3 ein Blockschaltbild einer Wandler-Einheit zur Erfassung eines Magnetfeldgradienten umfassend den Magnetfeld-Wandlern zugeordnete Antennen, 3 a block diagram of a transducer unit for detecting a magnetic field gradient comprising the magnetic field transducers associated with antennas,

4 ein Ersatzschaltbild der magnetischen Flüsse, die bei einem der mit Antenne versehenen Magnetfeld-Wandler gemäß 3 auftreten, 4 an equivalent circuit of the magnetic fluxes, in one of the antenna provided with magnetic field transducer according to 3 occur,

5 ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Magnetfelds umfassend einen magnetisch abgeschirmten Magnetfeld-Wandler, 5 a block diagram of a sensor device for detecting a magnetic field comprising a magnetically shielded magnetic field transducer,

6 ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Magnetfelds umfassend einen magnetisch abgeschirmten Magnetfeld-Wandler und einen Rückkopplungszweig, 6 1 is a block diagram of a magnetic field detection sensor device comprising a magnetically shielded magnetic field transducer and a feedback branch;

7 ein Blockschaltbild einer Wandler-Einheit zur Erfassung eines Magnetfeldgradienten umfassend den Magnetfeld-Wandlern zugeordnete Antennen und einer an die Antennen angeschlossenen Modulationseinheit, 7 a block diagram of a transducer unit for detecting a magnetic field gradient comprising the magnetic field transducers associated antennas and a modulation unit connected to the antennas,

8 Diagramme für Verläufe eines Messsignals der Wandler-Einheit gemäß 7 über dem Magnetfeld und über der Zeit für einen nichtlinearen Magnetfeld-Wandler mit und ohne externem Magnetfeld, und 8th Diagrams for curves of a measurement signal of the converter unit according to 7 over the magnetic field and over time for a non-linear magnetic field transducer with and without external magnetic field, and

9 und 10 Blockschaltbilder von Sensoreinrichtungen zur Erfassung eines Magnetfelds umfassend eine Wandler-Einheit in Halb- bzw. Vollbrückenschaltung und eine Modulationseinheit. 9 and 10 Block diagrams of sensor devices for detecting a magnetic field comprising a converter unit in half or full bridge circuit and a modulation unit.

Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 10 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are in 1 to 10 provided with the same reference numerals.

In 1 ist ein Blockschaltbild einer Sensoreinrichtung 1 zur Erfassung eines Gradienten ∂B/∂x 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 1 is a block diagram of a sensor device 1 for detecting a gradient ∂B / ∂x of a magnetic field B (x). It contains a magnetic-field-sensitive converter unit 2 , one the converter unit 2 with a bias E feeding source 3 and one to the transducer unit 2 connected amplifier 4 , The converter unit 2 is realized as a bridge circuit, the two parallel bridge branches 5 and 6 each with a series connection of a first magnetic field converter 7 respectively. 8th and another branch element 9 respectively. 10 includes. Between the magnetic field converters 7 respectively. 8th on the one hand and the branch elements 9 respectively. 10 on the other hand, each is a tap node 11 respectively. 12 available. The tap nodes 11 and 12 form a center tap to which the amplifier 4 connected.

Die Magnetfeld-Wandler 7 und 8 sind jeweils als Tunnelmagnetowiderstände mit einem magnetfeldabhängigen Widerstandswert R1(B) bzw. R2(B) ausgebildet. Dagegen sind die Zweigelemente 9 und 10 als einfache ohmsche Widerstände, im Ausführungsbeispiel als Metallwiderstände, mit einem magnetfeldunabhängigen Widerstandswert R0 ausgeführt. Die Brückenschaltung ist im Ausführungsbeispiel gemäß 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 R1(B) bzw. R2(B) von dem an ihrem Ort x1 bzw. x2 anstehenden Magnetfeld B(x1) bzw. B(x2) ab. Die Magnetfeld-Wandler 7 und 8 sind in Richtung einer x-Ortskoordinate mit einem Abstand |x1 – x2| zueinander angeordnet.The magnetic field converter 7 and 8th are each designed as tunnel magnetoresistors with a magnetic field-dependent resistance R 1 (B) and R 2 (B). In contrast, the branch elements 9 and 10 designed as a simple ohmic resistors, in the embodiment as metal resistors, with a magnetic field independent resistance R 0 . The bridge circuit is according to the embodiment 1 So executed as a half bridge. In the field-free case, the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converter have 7 and 8th a resistance of R 0 . Otherwise, their resistance value R 1 (B) or R 2 (B) depends on the magnetic field B (x 1 ) or B (x 2 ) present at their location x 1 or x 2 . The magnetic field converter 7 and 8th are in the direction of an x-coordinate with a distance | x 1 - x 2 | arranged to each other.

Die Magnetfeld-Wandler 7 und 8 sind linear, d.h. ihr Ausgangssignal hängt linear vom zu erfassenden Magnetfeld B(x1) 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 M1 und M2 in Richtung der leichten Achsen (easy axis) hervorgerufen. Außerdem sind die Magnetisierungen M1 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 M1 und M2 gegenüber ihrer ursprünglichen Orientierung verdreht.The magnetic field converter 7 and 8th are linear, ie their output signal depends linearly on the magnetic field B (x 1 ) or B (x 2 ) to be detected. The linear behavior becomes the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converter 7 and 8th caused by the field-free case perpendicular to each other oriented magnetizations M 1 and M 2 in the direction of the easy axis (easy axis). In addition, the magnetizations M 1 and M 2 in the field-free case are 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 M 1 and M 2 is rotated relative to its original orientation.

Gemäß dem in 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 in 2 the embodiment shown, the tunnel magnetoresistors set the Magnetic field transducer 7 and 8th from a number N of individual tunnel elements 13 together, which are electrically connected in series. Each tunnel element 13 has a lower and an upper electrode 14 respectively. 15 between which a tunnel crossing 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 respectively. 15 contacts two adjacent tunnel elements 13 , which through the upper electrodes 15 contacted tunnel element pairs each to a tunnel element 13 offset from those through the lower electrodes 14 contacted tunnel element pairs. Neighboring 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/√Hz liegt. Je nach im speziellen Anwendungsfall abgedeckten Frequenzbereich können aber auch höhere Rauschwerte als 5 nV/√Hz 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 / √Hz. Depending on the frequency range covered in the specific application case, however, even higher noise values than 5 nV / √Hz can still be regarded as low noise.

Im Folgenden werden die Funktionsweise der Sensoreinrichtung 1 gemäß 1 sowie besonders günstige Dimensionierungsvorschriften für einzelne Komponenten der Sensoreinrichtung 1 näher beschrieben.The following describes the operation of the sensor device 1 according to 1 and particularly favorable dimensioning for individual components of the sensor device 1 described in more detail.

Die eigentliche Erfassung des zu messenden Magnetfeldgradienten ∂B/∂x 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, sodass insgesamt eine sehr hohe Magnetfeldgradientenauflösung resultiert. Letztere lässt sich insbesondere durch eine geeignete Wahl der Anzahl N der Tunnelelemente 13 einstellen.The actual detection of the magnetic field gradient ∂B / ∂x to be measured takes place by means of the magnetic field converter 7 and 8th wherein the half-bridge circuit is a temperature stabilizer one to the tap node 11 and 12 serves as the original measuring signal pending voltage difference (U 1 - U 2 ) (= output voltage) is used. 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 achieved in particular by a suitable choice of the number N of tunnel elements 13 to adjust.

Die nominell gleichen magnetfeldabhängigen Widerstandswerte R1(B) und R2(B) der Magnetfeld-Wandler 7 und 8 berechnen sich bei anstehendem Magnetfeld B(x1) und B(x2) gemäß: R1(B) = R0 + (∂R1/∂B)B(x1), (1) R2(B) = R0 + (∂R2/∂B)B(x2) (2)mit R0 = NRj, (3) (∂R1/ 2/∂B) = N(∂Rj/∂B) (4)wobei mit Rj 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 U1 – U2 zu: U1 – U2 = [E/2R0][(∂R1/∂B)B(x1) – (∂R2/∂B)B(x2)]≅ ≅[NEj][(1/Rj)(∂Rj/∂B)](x1 – x2)(∂B(x)/∂x) (5)wobei mit E die über der kompletten Halbbrücke abfallende Vorspannung, mit Ej eine über jedem der Tunnelelemente 13 abfallende Teilvorspannung und mit (1/Rj)(∂Rj/∂B) 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 Barrierenhöhe des Tunnelübergangs jedes der Tunnelelemente 13 und von einer Tunnelbarrierendicke tB ab, nicht jedoch von einer Übergangsquerschnittsfläche A jedes der Tunnelelemente 13. Insgesamt ist das Messsignal U1 – U2 gemäß Gleichung (5) also linear abhängig von der Anzahl N der Tunnelelemente 13, nicht aber von den lateralen Abmessungen der Tunnelübergänge.The nominally identical magnetic field-dependent resistance values R 1 (B) and R 2 (B) of the magnetic field converter 7 and 8th calculate with pending magnetic field B (x 1 ) and B (x 2 ) according to: R 1 (B) = R 0 + (∂R 1 / ∂B) B (x 1 ), (1) R 2 (B) = R 0 + (∂R 2 / ∂B) B (x 2 ) (2) With R 0 = NR j , (3) (∂R 1/ 2 / ∂B) = N (∂R j / ∂B) (4) where R j is the resistance of each of the tunneling elements 13 and with j a serial number of the tunnel elements 13 is designated. This results in the voltage difference U 1 -U 2 present at the center tap of the half-bridge as a measuring signal to: U 1 - U 2 = [E / 2R 0 ] [(∂R 1 / ∂B) B (x 1 ) - (∂R 2 / ∂B) B (x 2 )] ≅ ≅ [NE j ] [(1 / R j ) (∂R j / ∂B)] (x 1 - x 2 ) (∂B (x) / ∂x) (5) where E is the bias across the complete half-bridge, E j is one above each of the tunnel elements 13 with decreasing partial bias and with (1 / R j ) (∂R j / ∂B) 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 energy barrier height of the tunnel junction of each of the tunnel elements given in eV 13 and a tunnel barrier thickness t B , but not a transition cross-sectional area A of each of the tunnel elements 13 , Overall, the measurement signal U 1 - U 2 according to equation (5) is therefore linearly dependent on the number N of the tunnel elements 13 but not from the lateral dimensions of the tunnel junctions.

Eine Rauschspannungsdichte u2 n am Mittenabgriff der Halbbrücke kann näherungsweise durch die folgende Gleichung angegeben werden: u2 n ≅ Nu2 j + 0,5 Nu2 j(f), (6)wobei mit u2 j = 4kbTRj (7)das weiße thermische Rauschen eines Übergangs, also eines der Tunnelelemente 13, und mit u2 j(f) ≥ αE2 j/(Vf), (8)das niederfrequente, auf elektrische Einflüsse zurückzuführende 1/f-Rauschen eines Übergangs bezeichnet ist. 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 abhängige Proportionalitätskonstante und V für ein aktives Volumen des Tunnelübergangs jedes der Tunnelelemente 13.A noise voltage density u 2 n at the center tap of the half-bridge can be approximated by the following equation: u 2 n ≅ Nu 2 j + 0.5 nu 2 j (f), (6) being with u 2 j = 4k b TR j (7) the white thermal noise of a junction, ie one of the tunnel elements 13 , and with u 2 j (f) ≥ αE 2 j / (Vf), (8) is the low-frequency, due to electrical influences 1 / f noise of a transition is called. 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 converter 7 and 8th , α for a technology-material dependent proportionality constant 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 Übergangsquerschnittsfläche A, wohingegen das weiße Rauschen u2 j gemäß Gleichung (7) linear proportional zum Widerstand Rj der Tunnelelemente 13 und damit umgekehrt proportional zur Übergangsquerschnittsfläche A ist. Damit kann die Beziehung für die Rauschspannungsdichte u2 n umgeformt werden zu: u2 n = (N/A)[4kbT(ρtB) + 0,5 αE2 j/(λf)], (9)wobei mit ρ 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.The active volume V included in equation (8) is linearly proportional to the transition cross-sectional area A, whereas the white noise u 2 j according to equation (7) is linearly proportional to the resistance R j of the tunneling elements 13 and thus inversely proportional to the transition cross-sectional area A is. Thus, the relationship for the noise voltage density u 2 n can be transformed to: u 2 n = (N / A) [4k b T (ρt B ) + 0.5 αE 2 j / (λf)], (9) where with ρ the specific ohmic resistance of the tunnel elements 13 , t B is the thickness of the tunnel barrier of the tunnel elements 13 and λ is a thermalization length, within the charge carriers on average after tunneling through one of the tunnel elements 13 thermalize, is designated.

Aus den Gleichungen (5) und (9) ergibt sich eine gesamte Magnetfeldgradientenauflösung (∂B/∂x)min zu: (∂B/∂x)min = [1/√(NA)][4kbT(ρtB) + 0,5 αE2 j/(λf)]0,5/[Ej{(1/Rj)(∂Rj/∂B)}(x1 – x2)] = = (1/√N)(∂B/∂x)j,min, (10)mit (∂B/∂x)j,min als einer Magnetfeldgradientenauflösung eines einzigen der Tunnelelemente 13. Gleichung (10) verdeutlicht, dass die Magnetfeldgradientenauflösung (∂B/∂x)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.Equations (5) and (9) result in a total magnetic field gradient resolution (∂B / ∂x) min to: (∂B / ∂x) min = [1 / √ (NA)] [4k b T (ρt B ) + 0.5 αE 2 j / (Λf)] 0.5 / [E j {(1 / R j ) (∂R j / ∂B)} (x 1 - x 2 )] = = (1 / √N) (∂B / ∂x) j, min , (10) with (∂B / ∂x) j, min as a magnetic field gradient resolution of a single one of the tunneling elements 13 , Equation (10) illustrates that the magnetic field gradient resolution (∂B / ∂x) min of the transducer unit 2 total inversely proportional to the square root of the product of the transition cross-sectional area A of one of the tunnel elements 13 and the number N of 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 (∂B/∂x)min der Wandler-Einheit 2 insgesamt gegenüber der Magnetfeldgradientenauflösung (∂B/∂x)j,min 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: u2 n = (N/A)[4kbT(ρtB) + 0,5 αE2 j/(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.In addition, the equation (10) shows that the magnetic field gradient resolution (∂B / ∂x) min of the converter unit 2 total versus the magnetic field gradient resolution (∂B / ∂x) j, min of a single one of the tunnel elements 13 by the factor of the square root of the number N of tunnel elements 13 can be improved. However, this statement applies only if the noise u 2 n of the half-bridge, so the converter unit 2 , greater than an amplifier noise u 2 n, A of the amplifier 4 , Consequently, the condition is: u 2 n = (N / A) [4k b T (ρt B ) + 0.5 αE 2 j / (λf)] ≥ U 2 n / A (11) to fulfill. Equations (10) and (11) are the design rules for the transducer unit 2 , in particular for the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converter 7 and 8th ,

Um zu einer preisgünstigen Lösung zu gelangen, kommt als Verstärker 4 der Low-Cost-Vorverstärker mit einem Verstärkerrauschen von mindestens 5 nV/√Hz zum Einsatz. Bei gegebener bzw. geforderter Magnetfeldgradientenauflösung (∂B/∂x)min der Wandler-Einheit 2 insgesamt und bei bekanntem Material- und Technologieparameter (1/Rj)(∂Rj/∂B) ist es dann möglich, aus den Gleichungen (10) und (11) eine Bedingung für die Anzahl N der Tunnelelemente 13 anzugeben: N ≥ (u2 n,A)0,5/[(∂B/∂x)min(Ej){(1/Rj)(∂Rj/∂B)}(x1 – x2)] (12) To arrive at a reasonably priced solution comes as an amplifier 4 the low-cost preamplifier with an amplifier noise of at least 5 nV / √Hz is used. For a given or required magnetic field gradient resolution (∂B / ∂x) min of the transducer unit 2 in total and with known material and technology parameters (1 / R j ) (∂R j / ∂B), it is then possible to derive from the equations (10) and (11) a condition for the number N of tunnel elements 13 specify: N ≥ (u 2 n / A ) 0.5 / [(∂B / ∂x) min (e j ) {(1 / R j ) (∂R j / ∂B)} (x 1 - x 2 )] (12)

In der folgenden Tabelle 1 sind anhand von Gleichung (12) ermittelte Mindestwerte der Anzahl N für verschiedene Vorgaben der Magnetfeldgradientenauflösung (∂B/∂x)mi n, des Verstärkerrauschens u2 n,A, des Abstands (x1 – x2) der Magnetfeld-Wandler 7 und 8, des Material- und Technologieparameters (1/Rj)(∂Rj/∂B) und der über jedem der Tunnelelemente 13 abfallenden Teilvorspannung Ej aufgelistet:

Figure 00130001
In the following Table 1 are based on equation (12) calculated minimum values of the number N for different specifications of the Magnetfeldgradientenauflösung (∂B / ∂x) mi n, the amplifier noise u 2 n, A, of the distance (x 1 - x 2) magnetic field transducer 7 and 8th , the material and technology parameter (1 / R j ) (∂R j / ∂B) and that over each of the tunnel elements 13 falling partial bias E j listed:
Figure 00130001

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: A ≤ [N/u2 n,A][4kbT(ρtB) + 0,5 αEj 2/λf] (13) The number N thus obtained may be substituted into equations (10) and (11) to give a condition for the transition area A of each of the tunnel elements 13 derive: A ≤ [N / u 2 n / A ] [4k b T (ρt B ) + 0.5 αE j 2 / λf] (13)

Bei Tunnelelementen 13 mit Aluminiumoxid(Al2O3)-Barriere nehmen die Ausdrücke (ρtB) und (α/λ) üblicherweise folgende Werte an: (ρtB) = 10–7 Ωm2 und (α/λ) = 2·1–23 m2 For tunnel elements 13 With alumina (Al 2 O 3 ) barriers, the expressions (ρt B ) and (α / λ) usually take the following values: (ρt B ) = 10 -7 .OMEGA.m 2 and (α / λ) = 2 × 1 -23 m 2

Damit reduziert sich die Gleichung (13) für die Al2O3-Technologie zu: A ≤ [N/u2 n,A] [10–27 + 10–23 Ej 2/f] (13a) This reduces the equation (13) for the Al 2 O 3 technology to: A ≤ [N / u 2 n / A ] [10 -27 + 10 -23 e j 2 / f] (13a)

Daraus lässt sich ableiten, bis zu welcher Grenzfrequenz fc das niederfrequente 1/f-Rauschen überwiegt. Dann ist der zweite Summand im letzten Klammerausdruck von Gleichung (13a) größer als der erste Summand. Wie aus der nachfolgenden Tabelle 2 ersichtlich ist, hängt dieser Frequenzbereich mit dominantem 1/f-Rauschen sehr stark von der Teilvorspannung Ej ab:

Figure 00140001
From this it can be deduced up to which limit 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 voltage E j :
Figure 00140001

Aus Gleichung (13a) und in Übereinstimmung mit den Vorgaben von Tabelle 1 lassen sich (Mindest-)Werte für die Übergangsquerschnittsfläche A von Tunnelelementen 13, die in Al2O3-Technologie realisiert sind, ermitteln. In der nachfolgenden Tabelle 3 sind beispielhaft und unter Voraussetzung einer für die Wandler-Einheit 2 geforderten Auflösung von 1 pT/cm√Hz und des Einsatzes des vorstehend spezifizierten Low-Cost-Vorverstärkers so ermittelte Werte für die Übergangsquerschnittsfläche A aufgelistet:

Figure 00140002
From Equation (13a) and in accordance with the specifications of Table 1, (minimum) values for the transitional cross-sectional area A of tunnel elements can be obtained 13 , which are realized in Al 2 O 3 technology, determine. In the following Table 3 are exemplary and assuming one for the converter unit 2 Required resolution of 1 pT / cm√Hz and the use of the above-specified low-cost preamplifier thus obtained values for the transition cross-sectional area A listed:
Figure 00140002

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 one of the magnetic field converters 7 and 8th is on the order of 10 5 μm 2 . The tunnel elements 13 are integrated in particular on a chip. Consequently, the magnetic field converters have 7 and 8th and thus also the converter unit 2 as well as the sensor device 1 Overall, a very compact design with a small footprint. Au In addition, the sensor device can be used 1 produce with relatively little manufacturing effort.

In 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. Ihr 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 magnetischen Material und dienen einer Erhöhung der lokalen magnetischen Flussdichte am Ort der jeweils zugehörigen Magnetfeld-Wandler 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. 8 angeordnet, sodass ein kleiner Luftspalt 20 bzw. 21 verbleibt.In 3 is another embodiment of a transducer unit 17 shown in block diagram representation. The converter unit 17 is like the converter unit 2 a gradiometer. It detects a magnetic field gradient. Their structure is essentially the same as that of the converter unit 2 , The main difference is in additionally provided magnetic antennas 18 and 19 of which one each one of the two magnetic field converters 7 respectively. 8th assigned. The antennas 18 and 19 consist of a soft magnetic material and serve to increase the local magnetic flux density at the location of the respectively associated magnetic field transducer 7 respectively. 8th , On the other hand, the antennas call 18 and 19 no influence on the flux density at the respectively not associated magnetic field transducer 8th respectively. 7 out. Ultimately, the two antennas lead 18 and 19 to improve sensitivity and resolution. The antennas 18 and 19 are laterally next to each magnetic field transducer 7 respectively. 8th arranged so that a small air gap 20 respectively. 21 remains.

Im Folgenden wird auch unter Bezugnahme auf 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.The following is also with reference to 4 the influence of the antennas 18 and 19 by means of a flow analysis of the unit of antenna 18 respectively. 19 , Air gap 20 respectively. 21 and soft magnetic electrodes 14 and 15 the tunnel elements 13 examined.

Diese Analyse basiert auf der Definition magnetischer Flussleiter bzw. von Magnetflusswiderständen, die in dem Ersatzschaltbild gemäß 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 RT überführt. Diese Impedanzen RA, RG und RT sind in Reihe geschaltet. Parallel zur dieser Reihenschaltung ist eine weiter Impedanz RP ange ordnet, 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 magnetic flux resistances, which in the equivalent circuit according to 4 are reproduced. The antenna 18 respectively. 19 is transformed into an impedance R A , the air gap 20 respectively. 21 in an impedance R G and the soft magnetic electrodes 14 and 15 the tunnel junctions converted into an impedance R T. These impedances R A , R G and R T are connected in series. Parallel to this series circuit, a further impedance R P is arranged, which describes the interacting volume, in which the flux density through the antenna 18 respectively. 19 being affected. The main task of the antenna 18 respectively. 19 is to increase this interacting volume.

Der sich im Luftspalt 20 bzw. 21 ausbildende magnetische Fluss Φ1 lässt sich durch den gesamten magnetischen Fluss Φ im wechselwirkenden Volumen in Verbindung mit den genannten magnetischen Impedanzen ausdrücken: Φ1 = Φ/[1 + (RA + RG + RT)/RP] (14)mit Φ = AAB0 ≅ (wALA)B0 (15a) Φ1 = (hwA)BG (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 eine Flussdichte des Ausgangsmessfeldes bezeichnet ist. Diese Größen sind in die Darstellung gemäß 3 mit eingetragen. Die verschiedenen magnetischen Impedanzen berechnen sich gemäß: RP = 1/(μ0wA) (16a) RA = LA/(μ0μAwAtA) (16b) RG = h/(μ0wAtA) (16c) RT = wT/(μ0μTwAtT) (16d)wobei mit μ0 die magnetische Permeabilität des Vakuums, mit μA eine effektive, relative Permeabilität der Antennen 18 bzw. 19, mit μT eine effektive, relative Permeabilität der weich magnetischen Elektroden 14 und 15 der Tunnelelemente 13, mit wT eine Elektrodenbreite, mit tA eine Antennenschichtdicke und mit tT eine Elektrodenschichtdicke bezeichnet ist. Setzt man die Gleichungen (15) und (16) in Gleichung (14) ein, ergibt sich für den Antennengewinn folgende Beziehung: BG/B0 = (LA/h)/[1 + {1 + LA/(μAtA) + wT/(μTtT)}] (17) Located in the air gap 20 respectively. 21 forming magnetic flux Φ 1 can be expressed by the total magnetic flux Φ in the interacting volume in conjunction with the mentioned magnetic impedances: Φ 1 = Φ / [1 + (R A + R G + R T ) / R P ] (14) With Φ = A A B 0 ≅ (w A L A ) B 0 (15a) Φ 1 = (hw A ) B G (15b) where A A is 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 respectively. 21 and B 0 denotes a flux density of the output measurement field. These sizes are in the illustration according to 3 with registered. The different magnetic impedances are calculated according to: R P = 1 / (μ 0 w A ) (16a) R A = L A / (Μ 0 μ A w A t A ) (16b) R G = h / (μ 0 w A t A ) (16c) R T = w T / (Μ 0 μ T w A t T ) (16d) where with μ 0 the magnetic permeability of the vacuum, with μ A an effective, relative permeability of the antennas 18 respectively. 19 , with μ T an effective, relative permeability of the soft magnetic electrodes 14 and 15 the tunnel elements 13 , w T is an electrode width, t A is an antenna layer thickness and t T is an electrode layer thickness. Substituting equations (15) and (16) into equation (14) yields the following relationship for antenna gain: B G / B 0 = (L A / h) / [1 + {1 + L A / (Μ A t A ) + w T / (Μ T t 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: LA/(μAtA) << 1 (18a) WT/(μTtT) << 1 (18b)erfüllt sind. Dies ist insbesondere für große 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:

Figure 00170001
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: L A / (Μ A t A ) << 1 (18a) W T / (Μ T t T ) << 1 (18b) are fulfilled. This is the case in particular for high permeability values and large layer thicknesses. Example numerical values are listed in Table 4 below, yielding a gain of approximately 10 when taking equation (17) into consideration:
Figure 00170001

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/cm√Hz 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.So-sized magnetic field transducer 17 make it possible to improve the magnetic field gradient resolution at frequencies f, which are above the limit frequency f c in Table 2, to about 100 fT / cm√Hz. Thus, in the frequency range of the white noise, a resolution comparable to that of the SQUID sensors can be achieved. Unlike the SQUID sensors can be found in the magnetic field converter 17 but all components are at room temperature. Cooling to low temperatures is not required.

In 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 ∂B/∂x, sondern das Magnetfeld B erfasst. Auch die Sensoreinrichtung 22 umfasst eine Wandler-Einheit 23, die als Halbbrücke ausgebildet ist.In 5 is another embodiment of a sensor device 22 as shown in block diagram. In contrast to the previous embodiments, by means of the sensor device 22 not the magnetic field gradient ∂B / ∂x, but the magnetic field B detected. Also the sensor device 22 includes 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 in Reihe geschalteter Tunnelelemente 13 realisiert. Das lineare Verhalten der Magnetfeld-Wandler 24 und 8 wird analog wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch den Einsatz von Magnetschichten mit senkrecht zueinander verlaufenden leichten Magnetisierungsachsen.Next to the bridge branch 6 unchanged magnetic field transducer 8th is in the other bridge branch 5 a shielded magnetic field transducer 24 provided, apart from a magnetic shield 25 just like the magnetic field converter 7 and 8th is constructed. In particular, it is also a tunnel magnetoresistor with a plurality of tunnel elements connected in series 13 realized. The linear behavior of the magnetic field converter 24 and 8th is analogous as in the embodiment according to 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.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.

Zur Herleitung der am Mittenabgriff der Halbbrücke der Sensoreinrichtung 22 gemäß 5 als Messsignal anstehende Spannungsdifferenz U1 – U2 wird zunächst ein weiteres Ausführungsbeispiel einer nicht figürlich gezeigten Sensoreinrichtung betrachtet.For the derivation of the center tap of the half-bridge of the sensor device 22 according to 5 As a measurement signal pending voltage difference U 1 - U 2 , another embodiment of a not shown figuratively sensor device is considered first.

Diese nicht gezeigte Sensoreinrichtung unterscheidet sich von der der Sensoreinrichtung 22 gemäß 5 nur dadurch, dass der Magnetfeld-Wandler im linken Brückenzweig 5 magnetisch nicht abgeschirmt ist und dass im rechten Brückenzweig 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 Zusammenhänge.This sensor device, not shown, differs from that of the sensor device 22 according to 5 only in that the magnetic field converter in the left bridge branch 5 magnetically unshielded and that in the right bridge branch 6 the (also unshielded) magnetic field transducer 8th and the branch element designed as an ohmic resistance 10 are reversed in the 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 Brückenzweig 5 bzw. 6 anstehenden Spannungen U1 bzw. U2 ergeben sich zu: U1 = ER1/(R0 + R1) (19) U2 = ER0/(R0 + R2) (20)und damit die am Mittenabgriff abgreifbare Spannungsdifferenz U1 – U2 zu: U1 – U2 = E[R1/(R0 + R1) – R0/(R0 + R2)] (21) The at the tap node 11 and 12 in the left or right bridge branch 5 respectively. 6 Pending voltages U 1 and U 2 result in: U 1 = ER 1 / (R 0 + R 1 ) (19) U 2 = ER 0 / (R 0 + R 2 ) (20) and thus the voltage difference U 1 -U 2 which can be tapped off at the center tap: U 1 - U 2 = E [R 1 / (R 0 + R 1 ) - R 0 / (R 0 + R 2 )] (21)

Idealerweise gilt gemäß Gleichungen (1) und (2): R1 = R2 = R0 + (∂R/∂B)B(x), (22)wobei die Änderung des Magnetfelds B zwischen den Einbauorten x1 und x2 der beiden magnetfeldempfindlichen Komponenten aufgrund des kompakten Aufbaus vernachlässigbar ist. Mit Gleichung (22) vereinfacht sich Gleichung (21) zu: U1 – U2 = E(∂R/∂B)B(x)/[2R0 + (∂R/∂B)B(x)] (23)und unter Annahme eines kleinen Magnetfelds B zu: U1 – U2 = E(∂R/∂B)B(x)/2R0 (24) Ideally, according to equations (1) and (2): R 1 = R 2 = R 0 + (∂R / ∂B) B (x), (22) wherein the change of the magnetic field B between the mounting locations x 1 and x 2 of the two magnetic field sensitive components is negligible due to the compact construction. Equation (22) simplifies equation (21) to: U 1 - U 2 = E (∂R / ∂B) B (x) / [2R 0 + (∂R / ∂B) B (x)] (23) and assuming a small magnetic field B to: U 1 - U 2 = E (∂R / ∂B) 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 5, so errechnet sich die am Mittenabgriff der Halbbrücke der Sensoreinrich tung 22 gemäß 5 als Messsignal anstehende Spannungsdifferenz U1 – U2 zu U1 – U2 = (E/4R0)(∂R/∂B)]B(x2) (25) Considering that the sensor device, not shown, due to the double number of unshielded, magnetic-field-sensitive components also provides twice the output signal as the sensor device 22 according to 5 , so calculated at the center tap of the half bridge of Sensoreinrich device 22 according to 5 as a measuring signal pending voltage difference U 1 - U 2 to U 1 - U 2 = (E / 4R 0 ) (∂R / ∂B)] 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 for the location x 2 of the right magnetic field converter is detected 8th pending magnetic field B (x 2 ).

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 converter unit 23 is designed extremely sensitive, such homogeneous interference 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 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.To prevent this and to stabilize the working point is in the in 6 shown embodiment of a sensor device 26 an additional feedback branch 27 intended. A converter unit 28 the sensor device 26 is different from the transducer unit 23 the sensor device 22 only by a magnetic field converter 8th additionally provided magnetic antenna 29 that is from a modulation coil 30 is surrounded. The feedback branch 27 leads from the output of the amplifier 4 for example via an optional inverting isolation amplifier 31 to the modulation coil 30 , Possibly. can the feedback branch 27 also contain other or further components such as a summing element and / or a modulation unit.

Analog zur Gleichung (12), die für die den Magnetfeldgradienten ∂B/∂x 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: N ≥ (u2 n,A)0,5/[Bmin(Ej)(1/Rj)(∂Rj/∂B)], (26) wobei mit Bmin eine gewünschte und damit also vorgebbare Magnetfeldauflösung bezeichnet ist. Dagegen gilt die weitere Dimensionierungsvorschrift für die Übergangsquerschnittsfläche A jedes der Tunnelelemente 13 gemäß Gleichung (13) gleichermaßen für Magnetfeldgradienten ∂B/∂x erfassende und für Magnetfeld B erfassende Sensoreinrichtungen.Analogous to the equation (12), which for the magnetic field gradient ∂B / ∂x detecting sensor device 1 applies, can also be for the magnetic field B sensing sensor devices 22 and 28 a sizing rule for the number N of tunnel elements 13 the magnetic field transducer 25 and 8th specify. It is: N ≥ (u 2 n / A ) 0.5 / [B min (e j ) (1 / Rj) (∂R j / ∂B)], (26) wherein with B min a desired and thus therefore specifiable magnetic field resolution is designated. In contrast, the further dimensioning rule applies to the transition cross-sectional area A of each of the tunnel elements 13 according to equation (13) equally for magnetic field gradient ∂B / ∂x detecting and magnetic field B detecting sensor devices.

In 7 ist ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Wandler-Einheit 32 zur Erfassung eines Magnetfeldgradienten ∂B/∂x 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 R1, R2, R3 bzw. R4 ausgeführt sind. Auch die Tunnelmagnetowiderstände der Magnetfeld-Wandler 33 bis 36 haben den in 2 gezeigten kettenstrukturartigen Aufbau mit mehreren Tunnelelementen 13.In 7 is a block diagram of another embodiment of a converter unit 32 for detecting a magnetic field gradient ∂B / ∂x. It is designed as a full bridge. So there are a total of four magnetic field converter 33 . 34 . 35 and 36 provided, which are each designed as tunnel magnetoresistors with a resistance value R 1 , R 2 , R 3 and R 4 . Also the tunnel magnetoresistors of the magnetic field converter 33 to 36 have the in 2 shown chain structure structure with several 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 every bridge branch 5 and 6 a shielded and a field-sensitive sensor is provided. Magnetically shielded are therefore the magnetic field transducer 35 and 36 whereas the measured quantities are sensitive and for the purpose of gradient detection at the same height (ie, perpendicular to the x-direction) arranged magnetic field transducers 33 and 34 one magnetic antenna each 37 respectively. 38 assigned. Each of the antennas 37 and 38 is with a modulation coil designed in planar technology 39 respectively. 40 wound, which is electrically connected to a modulation unit 41 connected.

Die Modulationseinheit 41 ermöglicht im Bereich der messgrößenempfindlichen Magnetfeld-Wandler 33 und 34 die gezielte zusätzliche Erzeugung eines magnetischen Modulationsflusses Φmod und eines Modulationsmagnetfelds Bmod 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 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 ∂B/∂x in der Amplitude des Messsignals ΔU = U1 – U2 enthalten. Sie lässt sich mittels nicht näher gezeigter phasensensitiver Demodulation extrahieren.The modulation unit 41 allows in the field of measuring variable-sensitive magnetic field converter 33 and 34 the targeted additional generation of a magnetic modulation flux Φ mod and a modulation magnetic field B mod with a modulation frequency f mod . The then present at the center tap measurement signal .DELTA.U = U 1 - U 2 has an amplitude modulation with the modulation frequency f mod on. This amplitude modulation is from the right diagram according to 8th show, in the courses of the resulting measurement signal .DELTA.U = U 1 - U 2 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 ∂B / ∂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 7 ist eine aus dem linken Diagramm von 8 ersichtliche nichtlineare Abhängigkeit der am Mittenabgriff anstehenden Spannungen U1 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 embodiment according to 7 is one from the left diagram of 8th apparent non-linear dependence of the pending at the center tap voltages U 1 and U 2 provided by the magnetic field B. The non-linear behavior of at least the measuring variable-sensitive magnetic field transducer 33 and 34 is achieved by magnetizations M 3 and M 4 in the direction of the easy axis (easy axis) in the relevant magnetic layers are not perpendicular to each other, but oriented in 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 BMod = |BMod|expj(2πfModt) 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 fMod.The local total magnetic field is composed of the modulation magnetic field B Mod = | B Mod | expj (2πf Mod t) and the magnetic field B (x) to be measured, 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 Mod .

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 R1 und R2 gemäß: R1 = R0 + ΔR1expJ(4πfModt) (27) R2 = R0 + ΔR2expj(4πfModt) (28) The modulation magnetic field B Mod is at the two magnetic field transducers 33 and 34 same size. Without the low-frequency magnetic field B (x) to be measured, it generates a change in the respectively associated resistance values R 1 and R 2 according to: R 1 = R 0 + ΔR 1 expJ (4πf Mod t) (27) R 2 = R 0 + ΔR 2 expj (4πf Mod t) (28)

Ein zusätzlich vorhandenes niederfrequentes zu messendes Magnetfeld B(x) moduliert die Widerstandsänderungen ΔR1 und ΔR2 gemäß R1 – R0 = ΔRModexpj(4πfModt) + (∂R1/∂B)B(x1)expj(2πfModt) (29) R2 – R0 = ΔRModexpj(4πfModt) + (∂R2/∂B)B(x2)expj(2πfModt) (30)wobei mit ΔRMod eine Amplitude der durch die Modulation hervorgerufenen Änderung der nominell gleichen Widerstandswerte R1 und R2 der Magnetfeld-Wandler 33 und 34 bezeichnet ist. Bei nominell gleichen Widerstandswerten R1 und R2 und ohne Gradientenfeld gilt: ΔR1 = ΔR2 = ΔRMod (31) An additional low-frequency magnetic field B (x) to be measured modulates the resistance changes ΔR 1 and ΔR 2 according to FIG R 1 - R 0 = ΔR Mod expj (4πf Mod t) + (∂R 1 / ∂B) B (x 1 ) Expj (2.pi.f Mod t) (29) R 2 - R 0 = ΔR Mod expj (4πf Mod t) + (∂R 2 / ∂B) B (x 2 ) Expj (2.pi.f Mod t) (30) where ΔR Mod is an amplitude of the modulation-induced change in the nominally equal resistance values R 1 and R 2 of the magnetic field converters 33 and 34 is designated. With nominally identical resistance values R 1 and R 2 and without gradient field, the following applies: .DELTA.R 1 = ΔR 2 = ΔR Mod (31)

Das Messsignal ΔU = U1 – U2 der Wandler-Einheit 32 ist dann: U1 – U2 = (E/2R0)(R1 – R2) = = (E/2R0) < ∂R/∂B > {B(x1) – B(x2)}expj(2πfModt) (32)wobei < ∂R/∂B > für den über die Magnetfeld-Wandler 33 und 34 Bemittelten Mittelwert der Größen ∂R1/∂B und ∂R2/∂B steht. Aus Gleichung (32) ist zu entnehmen, dass die Ausgangsspannung ΔU = U1 – U2 nur dann von Null abweicht, wenn ein Feldgradient des zu messenden Magnetfelds B(x) vorliegt.The measurement signal ΔU = U 1 - U 2 of the converter unit 32 is then: U 1 - U 2 = (E / 2R 0 ) (R 1 - R 2 ) = = (E / 2R 0 ) <∂R / ∂B> {B (x 1 ) - B (x 2 )} Expj (2.pi.f Mod t) (32) where <∂R / ∂B> for via the magnetic field transducer 33 and 34 Average mean value of the quantities ∂R 1 / ∂B and ∂R 2 / ∂B. It can be seen from equation (32) that the output voltage ΔU = U 1 -U 2 deviates from zero only when there is a field gradient of the magnetic field B (x) to be measured.

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 vorgesehnen phasenempfindlichen Detektion um fMod wird dieser Anteil mit der doppelten Modulationsfrequenz fMod automatisch weggefiltert.By manufacturing tolerances in the magnetic field converters 33 to 36 may be the bridge circuit of the converter unit 32 not perfectly symmetrical fail, so in the output voltage and a share with the double modulation frequency f Mod can occur. Due to the phase-sensitive detection for f Mod , which is already provided for demodulation anyway, this component is automatically filtered out at twice the modulation frequency f Mod .

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 can be a low-frequency, to the 1 / f noise of the magnetic field converter 33 to 36 to be returned attributable noise component.

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) der 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 1 verbessertes Verhalten hinsichtlich Empfindlichkeit und Auflösung auf.The 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 between a maximum and a minimum, eg a vanishing, sensitivity modulated. 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 magnetic field converters 33 and 34 to make noticable. The detection of the magnetic field B to be measured is consequently not affected by these low-frequency fluctuations. The converter unit 32 Thus, at least in the frequency range below the cut-off frequency f c has a relation to the transducer unit 2 according to 1 improved sensitivity and resolution behavior.

Die vorteilhafte Magnetfeldmodulation zur Unterdrückung niederfrequenter Rauschanteile lässt sich nicht nur bei der Erfassung des Magnetfeldgradienten ∂B/∂x, sondern auch bei der Erfassung des Magnetfelds B einsetzen. Dementsprechende Ausführungsbeispiele Magnetfeld erfassender Sensoreinrichtungen 42 und 43 sind als Blockschaltbilder in 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 ∂B / ∂x, but also in the detection of the magnetic field B. Corresponding embodiments of magnetic field sensing sensor devices 42 and 43 are as block diagrams in 9 respectively. 10 shown.

Die Sensoreinrichtung 42 gemäß 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 9 has realized as a half bridge converter unit 44 with the branch elements designed as simple ohmic resistors 9 and 10 and with a shielded and a Meßgrößenempfindliche magnetic field transducer 45 respectively. 46 , The latter are nonlinear tunnel magnetoresistors each with a plurality of tunnel elements connected in series 13 , At the size-sensitive magnetic field transducer 46 is a magnetic flux concentrator acting as a magnetic flux 47 provided by a to a modulation unit 48 electrically connected modulation coil 49 is surrounded.

Die Sensoreinrichtung 43 gemäß 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 10 has a converter unit 50 in the form of a full bridge with four non-linear magnetic field transducers 51 . 52 . 53 and 54 again as tunneling magnetoresistors, each with a plurality of tunnel elements connected in series 13 are constructed.

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 every bridge branch 5 and 6 a shielded and a field-sensitive sensor is provided. Magnetically shielded are therefore the magnetic field transducer 52 and 53 , whereas the magnetic field transducers which are sensitive to the measurement variable and arranged at different heights perpendicular to the x-direction for the purpose of field detection 51 and 54 one magnetic antenna each 55 respectively. 56 assigned. Each of the antennas 55 and 56 is with a modulation coil 57 respectively. 58 wound. modulation coils 57 and 58 are electrically connected in series and to a modulation unit 59 connected. The on both magnetic field converters 51 and 54 induced magnetic field modulations 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.In the sensor device 43 results in comparison to the sensor device 42 a twice as large signal amplitude of the measurement signal U 1 - U 2 . 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 Chip 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 höhere Auflösung von besser als 1 pT/√Hz oder 1 pT/cm√Hz erzielen.All of the sensor devices described above 1 . 22 . 26 . 42 and 43 as well as converter units 17 and 32 offer a high magnetic field or magnetic field gradient resolution for small volumes. The respective converter units 2 . 17 . 23 . 28 . 32 . 44 and 50 can be integrated in particular on a chip. With an achievable resolution of a few pT / cm, the chip has edge dimensions of a few mm by 10 mm. This is very small for such a high resolution. Including antennas, an even higher resolution of better than 1 pT / √Hz or 1 pT / cm√Hz can be achieved in the frequency range between about 1 kHz (= typical value for the cutoff frequency f c ) and the ferromagnetic resonance frequency.

Claims (12)

Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Magnetfeldgröße (B, ∂B/∂x) 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 a) die Wandler-Einheit (2; 17; 23; 28; 32; 44; 50) mindestens eine Wandlerbrückenschaltung mit zwei parallel geschalteten Brückenzweigen (5, 6) enthält, b) jeder der Brückenzweige (5, 6) einen ersten Magnetfeld-Wandler (7, 8; 24; 33, 34; 45, 46; 51, 54) und ein in Reihe geschaltetes weiteres Zweigelement (9, 10; 35, 36; 52, 53) umfasst, 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.Sensor device for detecting a magnetic field quantity (B, ∂B / ∂x) comprising at least one transducer unit ( 2 ; 17 ; 23 ; 28 ; 32 ; 44 ; 50 ), a converter unit ( 2 ; 17 ; 23 ; 28 ; 32 ; 44 ; 50 ) feeding source ( 3 ) and one to the converter unit ( 2 ; 17 ; 23 ; 28 ; 32 ; 44 ; 50 ) connected amplifier ( 4 ), in which a) the transducer unit ( 2 ; 17 ; 23 ; 28 ; 32 ; 44 ; 50 ) at least one converter bridge circuit with two bridge branches connected in parallel ( 5 . 6 ), b) each of the bridge branches ( 5 . 6 ) a first magnetic field transducer ( 7 . 8th ; 24 ; 33 . 34 ; 45 . 46 ; 51 . 54 ) and a further branch element connected in series ( 9 . 10 ; 35 . 36 ; 52 . 53 ), c) the amplifier ( 4 ) to two tap nodes ( 11 . 12 ) is connected, one of which between the first magnetic field transducer ( 7 . 8th ; 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 . 8th ; 24 ; 33 . 34 ; 45 . 46 ; 51 . 54 ) of each bridge branch ( 5 . 6 ) is in each case a tunnel magnetoresistance, which consists of several tunnel elements connected in series ( 13 ). Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, dass die einem der Tunnelmagnetowiderstände zugeordneten Tunnelelemente (13) in Form einer Kettenstruktur miteinander verbunden sind.Sensor device according to claim 1, characterized in that characterized in that one of the tunnel magnetoresistors associated tunnel elements ( 13 ) are connected together in the form of a chain structure. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zweigelement (9, 10) jedes Brückenzweigs (5, 6) als magnetfeldunempfindlicher Widerstand, insbesondere als ohmscher Metallwiderstand, ausgebildet ist.Sensor device according to claim 1, characterized in that the further branch element ( 9 . 10 ) of each bridge branch ( 5 . 6 ) is formed as a magnetic field insensitive resistor, in particular as an ohmic metal resistor. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zweigelement jedes Brückenzweigs (5, 6) als zweiter Magnetfeld-Wandler (35, 36; 52, 53), insbesondere in Form eines Tunnelmagnetowiderstands, ausgebildet ist.Sensor device according to claim 1, characterized in that the further branch element of each bridge branch ( 5 . 6 ) as a second magnetic field transducer ( 35 . 36 ; 52 . 53 ), in particular in the form of a tunnel magnetoresistor. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, 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.Sensor device according to claim 1, 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 ) with a magnetic shield ( 25 ) is provided. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, 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; 46; 51, 54) erhöht.Sensor device according to claim 1, characterized in that on at least one of the first magnetic field converter ( 8th ; 33 . 34 ; 46 ; 51 . 54 ) a magnetic antenna ( 29 ; 37 . 38 ; 47 ; 55 . 56 ) having a local magnetic flux density at this first magnetic field transducer ( 8th ; 33 . 34 ; 46 ; 51 . 54 ) elevated. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationseinheit (41; 48; 59), insbesondere mittels einer Modulationsspule (39, 40; 49; 57, 58), magnetisch an die Antenne (37, 38; 47; 55, 56) angeschlossen ist.Sensor device according to claim 6, characterized in that a modulation unit ( 41 ; 48 ; 59 ), in particular by means of a modulation coil ( 39 . 40 ; 49 ; 57 . 58 ), magnetic to the antenna ( 37 . 38 ; 47 ; 55 . 56 ) connected. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verstärker (4) und mindestens einem der ersten Magnetfeld-Wandler (8) ein Rückkopplungszweig (27) vorgesehen ist.Sensor device according to claim 1, characterized in that between the amplifier ( 4 ) and at least one of the first magnetic field transducers ( 8th ) a feedback branch ( 27 ) is provided. Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungszweig (27) mittels einer magnetischen Antenne (29) und einer Modulationsspule (30) an den ersten Magnetfeld-Wandler (8) angeschlossen ist.Sensor device according to claim 8, characterized in that the feedback branch ( 27 ) by means of a magnetic antenna ( 29 ) and a modulation coil ( 30 ) to the first magnetic field transducer ( 8th ) connected. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erfassende Magnetfeldgröße ein Magnetfeldgradient (∂B/∂x) ist und eine Anzahl (N) der in Reihe geschalteten Tunnelelemente (13) eines Tunnelmagnetowiderstands gemäß N ≥ (u2 n,A)0,5/[(∂B/∂x)min(Ej){(1/Rj)(∂Rj/∂B)}(x1 – x2)] vorgesehen ist, wobei mit u2 n,A das Rauschen des Verstärkers (4), mit (∂B/∂x)min eine vorgebbare Magnetfeldgradientenauflösung, mit Ej eine über jedem der Tunnelelemente (13) abfallende Teilvorspannung, mit (1/Rj)(∂Rj/∂B) 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 ist.Sensor device according to claim 1, characterized in that the magnetic field quantity to be detected is a magnetic field gradient (∂B / ∂x) and a number (N) of the tunnel elements connected in series ( 13 ) of a tunnel magnetoresistance according to N ≥ (u 2 n / A ) 0.5 / [(∂B / ∂x) min (e j ) {(1 / R j ) (∂R j / ∂B)} (x 1 - x 2 )] with u 2 n, A is the noise of the amplifier ( 4 ), with (∂B / ∂x) min a predefinable magnetic field gradient resolution, with E j one above each of the tunnel elements ( 13 (1 / R j ) (∂R j / ∂B) a material- and technology-dependent parameter of the tunnel elements ( 13 ) and (x 1 -x 2 ) a distance between the two first magnetic field transducers ( 7 . 8th ; 33 . 34 ). 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 N ≥ (u2 n,A)0,5/[Bmin(Ej)(1/Rj)(∂Rj/∂B)]vorgesehen. ist, wobei mit u2 n,A das Rauschen des Verstärkers (4), mit Bmin eine vorgebbare Magnetfeldauflösung, mit Ej eine über jedem der Tunnelelemente (13) abfallende Teilvorspannung und mit (1/Rj)(∂Rj/∂B) ein material- und technologieabhängiger Parameter der Tunnelelemente (13) bezeichnet ist.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 tunnel elements connected in series ( 13 ) of a tunnel magnetoresistance according to N ≥ (u 2 n / A ) 0.5 / [B min (e j ) (1 / R j ) (∂R j / ∂B)] intended. where u 2 n, A is the noise of the amplifier ( 4 ), with B min a predetermined magnetic field resolution with E j one above each of the tunnel elements ( 13 ), and with (1 / R j ) (∂R j / ∂B) a material- and technology-dependent parameter of the tunnel elements ( 13 ). Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu erfassende Magnetfeldgröße ein Magnetfeldgradient (∂B/∂x) oder ein Magnetfeld (B) ist und eine Übergangsquerschnittsfläche (A) jedes der Tunnelelemente (13) eines Tunnelmagnetowiderstands gemäß A ≤ [N/u2 n,A][4kbT(ρtB) + 0,5 αEj/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 ρ der spezifische ohmsche Widerstand der Tunnelelemente (13), mit tB eine Tunnelbarrierendicke jedes der Tunnelelemente (13) eines Tunnelmagnetowiderstands, mit α eine Konstante, mit Ej 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 ist.Sensor device according to claim 1, characterized in that the magnetic field quantity to be detected is a magnetic field gradient (∂B / ∂x) or a magnetic field (B) and a transition cross-sectional area (A) of each of the tunnel elements ( 13 ) of a tunnel magnetoresistance according to A ≤ [N / u 2 n / A ] [4k b T (ρt B ) + 0.5 αE j / Λf] where N is a number of tunnel elements connected in series ( 13 ) of a tunnel magnetoresistor, with u 2 n, A the noise of the amplifier ( 4 with k b the Boltzmann constant, with T an ambient temperature, with ρ the specific ohmic resistance of the tunnel elements ( 13 ), with t B a tunnel barrier thickness of each of the tunnel elements ( 13 ) of a tunneling magnetoresistance, with α a constant, with E j one above each of the tunneling elements ( 13 ) partial thermal prestress, with λ a thermalization length, within the charge carriers on average after tunneling through one of the tunnel elements ( 13 ) and f denotes a frequency of the magnetic field quantity to be detected.
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