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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtasten eines Radiofrequenzfelds
(RF-Felds).
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Bekannte
Verfahren zum Abtasten eines RF-Felds setzen gewöhnlich die Benutzung von Resonanzkreisen
in Kombination mit einem LC-Kreis, einem Verstärker und einer Spannungsmessung
voraus. Ein Beispiel einer derartigen Art einer bekannten Abtastvorrichtung
unter Benutzung einer Spannungsmessung ist in der US-Patentschrift Nr. 6,373,253
gegeben.
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Weitere
bekannte Vorrichtungen zum Abtasten eines RF-Feldes sind mit Hall-Effektmeßwandlern
verbunden, welche zerbrechlich sind und eine begrenzte Empfindlichkeit
aufweisen.
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Bei
einer weiteren bekannten Technik wird ein Magnetfluß in einen
Strom umgewandelt, der wiederum selbst ein Magnetfeld übermittelt,
das von einem sehr empfindlichen Sensor der SQUID-Art erfaßt wird
(d.h. mit einem supraleitenden Quanteninterferenz-Detektor verbunden
ist). Die Vorrichtungen, die auf hochempfindlichen SQUIDs basieren,
sind sehr kompliziert und können
nicht im herkömmlichen industriellen
Umfeld oder in tragbaren Vorrichtungen benutzt werden.
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In
DE-A-19650078 ist eine Vorrichtung zum Messen eines Stroms, der
in einem Leiter fließt,
gezeigt. Der Strom induziert einen Magnetfluß in einem Kern, welcher diesen
Leiter umgibt. Der Kern weist einen Abschnitt zum Konzentrieren
des Magnetflusses auf, um von einem magnetwiderstandsbeständigen Sensor
gemessen zu werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung beabsichtigt, die oben erwähnten Nachteile zu beheben.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache und wirksame Vorrichtung
zum Abtasten eines RF-Felds in unterschiedlichen Umgebungen einschließlich industrieller
Umgebungen bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine robuste und verläßliche Abtastvorrichtung
bereitzustellen, die eine hohe Empfindlichkeit aufweist und dabei
leicht herzustellen und im Wesentlichen nicht von externen Störungen betroffen
ist.
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Diese
Ziele werden dank einer Vorrichtung zum Abtasten eines RF-Felds
erreicht, wobei sie eine Flußempfangsschleife,
einschließlich
einer Umlaufbahn mit einer definierten Bahnbreite umfaßt, wobei die
Flußempfangsschleife
einen Abschnitt aufweist, der den durch die Flußempfangsschleife fließenden Magnetfluß in ein
Hochmagnetfeld transformiert, wobei der Abschnitt eine Verengung
der Flußempfangsschleife
umfaßt,
welche die Stromlinien in der Umlaufbahn konzentriert, um einen
Strom-Feld-Transformator zu definieren, und wenigstens einen Magnetfeldwandler
mit sehr geringem Rauschen, welcher in einem sehr nahen Abstand
zu der Verengung angeordnet ist.
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Vorzugsweise
umfaßt
der Magnetfeldwandler mit sehr geringem Rauschen einen Riesenmagnetwiderstand
(GMR).
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Als
Alternative dazu kann der Magnetfeldwandler mit sehr geringem Rauschen
einen Tunnelmagnetwiderstand (TMR) oder einen Kolossalmagnetwiderstand
(CMR) umfassen.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann auf Radiofrequenzsignale im Bereich von 10 kHz bis 30 GHz angewandt
werden.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann dann genauer auf Radiofrequenz-Identifikation (RF-ID) angewandt werden.
Bei einer derartigen Anwendung können
die Betriebsfrequenzen zum Beispiel 125 kHz, 13,56 MHz und 2,45
GHz sein, es können
jedoch auch andere Frequenzen von bis zu 30 GHz benutzt werden.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann ferner auf nukleare Quadrupolresonanz (NQR), insbesondere zur
Detektion von Sprengstoffen, angewandt werden, wobei die Betriebsfrequenzen
vorzugsweise zwischen 50 kHz und 10 MHz liegen.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann als sehr empfindlicher Empfänger
für drahtlose RF-Übertragungen
benutzt werden.
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Weitere
Anwendungen des Sensors gemäß der vorliegenden
Erfindung können
unter anderem das Messen des Felds, das durch Radioantennen induziert
wurde, einschließen.
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Bei
einer bestimmten Ausführungsform
der Erfindung ist die Verengung lang genug, um eine Mehrzahl von
angrenzenden Magnetfeldwandlern mit sehr geringem Rauschen zu behausen.
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In
diesem Fall ist bei einer spezifischeren Ausführungsform jeder einzelne Magnetfeldwandler mit
sehr geringem Rauschen an einen getrennten Leseverstärker angeschlossen
und die Ausgänge
der getrennten Leseverstärker
sind an einen einzelnen Additionsverstärker angeschlossen.
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Als
Alternative dazu können
die Signale, die von der Mehrzahl an Magnetfeldwandlern mit sehr geringem
Rauschen bereitgestellt werden, korreliert werden.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird die Flußempfangsschleife
durch Lithographie im Dünnfilm
hergestellt und der wenigstens eine Magnetfeldwandler mit sehr geringem
Rauschen umfaßt wenigstens
einen magnetwiderstandsbeständigen Sensor
im Dünnfilm,
welcher auf die Verengung aufgesetzt ist, wobei eine Isolierschicht
mit geringer Dicke zwischen den wenigstens einen magnetwiderstandsbeständigen Sensor
und die Verengung gelegt ist.
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In
diesem Fall kann die Flußempfangsschleife
eine größere Abmessung
(D) zwischen einem Millimeter und einigen Zentimeter haben.
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Vorzugsweise
hat die Verengung eine Breite (W) zwischen einigen zehn Nanometern
und einigen Mikrometern.
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Die
Isolierschicht hat eine Dicke unter 100 Nanometern.
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Vorzugsweise
hat die Verengung eine Länge,
die zwischen einigen Mikrometern und einigen zehn Mikrometern liegt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Verengung der Flußempfangsschleife länger und
gewunden in einer Spule, deren Selbstinduktion in derselben Größenordnung
wie die Selbstinduktion der Flußempfangsschleife
(idealerweise gleichwertig) liegt und der Kern dieser Spule ein
magnetwiderstandsbeständiger
Stab ist, der den Magnetfeldwandler mit sehr geringem Rauschen bildet.
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Ein
Kondensator kann der Flußempfangsschleife
zugeordnet werden, um einen selektiven Resonanzempfänger zu
bilden.
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Bei
einer derartigen Ausführungsform
liegt der Durchmesser (D) der Flußempfangsschleife zwischen
mehreren Mikrometern und mehreren Dezimetern, je nach der Anwendung,
die in Erwägung
gezogen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der nachfolgenden Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen
deutlicher, welche beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen gegeben sind, wobei:
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1 eine
schematische Ansicht einer RF-Abtastvorrichtung bei einer Ausführungsform
der Erfindung ist, welche durch Lithographie in dünnem Film
integriert ist,
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie II-II von 1 ist,
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3 eine
schematische Ansicht einer RF-Abtastvorrichtung bei einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung ist und eine zweite Spule umfaßt,
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4 eine
schematische Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform einer RF-Abtastvorrichtung
gemäß der Erfindung
ist, die eine Mehrzahl von magnetwiderstandsbeständigen Elementen umfaßt, wobei
die Probenspule als Gradientenmesser konzipiert wurde, und
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5 ein
Diagramm ist, das die Charakteristiken eines GMR zeigt, der mit
einer RF-Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung
benutzt werden kann.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im
Grunde wird gemäß der Erfindung
bei einem Resonanzkreis der RLC-Art oder einem LR-Kreis der durch
das induzierte RF-Feld erzeugte Strom unter Benutzung von magnetwiderstandsbeständigen Elementen
gemessen, die sehr nahe bei dem Fluß-Feld-Transformator angeordnet sind.
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Unter
Vorrichtungen, die eine Flußempfangsschleife
einschließen,
welche dem Messen des Flusses durch Konversion in einem Strom gewidmet ist,
stellt die vorliegende Vorrichtung somit einen Abschnitt bereit,
der den Magnetfluß,
der durch die Flußempfangsschleife
fließt,
in ein Hochmagnetfeld transformiert.
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1, 3 und 4 betreffen
unterschiedliche Ausführungsformen
einer Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Eine
Flußempfangsschleife 1 (1), 101 (3)
oder 201 (4) schließt eine Umlaufbahn mit einer
definierten Bahnbreite d ein. Die Umlaufbahn kann im Wesentlichen
quadratförmig
(1), kreisförmig
(3) oder achtförmig
(4) sein. Es können
weitere bekannte Konfigurationen für eine Flußempfangsschleife in Betracht
gezogen werden. Der Klarheit halber sind die den Umlaufbahnen der Flußempfangsschleifen 1, 101, 201 zugeordneten Spulen
nicht in den Zeichnungen gezeigt.
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Jede
Flußempfangsschleife 1, 101, 201 umfaßt jeweils
einen Abschnitt 10, 110, 210, der eine Verengung
der Flußempfangsschleife 1, 101 bzw. 201 definiert.
Der verengte Abschnitt 10, 110, 210 konzentriert
die Stromlinien in der Umlaufbahn, um einen Strom-Feld-Transformator
zu definieren.
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Das
so hergestellte Feld in dem verengten Abschnitt 10, 110, 210 wird
mit sehr engem Abstand zu wenigstens einem Magnetfeldwandler 12; 112; 202a, 202b, 202c mit
sehr geringem Rauschen der magnetwiderstandsbeständigen Art gemessen.
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Es
wird ein Riesenmagnetwiderstand (GMR = giant magneto resistor) benutzt,
jedoch können auch
andere noch empfindlichere magnetwiderstandsbeständige Elemente wie etwa Tunnelmagnetwiderstände oder
Kolossalmagnetwiderstände
benutzt werden, da dasselbe physikalische Phänomen daran beteiligt ist.
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1 und 2 betreffen
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche eine Integration durch Lithographie
in Dünnfilm
impliziert, die eine Optimierung des Designs ermöglicht.
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Die
gesamte Flußempfangsschleife 1 kann durch
Lithographie in Dünnfilm
hergestellt werden, einschließlich
des verengten Abschnitts sowie des wenigstens einen Magnetfeldwandlers
mit Geräusch, umfassend
wenigstens einen magnetwiderstandsbeständigen Sensor 12 in
Dünnfilm,
der auf die Verengung 11 aufgesetzt ist, eine Isolierschicht 14 mit
geringer Dicke, die zwischen den magnetwiderstandsbeständigen Sensor 12 und
die Verengung 11 gelegt ist, wobei das Magnetfeld durch
Bezugsziffer 13 (2) gekennzeichnet
ist.
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Als
Alternative dazu kann auch ein gemischtes Konzept verwirklicht werden.
In diesem Fall werden der verengte Abschnitt 10 und der
Sensor 12 lithographisch nachgebildet, wie in 1 und 2 gezeigt,
wohingegen der verengte Abschnitt 10 mit einer Flußempfangsschleife 1 von
größerer Größe verbunden
ist, welche mittels anderer herkömmlicher Techniken
hergestellt wird. Auf diese Weise gibt es keine eigentliche Begrenzung
der Größe der Flußempfangsschleife 1,
die eine ziemlich breite Durchschnittsabmessung D (1)
aufweisen kann.
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In
der Ausführungsform
von 1, in der wenigstens der verengte Abschnitt 10 und
der magnetwiderstandsbeständige
Sensor 12 lithographisch nachgebildet sind, sollten die
Impedanz der Flußempfangsschleife 1 und
der verengte Abschnitt 10, welcher eine Feld erzeugende
Schleife ausmacht, abgestimmt werden.
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Die
Kurzkupplung des magnetwiderstandsbeständigen Sensors 12 verbessert
die Empfindlichkeit.
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Wenn
die gesamte Flußempfangsschleife 1 lithographisch
nachgebildet ist, kann die Abmessung D der Schleife 1 zwischen
ungefähr
0,1 Millimetern und einigen Zentimetern liegen.
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Der
Feldsensor 12 ist auf der Verengung 11 der Schleife 1 angeordnet.
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Die
Breite W der Verengung 11 kann zwischen ein paar hundert
Nanometern und mehreren Mikrometern liegen. Die Länge der
Verengung 11 kann zwischen einigen Mikrometern und einigen zehn
Mikrometern liegen.
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Die
Verengung 11 ist über
oder unter dem magnetwiderstandsbeständigen Sensor 12 angeordnet
und durch eine elektrisch isolierende Schicht 14 mit einer
Dicke von weniger als 100 nm getrennt. Der von der Schleife 1 empfangene
Fluß induziert
einen Ausgleichstrom mit einem maximalen Wert in der Verengung 11,
wobei deren Feldlinien 13 durch den magnetwiderstandsbeständigen Sensor 12 erfaßt werden.
Die Erfassung wird durch das Messen der Veränderung des Widerstands des
Sensors 12 erreicht. Diese Messung wird durch eine Stromeinspeisung
zwischen Terminals 15 und 16 und eine Spannungsmessung
zwischen Terminals 17 und 18 erreicht (siehe die
obere Ansicht in 1).
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Bei
hohen Frequenzen unter Benutzung eines Resonanzkreises gemäß der Erfindung
mit einem Wandler wie etwa einem GMR 12 ist gleichwertig
mit einer Messung mit einem idealen Vorverstärker.
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Bei
sehr hohen Frequenzen, von mehr als 100 MHz, ist es möglich, die
Spinwellenresonanzen der Sensoren zu benutzen, um das Signal-Rausch-Verhältnis des
Sensors zu erhöhen.
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Die
Vorrichtung kann mit der Benutzung mehrerer angrenzender Wandler 202a, 202b, 202c (4)
verbessert werden, um das Geräusch
teilweise zu unterdrücken.
Beispielsweise ermöglicht
die Zuordnung von N-Wandlern eine Erhöhung der Empfindlichkeit um
einen Faktor √N.
In diesem Fall sollte die Verengung 211 lang genug sein,
um die Anordnung einiger magnetwiderstandsbeständiger Elemente sehr nahe bei
ihr zu ermöglichen.
Wenn die Länge
der Verengung zu lange wird (zu hoher Widerstand), können die
Wandler auf beiden Seiten der Verengung aufgestellt werden (z.B. über und
unter der Verengung).
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In
der Ausführungsform
in 4, kann die Durchschnittsberechnung der erfaßten Signale
entweder durch Anschließen
jedes Elements 202a, 202b, 202c an einen
getrennten Leseverstärker 203a, 203b, 203c und
Addieren aller Signale, die von den Verstärkern 203a, 203b, 203c ausgegeben
wurden, in einem Additionsverstärker 204,
entweder durch Korrelation.
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In
der Ausführungsform
aus 4 weist die Flußempfangsschleife 201 die
Form einer Acht auf und umfaßt
zwei Schleifen mit einem gemeinsamen Zweig 214, der den
Abschnitt 210 mit der Verengung 211 umfaßt. Der
gemeinsame Zweig 214 kann V-förmige
Abschnitte 215, 216 aufweisen, die mit der Verengung 211 benachbart
sind. Das Design ist Gradiometer-Anwendungen gewidmet und kann zum
Beispiel zur Minensuche benutzt werden, wobei für eine Antipersonenmine eine
Gesamtabmessung von ungefähr
20 cm vorliegt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist, umfaßt die Flußempfangsschleife 101 eine
Umlaufbahn mit einer vordefinierten Breite d und weist eine Durchschnittsabmessung
oder einen Durchschnittsdurchmesser D auf, der verschiedene Größen aufweisen
kann, von einem Mikrometer zu Dezimetern, je nach geplanter Anwendung.
Die Flußempfangsschleife 101 umfaßt eine
Spule (nicht gezeigt), mit einer oder mehreren Windungen, je nach
Betriebsfrequenz. Der induzierte Strom in der Schleife 101 verläuft durch
eine Spule 111, die auf der Ebene eines verengten Abschnitts 110 der Schleife 101 angeordnet
ist. Die Anzahl an Windungen der Spule 111 ist eine Funktion
der Impedanz, die auf die Hauptschleife 101 abgestimmt
ist. Die Spule 111 ist um einen magnetwiderstandsbeständigen Stab 112 gewunden.
Die Spule 111 kann aus einem Draht mit einem kleineren
Durchmesser als die Hauptspule gefertigt sein, um eine höhere Anzahl
an Windungen zu ermöglichen.
Ein Kondensator 114 ist nach den Resonanzbedingungen des
Kreises der Flußempfangsschleife 101 zugeordnet.
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Die
Veränderungen
des Widerstands des Sensors 112 können auf dieselbe Weise gemessen werden
wie im Fall der Ausführungsform
von 1, wobei ein Strom durch zwei Terminals eingespeist und
eine Spannungsmessung über
zwei andere Terminals vorgenommen wird. Jene Terminals, die den Terminals 15, 16 und 17, 18 aus 1 ähnlich sind, sind
nicht in 3 gezeigt.
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Die
Optimierung der Vorrichtung muß nach der
Frequenz und der Fläche
der Erfassung vorgenommen werden. Zunächst muß die Fläche der Erfassung definiert
werden. Die Anzahl an Windungen der Spule der Flußempfangsschleife
kann gleich einer ganzen Zahl oder größer sein, jedoch ist sie durch
die charakteristische Frequenz dieser Schleife begrenzt. Es müssen auch
die entsprechenden vorliegenden Kondensatoren 114 berücksichtigt
werden. Der Widerstand muß so
niedrig wie möglich
sein.
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Die
Verengung muß hinsichtlich
der lithographischen Techniken, die implementiert werden, minimiert
werden. Jedoch gilt, je enger die Verengung desto größer die
Verstärkung.
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Im
Falle eines Resonanzkreises muß der
zusätzliche
Widerstand der Verengung berücksichtigt werden.
Die Benutzung einer 10 Mikrometer langen und 1 Mikrometer breiten
Verengung oder gewundenen Spule fügt dem Kreis 1 Ohm Widerstand
hinzu. Der Resonanzfaktor Q des Kreises ist durch Q = Lω/R gegeben
und kann herabgesetzt werden, wenn L (gleich der Summe der Induktanz
der Probenspule und der Selbstinduktanz der Verengung) ziemlich klein
ist. R ist der Gesamtwiderstand des Kreises und ω die Pulsation (2π mal die
Arbeitsfrequenz). Bei hohen Frequenzen bedeutet dies keine Begrenzung des
Designs.
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Für eine integrierte
oder manuelle Spule wie 111 muß die maximale Anzahl an Windungen
um den GMR 112 definiert werden, um den Füllfaktor
(der am nächsten
ist) zu maximieren und die Anzahl an Windungen anzupassen, damit
sie auf die große
Schleifenimpedanz eingestellt ist. Empirisch kann gesagt werden,
daß das
Verhältnis
der Anzahl an Windungen umgekehrt proportional zu dem Radius ist.
Dann muß der
Widerstand der Verengung oder der Spule berechnet werden, wobei
bekannt ist, daß dieser
Widerstand den Q-Faktor des Ganzen bestimmen wird und minimal sein
muß.
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Der
Widerstand wird proportional zur Anzahl an Windungen der kleinen
Spule wie 111 sein.
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Zusammen
können
diese Verengungen leichter mit einer größeren Betriebsfrequenz erreicht werden.
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Als
praktisches Beispiel ist eine Probenspule aus 3 Windungen mit jeweils
einem Durchmesser von 15 cm gefertigt, wobei die gewundene Spule
einen Durchmesser von 0,1 × 1
mm mit 50 Windungen um einen GMR-Sensor zur Personenminensuche aufweist.
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Ein
weiteres Herstellungsverfahren kann darin bestehen, dem magnetwiderstandsbeständigen Element
mittels Lithographie (ein- oder mehrschichtig) eine oder mehrere
Windungen hinzuzufügen. Dieses
Verfahren ist für
sehr kleine Vorrichtungen, typischerweise von Mikrometer-Größe, geeignet.
Die niedrigere Begrenzung der Größe ist durch
die Erhöhung
des Leitwiderstands gegeben. Trotzdem wird, nach den Standardtechniken
und besonders der Schwierigkeit, mittels Lithographie mehrere Schleifenebenen
zu verwirklichen, die Anzahl an Windungen, die auf diese Weise erhalten
werden, im Vergleich zum manuellen Windungsvorgang begrenzt sein,
jedoch werden die Abstände
gut bewältigt.
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5 zeigt
ein Beispiel von Charakteristiken eines bestimmten GMR, der in einer
Vorrichtung gemäß der Erfindung
benutzt werden kann. Die in 5 dargestellte
Kurve gibt somit den Widerstand eines GMR in Ohm als Funktion des
Felds in Gauß an.