DE69012455T2 - Verfahren und Gerät zum Feststellen eines magnetischen Feldes mit einer Magnetwiderstandseigenschaft eines supraleitenden Materials. - Google Patents

Verfahren und Gerät zum Feststellen eines magnetischen Feldes mit einer Magnetwiderstandseigenschaft eines supraleitenden Materials.

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DE69012455T2 DE1990612455 DE69012455T DE69012455T2 DE 69012455 T2 DE69012455 T2 DE 69012455T2 DE 1990612455 DE1990612455 DE 1990612455 DE 69012455 T DE69012455 T DE 69012455T DE 69012455 T2 DE69012455 T2 DE 69012455T2
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    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
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    • G01R33/0352Superconductive magneto-resistances

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Magnetfelds unter Verwendung des Magnetowiderstandseffekts eines supraleitenden Materials.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Herkömmlicherweise wird zum Erfassen oder Messen eines Magnetfelds in großem Umfang ein magnetischer Sensor verwendet, der den Hall-Effekt oder den Magnetowiderstandseffekt in einem Halbleiter verwendet, oder ein magnetischer Sensor, der den Magnetowiderstandseffekt in einem magnetischen Material verwendet. Diese Sensoren verfügen über begrenzte Auflösung beim Messen eines Magnetfelds von ungefähr 10&supmin;&sup7; T (10&supmin;³ Gauss). Herkömmlicherweise wurde zum Messen eines schwachen Magnetfelds ein SQUID (Superconductive Quantum Interference Device) verwendet. Jedoch erfordern SQUIDs einen Josephson-Übergang, der eine dünne Isolierschicht zwischen zwei dünnen Supraleitern verwendet, wodurch eine hochentwickelte Herstelltechnologie erforderlich ist, und es ist nicht einfach, SQUID-Bauelemente herzustellen. Darüber hinaus ist es zum Messen eines Magnetfelds erforderlich, das SQUID zu kühlen, um Störsignale auszuschließen, und die Ausgangssignale des SQUIDs müssen verarbeitet werden. Daher ist es nicht einfach, ein SQUID beim Messen eines Magnetfelds zu handhaben.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, daß der Supraleitungszustand eines Keramiksupraleiter-Elements beim Anlegen eines kleinen Magnetfelds aufgrund einer Korngrenzeneigenschaft zusammenbricht und daß das Element einen Widerstand einnimmt, der abhängig vom Zuwachs des angelegten Magnetfelds steil ansteigt. Sie schlagen einen neuen Magnetfeldsensor unter Verwendung des Magnetowiderstandseffekts vor. Siehe z. B. Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27, No. 5, Mai 1988, S. 746 - 750, H. Nojima et al: Galvanomagnetic Effect of an Y-Ba-Cu-O Ceramic Superconductor and Its Application to Magnetic Sensors. Es wird erwartet, daß ein magnetischer Sensor unter Verwendung des oben genannten Keramiksupraleiters einen supraleitenden, magnetischen Sensor mit hoher Empfindlichkeit und einfacher Funktion und Handhabbarkeit ergibt, zusätzlich zu einfacher Herstellbarkeit, teilweise, da der Sensor einen großen Zuwachsfaktor des spezifischen Widerstands beim Anlegen eines solchen Magnetfelds aufweist, bei dem der Supraleitungszustand zusammenbricht, und da die Struktur der Vorrichtung einfach ist und die Einstellung der Empfindlichkeit der Vorrichtung einfach durch Anlegen eines Stroms vorgenommen werden kann, teilweise, weil das Meßausgangssignal einfach erhalten werden kann.
  • Jedoch ist das Verhalten des vorstehend angegebenen supraleitenden Magnetowiderstandselements hinsichtlich des Widerstands und des angelegten Magnetfelds nichtlinear; daher ist es schwierig, die Absolutstärke eines angelegten Magnetfelds auf Grundlage des Widerstandswerts des Elements zu berechnen.
  • Daneben wurden verschiedene Arten von Magnetfeldsensoren unter Verwendung von Halbleitern mit hoher Elektronenbeweglichkeit, wie InSb und InAs, und unter Verwendung ferromagnetischer Metalle wie Fe-Ni, Co-Ni verwendet.
  • Bei einem herkömmlichen Magnetfeldsensor unter Verwendung des vorstehenden Materials ist es jedoch schwierig, ein schwaches Magnetfeld genau zu messen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum genauen Messen der Stärke eines angelegten Magnetfelds mit einem einfachen magnetischen Sensor zu schaffen.
  • Um den vorstehend angegebenen Zweck zu erzielen, ist gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Magnetfelds unter Verwendung eines Magnetowiderstandselements mit dem Magnetowiderstandseffekt eines Supraleiters dadurch gekennzeichnet, daß an das Magnetowiderstandselement ein Vormagnetisierungsfeld unter Verwendung einer Spule angelegt wird, die mit einer Rückkopplungsspannungsguelle verbunden ist, um ihm Strom zum Beibehalten des Ausgangssignals des Elements auf einem konstanten Wert zuzuführen, wobei das angelegte Magnetfeld durch den der Spule zugeführten Strom gemessen wird. Die Stärke des Vormagnetisierfelds kann so eingestellt werden, daß bewirkt wird, daß der Widerstandswert des Magnetowiderstandselement mit einem eingestellten Widerstandswert zusammenfällt, bei dem die Empfindlichkeit des Elements hoch ist. Da die Stärke des Magnetfelds, die dafür sorgt, daß das Magnetowiderstandselement den vorgegebenen Widerstandswert einnimmt, vorab bekannt ist, ist es möglich, das Vormagnetisierungsfeld genau einzustellen, wobei die Eigenschaft des Magnetowiderstandselements im hochempfindlichen Zustand verwendet wird, und die Stärke des Magnetfelds kann durch die Stärke des Stroms durch die Spule wiedergegeben werden, wodurch das äußere Magnetfeld auf Grundlage der Differenz zwischen den vorstehend genannten beiden Magnetfeldern berechnet werden kann.
  • Fig. 4 zeigt die typische Charakteristik eines supraleitenden Magnetowiderstandselements. In Fig. 4 repräsentiert die horizontale Achse die Stärke des an das Element angelegten Magnetfelds, und die durchgezogene Linie gemäß der Kurve (a) repräsentiert den Widerstand des Elements, wie er auf der linken Vertikalachse bemaßt ist, und die gestrichelte Linie gemäß Kurve (b) repräsentiert die Widerstandszuwachsrate des Elements über dem angelegten Magnetfeld, wobei sich die Bemaßung auf der rechten Vertikalachse befindet.
  • Die Kurve (a) zeigt, daß das Magnetowiderstandselement keinen Widerstand aufweist, wenn das angelegte Magnetfeld extrem schwach ist, und daß das Element plötzlich über einen Widerstand verfügt, wenn das angelegte Magnetfeld eine vorgegebene Stärke überschreitet, und der Widerstand steigt steil an, wenn das angelegte Magnetfeld stärker wird. Diese Charakteristik zeigt, daß eine hochgenaue Messung eines Magnetfelds unter Verwendung des Bereichs in der Kurve (b) realisiert werden kann, in dem die Zuwachsrate des Widerstands des Elements steil ist.
  • Darüber hinaus zeigt die Kurve (a), daß die Beziehung zwischen dem Widerstand des Elements und der Stärke des angelegten Magnetfelds nichtlinear ist und daß es schwierig ist, den Absolutwert der Stärke des angelegten Magnetfelds genau zu berechnen.
  • Gemäß einer anderen Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen eines Magnetfelds unter Verwendung eines Magnetowiderstandselements geschaffen, mit einem supraleitenden Teil mit schwach koppelnden Korngrenzen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Einrichtung zum Anlegen eines Wechselstrom-Vormagnetisierungsfelds an das Element sowie eine Einrichtung aufweist, um dem Element eine Ausgangsspannung zu entnehmen, wie sie durch Anlegen des Vormagnetisierungsfelds erzeugt wird, als Signal, das die Stärke des angelegten Magnetfelds repräsentiert.
  • Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen eines schwachen Magnetfelds mit einem supraleitenden Magnetowiderstandselement mit nichtlinearer Charakteristik zwischen dem Widerstand und dem angelegten Magnetfeld geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines an das Element anzulegenden Vormagnetisierungsfeldes sowie eine Rückkopplungssteuerung für die Erzeugungseinrichtung aufweist, um das Ausgangssignal des Elements auf einem vorgegebenen Wert zu halten, wobei von der Rückkopplungssteuerung ein eingestellter Strom zugeführt wird, der ein Maß für ein an das Element angelegtes schwaches Magnetfeld ist.
  • KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung zum Realisieren eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Magnetfelds gemäß der Erfindung zeigt;
  • Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung zum Realisieren eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Magnetfelds gemäß der Erfindung zeigt;
  • Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung zum Realisieren eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Magnetfelds gemäß der Erfindung zeigt;
  • Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das Charakteristikkurven eines supraleitenden Magnetowiderstandselements zeigt;
  • Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für eine Anordnung zum Herstellen eines keramischen, supraleitenden Films zeigt, wie er bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet wird;
  • Fig. 6 ist eine Draufsicht auf ein supraleitendes Magnetowiderstandselements, wie es bei den Ausführungsbeispielen verwendet wird;
  • Fig. 7 zeigt Charakteristikkurven supraleitender Magnetowiderstandselemente;
  • Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das die allgemeine Struktur des supraleitenden Magnetowiderstandselements gemäß den vorliegenden Ausführungsbeispielen zeigt;
  • Fig. 9 ist eine Draufsicht, die ein Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Magnetowiderstandselements zeigt;
  • Fig. 10 ist ein Querschnitt zu Fig. 9;
  • Fig. 11 ist eine Kurve für die Charakteristik zwischen einer Gleichstrom-Vormagnetisierung und dem Ausgangssignal eines supraleitenden Magnetowiderstandselements, wie es bei den Ausführungsbeispielen verwendet wird;
  • Fig. 12 zeigt Kurven für die Charakteristik zwischen dem Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld und Störsignalen des supraleitenden Magnetowiderstandselements;
  • Fig. 13(a) bis 13(f) sind schematische Diagramme, die die Verläufe von Ausgangssignalen über Werten der Gleichstrom- Vormagnetisierung zeigen;
  • Fig. 14 ist ein schematisches Diagramm, das den Betriebspunkt in Fig. 13 zeigt;
  • Fig. 15 ist ein Schaltbild eines Lock-in-Verstärkers; und
  • Fig. 16 ist eine Kurve für die Ausgangscharakteristik des Lock-in-Verstärkers über dem Gleichstrom-Magnetfeld.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Als erstes werden ein Verfahren für die Herstellung eines keramischen, supraleitenden Magnetowiderstandselements, wie es bei den folgenden Ausführungsbeispielen verwendet wird, sowie dessen Struktur und Eigenschaft erläutert.
  • Fig. 5 zeigt eine Zusammenfassung für das Herstellverfahren des supraleitenden Magnetowiderstandselements durch ein pyrolytisches Sprühverfahren.
  • Der Keramiksupraleiter-Film wird aus der Verbindung YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ und einem Substrat 7 aus stabilisertem Zirkoniumdioxid hergestellt, auf dem der Keramiksupraleiter-Film ausgebildet wird, und das auf eine Trägerplatte 8 aufgelegt wird, das von einem Heizer 9 auf 350ºC beheizt wird. Andererseits werden die Zusammensetzungen von Nitraten der den Keramiksupraleiter bildenden Elemente, nämlich von Y(NO&sub3;)&sub3; 6H&sub2;0, Ba(NO&sub3;)&sub2; und Cu(NO&sub3;)&sub2; H&sub2;O, eingewogen, und sie werden in einer Lösung 10a gelöst, und die Lösung wird im Tank einer Sprüheinrichtung 10 aufbewahrt. Die aufbewahrte Lösung wird durch die Sprüheinrichtung 10 durch Luft von hohem Druck oder Stickstoffgas von hohem Druck in feinen Nebel überführt und auf das Substrat 7 aufgesprüht. Der das Substrat 7 erreichende Nebel bildet aufgrund der Wärme des Substrats 7 eine Keramikschicht. Die Keramikschicht wird an Luft für 5 Minuten bei 950ºC getempert, wobei ein Film mit supraleitenden Eigenschaften erhalten wird. Die so erhaltene Supraleiterschicht zeigt ein Widerstandsverhalten, das ausgehend von 100 K abnimmt, und der Widerstand geht bei 81 K verloren, wodurch die Schicht in den Supraleitungszustand überführt ist.
  • Der wie vorstehend angegeben hergestellte Supraleiterfilm wird durch Einschneiden von Schlitzen 103 durch eine Maschine, wie in Fig. 6 dargestellt, in Mäanderform ausgebildet, und Stromanschlüsse 101a und 101b sowie Spannungselektroden 102a und 102b werden durch Verdampfen von Ti auf dem Supraleiterfilm ausgebildet. Dieser Film wird in einem Gehäuse aus unmagnetischem Material mit trockenem Stickstoffgas untergebracht und abgedichtet, wodurch das supraleitende Magnetowiderstandselement 1 erhalten wird.
  • Die Stromanschlüsse 101a und 101b werden mit einer stabilisierten Stromquelle 2 verbunden, um einen konstanten Strom hindurchzuführen, und der im supraleitenden Magnetowiderstandselement 1 erzeugte Widerstand wird durch die Spannung gemessen, die zwischen den Spannungsanschlüssen 102a und 102b entsteht und die durch ein Voltmeter 104 gemessen wird.
  • Fig. 7 zeigt die Charakteristik, wenn der Vorbelastungsstrom durch das supraleitende Magnetowiderstandselement 1 geändert wird. Fig. 7 ist ein Diagramm, das gemessen wurde, wenn das Element bei der Temperatur flüssigen Heliums von 77 K gehalten wurde, wobei die horizontale Achse der Stärke des an das Element 1 angelegten Magnetfelds entspricht und die vertikale Achse dem im Element 1 erzeugten Widerstand entspricht. Die den jeweiligen Kurven zugeordneten Stromwerte sind die Vorbelastungsströme, wie sie über die Stromanschlüsse 101a und 101b an das Element 1 angelegt wurden. Wie es aus den Diagrammen von Fig. 7 erkennbar ist, steigt der im Element 1 erzeugte Magnetowiderstand entsprechend zu einer Zunahme des Vorbelastungsstroms an, und das kritische Magnetfeld, ab dem Widerstand auftritt, wird kleiner.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • Fig. 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das supraleitende Magnetowiderstandselement 1 verwendet.
  • Das Ausführungsbeispiel ist dergestalt, daß die Ausgangsspannung des Elements 1 gemessen wird, und ein Rückkopplungsstrom wird so durch eine Vormagnetisierungsfeld-Spule 4 geleitet, daß die Ausgangsspannung des Elements 1 konstant gehalten wird, wodurch das externe Magnetfeld durch den Wert des Vorbelastungsstroms gemessen wird.
  • Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Element 1 auf 77 K gekühlt, und dem Element 1 wird von der stabilisierten Stromquelle 2 ein Strom von 1 mA zugeführt. Die Ausgangsspannung aufgrund des Anlegens des externen Magnetfelds wird in die Rückkopplungsquelle 3 eingegeben. Die Eingangsspannung wird mit einer Bezugsspannung verglichen, und die Rückkopplungs-Spannungsquelle 3 stellt den in der Spule 4 fließenden Strom, der das Vormagnetisierungsfeld an das Element 1 anlegt, so ein, daß die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Bezugsspannung so klein wie möglich ist.
  • Die Spule 4 verfügt über eine solche Struktur, daß ein Kupferdraht mit zehn Windungen so aufgewickelt ist, daß durch den durch die Spule 4 geleiteten Strom ein Magnetfeld, wie es an das Element 1 angelegt wird, von 10&supmin;³ T/A (10 Gauss/A) erhalten werden kann.
  • Bei der vorstehend angegebenen Meßvorrichtung wurde die Standardausgangsspannung des Elements 1 auf 2 mV eingestellt, und der Strom durch die Spule 4 zum Anlegen des Magnetfelds wurde zum Verringern der Differenz zur Standardspannung durch Betätigen der Rückkopplungs-Spannungsquelle 3 eingestellt. Bei der Anordnung des ersten Ausführungsbeispiels betrug die Stromauflösung 10 µA und aufgrund des Störsignalpegels betrugt die magnetische Auflösung 10&supmin;&sup8; T (10&supmin;&sup4; Gauss)
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen dasselbe wie das erste Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß eine Modulationsmagnetspule 5 hinzugefügt ist, um an das Element zusätzlich zum Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld ein Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld anzulegen, wobei nur die Wechselspannungskomponente der Ausgangsspannung des Elements 1 an die Rückkopplungsquelle 3 angelegt wird, so daß der Strom durch die Spule 4 zum Anlegen des Vormagnetisierungsfeldes so eingestellt wird, daß die Ausgangsspannung des Elements 1 auf dem Wert der Standardspannung gehalten wird. Der Betrieb dieser Vorrichtung ist im wesentlichen derselbe wie der beim ersten Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme der vorstehend angegebenen zwei Punkte, und eine Erläuterung für dieselbe Funktion wird hierbei weggelassen.
  • Beim zweiten Ausführungsbeispiel wurde eine Ausgangsspannung mit einer Wechselspannungsamplitude von 2 mV im Element 1 erhalten, wenn ein Wechselstrom mit einem Spitzenwert von 1 mA und 100 Hz an die Modulationsspule 5 angelegt wurde.
  • Das Wechselausgangssignal konnte synchron mit der Periode des modulierenden Magnetfelds verstärkt werden, und im Ergebnis konnten Störungen verringert werden, wodurch eine magnetische Auflösung von 10&supmin;&sup9; T (10&supmin;&sup5; Gauss) realisiert werden konnte.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • Fig. 3 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen dasselbe wie das erste Ausführungsbeispiel, mit der Ausnahme, daß dem Vorbelastungsstrom ein wechselspannungsmäßig modulierter Strom hinzugefügt wird und daß dem Element 1 nur die Wechselspannungskomponente entnommen wird, was dasselbe wie beim zweiten Ausführungsbeispiel ist. Das Ausgangssignal des Elements 1 wurde synchron verstärkt, und die Magnetfeldauflösung betrug 5 x 10&supmin;&sup9; T (5 x 10&supmin;&sup5; Gauss), aufgrund der Störung durch den Vorbelastungsstrom durch das Element 1.
  • Die vorigen Ausführungsformen werden nur als Beispiele zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Magnetfeldmessung unter Verwendung eines supraleitenden Magnetowiderstandselements angegeben, jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die speziellen Einzelheiten der obigen Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • Obwohl der Keramiksupraleiter-Film beim supraleitenden Magnetowiderstandselement bei den vorigen Ausführungsbeispielen als ein Y-Ba-Cu-O-Film erläutert ist, der durch ein pyrolytisches Sprühverfahren hergestellt wurde, können die Materialien beliebige Supraleitermaterialien aus Bi-Sr-Ca- Cu-O und Tl-Ba-Ca-Cu-O sein, solange die Materialien an den Korngrenzen schwache Kopplung und stark nichtlineare Empfindlichkeit gegen ein Magnetfeld aufweisen, und als Filmherstellverfahren kann ein Sputterverfahren, ein Elektronenstrahlverfahren oder ein CVD-Verfahren verwendet werden.
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • Fig. 9 zeigt ein weiteres Beispiel für ein supraleitendes Magnetowiderstandselement, wie es beim vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird, bei dem das Element 1 als solches im wesentlichen dasselbe wie das in Fig. 6 dargestellte Element ist, mit der Ausnahme, daß die stabilisierte Stromquelle 2 über einen Stromregler 6 mit dem Element 1 verbunden ist. Gleiche Teile in Fig. 6 und Fig. 9 sind mit denselben Bezugszahlen versehen, und eine detaillierte Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Der Keramiksupraleiter-Film bei diesem Ausführungsbeispiel wurde so hergestellt, daß Y(NO&sub3;)&sub3; 6H&sub2;O, Ba(NO&sub3;)&sub2; und Cu(NO&sub3;)&sub2; H&sub2;O eingewogen und in einer Lösung gelöst wurden, und die Lösung wurde im Tank einer Sprüheinrichtung 10 aufbewahrt. Die aufbewahrte Lösung wurde durch die Sprüheinrichtung 10 durch Luft unter hohem Druck oder Stickstoffgas unter hohem Druck in feinen Nebel überführt und auf das Substraht 7 aufgesprüht. Der das Substrat 7 erreichende Nebel bildete durch die Wärme des Substrats 7, das auf 600ºC erhitzt wurde, eine Keramikschicht. Der Supraleiterfilm wurde mit einer Dicke von 10 µm hergestellt, und er wurde einer Wärmebehandlung an Luft unterzogen.
  • Gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn der Supraleiterfilm mit einer Dicke von 1 µm bis 10 µm hergestellt wird.
  • Das in Fig. 9 dargestellte supraleitende Magnetowiderstandselement 1 wird im Zentrum zweier Spulen 15 und 16 angeordnet, wie in Fig. 8 dargestellt, die Vormagnetisierungsfelder in derselben Richtung anlegen. Messungen durch die in Fig. 8 dargestellte Anordnung erfolgten in einem magnetisch abgeschirmten Raum.
  • Die Spule 15 wird mit einer Wechselspannungsquelle 17 verbunden, und die Spule 16 wird mit einer Gleichspannungsquelle 18 verbunden, um ein Wechselmagnetfeld und ein Gleichmagnetfeld an das Element 1 anzulegen.
  • Fig. 11 zeigt ein Beispiel für die Ausgangscharakteristik des vorstehend angegebenen Elements 1. Die Ausgangscharakteristik in Fig. 11 wurde unter der Bedingung erhalten, daß den Stromanschlüssen 101a und 101b des Elements 1 ein Vorbelastungsstrom von 10 mA zugeführt wurde und daß durch die Spule 16 das Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld angelegt wurde. Die vertikale Achse in Fig. 11 zeigt das Ausgangssignal des Elements 1, und die horizontale Achse in Fig. 11 zeigt die Stärke des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelds.
  • In Fig. 12 zeigt die vertikale Achse im Diagramm die Stärke von Störsignalen im Ausgangssignal des Elements 1 bei verschiedenen Frequenzen, wenn das Element unter derselben Bedingung betrieben wird, wie für Fig. 11 dargelegt, wobei das Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeld so verändert wird, wie dies entlang der horizontalen Achse in Fig. 12 dargestellt ist.
  • Aus Fig. 12 ist erkennbar, daß die Änderung der Störsignale am Element 1 durch die Änderung der Stärke des angelegten Magnetfelds klein ist, daß jedoch die Störsignale bei einer niedrigen Frequenz unter einigen Hertz relativ groß ist, wodurch Fig. 12 zeigt, daß eine genaue Messung von Gleichmagnetfeldern und solcher geringer Frequenz schwierig ist.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können Gleichmagnetfelder und solche geringer Frequenz genau ohne den Störeffekt beim Meßverfahren, wie es für die bereits angegebenen mehreren Ausführungsbeispiele dargelegt wurde, gemessen werden.
  • Die Fig. 13(a) bis (f) zeigen Wechselspannungs-Signalverläufe bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für die in Fig. 8 dargestellte Anordnung, wobei durch die Spule 15 ein sinusförmiges Magnetfeld von ± 100 x 10&supmin;&sup7; T (± 100 Milligauss) von 100 Hz, wie in Fig. 13(a) dargestellt, an das Element 1 angelegt wird.
  • Im Zustand, bei dem der Spule 15 Wechselstrom zugeführt wird, wird der Spule 16 ein vorgegebener Gleichstrom zugeführt. Wenn verschiedene Stärken des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelds, wie durch die Punkte A, B, C und D in Fig. 14 dargestellt, mit den in Verbindung mit Fig. 11 erläuterten Eigenschaften angelegt werden, sind die Signalverläufe, wie sie sich am Ausgang des Elements 1 entsprechend den obigen Stärken des Magnetfelds ergeben, dergestalt, wie in den Fig. 13(b), (c), (d), (e) und (f) dargestellt.
  • Die vorstehend angegebenen Ausgangssignale und die das Wechselmagnetfeld erzeugenden Signale werden in einen Lock-in- Verstärker eingegeben, und da nur die Komponente von 100 Hz schmalbandig entnommen wird, wird es möglich, den Effektivwert von Störsignalen herunterzudrücken.
  • Der allgemeine Aufbau des Lock-in-Verstärkers ist in Fig. 15 dargestellt. Das Ausgangssignal von den Spannungsanschlüssen 102a und 102b des Elements 1 wird von einem Verstärker 31 20-fach verstärkt und in den Lock-in-Verstärker eingegeben. Andererseits wird das Signal des Sinuswellengenerators von 100 Hz als Bezugseingangssignal verwendet.
  • 32 bezeichnet einen PLL-Kreis, an den eine Bezugsspannung angelegt wird.
  • Das Prinzip des Lock-in-Verstärkers ist das folgende.
  • Es sei angenommen, daß das Eingangssignal Vs und das Bezugssignal Vr durch die folgenden Gleichungen repräsentiert sind:
  • Vr = A cos (ωr t + Θ) (1)
  • Vs = cos (ωs t) (2)
  • mit A: Konstante; ωr: Winkelgeschwindigkeit des Bezugssignals; Θ: Phasenwinkel; ωs: Winkelgeschwindigkeit des Eingangssignals.
  • Durch Multiplizieren der obigen zwei Gleichungen in einem phasenempfindlichen Detektor 33 kann das folgende Signal Vpsd erhalten werden:
  • Vpsd = Acos(ωrt+Θ) cos(ωst) = A/2cos[(ωr+ωs)t+Θ]+A/2cis[(ωr-ωs)t+Θ] (3).
  • Da ωr = ωs gilt, wird der zweite Term der Gleichung (3) eine Gleichspannungskomponente. Da die Wechselspannungskomponente des ersten Terms von Gleichung (3) durch ein Tiefpaßfilter 34 entfernt wird, ist das Ausgangssignal VLP des Tiefpaßfilters 34 das folgende:
  • VLP = A/2 cos Θ.
  • Um VLP maximal zu machen, wird der Lock-in-Verstärker so eingestellt, daß die Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und dem Eingangssignal Null wird. Wie oben angegeben, ist es möglich, die Gleichspannungskomponente aus der durch das angelegte Wechselspannungsfeld erzeugten Frequenzkomponente zu entnehmen.
  • In Fig. 16 ist das Meßergebnis so dargestellt, daß die horizontale Achse für die Stärke des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelds verwendet wird, wenn der an die Spule 16 angelegte Strom verändert wird und die vertikale Achse als Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers verwendet wird. In Fig. 16 wird die differentielle magnetische Empfindlichkeit am Arbeitspunkt durch das angelegte Gleichmagnetfeld als Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers gemessen. Wenn jedoch das Gleichmagnetfeld nahezu Null ist, sind die Signalverläufe solche, wie sie in den Fig. 13(c), (d), (e) dargestellt sind, und zwar aufgrund der Ausgangseigenschaften des supraleitenden Magnetowiderstandselements 1, und es ergibt sich, daß beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ein linearer Abschnitt besteht. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Magnetfelder vom Gleichzustand bis zu einigen Hertz mit einer Genauigkeit von 0,1 x 10&supmin;&sup7; T (0,1 Milligauss) dadurch gemessen werden, daß die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters 34 auf 100 Millisekunden gesetzt wird, wobei der lineare Abschnitt verwendet wird.
  • Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es ist möglich, den Meßbereich des zu messenden Magnetfelds sowie die Meßgenauigkeit dadurch zu verändern, daß der Vorbelastungsstrom für das supraleitende Magnetowiderstandselement, die Stärke des Wechselvorbelastungsstroms, dessen Frequenz oder das Vorhandensein oder Fehlen des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes sowie die Änderung der Stärke des Gleichstrom-Vormagnetisierungsfeldes eingestellt werden.
  • Das Wechselstrom-Vormagnetisierungsfeld und das Gleichstrom- Vormagnetisierungsfeld können durch eine Spule dadurch erzeugt werden, daß der einen Spule ein Wechselstrom und ein Gleichstrom zugeführt werden.
  • Es ist auch möglich, ein Magnetfeld zu messen, dessen Frequenz größer als einige Hertz ist, und zwar durch Einstellen der Zeitkonstante des Tiefpaßfilters des Lock-in-Verstärkers.
  • Es ist möglich, die Spule zum Anlegen der Vormagnetisierungsfelder in Dünnfilmform auf dem Substrat auszubilden, auf dem das supraleitende Magnetowiderstandselement vorhanden ist, wodurch es möglich ist, den Magnetfeld-Meßvorgang zu stabilisieren und die Herstellung der Magnetfeld-Meßvorrichtung zu erleichtern.
  • Vorstehend wurden neuartige Merkmale beschrieben, zu denen der Fachmann erkennt, daß sie zu Vorteilen führen. Es handelt sich um unabhängige Erscheinungsformen der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen eines Magnetfelds unter Verwendung eines Magnetowiderstandselements (1) mit Supraleiter-Magnetowiderstandseffekt mit nichtlinearer Eigenschaft des Widerstands in bezug auf das angelegte Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß an das Magnetowiderstandselement ein Vormagnetisierungsfeld unter Verwendung einer Spule (4; 16) angelegt wird, die mit einer Rückkopplungsspannungsquelle (3) verbunden ist, um ihm Strom zum Beibehalten des Ausgangssignals des Elements auf einem konstanten Wert zuzuführen, wobei das angelegte Magnetfeld durch den der Spule zugeführten Strom gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem an das Magnetowiderstandselement ein Wechselspannungs-Vormagnetisierungsfeld unter Verwendung einer weiteren Spule (5; 15) angelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Magnetowiderstandselement mit Wechselstrom versorgt wird.
4. Vorrichtung zum Messen eines Magnetfelds unter Verwendung eines Magnetowiderstandselements (1), mit einem supraleitenden Teil mit schwach koppelnden Korngrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung (5; 15, 17) zum Anlegen eines Wechselstrom-Vormagnetisierungsfelds an das Element sowie eine Einrichtung (102a, 102b) aufweist, um dem Element eine Ausgangsspannung, wie sie durch Anlegen des Vormagnetisierungsfelds erzeugt wird, als Signal zu entnehmen, das die Stärke des angelegten Magnetfelds repräsentiert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner mit einer Einrichtung (4; 16, 18) zum Anlegen eines Gleichstrom-Vormagnetisierungsfelds an das Element.
6. Vorrichtung zum Messen eines schwachen Magnetfels, mit einem supraleitenden Magnetowiderstandselement (1) mit nichtlinearer Charakteristik zwischen dem Widerstand und dem angelegten Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner eine Einrichtung (4) zum Erzeugen eines an das Element anzulegenden Vormagnetisierungsfeldes sowie eine Rückkopplungssteuerung (3) für die Erzeugungseinrichtung (4) aufweist, um das Ausgangssignal des Elements auf einem vorgegebenen Wert zu halten, wobei von der Rückkopplungssteuerung ein eingestellter Strom zugeführt wird, der ein Maß für ein an das Element angelegtes schwaches Magnetfeld ist.
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