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Die
Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich zur
Magnetfeldmessung, umfassend wenigstens einen Fluxgate-Sensor bestehend
aus einer Erregerspule, einer Induktionsspule und einem magnetischen
Kern.
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Derartige
Sensoren mit wenigstens einem Fluxgate-Sensor werden vornehmlich
zur Magnetfeldmessung verwendet. Fluxgate-Sensoren lassen eine hochgenaue Magnetfeldmessung
zu. Ein solcher Fluxgate-Sensor ist derzeit üblicherweise ein hybrid aufgebautes
System mit einem massiven Magnetkern mit Abmessungen im Bereich
weniger mm bis cm, der von einer Erregerspule und einer Induktionsspule
umgeben ist. Über
die Erregerspule wird ein definierter Erregerstrom geführt, der
bewirkt, dass in Abhängigkeit
der Magnetisierungsverhältnisse
im Magnetkern ein Induktionsstrom induziert wird, wobei an den Induktionsspulen
wiederum ein Messsignal abgegriffen werden kann. Das zu vermessende
externe Magnetfeld variiert nun die Grundmagnetisierung des Magnetkerns,
wobei der Induktionsstrom abhängig
von dieser Grundmagnetisierung ist. Der grundsätzliche Aufbau sowie das Funktionsprinzip
eines Fluxgate-Sensors ist hinlänglich
bekannt.
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Ein
massiver Magnetkern eines solchen Fluxgate-Sensors weist auf Grund
des Herstellungsverfahrens und der Abmessung eine Vielzahl von magnetischen
Domänen
mit typischen Abmessungen im Bereich von 10–100 μm auf. Dadurch ergibt sich auf
Grund des statistischen Zusammenwirkens der Domänen eine sehr gleichmäßig geformte
und reproduzierbare Hysteresekurve. Für die Genauigkeit der Messung
ist bei allen bekannten Verfahren zur Auswertung der vom Fluxgate-Sensor
gelieferten Messsignale bzw. zum Betrieb des Fluxgate-Sensors die
Reproduzierbarkeit der Hysteresekurve von zentraler Bedeutung. Bei
dem häufig
angewandten Auswerteverfahren der zweiten harmonischen Oberwellen
ist z. B. der dritte Koeffizient der Taylor-Rei henentwicklung der
Hysteresekurve und dessen Drift und Temperaturkoeffizient von entscheidender
Bedeutung. Bei hinreichend großen
Magnetkernen und der großen
Zahl an Domänen
ist eine hohe Reproduzierbarkeit der Hysteresekurve erreichbar.
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Für viele
Anwendungen jedoch wäre
aus Platzgründen,
aus Kostengründen
sowie aus Gründen
des Energieverbrauchs eine Verkleinerung des Sensors, die zwangsläufig auch
in einer Verkleinerung des Magnetkerns resultiert, bis hin zu einer
Mikrointegration wünschenswert.
Je kleiner der Kern jedoch wird, umso weniger Domänen sind
vorhanden. Die wenigen Domänen
sind jedoch nicht mehr allzu gleichmäßig geformt, zeigen also kein
homogenes Verhalten mehr, so dass die Reproduzierbarkeit der Hysteresekurve
nicht mehr zwangsläufig
möglich
ist. Natürlich
sind auch bei großen
Kernen nicht alle Domänen
gleichmäßig geformt
bzw. zeigen ein konformes Magnetisierungsverhalten, jedoch gleichen
sich auf Grund der hohen Domänenanzahl
diese Inhomogenitäten
aus. Bei nur sehr wenigen Domänen
zeigen jedoch diese Inhomogenitäten
gravierende Auswirkungen, da die geringe Domänenanzahl einen Ausgleich und
damit ein gleichartiges Verhalten mehrerer Kerne nicht mehr zulässt. Hier
bestimmen also sehr wenige und darüber hinaus wenig konforme magnetische
Domänen
die Hysteresekurve, was zu einer geringen Paargenauigkeit der einzelnen
Sensoren und durch statistische Domänenwandbewegungen zu wenig
reproduzierbaren Hysteresenkurven führt.
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Vom
Stand der Technik der Magnetsensoren sind unterschiedlichste Schichtsysteme
vorbekannt: Beispielsweise ist in der
DE 10 2004 003 369 A1 ein magnetisches
Bauelement beschrieben, bei dem das Schichtsystem zumindest die
Abfolge einer ferromagnetischen und einer antiferromagnetischen
Schicht umfasst, wobei durch direkte Austauschwechselwirkung benachbarter
Schichten eine hohe Grenzfrequenz des Bauteils erreicht wird. Eine
entsprechende Hochfrequenz-Einrichtung aus einem weichmagnetischen
Schichtsystem mit Biasschichten und Pinningwirkung ist in der
DE 101 11 460 A1 beschrieben.
Pin ningschichten für
magnetische Einrichtung sind an sich aus der
EP 1 039 490 A1 bekannt,
wobei entsprechende magnetische Strukturen mit ferro- und antiferromagnetischen
Austauschvorspannungsprofilen sich auch aus
DE 28 27 429 A1 ergeben.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt das Problem zu Grunde, einen Sensor
anzugeben, dessen Kern eine hohe Mikrointegrationsmöglichkeit
bei gleichzeitiger Reproduzierbarkeit der Hysteresekurve bzw. einem
homogenen Magnetisierungsverhalten besitzt.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Sensor der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Kern aus einem Schichtstapel aus einander abwechselnd angeordneten weichmagnetischen
Schichten und diese pinnenden antiferromagnetischen Schichten besteht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Sensor
ist der Kern ein Schichtstapelkern, er besteht also aus einer Vielzahl
unterschiedlicher weichmagnetischer und antiferromagnetischer Schichten.
Die weichmagnetischen Schichten bilden die magnetisierbare Komponente
des Magnetkerns, während
die antiferromagnetischen Schichten dazu dienen, die jeweilige Magnetisierung
der benachbarten weichmagnetischen Schichten zu pinnen, um hierüber bei
hinreichend dünnen
Schichten einen Kernstapel mit einer unidirektionalen Anisotropie
zu erzeugen bzw. eine solche unidirektionale Anisotropie in die
weichmagnetischen Schichten einzubringen, die bevorzugt senkrecht
zur Kernrichtung orientiert ist.
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Die
Dicke einer weichmagnetischen Schicht ist bevorzugt ≤ 100 nm, insbesondere ≤ 30 nm, während die
Dicke einer antiferromagnetischen Schicht bevorzugt ≤ 15 nm, insbesondere ≤ 10 nm ist.
Es kommen hier also extrem dünne
Schichten zur Bildung des Kerns zum Einsatz, woraus resultiert,
dass die einzelnen weichmagnetischen Schichten quasi als Eindomänenteilchen
erzeugt werden bzw. die jeweilige weichmagnetische Einzelschicht
in Form eines Eindomänenteilchens
gepinnt werden kann. Es entsteht damit ein Kern im Mikrometer-Maßstab, der aus
einer definierten Anzahl von magnetisch gekoppelten und konformen
Einzeldomänen
besteht. Die Domänenanzahl
entspricht im Idealfall also der Anzahl an weichmagnetischen Schichten
innerhalb des Schichtstapels.
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Zweckmäßigerweise
ist jede weichmagnetische Schicht an beiden Seiten von einer antiferromagnetischen
Schicht belegt, d. h., jede weichmagnetische Schicht wird beidseits
gepinnt. Die Abscheidung der einzelnen Schichten erfolgt in üblichen,
bekannten Abscheideverfahren. Die Erzeugung der Schichtmagnetisierung
bzw. der Einstellung der Anisotropie, die wie beschrieben in der
Ebene der weichmagnetischen Schichten liegt, und senkrecht zum Schichtstapel
und damit zur Sensor- bzw. Spulenachse steht, erfolgt durch geeignete
Temperaturbehandlung, also ein Aufheizen und Abkühlen in einem definiert gerichteten
Magnetfeld, was ebenfalls hinlänglich
bekannt ist.
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Wenngleich
die Möglichkeit
besteht, die weichmagnetischen Schichten jeweils einheitlich aus nur
einem weichmagnetischen Material zu bilden, ist es auch denkbar,
die weichmagnetischen Schichten vorzugsweise in abwechselnder Anordnung
aus zwei verschiedenen Materialien zu bilden. Als Materialien für weichmagnetische
Schichten können
CoFe, CoFeB oder NiFe verwendet werden. Zur Bildung der antiferromagnetischen
Schichten wird bevorzugt IrMn, also ein natürlicher Antiferromagnet verwendet. Ein
typischer Schichtstapel kann also beispielsweise aus abwechselnden
Schichten aus IrMn und NiFe bestehen. Denkbar ist aber auch ein
Schichtaufbau mit verschiedenen weichmagnetischen Schichten beispielsweise
in der Form IrMn/CoFe/IrMn/CoFeB/IrMn/CoFe/IrMn/CoFeB/... Eine solche
alternierende Schichtanordnung aus CoFe und CoFeB ist insbesondere
für eine
geringe Magnetostriktion im Kern zweckmäßig.
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Wie
beschrieben weist der Sensor vorzugsweise eine induzierte unidirektionale
Anisotropie senkrecht der weichmagnetischen Schichten auf, d. h.,
die Anisotropie ist senkrecht zur Stapelrichtung bzw. der Kern-
oder Spulenachse gerichtet. Hierdurch wird die maximale Empfindlichkeit
bei maximaler Koerzitivfeldstärke
längs der
Spulenachse erreicht, so dass sich eine symmetrische und gut reproduzierbare
Hysterese ergibt.
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Für eine hinreichende
Empfindlichkeit des Sensors sollten wenigstens zehn weichmagnetische Schichten
und wenigstens zehn antiferromagnetische Schichten bzw., wenn der
Sensor an beiden Seiten über
eine antiferromagnetische Schicht abgeschlossen werden soll, wenigstens
elf antiferromagnetische Schichten vorgesehen sein. Selbstverständlich können auch
wesentlich mehr Schichten vorgesehen sein, beispielsweise einhundert
weichmagnetische Schichten und einhundert/einhunderteins antiferromagnetische
Schichten. Selbstverständlich
gilt auch jedwede Schichtanzahl unterhalb und oberhalb der beschriebenen
Beispiele als offenbart.
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Der
Schichtstapel selbst ist zweckmäßigerweise
auf einem Substrat abgeschieden. Bevorzugt kommt eine unterste Aufwachsschicht
aus NiFe zum Einsatz, auf der der natürliche Antiferromagnet IrMn sehr
gut aufwächst.
Das Substrat wird im vorliegenden Fall bevorzugt von einer bereits
abgeschiedenen Lage der Erregerspule gebildet. Denn zur Mikrointegration
des Fluxgate-Sensors wird nicht nur der magnetische Kern als Schichtelement
ausgebildet, sondern auch die Spulen selbst. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird beispielsweise auf ein Trägersubstrat
zunächst
eine erste Schicht, die einen Teil der flächigen Induktionsspule bildet,
abgeschieden, auf die dann über
eine Isolationslage getrennt die erste Schicht der flächigen Erregerspule
abgeschieden wird. Diese bzw. eine darauf aufgebrachte Isolationsschicht
bildet sodann das Substrat für
den aufwachsenden Kernschichtstapel, an den sich der zweite „obere" Teil der Erregerspule,
die mit den unteren Flächenspulenteil
selbstverständlich
kontaktiert ist, anschließend,
gefolgt wiederum vom zweiten „oberen" Flächenteil
der Induktionsspule, die ebenfalls mit dem unteren Spulenabschnitt
kontaktiert ist.
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Der
Sensor selbst ist entweder ein Magnetfeldsensor, kann aber auch
ein Stromsensor sein und umfasst einen oder mehrere Fluxgate-Sensoren
mit aus Schichtstapeln bestehenden Kernen.
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Weitere
Vorteile, Merkmal und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensors in Form eines Stromsensors,
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2 eine
Seitenansicht des Sensors aus 1,
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3 eine
Prinzipdarstellung eines Ausschnitts aus dem Magnetkern zur Darstellung
des Schichtaufbaus, und
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4 eine
Prinzipdarstellung von Funktionskomponenten des Sensors aus den 1 und 2.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Sensor 1 in
Form eines Stromsensors, umfassend zwei Fluxgate-Sensoren 2, 3,
die auf einem gemeinsamen Trägersubstrat
angeordnet sind. Jeder Fluxgate-Sensor 2, 3 umfasst
eine außenliegende
Induktionsspule 5, 6 eine dieser nach Innen gesehen
folgende Erregerspule 7, 8 und einen magnetischen
Kern 9, 10. Die Spulen 5, 6, 7, 8 sind
als Flächenspulen,
bevorzugt als sehr dünne
Spulen ausgebildet, wobei die oberen und unteren flächigen Spulenabschnitte über eine
hier nicht näher
gezeigte Verbindung miteinander gekoppelt sind. Dies gilt sowohl
für die
Induktionsspulen 5, 6 als auch die Erregerspulen 7, 8.
Der jeweilige magnetische Kern 9, 10 ist aus einem Schichtstapel
unterschiedlicher Materialien gebildet, worauf bezüglich 3 noch
näher eingegangen wird.
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Im
gezeigten Beispiel sind die beiden Induktionsspulen 5, 6 über einen
Verbindungsleitung 11 miteinander gekoppelt, so dass zwischen
ihnen Messsignale in Form der Messsignalspannung UMess abgreifbar
ist, also ein Differenzsignal zwischen beiden Induktionsspulen 5, 6.
Die Erregerspulen sind mit einer Stromleitung 12 verbunden, über die
ein Erregerstrom IErr an die Erregerspulen 7, 8 gelegt
wird. Diese Stromleitung 12 ist über die beiden Erregerspulen 7, 8 geführt.
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Unterhalb
des Trägersubstrats 4 ist
bei dem als Stromsensor ausgeführten
Sensor 1 ein Leiter 13 vorgesehen, der eine U-Form
aufweist und zwei längliche
Leiterschenkel 14, 15 besitzt. Der Fluxgate-Sensor 2 ist
dem Leiterschenkel 14 und der Fluxgate-Sensor 3 dem
Leiterschenkel 15 zugeordnet. Über den Leiter 13 wird
der in seiner Höhe
zu erfassende Messstrom IMess geführt, wie
in 1 dargestellt ist.
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Sofern
es sich bei dem erfindungsgemäßen Sensor
nicht um einen Stromsensor, sondern um einen Magnetfeldsensor handelt,
ist der beschriebene Leiter 13 nicht erforderlich, gleichwohl
können
in der beschriebenen Form die beiden Fluxgate-Sensoren kombiniert
verwendet werden.
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3 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung eine Schnittansicht durch einen
Fluxgate-Sensor als Teilausschnitt. Gezeigt ist das Trägersubstrat 4,
auf das hier beispielsweise der Fluxgate-Sensor 2 aus 1 aufgebracht
ist. Auf das Trägersubstrat 4 ist zunächst die
untere Flächenlage
der Induktionsspule 5 aufgebracht, die über eine Isolationsschicht 16 von der
unteren Flächenlage
der Erregerspule 7 getrennt ist, der wiederum eine Isolationslage 17 folgt.
Sodann ist der weichmagnetische Kern 9 in Form eines Schichtstapels
aufgebracht. Vorgesehen ist zunächst eine
Aufwachsschicht 18 bevorzugt aus NiFe, auf die eine antiferromagnetische
Schicht 19 aus IrMn aufgewachsen ist. Dieser folgt eine
weichmagnetische Schicht 20 beispielsweise wiederum aus
NiFe, der wiederum eine antiferromagnetische Schicht 19 folgt, dieser
wiederum eine weichmagnetische Schicht 20 und sofort. Die
oberste weichmagnetische Schicht 20 ist wiederum von einer
den Schichtstapel abschließenden
antiferromagnetischen Schicht 19 aus IrMn belegt, der wiederum
eine Isolationsschicht 21 folgt, auf der die obere zweite
Flächenlage
der Erregerspule 7 aufgebracht ist, die wiederum über eine
Isolationslage 22 von der oberen zweiten Flächenlage
der Induktionsspule 5 beabstandet ist. Hieran schließen sich
gegebenenfalls noch weitere Isolationslagen oder dergleichen an,
die hier nicht näher
gezeigt sind.
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Ersichtlich
ist hier also ein Schichtstapel aus einander abwechselnden antiferromagnetischen Schichten 19 und
weichmagnetischen Schichten 20 vorgesehen. Die Schichtdicke
einer antiferromagnetischen IrMn-Schicht beträgt bevorzugt ca. 8 nm, während die
Schichtlage einer weichmagnetischen NiFe-Schicht bevorzugt ca. 25
nm beträgt.
Die Anzahl der Schichten kann beliebig sein, sie sollte nicht kleiner
zehn Schichten pro Schichttyp sein. Die Kantenlänge des Kerns beträgt wenige
mm bis cm.
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Infolge
der geringen Schichtdicke der weichmagnetischen Schichten 20 bildet
jede weichmagnetische Schicht 20 quasi ein Eindomänenteilchen,
das eine uniaxiale Anisotropie, in der die jeweils durch den Pfeil
dargestellte Magnetisierung liegt, aufweist. Die Anisotropie ist
im Rahmen eines thermischen Behandlungsverfahrens induziert, die
Magnetisierung wird durch die jeweilige benachbarte antiferromagnetische
Schicht gepinnt. Die Magnetisierung der jeweiligen weichmagnetischen
Schicht 20 ist mit der Grenzschichtmagnetisierung der benachbarten
antiferromagnetischen Schichten gekoppelt, was durch Austauschkopplung
oder Neél-Kopplung
erfolgt.
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Die
unidirektionale Anisotropie, in der die Magnetisierung der weichmagnetischen
Schichten 20 liegt, verläuft längs der jeweiligen Schicht,
also senkrecht des weichmagnetischen Kerns, sie steht also senkrecht
zur Stapelfolge bzw. zur Spulenachse.
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In
Folge der quasi eindomänenartigen
Ausgestaltung der weichmagnetischen Schichten zeigen quasi alle
weichmagnetischen Schichten 20 ein konformes Magnetisierungsverhalten,
das auch reproduzierbar bei anderen Sensoren erreicht werden kann. Dies
ermöglicht
es, zwei extrem dünne
Strukturen bzw. Kerne zu schaffen, zum anderen können ohne weiteres zwei oder
mehr derartige Sensoren kombiniert und miteinander verschaltet werden.
Denn in Folge der hohen Güte
des Kerns und der Reproduzierbarkeit der Hysterese resultierend
aus der definierten Anzahl der magnetisch gekoppelt und konformen
Einzeldomänen-Schichten 20 zeigen
die verschiedenen Sensoren bzw. deren Kerne gleiche Magnetisierungsverhalten.
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4 zeigt
eine Prinzipdarstellung des Aufbaus eines Sensors 1, wie
er in 1 gezeigt ist, wobei hier noch weitere Funktionseinrichtungen
dargestellt sind, die als integrierter Schaltkreis im oder am Trägersubstrat 4 ausgebildet
sein können
und der Signalauswertung und Erzeugung eines auszugebenden, im Falle
des hier als Stromsensor ausgeführten Sensors
die Messstromhöhe
anzeigenden Signals dienen. Gezeigt sind exemplarisch die beiden
Fluxgate-Sensoren 2, 3 sowie das an ihnen abgegriffene Messsignal
UMess. Diese wird zunächst einer Verstärkereinrichtung 23 gegeben,
der eine Filtereinrichtung 24, beispielsweise ein schmalbandig
filternder Bandpassfilter nachgeschaltet ist, über den das Messsignal schmalbandig
gefiltert werden kann. Nachgeschaltet ist eine weitere Verstärkereinrichtung 25,
der im gezeigten Beispiel ein Analog-Digital-Wandler 26 nachgeschaltet
ist. Gegebenenfalls kann, wie gestrichelt dargestellt ist, auch
optional ein Gleichrichter 27 dem Analog-Digital-Wandler
vorgeschaltet sein. Dem Analog-Digital-Wandler 27 wiederum
ist eine weitere Einrichtung 28 nachgeschaltet, die der
weiteren Signalverarbeitung und Auswertung dient. Dort erfolgt beispielsweise
eine Offset-Korrektur, eine Linearisierung des ermittelten Messsignals
oder einen Temperaturkompensation, sofern erforderlich. Des Weiteren kann
dort die Regelung der hier im Falle des Stromsensors benötigten,
jedoch nicht näher
gezeigten Stromquelle, über
die die Erregerspulen 7, 8 betrieben werden, erfolgen.
Die Erregerspulen werden beispielsweise mit einem Strom von 20 mA
und einer Frequenz von 10 kHz–1
MHz betrieben. Weiterhin kann ein Analog-Digital-Interface vorgesehen
sein, um eine Kopplung des Sensors mit externen Geräten zu ermöglichen.
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In
der Einrichtung 28 erfolgt besonders zweckmäßig auch
die Berechnung des Messstrom, also die Ermittlung der tatsächlichen
Höhe des
Messstroms, wozu in der Einrichtung 28, bei er sich um
einen geeigneten Mikrocontroller oder dergleichen Prozessor handeln
kann, geeignete Kalibrierdaten hinterlegt sind, die zur Auswertung
des aufbereiteten Messsignals dienen. Selbstverständlich befindet
sich die gesamte Sensoranordnung in einem geeigneten Gehäuse, wenngleich
dies hier nicht näher
dargestellt ist.