Magnetische Effekte Magnetfeldsensoren

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SCHULE
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Magnetische Effekte
Magnetfeldsensoren
• Einleitung:
Anwendung und Arten von Magnetfeldsensoren
• Grundlagen des Magnetismus
• Galvanomagnetische Effekte
– Hall-Effekt: Hall-Sonden
– Magnetowiderstandseffekt: Feldplatten
• Magnetoresitive Sensoren
(ferromagnetische Dünnfilm-Sensoren)
V3-1
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Einleitung
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Messung magnetischer Felder über weiten Feldstärkebereich
(ca. 15 Größenordnungen):
10 fT ... einige 10 T
ca. 10-14 .. 10-9 T: biomagnetische Felder (Magneto-Kardiogramm MKG, MEG)
10-5 T:
Erdmagnetfeld (30 ... 60 µT)
10-3 ... 1 T:
technische Magnetfelder, z.B.:
magnetische Speichermedien (ca. 1 mT)
Permanentmagneten für Schalter/Positions-Sensoren
(5 ... 100 mT)
bis ca. 30 T:
Hochmagnetfeld-Laboratorien (Supraleitende Magnete),
Teilchenbeschleuniger
Æ Vielzahl verschiedenartiger Magnetfeldsensoren und Messverfahren, z.B.
• Magnetkompass: ältestes sensorartiges Instrument (ca. 4000 Jahre)
• Moderne integrierte Hall- (Si)-Magnetfeldsensoren
• Magnetoresistive Dünnschichtsensoren
für Massenanwendungen als Positions-, Winkel-, Drehzahl- oder Stromdetektoren
V3-2
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Wichtige Arten und Messbereiche
von Magnetfeldsensoren
V3-3
• Galvanomagnetische Halbleitersensoren: integrierte Si- bzw. GaAs-HallSensoren (100 nT ... 10 T)
• Magnetoresistive Sensoren mit anisotroper ferromagnetischen Schichten,
z.B. Permalloy (10 μT ... 10 mT)
• Magnetowiderstände (Feldplatten) auf Halbleiterbasis, z.B. lnSb oder InAs
• Flux-Gate-Magnetometer: ferromagnetischer Kern mit Referenzfeld- und
Sensor-Spule (100 pT ... 1mT)
• klassische lnduktionsspule („search coil") mit Luft- oder ferromagnetischem
Kern (100 pT ... 10 T)
• SQUID (Superconducting Quantum lnterference Device): Josephson
Tunnelelemente aus Supraleitern, z.B. Nb / AI-Oxíd / Nb, oder
Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) aus polykristalliner Oxidkeramik,
z.B. YBaCuOxid (YBCO) in hochempfindlichen GradiometerAnordnungen (bis sub-pT-Bereich)
• Faseroptische Magnetfeldsensoren (Faraday-Effekt oder Magnetostriktion)
siehe Vorlesung „Faseroptische Sensoren“
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Magnetfeldsensoren
Anwendungen
V3-4
Magnetfeldsensoren wandeln magnetische Feldgrößen in elektrische Signale.
Man unterscheidet 2 Arten von Anwendungen:
a) direkte Anwendung: Sensor ist Teil eines Magnetometers:
• Messung von Erd-Magnetfeldern
• Messung von Biomagnetfeldern
• Magnetometrie in der Raumforschung
• Lesen von magnetischen Speichermedien (Magnetband, Diskette, magnetisch
kodierte Karten)
• Detektion metallischer Objekte (ldentifizierung von Münzen u.a.),
• Erkennung magnetischer Muster in Druckfarben (Banknoten)
b) indirekte Anwendung: Magnetfeld dient als lnformationsträger für Messung
nichtmagnetischer Signale (sogenannte Tandemwandler):
• berührungslose Strommessung an elektrischen Leitern (integrierte Stromzähler,
Überstromschutz)
• kontaktlose Positionserfassung
• Materia|prüfungen von Objekten aus ferromagnetischem Material (Detektion
lokaler Feldänderungen)
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Grundlagen des Magnetismus (I)
V3-5
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B = μ0 · μ r · H
B - magnetische Flussdichte, oder magnetische Induktion,
in Tesla, 1 T = 1 Vs/m² = 104 Gauß
H - magnetische Feldstärke, in A/m
μ0 - magnetische Feldkonstante, oder Permeabilität des Vakuums,
μ0 = 4π⋅10-7 T/A/m
μr - relative Permeabilität: beschreibt Material-Eigenschaften von Stoffen,
auf die das Magnetfeld H einwirkt, μr(Luft) ≈ 1
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Grundlagen des Magnetismus (I)
V3-6
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Die durch Einwirken eines magnetischen Feldes in die Materie erzeugte
magnetische Flussdichte B setzt sich aus zwei Anteilen zusammen, einem von
der Vakuumerregung herrührenden und einem von der Materie verursachten
(magnetische Polarisation J):
B= μ0 · H + J
mit J = (μr -1) · μ0 · H = Km · μ0 · H
Km = (μr -1) - magnetische Suszeptibilität (beschreibt das Verhältnis von
Polarisation zur Flussdichte des Vakuums)
Æ magnetische Materialeigenschaften:
μr < 1 (bzw. Km < 0) : diamagnetische Materialien
μr > 1 (bzw. Km > 0) : paramagnetische Materialien
}
μr ≈ 1, Materialien
niedriger Permeabilität
μr >> 1 : Ferromagnetika - B(H) Hysteresis, magnetische Induktion hängt von
der magnetischen Vorgeschichte des Materials ab
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Galvanomagnetische Effekte
V3-7
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Grundlage der meisten Magnetfeldsensoren - verursacht durch die Einwirkung
der Lorentz-Kraft FL auf bewegte Ladungsträger (freie oder gebundene
Elektronen in Metallen, Halbleitern oder Isolatoren) in einem Magnetfeld:
FL = e 0 · ( v × B )
e0 - Betrag der Elektronenladung
v - Ladungsträgergeschwindigkeit
B - magnetische Induktion
Î Effekt ist groß in Materialien mit hoher Ladungsträger-Beweglichkeit µ:
µ=v/E
E – elektrisches Feld im Material
Wichtigste galvanomagnetische Effekte für die Sensorik:
Hall-Effekt: Hall-Generatoren (Hall-Sonden)
Magnetowiderstandseffekt (Gaußeffekt):
Æ Feldplatten (Magnetowiderstände)
Weitere Magnetfeld-Sensoreffekte basierend auf Lorentzablenkung z.B. :
Ablenkung injizierter Löcher (Magnetokonzentration, Suhl-Effekt)
- in p+n Magnetodioden
- verstärkt in Magneto-Transistoren
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Hall-Effekt (I)
V3-8
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Genutzt als Sensor-Effekt in Hall-Sonden (nach E.H. Hall, 1879)
B ⊥ lS ⊥ UH
dünnes Plättchen der Dicke d,
IS
Länge L, L >> d, und Breite b, ist
senkrecht von Magnetfeld B durchsetzt:
b
L
Bei Steuerstrom lS in Längsrichtung kann an den Seiten eine Hall-Spannung UH
abgegriffen werden, die infolge der Lorentz-Kraft FL entsteht:
FL = e0 · v · B
FL wirkt auf die Elektronen und lenkt sie ab, so dass eine Seite des HallPlättchens an Elektronen verarmt und die andere entsprechend angereichert
wird. Es baut sich ein elektrisches Feld E auf, das auf die Elektronen die
Gegenkraft Fe ausübt:
Fe = e 0 · E
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Hall-Effekt (II)
V3-9
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Die beiden Kräfte stehen im Gleichgewicht:
FL = Fe ,
d.h., E = v · B ,
so dass an einem Plättchen längs der Breite b die Spannung UH entsteht:
UH = E · b = v · B ·b
Für die Stromdichte S gilt:
S = IS / (b·d) = n · v · e0 Æ v =
Einsetzen von v in (1) ergibt:
IS
IS ⋅ B
1
⋅
= RH ⋅
UH =
n ⋅ e0 b ⋅ d
d
(1)
„Hall-Generator“
IS
1
⋅
n - Elektronenkonzentration
n ⋅ e0 b ⋅ d
Hall-Spannung
Vorzeichen abhängig von Stromrichtung und -Feldrichtung
RH = 1/n·e0 in cm³/As - materialabhängige Hall-Konstante
Æ Hall-Spannung ist um so größer, je kleiner die Ladungsträgerkonzentration n
Æ Halbleiter (Si oder GaAs mit n ≈ 1015 /cm³) sind für Hallsensoren besser
geeignet als Metalle (z.B. Cu mit n = 8,7·1022 /cm³)
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Hall-Effekt (III)
V3-10
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B
IS
n
L
IS ⋅ B
IS
1
⋅
= RH ⋅
UH =
n ⋅ e0 b ⋅ d
d
UH ~ 1/n , 1/d Æ dünner Halbleiter !
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Hallsensoren
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V3-11
Hall-Effekt ist für Messtechnik/Sensorik besonders geeignet:
• linearer Zusammenhang zwischen magnetischer Induktion B und
Hall-Spannung UH
• großer Messbereich (ca. 10-4 T ... ca. 20 T)
• großer Temperatur-Bereich (wenige Kelvin ... 400 K)
Innenwiderstand eines Hall-Sensors nimmt mit steigender Induktion zu, d.h.,
Konstantstromquelle für IS und Abschlusswiderstand erforderlich.
Æ Integrierte Si-Hallsensoren in Bipolar- oder MOS-Technologie
• Hall-Plättchen ca. 0,2 · 0,2 mm² und 5... 10 μm Dicke der aktiven Schicht
• mit Signalverarbeitungselektronik auf dem Chip
• kostengünstige Massenproduktion
Anwendungen:
• kostengünstige Positionssensoren (berührungslose Wegmessung)
• Drehratenmessung (rotierender Magnet, stationärer Hall-Sensor)
• integrierte Stromzähler (potentialfreie Strommessung), u.a.
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Integrierte Hall-Sensoren
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V3-12
Mikrophoto eines linearen Hall-IC mit
rechteckiger Hall-Platte in der Mitte
Schema eines integrierten Hall-Sensors in
Bipolar-Technologie mit Stromkontakten
CC, Hall-Spannungskontakten SC und
Raumladungsschicht DL (zur Begrenzung
der aktiven Schichtdicke im n-Gebiet)
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Magnetowiderstandseffekt
(Gauß-Effekt)
V3-13
Ablenkung der Stromlinien durch Lorentz-Kraft führt zu einem längeren Weg
der Elektronen und damit zu einem höheren Widerstand
Effekt wird besonders groß bei Verringerung des Elektrodenabstands, d.h. für
sehr kurzes breites Plättchen (I « b)Æ Feldplatte (Magnetowiderstand)
RB = R0 · (1 + k · B²)
R0 - Widerstand bei B = 0
Quadratischer Effekt - Widerstandsänderung
nicht von Polung des B-Feldes abhängig
(anders als bei Hall-Effekt) !
Für größere magnetische Induktionen B wird
die Abhängigkeit zunehmend linear :
k ~ (µ/E)² ~ Ladungsträgerbeweglichkeit µ
d.h., III/V Halbleiter mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit wie InSb oder InAs
werden bevorzugt für Feldplatten verwendet.
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Magnetowiderstände (Feldplatten)
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Aufbau siehe Abbildung
R0 = 100 ... 1000 Ω
mäanderförmig geätztes
Indiumantimonid (lnSb)-Plättchen mit
eingebetteten elektrisch leitenden
NiSb-Nadeln als Kurzschlussstreifen
(lnSb/NiSb-Eutektikum)
V3-14
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Differential-Feldplatte
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V3-15
= kontaktloses Potentiometer:
• Aufteilung der Feldplatte in 2 gleich
große Widerstände und Brückenschaltung
• zusätzlich Kompensation der relativ
großen Temperatur-Abhängigkeit von RB
Relativbewegung der Feldplatte zu Dauermagnet abgestimmter Abmessung:
• Widerstände der beiden Feldplattenhälften ändern sich gegensinnig
(Kennlinie oben rechts)
• in Diagonalen einer Messbrücke geschaltet erhält man neben TemperaturKompensation auch maximale Empfindlichkeit
• Anwendung als kontakt- u. berührungslose Endlagenschalter oder als
Weg- und Winkelsensoren
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Magnetoresistiver Effekt
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V3-16
1.) Quadratischer, geometrischer Magnetowiderstandseffekt in dia- und
paramagnetischen Halbleitern (d.h. geringe Permeabiliät)
= Gauß-Effekt, galvanomagnetischer Effekt
2.) Magnetfeldabhängige Widerstandsänderung in magnetisch anisotropen
ferromagnetischen dünnen Schichten, z.B. aus Permalloy (Ni81Fe19-Legierung)
= magnetoresistiver Effekt
Merkmal des magnetoresistiven Effekts:
Spezifischer Widerstand ρ in der ferromagnetischen Schicht hängt vom
Winkel Θ zwischen Stromdichtevektor und dem inneren Magnetisierungsvektor
(beide in der Schichtebene) ab:
ρ(Θ) = ρ(90°) + Δρ · cos²(Θ)
Δρ / ρ(90°) = Größe des magnetoresistiven Effekts (je nach Material 1 ... 3 %)
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Ferromagnetísche
Dünnschicht-Sensoren
V3-17
Bei Orientierung des äußeren Magnetfeldes parallel zur sogenannten
„weichen“ Achse der anisotropen ferromagnetischen Schicht beobachtet man
bei Erreichen der Koerzitiv-Feldstärke HC eine abrupte Umkehr der
Magnetisierungs-Richtung in der Schicht.
( HC = notwendiges Gegenfeld, um eine ferromagnetische Substanz zu
entmagnetisieren )
Starke Widerstandsänderung bei kleiner Magnetfeldänderung Î
• empfindliche Sensoren (bedingt durch hohe Permeabilität μr >> 1 bei
ferromagnetischen Materialien)
• allerdings geringe Linearität
• Anwendung für digitale Detektion, z.B. Leseköpfe für magnetische
Speichermedien
Günstige Parameter von Permalloy als Schichtmaterial:
•
•
•
•
geringe Magnetostriktion (= hohe mechanische Stabilität der Schichten)
niedrige Koerzitiv- und Anisotropie-Feldstärken
Schichtdicke < 40 nm und hoher spezifischer Widerstand bevorzugt
1 ... 2 % Widerstandsänderung bei Ummagnetisierung
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SQUID Magnetfeld-Sensor
V3-18
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SQUID = Superconducting Quantum Interference Device
Funktionsweise basiert auf
- Flussquantisierung im supraleitenden Ring und
- Josephson-Effekt
Æ Änderung des Magnetflusses um magnetisches Flussquantum Φ0 = h/2e =
2,0678·10−15 T · m² erzeugt eine Spannungs-Schwingungsperiode.
SQUID erlaubt hochgenaue Messung des magnetischen Flusses
im supraleitenden Kreis.
I
zu messender Magnetfluss Φ
Φ
U
ΔΦ = Φ0
U
Normalleitende Tunnelübergänge
(Josephson-Kontakte)
Supraleitender Kreis (Fläche F)
Φ/Φ0
F = 1cm2 Æ ∆B ≈ 2·10-11 T
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Polarimetrischer Strom-Sensor
(Magnetooptischer Effekt)
Magneto-optischer Effekt Δn(B):
Δn = V · λ/2π · B
B - Magnetische Induktion
V - Verdet-Konstante
V(SiO2, 633 nm) = 3,67 rad/T/m
λ - Licht-Wellenlänge
Δn – Änderung des Brechungs-Index
V3-19
Drehwinkel α der Polarisation:
α = V ⋅ ∫ B ⋅ ds = V ⋅ N ⋅ I
EingangsPolarisation
Faser: Optisches Medium
mit Verdet-Konstante V
Weg
V = 4.68·10-6 rad/A
at λ = 633 nm
N – WindungsAnzahl
AusgangsPolarisation, um
Winkel α gedreht
Leiter mit elektrischem Strom I
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Laser
Interferometer mit
magnetostriktiven Materialien
Faserkoppler
Empfänger
V3-20
Spiegel
Spiegel
Magnetfeld B
Magnetostriktives
Transducer-Material:
Co, Ni, Tb0,3Dy0,7Fe2 (Terfenol-D),
metallische Gläser,
als Wickelkörper oder
als Dünnschicht-Faser-Überzug