Sensor 9

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Werkstoffe und Sensorik
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9. Magnetosensoren
Prinzipien
Die physikalischen Effekte lassen sich in 4 Kategorien
unterteilen:
i) Elektromagnetische Effekte
ii) Wirkung magnetischer Felder auf Materialeigenschaften, (Hall-Effekt, Strom-, Widerstandsänderung)
iii) Wechselwirkung zwischen mechanischer Beanspruchung und magnetischen Eigenschaften, z.B. Magnetostriktion und Magneto-Elastizität
iv) Supraleitung, z.B. Josephson Effekt
Galvano-magnetische Effekte sind der Thomson- und
der Hall-Effekt. Erforderlich ist eine hohe LadungsträgerBeweglichkeit und eine niedrige LadungsträgerKonzentration (Halbleiter).
Magneto-resistiver (Thomson) Effekt: Erhöhung des
Widerstands eines Materials durch den Einfluß eines
magnetischen Feldes (III/V Halbleiter). Hall-Spannung:
U H ª BzI x
DE Es - E d l m
=
=
Ed
Ed
le
(9.4)
Die magneto-elastische Verzerrung, lm, hängt von dem
angelegten Druck und der Größe der vorhandenen Anisotropie ab.
Weitere magneto-elektrische Effekte: Villari beobachtete
eine Permeabilitätsänderung durch eine elastische Ausdehnung eines ferromagnetischen Materials in der
Richtung der angelegten Spannung. Matteucci beobachtete, daß die Torsion eines ferromagnetischen Stabes
in einem longitudinalen Feld die Magnetisierung des
Stabes ändert. Wiedemann präzisierte diesen Effekt durch
die Beobachtung, daß sich ein ferromagnetischer Stab
verbiegt, wenn er einem longitudinalen magnetischen
Feld ausgesetzt wird, und ein Strom durch den Stab
fließt, der ein zirkulares Feld erzeugt.
(9.1)
Magnetostriktion und Magneto-elastische Effekte: Ein
magnetischer Stab, der einem longitudinalen Magnetfeld
unterworfen wird, zeigt eine Längenänderung (JouleEffekt). In der Richtung senkrecht dazu findet eine
Abnahme des Durchmessers statt und im allgemeinen
eine Abnahme des Volumens. Ebenfalls wird der
Youngsche Modul E des Materials durch das Magnetfeld
geändert.
Wird auf einen entmagnetisierten ferrromagnetischen
Stoff ein mechanischer Druck angewandt, so werden
zwei Arten der Verzerrung produziert:
i) Mechanisch-elastische Verzerrung, le, die in jedem
Abb. 9.1.
Material auftritt, und
ii) Magneto-elastische Verzerrung, l m, durch die
Elektromagnetische Sensoren: . Der einfachste magnetische Sensor beruht auf elektromagnetischen Prinzipien.
Nach dem Faradayschen Gesetz wird in einem geschlossenen elektrischen Stromkreis eine Spannung indiziert, wenn der Induktionsfluß NFsich mit der Zeit
ändert
Reorientierung von Domänen durch den angewandten
Druck, s.
Der Youngsche Modul für diesen entmagnetisierten
Zustand ist
-d( NF)
dt
(F = Induktionsfluß, N = Windungen)
Ed =
s
le + lm
(9.2)
Für eine gesättigte Probe ist die magneto-elastische
Verzerrung 0, da keine Domänenreorientierung auftritt.
Es gilt daher
Es =
s
le
und demzufolge
(9.3)
U=
(9.5)
Die Änderung des Flusses in einer stationären Spule kann
prinzipiell auf zwei Weisen erfolgen:
i) Erzeugung eines Induktionsflusses, der sich periodisch mit der Zeit ändert, und
ii) Änderung des magnetischen Flusses durch Änderung
eines Luftspalts oder Änderung der Orientierungsrichtung der Magnetisierung.
Meist wird ein sinusförmiger Fluß in einer Primärspule
erzeugt, und eine sekundäre Detektorspule mißt die Flußdichte in einem spezifischen Gebiet. Es ist notwendig,
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daß die Impedanz der Detektorspule nicht das Meßsystem
lädt.
Eine alternative Methode der Änderung des Flusses in
der Spule ist die Änderung der magnetischen Domänenstruktur in dem Gebiet des magnetischen Materials
nahe der Detektorspule.
Die zweite Familie elektro-magnetischer Sensoren
basiert auf der Bewegung einer Spule in kontrollierter
Weise oder durch vollständige Herausnahme der Spule
aus einem Gleichstromfeld, der Änderung der elektromagnetischen Kopplung zwischen den Spulen sowie der
Änderung der Induktion der Spulen durch die relative
Bewegung der Spulen oder durch Bewegung eines
weichmagnetischen Kerns innerhalb der Spulen.
Bewegung von Domänenwänden:
Sixtus und Tonks zeigten, daß ein Nickel-Eisen-Draht mit
10-20 % Nickel eine positive Magnetostriktion und
relativ niedrige Anisotropie aufweist, wenn er magnetisiert wird. Unter Spannung bildet er eine einzige Domäne mit der Sättigungsmagnetisierung entlang der
Achse des Drahtes. Die Umkehrung des Magnetfeldes hat
keine Wirkung auf die einzelne Domäne bis ein kritischer
Wert Hcr überschritten wird. Für größere Felder war es
Die wandernde Wand weist die Form einer Trompete auf
(Teil c der Abb.).
möglich, eine Umkehr der Domänenmagnetisierung an
einem Ende des Drahts durch eine lokale Magnetspule
auszulösen (Abb.). D ist die auslösende Spule, während
Spulen C und F verwendet wurden, um die
Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sich die
Domänengrenze entlang des Drahtes ausdehnt. Die
letzten Spulen geben auch Information über die Form der
sich ausbreitenden Domänengrenze. Teil b der Abbildung
zeigt die Hysterese-Schleifen für den Draht mit und ohne
Verformung. Die hohe Rate der Änderung der Flußdichte
mit dem Feld (dB/dH) entspricht der Umkehr der Magnetisierung, die durch die Bewegung der Domänenwand
von einem Ende des Drahts zum anderen erzeugt wird.
Die diskontinuierliche Umkehr der Magnetisierung eines
kleinen Magneten, der im Idealfall aus einer einzigen
magnetischen Domäne besteht, kann für die Sensorik verwendet werden, wenn der resultierende induzierte
Spannungspuls in einer Spule, der mit der Umkehr
verbunden ist, ausgewertet wird. Die am meisten
verbreitete Anwendung des Sixtus-Tonks Phänomens
wurde von Wiegand vorgeschlagen, der zwei Drähte aus
Vicalloy (Co52, V10, Fe38) miteinander verdreht hat.
Diese Wiegand-Drähte, die einen weichen inneren
magnetischen Kern und eine härtere magnetische Außenzone aufweisen , erzeugen hohe reproduzierbare Span-
Abb. 9.2.
Abb. 9.3.
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nungspulse. Im Ausgangszustand wird sichergestellt, daß
der innere Kern und die äußere Zone bis zur Sättigung in
entgegengesetzter Richtung magnetisiert sind (Abb. 1.3.).
Die härtere magnetische äußere Zone bewahrt die
Magnetisierung des inneren Kerns unter dem Einfluß
eines Magneten. Wenn z.B. unter Verwendung eines
permanenten Magneten ein zusätzliches Feld in der
Richtung der Magnetisierung der äußeren Zone erzeugt
wird, dann wird oberhalb eines bestimmten Grenzwerts in
dem inneren Kern die Ausbreitung einer Domänenwand
ausgelöst, die eine Spannung von mehreren Volt erzeugt,
wenn eine Spule mit 1000 Windungen verwendet wird.
Am Ende sind sowohl der innere Kern als auch die
äußere Zone in der gleichen Richtung magnetisiert.
Danach wird der Draht in den ursprünglichen Zustand
durch ein magnetisches Feld der korrekten Größe versetzt. Im idealen Fall sind die Amplitude und die Gestalt
des Spannungspulses nur von der Geschwindigkeit der
b e w e g t e n D o m ä n e n w a n d ( S i xtus-Tonks-Welle)
abhängig, aber nicht von der Geschwindigkeit der
Änderung des treibenden Feldes dH/dt. Für eine
induzierte Spannung U gilt allgemein die Beziehung
UªD Bvn
(9.6)
wobei D B die Änderung der Flußdichte eines großes
Barkhausen-Sprungs, v die Geschwindigkeit der Ausbreitung der Domänenwand und n die Zahl der Domänenwände sind.
Teil c der Abb. stellt den Umkehrmachanismus der
Magnetisierung unter Anwendung der Hysterese-Schleife
dar. Ein typischer Spannungspuls ist dargestellt. Diese
physikalischen Prinzipien der Ausbreitung von
Domänenwänden werden in Wiegand- und PulsdrahtSensoren verwendet.
Während der letzten 25 Jahre wurden magnetische
SQUID-Sensoren entwickelt (Superconducting Quantum
Interference Devices), die auf dem Supraleitungsphänomen des Josephson-Effekts beruhen. SQUIDS sind
die empfindlichsten magnetischen Sensoren und haben
eine magnetische Feldauflösung in der Größenordnung
mehrerer femto-Tesla (fT) erreicht. Der supraleitende
Zustand ist durch die perfekte Leitung des Stromes ohne
Verluste, die Abstoßung magnetischer Flüsse (MeissnerEffekt) und die Quantisierung des Flusses charakterisiert.
Josephson sagte theoretisch voraus, daß es für ein
Elektronenpaar möglich sein sollte, zwischen nah benachbarten Supraleitern sogar ohne Potentialdifferenz zu
tunneln.
Praktische Ausführungen
Hall-Element: Für ein homogenes rechteckiges, unendlich langes Halbleiterplättchen gilt:
U H• =
RH
IB
d
(9.7)
wobei d die Schichtdicke und i der Strom sind. Für
eineAbmessung der Länge L und der Breite W gilt
U H = GU H•
(9.8)
G ist ein Korrekturfaktor, der ab L/W > 3 etwa 1 ist.
Durch geringe Dicke der Halbleiterschichten (DünnAbb. 9.4. In Dünnschichtechnik ist das Hallelement aus breiten
schichttechnik) läßt sich die Hall-Spannung UH groß
Zuleitungsbahnen und einem kleinen Hallkreuz aufgebracht auf
machen. Das Hall-Element kann direkt integriert werden;
isolierender Unterlage aufgebaut. Da die Hallspannung dem
geeignete Materialien sind Silizium und Galiumarsenid.
Reziprokwert der Dicke des Hallkreuzes proportional ist, ist die
Dünnschichttechnik für hohe Hallspannungen die geeignete
Abb. 9.4. - 9.9.: Konstruktive Ausführungen von HalleleTechnik.
menten:
Josephson-Effekt:
Abb. 9.5. Gebildet wird eine dünne n-Schicht, die zur
Umgebung mit einer p-Schicht isoliert ist. Diese Schicht erhält
2 Stromkkontakte und 2 Kontakte zur Messung der Hallspannung
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Abb. 9.6. Die Integration des Hallelementes ist mit der gleichen
Schichtenfolge wie bei den anderen Bauelementen (Bipolartransistor) möglich.
Abb. 9.9. Druckmessung mit einer Membran, an der ein Magnet
befestigt ist. Bei Auslenkung der Membran durch Druckeinwirkung wird der Magnet an einem Hallelement vorbeigeführt, das
die Wegänderung mißt.
Feldplatte. Der Widerstand RB eines Halbleiterplättchens
Abb. 9.7. Die Isolation des Hallelementes zum Trägermaterial
ist bei GaAs dadurch einfach möglich, daß undotiertes GaAs
gewählt wird, das semiisolierend ist. Das Hallelement wird
durch Ionenimplantation mit entsprechender Leitfähigkeit bzw.
Beweglichkeit versehen. Die Stromversorgung erfolgt mit einer
Konstantstromquelle. Da auch bei fehlendem Magnetfluß eine
Offsetspannung an den Spannungselektroden vorhanden ist,
muß diese durch äußere Beschaltung kompensiert werden.
wird durch ein transversal zum Stromfluß I angelegtes
Magnetfeld B vergrößert. Für eine große
Widerstandsänderung bei Anlegen eines Magnetfeldes B
muß das Halbleiterplättchen möglichst kurz und breit sein
(W/L >> 1). Möglichst viele solcher schmalen Streifen
werden hintereinander geschaltet. Technologisch wird
dies durch eingelagerte nadelförmige Kristallite (hochleitende NiSb-Kristallite in InSb-Material) erreicht. Die
größte Widerstandsänderung ergibt ein scheibenförmiges
Halbleiterplättchen mit konzentrischen Elektroden.
In Dünnschichttechnik werden magneto-resistive
Legierungen, z.B. NiFeCo-Legierungen oder binäre
Legierungen 81Ni19Fe benutzt. Schichtdicken von 20100 m m werden durch Aufdampfen oder Sputtern
erreicht. Wirkt während der Beschichtung ein Magnetfeld
ein, so kann eine einheitliche Orientierung der magnetischen Vorzugsachse in der Schicht erreicht werden.
Substrat: SiO2 auf Si.
Abb. 9.10. - 9.20. Feldplatte als magnetoresistiver
Sensor:
Abb. 9.10. Das Magnetfeld steht senkrecht zu den Strombahnen
und erreicht dann eine maximale Änderung des elektrischen
Widerstandes. Wegen der erforderlichen hohen Beweglichkeit
Abb. 9.8. Drehzahlmessung mit Hallelementen.
Wird die sinusförmige Hallspannung durch einen SchmittTrigger in Rechtecksignale umgeformt, so kann ein digitaler
Zähler die Impulse zählen. Feststellung der Rechts- oder Linksdrehung durch 2 Hallelemente.
sind InAs und InSb bevorzugte Halbleitermaterialien.
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Abb. 9.11. Die Widerstandsänderung ist unabhängig von der
Richtung des Magnetfeldes B.
Abb. 9.16. Prinzipieller Verlauf der Widerstandsänderung in
Abhängigkeit von einem Verdrehungswinkel j oder y zum
Magnetfeld B:
RB
R0
2
ª cos j, y.
Abb. 9.12. Die Widerstandsänderung erreicht ein Maximum bei
bestimmten Leitfähigkeiten des Halbleiters.
Abb. 9.17. Integrationsfähige Struktur mit Nachbildung der
kreisförmigen Feldplatte für hohe Widerstandsänderung im
Magnetfeld B.
Abb. 9.13. Während beim Hallsensor die Struktur möglichst
lang und schmal sein muß, ist dies bei der Feldplatte genau
umgekehrt.
RB
R0
=
rB
r0
⋅F;
F = Korrekturfaktor
Abb. 9.18. Konstruktion in Dünnschichttechnik mit Barberpolen (45 ° versetzte Kurzschlußstreifen). Es sind Flußdichten
bis 1 nT nachzuweisen.
Abb. 9.14. Kurzschlußstreifen verkleinern das Verhältnis L/W
der Einzelstruktur und führen damit zu einer großen Widerstandsänderung. Werden diese Kurzschlußstreifen in einem
Winkel von 45 ° zur Längsachse angeordnet, so tritt eine
Linearisierung der Kennlinie RB / R0 = f(|B|) auf (Barberpole).
Abb. 9.19. Einbau leitender Kristallite mit ähnlicher Wirkung
wie die Kurzschlußstreifen zur Erhöhung der Widerstandsänderung.
Abb. 9.15. Die größte Widerstandsänderung tritt bei kreisförmiger Platte und konzentrischen Elektroden auf.
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Abb. 9.20. Brückenschaltung von 2 Feldplatten und 2 Festwiderständen.
Magnetfeldabhängigkeit der relativen Steigung 1 / R (dR / dB) eines Volumenbauelementes für 2 Dotierungen mit der Temperatur als Parameter.
Abb. 9.21. - 9.25 Anwendungsfälle der Feldplatte:
Abb. 9.24. 2 in einem bestimmten Abstand
isoliert sich gegenüberstehende Träger mit
magnetoresistiven Widerstandsbahnen auf
dem einen und Stromleitungen auf dem
anderen können als steuerbares Bauelement
eingesetzt werden. Durch den Strom Is wird
ein Magnetfeld Hs erzeugt, das von dem
magnetoresistiven Sensor gemessen wird.
Abb. 9.21. Messen von Drehzahlen und Positionen durch Veränderung des Magnetfelds am Sensor.
Abb. 9.22. Kompensationsschaltung, in der das Magnetfeld H
gemessen wird und wobei der magnetoresistive Sensor die
Kompensationsspannung U dieser Regelschaltung ermittelt.
Abb. 9.25. Strommessung durch Messung des durch einen
Strom Is hervorgerufenen Magnetfeldes.
Abb. 9.23. Magnetoresistive Schicht in Dünnschichttechnik auf
isolierendem Substrat. An der abgeschliffenen Kante wird ein
Magnettonträger vorbeigeführt, dessen Aufzeichnung gemessen
wird. Die Feldplatte mißt dabei unabhängig von der Geschwindigkeit des Magnettonträgers dessen Magnetfeld.
Magneto-Diode. Die Magneto-Diode nutzt die Ablenkung von Ladungsträgern eines i-leitenden Bereiches
einer Halbleiterdiode im Gebiet niedriger und hoher
Rekombination durch ein Magnetfeld aus. Dadurch
verändert sich der Sättigungsstrom Is ~1/t (t Lebensdauer
der Minoritätsladungsträger), und es ändert sich die
Gesamtkennlinie in Abhängigkeit von der durch das
Magnetfeld verursachten Ablenkung. Eine niedrige
Rekombination ist im eigenleitenden i-Gebiet einer
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Halbleiterdiode vorhanden; eine hohe Rekombination
wird z.B. durch eine gestörte Oberfläche erreicht.
Geeignete Halbleitermaterialien weisen einen hohen
spezifischen Widerstand (i-Zone) und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit auf.
Abb. 9.26. - 9.29. Funktionsweise und Kennlinien der
Magnetodiode:
Abb. 9.29. Brückenschaltung von Magnetodioden und
Brückenkennlinie für unterschiedlich gerichtete Magnetfelder.
Die größte Empfindlichkeit wird bei Brückengleichgewicht und
B = 0 erreicht.
Abb. 9.26. Bei positivem Magnetfeld +H werden die Ladungsträger nach Injektion durch den p- , i-Kontakt in das i-Gebiet zur
Oberfläche abgelenkt und haben dort eine geringere Lebensdauer (höhere Rekombination), was zu einer Stromerhöhung
führt. Durch Umdrehen des Magnetfeldes auf -H wird der
Vorgang umgekehrt.
Magneto-Transistor. Ladungsträger erfahren im Magnetfeld eine Ablenkung, wenn Magnetfeld und elektrisches
Feld nicht in eine Richtung wirken. Das wird für den
Magneto-Resistor ausgenutzt, indem der Emitterstrom in
Richtung Kollektor bzw. der Drainstrom in Richtung
Source durch das Magnetfeld B abgelenkt wird. Liegt das
elektrische Feld in x-Richtung, das magnetische Feld in
z-Richtung, so werden die Ladungsträger in y-Richtung
abgelenkt. Der Ablenkwinkel q hängt von den Strömen Iy
und Ix sowie der Flußdichte Bz des Magnetfeldes ab.
tan q =
Iy
Ix
ª Bz
(9.9)
Abb. 9.30. - 9.31. Bipolarer Multikollektortransistor als
Magnetfeldsensor / Abb. 9.32. Unipolare CMOSTransistoranordnung als Magnetfeldsensor:
Abb. 9.27. Kennlinienfeld für eine industriell hergestellte
Magnetodiode. Sie spricht auf die Richtung des Magnetfeldes
an, indem die Durchlaßkennlinie nach größeren oder kleineren
Strömen verschoben wird.
Abb. 9.30. Der Strom wird in einem Magnetfeld B um den
Hallwinkel Q abgelenkt (tan Q = mn B). Vorgesehen sind in der
Anordnung 2 gleich aufgebaute Kollektorgebiete. Je nach
Magnetfeldrichtung wird der Strom IC1 zum Kollektor C1 im
Verhältnis zum Strom IC2 des Kollektors C2 verändert sein. Die
Abb. 9.28. Die Empfindlichkeit der Magnetodiode erhöht sich
bei hohen Strömen und ist für unterschiedliche Richtung des
Magnetfeldes auch unterschiedlich.
Stromdifferenz ist
DI C = I C1 - IC2 ª
L
I E ⋅B.
W
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Abb. 9.31. Mehrere Kollektoren ermöglichen größere Variabilität des Bauelementes im Einsatz als Sensor. Durch den Basisstrom
kann auch die Empfindlichkeit als Sensor gesteuert werden.
Abb. 9.32. 2 komplementäre MOS-Transistoren werden überkreuz als Differenzverstärker geschaltet. Durch ein Magnetfeld B
werden die Ladungsträger abgelenkt, so daß beim n-Kanal-Schalttransistor die Ladungsträger im n-Kanal zum einen Drainanschluß
abgelenkt werden. Dadurch entsteht dort ein größerer Stromfluß bzw. die Strom-Spannungs-Kennlinie verschiebt sich zu höheren
Strömen. Im p-Kanal-Lasttransistor wird wegen der Überkreuzschaltung die Strom-Spannungs-Kennlinie nach niedrigen Strömen
verschoben, so daß sich der Arbeitspunkt von B = 0 nach +B verschiebt. Im anderen Zweig ist es genau umgekehrt, so daß eine große
Spannungsdifferenz zwischen den Ausgängen entsteht.
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SQUID. Werden 2 Supraleiter durch eine dünne
Wechselwirkungszone miteinander verbunden, so koppeln die koharenten Wellenfelder Cooperpaare jedes der
beiden Supraleiter über einen Tunneleffekt, und es
entstehen Interferenzen. Sie sind durch ein Magnetfeld zu
beeinflussen, wobei gleichgültig ist, ob das Magnetfeld
ein äußeres ist oder durch den Stromfluß erzeugt wird.
Konstruktiv wird die Kopplung durch eine dünne
Oxidschicht (> 1 nm) erreicht. Schaltet man zwei dieser
Verkopplungstellen (Josephson-Elemente) parallel, so
erhält man ein SQUID. Hall-Sensoren können bis 10-7 10-8 T nachweisen, SQUID bis 10-14-10-15T.
Abb. 9.33. - 9.36. Supraleitendes SQUID als Sensor für
Magnetfelder:
Abb. 9.35. Wirkt ein Magnetfeld auf das Josephsonelement, so
wird der Strom nah einer Spaltfunktion verändert
pF
F0
È pF ˘
= I max Sp
;
pF
ÍÎ F ˙˚
sin
I = Imax
0
F0
Abb. 9.33. Josephsonelemente können unterschiedlich herge-
h
= 2, 07 ⋅10- 15 V⋅ s (Flußquant ).
2c
F Magnetfluß / Die Nullstellen liegen bei nF0.
F0 =
stellt werden. Entscheidend ist eine schwache Verkopplung der
Das Magnetfeld kann durch einen Stromfluß in einem Leiter
Supraleiter (geringe Konzentration der Cooperpaare).
erzeugt werden.
a) 2 Supraleiter verkoppelt durch ein dünnes Oxid.
b) Der Punktkontakt zwischen 2 Supraleitern ergibt an der
Übergangsstelle eine schwache Verkopplung
c) Über den Supraleiter wird ein Normalleiter gelegt. Im darunter liegenden Supraleiter wird durch einen Proximityeffekt
eine schwache Verkopplungsstelle erzeugt (Merceraubrücke).
d) Dayembrücke, bestehend aus 2 Supraleitern, die durch eine
dünne Verbindungsstelle schwach verkoppelt sind.
Abb. 9.34. Ohne angelegtes Magnetfeld fließt über das
Josephsonelement ein Strom ohne Spannungsabfall. Wird der
kritische Strom IC erreicht, so springt der Arbeitspunkt auf die
Kennlinie der Normalelektronentunnelung.
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Abb. 9.36. Werden 2 Josephsonelemente parallel geschaltet, so
ändert sich der Strom in Abhängigkeit vom magnetischen Fluß
F zu
pF
F0
pF A
⋅ cos
pF
F0
F0
sin
I = 2 I max
wie bei Interferenzen einer ebenen Welle am Doppelspalt.