FACH Magnetische Effekte HOCH SCHULE JENA...

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UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

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)

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Einleitung

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

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

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Wichtige Arten und Messbereiche von Magnetfeldsensoren

• Galvanomagnetische Halbleitersensoren: integrierte Si- bzw. GaAs-Hall-Sensoren (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 Gradiometer-Anordnungen (bis sub-pT-Bereich)

• Faseroptische Magnetfeldsensoren (Faraday-Effekt oder Magnetostriktion) siehe Vorlesung „Faseroptische Sensoren“

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Magnetfeldsensoren Anwendungen

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)

B = μ0 · μr · H

B - magnetische Flussdichte, oder magnetische Induktion, in Tesla, 1 T = 1 Vs/m² = 104 Gauß

H - magnetische Feldstärke, in A/mμ0 - magnetische Feldkonstante, oder Permeabilität des Vakuums,

μ0 = 4π⋅10-7 T/A/mμr - relative Permeabilität: beschreibt Material-Eigenschaften von Stoffen,

auf die das Magnetfeld H einwirkt, μr(Luft) ≈ 1

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Grundlagen des Magnetismus (I)

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 + Jmit J = (μr -1) · μ0 · H = Km · μ0 · H

Km = (μr -1) - magnetische Suszeptibilität (beschreibt das Verhältnis von Polarisation zur Flussdichte des Vakuums)

magnetische Materialeigenschaften:

μr < 1 (bzw. Km < 0) : diamagnetische Materialienμr > 1 (bzw. Km > 0) : paramagnetische Materialien

μr >> 1 : Ferromagnetika - B(H) Hysteresis, magnetische Induktion hängt von der magnetischen Vorgeschichte des Materials ab

μr ≈ 1, Materialien niedriger Permeabilität}

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Galvanomagnetische Effekte

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 = e0 · ( v × B )

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):

Feldplatten (Magnetowiderstände)

Weitere Magnetfeld-Sensoreffekte basierend auf Lorentzablenkung z.B. : Ablenkung injizierter Löcher (Magnetokonzentration, Suhl-Effekt)

- in p+n Magnetodioden - verstärkt in Magneto-Transistoren

e0 - Betrag der Elektronenladungv - LadungsträgergeschwindigkeitB - magnetische Induktion

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Hall-Effekt (I)

Genutzt als Sensor-Effekt in Hall-Sonden (nach E.H. Hall, 1879)

B ⊥ lS ⊥ UH

dünnes Plättchen der Dicke d,Länge L, L >> d, und Breite b, istsenkrecht von Magnetfeld B durchsetzt:

Bei Steuerstrom lS in Längsrichtung kann an den Seiten eine Hall-Spannung UHabgegriffen werden, die infolge der Lorentz-Kraft FL entsteht:

FL = e0 · v · BFL wirkt auf die Elektronen und lenkt sie ab, so dass eine Seite des Hall-Plättchens 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 = e0 · E

IS

b

L

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Hall-Effekt (II)

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 (1) „Hall-Generator“

Für die Stromdichte S gilt:S = IS / (b·d) = n · v · e0 n - Elektronenkonzentration

Einsetzen von v in (1) ergibt:

Hall-SpannungVorzeichen abhängig von Stromrichtung und -FeldrichtungRH = 1/n·e0 in cm³/As - materialabhängige Hall-Konstante

Hall-Spannung ist um so größer, je kleiner die Ladungsträgerkonzentration n Halbleiter (Si oder GaAs mit n ≈ 1015 /cm³) sind für Hallsensoren besser

geeignet als Metalle (z.B. Cu mit n = 8,7·1022 /cm³)

dbI

enS

⋅⋅

⋅=

0

1v

dBIR

dbI

enU S

HS

H⋅⋅=

⋅⋅

⋅=

0

1

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Hall-Effekt (III)

IS

B

L

n

dBIR

dbI

enU S

HS

H⋅⋅=

⋅⋅

⋅=

0

1

UH ~ 1/n , 1/d dünner Halbleiter !

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Hallsensoren

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.

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

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)

Mikrophoto eines linearen Hall-IC mit rechteckiger Hall-Platte in der Mitte

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Magnetowiderstandseffekt (Gauß-Effekt)

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) Feldplatte (Magnetowiderstand)

RB = R0 · (1 + k · B²) R0 - Widerstand bei B = 0

Quadratischer Effekt - Widerstandsänderungnicht 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 Ladungs-trägerbeweglichkeit wie InSb oder InAswerden bevorzugt für Feldplatten verwendet.

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Magnetowiderstände (Feldplatten)

Aufbau siehe Abbildung

R0 = 100 ... 1000 Ω

mäanderförmig geätztes Indiumantimonid (lnSb)-Plättchen mit eingebetteten elektrisch leitendenNiSb-Nadeln als Kurzschlussstreifen(lnSb/NiSb-Eutektikum)

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Differential-Feldplatte

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 Temperatur-

Kompensation auch maximale Empfindlichkeit• Anwendung als kontakt- u. berührungslose Endlagenschalter oder als

Weg- und Winkelsensoren

= kontaktloses Potentiometer:• Aufteilung der Feldplatte in 2 gleich große Widerstände und Brückenschaltung • zusätzlich Kompensation der relativ großen Temperatur-Abhängigkeit von RB

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Magnetoresistiver Effekt

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

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 zuentmagnetisieren )

Starke Widerstandsänderung bei kleiner Magnetfeldänderung • empfindliche Sensoren (bedingt durch hohe Permeabilität μr >> 1 bei

ferromagnetischen Materialien)• allerdings geringe Linearität• Anwendung für digitale Detektion, z.B. Leseköpfe für magnetische

SpeichermedienGünstige 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

SQUID = Superconducting Quantum Interference DeviceFunktionsweise basiert auf - Flussquantisierung im supraleitenden Ring und - Josephson-Effekt

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

ΦU

Supraleitender Kreis (Fläche F)

Normalleitende Tunnelübergänge (Josephson-Kontakte)

zu messender Magnetfluss Φ U ΔΦ = Φ0

Φ/Φ0

F = 1cm2 ∆B ≈ 2·10-11 T

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Polarimetrischer Strom-Sensor (Magnetooptischer Effekt)

Eingangs-Polarisation

Leiter mit elektrischem Strom I

Ausgangs-Polarisation, um Winkel α gedreht

Faser: Optisches Medium mit Verdet-Konstante V

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-WellenlängeΔn – Änderung des Brechungs-Index

Drehwinkel α der Polarisation:

INVdsBVWeg

⋅⋅=⋅⋅= ∫αV = 4.68·10-6 rad/A

at λ = 633 nmN – Windungs-

Anzahl

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Interferometer mit magnetostriktiven Materialien

Laser

Empfänger

FaserkopplerSpiegel

Spiegel

Magnetfeld B

MagnetostriktivesTransducer-Material:

Co, Ni, Tb0,3Dy0,7Fe2 (Terfenol-D), metallische Gläser,

als Wickelkörper oder als Dünnschicht-Faser-Überzug

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