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Sensorik Tunnelmagnetoresistive Sensoren für präzise Wege und Winkel

| Autor / Redakteur: Rolf Slatter * / Gerd Kucera

Für das Messen von Länge, Position und Winkel setzen sich Sensoren in TMR-Technologie weiter durch. Unterschiede zu AMR- und GMR- Sensoren skizziert dieser Beitrag und zeigt das Verhalten im Drehfeld.

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Bild 1: Besonderes Kennzeichen der TMR-Sensortechnologie ist neben hoher Temperaturstabilität und hoher Genauigkeit die extrem niedrige Leistungsaufnahme, sodass die Versorgung neben Batterie auch durch Energy Harvesting interessant ist.
Bild 1: Besonderes Kennzeichen der TMR-Sensortechnologie ist neben hoher Temperaturstabilität und hoher Genauigkeit die extrem niedrige Leistungsaufnahme, sodass die Versorgung neben Batterie auch durch Energy Harvesting interessant ist.
(Bild: Sensitec)

Die Nutzung von magnetoresistiven Effekten (MR-Rffekt) ist vor allem überall dort naheliegend, wo das technische Problem der Umwandlung von magnetischer Information in elektrische Signale zu lösen ist. Die MR-Effekte sind deshalb für weite Bereiche der heutigen Sensorik und der magnetischen Speichertechnik von Interesse. Mit ihrer Hilfe lassen sich Magnetfeldänderungen, die Indikatoren für magnetische, elektrische oder mechanische Parameter sein können, in elektrische Signale umwandeln, die dann mit herkömmlicher Elektronik weiterverarbeitet werden können. Für die Praxis interessant ist hierbei, dass die Änderungen des Magnetfeldes berührungslos (und damit verschleißfrei) gemessen werden.

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Die zurzeit größte kommerzielle Anwendung ist in den Leseköpfen von Festplatten zu finden. Hier bilden die MR-Effekte die Grundlage dafür, die stetig zunehmende Datenmenge technisch zu bewältigen. Die Industrie-Sensorik bildet heute aber den Bereich, in dem die Einsätze am schnellsten wachsen. So eröffnen sich stetig neue Anwendungen im Fahrzeug- und Maschinenbau, der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung oder der Medizintechnik. Seit etwa 1990 ist mit den so genannten xMR-Technologien (x: any, MR: magnetoresistance) ein ganz neues Anwendungsgebiet des Magnetismus entstanden, das sich gegenwärtig weltweit sehr dynamisch entwickelt.

Der magnetische Tunnelwiderstand ist ein magnetoresistiver Effekt, der in magnetischen Tunnelkontakten auftritt. In seiner einfachsten Form handelt es sich um ein Bauelement bestehend aus zwei Ferromagneten (Free Layer und Pinned Layer dargestellt in Bild 2), die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. Ist die isolierende Schicht oder Tunnelbarriere (Barrier Layer dargestellt in Bild 2) extrem dünn (einige wenige Nanometer, ähnlich groß wie der Durchmesser der menschlichen DNA), so können Elektronen zwischen den beiden Ferromagneten „tunneln“. Dieser Vorgang ist mit Hilfe der klassischen Physik nicht erklärbar und ist daher ein rein quantenmechanisches Phänomen [1].

Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes kann die Richtung der Magnetisierung der beiden magnetischen Schichten unabhängig voneinander gesteuert werden. Wenn die Magnetisierungen gleich ausgerichtet sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen durch die Isolatorschicht hindurch tunneln größer als bei gegensätzlicher Ausrichtung. Damit kann der elektrische Widerstand zwischen unterschiedlichen Widerstandszuständen (ΔR/R) variieren.

Obwohl der TMR-Effekt seit den 1970er Jahren bekannt ist, war es erst durch verbesserte Prozesstechnik ab Mitte der 1990er Jahre möglich, reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Seit wenigen Jahren hat die Entwicklung nun auch in die Industrie Einzug gehalten, sodass inzwischen Festplatten mit TMR- statt GMR (Giant MR-Effekt)-Schreib-Leseköpfen angeboten werden. Trotzdem ist auf dem Gebiet der Sensorik bisher vornehmlich mit AMR (Anisotrope MR-Effekt) und GMR gearbeitet worden (siehe Bild 2).

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