fach magnetische effekte hoch schule jena...
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V3-1
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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)
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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