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Fachbereichsarbeit
Physik

Universität, Schule

Lahntalschule Atzbach

Note, Lehrer, Jahr

1, Hundertmark, 2014

Autor / Copyright
Kurt G. ©
Metadaten
Preis 7.40
Format: pdf
Größe: 1.29 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern
ID# 58683







Hausarbeit

von

(Klasse 10D)


Thema: MR-Sensoren (magnetoresistive Sensoren)


Fragestellung: Wie funktioniert ein MR-Sensor (speziell AMR-Sensor) und ist es in Zeiten modernster Technik möglich ohne MagnetoResistive Sensoren auskommen zu können?

Fach: Physik

Lehrer:


Gliederung

Seite


  1. Einleitung / Motivation 03

  2. Was ist ein Sensor? (speziell MR-Sensor) 03

  3. Geschichte 04

  4. Physikalische Grundlagen 04

  1. Widerstände 04

  2. Magnetismus 05

  3. Magnetoelektronik 06

  1. Der AMR-Effekt1 07

  2. Weitere „MR-Effekte“ 10

    1. GMR-Effekt 10

    2. TMR-Effekt 10

    3. CMR-Effekt 11

  3. Vor- und Nachteile von MR-Sensoren 11

  4. Anwendungsgebiete 12

  5. Innovationen 14 10. Fazit 14 11. Quellen 15

11.1 Literatur 15 11.2 Internetquellen 15

11.3 Bildquellen 16

  1. Anhang 17

    1. schriftliche Erklärung 17


  1. Einleitung / Motivation

Da ich mein zweites zweiwöchiges Betriebspraktikum bei der Firma Sensitec in Lahnau (der LTi-Group angehörend) im März 2014 absolviert habe, bin ich recht schnell auf mein Thema gekommen. Der Betrieb, der sich auf Mikrosystemtechnik/ Sensorik spezialisiert hat, stellt nämlich MR-Sensoren her und ich wollte deshalb einmal mehr darüber erfahren, als mir im Betrieb erklärt wurde und so kam ich zu dem Entschluss, dieses doch nicht so leichte Thema auszuwählen, da ich wissen will welche Technik hinter solch kleinen sensiblen Messsystemen den sogenannten Sensorsystemen steckt.

So kam ich auch zu meiner Fragestellung, wie solche Systeme funktionieren und ob sie noch in modernster Technik wegzudenken wären.

  1. Was ist ein Sensor (speziell MR-Sensor)

Sensoren sind Messwertaufnehmer, die physikalische Größen in ein (analoges) elektrisches Signal umwandeln können und diese so weiterverarbeitet werden. Solche Größen sind Druck, Gewicht, Beschleunigung, Schall, Temperatur, Drehzahl, magnetische Flussdichte und viele andere Kenngrößen.

Der Begriff MR-Sensor ist ein Sammelbegriff für Sensoren, die auf verschiedenen physikalische Prinzipien basieren. Alle MR-Prinzipien haben gemeinsam, dass sich der elektrische Widerstand (R) des Sensors unter dem Einfluss eines Magnetfelds (H) ändert.“ (Willkommen im Sensor Kosmos. Hrsg. von der Fa. Sensitec. Lahnau, Mai 2013, S.8). Es handelt sich bei MR-Sensoren um zuverlässige, berührungslose und verschleißfreie elektrische Bauelemente, die zur Erfassung präziser Messungen dienen.

Alle magnetisch-resistive-Effekte werden unter der Bezeichnung XMR für (X-Magneto-Resistive) zusammengefasst. MR-Sensoren dienen hauptsächlich zur Längen-, Winkel-, Magnetfeld-, Drehzahl- und Strommessung.


Bild 1: AMR-Sensor Bild 2: AMR-Sensor Bild 3: Struktur eines GMR-Sensors


  1. Geschichte

Der MR-Effekt (genau: AMR-Effekt) wurde bereits im 19. Jahrhundert (1857) durch William Thomson, 1. Baron Kelvin entdeckt. Da dieser Effekt eine sehr geringe Widerstandsänderung bei Raumtemperatur von etwa 3% aufweist, gab es vorerst keine industriellen Anwendungen. Die technische Nutzung des AMR-Effekts konnte erst gegen Ende der 1960er realisiert werden, im Bereiche der Sensorik erst gegen Ende der 1980er Jahre.

Daraus kamen viele Weiterentwicklungen neuer Effekte.

  1. Physikalische Grundlagen

    1. Widerstände

Der elektrische Widerstand hat das Formelzeichen R und wird in Ohm (Ω) gemessen. Er gibt an, bei welcher Spannung (U) die Stromstärke (I) 1 Ampere betragen würde. Der Widerstand hat die Eigenschaft den Strom (im Stromkreis) im leitenden Material zu begrenzen. Er wird folgendermaßen berechnet: R= U/I (Widerstand= Spannung / Stromstärke). Zudem gibt es noch den sp.....[Volltext lesen]

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Bild 8 (rechts): Grundschema der Rechten-Hand-Regel der Lorentzkraft

Sehr wichtig für die Nutzung der XMR-Effekte sind ferromagnetische Materialien, die in einem externen Magnetfeld selbst magnetisiert werden und diese Wirkung lange beibehalten, nachdem das Magnetfeld entfernt wurde. Bei Raumtemperatur gibt es drei ferromagnetische Materialien, die von einem Magneten angezogen werden: Eisen, Nickel und Kobalt. Materialien wie Aluminium, Kupfer, Messing, Silber sind nicht ferromagnetisch.

    1. Magnetoelektronik

Grundlagen in der Magnetoelektronik sind die physikalischen Effekte, bei denen sich der Widerstand von ferromagnetischen Dünnschichtsystemen abhängig von der Ausrichtung ihrer Magnetisierung oder eines externen Magnetfeldes ändert bzw. beeinflusst wird. In der Sensorik werden auf Siliziumscheiben ultradünne Schichten (im Nanometerbereich) hergestellt und nach der Trennung von der Siliziumscheibe in einzelne Sensoren Mikrosysteme aufgebaut, welche Abmessungen von z.B. 0,6*0,7 mm haben und nur 0,5mm dick sind.

Je dünner die beteiligten Materialien sind, desto stärker ist der MR-Effekt. Wafer werden aus Halbleitermaterialien wie Silizium aufgrund deren Widerstandsfähigkeit gefertigt.

Bild 9: Wafer (Siliziumscheibe)

  1. Der AMR-Effekt

Die Entdeckung des AMR-Effekts (AnistropherMagnetoResistiver-Effekt) geschah bereits im Jahr 1857 durch William Thomson, 1. Baron Kelvin. Er war ein britischer Physiker und lebte von 1824-1907. Jedoch war es erst über 100 Jahre später möglich (durch die Weiterentwicklung der Dünnschichttechnik) seinen Effekt industriell anzuwenden. Er bemerkte, dass sich der spezifische Widerstand (ρ) in ferromagnetischen Materialien (Eisen, Nickel und Kobalt) mit dem Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Stromrichtung ändert.

Die Widerstandsänderungen sind schon im schwachen Magnetfeld nutzbar und Änderungen im Sensorsystem bewegen bzw. variieren nur zwischen 3 bis 4 Prozent, da in dünnen Schichten aus ferromagnetischen Materialien die Magnetisierung leicht drehbar ist. Somit ist auch der elektrische Widerstand und zur Folge auch der (messbare) elektrische Strom abhängig von der äußeren Magnetisierung des Metalls, da sich der Widerstand je nach Polarisation durch das externen Magnetfeld der ferromagnetischen MR-Schicht ändert.

„Sind die Richtungen von Strom und Magnetisierung parallel, ist der Widerstand ρ maximal, und stehen die Richtungen von Strom und Magnetisierung senkrecht aufeinander, ist ρ minimal.“ (Dr. Rolf Slatter: Magnetoresistive Sensoren für hochdynamische Winkel- und Wegmessung. Lahnau, 2012, S.4). Dafür verantwortlich ist die Lorentzkraft, die den Winkel α sozusagen steuert.

Bild 10: William .....

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Darauf befindet sich die entscheidende MR-Schicht, welche aus einer Nickel-Eisen-Legierung (ferromagnetisch) besteht und zuvor magnetisiert und ausgerichtet wurde. Man verwendet Permalloy, was eine Legierung aus 81% Nickel und 19% Eisen (geschrieben: Ni81Fe19) ist, da Permalloy einen hohen Widerstandswert und eine sehr geringe Magnetostriktion3 vom ferromagnetischen Material aufweist.

Als nächstes wird eine Schicht aus Gold oder (meist) Aluminium mit den Sensorleitbahnen und Kontakten aufgebracht, und abschließend (als letzte Schicht) dient eine sogenannte Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid (SiN), die vor Umwelteinflüssen schützen soll.

Bild 13: Schichtaufbau eines AMR-Sensors

Um Werte (wie Temperatur, Widerstand, …) für die Informationsverarbeitung auf dem Sensorchip minimieren zu können, schaltet man Widerstände nach Wheatstone’scher Art zusammen, weil geeignete Materialpaarungen Temperaturkoeffizienten und Widerstände (auf ein Minimum) reduzieren können. Um dies zu realisieren werden zwei um 45° zueinander gedrehte Brückenschaltungen geschaltet, die jeweils ein Sinus- und ein Konsinussignal erzeugen.

Solche Signale entstehen, wenn der Ausgangstrom (Wechselstrom) ständig seine Pole wechselt und er mit Hilfe von Sinus und Kosinus als elektrische Welle (Zick-Zack-Kurve) visuell dargestellt werden kann. Diese Ausgangssignale des AMR-Sensors werden von einem Mikrocontroller (funktioniert wie ein PC nur in kleinem Format) aufgenommen und verarbeitet, sodass die Informationen digitalisiert werden können und der benötigte Messwert als digitales Ausgangssignal (für den Menschen) bereitsteht.

Bild 14 (links): 2 um 45° gedrehte Wheatstone Brücken Bild 15 (recht): Ausgangssignal zweier Brückenschaltungen

Bild 16: Erzeugung und Verar.....

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TMR-Effekt

Der TMR-Effekt wird als TunnelMagnetoResistiver-Effekt bzw. als Tunnelwiderstand bezeichnet und tritt in magnetischen Tunnelkontakten auf. Er besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten, zwischen denen sich eine Isolationsschicht (auch Tunnelbarriere genannt) befindet. Da es sich bei der Isolationsschicht nur um eine dünne Schicht (im Nanometerbereich) handelt, tunneln die Elektronen zwischen beiden ferromagnetischen Schichten.

Das heißt also, dass sich der Tunnelwiderstand zwischen zwei ferromagnetischen Schichten in Abhängigkeit des Winkels der Magnetisierung beider Schichten ändert. Widerstandänderung sind bis zu 600% möglich. Der Effekt wurde 1975 von M. Julliere entdeckt.

Bild 18: TMR-Schema

CMR-Effekt

Der CMR-Effekt wird als ColossalMagnetoResistiver-Effekt bezeichnet. „Dieser Effekt tritt auf bei Mangan-basierten Oxiden, die – in Abhängigkeit von einem Magnetfeld – ihren elektrischen Widerstand ändern“ (Willkommen im Sensor Kosmos. Hrsg. von der Fa. Sensitec. Lahnau, Mai 2013, S.8). Es sind massive Widerstandsänderungen bis zu 1000% möglich. Der Effekt wurde 1993 von Helmholt et al. entdeckt und befindet sich in Firmen im Forschungsstadium.


  1. ilHileasfrfVor- und Nachteile der MR-Sensoren

MR-Sensoren verfügen über viele Vorteile, die dazu beitragen sich für solche zu entscheiden. Sie haben eine hohe Auflösung und eine hohe Genauigkeit an Messwerten bei Längen- und Winkelmessung. Außerdem sind sie dynamisch und bieten eine Bandbreite bis über 10 MHz. Zudem sind sie robust hoher Unempfindlichkeiten gegenüber Öl, Schmutz und Umgebungstemperaturen. Bei MR-Sensoren handelt es sich zudem um zuverlässige elektrische Bauelemente, die extrem kleine Abmessungen haben und es eine berührungslose Messmethode ist, die nur eine geringe Leistungsaufnahme hat.

Zu guter Letzt bei den Vorteilen lässt sich noch sagen, dass sie durch einen verschleißfreien Betrieb eine .....

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Die verschiedenen Einsatzgebiete der MR-Sensoren möchte ich jetzt näher erläutern, da es durchaus viele verschiedene Branchen gibt, wo MR-Sensoren eingesetzt werden:

Bild 20: In Windturbinen Bild 21: In Photovoltaikanlagen Bild 22: In Kameras


Magnetoresistive Sensoren werden z.B. in Windturbinen als Winkelmesser für die Rotorblattverstellung eingesetzt. Außerdem finden MR-Sensoren Verwendung in PV-Wechselrichtern in der Photovoltaiktechnologie, wo sie als hochpräzise Strommesser dienen. Zudem gibt es gleich zwei Einsatzgebiete in der Automobilindustrie. Dort verwendet man magnetoresistive Sensoren beispielsweise als Raddrehzahlsensoren oder als Lenkdrehmomentsensoren.

Als weiteres Beispiel werden MR-Sensoren in Marsrobotern eingesetzt, bei denen sie zur Winkelmessung von Antrieben dienen sollen. Mittlerweile verwendet man MR-Sensoren sogar in Kameras für die notwendige Zoom- und Fokus-Einstellung. Sogar in Smartphones kommen sie zum Einsatz. Dort dienen drei achsenversetzte Sensoren zur Messung des Erdmagnetfeldes in Navigationsanwendungen.

Zugleich sind MR-Sensoren in der Medizintechnik eingesetzt. Man findet sie dort z.B. in ophthalmologischen Geräten, wo sie zur Längenmessung am (menschlichen) Auge genaue Messungen von nur bis zu 5 µm Abweichung machen. Zu guter Letzt möchte ich erläutern, dass MR-Sensoren (insbesondere AMR-Sensoren) in Leseköpfen von Festplatten in der Computertechnik angewendet werden, mit denen man 1990 erste Schritte wagte MR-Sensoren in Massenpro.....

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Im en und Ganzen hoffe ich, dass ich Ihnen das Thema der MR-Sensortechnik etwas näher bringen konnte. Wenn ich nun nochmal auf meinen zweiten Teil der Fragestellung zurückblicke finde ich ist es heutzutage keineswegs möglich auf MR-Sensoren zu verzichten, was ich ihnen hoffentlich anhand meiner Anwendungsgebiete und den Vorteilen näher bringen konnte. Denn jeder legt Wert darauf, dass alles schneller (Trend zu hohen Geschwindigkeiten) und präziser wird.

Und in diesen Punkten sind MR-Sensoren aufgrund ihrer physikalischen (versteckten) Vorteile genau richtig, um in Zeiten modernster Technik ihren Einsatz zu rechtfertigen.


  1. Quellen


    1. Literatur

  • Das Techniker Handbuch 13. Auflage, 1992, Hrsg. von Alfred Böge

  • Gesamtjahreskatalog der Firma Sensitec in Lahnau, Mai 2013

  • Dr. Rolf Slatter: Magnetoresistive Sensoren für hochdynamische Winkel- und Wegmessung. Lahnau, 2012 (von Firma)


    1. Internetquellen


Selbstverständlich habe ich beim Schreiben meiner Hausarbeit auch mein eigenes Wissen aus der Firma eingesetzt.


PDF-Dateien

      1. Bildquellen

    • Gesamtjahreskatalog der Firma Sensitec in Lahnau, Mai 2013

    • Dr. Rolf Slatter: Magnetoresistive Sensoren für hochdynamische Winkel- und Wegmessung. Lahnau, 2012 (von Firma)

    • PPP der Firma bei den Anwendungsgebieten

  1. Anhang

  1. Schriftliche Erklärung


Versicherung


Hiermiterkläreich,dass ich die vorgelegte Hausarbeitselbstständigverfasstund einschließlich beigefügterAbbildungenundSkizzenkeine anderenals die im Literaturverzeichnis angegebenenQuellen,DarstellungenundHilfsmittel benutzthabe.


Dies giltin gleicherWeise für gedruckte Quellenwie fürQuellenaus dem Internet.Ich habe alle PassagenundSätze derArbeit,diedemWortlautoder demSinne nach anderenWerkenentnommensind,injedemeinzelnenFall unter genauerAngabe der Stelle ihrerHerkunftdeutlichals Entlehnunggekennzeichnet.

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Quellen & Links

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