Elektromagnetische Sensorik

Monolithisch integrierte 2D-Magnetfeldsensoren basierend auf GMR-Spinventilen

© Fraunhofer ENAS
Mikroskopaufnahme eines vollfunktionalen 2D-Sensorprototypen. Der Sensor besteht aus zwei verschachtelten Wheatstone-Brücken, jedes enthaltene Spinventil-Mäander besitzt eine individuelle magnetische Achse (gelbe Pfeile).

Magnetfeldsensoren finden sich aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften (Verschleißfreiheit, Temperaturbeständigkeit, geringe Größe etc.) als essenzieller Bestandteil moderner Mechatronik- und Elektroniksysteme in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen wieder, so z. B. in der Automobilindustrie, im Leistungselektroniksektor oder in der Navigation. Eine der aktuellen Kerntechnologien basiert dabei auf dem Riesenmagnetwiderstandseffekt (GMR, Nobelpreis 2007).

Wir haben einen leistungsfähigen 2D-GMR-Spinventil-Sensor mit dem Ziel der Kompassanwendung entwickelt. Insbesondere wurde hierbei in Kooperation mit dem Laser-Institut der Hochschule Mittweida die ebenso innovative wie ökonomisch vorteilhafte monolithische Integration erzielt, bei der die einzelnen Sensorkomponenten aus demselben Substrat gefertigt werden. Die von uns systematisch optimierte Doppelvollbrückenanordnung liefert ein signifikant gesteigertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei gleichzeitig hoher Sensitivität und hinreichend kleiner Baugröße. Somit sind Betrag und Richtung von kleinen Magnetfeldern mit hoher räumlicher (~ 1 mm) und zeitlicher (~1 ms) Auflösung messbar.

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Laser-basierte magnetische Strukturierung und magneto-optische Visualisierung. Durch Anwendung eines geeigneten magnetischen Feldes, werden die magnetischen Achsen sichtbar durch einen leicht verstärkten Mäanderkontrast: (b) unten links / oben rhcts, (c) oben links / unten rechts, (a) Ausgangszustand.
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Sensorreaktion auf eine 360° Rotation im Umgebungsfeld von ~ 50 µT, gemessen bei 1 kHz. Die zweite Kurve (orange) wurde erhalten nach einer Probendrehung um 90°.