MR-Sensortechnologie Sensible und präzise Messung, robuste und smarte Technik
Der MagnetoResistive Effekt, kurz »MR-Effekt«, ist seit 150 Jahren bekannt. Die sensorische Nutzung konnte jedoch erst vor ca. 30 Jahren mit der Dünnschichttechnik voran gebracht werden. MR-Sensoren erobern seither ständig neue Applikationsfelder in der Magnetfeldmessung, sei es als elektronischer Kompass, als Weg- und Winkelmesssystem oder als kleine, potenzialfreie Stromsensoren.
Als einer der wenigen Hersteller von xMR-Sensoren beherrschen wir die drei aktuell industriell genutzten Technologien: Anisotrop MagnetoResistiv (AMR), Giant MagnetoResistiv (GMR) und Tunnel MagnetoResistiv (TMR).
Ursprung und Status der MR-Sensorik
Der Begriff MR-Sensor ist ein Sammelbegriff für Sensoren, die auf verschiedenen physikalischen Prinzipien basieren. Alle MR-Prinzipien haben gemeinsam, dass sich der elektrische Widerstand des Sensors unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändert. Durch geschickte Anordnung der Strukturen im Sensor können sehr unterschiedliche Sensoren konstruiert werden, um beispielsweise einen Magnetfeld-Winkel, eine Magnetfeld-Stärke oder einen Magnetfeld-Gradienten zu erfassen.
Der Anisotrope MagnetoResistive Effekt (AMR) wurde in 1857 von Thomson entdeckt und tritt in ferromagnetischen Materialien auf, deren spezifischer Widerstand sich mit dem Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Stromrichtung ändert. Die Widerstandsänderung beträgt wenige Prozent und ist schon bei schwachen Magnetfeldern nutzbar.
1975 wurde der TMR-Effekt (Tunnel MagnetoResistive) von Julliere entdeckt. Bei diesem Effekt ändert sich der Tunnelwiderstand zwischen zwei ferromagnetischen Schichten in Abhängigkeit des Winkels der Magnetisierung der beiden Lagen.
Der im Jahr 2007 mit dem Nobelpreis für Physik gekrönte Giant MagnetoResistive Effekt (GMR) wurde erst 1988 von Fert und Grünberg entdeckt. Der elektrische Widerstand von zwei dünnen ferromagnetischen Schichten, getrennt durch eine dünne nicht magnetische Schicht, ändert sich in Abhängigkeit vom Winkel der Magnetisierung in den beiden ferromagnetischen Schichten zueinander und liefert Widerstandsänderungen bis zu 50 %. Bei einer antiparallelen Magnetisierung ist der elektrische Widerstand am höchsten. Die Widerstandsänderung ist dabei nicht abhängig von der Stromrichtung.
Durch eine Stapelung von mehreren Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften und Magnetisierungen werden die Kennlinien von GMR-Sensoren durch ihre Konstruktion bestimmt. Dies erlaubt eine gezielte Anpassung der Kennlinien an die Anforderungen einer Messapplikation.
1993 wurde von Helmholt et al. der Colossal MagnetoResistive Effekt (CMR) entdeckt. Dieser Effekt tritt auf bei Mangan-basierten Oxiden, die – in Abhängigkeit von einem Magnetfeld – ihren elektrischen Widerstand ändern.
Von allen bekannten physikalischen Effekten, die mittels Magnetismus in einem Festkörper eine elektrische Eigenschaft ändern, muss die MR-Technologie besonders hervorgehoben werden. Der MR-Effekt ermöglicht die Erfassung von schwachen Magnetfeldern und liefert dabei ein Signal mit einem sehr guten Signal-Rausch-Verhältnis.
Bei Sensitec werden AMR-, GMR-Sensoren in Serie gefertigt. TMR-Sensoren gehen demnächst in Serie. Die CMR-Technologie befindet sich noch im vorindustriellen Forschungsstadium.
Redaktionelle Beiträge in Fachzeitschriften
Weitere interessante Informationen und Anwendungsberichte zum Thema xMR-Sensoren und xMR-Sensortechnologie finden Sie in unserem Beiträgen in diversen Fachzeitschriften.
