TMR-Sensoren Messung durch den Tunnel

Mit der fortschreitenden Verkleinerung der Strukturen elektronischer Bauelemente kommen immer mehr Effekte zur Wirkung, die sich nur mittels Quantenphysik beschreiben lassen. Eine gezielte Nutzung eröffnet neue Möglichkeiten: So werden zum Beispiel TMR-Sensoren möglich.

In nanoskopischen Strukturen verschwimmt die Grenze zwischen Leitern und Nichtleitern. Bei Schichtdicken von wenigen Atomlagen werden Isolatoren für Elektronen durchlässig. Man spricht hier vom „Tunneleffekt“. Meistens stört das; Funktionen, auf die in größeren Strukturen noch Verlass ist, brechen dann zusammen. In einigen Fällen lässt sich das aber auch ganz bewusst anwenden. So zum Beispiel bei den TMR- (Tunnel-Magnetoresistiv-)Sensoren. Wie bei anderen magnetoresistiven Sensoren ändert sich hier der elektrische Widerstand, wenn das Sensorelement einem magnetischen Feld ausgesetzt wird.

Zwei andere Effekte aus dieser Gruppe haben sich schon lange etabliert: Dominierend ist der klassische Typ AMR (anisotrop magnetoresistiv, Bild 1a). Solche Sensoren basieren auf einer einzelnen aktiven Schicht – Dicke typisch 20 nm – aus einer hochpermeablen Nickel-Eisen-Legierung wie Permalloy oder Mumetall. Entscheidend ist der Winkel zwischen Magnetisierungsrichtung und Stromflussrichtung. Die maximal erreichbare Widerstandsänderung ist hier sehr klein, nur etwa 3 % bis 4 %. In den praktischen Ausführungen sind meist vier Elemente zu einer Wheatstone‘schen Brücke zusammengeschaltet. Die industrielle Nutzung ist vielfältig, unter anderem für Strom- und Drehwinkelsensoren. Die letzteren haben eine Periodizität von 180°; eine eindeutige Winkelmessung erfordert zwei um 45° verdrehte Brücken.

Sehr viel größer ist die Widerstandsänderung beim GMR-Effekt, dem „gigantischen“ magnetoresistiven Effekt, entdeckt 1988 von Grünberg und Fert [1], milliardenfach genutzt in den Leseköpfen der Festplattenlaufwerke und 2007 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Im Prinzip (Bild 1b) besteht ein solcher Sensor aus zwei extrem dünnen weichmagnetischen Schichten (zum Beispiel CoFe) mit einer unmagnetischen dazwischen (zum Beispiel Kupfer). Die Ma­gnetisierung der einen Schicht folgt dem äußeren Magnetfeld, die der anderen wird mittels einer untergelegten antiferromagnetischen Schicht in ihrer Richtung fixiert. Wie beim AMR-Effekt ist die Stromflussrichtung horizontal. Hier findet ein höchst komplexes Zusammenspiel der Elektronenspins in den beiden Schichten statt, wobei eine Widerstandsänderung von etwa 25 % bis 45 % erreichbar ist. Die Herstellung ist weitaus aufwändiger als beim AMR-Effekt; die konkreten Ausführungen benötigen letztlich doch sehr viel mehr Schichten als die vier genannten, wobei zahllose Parameter variierbar sind. So sind viele verschiedene Typen möglich, hinsichtlich Empfindlichkeit und Messbereich weitgehend anpassbar an die jeweilige Anwendung. Damit aufgebaute Drehwinkelsensoren haben eine Periodizität von 360°.

Kommerziell produzierte TMR-Sensoren sind noch sehr neu. Dabei wurde der zugrundliegende physikalische Effekt bereits 1975 von Michel Jullière entdeckt, zunächst nur bei sehr tiefen Temperaturen. Erst in den 90er Jahren gelang es, ihn auch bei Raumtemperatur zu reproduzieren. Aufgrund der hohen erzielten Widerstandsänderung von 20 % setzte daraufhin eine intensive Forschung ein. Die ersten einsatzreifen Ausführungen kamen etwa 2010 auf den Markt. Erscheint der TMR-Effekt auf den ersten Blick als etwas Ähnliches wie der GMR-Effekt, so ist er doch physikalisch grundsätzlich anders. Gemeinsam hat er mit den AMR- und GMR-Effekten, dass auch hier die wirksame Magnetisierung in Richtung der Schichtebene verläuft – im Gegensatz zu den Hall-Sensoren, wo sie senkrecht zur Ebene steht.

Im einfachsten Fall (Bild 1c) besteht ein solcher Sensor („Magnetic Tunnel Junction“, MTJ) aus zwei ferromagnetischen Schichten (zum Beispiel CoFe); dazwischen befindet sich eine Isolatorschicht aus Al2O3 oder MgO. Unten drunter liegt wie beim GMR-Effekt eine Schicht aus einem Antiferromagneten (zum Beispiel Iridium-Mangan oder Platin-Mangan) zum Fixieren der Ma­gnetisierung der unteren Schicht. Die obere folgt dem äußeren Feld. Da die Isolationsschicht nur wenige Nanometer dünn ist, wird sie für Elektronen etwas durchlässig. Wie stark, hängt vom Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten ab: Bei paralleler Ausrichtung ist der Widerstand am kleinsten, bei antiparalleler am größten. Der entscheidende Unterschied zum GMR-Effekt: Der Stromfluss verläuft hier vertikal von der einen Schicht in die andere. Die erreichbare Widerstandsänderung ist deutlich höher als bei GMR: An Labormustern konnten bei sehr tiefen Temperaturen mittlerweile bis zu 1000 % erreicht werden; praktische Ausführungen kommen bei Raumtemperatur heute auf etwa 40 % bis 200 %. Das ergibt hohe Si­gnalamplituden, sodass weniger Nachverstärkung nötig ist. Der Grundwiderstand lässt sich innerhalb von weiten Grenzen von einigen Ohm bis zu einigen Megaohm variieren, zum einen über die Fläche des Sensorelements, zum anderen über die Isolatordicke, mit der der Widerstand exponentiell ansteigt. So lässt sich der Wert an die jeweilige Anwendung weitgehend anpassen.