Tunnelmagnetoresistive-Sensoren

Tunnel- versus Hall-Effekt

23. Juli 2018, 12:58 Uhr | Von Dr. Thomas Wolf und Tatjana Kübler

Magnetische Sensoren, die auf dem Hall-Effekt basieren, haben einen breiten Einzug in die Industrie gefunden. Doch eine neue und relativ unbekannte Technologie könnten sie bald in manchen Anwendungen ablösen: denn TMR- haben viele Vorteile gegenüber Hall-Sensoren.

Crocus Technology ist ein junges amerikanisches Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und Herstellung von TMR-Sensoren (Tunneling Magnetoresistance) in CMOS-kompatibler Technologie spezialisiert hat. Dafür entwickelten sie die patentierte MLU-Technologie (Magnetic Logic Unit). Die magnetischen Sensoren von Crocus eignen sich aufgrund der hohen Empfindlichkeit, der hohen Temperaturstabilität bei geringem Stromverbrauch sowie der niedrigen Bauteilkosten insbesondere für den Einsatz in den Bereichen Metering, Industrie, Weiße Ware und Strommessung.

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Variabler Gesamtwiderstand

Das Herzstück aller TMR-Sensoren von Crocus bildet die MLU. Sie ist ein Schichtsystem, dessen elektrischer Gesamtwiderstand durch äußere magnetische Felder beeinflusst werden kann. Der Aufbau sieht folgendermaßen aus:

Antiferromagnetischen Basisschicht. Sie bildet die Basis der MLU
Ferromagnetische Schicht. Sie befindet sich auf der Basisschicht und verfügt über eine parallel zur Schichtebene liegenden Magnetisierung. Die Richtung des magnetischen Moments dieser Schicht ist nicht durch äußere Felder veränderlich. Man bezeichnet deshalb diese Schicht auch als »gepinnte« Schicht.
Isolierschicht. Diese ist auf der gepinnten Schicht aufgebracht und dünner als ein Nanometer.
Ferromagnetische Schicht. Über der Isolierschicht befindet sich eine zweite, in der Schichtebene magnetisierte Schicht, deren Magnetisierungsrichtung jedoch durch ein äußeres Magnetfeld in der Schichtebene gedreht werden kann. Man bezeichnet diese als »freie« Schicht. Mikroskopisch betrachtet, besteht diese Schicht aus vielen magnetischen Domänen, deren Magnetisierungsrichtungen ohne äußeres Feld nur schwach ausgerichtet sind. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes richten sich die Magnetisierungen dieser Domänen in Richtung des äußeren Feldes aus und ergeben eine mittlere Magnetisierungsrichtung der freien Schicht in Feldrichtung. Das Verhalten dieser freien Schicht, insbesondere auch im Fall ohne äußeres Magnetfeld, ist von vielen Faktoren abhängig, wie zum Beispiel Materialzusammensetzung, Dicke, Form und Fläche der freien Schicht.
Leitfähige Kontaktschichten sind auf der Ober- und Unterseite des Schichtsystems aufgedampft. Sie ermöglichen das Anlegen einer Spannung.

Aufgrund der außerordentlich geringen Schichtdicke, können Elektronen durch die Isolierschicht tunneln und einen Stromfluss durch den Schichtstapel bewirken. Der Widerstand des Gesamtsystems wird durch den Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der „freien“ und der »gepinnten« Schicht bestimmt und ist somit abhängig von der Richtung und Stärke des äußeren Magnetfeldes.

Quantenmechanischer Tunneleffekt

Der Tunneleffekt, der den Stromfluss durch die isolierende Schicht ermöglicht,
ist Namensgeber und ein nur quantenmechanisch erklärbarer Effekt. Die älteren Technologien AMR (Anisotropic Magnetic Resistance) und GMR (Giant Magneto Resistance), bei denen der Widerstand innerhalb der Schichten zur Messung der magnetischen Feldstärke dient, zeigen einen deutlich niedrigeren Widerstandshub und der Stromfluss findet parallel zu den magnetisierten Ebenen statt.

Bild 2 zeigt einen typischen Widerstandsverlauf eines TMR-Sensors in Abhängigkeit von der äußeren magnetischen Feldstärke. Die Richtung des äußeren Magnetfelds wird dabei parallel bzw. antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der gepinnten Schicht angenommen. Ohne ein äußeres magnetisches Feld ist die Magnetisierung der freien Schicht um ca. 90° zur Magnetisierungsrichtung der gepinnten Schicht gedreht.

Steigt die Feldstärke des äußeren Felds an, bewirkt dies eine Drehung der Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht. Je nach Orientierung des äußeren Felds werden die beiden Magnetisierungsrichtungen, sobald die Sättigung in der freien Schicht erreicht ist, parallel oder antiparallel gerichtet sein. Eine antiparallele Orientierung der Magnetisierung führt zu einem hohen Widerstand, eine parallele Ausrichtung zu einem geringen Gesamtwiderstand des Schichtsystems.

Ist das äußere Magnetfeld so stark, dass man in den Bereich der Sättigung gelangt, ist der Gesamtwiderstand des Systems abhängig von der zuvor gewählten Magnetfeldrichtung, das System wird hysteretisch. Solange die Feldstärke des äußeren Magnetfeldes unter Hnon-hys bleibt, tritt keine Hysterese auf.
Aus diesem Grund wird der TMR-Sensor meist im Bereich kleiner Felder von nur wenigen mT (<12 mT) betrieben.

Damit ergibt sich bereits ein wesentlicher Vorteil der TMR-Technologie gegenüber den Hallsensoren: TMR-Sensoren arbeiten in der Regel bei deutlich geringeren magnetischen Feldstärken als Hallsensoren. Dies ist vor allem hilfreich bei der Strommessung. Da die Widerstandswerte der TMR-Sensoren im Bereich von 10 kΩ bis 60 kΩ liegen und keinen Transportstrom benötigen, liegt der Stromverbrauch der TMR-Sensoren deutlich unter dem von Hallsensoren. Einige Typen der TMR-Sensoren liegen aufgrund der internen Taktung im Mittel bei einem Stromverbrauch von 200 nA.