Fluxgate sensor based on tunneling magnetoresistance for weak magnetic fields

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit werden der theoretische Hintergrund und die in der Abteilung Nano Systems des Austrian Institute of Technology (AIT) durchgeführten Experimente mit einem Sensor für schwache Magnetfelder vorgestellt. Dazu wurde ein magnetischer Tunnelübergang als Sensorelement verwendet, wobei zur Signalanalyse das Messprinzip des bekannten Fluxgate-Sensors eingesetzt wurde.<br />Fluxgate-Sensoren finden einen breiten Anwendungsbereich für das Detektieren schwacher Magnetfelder. Allerdings verschlechtert sich durch Miniaturisierung ihr Auflösungsvermögen. Magnetische Tunnelübergänge können dagegen mit standardisierter CMOS-Technologie her- gestellt werden, haben aber andererseits ein höheres Rauschlevel. Darüber hinaus sind die bisherigen Sensoren in ihrem dynamischen Bereich stark eingeschränkt. Im folgenden wird der theoretische Hintergrund zum Tunnelmagnetowiderstand eines Übergangs bestehend aus zwei ferromagnetischen Schichten mit einer Magnesiumoxid-Barriere erläutert, sowie das Messprinzip des Fluxgate-Sensors. Weiters werden die Ergebnisse einer Simulation der Sensorkennlinie vorgestellt und mit einem analytischen Ergebnis für die Sensitivität verglichen. Die magnetischen Tunnelübergänge wurden am Zentrum für Dünnschichttechnologie (Center of Thin Film Technology - CTFT) am TechGate Wien mittels Magnetronsputtern hergestellt. Aufgrund von Untersuchungen hinsichtlich elektrischer und magnetischer Transporteigenschaften und den daraus folgenden Optimierungen konnten schließlich Magnetowiderstandsverhältnisse von 62 Prozent gemessen werden. Ein Sensor-Prototyp wurde von der Universität Bielefeld bereitgestellt, welcher in der Abteilung Nano Systems getestet wurde. Es konnte ein magnetfeldabhängiges Signal gemessen werden, welches in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Simulation steht. Mit dem derzeitigen Sensorlayout kann eine Sensitivität im Bereich von nT erwartet werden.<br />

In this diploma thesis we will present the theoretical background and the experiments performed at the Nano Systems department of the Austrian Institute of Technology (AIT) with a sensor for weak magnetic fields. We use a magnetic tunnel junction as the sensing element and apply a measurement principle known from fluxgate magnetometers. Fluxgate magnetometers have been widely used for magnetic field sensing, however, with decreasing size their performance is limited. Magnetic tunnel junctions are produced using standard CMOS technologies, but are more noisy and limited in their dynamic range. We will describe the theoretical background of the tunneling magnetoresistance effect for a magnetic tunnel junction of two ferromagnetic layers with a magnesium oxide barrier, as well as the fluxgate measurement principle. Then, we will present a simulation performed in order to compare the sensor characteristics with the analytical results for the sensitivity. Magnetic tunnel junctions were fabricated at the Center of Thin Film Technology (CTFT) at the TechGate Vienna using sputter deposition. They were investigated regarding electrical and magnetic properties, so finally a magnetoresistance ratio of 62 percent could be achieved. A sensor prototype was provided by the University of Bielefeld, which was put under test at the Nano Systems department. A magnetic field dependent signal could be measured, which gives a strong proof to our expectations from the simulation. With the present layout we estimate the sensor sensitivity to be in the range of nT.