Magnetoresistive Effekte entwickeln sich zu den bedeutendsten Sensor-Technologien für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter auch umsatzstarke Felder wie die Biomedizinische [1] und die Automobil Industrie [2]. Neue Ideen und Ansätze mit bereits erprobten Konzepten zu verbinden bereitet sowohl Herausforderungen als auch Chancen, da sich das Feld stets weiterentwickelt. In dieser Arbeit werden diverse physikalische Aspekte herkömmlicher magnetoresistiver Sensoren mit einem Fokus auf die Drehzahl-Messung in Fahrzeugen untersucht. Bei gewissen Feldamplituden zeigen solche Sensoren oft erhebliches Rauschen, was lange Zeit auf Fehler im Herstellungsprozess zurückgeführt wurde. Anhand des Stoner-Wohlfarth Modells und mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen werden die Rauschquellen charakterisiert, und es wird gezeigt, dass das Rauschen eine fundamentale Eigenschaft solcher Sensor Designs ist. Die theoretischen Resultate werden anschließend mit Messungen von vergleichbaren Sensoren verglichen. Ein neuartiges, potentiell disruptives, Sensorkonzept, basierend auf topologisch geschützten Vortex Zuständen [3], wird als Alternative zum herkömmlichen Design vorgestellt. Hysterese-Kurven und kritische Parameter werden anhand von mikromagnetischen Simulationen charakterisiert und mit Messungen zugehöriger Prototypen verglichen. Das vorgestellte Design überzeugt durch quasi Hysteresefreiheit und durch überlegenes Rauschverhalten, verglichen mit herkömmlichen Sensoren, wodurch eine kritische Schranke für zusätzliche Features, wie die indirekte Reifendruckkontrolle, unterschritten wird. Der lineare Bereich und die Empfindlichkeit kann auf einfache Weise durch Schichtdicke und laterale Ausdehnung der Sensor Strukturen zugeschnitten werden, wobei lineare Bereiche von bis zu 80mT erreicht wurden. Eine Gütezahl magnetischer Sensoren, das Verhältnis von linearem Bereich und Detektivität, ist um einen Faktor 2:7 höher als bei herkömmlichen Designs [4]. Darüber hinaus wird gezeigt, dass das Verhalten des vorgestellten Designs in Bezug auf übliche Störquellen in Real-Anwendungen, wie mechanische Spannungen oder magnetische Umgebungsfelder, weitaus weniger Fehleranfällig ist. Zuletzt wird auch ein möglicher Nachteil elektronischer Natur des neuen Konzepts untersucht. Eine ungleichmäßige Verteilung der Stromdichte des Auslesestroms über den magnetoresistiv aktiven Teil des Sensors, welche eine Folge des magnetischen Vortex Zustands ist, kann zu Verzerrungen des Ausgangssignals gegenüber der Magnetisierungskurve führen. Dieser Effekt, welcher abhängig von der verwendeten magnetoresistiven Technologie und der geometrischen Realisierung der Sensorstruktur zu erheblichen Abweichungen führen kann, wird mit Hilfe der finite Element Methode charakterisiert. Strompfade werden für lokal variable spezifische Widerstände, gemäß der jeweils verwendeten Technologie, gelöst und mit Messungen zugehöriger Prototypen verglichen. [1] P. Freitas, H. Ferreira, D. Graham, L. Clarke, M. Amaral, V. Martins, L. Fonseca, and J. Cabral, “Magnetoresistive biochips,” Europhysics News, vol. 34, no. 6, pp. 224–226, 2003. [2] C. Treutler, “Magnetic sensors for automotive applications,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 91, no. 1, pp. 2–6, 2001. [3] H.-B. Braun, “Topological effects in nanomagnetism: from superparamagnetism to chiral quantum solitons,” Advances in Physics, vol. 61, no. 1, pp. 1–116, 2012. [4] D. Suess, A. Bachleitner-Hofmann, A. Satz, H. Weitensfelder, C. Vogler, F. Bruckner, C. Abert, K. Pruegl, J. Zimmer, C. Huber, et al., “Topologically protected vortex structures to realize low-noise magnetic sensors,” arXiv preprint arXiv:1712.07061, 2017.
