dc.description.abstract
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.
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dc.description.abstract
Magnetoresistive effects are becoming the most important magnetic sensor technologies for a wide variety of applications, including high volume fields like automotive [2] and biomedical [1] applications. As the field is still emerging, weaving new ideas into tried and tested concepts provides challenges as well as opportunities. In this thesis, various physical aspects of conventional magnetoresistive sensors and their shortcomings are investigated with a focus on wheel speed sensing. It is shown, that significant magnetic noise in certain field regions, which was long suspected to arise due to manufacturing imperfections, is actually a fundamental property of such sensor designs. The noise source is characterized based on the Stoner-Wohlfarth theory of an anisotropic single domain particle and by means of micromagnetic simulations. The theoretical results and predictions are then compared to measurements of commercial state-of-theart sensors. A novel, potentially disruptive, sensor design, based on topologically protected magnetic vortex states, is then introduced as an alternative to conventional speed sensors. Magnetic hysteresis curves and critical parameters are characterized by means of micromagnetic simulations, and compared to measurements of corresponding prototypes. The proposed sensor design stands out by being quasi hysteresis-free and having superior noise behavior compared to conventional designs, undercutting the required limit for additional features like flat tire detection via the speed sensors. In addition, the sensitivity and linear range is highly tailorable by adjusting the film thickness and/or lateral dimensions of the free layer of the sensor stack, reaching linear ranges of over 80mT. A figure of merit for magnetic sensors, the ratio of linear range and detectivity is larger by a factor of 2.7 for the proposed sensor design [4]. It is also shown that the vulnerability to mechanical stress and ambient fields, two critical criteria for versatile usage in real-world conditions, is significantly lower than in conventional sensors. Finally, a potential drawback of electronic nature, a non-uniform readout current distribution over the magnetoresistively active region, which is a consequence of the vortex state, is characterized by means of solving current paths for locally varying resistivity due to magnetoresistive models. Depending on the employed magnetoresistive technology and the geometric realization of the electrodes, the deviation from magnetization transfer curve to resistance transfer curve can be significant. [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.
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