Workshop Mikrosystemtechnik / Mikroelektronik in Sachsen und Thüringen HITK,

Transkript

1

2 Workshop Mikrosystemtechnik / Mikroelektronik in Sachsen und Thüringen HITK, Neuartige magnetoresistive Dickschichtsensoren auf der Basis des CMR-Effektes Dr. Thomas Eick Micro-Hybrid Electronic GmbH 2

3 Gliederung I. Grundlagen des kollossalen Magnetowiderstandseffektes II. III. IV. Zusammenhang Struktur und magnetoresistive Eigenschaften Ergebnisse des vergangenen Projektes Aktuelles Projekt V. Zusammenfassung und Ausblick 3

4 I. Grundlagen des CMR-Effektes CMR-Effekt: Engl. Colossal Magneto Resistance Effect Kollosaler Magnetowiderstandseffekt. Bei bestimmten keramischen Materialien mit sog. Perowskit- Struktur starke Änderung des elektrischen Widerstandes im Magnetfeld. Normale Metalle: CMR-Schichten: ca. 0,1% / Tesla einige 100% / Tesla bei T=100K ca. 5-20% / Tesla bei Zimmertemperatur 4

5 I. Grundlagen des CMR-Effektes CMR-Effekt Entdeckt 1954 von Volger. Der Effekt geriet zunächst in Vergessenheit. Neu entdeckt Anfang der 90er Jahre von R. v. Helmholt. Wiederaufnahme der Forschung in verschiedenen Arbeitsgruppen wegen des großen Potentials bei der Anwendung in Magnetfeldsensoren. 5

6 I. Grundlagen des CMR-Effektes R Prinzipielle Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes einer CMR- Schicht vom Magnetfeld (idealisiert) 0 H 6

7 II. Zusammenhang Struktur und magnetoresistive Eigenschaften Colossal Magneto Resistance (CMR) in substituierten La-Mn Mn-Perowskiten La 3+ Mn 3+ O 3 La 1-x A x Mn 1+x 3+ Mn x 4+ O 3 (A = Ca2+ ; Sr 2+ ; Ba 2+ ) x = 0 LaMnO 3 : AFI x = 0,7 La 0,7 Sr 0,3 Mn 3+ 1-x Mn4+ x O 3-δ : FMM (T C = 365K) Perowskit-Struktur Zwei Leitungsmechanismen: Bulk-effect (in einkristallinen Schichten) e - - hopping zwischen ferromagnetisch geordneten Mn 3+ - und Mn 4+ -Ionen via O 2- -Ionen double exchange Tunneleffekte an Korngrenzen (in keramischen Schichten) Quelle: HITK Dr. Barth 7

8 II. Zusammenhang Struktur und magnetoresistive Eigenschaften Bulk-effect (intrinsischer Effekt) In einkristallinen Schichten ohne Korngrenzen keine Sättigung bis zu hohen magnetischen Feldstärken keine Hysterese Quelle: Steinbeiss et. al. IPHT Jena 8

9 II. Zusammenhang Struktur und magnetoresistive Eigenschaften Kornwachstum von LSMO mit 0,2 % Additiv Temperung von C 0,2 % SHM 2 h / 1000 C 0,2 % SHM 2 h / 1300 C 0,2 % SHM 2 h / 1500 C Quelle: HITK Dr. Barth 9

10 II. Zusammenhang Struktur und magnetoresistive Eigenschaften Tunneleffekte an Korngrenzen in keramischen Schichten Korngrenzeninduzierter Low-Field-Effekt starke magnetische Widerstandsänderung bei kleinen magnetischen Feldstärken (low field effekt) Sättigung schon bei kleinen magnetischen Feldstärken hysteresebehaftet Quelle: Steinbeiss et. al. IPHT Jena 10

11 II. Zusammenhang Struktur und magnetoresistive Eigenschaften Korngrenzeninduzierter Low-Field-Effekt des Magnetowiderstandes Links: Gesamtüberblick Rechts: Ausschnitt für kleine Feldstärken deutlich sichtbar: Hysterese 26,3 26,30 26,2 26,1 26,0 T = 310 K 26,25 26,20 LF (100 Oe): ΔR/R = 0,2 Ω / 26,06 Ω = 0,8 % S = 0,008 % / Oe T = 310 K R [Ω] 25,9 25,8 25,7 R [Ω] 26,15 26,10 25,6 25,5 26,05 25,4 26,00 25,3-0,8-0,6-0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 µ 0 H [Tesla] Quelle: HITK Dr. Barth 25, H [Oe] H1_GE_L3 11

12 II. Zusammenhang Struktur und magnetoresistive Eigenschaften 26,30 26,25 26,20 LF (100 Oe): ΔR/R = 0,2 Ω / 26,06 Ω = 0,8 % S = 0,008 % / Oe T = 310 K R [Ω] 26,15 26,10 26,05 26,00 25, H [Oe] H1_GE_L3 12

13 II. Zusammenhang Struktur und magnetoresistive Eigenschaften Möglichkeit der Optimierung der magnetoresistiven Eigenschaften (Anteil von Bulk-Effekt und Korngrenzeneffekt) durch Veränderung der Mikrostruktur. Materialentwicklung: HITK 13

14 Beispiel des Temperaturverlaufes d. Widerstandes einer gedruckten LSMO-Dickschicht mit bzw. ohne Magnetfeld Widerstand einer CMR-Schicht als Funktion von Temperatur und Magnetfeld R in Ω mit Magnetfeld ohne Magnetfeld ΔR/R (25 C) = 1,2% T in C 14

15 III. Vergangenes Projekt Material LSMO Sensorelemente im Siebdruckverfahren hergestellt Magnetische Widerstandsänderung ca. 6% / Tesla Beispiel eines Nutzens mit Siebdruckverfahren hergestellter CMR-Sensorstrukturen 15

16 III. Vergangenes Projekt Konta kte Konstantstromquelle Be we g lic her Permanentmagnet CMR-Schicht Prinzipieller Aufbau eines linearen Positionssensors mit CMR-Sensor Auswerteelektronik Nachteil: Hysterese -Beweglicher Permanentmagnet über einer CMR-Schicht. -Lokale Absenkung des Widerstandes unterhalb des Magneten. -Mehrere Anzapfungen der Schicht. -Auswerteelektronik liefert eine Ausgangsspannung, direkt proportional zur Position des Magneten. 16

17 III. Vergangenes Projekt Hysteresebehaftete Kennlinie des Demonstrators linearer Positionssensor aus dem vergangenen Projekt 17

18 Vergangenes Projekt Zusammenfassung vergangenes Projekt: Mit Material LSMO Sensorelemente im Siebdruckverfahren hergestellt Magnetische Widerstandsänderung ca. 6% / Tesla Demonstrator eines linearen Positionssensors aufgebaut -Funktionsweise als Positionssensor nachgewiesen -Hysterese im Verlauf U=f(x) -keine eindeutige Zuordnung Signalspannung Position 18

19 IV. Aktuelles Projekt Im Rahmen des Verbundes Fanimat Nano Shape Zusammenarbeit mit HITK (Hermsdorfer Inst. f. TechnischeKeramik e. V.) Ausgangspunkt: Aufbau von Sensoren mit dem bisherigen Materialsystem LSMO Test Reproduzierbarkeit der Pastenherstellung Untersuchungen, ob bereits Anwendungen bis 80 C möglich Aufbau von Demonstratoren mit Material LSMO 19 Entwicklung von neuen Materialsystemen Sr 2 FeMoO 6 (SFMO) und Fe 3 O 4 (Magnetit) -Kristallstruktur Doppelperowskit -verbesserte Eigenschaften: hohe Curie-Temperatur (SFMO Tc = 150 C) hohe magnetische Widerstandsänderung (SFMO ca. 20% / Tesla) Übertragung Technologien und Messtechniken auf die neuen Mat.-Systeme

20 IV. Aktuelles Projekt Mit Material LSMO wurden mehrere Demonstratoren aufgebaut: 1. Magnetische Schalter Anwendung: Positionsabhängiges Schalten in der Automatisierungstechnik (Ein / Aus Schalten in Abhängigkeit von der Position eines Objektes) 2. Linearer Positionssensor (Ausgangssignal kontinuierlich abhängig von der zu messenden Position eines Objektes) Anwendung: Positionsmessung in der Automatisierungstechnik 3. Drehzahlmesser Vorteil: keine Drehzahlbegrenzung nach unten bis hin zu quasistatischen Signalen 20

21 IV. Aktuelles Projekt 1. Magnetischer Schalter Durch spezielle Elektronik konnte eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht werden. Schaltentfernungen von über 100mm 21

22 IV. Aktuelles Projekt Demonstrator Magnetischer Schalter Magnet (Linearbewegung) Leuchtdiode Schaltentfernung von über 100mm wird demonstriert Sensor 22

23 23 IV. Aktuelles Projekt

24 IV. Aktuelles Projekt 2. Linearer Positionssensor Durch spezielles Verfahren konnte Hysteresefreiheit erreicht werden (eindeutige Zuordnung zwischen Position und Signalspannung) 24

25 IV. Aktuelles Projekt Nachweis der Hysteresefreiheit eines linearen Positionssensors CMR-Material: LSMO 25

26 IV. Aktuelles Projekt 3. Drehzahlmesser 26

27 IV. Aktuelles Projekt Demonstrator Drehzahlmesser Magnet auf rotierender Achse CMR-Sensor im wechselnden Magnetfeld Periodische Änderung des Magnetfeldes ergibt periodische Widerstandsänderung Elektronischer Zähler liefert Drehzahl Auch Messung des Streufeldes des Rotors zur Drehzahlbestimmung möglich Vorteil: Keine untere Frequenzgrenze CMR-Sensor Rotierende Achse mit Magnet 27

28 IV. Aktuelles Projekt Nachteile LSMO-Material: Alterungseffekte und Temperaturabhängigkeit in der gleichen Größenordnung wie magn. Widerstandsänderung. Begrenzte Einsatztemperatur wegen Curie-Temp. ca.85 C Entwicklung neuer CMR-Materialien (Doppelperowskite) sollten vorangetrieben werden SFMO: ΔR/R ca. 20% / Tesla (Zimmertemperatur) T c ca. 150 C -werkstofflich extrem anspruchsvoll -weitere Entwicklungsarbeiten notwendig 28

29 Zusammenfassung und Ausblick CMR-Materialien besitzen aufgrund ihrer magnetischen Widerstandsänderung ein vielversprechendes Anwendungspotenzial für Sensorbauelemente. Im Rahmen des Verbundprojektes Fanimat Nano-Shape wurden mit dem Material LSMO Demonstratoren für einen -magnetischen Schalter -linearen Positionssensor -Drehzahlmesser aufgebaut. 29

30 Zusammenfassung und Ausblick Durch ein spezielles elektronisches Verfahren konnte beim magnetischen Schalter eine hohe Schaltentfernung von >100mm erreicht werden. Durch ein weiteres spezielles elektronisches Verfahren konnte die Hysterese beim linearen Positionssensor vermieden werden. Alterungseffekte und Temp.-abhängigkeiten in der gleichen Größenordnung wie magnetische Widerstandsänderung und die begrenzte Einsatztemperatur (T<85 C) erfordern weitere Untersuchungen, insbesondere die Entwicklung neuer Materialen (SFMO) mit höherem ΔR/R und höherer Curie-Temperatur. 30