Mikro-Nanotechnologieam Beispiel von MR-Sensoren

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1 Mikro-Nanotechnologieam Beispiel von MR-Sensoren MagnetoresistiveSensoren in industriellen- und Raumfahrtanwendungen Dr. Rolf Slatter Geschäftsführender Gesellschafter (CEO) Sensitec GmbH, Lahnau

2 Themen Kurzvorstellung Sensitec GmbH Was ist der Magnetoresistive(MR-) Effekt? Der MR-Effekt die Geschichte Der Anisotrope MR-Effekt(AMR) Der Giant MR-Effekt(GMR) Vorteile von MR-Sensoren Anwendungsbeispiele Ausblick 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

3 Kurzvorstellung Sensitec GmbH (1) Der Spezialist für Magnetoresistive(MR)-Sensorenzur Messung von Winkel, Länge, Position, Magnetfeld und Strom von der Maßverkörperung über Chip-Design und Produktion in Dünnschichttechnologie mit integrierten Auswerteschaltungen zu optimierten, zuverlässigen Systemlösungen in Serie 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

4 Kurzvorstellung Sensitec GmbH (2) Firmendaten Gründung 1999 (entstanden aus IMO, Wetzlar) 2 Standorte Lahnau(Vertrieb, Entwicklung, Systemfertigung) Mainz (Waferfertigung) Umsatz: 13,2 Mio. EUR (Plan 2010) 125 Mitarbeiter 100 Personen-Jahre an Erfahrung in MR Sensortechnologie 59 Patente (AMR Technologie); Lizenzabkommen mit IBM zur GMR Technologie 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

5 Die Produkte Sensoren zur Messung von Winkel, Länge, Position, Magnetfeld und Strom 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

6 Grundlagen der MR Technologie (1) Was ist der MR-Effekt? Der Magnetowiderstands-oder MR-Effekt(MR = MagnetoResistance) beschreibt die relative Änderung des elektrischen Widerstandes eines Leiters bei Anlegen eines Magnetfeldes. Der MR-Effektwird quantifiziert als das Verhältnis zwischen der Widerstandsänderung beim Anlegen des Magnetfeldes und dem Widerstand, wenn kein Feld aufgelegt ist: R R R R H O MR-Effekt= 100= [%] O R Magnetische Schicht (Permalloy Ni 81 Fe 19 ) R M Strom α α 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

7 Grundlagen der MR Technologie (2) Der MR-Effekt die Geschichte (Teil 1) 1857 William Thomson (Lord Kelvin) entdeckt den Anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR). Die Auswirkung ist noch sehr klein ( 3 % bei Raumtemperatur) und es gibt zunächst keine industrielle Anwendung Dann lag der Effekt über ein Jahrhundert im Dornröschenschlaf bis Ende der 80er Jahre: Lord Kelvin 1988 Peter Grünberg und Albert Fertentdecken unabhängig voneinander den Riesen-Magnetowiderstandseffekt (GMR) (6 80 % bei Raumtemperatur) 1993 von Helmoltet al entdecken den kolossalen Magnetowiderstandseffekt (CMR) ( 200 % bei Raumtemperatur), aber noch im Forschungsstadium 1995 Mooderaet al entdecken den Tunnel-Magnetowiderstandseffekt (TMR) ( 50 % bei Raumtemperatur) und es gibt schon erste Anwendungen Peter Grünberg 2007 Peter Grünberg and Albert Fertwerden für die Entdeckung der GMR-Effekt mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Albert Fert 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

8 Grundlagen der MR Technologie (3) Der MR-Effekt die Geschichte (Teil 2) 2007 Peter Grünberg and Albert Fertwerden für die Entdeckung der GMR-Effektmit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Nobel prize for men who made ipod possible Disk technology takes Nobel Prize Physics of the ipod awarded Nobel Prize 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

9 Grundlagen der MR Technologie (4) Erzeugung und Verarbeitung eines AMR-Sensor Signals -Vo1 -Vo2 Vcc2 I α M gnd gnd2 +Vo2 Ausgangssignal AMR cos(2α) sin(2α) 1,5 1 0, ,5-1 Vcc +Vo1-1,5 Magnetfeldwinkel α 1 AMR Winkelsensor 2 Wheatstone-Brücke 3 (Sinus und Cosinus) Ausgangssignal einer AMR Brücke cos cos OP 4 Microcontroller sin Amp. µc OP A D A D Bus Ausgangssignal µc 5 Ausgangssignal µc Magnetfeldwinkel α 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

10 Grundlagen der MR Technologie (5) AMR Winkelsensor Typischer Schichtaufbau Passivierung SiO 2 oder SiN(1 µm) Leiterbahn Al oder Au (0,8 µm) MR-Schicht NiFe(0,025 µm) Substrat Si Isolation SiO 2 (0,5 µm) Sensitec Reinraum am Standort Mainz 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

11 Grundlagen der MR Technologie (6) GMR Grundprinzip Magnetisierungsrichtung Richtung des Elektronspins Magnetische Schicht Nicht-magnetische Schicht Aufgrund ihrer quantisiertenspinzustände werden Elektronen beim Durchgang durch magnetische Schichtenje nach Ausrichtung der Magnetisierung dieser Schichten unterschiedlich stark gestreut. Die Streuwahrscheinlichkeit ist größer, wenn der Spin eines Elektrons anti-parallel zur Magnetisierung einer Grenzschicht steht. 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

12 Grundlagen der MR Technologie (7) GMR Multilayer(1) Magnetische Schicht 1.2 Nicht-magnetische Schicht M M R/Rmin GMR M 1.05 Substrat M µ o H (mt) µ o H (mt) Alternierende magnetische (NiFe or CoFe) und nicht-magnetische (Cr) Schichten Schichtdicke typischerweise 2 nm für 5 bis 15 Schichten. Die zulässigen Schichtdickentoleranzen liegen bei nur 1 bis 2 Å. Hoher MR-Effekt und hohe Empfindlichkeit im Arbeitspunkt 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

13 Grundlagen der MR Technologie (8) GMR Multilayer(2) 100% 90% Die Kennlinie des Sensors kann maßgeschneidert werden mittels Änderung der Anzahl Schichten, Anpassung der Schichtdicken und Anwendung unterschiedlicher Werkstoffe dr (%) 80% Dünnere nicht-magnetische Schicht 70% 60% ka/m 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

14 Magnetische Sensoren im Vergleich AMR GMR HALL MR-Effekt R/R[%] n.a. Empfindlichkeit Medium Hoch Niedrig Ausgangssignalstärke Medium Hoch Niedrig Leistungsverbrauch Medium Niedrig Hoch Signal-zu-Rausch Verhältnis Hoch Medium Niedrig Hysterese Niedrig Medium Niedrig Dieser Vergleich kann nur als Richtlinie dienen. Jede Technologie hat Vorteile in bestimmten Anwendungen. Die spezifischen Anforderungen einer Anwendung und die Umgebungsbedingungen müssen berücksichtigt werden, bevor entschieden wird, welche Technologie bevorzugt werden sollte. 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

15 Vorteile von MR-Sensoren Hohe Genauigkeit und hohe Auflösung - Im Bereich µm (Länge) oder arcsec(winkel) Hohe Dynamik - Bandbreite bis 10 MHz Sehr robust - Unempfindlich gegen hohe oder niedrige Temperaturen, Verschmutzung, Strahlung, Vakuum oder mechanische Belastungen durch Stöße oder Vibrationen Hohe Zuverlässigkeit - Keine Feldausfälle in Automobilanwendungen bis heute Hohe Empfindlichkeit - Hohe Signalstärke von physikalisch kleinen Sensoren Hohe Energieeffizienz - Hoher Innenwiderstand für batteriebetriebene Anwendungen Lange Betriebslebensdauer - Berührungsloses, verschleißfreies Messprinzip 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

16 Sensor Messanordnungen Die kleinen Abmessungen und die hohe Empfindlichkeit von MR Sensoren ermöglichen vielfältige Anwendungen für Winkel-, Längen-, Magnetfeld- und Strommessung. 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

17 Anwendungsbeispiele Stromsensoren für Motoren in Windkraftanlagen Linearencoder für biometrische Messungen Messung der Abnutzung von Bohrkronen bei Tiefenbohrungen Motorgeber für Mars Rover Längenmessung im Messschieber Drehmomentsensor für aktive Lenkung Fokuseinstellung bei Filmkameras Motor Feedback System für EC-Motor 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

18 Anwendungsbeispiel(1-1) Im Kompaktmotor integrierter Drehgeber MR-Sensorenvereinen Eigenschaften und Spezifikationen zu einem leistungsfähigen, robusten Messsystem Auflösung: 2048 ppr Absolute Winkelgenauigkeit: < 0,1 Geschwindigkeit: 8000 rpm Temperaturbereich: -40 C bis +105 C Vorteile Gute Integrationsfähigkeit ermöglicht eine kompaktere Motorbauweise. Die polangepasstensensoren eliminieren die Störfelder der Motorwicklungen aus dem Nutzsignal. 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

19 Anwendungsbeispiel(1-2) Entwicklungsziel Extrem kompaktes integriertes Encodermodul, welches extrem schwierige Umgebungsbedingungen, hohe Betriebstemperaturen und große Montagetoleranzen aushalten kann. Quelle: Alcatel-Lucent AG - Dunkermotoren 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

20 Anwendungsbeispiel(2-1) Inkrementelles Messsystem für Drehwinkel und Drehzahl (Magnet am Wellenende) MR-Sensor Magnet Der MR-Sensorist über einem sich drehenden Magneten angeordnet und liefert ein sin/ cos Signal in Abhängigkeit der Feldrichtung, über 180 absolut. 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

21 Anwendungsbeispiel(2-2) Im Kleinstmotor integrierter Encoder für hohe Drehzahlen bei gleichzeitig großer Auflösung und Genauigkeit, bei geringstem Stromverbrauch und unter extremen Umweltsituationen (Temperaturbereich bis 100 C, strahlungsresistent) MR-Sensoren von Sensitec kontrollieren seit Januar 2004 die Bewegungen von Spirit und Opportunity auf dem Mars. 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

22 Anwendungsbeispiel(3-1) Drehgeber-Bausatz für schwierige Umgebungsbedingungen Source: Pepperl + Fuchs GmbH Typische Anwendung in einer Werkzeugmaschine 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

23 Anwendungsbeispiel(3-2) Entwicklungsziel Extrem kompaktes Encodermodul, welches extrem schwierige Umgebungsbedingungen, hohe Betriebstemperaturen und große Montagetoleranzen aushalten kann. Motorwelle AL616 AMR PERFECTWAVE Sensor (inkrementelles Signal) Polring Interpolations-ASIC AMR Sensor Polring Leiterplatte GF708 GMR spin-valve Sensor (Referenzsignal) Lösung Encodermodul, bestehend aus Spritzvergossenem Polring mit 64 oder 128 Polen Elektronik-Modul mit zwei MR-Sensorchips und Interpolations-ASIC SMARTFIT FunktionfüreinfacheMontage Eckdaten Auflösung (64 Pole) ppr Absolute Winkelgenauigkeit < ± 0,1 Ausgangsfrequenz bis 1 MHz Max. Drehzahl /min AusgangssignaleTTL, HTL, 1 V ss Versorgungsspannung 5 V, 24 V 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

24 Anwendungsbeispiel(4) Drehmomentsensor für elektrische Servolenkung Funktion Redundantes Abtasten eines Polringes, wobei Sensor und Polring über einen Torsionsstab verbunden sind Eckdaten Ausgangssignal: 2 x sin/ cosanalog Messwinkel 15 Auflösung: < 0,1 Genauigkeit: 0,3 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

25 Anwendungsbeispiel(5) Radrehzahlsensor für ABS und ESP-Funktionen Anforderungen Reduzierung der Sensorgröße Reduzierung der Sensorkosten U offset < 0.4 mv/v ohne Lasertrimming Extreme Betriebsbedingungen (T junction < 195 C) Lösung Kundenspezifischer Feldsensor AMR Feldsensor AF720 Automobil Technologieplattform Robuste Goldverbindungen AMR + ASIC + Ferrit 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

26 Anwendungsbeispiel(6) Längensensor für Werkstattmessschieber In einem Messschieber soll der Messweg berührungslos und ohne Einfluss von Feuchtigkeit gemessen werden Lösung Spezifischer Feldsensor mit Anpassung an die Periodenlänge des Maßstabs Größe 21.5 x 34 mm Vorteile Robustheit der MR-Sensoren Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeit, Staub und Öl Einfache Justage Keine mechanische Abnutzung durch das Messsystem 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

27 Anwendungsbeispiel(7) Biometrische Längenmessung am Auge Messung zwischen Linse und Netzhaut zur Ermittlung der optimalenlinse beim grauen Star. Durch die hohe Präzision der Messergebnisse können aufwändige optische Messsysteme ersetzt werden. Größe 21.5 x 34 mm Vorteile Weniger Justageaufwand Geringere Kosten des Sensor-Moduls Leichter Einbau Hohe Genauigkeit von +/-5 µm Rasche Durchführung der Messung 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

28 Anwendungsbeispiel(8) Rotorlagegeber für Auswuchtmaschine Es sollen die Drehzahl und Position eines Rotors in einer Auswuchtmaschine bei Drehzahlen bis über U/min berührungslos und hochgenau gemessen werden. Lösung Sensorkopf mit AFF755 Magnetfeldsensor um Faktor 1000 empfindlicher als bisher bekannte Systeme! Sensorkopf und digitales Signalverarbeitungsmodul 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

29 Anwendungsbeispiel(9) Winkelmessung in Kameraobjektiv Informationen zur Blende, zum Fokus und zur Zoom-Einstellung werden für die spätere Bearbeitung des Films benötigt. Hierzu wird ein an das Objektiv angepasster Drehgeber eingesetzt Vorteile Einfache Justage Messlänge nur vom Maßstab abhängig Codespursensor auf einem Träger Kein zusätzlicher Abgleich am Endsystem erforderlich 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

30 Anwendungsbeispiel(10) Metallische Zahnstrukturen als Maßstab Die Zahnstruktur eines magnetischen Materials moduliert das Magnetfeld des Stützmagneten auf einem MR-Sensor, indem die Magnetfeldlinien verdichtet bzw. gestreckt werden. Der Sensor setzt diese modulierte Feldstärke in ein proportionales elektrisches Signal um. GMR-Zahnsensor mit zahnangepassten MR-Streifen 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

31 Anwendungsbeispiel(11) Zahnsensor-Modul für inkrementelle Abtastung von Zahnstrukturen, z.b. als Drehgeber oder Wegmesssystem Für eine leichte Montage, mit optimiertem Magnet integriert in einem SMD-bestückbarenModul für die senkrechte und waagrechte Montage. 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

32 Anwendungsbeispiel(12-1) Messung der Ventilbewegung an einem befeuerten Motor im Motor-Prüfstand. Vorteile Hohe Dynamik Robust bei hohen Temperaturen Kompakte Bauform Maßverkörperung besteht aus vorhandenem Maschinenelement Inkrementelles Messsystem Auflösung 5 µm Lineargeschwindigkeit 10 m/s Umgebungstemperatur 150 C 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

33 Anwendungsbeispiel(12-2) Integration des magnetoresistiven Sensors in der Ventilführung Zahnstruktur auf dem Ventil Sensorkopf Montage der modifizierten Ventilführung in einem Zylinderkopf Sensorkopf Signalkabel 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

34 Anwendungsbeispiel(13) Kompaktes, berührungsloses Absolutmesssystem zur Messung des Lenkwinkel des Bugrades eines Passagierflugzeuges (LuFo Projekt) Maßverkörperung (drei Gewindegänge) GLM Zahnsensormodul Quelle: Airbus Industrie Sensor Leiterplatte Quelle: Liebherr Aerospace GmbH Schnittstellen Leiterplatte Spezifikationen Auflösung 0.1 Absolute Winkelgenauigkeit 0.5 Berührungsloses Messprinzip Resolver-kompatibles Ausgangssignal Gewichtsreduzierung 2000 % (!!) 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

35 Anwendungsbeispiel(14) Zerstörungsfreie Prüfung von geschweißten Röhren Ein Array, bestehend aus GMR Sensoren, wird benutzt, um die Innen-und Außenflächen des Rohres auf Materialfehler zu untersuchen. Vorteile Hohe Empfindlichkeit Hohes Signal-zu-Rausch Verhältnis Hohe räumliche Auflösung Frequenzunabhängig (DC bis 1 MHz) Einfache Verstärkungselektronik (Bildquelle: Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH) 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

36 Anwendungsbeispiel(15) Positionierung einer mechanischen Blende Einsatz im MERTIS Thermal Infrared Imaging Spectrometer(BepiColombo Mission) Blende Mercury Planetary Orbiter (Bildquelle: DLR) GF705 GMR Sensor BepiColombo Raumsonde (Bildquelle: DLR) GF705 GMR Sensor Bewegender Magnet Qualifikationstests haben bei Kayser-ThredeGmbH begonnen (über 90 x 10 6 Zyklen bis jetzt) 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

37 Anwendungsbeispiel(16) Potenzialfreie Strommessung Anwendungen Motorregelung in Hybridfahrzeugen Batteriemanagement Anforderungen Außerordentliche Genauigkeit Hohe dynamische Antwort Kleiner, leichter Sensor Lösung CFS1000 (Integrated AMR Current Sensor) AlleSensorbauteilein einemsoic-16 Package integriert Kompensierter AMR Sensorchip Signalverarbeitungs-ASIC Permanentmagnete(Stützfeld) Primärstromleiter in der Leiterplatte Entwicklungspartnerschaft mit ELMOS A-Samples verfügbar, C-Samples in Januar Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

38 Anwendungsbeispiel(17) Hochpräzise Magnetfeldmessung Anwendungen Messung des terrestrischen Magnetfelds für Navigationsanwendungen Fahrzeugdetektion im Verkehrsmanagement Anforderungen Hohe Empfindlichkeit Hohe Winkelgenauigkeit(für Fahrtrichtung) Geringe Stromaufnahme Kompakte Abmessungen Lösung AFF755 Magnetfeldsensor Gewinnerdes 2010 Frost & Sullivan Global Product Innovation Award 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

39 Ausblick (1) Startrek lebt! BMBF Projekt MrBead Bioanalyse auf Basis biologisch beschichteter magnetischer Nanopartikel und GMR-Sensoren. Ziel:Analyse biologischer Flüssigkeiten (Blut, Speichel) mit Hilfe von Antikörpern. Anwendung:Sensor zur Dichtemessung von magnetisch gekennzeichneten Biomolekülen. Warum GMR? Hohe Empfindlichkeit Niedriger Leistungsverbrauch Kleine Abmessungen Tragbar Point of Care 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

40 Ausblick (2) Die Reise ins Innere EU-Projekt VECTOR Versatile Endoscopic Capsule for gastrointestinaltumorrecognitionand therapy Ziel:Entwicklung und Anwendung einer Smart Pill -Technologiezur Diagnose und Therapie von Darmkrebs. Anwendung: Referenzsensor in Micro- Encoder für Motor Warum GMR? Kleine Abmessungen Niedriger Leistungsverbrauch Genaue Schaltung Magnetische Überwachung in klinischen Tests 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

41 Zusammenfassung MR-Sensoren sind robust, präzise und miniaturisiert Deswegen bieten MR-SensorenKonstrukteure und Entwickler neue Möglichkeiten, um die Messung von Wegen, Winkeln, elektrischen Strömen oder Magnetfeldern durchzuführen MR-Sensorenhaben vielfältige Anwendungen, sowohl terrestrisch als auch im Weltraum Der Anwendungsbereich von MR-Sensoren wird stetig größer Magnetoresistive(MR) Sensoren sind ein sehr gutes Beispiel für gelungene Mikro-Nano Integration 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 7. Nanotechnologieforum Hessen, 30. November