München 2004 – scientific programme

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PV: Plenarvorträge

PV XII

PV XII: Plenary Talk

Wednesday, March 24, 2004, 16:20–16:50, Aula

Charakterisierung von Tunnelmagnetowiderstands (TMR)-Elementen mit magnetostriktiver Messschicht - Eine neue Generation von Dehnungssensoren — •S. Dokupil, M. Löhndorf und E. Quandt — Stiftung caesar, Ludwig-Erhard-Allee 2, 53175 Bonn — Trägerin des Georg-Simon-Ohm-Preises

Dehnungssensoren kommen überwiegend in den Bereichen des Maschinenbaus, der Automobilindustrie, Mess- und Medizintechnik zum Einsatz. Eine neue Generation von Dehnungssensoren konnte durch die Kombination von Tunnelmagnetowiderstandselementen, die schon aus der magnetischen Speichertechnologie (MRAM) bekannt sind, und magnetostriktiven Messschichtmaterialien geschaffen werden [1]. Diese Art von Sensor ist zur Bestimmung mechanischer Größen, wie z.B. Druck- oder Zugspannungen, vorgesehen. Der wichtigste Vorteil gegenüber herkömmlichen Dehnmessstreifen oder piezoresistiven Dehnungssensoren ist eine erheblich größere Empfindlichkeit (Verstärkungsfaktoren von 300-600). Zusätzlich besteht die Möglichkeit zur Massenproduktion auf unterschiedlichen Substraten mittels Standardtechnologien der Mikrosystemtechnik, z. B. können 10000 Sensorelemente auf einem 4” Wafer untergebracht werden. Die Integration der Sensorstrukturen in CMOS-Prozesse ist angestrebt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene magnetostriktive TMR-Sensoren im Hinblick auf die Auswahl der magnetostriktiven Schicht und der Größe und Gestalt der Tunnelbarriere charakterisiert. Dazu wurden neben Vibrationsmagnetometer-Messungen im wesentlichen 4-Punkt-Biegemessungen im Magnetfeld durchgeführt. Die nach einem energetischen Modell erwarteten Abhängigkeiten vom Vorzeichen der Magnetostriktion wie auch von der mechanischen Spannung sowie der Einfluss der Formanisotropie konnte experimentell nachgewiesen werden. Durch spezielle Orientierung der magnetischen leichten Richtung konnten ferner Sensoren realisiert werden, die sowohl auf Druck- als auch auf Zugspannung sensitiv sind. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden mit denen von alternativen magnetostriktiven Dehnungssensoren verglichen und im Hinblick auf potentielle Anwendungen diskutiert.

Das Projekt wird von dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt (Förderungsnummer: 13N8492).

[1] M. Löhndorf, S. Dokupil, M. Rührig, J. Wecker, E. Quandt: Characterization of magnetic tunnel junctions (MTJ) with magnetostrictive free layer materials, J. Magn. Magn. Mat., in press (2003).