Messsystem zur Rauschanalyse von magnetoresistiven Sensoren
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Beschreibung
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Messsystem zur Analyse der dominierenden Rauschquellen und Rauschprozesse von magnetoresistiven (MR-) Magnetfeldsensoren entwickelt, vorgestellt und charakterisiert. Die wichtigsten magnetoresistiven Sensoren sind die AMR-, GMR- und TMR-Sensoren. Die intrinsischen Rauschprozesse dieser Sensoren werden von den physikalischen Prozessen auf der mikro- und makroskopischen Ebene hervorgerufen und begrenzen das Detektionslimit der Sensoren. Eine Charakterisierung und Analyse der Rauschprozesse ist für die Spezifizierung des Auflösungsvermögens der Sensoren, das physikalische Verständnis der Sensorphysik und die weiterführende Verbesserung der Sensoren notwendig.
Die Untersuchung des Rauschens ist eine komplexe Messaufgabe, da die intrinsischen Signale von den Sensor- und Umgebungsparametern (Magnetischer Arbeitspunkt, Temperatur, etc.) abhängen und von den Rauschquellen der Messelektronik signifikant überlagert und damit gestört sein können. Die Charakterisierung des Ausgangsrauschens findet aus diesen Gründen in einer extrem rauscharmen, sehr stabilen und abgeschirmten Messumgebung statt.
Zur Analyse der Wechselwirkungen und Abhängigkeiten der Rauschquellen ermöglicht das Messsystem die Charakterisierung in Abhängigkeit von der Temperatur, der Versorgung, dem Stützmagnetfeld und dem magnetischen Arbeitspunkt. Hervorzuheben sind dabei das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Temperatursystem mit einem Temperaturbereich von ±175 °C und die Stromquelle zur Erzeugung extrem rauscharmer und breitbandiger Magnetfelder innerhalb eines 3-Achsen Helmholtz-Spulensystems.
Zusätzlich und unabhängig von der MR-Sensorik wurde eine GMI-Elektronik in das Messsystem integriert, welche die Analyse und Charakterisierung von selbst hergestellten GMI-Elementen in offener und geschlossener Regelschleife ermöglicht.
Nach einer Charakterisierung des Messsystems erfolgen Messungen an kommerziell verfügbaren AMR-, GMR- und TMR-Sensoren. Dazu wird zum Einstieg ein Überblick des Detektionsvermögens verschiedener AMR-Sensoren gezeigt und am Beispiel eines AMR-Sensors eine Analyse der dominanten Rauschquellen durchgeführt. Die Untersuchungen an mehreren GMR- und TMRSensoren weisen ein ausgeprägtes 1/f-Rauschen auf und zeigen damit direkt die Problematik der beiden Sensorarten.
Autor*in
Felix Maria Nording
Themen in »Messsystem zur Rauschanalyse von magnetoresistiven Sensoren«
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