Richtungsabhängige Temperaturmessung

Anwendungsspektrum für magnetoresistive Sensoren

  • Abb. 1: Der TMR- a) und TMS- b) Effekt im Vergleich. a) An ein TMR-Element wird eine Spannung angelegt. Sind die Magnetisierungen M der beiden Elektroden parallel ausgerichtet (angedeutet durch rot-Nordpol und grün-Südpol) ist der Widerstand klein, bei antiparalleler Ausrichtung ist der Widerstand groß. b) In einem TMR-Element wird eine Temperaturdifferenz erzeugt, die eine Spannung generiert. Diese ändert sich bei paralleler/antiparalleler Ausrichtung von M. Abb. 1: Der TMR- a) und TMS- b) Effekt im Vergleich. a) An ein TMR-Element wird eine Spannung angelegt. Sind die Magnetisierungen M der beiden Elektroden parallel ausgerichtet (angedeutet durch rot-Nordpol und grün-Südpol) ist der Widerstand klein, bei antiparalleler Ausrichtung ist der Widerstand groß. b) In einem TMR-Element wird eine Temperaturdifferenz erzeugt, die eine Spannung generiert. Diese ändert sich bei paralleler/antiparalleler Ausrichtung von M.
  • Abb. 1: Der TMR- a) und TMS- b) Effekt im Vergleich. a) An ein TMR-Element wird eine Spannung angelegt. Sind die Magnetisierungen M der beiden Elektroden parallel ausgerichtet (angedeutet durch rot-Nordpol und grün-Südpol) ist der Widerstand klein, bei antiparalleler Ausrichtung ist der Widerstand groß. b) In einem TMR-Element wird eine Temperaturdifferenz erzeugt, die eine Spannung generiert. Diese ändert sich bei paralleler/antiparalleler Ausrichtung von M.
  • Abb. 2: Zwei thermomagnetische Effekte. a) Der TMS, Erzeugung und Messung ist in Richtung des Temperaturgradienten, die Magnetisierung beeinflusst die erzeugte Spannung. Beim ANE liegen der Temperaturgradient und die Magnetisierung in einer Ebene. Somit wird der TMS senkrecht zu dieser Ebene verstärkt b) oder wenn z. B. der Temperaturgradient um 180° gedreht wird, abgeschwächt c).
  • Abb. 3: Durch die Kombination aus der Richtung des Temperaturgradienten und der Magnetisierung (im Bild entlang der y-Richtung) entsteht eine Asymmetrie im gemessenen TMS Signal, die sich im Vorzeichenwechsel der gemessenen Spannung bemerkbar macht. Je nach Richtung der Wärmequelle wird das Signal verstärkt oder abgeschwächt. Durch Drehung der Magnetisierung kann der Effekt umgekehrt werden.

Der einfachste und direkteste Weg, elektrisch Temperatur zu messen, ist durch Änderung des Widerstandes in Kaltleitern (Pt-Sensoren) und NTCs (Halbleiterelementen) oder der Spannung in Thermoelementen. Diese können sehr präzise kalibriert werden und bieten die Möglichkeit, absolute Temperaturen über weite Bereiche unter verschiedensten Bedingungen zu messen. Somit lässt sich bei vielen technischen Anwendungen die Temperatur auf kleinen Skalen punktgenau bestimmen. Um hingegen Temperaturänderungen richtungsabhängig messtechnisch zu erfassen, müssen bei dieser Detektion mehrere Sensoren räumlich verteilt und ihre Temperaturen verglichen werden. Magnetoresistive Sensoren bieten die Möglichkeit, diese zwei Messaufgaben auf einen Sensor zu reduzieren.

Der anisotrope magnetoresistive Widerstandseffekt (AMR) ist seit der Mitte des 19. Jahrhunderts bekannt. Der elektrische Widerstand eines leitenden ferromagnetischen Materials ändert sich infolge der Lorenzkraft mit der Magnetisierung. Fließt der Strom senkrecht zur Magnetisierung, ist der Widerstand klein. Parallel zur Magnetisierung ist der Widerstand groß. In geeigneter Konfiguration mit magnetischen Strukturen, z. B. auf einer sich drehenden Achse, lässt sich der Effekt zur Drehwinkelbestimmung nutzen.
Der Aufbau eines AMR-Sensors ist relativ einfach, er erfordert lediglich eine weichmagnetische Schicht. Allerdings ist die Widerstandsänderung sehr klein, sie liegt bei Raumtemperatur im Bereich von 3-4 %, wenn die Magnetisierung um 90° gedreht wird. Daher erfordert der Aufbau der Komponenten einen hohen Genauigkeitsgrad. Eine höhere Empfindlichkeit erreicht man, indem man mehrere magnetische Schichten kombiniert. Aufgrund von Bandstruktureffekten sind Multilagen, in denen zwei ferromagnetische Schichten durch eine nichtmagnetische Metallschicht getrennt sind, empfindlicher und zeigen eine Widerstandsänderung von bis zu 40 %. Dabei ändert sich der Widerstand mit der relativen Änderung der Magnetisierung der beiden Schichten gegeneinander.
Der hier zugrundeliegende GMR-Effekt (Giant magneto resistence) ermöglicht dank der hohen Empfindlichkeit kleinere Sensorgrößen, erfordert jedoch Grenzflächen zwischen den Schichten mit Rauigkeiten im Subnanometerbereich von 10-10 m und stellt im Vergleich zum AMR hohe Anforderungen an die Dünnschichttechnologie.

Diese Technologie hielt Ende der neunziger Jahre bei der Herstellung von Festplattenleseköpfen Einzug und ermöglichte es, die Speicherdichten zu verzehnfachen. Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit erreicht der Tunnelmagnetowiderstand (TMR). Um dies zu erreichen, wird die metallische Zwischenschicht durch einen Isolator, also eine Tunnelbarriere, ersetzt. Kristallines Magnesiumoxid als Tunnelbarriere zwischen zwei CoFe-Schichten führt durch kohärentes tunneln zu Widerstandsänderungen von über 300 %.

 
TMR-Elemente
Die Verwendung von TMR-Elementen als Sensoren in Festplattenleseköpfen führte zu weiteren Steigerungen der Speicherdichte. Den größeren Nutzen verspricht man sich jedoch, wenn es gelingt, die heute auf kapazitiver Halbleitertechnologie basierenden Arbeitsspeicher RAM durch magnetische Arbeitsspeicher MRAM auf Basis von TMR-Elementen zu ersetzen. Die Vorteile liegen darin, die Speicherung binärer Information durch parallele (0) oder antiparalle (1) Ausrichtung der Magnetisierung beider Schichten zu realisieren. Das ist energieeffizienter, weil das System nichtflüchtig bei Stromausfall ist. Energie wird lediglich zum Schreiben, also Ausrichten der Magnetisierung einer der beiden Schichten, und bei Bedarf zum Auslesen der Information benötigt. Gegenwärtige Halbleiterbasierte RAM-Technologien sind flüchtig und verlieren ihre Information bei Stromausfall.
Aufgrund des großen Potentials von TMR-Elementen in der Informationsspeichertechnologie basierten erste Untersuchungen thermomagnetischer Effekte an diesen Schichtsystemen auf der Überlegung, Abwärme, die z.B. in Prozesoren entsteht, zum Auslesen der gespeicherten Information zu nutzen. Die Charakteristik von TMR-Speicherelementen oder Sensoren ist in Abbildung 1a) dargestellt. Der Widerstand des Schichtstapels hängt von der relativen Magnetisierung der beiden Schichten zueinander ab. Ersetzt man die angelegte Spannung durch einen Temperaturgradienten – im Prinzip genügt ein Temperaturunterschied zwischen den beiden magnetischen Schichten – so wird eine Seebeck-Spannung erzeugt, welche ebenfalls von der Magnetisierung und vom Temperaturunterschied abhängt. Das gelingt bei TMR-Elementen besonders gut, weil das Magnesiumoxid eine hohe Wärmekapazität und eine kleine Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den magnetischen Materialien aufweist. Der dabei erzeugte Effekt heißt Tunnel-magneto-Seebeck-Effekt (TMS, Abb. 1b)).
Bei GMR-Elementen werden in der Regel mehrere Multilagen benötigt, die zu Nanodrähten aufgeschichtet sind, um genügend große Temperaturgradienten und Spannungsänderungen zu erzeugen. Für diese Anwendung muss die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Schichten homogen verlaufen. Inhomogenitäten, z. B. durch Temperaturgradienten innerhalb der beteiligten Schichten selbst, führen zu weiteren thermomagnetischen Effekten, die den TMS beeinflussen und dadurch stören können.
 
Richtungsabhängige Thermometer
Man kann sich diese Effekte jedoch zunutze machen und das Anwendungsspektrum für TMR-Elemente in der Sensorik über die Positionsbestimmung hinaus erweitern, z. B. als richtungsabhängige Thermometer in einer Ebene. Die Kombination aus TMS und dem anomalen Nernst-Effekt (ANE, Abb. 2) erzeugt eine Asymmetrie in der erzeugten Spannung, die von der Richtung des Temperaturverlaufs abhängt. Der ANE wirkt senkrecht zur Ebene, die vom Temperaturgradienten und der Magnetisierungsrichtung aufgespannt wird. Die Bewegung der Elektronen wird senkrecht zur Magnetisierung und treibender Kraft, also dem Temperaturgradienten, beeinflusst. In TMR-Elementen ist die beeinflusste Richtung dieselbe, die den TMS beeinflusst. Befindet sich also eine Wärmequelle an einem Punkt in einer Entfernung vom TMR-Element und erzeugt somit einen Temperaturgradienten in der Ebene des Elementes, so wird die TMS-Spannung verstärkt (Beispiel: Wärmequelle von links). Verlegt man die der Wärmequelle gegenüberliegende Seite im gleichen Abstand vom Element, der einer Drehung um das Element entspricht, so ändert der Temperaturgradient auch seine Richtung. Bei unveränderter Magnetisierungsrichtung ändert sich der Einfluss auf den TMS und die erzeugte Spannung wird abgeschwächt (Beispiel: Wärmequelle von rechts). Dieser Unterschied ist detektierbar und liegt im Mikrovoltbereich für Temperaturunterschiede in der Größenordnung mehrerer Millikelvin, siehe Illustration in Abbildung 3, eine genaue Beschreibung des Zusammenspiels von TMS und ANE befindet sich in [1]. Zusätzlich kann der Effekt durch Drehung der Magnetisierung umgekehrt werden.
Im Grunde ändert der ANE den gemessenen Seebeck-Effekt, könnte also ohne eine Tunnelbarriere zur Detektion verwendet werden. Jedoch bieten Tunnelbarrieren eine Verstärkung des Messsignals durch die thermischen Eigenschaften der isolierenden Schicht und zusätzlich kann die relative Magnetisierung der Schichten zur genaueren Kalibrierung der Temperatur genutzt werden. Der Nachweis des Messsignals ist bei Elementen einer lateralen Ausdehnung von weniger als 10 µm gelungen. Die Ergebnisse zeigen ein Potential zur Verkleinerung der Elemente bis in den Nanometerbereich. Um ein richtungsabhängiges Thermometer in einer einzigen Schicht mittels ANE zu realisieren, sind Sensoren mit einer Ausdehnung im Millimeter- bis Zentimeterbereich notwendig.
 
Eine Frage an die Industrie
Die Untersuchungen zeigen, dass das Anwendungsspektrum magnetoresistiver Sensoren noch nicht vollständig ausgeschöpft oder gar erschlossen ist. Die Asymmetrie des hier diskutierten ANEs und ihr Einfluss auf den TMS eröffnen neue Möglichkeiten, die richtungsabhängige Temperaturmessung ist nur eine davon. Unter Berücksichtigung anderer thermomagnetischer oder thermoelektrischer Effekte und deren Kombinationen sind weitere Anwendungen vorstellbar, wie z. B. eine effizientere Peltier-Kühlung oder punktgenaue Wärmeableitung auf vorgegebenen Pfaden. Es wäre interessant zu erfahren, welche Wünsche und Vorstellungen Seitens der Industrie bestehen, um sinnvolle Kombinationen zu testen und neue Anwendungsgebiete zu finden.

 

Autor:
Jakob Walowski
 

Kontakt 
Dr. Jakob Walowski
Universität Greifswald, Institut für Physik
Greifswald, Deutschland
jakob.walowski@uni-greifswald.de

 

Weitere Beiträge zum Thema

 

Literatur

[1] U. Martens, T. Huebner, H. Ulrichs, O. Reimer, T. Kuschel, R. R. Tamming, C.-L. Chang, R. I. Tobey, A. Thomas, M. Münzenberg and J. Walowski, "Anomalous Nernst effect and three-dimensional temperature gradients in magnetic tunnel junctions," Communications Physics 1, 65, 2018.

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