Messsystem zur Rauschanalyse von magnetoresistiven Sensoren

In this thesis a measuring system for the analysis of the dominant noise sources and noise processes of magnetoresistive (MR-) magnetic field sensors is developed, presented and characterized. The most important magnetoresistive sensors are the AMR-, GMR-, and TMR-sensors. The intrinsic noise processes of these sensors are determined by the physical processes at the microscopic and macroscopic level and restrict the detection limits. A characterization and analysis of these noise processes is necessary to specify the detection limit, to understand the sensor physics and to improve the sensor characteristics.
The investigation of noise is a complex measurement task. The intrinsic signals depend on the sensor and environmental conditions (magnetic working point, temperature, etc.) and are superimposed and disturbed by the noise sources of the measurement electronics. For this reason, the characterisation of the output noise is processed in a very low-noise, shielded and stable measurement environment.
For the analysis of interaction and interdependencies of the noise sources, the measurement system features the analysis as a function of the temperature, the sensor supply, the bias magnetic field and the magnetic working point. In this context, the temperature system with a temperature range of ±175 °C and the current source for the generation of ultra-low noise and dynamic magnetic fields in a 3-axis Helmholtz-coil system are highlighted. Additionally and independently of the MR-sensors, a GMI-electronics was integrated in the measurement setup, which features the analysis and the characterization of in-house manufactured GMI-elements in an open and closed loop.
After the characterisation of the measurement system, measurements on commercially available AMR-, GMR-, and TMR-sensors are performed. Therefore, an overview of the magnetic noise of different AMR-sensors is presented and a noise source analysis of a sensor is carried out. The measurement results of different GMR- and TMR-sensors show a pronounced 1/f- noise and reveal the problems of these technologies directly. 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.