1 Überblick über die Sensorik

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240 5.1 Halleffekt-Sensoren 5.2.1 Feldplatten 241
Der letzte Gesichtspunkt erweist sich als besonders gravierender Nachteil für Silizium-Hallgeneratoren.
Die Ursache dafür liegt in dem außerordentlichen oder Pseudo-
Halleffekt (Bild 4.2.2-4c und d) aufgrund des piezoresistiven Effekts, der bei Silizium-Drucksensoren
gezielt zur Messung mechanischer Spannungen eingesetzt werden
kann (Bild 4.2.6-4): Dieser Effekt erzeugt wie der Halleffekt ein transversales elektrisches
Feld, d.h. beide Effekte können bei der Messung nicht voneinander getrennt
werden. Bei integrierten Hallsensoren treten fast immer parasitäre mechanische Spannungen
auf, welche durch die Fertigungsprozesse auf dem Halbleiterchip, sowie durch
die Kontaktierung und Montage des Chips im Gehäuse eingeführt werden. Hierdurch
wird der Nullpunkt der Messung (Meßsignal ohne äußeres Magnetfeld) in schwer zu beherrschender
Weise verschoben. Langzeiteffekte, wie der Aufbau oder Abbau mechanischer
Spannungen durch Nachgeben von Klebe- oder Legierungsverbindungen (Waferbondverbindungen),
Bimetalleffekte usw. führen zu Verschiebungen in der Sensorkennlinie,
welche die Einsatzmöglichkeiten dieser Sensoren erheblich einschränken
können. Wegen des kleineren piezoresistiven Effekts in Galliumarsenid ist dieser Störeffekt
bei GaAs-Hallsensoren weitaus geringer.
5.2 Magnetoresistive Sensoren
Bild 5.1.2-5
Integration zusätzlicher elektrischer Funktionen auf demselben Chip mit dem in
Bild 5.1.2-4 charakterisierten diskreten Hallsensor in verschiedenen Integrationsstufen
(nach [5.7])
a) diskreter Sensor
b) a) mit integrierter MESFET(s. Band 2, Abschnitt 10.3.2)-Konstantstromquelle
c) wie b), zusätzlich mit integrierter Nullspannungskompensation
d) wie b), zusätzlich mit integriertem Differenzverstärker
Die Magnetfeldmessung über Hallsensoren hat eine Reihe von Vorteilen wie
– hohe Empfindlichkeit
– eine Messung von Magnetfeldstärke und -richtung ist möglich
– relativ einfache Herstellung integrierter Sensoren,
denen aber gravierende Nachteile gegenüberstehen:
– Nullpunktstabilität ist kritisch
– relativ große Temperaturabhängigkeit, insbesondere bei Silizium-Hallgeneratoren
– bei Silizium-Hallgeneratoren gibt es eine relativ starke Querempfindlichkeit gegenüber
mechanischen Spannungen
5.2.1 Feldplatten
Magnetoresistive Sensoren haben den Vorteil, daß sie eine besonders einfache Zweipunktmessung
ermöglichen, im Gegensatz zu den vier notwendigen Anschlüssen bei
Hallgeneratoren. Wie bei den piezoresistiven Sensoren gibt es – wenn auch aus völlig
unterschiedlichen Gründen – einen werkstoff- (magnetische Widerstandsänderung)
und einen geometriebedingten (geometrischer Magnetowiderstandseffekt, s. Anhang
C3) Effekt.
Die Änderung des elektrischen Widerstandes eines Werkstoffes mit der Größe eines angelegten
äußeren Magnetfelds ist eines der wichtigen grundlegenden Probleme der Festkörperphysik
[5.1]. In stark vereinfachter Form ergibt sich für Elektronenleiter (Beweglichkeit
µ n ) als magnetische Widerstandsänderung [5.2 und 9]: