1 Ãberblick über die Sensorik
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Seite 121<br />
240 5.1 Halleffekt-Sensoren 5.2.1 Feldplatten 241<br />
Der letzte Gesichtspunkt erweist sich als besonders gravierender Nachteil für Silizium-Hallgeneratoren.<br />
Die Ursache dafür liegt in dem außerordentlichen oder Pseudo-<br />
Halleffekt (Bild 4.2.2-4c und d) aufgrund des piezoresistiven Effekts, der bei Silizium-Drucksensoren<br />
gezielt zur Messung mechanischer Spannungen eingesetzt werden<br />
kann (Bild 4.2.6-4): Dieser Effekt erzeugt wie der Halleffekt ein transversales elektrisches<br />
Feld, d.h. beide Effekte können bei der Messung nicht voneinander getrennt<br />
werden. Bei integrierten Hallsensoren treten fast immer parasitäre mechanische Spannungen<br />
auf, welche durch <strong>die</strong> Fertigungsprozesse auf dem Halbleiterchip, sowie durch<br />
<strong>die</strong> Kontaktierung und Montage des Chips im Gehäuse eingeführt werden. Hierdurch<br />
wird der Nullpunkt der Messung (Meßsignal ohne äußeres Magnetfeld) in schwer zu beherrschender<br />
Weise verschoben. Langzeiteffekte, wie der Aufbau oder Abbau mechanischer<br />
Spannungen durch Nachgeben von Klebe- oder Legierungsverbindungen (Waferbondverbindungen),<br />
Bimetalleffekte usw. führen zu Verschiebungen in der Sensorkennlinie,<br />
welche <strong>die</strong> Einsatzmöglichkeiten <strong>die</strong>ser Sensoren erheblich einschränken<br />
können. Wegen des kleineren piezoresistiven Effekts in Galliumarsenid ist <strong>die</strong>ser Störeffekt<br />
bei GaAs-Hallsensoren weitaus geringer.<br />
5.2 Magnetoresistive Sensoren<br />
Bild 5.1.2-5<br />
Integration zusätzlicher elektrischer Funktionen auf demselben Chip mit dem in<br />
Bild 5.1.2-4 charakterisierten diskreten Hallsensor in verschiedenen Integrationsstufen<br />
(nach [5.7])<br />
a) diskreter Sensor<br />
b) a) mit integrierter MESFET(s. Band 2, Abschnitt 10.3.2)-Konstantstromquelle<br />
c) wie b), zusätzlich mit integrierter Nullspannungskompensation<br />
d) wie b), zusätzlich mit integriertem Differenzverstärker<br />
Die Magnetfeldmessung über Hallsensoren hat eine Reihe von Vorteilen wie<br />
– hohe Empfindlichkeit<br />
– eine Messung von Magnetfeldstärke und -richtung ist möglich<br />
– relativ einfache Herstellung integrierter Sensoren,<br />
denen aber gravierende Nachteile gegenüberstehen:<br />
– Nullpunktstabilität ist kritisch<br />
– relativ große Temperaturabhängigkeit, insbesondere bei Silizium-Hallgeneratoren<br />
– bei Silizium-Hallgeneratoren gibt es eine relativ starke Querempfindlichkeit gegenüber<br />
mechanischen Spannungen<br />
5.2.1 Feldplatten<br />
Magnetoresistive Sensoren haben den Vorteil, daß sie eine besonders einfache Zweipunktmessung<br />
ermöglichen, im Gegensatz zu den vier notwendigen Anschlüssen bei<br />
Hallgeneratoren. Wie bei den piezoresistiven Sensoren gibt es – wenn auch aus völlig<br />
unterschiedlichen Gründen – einen werkstoff- (magnetische Widerstandsänderung)<br />
und einen geometriebedingten (geometrischer Magnetowiderstandseffekt, s. Anhang<br />
C3) Effekt.<br />
Die Änderung des elektrischen Widerstandes eines Werkstoffes mit der Größe eines angelegten<br />
äußeren Magnetfelds ist eines der wichtigen grundlegenden Probleme der Festkörperphysik<br />
[5.1]. In stark vereinfachter Form ergibt sich für Elektronenleiter (Beweglichkeit<br />
µ n ) als magnetische Widerstandsänderung [5.2 und 9]: