Für die Messung sehr schwacher Magnetfelder haben wir einen hochempfindlichen Sensor entwickelt, der sich zusammen mit der Ansteuer- und Auswerteelektronik auf einem einzigen Halbleiter-Chip unterbringen läßt. Eine solche monolithische Bauweise bietet mehrere Vorteile: Durch Fertigungsschritte, wie sie aus der CMOS-Technologie (komplementärer Metalloxid-Halbleiter) zur Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet werden, lassen sich Zeit und Kosten sparen; zudem werden durch eine sensornahe Signalverarbeitung mögliche Störeinstrahlungen vermieden und durch den Aufbau bedingte parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten unterdrückt.

Der eigentliche Sensor besteht aus räumlich aufgebauten Spulen mit ferromagnetischem Kern, von denen jeweils zwei zu einem symmetrischen Doppelelement zusammengeschaltet sind (Bild 1 links). Er wird mit einem herkömmlichen Zweilagenmetall-CMOS-Verfahren hergestellt. (Länge, Breite und Dicke des ferromagnetischen Kerns betragen 1000, 100 und 0,5 Mikrometer. Er besteht aus einem Tantal-Nickeleisen-Tantal-Sandwich, das in die Isolatorschicht zwischen den beiden Metallisierungsebenen eingebettet ist; Bild 1 rechts.) Die stromführenden Spulenwindungen werden durch Aluminium-Leitbahnen in den beiden Metallisierungsebenen und dem entsprechenden Kontaktsystem des CMOS-Prozesses gebildet. Dabei sind Windungsbreiten von nur 3,2 und Abstände zwischen ihnen von 2,0 Mikrometer möglich. Der ferromagnetische Kern wird in zwei Schritten (Aufdampfen und Strukturieren) auf dem Chip integriert.

Die Funktion des Magnetfeld-Sensors beruht auf dem Sättigungsverhalten weichmagnetischer Legierungen (Bild 2). Ein durch die Anregungsspulen fließender periodischer Strom erzeugt ein dazu proportionales Erregerfeld, das den magnetischen Fluß im ferromagnetischen Kernmaterial bis in die Sättigung aussteuert (daher auch die Bezeichnung Saturationskernsonde). Weil der Strom in den nebeneinanderliegenden Spulenpaaren in entgegengesetzter Richtung fließt, sind Erregerfeld und magnetischer Fluß jeweils gegenphasig (blaue und rote Kurven). Ein äußeres Magnetfeld (genauer: dessen Komponente in Längsrichtung des Kernes) überlagert sich dem induzierten Feld und erzeugt dadurch eine geringe Symmetrieverschiebung zwischen dem magnetischen Fluß in der rechten und dem in der linken Spule. In diesem Falle ist auch die Differenz zwischen der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses in beiden Anregungsspulen ungleich null, so daß in den Sensorspulen eine Spannung induziert wird, und zwar mit der doppelten Frequenz des erregenden Stromes.

Der Magnetfeld-Sensor kann mit Frequenzen bis in den Megahertz-Bereich hinein betrieben werden und erreicht eine Empfindlichkeit von 0,15 Volt pro Kilohertz mal Tesla. Mit diesem Sensor ist der Nachweis von Feldern in der Größenordnung des tausendsten Teiles des Erdmagnetfeldes möglich. Deshalb ist der Sensor für den Einsatz in elektronischen Kompaß-Systemen und in der zerstörungsfreien Materialprüfung vorgesehen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1994, Seite 105
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