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P. Torre:
"Magnetoresistive Sensoren zur Messung kleiner magnetischer Feldstärken und ihr Einsatz in der Medizin";
Supervisor: H. Hauser, G. Stangl; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2001.

The aim of this work was the production of magnetoresistive sensors. Magnetoresistive sensors are based on the anisotropic magnetoresistive (AMR) effect. This means that a ferromagnetic film changes the value of its resistence under the influence of an external magnetic field.
These are the steps in the production-technology of such a sensor:
- a permalloy film (60 nm) is sputtered on a silicon wafer. The AMR-effect amounts to 3,2-3,8%;
- the wafer is coated with an about 0,5 µm film of AZ1350SF resist. This process is called spinning ;
- a MIF developer is sprayed on the wafer, after that cleaned with deionised water and finally spin-dried;
- the wafer is put in phosphorous acid in order to extract the remaining water of the resist, then it is put in nitric acid;
- Lithography: aluminum is used instead of gold to realize the contacts, and that's why it is not needed to etch. An aluminum film is sputtered on the wafer (AZ5206E reversal image resists are used).
To build magnetoresistive sensors we have also worked with the lift-off technology. Here a LOR-5B resist and for the top a AZ5218E image reversal resist are used. The big advantage of this technology is that there is no need to etch, because etching is an anisotropic process. A sensitivity of 0,1158(mV/V)/(kA/m) is achievable, using a Wheatston-bridge configuration of elliptical shape. The resolution is up to 10nT of 4kHz bandwidth.
Magnetoresistive sensors are more and more used for medical applications, and it is hoped that in future they can replace SQUID sensors. That would be advantageous because of the cheaper production of magnetoresistive sensors. .
A device which is made of 48 of these sensors is one example how AMR-sensors can be used for medical purpouses. It serves to measure the pass-through velocity in the human digestiv system. The patient has to swallow a marker whose position can be located with the help of the sensor array.

Im Zuge dieser Arbeit wurden magnetoresistive Sensoren hergestellt, die in der Medizin Anwendung führen sollen. Magnetoresistive Sensoren beruhen auf dem anisotropen magnetoresistiven-Effekt. Darunter versteht man die Widerstandsänderung einer ferromagnetischen dünnen Schicht durch den Einfluss eines äußern magnetisches Feldes.
Die Arbeitsschritte zur Herstellung eines magnetoresistiven Sensors sind folgende:
- Sputtern: auf einen Siliziumwafer wird eine ca. 60 nm dicke Permalloyschicht gesputtert. Der AMR-Effekt ist 3,2-3,8 %.
- Spinnen: es wird mit Positiv-Resist-Technik gearbeitet, der Wafer wird mit einer ca. 0,5 µm dicken Fotolackschicht AZ1350SF belegt.
- Entwickeln: der Wafer wird mit einem MIF-Entwickler (Metallionenfreie alkalische Lösung) besprüht, dann mit deionisierten-Wasser abgespült und trockengeschleudert.
- Ätzen: der Wafer wird zuerst in Phosphorsäure getaucht, damit dem Resist das restliche Wasser entzogen wird. Danach wird er in Salpetersäure gelegt, wo die Strukturen, die nicht vom Resist geschützt sind, freigelegt werden.
- Lithographie: zur Realisierung der Kontaktierungen wurde Aluminium anstatt Gold verwendet. Daher ist in dieser Phase kein Ätzprozess notwendig. Die Aluminiumschicht wird auf den Wafer gesputtert. Bei der Lithographie wird mit der Umkehrtechnik gearbeitet und die Lift-Off Technologie verwendet.
Bei der Lift-Off Technologie wird der LOR-5B Resist eingesetzt und beim Top-Resist (2 Lagen Technik) mit der Umkehrtechnik gearbeitet. Bei dieser Technologie ist kein Ätzprozess mehr notwendig, was einen großen Vorteil mit sich bringt, da Ätzen ein isotropes Verfahren ist. Die erzielbare Sensorempfindlichkeit beträgt dabei 0,1158(mV/V)/(kA/m) in einer Vollbrücken-Anordnung mit elliptischen Gesamtumriss und die Auflösung erreicht bis zu 10nT bei einer Bandbreite von 4kHZ.
Magnetoresistive Sensoren werden immer öfter in der Medizin verwendet und man hofft in der Zukunft die SQUIDs ersetzen zu können, was den Vorteil hat, dass sich erstere weit kostengünstiger herstellen lassen.
Ein Beispiel, wie AMR-Sensoren in der Medizin verwendet werden können, ist ein Gerät, das aus 48 dieser Sensoren besteht und zur Messung der Passagegeschwindigkeit im Verdauungstrakt des Menschen eingesetzt werden kann. Dabei wird ein magnetischer Marker geschluckt, dessen Position mit Hilfe des Sensorfeldes ermittelt werden kann.