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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Messung der Magnetostriktionskonstanten.
Insbesondere betrifft die Erfindung derartige Messungen in magnetoresistiven
Elementen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Es
gibt viele Fälle,
in denen ein Magnetfeld gemessen werden muss. Dazu gehören die
Messung von Lage oder Nähe
zu einem magnetisierten Teil einer Struktur, vom Reaktionssignal
gespeicherter magnetischer Informationen, von Stromflüssen unter
Verzicht auf ein Messgerät
im Strompfad usw.
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In
solchen Fällen
sind viele der magnetischen Effekte relativ schwach und erfordern
deshalb einen empfindlichen Magnetsensor. Ein Magnetsensor, der
solche schwachen Magnetfeldstörungen
nachweisen und wirtschaftlich gefertigt werden kann, beruht auf
dem magnetoresistiven Effekt. Derartige auf magnetoresistivem Material
basierende Magnetsensoren können
unter Einsatz von Fertigungsverfahren für monolithische integrierte
Schaltungen in Form von dünnen
Schichten und somit nicht nur wirtschaftlich, sondern auch in ziemlich
kleinen Abmessungen hergestellt werden. Ein auf magnetoresistivem
Material basierender Magnetsensor besteht aus einem magnetoresistiven
Material, das als elektrischer Widerstand dient. Durch das Material
wird ein Strom geleitet und der Spannungsabfall durch den Sensor
hängt vom
Wirkwiderstand des Materials entlang des Pfades ab, durch welchen
der Strom fließt.
Dieser Widerstandswert wiederum hängt vom Magnetisierungszustand
des Materials ab. Wenn die Magnetisierung parallel zum Stromfluss
verläuft,
was beim anisotropen Magnetowiderstand (Anisotropic Magnetoresistance,
AMR) der Fall ist, weist das Material einen maximalen Widerstand
auf, während
der Widerstand bei einer zur Richtung des Stromflusses senkrechten
Magnetisierung minimal ist.
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Beim
Riesenmagnetowiderstand (Giant Magnetoresistance, GMR) liegt der
maximale Widerstand bei der parallelen Ausrichtung der Magnetisierung
benachbarter magnetischer Schichten vor, die durch nicht magnetische
Zwischenschichten voneinander getrennt sind. Ein Spinventilsystem
(Spin Valve) besteht aus zwei magnetischen Schichten, einer freien
und einer verankerten (gepinnten) Schicht, wobei das „Pinning" durch eine antiferromagnetische
Schicht oder durch antiferromagnetisch gekoppelte Pinning-Schichten
(Referenzschichten) erfolgen kann.
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Der
Strom kann in solchen Systemen entweder innerhalb der Ebene (CIP)
oder senkrecht zur Ebene (CPP) fließen. Die CPP-Struktur wird
normalerweise in Tunnelelementen (Tunnelmagnetowiderstand – Tunneling
Magnetoresistance, TMR) verwendet, bei denen die nicht magnetische
Zwischenschicht aus einem Isolator besteht.
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Im
magnetoresistiven Element gibt es eine frei rotierende Schicht mit
einer effektiven Magnetisierung. Ein auf das magnetoresistive Material
einwirkendes äußeres Feld
dreht die Magnetisierungsrichtung darin und ändert somit den Widerstand
des Schichtsystems. Der geänderte
Widerstand, den der Strom durchläuft,
verursacht eine Änderung
des Spannungsabfalls durch den Widerstand, der als Anzeichen für die Stärke des äußeren Feldes
erfasst werden kann.
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Der
effektive Widerstand einer solchen Schicht ändert sich beim AMR mit dem
Cosinusquadrat des Winkels zwischen der effektiven Magnetisierungsrichtung
und der Richtung des Stromflusses durch das Material und beim GMR
bzw. beim TMR mit dem Cosinus des Winkels der benachbarten Schichten.
Normalerweise interessiert jedoch nicht der Gesamtwiderstand, sondern
vielmehr die Widerstandsänderung
als Reaktion auf eine Änderung
des angelegten äußeren Magnetfeldes.
Beim AMR wird diese Änderung
oft am besten an einem Punkt auf der Cosinusquadrat-Reaktionskurve gemessen,
an welchem die Kurve nahezu linear ist.
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Um
an einem solchen linearen Teil der Reaktionskurve arbeiten zu können, muss
zwischen der Richtung des Stromflusses und der Bezugsrichtung der
Magnetisierung ein Anfangswinkel ohne Anliegen äußerer Felder vorliegen. Das
kann auf verschiedene Weise durch eine Vormagnetisierungsanordnung
realisiert werden. Das magnetoresistive Material kann als durchgehender
Widerstand mit einem „Fischgräten"-Muster oder einer
Anordnung von mehreren miteinander verbundenen schrägen Bahnen
auf das Substrat des Elements aufgebracht werden, wobei der Neigungswinkel
zur Längsrichtung
des Widerstands etwa 45° beträgt. Dann muss
noch eine Quelle für
ein Vormagnetisierungsfeld bereitgestellt werden, das in eine um
90° von
der Längsrichtung
des Widerstands abweichende Richtung zeigt.
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Ein
anderes Verfahren besteht darin, einen Längsstreifen aus magnetoresistivem
Material vorzusehen und entlang des Streifens unter einem Winkel
von 45° bezüglich der
Richtung des Streifens auf diesem einzelne Leiter anzubringen. Das
führt dazu,
dass der Strom unter einem Winkel zur Längsrichtung des Streifens durch
den magnetoresistiven Streifen fließt. Letztere Konfiguration
wird wegen ihrer Anordnung oft als Sensor mit „Barber-Pole-Struktur" bezeichnet, bei
der keine äußere Quelle
für ein
Vormagnetisierungsfeld erforderlich ist.
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Bei
magnetischen Aufzeichnungsköpfen
ist die Magnetisierung der Sensorschicht eines AMR-Sensors durch
das Streufeld einer benachbarten magnetischen Schicht, die senkrecht
zur Richtung des Sensorstreifens magnetisiert ist, um 45° gegenüber dem
Messstrom gedreht. Diese Schicht kann aus einem hartmagnetischen
Material (hartmagnetische Vormagnetisierungsschicht) oder aus einem
weichmagnetischen Material (weichmagnetische Nachbarschicht) bestehen,
das durch den Messstrom magnetisiert wird.
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In
GMR- und TMR-Elementen muss die Magnetisierung der freien Schicht
parallel zur Richtung des Sensorstreifens ausgerichtet sein. Das
erreicht man normalerweise dadurch, dass an beiden Seiten des Sensors
eine hartmagnetische Vormagnetisierungsschicht angebracht wird.
Die Magnetisierung der verankerten Schichten wird durch antiferromagnetische
Kopplung senkrecht zur Richtung des Sensorstreifens fixiert.
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Zum
Kontrollieren der magnetischen Eigenschaften von dünnen Schichten
und Mehrfachschichten stellt die Magnetostriktion einen wichtigen
Parameter dar. Die Magnetostriktion beschreibt die Änderung
der Länge
eines magnetischen Materials durch Ummagnetisierung.
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Die
magnetischen Schichten, insbesondere die Sensorschicht (freie Schicht)
im Sensorschichtstapel, in magnetischen Aufzeichnungselementen sollen
möglichst
homogen magnetisiert sein. Inhomogen magnetisierte Bereiche, zum
Beispiel Wirbelpunkte oder magnetische Domänen, verursachen Instabilitäten im Aufzeichnungssignal.
Deshalb werden die magnetischen Schichten durch lokale magnetische
Felder (Austauschkopplungsfeld, hartmagnetisches Vormagnetisierungsfeld)
aufeinander ausgerichtet. Lokale Inhomogenitäten können durch magnetostriktive
Anisotropie verursacht werden. Deshalb muss die Magnetostriktion
sehr genau kontrolliert werden.
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Zur
Untersuchung der magnetoelastischen Eigenschaften dünner Schichten
sind verschiedene experimentelle Verfahren entwickelt worden. Eines
dieser Verfahren besteht in der direkten Messung mittels der so genannten „Cantilever-Methode". Eine Änderung
der Magnetisierung bewirkt eine Längenänderung, die bei dünnen Schichten
zur Verbiegung des Substrats führt.
Diese Methode wird z. B. von E. du Trémolet de Lacheisserie et
al. in „Magnetostriction
and internal stresses in thin films: the cantilever method revisited", Journal of Magnetism
and Magnetic Materials, 136 (1994), S. 189 bis 196, oder von L.
Baril et al., in „Magnetostriction
in spin valves",
Journal of Applied Physics, Bd. 85, Nr. 8, S. 5139 bis 5141, beschrieben.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht in der indirekten Messung mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen,
bei der in einer magnetischen Schicht mechanische Spannungen erzeugt
werden. Die magnetische Anisotropie ändert sich durch die magnetostriktive
Kopplung. Dies wird z. B. von D. Markham et al. in „Magnetostrictive measurement
of magnetostriction in Permalloy",
IEEE Transactions on Magnetics, Bd. 25, Nr. 5, September 1989, S.
4198 bis 4200, beschrieben.
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Desgleichen
wird in den Patent Abstracts of Japan,
JP 62106382 A2 , eine Vorrichtung
zur Messung der Magnetostriktionskonstanten einer magnetischen Membran
beschrieben.
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Kenji
Narita et al. beschreiben in den IEEE Transactions on Magnetics,
Bd. Mag-16, Nr. 2, März
1980, S. 435 bis 439, ein Verfahren zur Messung der Sättigungsmagnetostriktion
eines dünnen
amorphen Bandes mit Hilfe der Kleinwinkel- Magnetisierungsdrehung (SmaII-Angle
Magnetization Rotation, SAMR).
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Es
ist jedoch kein Verfahren zur direkten Messung der Magnetisierungsänderungen
mit Hilfe des magnetoresistiven Effektes von Magnetsensoren bekannt,
bei der die reale Umgebung des Sensors widergespiegelt wird. Deshalb
besteht weiterhin ein Bedarf an der Verbesserung solcher Verfahren.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Deshalb
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren
zur Messung der Magnetostriktionskonstanten von magnetischen Elementen
zu schaffen.
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Diese
sowie weitere Aufgaben und Vorteile werden durch das in Anspruch
1 dargelegte Verfahren erreicht.
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Vorteilhafte
Ausführungsarten
der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Figur stellt schematisch einen Aufbau zur Messung der Magnetostriktionskonstanten
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung dar.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSART
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird mit Hilfe der Kleinwinkel-Magnetisierungsdrehung
(SmaII Angle Magnetization Rotation, SAMR) die Magnetostriktionskonstante
(MS) von Elementen, zum Beispiel magnetischen Aufzeichnungsköpfen, Magnetfeldsensoren
oder Ähnlichem,
gemessen, die auf dem anisotropen Magnetowiderstand (AMR), dem Riesenmagnetowiderstand
(GMR) oder dem Tunnelmagnetowiderstand (TMR) (allgemein: XMR) basieren.
Das elektrische Signal des Sensors wird zur Messung der Magnetisierungsdrehung
verwendet, die durch ein äußeres Feld
verursacht wird. Bei magnetoresistiven (MR) Elementen wird die Vormagnetisierung
durch verschiedene Verfahren erreicht, z. B. durch harte Vormagnetisierung,
durch antiferromagnetische Austauschkopplung, Barber-Pole-Anordnung
usw. Für
die vorgeschlagene Ms-Messung können die
Felder der Vormagnetisierung (harte Vormagnetisierung, weiche Vormagnetisierung,
Austauschfeld) durch ein zusätzliches äußeres Gleichstromfeld
(HDC) unterstützt
werden, das parallel zur angelegten Spannung ausgerichtet sein muss.
Wenn die Spannung in der dünnen
Schicht geändert
wird, ändert
sich infolge der magnetostriktiven Kopplung auch das Sensorsignal.
Die Änderung
des Sensorsignals kann jedoch durch eine Änderung des äußeren Gleichstromfeldes
kompensiert werden. Bei abgeschirmten Elementen muss das äußere Feld
so kalibriert werden, dass der von den Abschirmungsschichten ausgehende
Einfluss der Entmagnetisierungseffekte widergespiegelt wird. Die
Spannung kann durch Verbiegen oder andere Mittel, z. B. durch Temperaturänderung,
Piezoschichten usw., im Wafer oder im Streifen erzeugt werden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
eignet sich nicht nur für
magnetische Aufzeichnungsköpfe,
sondern auch für
Magnetfeldsensoren und magnetische Arbeitsspeicher (Magnetic Random
Access Memory, MRAM). Aus Vereinfachungsgründen wird das Verfahren im
Folgenden jedoch anhand von magnetischen Aufzeichnungsköpfen erläutert.
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Die
Figur stellt schematisch einen Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung
zur Messung der Magnetostriktionskonstanten dar. Zuerst wird ein
Streifen oder ein Wafer 10 in eine Biegehalterung, z. B.
in eine Ablenkvorrichtung 12, eingesetzt, wobei sich auf
dem Streifen oder dem Wafer die darauf gebildeten XMR-Elemente befinden.
Dann wird parallel zum Streifen oder Wafer 10, d. h. in
der Figur in Richtung der x-Achse, ein magnetisches Gleichfeld angelegt.
Senkrecht zum Streifen oder Wafer 10 und parallel zu den
magnetoresistiven Schichten, d. h. in der Figur in Richtung der
y-Achse, wird ein magnetisches Wechselfeld angelegt. Dieses Wechselfeld
weist vorzugsweise eine Sinusform mit einer Frequenz f auf. An dem
magnetoresistiven Element, z. B. dem XMR-Element, wird ein Signal
gemessen, das der Amplitude des Wechselfeldes mit der Frequenz f proportional
ist. Um dies auf einfache Weise durchzuführen, kann ein synchronisierter
Verstärker 14 verwendet werden,
der mit der Frequenz des Wechselfeldes gekoppelt ist. Dann wird,
z. B. mit Hilfe einer Mikrometerschraube 16, durch Verbiegen
des Streifens oder Wafers 10 parallel zur x-Richtung eine
mechanische Spannung in den Schichten des XMR-Elements erzeugt.
Die Schraube kann über
die Leitung 20 durch eine „Mikrometerschrauben-Steuereinheit" 48 elektronisch
betätigt
werden. Infolge der magnetoelastischen Wechselwirkung in der Sensorschicht
des XMR-Elements ändert sich
die magnetische Anisotropie. Dies wiederum führt zu einer Amplitudenänderung
des Signals, das im synchronisierten Verstärker 14 gemessen wird.
Zum Schluss wird das in Richtung der x-Achse angelegte magnetische
Gleichfeld mittels einer geeigneten Steuerschaltung so lange geändert, bis
das Messsignal im synchronisierten Verstärker wieder den Wert erreicht,
der ohne Einwirkung der mechanischen Spannung gemessen wurde. Die
oberhalb der Streifen-/Wafer-Ablenkvorrichtung 12 angebrachte
Magnetanordnung 22 wird über die Leitungen 28 und 30 zum
Erzeugen eines Magnetfeldes in y-Richtung durch eine Wechselstromquelle 42 und
zum Erzeugen des Kompensationsgleichfeldes in x-Richtung durch eine
Gleichspannungsquelle 24 mit Strom versorgt. Das XMR-Element
wird über
die Leitung 32 durch eine Konstantstromquelle 34 mit
Strom versorgt. Der Ausgangsmesswert, die Spannung durch den XMR-Widerstand,
wird über
die Leitung 36 zum phasensynchronen Verstärker 14 geführt, der,
wie oben bereits erwähnt,
mit der Anregungsfrequenz 38 des magnetischen Wechselfeldes
gekoppelt ist. Die gesamte Messanordnung kann über den Bus 26 mittels
eines Computers 40 gesteuert werden.
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Die
Magnetostriktion λs ist durch die folgende Formel definiert 32 λs·Δσ = ½ΔHk,σMs (I)das
heißt,
die magnetoelastische Energiedichte (linke Seite der Gleichung)
ist mit der magnetischen anisotropen Energiedichte (rechte Seite
der Gleichung) identisch.
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Die Änderung
der mechanischen Spannungsanisotropie Δσ ist durch das Hookesche Gesetz
(das nur für
homogene und isotrope Materialien gilt) mit der Dehnungsänderung Δε = Δll (relative
Dehnung durch Verbiegung des Streifens bzw. des Wafers) verknüpft.
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Die
Spannungsänderung Δσ wird wie
folgt aus den mechanischen Ablenkungsparametern berechnet:
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Um
besondere mechanische Parameter zu erhalten, können die folgenden Methoden
verwendet werden:
- 1) Die Dehnung kann durch
den folgenden Ausdruck aus der Ablenkung (in der Figur der Wert
b) berechnet werden: wobei
L die Tiefe der Durchbiegung (siehe Figur), ds die
Substratdicke (siehe Figur), x = 0 in der Mitte des Dehnungsmessstreifens
und Δεy =
0 ist.
- 2) Messung der Oberflächenkrümmung durch
Abtasten der Probenoberfläche
mittels eines Laserstrahls. Das Laserlicht wird von den Flächen des
Streifens bzw. des Wafers zu einer positionsempfindlichen Optikeinheit
reflektiert.
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Die
Dehnung Δε wird aus
der Ablenkung b oder der Oberflächenkrümmung in
2) ermittelt.
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Die
Messung des Anisotropiefeldes ergibt sich aus der Gesamtenergie E = HxMscosϑ – HyMssinϑ + ½HkMssin2ϑ + ½⟨Ndemag⟩M2s sin2ϑ (IV)
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Dieser
Term enthält
die Energie der äußeren Felder
(Hx, Hy), die uniaxiale
Anisotropie (Hk), die sich aus der induzierten
und der magnetoresistiven Anisotropie zusammensetzt, sowie die Formanisotropie,
die die Verteilung der Magnetisierung der zu messenden Schicht berücksichtigt.
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Aus
der Gleichgewichtsbedingung dE/d = 0 folgt
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Wenn
ein periodisches Anregungsfeld Hy = Hy0sin(Φt) einwirkt,
schwankt die Magnetisierung um einen Gleichgewichtszustand. Der
Widerstand des magnetoresistiven Elements ändert sich mit derselben Frequenz.
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Eine
mechanische Spannung führt
zu einer Änderung
des anisotropen Feldes Hk. Diese Änderung wiederum
bewirkt eine Änderung
des Widerstandes und eine Änderung
der Amplitude der Magnetisierungsschwankungen. Diese Änderungen
werden durch das äußere Feld
Hx ausgeglichen und der ursprüngliche Gleichgewichtszustand
wird wiederhergestellt. Es gilt die folgende Gleichung: ΔHk,σ = ΔHx (VI)
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Die
Berechnung von λs ist unkompliziert. Die Dehnung Δε kann zum
Beispiel aus Gleichung (III) berechnet werden. Die Spannungsanisotropie Δσ wird dann
aus Gleichung (II) abgeleitet. Anhand Gleichung (I) kann durch Einsetzen
der Werte Δσ und ΔHk,σ aus
Gleichung (IV) die Magnetorestriktionskonstante berechnet werden.
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Die
Sättigungsmagnetisierung
Ms und die Elastizitätskonstanten E und ν werden als
Konstanten in Gleichung (I) eingesetzt.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
vor, den MR-Effekt von Magnetsensoren direkt für die Messung der Änderungen
der Magnetisierung zu verwenden. Das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung weist die folgenden Vorteile auf:
- – Die Verwendung
des Kompensationsverfahrens garantiert einen festen Magnetisierungszustand,
wodurch Fehler infolge lokaler Magnetisierungsverteilungen in strukturierten
Schichten ausgeschlossen werden. Felder von Vormagnetisierungen,
z. B. weiche Vormagnetisierung in anisotropen magnetoresistiven Sensoren
(AMR), longitudinale hartmagnetische Felder (harte Vormagnetisierung)
oder Austauschfelder in der Nähe
von magnetischen Schichten wirken sich nicht aus.
- – Die
Messung ist einfach und schnell.
- – Der
MR-Effekt ist sehr empfindlich.
- – Die
Messung kann in den Sensorelementen selbst durchgeführt werden.
Es werden keine separat hergestellten Messschichten benötigt.
