Entwicklung von Fe70Pd30-Dünnschichtsensoren zur Bestimmung von Dehnung mittels des inversen magnetischen Formgedächtniseffektes

Bechtold, Christoph

Magnetische Formgedächtnismaterialien bieten die Möglichkeit, große Längenänderungen mit technisch realisierbaren Magnetfeldern zu erreichen, und werden daher insbesondere im Hinblick auf den Einsatz als Aktoren weiterentwickelt. Anderereits lassen sich ebenso neuartige Sensoren für mechanische Größen realisieren, die Vorteile gegenüber etablierten Systemen aufweisen. Beispielsweise sind Sensoren denkbar, die hohe Dehnungen über einen Bereich von mehreren % Dehnung detektieren und berührungslos über ein kurze Distanz ausgelesen werden können. Sensoren basierend auf magnetischen Formgedächtnislegierungen sind jedoch weltweit weitaus weniger untersucht und stellen das Thema dieser Arbeit dar. Ein erarbeitetes Sensorkonzept zur Bestimmung der Dehnung, das für alle invers magnetostriktiven Materialien verwendet werden kann und das auf dem Prinzip der Frequenzmischung beruht, wird vorgestellt. Ein Vorteil dieses Konzeptes ist ein Mess-Signal, das sich nahezu perfekt linear zur Dehnung des Materials verhält, äußerst sensitiv auf Veränderungen der Dehnung reagiert und unempfindlich gegenüber typischen Querempfindlichkeiten ist. Das Ziel dieser Arbeit ist es weiterhin, die magnetische Formgedächtnislegierung Fe70Pd30 mittels Dünnschichttechniken herzustellen und für den Einsatz im Sensorsystem zu optimieren, was die Charakterisierung des Schichtwachstums und der Mikrostruktur, sowie der magnetischen und mechanischen Eigenschaften umfasst. Es wird gezeigt, dass in den hergestellten, freitragenden Filmen mit polykristalliner Struktur keine spannungsinduzierte Verschiebung der Zwillingsgrenzen stattfindet, da diese durch die hohe Dichte der Korngrenzen behindert wird. Da der magnetische Formgedächtniseffekt am ausgeprägtesten in Einkristallen auftritt, werden epitaktische Schichten auf einkristallinen Substraten hergestellt, wobei kohärentes Wachstum bis hin zu hohen Schichtdicken im µm-Bereich erreicht werden kann. Die Fe70Pd30-Einheitszelle kann dabei aufgrund ihrer mechanisch weichen Eigenschaften durch die vom Substrat vorgegeben Gitterparameter gedehnt aufwachsen und diese Dehnung durch die Wahl des Substrats über einen großen Bereich variiert werden. Durch nasschemische Ätzprozesse lassen sich verwendete Gold-Opferschichten entfernen, sodass freitragende, einkristalline Schichten für das Sensorsystem zur Verfügung stehen. Ein martensitisches Entzwillingungsplateau im Spannungs-Dehnungs-Diagramm wird jedoch auch in diesen Schichten nicht beobachtet, da durch die Verwendung der epitaktischen Gold-Zwischenschicht zwar ein künstlich hergestellter, einvarianter Martensit besteht, das c/a Verhältnis der Einheitszelle jedoch im Vergleich zu Phasen, die den magnetischen Formgedächtniseffekt aufweisen, immer noch gering ist.

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Bechtold, Christoph: Entwicklung von Fe70Pd30-Dünnschichtsensoren zur Bestimmung von Dehnung mittels des inversen magnetischen Formgedächtniseffektes. 2010.

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