Untersuchung und Optimierung von Empfindlichkeit und Rauschverhalten magnetoelektrischer Sensoren

Jahns, Robert

Bei magnetoelektrischen (ME-) Sensoren handelt es sich um hochempfindliche Magnetfeldsensoren, die im Gegensatz zu supraleitenden Quanteninterferenzeinheiten (SQUIDs) bei Raumtemperatur eingesetzt werden können. Durch ihre hohe Empfindlichkeit und geringe Rauschgrenze sind ME-Sensoren prinzipiell dazu geeignet, biomagnetische Felder zu detektieren. Die Untersuchung und Optimierung der Empfindlichkeit und des Rauschverhaltens magnetoelektrischer Dünnschicht-Sensoren stellen das Thema dieser Arbeit dar. Hierzu werden zunächst die verschiedenen Rauschquellen von Sensor und rauscharmen Vorverstärker analysiert. Dadurch ist es einerseits möglich, das Rauschspektrum von ME-Magnetometern zu berechnen und mit Messergebnissen zu vergleichen. Andererseits erlaubt die analytische Betrachtung des Rauschverhaltens aber auch eine Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Für die messtechnische Bestimmung der Rauschgrenze wird zudem ein eigens entwickelter, mehrfach geschirmter Messstand näher erläutert. Um die Empfindlichkeit magnetoelektrischer Sensoren insbesondere im biomagnetisch relevanten Frequenzbereich zwischen 0.1 Hz und 100 Hz zu erhöhen, wird weiterhin ein neuartiges Frequenzumsetzungsverfahren vorgestellt, welches die Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Messverfahren um 3 Größenordnungen steigern kann. Zudem wird gezeigt, dass herkömmliche ME-Sensoren mit veränderter Auslesetechnik auch frequenzmoduliert ausgelesen werden können. Durch die Kombination zweier ME-Sensoren zu einer "Stimmgabel", ist es schließlich möglich, mechanische Störeinflüsse soweit zu reduzieren, dass mit einer rauschoptimierten Ausleseelektronik magnetische Signale einer tiefen Hirnstimulation detektiert werden können.

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Jahns, Robert: Untersuchung und Optimierung von Empfindlichkeit und Rauschverhalten magnetoelektrischer Sensoren. 2013.

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