Hochempfindliche mikromechanische magnetoelektrische Magnetfeldsensoren

Marauska, Stephan

Die Messung biomagnetischer Signale, vor allem Hirn- und Herzströme, hat sich im therapeutischen Bereich der Medizin als ein nützliches Hilfsmittel erwiesen. Darüber hinaus ermöglicht die Detektion von biomagnetischen Signalen visionäre Anwendungen, wie die Gedankensteuerung von Computern, welche von großem Interesse für die Forschung sind. Für die Messung solcher Signale sind Magnetfeldsensoren notwendig, die sub-Picotesla-Empfindlichkeiten im Frequenzbereich von circa 0,1 Hz bis 1000 Hz aufweisen. Von den gebräuchlichen Sensoren, wie den Hall-Effekt Sensoren, den magnetoresitiven Sensoren, den magnetoptischen Sensoren, den Fluxgates, den induktiven Sensoren und den supraleitenden Quanteninterferenzeinheiten besaßen lange Zeit lediglich Systeme auf Basis von Quanteninterferenzeinheiten die nötigen Empfindlichkeiten. Jedoch schränkt der große technische, als auch finanzielle Aufwand den großflächigen Einsatz dieser Systeme ein. Die seit Anfang 2000 erneut aufkommenden magnetoelektrischen (ME) Komposite haben in den letzten Jahren herausragende Eigenschaften in der Verwendung als Magnetfeldsensoren aufgezeigt und Auflösungen von bis zu 1,2 pT sowie Rauschgrenzen von 2 fT/Hz1/2 in Resonanz bei Anregungsfrequenzen von einigen 10kHz erreicht. Das Grundprinzip der ME-Komposite beruht auf der Dehnungskopplung zwischen magnetostriktiver und piezoelektrischer Schicht, induziert durch ein äußeres magnetisches Feld. In ME-Sensoren sind Multilagen von magnetostriktiven und piezoelektrischen Schichten aufeinander aufgebracht und über die Grenzflächen mechanisch miteinander gekoppelt. Beim Anlegen eines externen magnetischen Feldes ändern die magnetostriktiven Schichten ihre Länge und übertragen einen Teil der Dehnung auf die piezoelektrischen Schichten. Die dadurch erzeugte mechanische Spannung im piezoelektrischen Material führt zu dessen elektrischer Polarisierung, welche ein elektrisches Feld beziehungsweise eine elektrische Spannung verursacht. Die magnetische Feldgröße wird somit in eine elektrische Messgröße umgewandelt. Diese passiven und bei Raumtemperatur arbeitenden Sensoren stellen exzellente Kandidaten dar, um supraleitende Quanteninterferenzeinheiten im Bereich der medizinischen Anwendung zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von hochempfindlichen, resonanten mikromechanischen Magnetfeldsensoren, basierend auf dem ME-Komposit Aluminiumnitrid/(Fe90Co10)78B12Si10. Aufgrund der hier erstmalig gezeigten Realisierung eines mikromechanischen, auf Waferebene vakuumverkapselten ME-Magnetfeldsensors, war die Integration des ME-Komposits in einen entsprechenden Mikrofabrikations-Fertigungsablauf erforderlich. Hierfür wurde die Kompatibilität der ME-Komponenten zu gängigen Chemikalien und Materialien untersucht und die Schichteigenspannungen der Filme aufeinander abgestimmt, so dass die Verbiegung von freitragenden Strukturen minimiert wurde. Der sich daraus ergebende Schichtaufbau zur Fertigung einseitig eingespannter, rechteckiger Biegebalken bestand aus SiO2/Pt/AlN/(Fe90Co10)78B12Si10. Für die Freistellung der Biegebalken wurden XeF2-Gas oder silizium-dotiertes Tetramethylammoniumhydroxid unter Verwendung von Silizium als Opferschicht eingesetzt. Zur Verringerung der Luftdämpfung und zum Schutz gegen Umwelteinflüsse erfolgte eine Vakuumverkapselung auf Waferebene. Das dafür entwickelte Niedertemperatur-Waferbondverfahren basierte auf einem transienten Flüssigphasenprozess unter Verwendung eines Gold/Zinn-Materialsystems. Die niedrige Bondtemperatur von 260 °C verhinderte dabei eine Degradation der temperaturempfindlichen amorphen (Fe90Co10)78B12Si10-Legierung. Die vakuumverkapselten Sensoren mit Balkendimensionen von 200x900x7 µm3 wiesen Riesen-ME-Koeffizienten von 2390 V/A in Resonanz auf. Für die Empfindlichkeit ergab sich ein Wert von 3800 V/T. Im resonanten Betrieb konnte eine Rauschdichte von 27 pT/Hz1/2 und eine Auflösung von 30 pT erreicht werden. Dies ist das bisher kleinste bekannteste zu detektierende Feld eines Mikro-Vektormagnetometers.

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Marauska, Stephan: Hochempfindliche mikromechanische magnetoelektrische Magnetfeldsensoren. 2013.

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