Resonante magnetoelektrische Sensoren zur Detektion niederfrequenter Magnetfelder

Kirchhof, Christine ORCID

Magnetoelektrische (ME-) Komposite können als Sensoren für magnetische Felder genutzt werden. Das Prinzip beruht in der mechanischen Kopplung einer magnetostriktiven Phase mit einer piezoelektrischen Phase, in welcher durch Dehnungsübertragung proportional zur Magnetisierung eine elektrische Spannung generiert wird. An Epoxyd-laminierten Kompositen aus Terfenol-D-Folien und PZT mit Maßen von 14 cm x 6 cm x 0,4 cm wurden magnetische Auflösungsgrenzen (LOD) von 20 pT Hz−1/2 für 1 Hz bis 10 Hz gezeigt (Zhai et al. APL 2006). Damit bieten ME- Sensoren das Potential biomagnetische Signale vom Herzen oder Gehirn zu detektieren. Für eine medizinisch sinnvolle räumliche Auflösung der Felder ist es erforderlich, die Größe der Sensoren bei gleichbleibendem LOD zu verringern. In der Dissertation wird dieses Ziel durch die Nutzung der Dünnfilmtechnologie und der Mikrosystemtechnologie verfolgt. Ein poly-Si basierter Prozess auf Waferebene wird für die Herstellung der ME-Dünnfilm-Sensoren entwickelt. Die mechanische Kopplung erfolgt über eine Biegebalkenstruktur mit Breite 1 mm bzw. 2 mm, Länge 3 mm und Dicke 50 µm bzw. 25 µm. Als aktive Schichten werden 2 µm AlN bzw. PZT, und FeCoSiB-Multilagen integriert. Die Einflüsse der Geometrievariation, der Reduktion der Luftdämpfung, der Elektrodenform und des magnetischen Zustandes auf die Sensitivität, das Rauschen und auf das LOD wird diskutiert. Mit den Sensoren werden in Resonanz bei ca. 7,5 kHz unter Vakuumbedingungen weltweit höchste Sensitivitäten von 60 kV/T (30 kV cm−1 Oe−1) erzielt. Durch thermisch- mechanisches Rauschen ist das LOD in Resonanz dabei auf ca. 2 pT Hz−1/2 begrenzt. Durch Nutzung der ∆E-Eigenschaften kann über eine Frequenzmodulationstechnik auch bei niedrigen Frequenzen (5 Hz - 30 Hz) ein gutes LOD von bis zu 100 pT Hz−1/2 erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen hierbei, dass eine weitere Verbesserungen der magnetischen Phase und Erhöhung der Güte das Potential bieten, die Auflösungsgrenze weiter zu verbessern.

Magnetoelectric (ME) composites can be used as magnetic field sensors. The working principle is based on the mechanical coupling of a magnetostrictive phase to a piezoelectric phase. Due to the strain transfer an electric voltage is induced proportional to the magnetization. Epoxy - laminated composites from Terfenol-D and PZT with dimensions of 14 cm x 6 cm x 0.4 cm showed a limit of detection of 20 pT Hz−1/2 for 1 Hz to 10 Hz (Zhai et al. APL 2006). Thus, ME-composites offer the possibility to measure the biomagnetic fields from heart or brain which can be used to improve the medical diagnostic. For a reasonable spatial resolution the size of ME-sensors has to be reduced while keeping a low limit of detection. In this work thin film technology and micro system technology are applied to reach this goal. A poly-silicon based process is established. As in large scale thin film ME- devices the mechanical coupling is achieved by a cantilever structure using a width of 1 mm and 2 mm, length of 3 mm and a width of 50 µm and 25 µm. The piezoelectric and magnetostrictive phase is a 2 µm AlN- or PZT layer and a FeCoSiB-multilayer. The influence of the dimension variation, the reduction of viscous damping, the electrode size and of the magnetic state onto the sensitivity, noise and limit of detection is discussed. The sensors achieve huge sensitivities of 60 kV/T (30 kV cm−1 Oe−1) at their mechanical resonance (7,5 kHz) if operated in vacuum. Thermal-mechanical noise limits the detection to 2 pT Hz−1/2 at resonance. By a frequency modulation technique using the ∆E-properties of the composite a limit of detection of 100 pT Hz−1/2 for 5 Hz to 30 Hz can be achieved. The results indicate that a further improvement of the magnetic phase and of the quality factor can reduce the limit of detection even further.

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Kirchhof, Christine: Resonante magnetoelektrische Sensoren zur Detektion niederfrequenter Magnetfelder.

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