Readout Methods for Magnetoelectric Sensors

Salzer, Sebastian D. ORCID

The detection of weak magnetic fields has the potential to provide additional, non-redundant information in scientific fields such as medical diagnostics, geomagnetic investigations, data storage, amongst others. Many substances feature a low permeability and magnetic fields can penetrate them nearly unhindered which yields the possibility to detect signals that originate from within a volume without contact. Thin-film magnetoelectric sensors are mm-sized magnetometers that transform magnetic fields into a measurable polarisation via a mechanical coupling of a magnetostrictive and a piezoelectric layer. They do not need to be cooled and their high dynamic range allows them to be operated in unshielded environments. The output signal of the cantilever-shaped sensors is enhanced at their resonance frequency which can be exploited to increase the signal-to-noise ratio. This dissertation treats the signal processing for thin-film magnetoelectric sensors from a system point of view. Four main readout methods are investigated, modelled, and evaluated with the aim to lower the limit of detection: The direct detection, magnetic frequency conversion, electric frequency conversion, and a completely novel method utilising the sensor as a microwave resonator. With the focus on the signal-to-noise ratio, the noise sources of the measurement systems are discussed in depth and the dominant noise sources identified. The ultimate noise limit is given by the thermal-mechanical noise of the sensors. Acoustic environmental interference can be reduced with a tuning fork assembly that discriminates magnetic and mechanical excitation of two cantilevers clamped face-to-face. The best limit of detection for thin-film magnetoelectric sensors at 10 Hz is 50 pT/Hz^1/2 achieved with the magnetic frequency conversion leading the way towards measurements of biomagnetic signals.

Die Detektion von schwachen magnetischen Feldern hat das Potential in Forschungsfeldern wie der medizinischen Diagnostik, geomagnetischen Untersuchungen, Datenspeicherung, usw. zusätzliche, nicht redundante Informationen verfügbar zu machen. Viele Stoffe haben eine geringe Permeabilität und sind daher für Magnetfelder nahezu uneingeschränkt durchlässig. Dadurch entsteht die Möglichkeit tieferliegende Signale kontaktlos zu detektieren. Dünnfilm magnetoelektrische Sensoren sind millimeter große Magnetometer, welche magnetische Felder über die mechanische Kopplung eines magnetostriktiven und eines piezoelektrischen Materials in eine messbare Polarisation transformieren. Die Sensoren brauchen nicht gekühlt werden und weisen einen hohen Dynamikbereich auf, wodurch sie in ungeschirmten Umgebungen betrieben werden können. In der mechanischen Resonanzfrequenz der balkenförmigen Sensoren wird deren Ausgangssignal erhöht, wodurch das Signal-zu-Rausch Verhältnis verbessert wird. In dieser Dissertation wird die Signalverarbeitung von diesen Sensoren aus Systemsicht behandelt. Mit dem Ziel das Detektionslimit zu senken werden vier Ausleseverfahren untersucht, modelliert und bewertet: Die direkte Detektion, die magnetische Frequenzumsetzung, die elektrische Frequenzumsetzung und ein komplett neues Verfahren, in dem der Biegebalken als Mikrowellen Resonator verwendet wird. Mit dem Fokus auf dem Signal-zu-Rausch Verhältnis werden die einzelnen Rauschquellen der Messsysteme diskutiert und die jeweils dominanten Rauschquellen ermittelt. Das grundlegende Rauschlimit ist das thermisch-mechanische Rauschen des Sensors. Akustische Umweltstörungen können mit einer Stimmgabelanordnung bestehend aus zwei Einzelsensoren unterdrückt werden, welche magnetische und mechanische Einkopplungen bauartbedingt unterscheiden kann. Als bestes Detektionslimit für dünnfilm magnetoelektrische Sensoren bei 10 Hz wird 50 pT/Hz^1/2 gemessen.

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Salzer, Sebastian: Readout Methods for Magnetoelectric Sensors. 2018.

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