Vom ∆E-Effekt zum Sensorsystem

Zabel, Sebastian

Der ∆E-Effekt magnetoelastischer Materialien beschreibt die Veränderung des Elastizitätsmoduls E in einem Magnetfeld und kann somit als Eingangsgröße zur Messung von Magnetfeldern genutzt werden. Mit dem Ziel eines möglichst leistungsfähigen Magnetfeldsensors werden in dieser Arbeit die einzelnen Prozesse innerhalb des Sensorsystems untersucht. Zunächst wird dazu der ∆E-Effekt selbst und seine Abhängigkeit von Materialeigenschaften genauer betrachtet. Zur Messung der veränderten mechanischen Eigenschaften werden verschiedene mikromechanische Systeme auf Basis von Resonatoren und Oberflächenwellen erprobt. Deren Auslegung bestimmt die Umsetzung des ∆E-Effekts eines amorphen Dünnfilms in ein elektrisches Signal. Das erste Prinzip beruht dabei auf der Verstimmung von elektromechanischen Resonatoren in Form von piezoelektrisch angeregten Biegebalken. Die technische Ausführung der Resonatoren und die sich daraus ergebenen elektromechanischen Eigenschaften werden theoretisch und praktisch untersucht. In dem zweiten Ansatz werden Oberflächenwellen auf einer Seite des Sensors erzeugt und nach dem Durchqueren einer magnetisch beschichteten Verzögerungsstrecke wieder aufgezeichnet. Dabei führt die magnetoelastische Veränderung des Schermoduls zu einer veränderten Laufzeit. Das Verhalten beider Sensortypen wird in Teilmodellen beschrieben und schließlich zu einem Gesamtsystem inklusive der elektronischen Betriebskomponenten zusammengefügt. Beide Bauformen erreichen äquivalente magnetische Rauschgrenzen von ca. 100 pT bei Frequenzen oberhalb von 10 Hz und einer Messbandbreite von 1 Hz.

The ∆E-effect in magnetoelastic materials describes the change in elastic modulus E in a magnetic field and can therefore be utilized for the measurement of magnetic fields. With the aim of developing a high-performance magnetic field sensor, the separate subprocesses within the sensor system are examined. Starting with the ∆E-effect itself, its mechanism and dependencies on material properties are investigated. To measure the changes in the mechanical properties of the magnetic material, different micromechanical systems based on resonators and surface waves are tested. Their technical designs determine the conversion of changes in the mechanical properties of a magnetic thin film to an electrical signal. The first principle is based on the detuning of electromechanical resonators in the form of piezoelectrically driven cantilevers. Their design is elaborated on, and the resulting electromechanical properties are tested. In the second approach, surface waves are created at one end of the sensor and detected at the other end after passing through a magnetically covered delay line. Here, the magnetoelastic coupling alters the shear modulus that leads to a change of the wave velocity. The behavior of both sensor types is described in submodules and finally combined with electronics to form a complete sensor system. Both approaches achieve an equivalent magnetic noise level of about 100 pT for frequencies above 10 Hz at a bandwidth of 1 Hz.

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Zabel, Sebastian: Vom ∆E-Effekt zum Sensorsystem. 2018.

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