Analyse von magnetoelektrischen Sensoren zur Verwendung bei höheren Moden mittels der Finite-Elemente-Methode

In der medizinischen Diagnostik besteht das Interesse die sehr schwachen Magnetfelder von biologischen Funktionen, wie beispielsweise von Herz- oder Gehirnaktivitäten, zu messen. Hierfür eignen sich insbesondere magnetoelektrische (ME) Sensoren aufgrund ihrer sehr niedrigen Nachweisgrenze, des möglichen Betriebs bei Raumtemperatur sowie ihres kostengünstigen Herstellungsverfahrens. Innerhalb dieser Arbeit wurden vorrangig zwei unterschiedliche Konzepte von ME-Sensoren mittels numerischer Simulationen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) systematisch analysiert und auf mögliche Optimierungspotentiale hin untersucht: magnetoelektrische Biegebalken und magnetoelastische akustische Oberflächenwellensensoren. Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf den Multi-Moden-Betrieb der Sensoren gelegt, bei dem sowohl die Grundmode als auch deren höhere Harmonische für die Magnetfelddetektion genutzt werden können. Bei den magnetoelektrischen Biegebalken konnte durch FEM-Simulationen gezeigt werden, dass das Elektrodendesign für den Betrieb bei den höheren Moden einen signifikanten Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) hat. So kann beispielsweise ein SNR-Gewinn von bis zu 2,4 dB erzielt werden, wenn die Elektroden nicht wie bisher üblich an den Dehnungsknoten unterbrochen werden, sondern deren Länge weiter reduziert wird. Diese Verkürzung steht im Gegensatz zu dem üblichen Bestreben, das Signal zu maximieren. Da jedoch das Rauschen an den Rändern einer maximal langen Elektrode stärker zunimmt als das Signal, führt eine Verkürzung der Elektroden zu einem höheren SNR. Für magnetoelastische akustische Oberflächenwellensensoren (SAW) wurde der Einfluss verschiedener Designparameter auf die Sensitivität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Schichtdicke der Führungsschicht einen erheblichen Einfluss auf die Sensitivität besitzt und diese für 8 μmmaximal wird. Ein Erhöhen der Resonanzfrequenz führt zu einer stärkeren Konzentration derWelle an der Oberfläche und damit ebenfalls zu einer höheren Sensitivität. Dies konnte dadurch bestätigt werden, dass durch eine Erhöhung der Resonanzfrequenz von 148MHz auf 263MHz die Sensitivität der Grundmode von 504 °/mT auf etwa 1250 °/mT gesteigert werden konnte. Weiter konnte gezeigt werden, dass die Sensitivität der höheren Moden grundsätzlich kleiner ist als die der Grundmode. Es konnte dennoch ein Arbeitspunkt identifiziert werden, an dem die ersten drei Moden eine ausreichend hohe Sensitivität für einen Multi-Moden-Betrieb besitzen. Die Sensitivitäten aller Moden dieses Sensors mit 12 μm Wellenlänge waren höher als die eines Sensors mit 28 μm Wellenlänge. Die entwickelten Modelle und die hiermit erzielten Ergebnisse bezüglich der potentiellenVerbesserung der Biegebalken- und SAW-Sensoren können dazu beitragen, die Messung von biomagnetischen Signalen zukünftig zu optimieren und damit den Einsatz zur Messung sehr niedriger biomagnetischer Felder zu ermöglichen.

In medical diagnostics, there is a need for measuring extremely weak magnetic fields of biologic functions, e.g. heart or brain, to extrapolate their activities. Magnetoelectric (ME) sensors are particularly well suited for this purpose due to their very low detection limit, potential to be operated at room temperature, and cost-effective manufacturing process. In this work, two different concepts of ME sensors were systematically analyzed using numerical simulations with the finite element method (FEM) to determine potential optimization strategies: magnetoelectric cantilevers and magnetoelastic acoustic surface wave sensors. Special focus lays on multi-mode-operation of these sensors using both the basic mode and higher modes for magnetic field detection. For magnetoelectric cantilevers, FEM simulations showed, that the electrode design had a significant influence on their signal-to-noise-ratio (SNR) in higher mode operation. Segmentation of the electrodes is usually performed at the strain-node positions. Nevertheless, further shortening of their lengths led to an improvement of the SNR of up to 2.4 dB; shortening the electrodes is contrary to the usual approach to maximize the signal. However, as the noise increases to a higher extent than the signal on the last percentage of the maximal electrode length, shortening of the electrodes leads to a higher SNR. For magnetoelastic surface acoustic wave (SAW) sensors, the influence of different design parameters on the sensitivity has been analyzed. It was observed that the layer thickness of the guiding layer had substantial influence on the sensitivity and that a layer thickness of 8 μm showed a maximum. Increasing the resonance frequency resulted in a higher concentration of the wave at the surface and therefore led to higher sensitivities. This was confirmed by the fact that increasing the resonance frequency from 148 MHz to 263 MHz increased the sensitivity of the fundamental mode from 504 °/mT to 1250 °/mT. The higher order modes’ sensitivities were found to be generally lower compared to the fundamental mode’s. Nevertheless an operating point with sufficiently high sensitivity was determined, enabling multi-mode operation. The sensitivities of all three modes of this sensor with 12 μm wavelength were higher compared to the sensor with 28 μm wavelength. The developed models and obtained results on the possibilities of cantilever and SAW sensor improvement may contribute to the optimization of biomagnetic Field measurements and thereby enable future measurements of substantially lower biomagnetic signals.

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