Piezoelektrische Komponente in 2-2 magnetoelektrischen Sensoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Martina Gerken; Professor Dr.-Ing. Eckhard Quandt
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269905175

Magnetoelektrische (ME) Komposite bestehend aus magnetostriktiver und piezoelektrischer Phase sind vielversprechend für ungekühlte und unabgeschirmte Magnetfeldsensoren für medizinische Fragestellungen. Die magnetoelektrische Effektstärke und das Signal-Rausch-Verhältnis hängen als Produkteigenschaft u.a. von den piezoelektrischen Eigenschaften und der Elektrodenkonfiguration ab. In diesem Projekt sollen Maßnahmen untersucht und erforscht werden, die magnetoelektrische Effektstärke und das Signal-Rausch-Verhältnis durch Änderung der piezoelektrischen Komponente weiter zu erhöhen und in der Konsequenz die Detektionsgrenze von magnetoelektrischen Magnetfeldsensoren weiter abzusenken. Hierbei sollen drei Teilaspekte in enger Zusammenarbeit zwischen Modellierung (Gerken) und Experiment (Quandt) bearbeitet werden. Als erster Teilbereich sollen ME Dünnschichtsensoren mit Interdigitalelektroden erforscht werden. Durch den Einsatz von Interdigitalelektroden können höhere Signalstärken erreicht werden. Gleichzeitig wurde aufgrund der geringeren Kapazität jedoch ein höheres Rauschen beobachtet. Hier sollen systematische, experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von Designvariationen (max. Elektrodenabstand, Elektrodenlayout, Schichtdicke, Substratdicke) und elektrischen Parametern (Polung, Kapazität, Rauschkomponenten) durchgeführt und gleichzeitig ein detailliertes Modell für das Signal-Rausch-Verhältnis erstellt werden. Als zweiter Teilbereich soll der Einsatz von BCZT-Schichten erforscht werden. Neben dem wichtigen Aspekt der gesetzlich geforderten Bleifreiheit versprechen diese Schichten u.U. eine weitere Effektsteigerung im Vergleich zu PZT-Schichten. Hierzu muss zum einen eine großflächige Abscheidung entweder durch Chemical Solution Deposition oder durch Magnetronsputtern auf Waferbasis etabliert werden. Es sollen die Bedingungen erforscht werden, unter denen hohe piezoelektrische Koeffizienten großflächig erreicht werden können. Da die bleifreien Ferroelektrika dann für Interdigitalstrukturen zum Einsatz kommen sollen, müssen hierzu oxidische, isolierende Keimlagen für BCZT-Schichten ermittelt werden. Ein Vergleich dieser Schichten erfolgt zum einen mit PZT-Schichten ebenfalls in der Interdigitalelektrodenkonfiguration und mit bereits entwickelten, sehr verlustarmen AlN-Schichten in Plattenkondensatorgeometrien. Als dritter Teilbereich sollen der Einsatz und die Anordnung mehrerer piezoelektrischer Komponenten in einem Sensor untersucht werden. Dieses verspricht durch die Effekttrennung von magnetisch induzierten Dehnungen eine Verringerung von Querempfindlichkeiten aufgrund akustischer Signale und aufgrund von Vibrationen. Für die ME Komposite werden in diesem Projekt entweder Standard-Magnetostriktiva (wie z.B. FeCoSiB-Schichten) oder ggf. neue, in ihren Eigenschaften verbesserte Viellagenschichten aus dem Projekt P2 eingesetzt werden. Einfließen werden die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse in die Projekte P4, P9 und P10.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen