Piezoelectric Component in 2-2 magnetoelectric sensors
Final Report Abstract
Für die Verwendung in magnetoelektrischen Kompositen wurden im Vorhaben P1 die piezoelektrischen Komponente sowie die Elektrodenkonfiguration zur Detektion der piezoelektrischen Spannung bzw. Ladung untersucht. Das Vorhaben wurde vorzeitig beendet und in Teilen in Projekte des SFB 1261 überführt. Die wesentlichen Erkenntnisse dieses Vorhabens betrafen neuartiger piezoelektrische Schichten sowie die Untersuchung und Modellierung von Interdigitalelektroden und segmentierten Elektroden als Alternativen zu üblicherweise verwendeter Plattenkondensatorgeometrien. Im Bereich neuartiger Piezoelektrika konnte festgestellt werden, dass die BCZT-Schichten trotz sehr hoher piezoelektrischer Koeffizienten (ca. Faktor 2-3 höher als PZT-Schichten) nicht für magnetoelektrische Komposite als Sensorkomponente geeignet sind, da die Schichten – anders als beim Kompaktmaterial berichtet – ein deutliches Relaxorverhalten aufweisen. Daher wurde das ursprünglich vorgesehene Arbeitsprogramm gekürzt und stattdessen Arbeiten zu einem Tieftemperaturprozess zur Abscheidung von AlN durchgeführt. Hierbei konnten durch einen speziellen Puls-DC-Sputterprozess AlN-Schichten hervorragender Qualität bzgl. des piezoelektrischen Koeffizienten und des Verlustfaktors auf ungeheizten Substraten abgeschieden werden. Diese piezoelektrischen Schichten erlauben nun eine umgekehrte Reihenfolge der Abscheidung (zunächst die temperaturempfindliche amorphe magnetostriktive Schicht) und damit eine große Designfreiheit bei der Herstellung von magnetoelektrischen Kompositen. Damit hergestellte Sensoren weisen die höchsten magnetoelektrischen Koeffizienten in Resonanz auf und bilden damit den Standard auch für weitere Arbeiten im SFB 1261. Die Arbeiten zu den Interdigitalelektroden haben folgende Ergebnisse erbracht. Auch wenn – wie aus der Produkteigenschaft erwartet – die Sensitivität (elektrische Spannung pro Magnetfeld) mit zunehmendem Fingerabstand steigt, hat dies keine signifikante Auswirkung auf die Detektionsgrenze. Denn bei zunehmendem Fingerabstand steigt gleichzeitig mit der Sensitivität bei abnehmender Kapazität auch das Rauschen. Dennoch wurden mit der Interdigitalelektrode die Stimmgabelsensoren realisiert, die im Rahmen des Vorhabens die besten Ergebnisse bei der magnetischen Freuquenzumsetzung (Projekt P4) erreicht haben. In der Modellierung wurden segmentierte Elektroden weiter erforscht. Da die piezoelektrische Schicht weitgehend isolierend ist, ist eine Segmentierung der Elektroden in Bereiche ausreichend und es ist keine Segmentierung der piezoelektrischen Schicht notwendig. Es wurde ein Simulationsalgorithmus entwickelt, der eine Berechnung des Signal-Rausch- Verhältnisses und damit der Detektionsgrenze für verschiedene Elektrodensegmentierungen erlaubt. Auf Basis der Simulationen und der einhergehenden Validierungsexperimente konnte gezeigt werden, dass korrekt entworfene segmentierte Elektroden ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bieten und dieses Konzept insbesondere auch für höhere Moden vierversprechend ist. Diese Arbeiten werden SFB 1261 weitergeführt.
Publications
- Inverse bilayer Magnetoelectric thin film sensor, Applied Physics Letters 109, 022901, (2016)
E. Yarar, S. Salzer, V. Hrkac, A. Piorra, M. Höft, R. Knöchel, L. Kienle and E. Quandt
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4958728) - Low temperature aluminum nitride thin films for sensory applications. AIP Advances 6, 075115 (2016)
E. Yarar, V. Hrkac, C. Zamponi, A. Piorra, L. Kienle, and E. Quandt
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4959895) - Magnetic Flux Concentration Effects in Cantilever Magnetoelectric Sensors, IEEE Transactions on Magnetics 52, 5, pp. 7403008 (2016)
J. L. Gugat, J. Schmalz, M.C.Krantz and M. Gerken
(See online at https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2509948) - Signal-to-Noise Ratio in Cantilever Magnetoelectric Sensors, IEEE Transactions on Magnetics 52, 9, pp. 7005005 (2016)
J.L. Gugat, M.C. Krantz, J. Schmalz and M. Gerken
(See online at https://doi.org/10.1109/TMAG.2016.2557305) - Pushing the detection limit of thin film magnetoelectric heterostructures, Journal of Materials Research 1-11 (2017)
V. Röbisch, S. Salzer, N. Urs, J. Reermann, E. Yarar, A. Piorra, C. Kirchhof, E. Lage, M. Höft, G. Schmidt, R. Knöchel, J. McCord, E. Quandt, D. Meyners
(See online at https://doi.org/10.1557/jmr.2017.58)
