Sensorsysteme auf Basis des DeltaE-Effekts

• Antragsteller: Professor Dr. Franz Faupel; Professor Dr. Bernhard Wagner
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269910797

Im Rahmen des SFB 855 wurde ein neuer Magnetfeldsensor entwickelt, der auf dem DeltaE-Effekt beruht. Dabei wurde die Frequenzverstimmung eines bei hohen Frequenzen im 100 kHz-Bereich angeregten Biegeschwingers ausgenutzt, auf dem sich eine magnetostriktive Schicht befindet, deren effektiver elastischer Modul sich in Abhängigkeit vom Magnetfeld ändert ( DeltaE-Effekt). Der Sensor, der auch in Nature als Research Highlight vorgestellt wurde, erlaubt u.a. die breitbandige Messung bei niedrigen Frequenzen bis in den Bereich statischer Felder, ist robust gegen Mikrofonieeffekte und mechanische Störungen und hat das Potential zu vollständiger Integrierbarkeit. In gemeinsamen Vorarbeiten der Antragsteller wurde ein erster voll integrierter Sensor demonstriert, bei dem sowohl die Anregung als auch das Auslesen über eine einzige piezoelektrische Schicht erfolgen. Im vorliegenden Projekt sollen DeltaE-Sensoren in MEMS-Technologie integriert und verschiedene Ansätze zur Steigerung der Empfindlichkeit verfolgt werden. Das Fernziel ist u.a. der Einsatz in der Magnetokardiographie. Bei den piezoelektrischen Resonatoren sollen verschiedene Sensorgeometrien sowohl mit Biegeschwingungen als auch longitudinale Moden ausgenutzt werden, die bei deutlich höheren Frequenzen auftreten und höhere mechanische Güten aufweisen. Entsprechend notwendige MEMS Prozesse sollen dazu entwickelt werden. Als piezoelektrische Materialien sind AlN und eine Modifikation mit geringerem E-Modul zur Verringerung von Klemmeffekten vorgesehen. Um eine große Veränderung der mechanischen Eigenschaften im Magnetfeld zu erzielen, sind bei magnetoelektrischen Sensoren verschiedene Methoden etabliert, deren Eignung nun für DeltaE-Sensoren erforscht werden soll. Als magnetostriktives Material sollen neben den bewährten amorphen FeCoSiB-Gläsern auch FeGaB-Legierungen untersucht werden, welche sich mit größeren Koerzitivfeldstärken und größerer Magnetostriktion besonders für Sensoren mit remanentem anstatt eines externem Biasfeld eignen sollten. Zum besseren Verständnis der magnetischen Materialien ist in Kooperation mit P2 geplant, diese in situ auf dem schwingenden Sensor mit Hilfe des magnetooptischen Kerr Effekts zu untersuchen. Die für den Betrieb notwendige Elektronik wird parallel zu den Sensoren entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen