Magnetoelectric Sensors for Frequency Conversion

• Applicants: Professorin Dr. Martina Gerken; Professor Dr.-Ing. Reinhard Knöchel; Professor Dr.-Ing. Eckhard Quandt
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2015 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 269935196

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Die große Herausforderung der Nutzung von magnetoelektrischen (ME) Kompositen als Sensoren für biomagnetische Felder besteht darin, bei den relevanten Frequenzen (ca. 1-100 Hz) eine entsprechend gute Detektionsgrenze von etwa 1 pT/Hz½ zu erreichen. Eine direkte Nutzung der Sensoren erscheint dabei wenig aussichtsreich zu sein, da die Detektionsgrenze durch die fehlende resonante Verstärkung (typischerweise > 1 KHz) und durch das mit 1/fskalierende Stromrauschen des Verstärkers um Größenordnungen zu schlecht ist. Sehr aussichtsreich erscheint dagegen die Frequenzumsetzung mit magnetischen Wechselfeldern, die im SFB 855 patentiert wurde. Im Rahmen dieses Projektes wurden in interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Sensorherstellung, Sensorelektronik und Sensormodellierung Sensoren für die Frequenzumsetzung erforscht. So wurde erfolgreich ein volumenmikromechanischer Prozess zur reproduzierbaren Herstellung dieser Sensoren erarbeitet, es wurden Stimmgabelsensoren zur Unterdrückung von Akustik- und Vibrationsquerempfindlichkeiten aufgebaut und als zurzeit beste resonante ME Sensoren identifiziert. Zum Entwurf der Sensoren wurden analytische Modelle und Finite-Elemente-Modelle zur Berechnung der ME-Koeffizienten von elastisch gekoppelten Schichtsystemen aus piezoelektischen und magnetostriktiven Funktionsmaterialien auf Substraten als Funktion der Biegebalkengeometrie erstellt. Rauschmodelle wurden erstellt mittels Rauschersatzschaltbild und parametrisierter Erfassung aller aktiven und passiven Elemente darin, z.B. Sensorrauschen durch dielektrische Verluste der piezoelektrischen Schicht, Kabel, Ladungs- oder Spannungsverstärker und Berechnung der Gesamtrauschspannung am Verstärkerausgang für beliebige Sensorabmessungen, Schichtdicken der Funktionsschichten, Resonanzfrequenzen und Filtereffekte des Verstärkernetzwerks. Zur Berechnung der Güte wurden analytischen Modelle der viskosen Luft-/Vakuumdämpfung, der Klemmungsdämpfung und der thermoelastische Dämpfung implementiert. Es wurde gezeigt, dass für eine gute Detektionsgrenze notwendigerweise die ME-Antwort und das Sensor-Verstärker-Gesamtsystem gemeinsam ausgelegt werden müssen. Es wurden mechanische und magnetische Konzentratorstrukturen untersucht. Für eine Konzentration der mechanischen Spannung sind dabei insbesondere Einkerbungen im Bereich der Klemmung in Kombination mit Elektroden in diesem Bereich einzusetzen. Es wurde ein Rauschmodell erarbeitet, das erstmals die Limitierung des Signal-Rausch- Verhältnisses in Resonanz durch das thermisch-mechanische Rauschen aufzeigt. Neben umfangreichen Untersuchungen zur magnetischen Frequenzmodulation konnte erstmals auch eine entsprechende elektrische Modulation realisiert und zum Patent angemeldet werden, die große Vorteile im Energieverbrauch, bei hohen Resonanzfrequenzen und bei einer möglichen Beeinflussung benachbarter Elemente in Sensorarrays verspricht. Es ist besonders hervorzuheben, dass viele dieser Ergebnisse nur durch die intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit erreicht werden konnte.

Publications

• Phase modulated magnetoelectric delta-E effect sensor for sub-nano tesla magnetic fields, Applied Physics Letters, 107(15), 152402 (2015)
  S. Zabel, C. Kirchhof, E. Yarar, D. Meyners, E. Quandt, F. Faupel
  
• Resonant magnetoelectric response of composite cantilevers: Theory of short vs. open circuit operation and layer sequence effect, AIP Adv., vol. 5, no. 11, p. 117230 (2015)
  M.C. Krantz, J.L. Gugat, M. Gerken
  
• Static magnetoelectric and magnetoelastic response of composite cantilevers: Theory of short vs. open circuit operation and layer sequence effects, AIP Adv., vol. 5, no. 11, p. 117229 (2015)
  M.C. Krantz, J.L. Gugat, M. Gerken
  
• Tuning Fork for Noise Suppression in Magnetoelectric Sensors, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 237. pp 91-95 (2015)
  S. Salzer, R. Jahns, A. Piorra, I. Teliban, J. Reermann, M. Höft, E. Quandt, R. Knöchel
  
• Magnetic Flux Concentration Effects in Cantilever Magnetoelectric Sensors, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 52, no. 5, pp. 7403008 (2016)
  J.L. Gugat, J. Schmalz, M.C. Krantz, M. Gerken
  
• Multimode delta-E effect magnetic field sensors with adapted electrodes, Applied Physics Letters, (108), 222401 (2016)
  S. Zabel, J. Reermann, S. Fichtner, C. Kirchhof, E. Quandt, B. Wagner, G. Schmidt, F. Faupel
  
• Signal-to-Noise Ratio in Cantilever Magnetoelectric Sensors, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 52, no. 9, pp. 7005005 (2016)
  J.L. Gugat, M.C. Krantz, J. Schmalz, M. Gerken
  
• Generalized Magnetic Frequency Conversion for Thin-Film Laminate Magnetoelectric Sensors, IEEE Sensors Journal. vol. 17 (5), pp 1373-1383 (2017)
  S. Salzer, P. Durdaut, V. Röbisch, D. Meyners, E. Quandt, M. Höft, R. Knöchel
  
• Modeling and Analysis of Noise Sources for Thin-Film Magnetoelectric Sensors Based on the Delta-E Effect, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 66(10), 2771–2779 (2017)
  P. Durdaut, J. Reermann, S. Zabel, C. Kirchhof, E. Quandt, F. Faupel, G. Schmidt, R. Knöchel, M. Höft
  
• Thermal-Mechanical Noise in Resonant Thin-Film Magnetoelectric Sensors, IEEE Sensors Journal, 17(8), 2338–2348 (2017)
  P. Durdaut, S. Salzer, J. Reermann, P. Hayes, D. Meyners, E. Quandt, G. Schmidt, R. Knöchel, M. Höft