Sensor systems based on the DeltaE Effect
Final Report Abstract
Im Rahmen des Paketantrages PAK 902 „Magnetoelektrische Sensoren für die Medizin“ wurden im Projekt P5 neuartige Magnetfeldsensoren auf der Basis des ΔE-Effektes weiterentwickelt. Sie erlauben eine breitbandige Messung bei niedrigen Frequenzen bis in den Bereich statischer Felder, sind robust und vollständig integrierbar. Die Sensoren haben einen ähnlichen Aufbau wie magnetoelektrische Sensoren, die in anderen Projekten dieses Paketantrages untersucht wurden, und bestehen typischerweise aus einem piezoelektrischen Resonator, auf dem sich eine magnetostriktive Schicht befindet. Anders als bei ME-Sensoren wird hier jedoch die Frequenzverstimmung eines bei hohen Frequenzen weit oberhalb des niederfrequenten Messbereichs angeregten Resonators ausgenutzt, und die Piezoschicht dient zum Anregen und Auslesen. Im Projektverlauf konnte die Detektionsgrenze der Delta-E-Sensoren um mehr als zwei Größenordnungen auf Werte von unter 100 pT/Hz1/2 erniedrigt werden. Durch Kombination von Experimenten und Modellierung wurde eine neue Elektrodenkonfiguration entwickelt, die eine simultane adaptive Auslesung mehrerer Moden gestattet. Dabei wurden auch hochfrequente Bulkmoden in die Untersuchungen eingeschlossen, bei denen keine Dämpfung durch Luftreibung auftritt und die Bandbreite stark erhöht ist. Zur weiteren Erniedrigung der Detektionsgrenze wurde der Einsatz von Flusskonzentratoren erforscht. Durch Verwendung von Sensoren mit austauschgekoppelten Multilagen aus ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten wurde ein Betreib ohne Bias-Feld demonstriert. Als limitierende Rauschquelle konnte die bei der elektrischen Anregung der Sensoren mittels der piezoelektrischen Schicht durch die mechanische Verformung hervorgerufene spannungsinduzierte magnetische Anisotropie und die damit verbundene Domänenwanderung identifiziert werden. Konzepte zur Eliminierung dieser Rauschquelle werden jetzt im SFB1261 verfolgt. Das Anwendungspotential des Delta-E-Sensors insbesondere als Stromsensor wird in einem Projekt mit Beteiligung von Industriepartnern weiterverfolgt.
Publications
- Adaptive multi-mode combination for magnetoelectric sensors based on the delta-E effect, Procedia engineering 120, 536-539 (2015)
J. Reermann, G. Schmidt, S. Zabel, F. Faupel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.705) - 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
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4932575) - Stress controlled pulsed direct current co-sputtered Al1−xScxN as piezoelectric phase for micromechanical sensor applications, APL Materials 3 (11), 116102 (2015)
S. Fichtner, T. Reimer, S. Chemnitz, F. Lofink, B. Wagner
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4934756) - Adaptive readout schemes for thin-film magnetoelectric sensors based on the delta-E effect; IEEE Sensors Journal 16 (12), 4891-4900 (2016)
J. Reermann, S. Zabel, C. Kirchhof, E. Quandt, F. Faupel, G. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2553962) - Multimode delta-E effect magnetic field sensors with adapted electrodes, Applied Physics Letters 108 (22), 222401 (2016)
S. Zabel, J. Reermann, S. Fichtner, C. Kirchhof, E. Quandt, B. Wagner, R. Knöchel, R. Adelung, F. Faupel
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4952735)
