Vom ∆E-Effekt zum Sensorsystem

Der ∆E-Effekt magnetoelastischer Materialien beschreibt die Veränderung des Elastizitätsmoduls E in einem Magnetfeld und kann somit als Eingangsgröße zur Messung von Magnetfeldern genutzt werden. Mit dem Ziel eines möglichst leistungsfähigen Magnetfeldsensors werden in dieser Arbeit die einzelnen Prozesse innerhalb des Sensorsystems untersucht. Zunächst wird dazu der ∆E-Effekt selbst und seine Abhängigkeit von Materialeigenschaften genauer betrachtet. Zur Messung der veränderten mechanischen Eigenschaften werden verschiedene mikromechanische Systeme auf Basis von Resonatoren und Oberflächenwellen erprobt. Deren Auslegung bestimmt die Umsetzung des ∆E-Effekts eines amorphen Dünnfilms in ein elektrisches Signal. Das erste Prinzip beruht dabei auf der Verstimmung von elektromechanischen Resonatoren in Form von piezoelektrisch angeregten Biegebalken. Die technische Ausführung der Resonatoren und die sich daraus ergebenen elektromechanischen Eigenschaften werden theoretisch und praktisch untersucht. In dem zweiten Ansatz werden Oberflächenwellen auf einer Seite des Sensors erzeugt und nach dem Durchqueren einer magnetisch beschichteten Verzögerungsstrecke wieder aufgezeichnet. Dabei führt die magnetoelastische Veränderung des Schermoduls zu einer veränderten Laufzeit. Das Verhalten beider Sensortypen wird in Teilmodellen beschrieben und schließlich zu einem Gesamtsystem inklusive der elektronischen Betriebskomponenten zusammengefügt. Beide Bauformen erreichen äquivalente magnetische Rauschgrenzen von ca. 100 pT bei Frequenzen oberhalb von 10 Hz und einer Messbandbreite von 1 Hz.