AT413448B

AT413448B - Verfahren zur messung starker magnetfelder und sensor zur ausführung des verfahrens

Info

Publication number: AT413448B
Application number: AT0150802A
Authority: AT
Inventors: Franz Dr Keplinger; Hans Dr Hauser; Samuel Dr Kvasnica
Original assignee: Inst Ind Elektronik Und Materi
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2006-02-15
Also published as: ATA15082002A

Description

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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Messung von Magnetfeldern basierend auf der Biegung eines mikrostrukturierten Balkens zufolge der Kraftwirkung eines stromdurchflossenen Leiters und einem Magnetfeld (Lorentzkraft) bzw. auf der Kraftwirkung eines bekannten magnetischen Moments und einen Magnetfeld. Es kann auch dazu verwendet werden, das magneti-5 sehe Moment einer Probe zu bestimmen. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren weist die vorliegende Erfindung folgende Vorteile auf: ® Messung starker Magnetfelder ohne festkörperphysikalisch bedingte Sättigungseffekte und hoher Empfindlichkeit; io ® störungssichere Übertragung des Meßsignals (große elektromagnetische Verträglichkeit); © Linearität des Zusammenhangs zwischen Ausgangsgröße und zu messendem Magnetfeld.

Herkömmliche Magnetfeldsensoren basierend auf dem Hall-, AMR, GMR, oder GMI effekt, bzw. Fluxgates und SQUIDs weisen insbesondere bei starken Feldern Sättigungseffekte auf. Indukti-15 ve Sensoren haben hingegen bei Gleichfeldern keine Empfindlichkeit. Darüber hinaus sind elektrische Signalverbindungen sehr störanfällig. Diese Nachteile wurden dadurch gelöst, daß durch die Kraftwirkung zwischen einem auf dem Balken aufgebrachten stromdurchflossenen Leiter und dem zu messenden Magnetfeld die Biegung des Balkens bewerkstelligt wird. 20 Derartige Verfahren sind in verschiedenen Ausführungen in der Fachliteratur beschrieben, beispielsweise D. W. Lee et al., Sensors and Actuators A 83 (2000), pp. 11-16. In der hier beschriebenen Anwendung für ein Scanning Probe Microscope wird für eine schwingungsmäßige Anregung des Balkens ein integrierter piezoelektrischer Torsions-Resonator vorgeschlagen. 25 EP 1197726 beschreibt einen solchen sogenannten Cantillever, wobei verschiedene Vorschläge für die Registrierung der Biegung des Balkens geoffenbart werden. Es wird auch ein optisches Verfahren angedeutet, bei dem allerdings entweder interferometrisch oder positionsempfindlich gemessen werden soll. Beide Verfahren sind verhältnismäßig aufwändig und nicht für hohe Bandbreiten geeignet. 30 JP 8233836 hat ebenfalls einen Cantillever für Anwendungen in Mikroskopen zum Inhalt. Die Detektion der Biegung erfolgt dabei senkrecht zur Fläche des Cantillevers, wodurch nur induktive, kapazitive, oder interferometrische Verfahren in Betracht kommen und nur verhältnismäßig hohe Bauformen möglich sind. 35 US 5444244 hat ein ähnliches Anwendungsgebiet wie obige Patentschrift zum Inhalt (Scanning Probe Microscope), die Detektion der Biegung erfolgt hier mittels integriertem Piezo-Widerstand. 40 Darüber hinaus werden starke Magnetfelder meist in Spulen mit kleinem Innendurchmesser erzeugt; der Sensor in Umsetzung des Verfahrens sollte deshalb sehr flach ausgebildet werden. Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem ein von der Stirnfläche des Balkens reflektierter Lichtstrahl abgelenkt wird und diese Ablenkung von einem lichtempfindlichen Element als Amplitudenmodulation registriert wird, wobei dessen Ausgangsgröße mittels 45 einer mathematischen Kalibrierfunktion mit dem zu messenden Magnetfeld korrelliert wird.

Um die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen weiter zu verbessern (oder falls das magnetische Moment einer kleinen Probe bestimmt werden soll), wird durch die Kraftwirkung zwischen einem magnetisierbaren Materialstück, das an dem Balken befestigt wird, oder so dem Balken selbst, sofern er eine ausreichend große magnetische Suszeptibilität besitzt, und dem zu messenden Magnetfeld die Auslenkung des Balkens bewerkstelligt. Dadurch kommt es zum Wegfall der Stromzuführungen zum Sensor.

Sind schwache Feldänderungen schwer zu detektieren, dann wird der Balken mittels zusätzli-55 eher elektrischer oder magnetischer Kraftwirkung in Schwingung versetzt und das Ausgangs- 3

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Signal des photosensitiven Elements phasenselektiv verstärkt. Dadurch wird eine Verbesserung des Signal-/Rauschleistungsverhältnisses bewerkstelligt.

Im Falle, daß die Lichtintensität starken äußeren Einflüssen (Temperatur, mechanisch induzier-5 te Doppelbrechung in den Lichtleitern, etc.) unterworfen ist, wird mittels positionssensitivem Photodetektor die Position des Balkens, beispielsweise die Position einer Kante, registriert. Daraus wird mittels Kalibrierfunktion eine Korrelation mit dem zu messenden Magnetfeld bewerkstelligt, wodurch die Ausgangsgröße unabhängig von der Lichtintensität ist. io Ist die Nichtlinearität der Biegung des Balkens störend, dann wird ein Kompensationsverfahren angewendet, indem ein zusätzlicher Stromfluß durch den am Balken aufgebrachten Leiter mittels einer elektronischen Regeleinheit derart geregelt wird, daß die Biegung des Balkens trotz Einwirkung eines zu messenden Magnetfeldes verschwindet, wodurch diese zusätzliche Stromstärke direkt proportional zum zu messenden Magnetfeld ist. Dieser zusätzliche Stromfluß 15 kann beispielsweise durch eine eigene Leiterstruktur eingebracht werden, die zu der mit konstantem Strom durchflossenen Leiterstruktur parallel geführt ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform eines Sensors gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Si-Technologie mittels Tief-Ätzprozeß sowie Dünnschichttechnologie für die Leiterstruk-2o turen hergestellt. Hierbei wird der Balken mit dem aufgebrachten Leiter in Form eines an einer Seite offenen Rechtecks (U-förmig) ausgebildet und der Sensor derart im zu messenden Magnetfeld B positioniert, daß B in der Ebene des Rechtecks und senkrecht zu jener Seite des Balkens liegt, die der offenen Seite gegenüber ist, die Lorentzkraft auf den stromdurchflossenen Leiter dieser Seite zur Biegung der beiden anderen Seiten des rechteckförmigen Balkens ge-25 nutzt, und diese Biegung zur Änderung der Reflexion von Licht an der Oberfläche des Balkens verwendet wird. Dadurch wird eine Änderung des Ausgangssignals eines Photodetektors proportional zum zu messenden Magnetfeld bewerkstelligt.

Weiters ist es vorteilhaft, insbesondere wenn der Sensor nicht in Vakuum betrieben wird, wenn 30 die Übertragung des Lichtes mittels einer oder zweier Glasfasern erfolgt, wobei in ersterem Fall ein Referenzlichtstrahl mittels eines Koppelelements abgezweigt wird, der reflektierte (ausgehende) Lichtstrahl in der selben Glasfaser wie der eingehende Lichtstrahl übertragen wird und das mittels Photodetektor gemessene Verhältnis zwischen reflektierter und Referenz-Intensität mittels Kalibrierfunktion mit dem zu messenden Magnetfeld korrelliert wird. 35

Eine weitere Verbesserung der Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen ist gegeben, wenn mittels Glasfaser ein Bild der den Lichtstrahl reflektierenden Seite des Balkens zu einem positionssensitiven Photodetektor transportiert wird, mittels dessen die Position dieser Seite bzw. einer Kante dieser Seite unter Ausnützung des Bildkontrastes erfaßt wird und mittels 40 Kalibrierfunktion eine Korrelation mit dem zu messenden Magnetfeld bewerkstelligt wird.

Schließlich kann es zufolge starker Temperaturänderungen und unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten des Balkens und des Leitermaterials zu einer ungewollten Verbiegung des Balkens kommen. Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auch 45 auf jener der Leiterstruktur gegenüber liegenden Seite eine Metallisierung aufgebracht wird.

Basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun der folgende Sensor zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Dabei stellt Figur 1 den prinzipiellen Aufbau des Sensors dar. Figur 2 zeigt eine Ausführungsform unter Verwendung nur einer Glasfaserverbindung zum so Sensor.

In einem Silicium-Wafer wird in einem äußeren Rahmen (1) ein rechteckförmiger, dünner Balken (2) freigeätzt, vorzugsweise mit einer Dicke im 10 μιτι-, einer Breite im 100 μηη- und einer Länge im 1000 μπι-ΒβΓβίοΙι. Auf dem Balken (Cantilever) wird eine Leiterstruktur (3), beispiels-55 weise mittels Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht, wobei die Struktur beispielsweise durch

Claims

4 AT 413 448 B Ätzen oder Lift-Off Resist-Technologie hergestellt wird. Gegenüber der kurzen Seite des rechteckförmigen Balkens (2) wird eine Ausnehmung (4) im äußeren Rahmen (1) strukturiert, die zur mechanischen Halterung der Glasfasern (5) dient. Durch eine Glasfaser wird das Licht einer Quelle (6) zur ihrem Ende gegenüber liegenden Seite des Balkens (2) übertragen und das hier 5 reflektierte Licht wird durch die andere, eventuell koaxiale, Glasfaser zu einem Photodetektor (7) übertragen. Im Falle der Verwendung nur einer Glasfaser wird mittels eines Koppelelements (8) ein Teil des Lichtes als Referenz (9) ausgekoppelt, und das reflektierte Licht vom Balken (2) wird in der io selben Glasfaser (10) zurückgeleitet. Das Verhältnis der beiden Lichtintensitäten ist dann ein Maß für die Biegung des Balkens. Patentansprüche: 15 1. Verfahren zur Messung von Magnetfeldern basierend auf der Biegung eines mikrostrukturierten Balkens (2), bei dem durch die Kraftwirkung zwischen einem auf dem Balken (2) aufgebrachten stromdurchflossenen Leiter (3) und dem zu messenden Magnetfeld die Biegung des Balkens (2) bewerkstelligt wird, gekennzeichnet dadurch, daß ein von dessen 20 Stirnfläche reflektierter Lichtstrahl (5) abgelenkt wird und diese Ablenkung als Amplitudenmodulation von einem lichtempfindlicher Element (7) registriert wird, dessen Ausgangsgröße mittels einer mathematischen Kalibrierfunktion mit dem zu messenden Magnetfeld kor-relliert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Übertragung des Lichtes mittels einer oder zweier Glasfasern (5) erfolgt, wobei in ersterem Fall ein Referenzlichtstrahl (9) mittels eines Koppelelements (8) abgezweigt wird, der reflektierte (ausgehende) Lichtstrahl in der selben Glasfaser (10) wie der eingehende Lichtstrahl übertragen wird und das mittels Photodetektor (7) gemessene Verhältnis zwischen reflektierter und Referenz- 30 Intensität mittels Kalibrierfunktion mit dem zu messenden Magnetfeld korrelliert wird.
3. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß mittels Glasfaser (5) ein Bild der den Lichtstrahl reflektierenden Seite des Balkens (2) zu einem positionssensitiven Photodetektor transportiert wird, mit dem die Position dieser Seite bzw. einer Kante 35 dieser Seite unter Ausnützung des Bildkontrastes erfaßt wird und mittels Kalibrierfunktion eine Korrelation mit dem zu messenden Magnetfeld bewerkstelligt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß durch die Kraftwirkung zwischen einem magnetisierbaren Materialstück, das an dem Balken (2) befestigt wird, 40 oder dem Balken (2) selbst, sofern er eine ausreichend große magnetische Suszeptibilität besitzt, und dem zu messenden Magnetfeld die Auslenkung des Balkens (2) bewerkstelligt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Balken (2) mittels 45 zusätzlicher elektrischer oder magnetischer Kraftwirkung in Schwingung versetzt wird und das Ausgangssignal des photosensitiven Elements (7) phasenselektiv verstärkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß mittels positionssensitivem Photodetektor die Position des Balkens (2), beispielsweise die Position einer Kante, regist- 50 riert wird, woraus mittels Kalibrierfunktion eine Korrelation mit dem zu messenden Magnet feld bewerkstelligt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß ein zusätzlicher Stromfluß durch den am Balken (2) aufgebrachten Leiter mittels einer elektronischen Regeleinheit 55 derart geregelt wird, daß die Biegung des Balkens (2) trotz Einwirken eines zu messenden 5 AT 413 448 B Magnetfeldes verschwindet, wodurch diese zusätzliche Stromstärke direkt proportional zum gemessenen Magnetfeld ist.
8. Sensor zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, 5 daß der Balken (2) mit dem aufgebrachten Leiter (3) in Form eines an einer Seite offenen Rechtecks ausgebildet ist und der Sensor derart im zu messenden Magnetfeld B positioniert wird, daß B in der Ebene des Rechtecks und senkrecht zu jener Seite des Balkens (2) liegt, die der offenen Seite gegenüber ist, die Lorentzkraft auf den stromdurchflossenen Leiter (3) dieser Seite zur Biegung der beiden anderen Seiten des rechteckförmigen Bal-io kens genutzt wird und diese Biegung zur Änderung der Reflexion von Licht an der Stirnfläche des Balkens verwendet wird, wodurch eine Änderung des Ausgangssignals eines Photodetektors (7) proportional zum zu messenden Magnetfeld bewerkstelligt wird.
9. Sensor gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Übertragung des Lichtes 15 mittels einer oder zweier Glasfasern (5) erfolgt, die in der Rahmenstruktur unmittelbar vor der Stirnseite des Balkens in mikrostrukturierten Nuten integriert sind, wobei in ersterem Fall ein Referenzlichtstrahl (9) mittels eines Koppelelements (8) abgezweigt wird, der reflektierte (ausgehende) Lichtstrahl in der selben Glasfaser (10) wie der eingehende Lichtstrahl übertragen wird und das mittels Photodetektor (7) gemessene Verhältnis zwischen 20 reflektierter und Referenz-Intensität mittels Kalibrierfunktion mit dem zu messenden Mag netfeld korrelliert wird.
10. Sensor gemäß Anspruch 8 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß mittels Glasfaser (5), die in der Rahmenstruktur unmittelbar vor der Stirnseite des Balkens in mikrostrukturierten Nuten 25 integriert ist, ein Bild der den Lichtstrahl reflektierenden Seite des Balkens (2) zu einem po sitionssensitiven Photodetektor transportiert wird, mittels dessen die Position dieser Seite bzw. einer Kante dieser Seite unter Ausnützung des Bildkontrastes erfaßt wird und mittels Kalibrierfunktion eine Korrelation mit dem zu messenden Magnetfeld bewerkstelligt wird.
11. Sensor nach Anspruch 8 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Balkenstruktur (2) in Si bzw. Si-Verbindungen geätzt wird und die Leiterstrukturen (3) mittels Dünnschichttechnologie und Lithographie aufgebracht werden.
12. Sensor nach Anspruch 8 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß auch auf jener der Leiter-35 Struktur (3) gegenüber liegenden Seite eine Metallisierung aufgebracht wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 40 45 50 55