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Die
vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstellung
eines Sensorelementes zur Messung von Magnetfeldern, wobei das Sensorelement
einen Schichtverbund aufweist, wobei eine Schicht des Schichtverbundes
piezoelektrische und eine Schicht des Schichtverbundes magnetostriktive
Eigenschaften hat und wobei diese magnetostriktiven Schichten in
einer Dünnschichttechnik aufgebracht
werden. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Sensorelement
zur Messung von Magnetfeldern und einen Vektorsensor auf der Basis magnetostriktiver-piezoelektrischer
Verbundwerkstoffe.
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Generell
ist es seit 1972 bekannt, Magnetfelder mit Sensoren zu messen, die
magnetostriktive-piezoelektrische Komposite aufweisen (Van Suchtelen, Philips
Res. Rep. 27 (1972), p. 28). Bei diesen Sensoren wird das Prinzip
ausgenutzt, dass das zu messende Magnetfeld vermittels des magnetostriktiven Effekts
eine Dehnung in dem magnetostriktivem Material hervorruft. Diese
Dehnung wird von dem mechanisch an das magnetostriktive Material
gekoppelten piezoelektrischen Material nachvollzogen und über den
piezoelektrischen Effekt in eine elektrische Polarisation überführt. Letztendlich
wird die dabei erzeugte elektrische Feldstärke oder deren elektrische Ladung
gemessen. Die magnetoelektrischen Koeffizienten (dE/dH) der seinerzeit
bekannten Komposite war jedoch relativ klein und die Sensoren entsprechend
unempfindlich.
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Eine
erhebliche Verbesserung des magnetoelektrischen Koeffizienten wurde
durch den Einsatz von Terfenol-D/PMN-PT-Kompositen erreicht (S. Dong
et al., IEEE T. Ultrason. Ferr. 50 (2003), p. 1236), wobei die Einzelkomponenten
verklebt wurden. Mit diesen Kompositen war es möglich, bei einem magnetoelektrischen
Koeffizienten von 500 mV/(cm Oe) Magnetfeldstärken bis minimal μH = 10 pT
gemessen werden. Beim Einsatz dieser Komposite ist es möglich, Sensoren
mit einer Empfindlichkeit auf Magnetfelder von unterhalb von 1 pT
zu fertigen, wenn mechanische Resonanzen ausgenutzt werden. Damit
erreichen diese Sensoren Empfindlichkeiten, wie sie bislang nur
von supraleitenden Quanten Interferenz Detektoren (SQUIDs) bekannt
waren. Diese empfindlichsten heute verfügbaren Magnetfeldsensoren haben
allerdings den Nachteil der notwendigen Kühlung durch flüssigen Stickstoff
bei HTC-SC oder sogar durch flüssiges
Helium. Die genannten magnetostriktiven-piezoelektrischen Komposite
können
hingegen bei Raumtemperatur betrieben werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zur Herstellung derartiger
Magnetfeldsensoren der Basis magnetostriktiver-piezoelektrischer Komposite
zu schaffen, das sich einfach und kostengünstig realisieren lässt und
mit dem sich Sensorelemente herstellen lassen, die signifikant unterschiedliche
Sensitivitäten
auf verschiedene Richtungen der Magnetfelder aufweisen. Zudem ist
es Aufgabe der Erfindung ein Sensorelement zu schaffen, das einfach
aufgebaut ist und das bei hoher Empfindlichkeit und großer Dynamik
die Detektion nicht nur des Betrages der Magnetfeldstärke sondern
auch die Richtung des Magnetfeldes erlaubt.
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Diese
Aufgaben wird durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruch 1 und das Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruch 5 gelöst.
Merkmale besonderer Ausführungsformen
der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
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Der
wesentliche Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass
der in Dünnschichttechnik
hergestellten magnetostriktiven Schicht eine Vorzugsrichtung hinsichtlich
der Sensitivität
auf die Orientierung des Magnetfeldvektors aufgeprägt wird,
die der Schicht zumindest über
einen langen Zeitraum erhalten bleibt. Dabei geht das Maß dieser
in der Ebene liegenden permanenten uniaxialen Anisotropie über die
natürliche
Anisotropie einer solchen magnetostriktiven Schicht hinaus. Anders
ausgedrückt liegt
die Erfindung in der Verwendung von magnetostriktiven – piezoelektrischen
Kompositen, bei denen die magnetostriktiven Werkstoffe so eingestellt
werden, dass sie im wesentlichen nur für eine Magnetfeldrichtung sensitiv
sind, also nur in einer Vorzugsrichtung eine magnetostriktive Dehnung
zeigen, wobei diese Vorzugsrichtung entlang der magnetisch harten
Achse ist. Dabei ist ein solches Sensorelement besonders geeignet,
um magnetische Felder zu messen, deren Stärke zeitlich variiert, wobei
die Variation auch verhältnismäßig langsam
sein kann.
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Dabei
wird vorteilhafterweise durch die Anisotropie eine Sensitivität entlang
der magnetisch harten Achse erzeugt, die um mehr als einen Faktor
3, besser noch um einen Faktor 20 und insbesondere um mehr als einen
Faktor 100, größer ist,
als die Sensitivität
entlang der dazu senkrechten magnetisch leichten Achse. Eine ausgeprägte unaxiale
Sensitivität
wird daher insbesondere dann als gegeben angenommen, wenn die Sensitivität in den
anderen Richtungen deutlich und insbesondere um mehr als einen Faktor
20 kleiner ist.
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Die
Erfindung wird insbesondere dadurch umgesetzt, dass anstelle der
genannten verklebten Terfenol-D-Einkristalle erfindungsgemäß gesputterte magnetostriktive
Schichten oder Schichtstapel verwendet werden, wobei beispielsweise
ein erster Schichttyp amorphe Seltenen Erden/(Fe,Co)-Legierungen
aufweist und wobei ein zweiter Schichttyp ferromagnetische Legierungen
enthaltendend kristallines Fe und/oder Co aufweist. Solche Viellagenschichten
sind beispielsweise aus der
EP
809306 A1 bekannt, auf deren Inhalt an dieser Stelle ausdrücklich Bezug
genommen wird. Dabei ist es vorteilhaft, neben der magnetostriktiven
Schicht auch die piezoelektrische Schicht des Verbundes in Dünnschichttechnik
herzustellen oder auch als insbesondere strukturiertes Substrat
aufzubringen.
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Um
einer magnetostriktiven Schicht die uniaxiale Anisotropie aufzuprägen sind
verschiedene Verfahren bekannt. So ist es einerseits möglich, die Anisotropie
durch Abscheidung der Schicht in einem äußeren Magnetfeld einzustellen,
das insbesondere eine Stärke
von mehr als 1 mT, vorteilhafterweise von mehr als 5 mT, hat. Andererseits
kann die uniaxiale Anisotropie durch Magnetfeldgühen der magnetostriktiven Schicht
hervorgerufen werden. Dabei ist aus Untersuchungen an TbFe/FeCo-Viellagenschichten
bekannt, dass durch eine Magnetfeldglühung oder durch Abscheiden
in einem starken Magnetfeld eine Domänenstruktur erreicht wird,
die zum Verschwinden der magnetostriktiven Dehnung in der leichten
Richtung führt
(Chopra et al., J. Appl. Phys. 85 (1999), p. 6238).
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Wenn
die magnetostriktive Ein- oder Viellagenschicht eine solche ausgeprägte Anisotropie
in der Schichtebene aufweist, erfährt diese Schicht in dem Magnetfeld
keine magnetostriktive Dehnung, wenn das Magnetfeld parallel oder
antiparallel zu der magnetisch leichten Richtung orientiert ist.
Das rührt daher,
dass eine Ummagnetisierung um 180° keine magnetostriktiven
Dehnung bewirkt, während 90°-Änderungen
der Magnetisierung zu maximalen magnetostriktiven Dehnungen führen. Damit
führt die Anisotropie
auch zu einer Maximierung der Empfindlichkeit in der harten Richtung,
die als Messrichtung definiert werden kann.
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Ein
weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung liegt darin, die
Sensibilität
eines Sensorelementes auf Magnetfelder in der dritten Raumrichtung durch
eine entsprechende Entmagnetisierung zu unterdrücken, wobei die dritte Raumrichtung
insbesondere die Normale auf die magnetostriktive Schicht ist. Im
vorliegenden Fall ergibt sich die Entmagnetisierung durch die geringe
Dicke der Schicht. Dabei lässt sich
wegen des starken Unterschiedes in der Schichtdicke im Vergleich
zu den lateralen Abmessungen des Sensorelementes eine starke Unterdrückung erreichen,
die mit den Kompaktwerkstoffen in Klebetechnik nicht zu realisieren
ist.
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Somit
wird durch das Sputtern oder das Glühen in einem magnetischen Biasfeld
eine Domänenstruktur
der Schichten erzeugt, die in einer bestimmten Richtung keine magnetostriktive
Dehnung aufweist. Ist die magnetische Schicht, wie im Falle der erfindungsgemäßen Sensorelemente,
sehr dünn, dann
ist ihr zudem die Dehnungskomponente in vertikaler Richtung genommen.
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Da
ein solches Sensorelement das anliegende zeitlich veränderliche
magnetische Feld über
den Effekt der Magnetostriktion direkt in eine Dehnung umwandelt,
ist seine Sensitivität
proportional zur magnetostriktiven Suszeptibilität. Das Maximum der magnetostriktiven
Suszeptibilität
findet sich jedoch im allgemeinen nicht im Nullfeld sondern in einem
magnetischen Feld endlicher Stärke.
Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, ein magnetisches Biasfeld an
das Sensorelement anzulegen, wobei dieses Biasfeld im Falle der
Sensorelemente vorteilhafterweise durch Permanentmagneten erzeugt
wird. Dabei kann beim erfindungsgemäßen Einprägen der Anisotropie die Stärke des
später
notwendigen Biasfeldes beeinflusst werden. So kann durch Glühung im
Magnetfeld ein Sensorelement geschaffen werden, das mit einem Biasfeld
von 10 mT oder weniger auskommt. Das ist ein weiterer Vorteil dieser
Viellagenschicht.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn drei der erfindungsgemäßen Sensorelemente in einer
dreidimensionalen (3D-) Konfiguration angeordnet sind, wobei die
einzelnen Sensorelemente wie oben beschrieben hergestellt und aufgebaut
sind. In einer solchen 3D-Anordnung, bei der die drei Sensorelemente
insbesondere mit ihren magnetisch harten Achsen senkrecht aufeinander
angeordnet sind, ist jeweils einer der Sensoren für eine der
drei Raumrichtungen sensitiv. Somit lassen sich unabhängig alle
drei Feldrichtungen gleichzeitig bestimmen. In dieser Anordnung
entsteht ein richtungssensitiver Sensor (Vektorsensor), mit dem
sich neben der Stärke
auch die Richtung, also der Vektor, eines Magnetfeldes messen lässt. Mit
einer Vielzahl derartiger Sensoren respektive Sensorelementen lässt sich auch
ein Sensorarray herstellen, das eine örtlich aufgelöste Messung
des Magnetfeldes ermöglicht.
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Die
Vektormessung von Magnetfeldern ist in vielen Anwendungen insbesondere
wegen der möglichen
Ortung von Objekten oder Ereignissen interessant. Mit einem solchen
Sensor oder Sensorarray ist es möglich,
Gehirnströmen
zu bestimmen und zu lokalisieren. Ein solcher Sensor ist nicht nur
in der Medizin, sondern auch in der Sicherheitstechnik interessant,
wo die Messung von Magnetfeldern zu Ortungen von Ereignissen verwendet
wird. Zudem sind Messungen von Magnetfeldern in vielen anderen Bereichen
von großer
Bedeutung. Insbesondere seien an dieser Stelle die Datenspeicherung,
die KFZ-Sensorik
und die Biotechnologie in Zusammenhang mit magnetischen Beads genannt.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Sensoren
liegen darin, dass sie im Vergleich zu SQUID-Sensoren nicht gekühlt werden
müssen
und wesentlich weniger Leistung verbrauchen. Die Sensoren lassen
sich im Vergleich zu bekannten Sensoren kleiner, leichter und kostengünstiger
bauen. Zudem sind sie einfacher zu handhaben. Im Verhältnis zu
anderen richtungssensitiven Sensoren sind sie wesentlich empfindlicher.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Figuren näher erklärt. Es zeigen:
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1 das
Schema eines Sensorelementes,
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2 die
Charakteristik der Magnetostriktion eines Sensorelementes,
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3 eine
3D-Konfiguration dreier Sensorelemente,
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4 das
Verhalten des magnetoelektrischen Koeffizienten und
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5 das
Sensorsignal als Funktion der Magnetfeldstärke.
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1 zeigt
ein Sensorelement als Verbund aus einer magnetostriktiven Schicht 1,
einem piezoelektrischen Einkristall 2 und noch einer magnetostriktiven
Schicht 3. Dieser Schichtverbund ist auf ein stabiles Substrat 4 aufgebracht.
Durch die Sandwichanordnung der die piezoelektrische Schicht 2 beidseitig bedeckenden
magnetostriktiven Schichten 1 und 3 wird das Verbiegungen
des Verbundes beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes vermieden.
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In
diesem Fall sind die magnetostriktive Schichten 1 und 3 etwa
4 μm stark
und werden von TbFe/FeCo-Viellagenschichten mit individuellen Lagendicken
von 7 und 10 nm gebildet. Die einzelnen Lagen sind durch die Linien
angedeutet. Als piezoelektrisches Material dient ein PMN-PT-Einkristall
mit den Abmessungen 5 × 5 × 0,1 mm3. Der Schichtverbund ist auf das Substrat
aufgesputtert. Während
des Sputterns wurden die magnetostriktiven Schichten 1 und 3 einem
Magnetfeld von etwa 10 mT ausgesetzt, unter dem sich eine magnetisch
harte Achse (Pfeil A) und eine magnetisch leichte Achse ausbildet,
wobei sich die leichte Achse in die Bildebene hinein erstreckt.
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Beim
Anlegen eines magnetischen Feldes mit einer Komponente in Richtung
der harten Achse, dehnen sich die magnetostriktiven Schichten 1 und 3 entlang
der Pfeile A aus und dehnen den piezoelektrischen Einkristall 2 entsprechend.
Dieser wird gestaucht, wobei sich eine Spannung Vout in
Richtung des Pfeils B einstellt, die an den Elektroden bildenden
magnetostriktiven Schichten 1 und 3 abgegriffen wird.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die piezoelektrische Schicht auch ein insbesondere strukturiertes
Substrat bilden, auf das die Viellagenschichten 1 und 3 in
Dünnschichttechnik
aufgebracht sind. Dieses Substrat ist meist nicht in Dünnschichttechnik
hergestellt.
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In
dem Diagramm nach 2 ist die relative Ausdehnung λ eines solchen
Sensorelementes bei Anlegen eines magnetischen Feldes H dargestellt. Im
oberen Teil des Diagramms wird die Magnetostriktion parallel und
im unteren Teil des Diagramms senkrecht zur harten Achse gemessen.
Dabei zeigen die offenen Symbole die Magnetostriktion bei ungetemperten
magnetostriktiven Schichten, während
die geschlossenen Symbole die Magnetostriktion nach dem Anlassen
und Abkühlen
in einem Magnetfeld, das senkrecht zur harten Achse orientiert war, darstellt.
Zu erkennen ist, dass die Magnetostriktion eine starke Vorzugsrichtung
parallel zu harten Achse aufweist.
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In 3 ist
ein Sensor schematisch dargestellt, der drei einzelne und in einer
3D-Konfiguration angeordnete Sensorelemente nach 1 aufweist. Mit
einem solchen Sensor läßt sich
der Vektor eines Magnetfeldes exakt ausmessen. Die magnetisch harten
Achsen sind durch Pfeile angedeutet.
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4 zeigt
eine Messung an einem Sensorelement, bei dem zwei etwa vier Mikrometer
dicke Schichtstapel von TbFe/FeCo-ML eine piezoelektrische Schicht
bedecken. Der magnetoelektrische Koeffizienten in drei Sensororientierungen
als Funktion eines magnetischen Biasfeldes aufgetragen. Dabei ist
ein Wechselfeld der Stärke
1 Oe angelegt, das mit einer Frequenz von 1 kHz variiert. Das magnetische Biasfeld
wird zwischen-0,2 T bis 0,2 T variiert. Zu erkennen ist eine starke
Anisotropie, wobei im Falle des vorliegenden Prototypen die Sensitivität der harten
Achse etwa dreifach so hoch ist wie die der leichten Achse. Zudem
ist eine Hysterese zu erkennen. Die Sensitivität in der Normalen (z-Achse)
ist wegen der Entmagnetisierung bis auf ein Rauschen gleich Null.
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5 zeigt
das Sensorsignal als Funktion der Feldstärke des magnetischen Wechselfeldes, das
mit einer Frequenz von 1 kHz anliegt. Mit dem Biasfeld ist der das
Sensorelement in seinen Arbeitspunkt gebracht, der an einer Flanke
der Kurven aus 4 liegt. Die Messung erfolgte
in der sensitiven Richtung des Sensorelementes. Deutlich zu erkennen
ist der lineare Anstieg über
vier Zehnerpotenzen des äußeren Magnetfeldes.