Magnetische Sensoren

Magnetfeldsensoren werden in vielfältiger Weise in der Messtechnik eingesetzt. Neben dem Einsatz zur Messung magnetischer Felder, werden sie auch zur berührungslosen Messung von Position und Bewegung verwendet. Die kontaktlose Bestimmung elektrischer Ströme ist ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld. Die Vorteile magnetischer Verfahren liegen unter anderem darin, dass sie verschleißtfrei sind und dass die magnetischen Feldlinien nichtmagnetische Materialien, wie z.B. auch Schmutz, ungehindert durchdringen.

Die Messung des magnetischen Feldes wird im Institut zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von magnetischen Nanopartikeln für den Einsatz in der Biochemie und Medizin verwendet. Mit solchen magnetischen Kontrastmitteln lassen sich funktionelle Abläufe im Körper abbilden und diagnostizieren. Aber auch der Nachweis von Proteinen, Viren und Zellen ist mit magnetischen Nanopartikeln möglich und erlaubt sogar diese mit Magnetfeldern zu drehen und zu bewegen. Auch magnetische Wechselfelder können auf der Mikrometerskala mit magnetischen Nanopartikeln Temperaturen gemessen und Wärme für Hyperthermie-Therapie erzeugt werden.

Die Messung von Position und Bewegung, inklusive Drehbewegungen, ist besonders im Kraftfahrzeug und in der Automatisierungstechnik interessant und wird überall eingesetzt, da die Messung berührungslos und damit verschleißfrei erfolgen kann. Auch Verschmutzung und harsche Umweltbedingungen sind dabei kein Problem. Im Institut untersuchen wir Magnetfeldsensoren für die Positionsbestimmung im 3D-Drucker und in anderen automatisierten Anlagen.

Für spezielle Anwendungen untersuchen wir wir im Entwurf, der Herstellung und der Anwendung extrem empfindliche Magnetfeldsensoren, wie supraleitende Quanteninterferometer und Fluxgate-Sensoren. Darüber hinaus entwickeln wir auch eigene AMR- und GMI-Sensoren. Ein zentrales Thema bei der Sensoroptimierung ist das Verständnis der Rauschmechanismen, die die Auflösung der Sensoren begrenzen.

Magnetische Sensoren

AMR Sensoren

Einer der am weitesten verbreiteten Magnetfeldsensoren ist der AMR-Sensor. AMR steht für anisotroper Magnetowiderstand. Im Gegensatz zu GMR-Sensoren („giant magnetoresistance“), die komplexe Mehrschichtsysteme erfordern, besticht der AMR-Sensor durch seine Einfachheit: Er besteht aus einer dünnen Permalloyschicht und zur Linearisierung der Kennlinie aufgebrachten Metallbahnen (so genannte Barber-Pole). Die spontane Magnetisierung liegt dabei in Richtung der durch die Formanisotropie festgelegten leichten Achse. Ein Magnetfeld in Richtung der senkrecht dazu stehenden schweren Achse führt zu einer Drehung der Magnetisierung des Permalloystreifens und somit zu einer Änderung seines Widerstandes.

AMR-Sensoren sind heutzutage kommerziell von verschiedenen Herstellern verfügbar, entweder als reiner Magnetfeldsensor oder in Verbindung mit einer entsprechenden Ausleseelektronik als Drehzahlsensor o.ä.. In Kooperation mit verschiedenen Herstellern charakterisieren wir AMR-Sensoren insbesondere bezüglich ihres Rauschverhaltens. Desweiteren stellen wir in unserer Arbeitsgruppe eigene AMR-Sensoren her mit der Zielsetzung, maßgeschneiderte Magnetometer für unterschiedlichste Anwendungen zu entwickeln, bei der das extrem niedrige Rauschen von SQUIDs oder Fluxgates nicht gebraucht wird. Desweiteren wollen wir den Einfluss der Herstellungs- und Geometrieparameter auf das Sensorrauschen untersuchen. Die Permalloy-Schichten werden mittels rf-Sputtern hergestellt, die Metallschichten für die Barber-Pole und Kontaktpads können ebenfalls gesputtert oder mit thermischer Verdampfung abgeschieden werden. Die Strukturierung erfolgt mit konventioneller Fotolithografie und nasschemischem oder Ar-Plasma-Ätzen.

Zur Charakterisierung der AMR-Sensoren wurde ein automatisierter Messplatz aufgebaut. Eine typische Kennlinie eines ohne zusätzliche Temperaturbehandlung hergestellten AMR-Sensors ohne Barber-Pole ist im Bild unten rechts zu sehen.

Messkurve — Ideale Kennlinie eines AMR-Sensors mit bzw. ohne Barber-Pole.

AMR — Magnetowiderstandskurve eines eigenen, 50 µm-breiten Permalloy-Streifens.

Fluxgate Sensor — Am emg hergestellter kompletter Fluxgate-Sensor in Racetrack-Geometrie.

Ein sehr wichtiger rauscharmer Sensor für Magnetfelder ist das Fluxgate. Es wird heutzutage in vielen Anwendung benutzt; insbesondere dann, wenn robuste und zuverlässige Sensoren hoher Empfindlichkeit benötigt werden. Fluxgate-Magnetometer werden in Weltraummissionen zum Nachweis und zur Untersuchung magnetischer Felder der Planeten und Monde unseres Sonnensystems eingesetzt.

Ein Fluxgate besteht aus einem weichmagnetischen Kern, der durch einen Wechselstrom der Frequenz f periodisch bis in die magnetische Sättigung getrieben wird.

Eine Detektionsspule um den Kern misst die Induktionsspannung und detektiert das Signal auf der doppelten Frequenz 2f. Durch Demodulation dieses harmonischen Signals kann das den Sensor umgebende externe Magnetfeld als Induktionsspannung gemessen werden.

Mit speziellen rauscharmen Kernmaterialien können sehr empfindliche Fluxgates mit geringem Eigenrauschen hergestellt werden. In Abb. 3 sind typische Rauschspektren unserer Fluxgate-Sensoren zu sehen. Man sieht bei 1 kHz ein magnetisches Flußdichterauschen von 1 pT/Hz^1/2 und bei 1 Hz einen Rauschwert um 10 pT/Hz^1/2. Dies ist sowohl in abgeschirmter als auch in unabgeschirmter Umgebung gemessen. Fluxgates können Magnetfelder in einem sehr großen Dynamikbereich von einigen pT bis hin zu 0.1 mT messen. Im Gegensatz zu SQUID-Magnetometern sind sie unempfindlich gegenüber hochfrequenten Störungen und arbeiten bei Raumtemperatur. Sie sind sehr gut geeignet für Anwendungen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und ermöglichen darüberhinaus sogar einfache biomagnetische Messungen.

Zusätzlich zu den drahtgwickelten Volumen-Fluxgates entwickeln und fabrizieren wir auch Dünnschicht-Fluxgates-Magnetometer. Um die Spulen um den Permalloy-Kern wickeln zu können, ist eine Mehrlagentechnologie mit zwei metallischen Lagen für die Spulen, einer Isolationsschicht sowie einer magnetischen Schicht erforderlich. In unserem Prozess werden Ti-Au-Ti-Mehrlagen für die Fabrikation der Spulen verwendet, SiO₂ wird für die Isolation eingesetzt, und der Kern wird aus Permalloy hergestellt. Abb. 3 zeigt ein Foto einesAusschnitts eines unserer Dünnschicht-Fluxgate-Magnetometer. Die Empfindlichkeit bei einer üblichen Anregungsfrequenz von 15 kHz liegt bei etwa 1 V/T.

Um die Eigenschaften weiter zu verbessern, insbesondere unserer Dünnschicht-Sensoren, beschäftigen wir uns auch mit der Entwicklung einer Ausleseelektronik mit erheblich erhöhter Anregungsfrequenz (typisch 1 MHz). Eine höhere Anregungsfrequenz erlaubt einem, die Messbandbreite, die in konventionellen System im Bereich von einigen kHz liegt, beträchtlich zu erhöhen, und bewirkt eine deutliche Erhöhung der Empfindlichkeit.

Ansprechpartner: apl. Prof. Frank Ludwig

SQUIDS

Supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren (SQUIDs) sind höchstempfindliche Magnetfeldsensoren, die neben einer großen Messbandbreite gute Rauscheigenschaften bieten, sodass sie in einer Vielzahl von Messaufgaben angewendet werden. Die Sensoren basieren auf dem Quanteninterferenz Effekt, der in einem supraleitenden Ring auftritt wenn dieser durch eine oder mehrere geeignete „Schwachstellen“ unterbrochen ist. Mit einer entsprechenden Elektronik lassen sich mit dem SQUID Änderungen des magentischen Flusses direkt in eine Spannungsänderung umsetzen.

Es existieren verschiedenste Arten der Sensoren, die speziell auf die Messaufgabe zugeschnitte Eigenschaften besitzen. Im Institut werden direkt-gekoppelt SQUID Magnetometer basierend auf dem Hochtemperatursupraleiter Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid hergestellt, charakterisiert und für biomagnetische Messungen, z.B. Magnetrelaxometrie (MRX) an magnetischen Nanoteilchen, eingesetzt.

Supraleitende Quanteninterferenz-Detektoren (SQUIDs) sind höchstempfindliche Magnetfeldsensoren, die neben einer großen Messbandbreite gute Rauscheigenschaften bieten, sodass sie in einer Vielzahl von Messaufgaben angewendet werden. Die Sensoren basieren auf dem Quanteninterferenz Effekt, der in einem supraleitenden Ring auftritt wenn dieser durch eine oder mehrere geeignete „Schwachstellen“ unterbrochen ist. Mit einer entsprechenden Elektronik lassen sich mit dem SQUID Änderungen des magentischen Flusses direkt in eine Spannungsänderung umsetzen.

Es existieren verschiedenste Arten der Sensoren, die speziell auf die Messaufgabe zugeschnitte Eigenschaften besitzen. Im Institut werden direkt-gekoppelt SQUID Magnetometer basierend auf dem Hochtemperatursupraleiter Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid hergestellt, charakterisiert und für biomagnetische Messungen, z.B. Magnetrelaxometrie (MRX) an magnetischen Nanoteilchen, eingesetzt.

2015

Magnetic Field Exposure Assessment in Electric Vehicles
Andrea Vassilev, Alain Ferber, Christof Wehrmann, Olivier Pinaud, Meinhard Schilling, and Alastair R. Ruddle
IEEE Trans. Electromag. Comp., 35-43, 2015
DOI: 10.1109/TEMC.2014.2359687

Vector fluxgate magnetometer for high operation temperatures up to 250°C
Dennis Rühmer, Sebastian Bögeholz, Frank Ludwig, Meinhard Schilling
Sensors & Actuators A: Physical, Volume 228, page 118--124 - jun 2015
doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2015.03.004

2014

Design of experiments for highly reproducible pulsed laser deposition
of YBa₂Cu₃O_7−δ
Meinhard Schilling, Alexander Guillaume, Jan M. Scholtyssek, Frank Ludwig
J. Phys. D: Appl. Phys. 47 034008
DOI: 10.1088/0022-3727/47/3/034008

Dipole-Sensitive Homogeneous-Field Compensated High-Tc DC SQUID
Alexander Guillaume, Frank Ludwig, Denis Kajevic, Jan M. Scholtyssek, Meinhard Schilling
IEEE Tran. Appl. Supercond., Volume 25, page 1600405, 2014
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=6907969

2013

Field Stability of a Directly Coupled High-T_c SQUID Design Regarding MRX Measurements
Alexander Guillaume, Frank Ludwig, Jan M. Scholtyssek, Meinhard Schilling
IEEE Tran. Appl. Supercond., Volume 23, Number 3 - jun 2013
doi:10.1109/TASC.2012.2231893

Magnetic Field Exposure Assessment in Electric Vehicles
Andrea Vassilev, Alain Ferber, Christof Wehrmann, Olivier Pinaud, Meinhard Schilling, Alastair Ruddle
Transactions on Electromagnetic Compatibility, acc. - 2013

2012

Single-core fluxgate gradiometer with simultaneous gradient and homogeneous feedback operation
Michal Janosek, Pavel Ripka, Frank Ludwig, Meinhard Schilling
J. Appl. Phys., Volume 111 (7), pp. 07E328 - 07E328-3, 2012
DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.3676238

Spatial and field resolution of wire-wound fluxgates in magnetic dipole fields
Dennis Rühmer, Piraveena Shanmuganathan, Frank Ludwig, Meinhard Schilling
Sensors & Actuators A: Physical, Volume 173, 30–35, 2012
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2011.10.009

Zweidimensionale Scanning-Magnetrelaxometrie mit Fluxgate-Sensoren
Dennis Rühmer
Dissertation TU Braunschweig 2012, ISBN: 978 3 86387 263 2.
http://www.digibib.tu-bs.de/?docid=00049175

2010

Fluxgate magnetometer for temperatures up to 180°C
P. Sebbes, F. Ludwig and M. Schilling
J. of Electrical Engineering 61, 21–23, 2010

2008

Fluxgate magnetorelaxometry for characterization of hydrogel polymerization kinetics and physical entrapment capacity
Erik Heim, Steffen Harling, Frank Ludwig, Henning Menzel, Meinhard Schilling
J. Phys.: Condens. Matter, Volume 20, 2008, 204106-1–5

2004

Superconducting QUantum Interference Devices: State-of-the-Art and Applications
Reinhold Kleiner, Dieter Koelle, Frank Ludwig, John Clarke
Proceedings of the IEEE, Volume 92, 1534–1548, 2004
GKM04

2003

Chapter 3: SQUID Fabrication Technology
Robin Cantor, Frank Ludwig
Wiley-VCH, 93–125, 2003

Hochempfindliche, integrierte Magnetfeldsensoren - Ein Überblick
Meinhard Schilling
XVII. Messtechnisches Symposium des AHMT e.V., 43–52, 2003

Rauscheigenschaften magnetoresistiver Sensoren
Meinhard Schilling
Proceedings des 7. Symposiums "Magnetoresitive Sensoren", 8–15, 2003

2002

DC-SQUID magnetometers from YBa₂Cu₃O₇ in AC fields for application in multichannel systems
H. Barthelmess, B. Schiefenhövel, M. Schilling
Physica C, Volume 368, 37–40, 2002

Dependence of the substrate stucture and the film growth at the junction of YBCO SEJ rf-SQUIDS on the IBE process and effects on the SQUID´s characteristics
M. Fardmanesh, J. Schubert, R. Akram, M. Banzet, W. Zander, Y. Zhang, M. Schilling, H.-J. Krause
Physica C, Volume 372, 240–244, 2002

High-Tc superconductor dc SQUIDs for unshielded operation and their applications
T. Schurig, D. Drung, S. Bechstein, J. Beyer, F. Ludwig
Physica C, Volume 378-381, 1378–1384, 2002

2001

1/f Noise Characteristics of SEJ Y-Ba-Cu-O rf-Squids on LaAlO₃ Substrate and the Step Structure, Film and Temperature Dependence
M. Fardmanesh, J. Schubert, R. Akram, M. Bick, Y. Zhang, M. Banzet, W. Zander, H.-J. Krause, H. Burkhardt, M. Schilling
IEEE Trans. Appl. Supercond., Volume 11, 1363–1366, 2001

Dependence of Sensitivity and Noise of fluxgate sensors on racetrack geometry
C. Hinnrichs, J. Stahl, K. Kuchenbrandt, M. Schilling
IEEE Trans. Magn., Volume 37, 1983–1985, 2001

HTS-Multichannel-System for Magnetocardiography and Magnetoencephalography
H. Barthelmess, M. Halverscheid, B. Schiefenhövel, E. Heim, M. Schilling, R. Zimmerman
BIOMAG 2000 Conference, 927–930, 2001

Höchstempfindliche Magnetfeldsensoren für den Niederfrequenzbereich
M. Schilling
Technisches Messen, Volume 6, 261–268, 2001

Low-noise biomagnetic measurements with a multichannel dc-SQUID system at 77K
H. Barthelmess, M. Halverscheid, B. Schiefenhövel, E. Heim, M. Schilling, R. Zimmerman
IEEE Trans. Appl. Supercond., Volume 11, Number 1, 657–660, 2001

SQUIDs 2000 - HTS dc-Squid Mehrkanalsystem für biomagnetische Messungen
H. Barthelmess, E. Heim, B. Schiefenhövel, M. Halverscheid, M. Schilling
Supraleitung und Tieftemperaturtechnik , herausgeber: VDI-Technologiezentrum Phsikalische Technilogien, VDI-Verlag, Düsseldorf, 207–210, 2001

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