Resonante Magnetfeldsensorik

Am DISS werden neuartige Mikromagnetometer zur Erfassung von statischen und magnetischen Wechselfeldern erforscht. Diese Sensoren bestehen aus Silizium- Auslegern oder Brücken, die die gleichzeitige hochauflösende Messung mehrerer Komponenten von Magnetfeldern im Bereich von nT bis hin zu mehreren T ermöglicht.

Die Sensoren tragen auf den Siliziumauslegern einen dünnen elektrischen Leiter, der einen Wechselstrom führt. Aufgrund der Lorentzkraft werden die Siliziumstrukturen in einem äußeren Magnetfeld zur Vibration gebracht, deren Amplitude ein Maß der jeweiligen Magnetfeldkomponente darstellt. Dadurch können gleichzeitig mehrere Komponenten des Magnetfeld gemessen werden. Die Bewegungen des Auslegers können durch elektronische Schaltungen oder optisch ausgelesen werden.

Funktionsprinzip

Wenn der Sensor, und damit der leitende Ausleger, in ein (statisches) Magnetfeld eingebracht wird, führt der Wechselstrom im Leiter aufgrund der Lorentzkraft zu einer mechanischen Anregung bzw. Auslenkung des Auslegers. Diese Kraft ist senkrecht zu der Ebene orientiert, die von den Feldstärkevektoren und der Stromrichtung aufgespannt wird. Durch Kenntnis des Stroms und der Auslenkungen des Auslegers kann auf die Komponente der magnetischen Flussdichte, die senkrecht zum Strom zeigt, zurück geschlossen werden. Durch Änderung des Antriebsstroms kann der Betriebsbereich des Magnetometers über mehr als sechs Größenordnungen abgedeckt werden.

Modellierung

Begleitet wird die Entwicklungstätigkeit von umfangreicher analytischer und numerischer Modellierung, mikro- und nanotechnologischer Sensorfertigung, problemangepasster Signalkonditionierung und optimierter Messdatenauswertung, sowie messtechnischer Verifikation und Charakterisierung der finalen Sensorsysteme.

Technologie

Die Herstellung der Lorentz-Kraft MEMS Magnetfeldsensoren am ZISS basiert auf einer neuartigen hybriden Technologie auf Wafer-Level. Die resonierende Struktur wird dabei aus der Bauteilschicht eines Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafers aus monokristallinem Silizium hergestellt. Im Falle einer kapazitiven Auswertung werden zwischen der Siliziumstruktur und einer Metallfläche auf einem Glaswafer eine Plattenkondensatorkonfiguration gebildet. Beide Wafer sind miteinander durch eine Schicht eines photosensitiven SU8-Polymers verbunden, wodurch ein hochpräziser Kondensatorspalt gebildet wird. Kleinste Vibrationen der frei schwingenden Struktur können somit elektrisch gemessen werden.

Sensorcharakterisierung

Die mechanische Charakterisierung der MEMS Magnetfeldsensoren erfolgt mit einem am Zentrum verfügbaren digitalen holografischen MEMS-Analysator (Lyncee Tec R-2100). Dieser erlaubt die Vermessung der Vibrationsflächen in Vollbild-Ansicht, ohne x-y-z-Scan, als auch topografische Messungen (Auflösung nm innerhalb der Ebene und pm aus der Ebene heraus, fmax 25 MHz).