Lehrstuhl für Integrierte Systeme und Photonik

Magnetfeldsensorik

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Materialwissenschaft, dem Physikalischen Institut und der Medizin-Fakultät entwickeln und erforschen wir neuartige, hochempfindliche Magnetfeldsensoren primär für den Einsatz in der nicht-invasiven Diagnostik der Herzfunktion (Magnetokardiogramm, MKG) sowie der Gehirnfunktion (Magnetoenzephalogramm, MEG). Die notwendige Empfindlichkeit im Piko- bis Femtotesla Bereich soll über Sensornetzwerke aus neuartigen Kompositmaterial erreicht werden, die bei Raumtemperatur betrieben werden können. Die heute etablierten SQUID-Sensoren (superconducting quantum interference device) erfordern dagegen eine Kühlung sowie umfangreiche Schirmungsmaßnahmen.

Da die Wandlungseffizienz vom magnetischen Feld zum elektrischen Signal für bekannte einphasige Materialien (z. B. Hall-Effekt, magnetoresistiv) zu gering ist, werden Komposite von magnetostriktiven und piezoelektrischen Materialien erforscht. Das magnetische Feld erzeugt eine Dehnung im magnetostriktiven Material, die auf das piezoelektrische Material übertragen wird und dort messbare Ladungen und elektrische Potenziale bewirkt. Ein Beispiel dieser sogenannten Produkteigenschaft ist in der in Abbildung 1 gezeigten Schichtstruktur aus magnetostriktiven (MS) und piezoelektrischen (PE) Schichten zu sehen. Ein oszillierendes magnetisches Feld erzeugt dabei ein oszillierendes elektrisches Potenzial. Wenn das magnetische Feld eine mechanische Resonanz anregt, werden signifikant verstärkte Signale bewirkt.

Abbildung 1:
Abbildung 1: Magnetfeld-Sensor bestehend aus einer magnetostriktiven (MS) und einer piezoelektrischen (PE) Schicht auf einen Silizium-Biegebalken.
Abbildung 2:
Abbildung 2: Simulation des induzierten elektrischen Potentials für eine isolierende MS Schicht.

Unser Anteil in der gemeinsamen Forschungsaktivität ist die Modellierung der elektrischen, magnetischen und mechanischen Eigenschaften verschiedener Sensortypen. So simulieren wir zurzeit PE-MS-Kompositsensoren und Sensoren basierend auf Oberflächenwellen (surface acoustic waves, SAW). Wir entwickeln analytische Modelle und nutzen die Finite Elemente Methode (z.B. Comsol Multiphysics). Forschungsthemen sind Dehnungs-, elektrische und magnetische Feldverteilungen und Elektrodenplatzierungen auf Sensoren, Resonanzeffekte und der Einfluss der Geometrie und Materialwahl. Es werden miniaturisierte Sensoren und Sensorarrays betrachtet.

The Collaborative Research Center 1261 is funded by the German Research Foundation (DFG).

SFB1261
DFG

Ausgewählte Publikationen

A. Kittmann, P. Durdaut, S. Zabel, J. Reermann, J. Schmalz, B. Spetzler, D. Meyners, N. X. Sun, J. McCord, M. Gerken, G. Schmidt, M. Höft, R. Knöchel, F. Faupel, and E. Quandt, "Wide Band Low Noise Love Wave Magnetic Field Sensor System", Sci. Rep., vol. 8, no. 1, pp. 1–10, (2018). 
Link: »https://doi.org/10.1038/s41598-017-18441-4 

J. L. Gugat; M. C. Krantz; J. Schmalz; M. Gerken, "Signal-to-Noise Ratio in Cantilever Magnetoelectric Sensors", IEEE Transactions on Magnetics, vol. 52, no. 9, pp. 7005005 (2016). 
Link: »https://dx.doi.org/10.1109/TMAG.2016.2557305

M. Gerken, "Resonance line shape, strain and electric potential distributions of composite magnetoelectric sensors", AIP Advances 3, 062115 (2013), Issue 6 (2013)
Link: »https://dx.doi.org/10.1063/1.4811369