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Dokumentenidentifikation DE102004062698A1 06.07.2006
Titel Magnetischer Vektorsensor
Anmelder "Stiftung CAESAR" (Center of Advanced European Studies and Research), 53175 Bonn, DE
Erfinder Quandt, Eckhard, Dr., 53177 Bonn, DE;
Stein, Simon, 50931 Köln, DE
Vertreter Braun-Dullaeus Pannen Schrooten Haber, 40470 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 21.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004062698
Offenlegungstag 06.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.07.2006
IPC-Hauptklasse H01L 41/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 33/09(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Sensorelement, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorelement zur Messung von sich insbesondere zeitlich verändernden Magnetfeldern vorgesehen ist, wobei das Sensorelement einen Schichtverbund aufweist, wobei der Schichtverbund eine Schicht 2 mit piezoelektrischen und eine Schicht 3 mit magnetostriktiven Eigenschaften aufweist, wobei die magnetostriktive Schicht 3 in einer Dünnschichttechnik aufgebracht ist, wobei die magnetostriktive Schicht 3 in der Ebene eine permanente uniaxiale Anisotropie hat, wobei die Anisotropie aufgeprägt ist und über das Maß der Anisotropie hinausgeht, die einer in Dünnschichttechnik hergestellten magnetostriktiven Schicht eigen sein kann, wobei die Anisotropie eine magnetisch harte und eine magnetisch leichte Achse in der Schichtebene definiert und wobei das Sensorelement entlang der leichten Achse für ein magnetisches Feld desensibilisiert ist.

Beschreibung[de]

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.

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.

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 &mgr;H = 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erklärt. Es zeigen:

1 das Schema eines Sensorelementes,

2 die Charakteristik der Magnetostriktion eines Sensorelementes,

3 eine 3D-Konfiguration dreier Sensorelemente,

4 das Verhalten des magnetoelektrischen Koeffizienten und

5 das Sensorsignal als Funktion der Magnetfeldstärke.

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.

In diesem Fall sind die magnetostriktive Schichten 1 und 3 etwa 4 &mgr;m 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.

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.

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.

In dem Diagramm nach 2 ist die relative Ausdehnung &lgr; 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.

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.

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.

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.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelementes zur Messung von Magnetfeldern, wobei das Sensorelement einen Schichtverbund aufweist, wobei eine Schicht piezoelektrische und eine Schicht magnetostriktive Eigenschaften hat, und wobei die magnetostriktive Schicht in einer Dünnschichttechnik aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetostriktiven Schicht eine permanente uniaxiale Anisotropie in der Ebene aufgeprägt wird, die über die natürliche Anisotropie einer solchen magnetostriktiven Schicht hinausgeht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anisotropie eine Sensitivität entlang der magnetisch harten Achse erzeugt wird, die um mehr als einen 3, vorteilhafterweise um mehr als einen Faktor 20, insbesondere um mehr als einen Faktor 100, größer ist, als die Sensitivität entlang der magnetisch weichen Achse.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anisotropie durch Abscheidung der magnetostriktiven Schicht in einem äußeren Magnetfeld eingestellt wird, das insbesondere eine Stärke von mehr als 1 mT, vorteilhafterweise von mehr als 5 mT, hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anisotropie durch Glühen der abgeschiedenen magnetostriktiven Schicht eingestellt wird, wobei das Glühen in einem äußeren Magnetfeld durchgeführt wird.
  5. Sensorelement, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorelement zur Messung von sich insbesondere zeitlich verändernden Magnetfeldern vorgesehen ist, wobei das Sensorelement einen Schichtverbund aufweist, wobei der Schichtverbund eine Schicht (2) mit piezoelektrischen und eine Schicht (1, 3) mit magnetostriktiven Eigenschaften aufweist, und wobei die magnetostriktive Schicht (1, 3) in einer Dünnschichttechnik aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Schicht (1, 3) in der Ebene eine permanente uniaxiale Anisotropie hat, wobei die Anisotropie aufgeprägt ist und über das Maß der Anisotropie hinausgeht, die einer in Dünnschichttechnik hergestellten magnetostriktive Schicht eigen sein kann, wobei die Anisotropie eine magnetisch harte und eine magnetisch leichte Achse in der Schichtebene definiert, und wobei das Sensorelement entlang der leichten Achse für ein magnetisches Feld desensibilisiert ist.
  6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Desensibilisierung entlang der magnetisch leichten Achse nahezu vollständig ist und insbesondere um mehr als einen Faktor 20 kleiner als entlang der magnetisch harten Achse ist.
  7. Sensorelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Schicht eine Viellagenschicht ist, wobei ein erster Schichttyp amorphe Seltenen Erden/(Fe,Co)-Legierungen aufweist und wobei ein zweiter Schichttyp ferromagnetische Legierungen enthaltendend kristallines Fe und/oder Co aufweist.
  8. Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetostriktive Schicht eine Viellagenschicht ist, wobei ein erster Schichttyp amorphe Seltenen Erden/(Fe,Co)-Legierungen aufweist und wobei ein zweiter Schichttyp amorphe ferromagnetische Legierungen enthaltendend Fe und/oder Co aufweist.
  9. Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtstapel aufweisend eine erste magnetostriktive Schicht (3), eine piezoelektrische Schicht (2) und eine zweite magnetostriktive Schicht (1) in Dünnschichttechnik auf ein Substrat (4) aufgebracht ist.
  10. Vektorsensor aufweisend drei der Sensorelemente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Sensorelemente mit ihren magnetisch harten Achsen senkrecht aufeinander angeordnet sind, wobei jeweils einer der Sensoren für eine der drei Raumrichtungen sensitiv ist.
  11. Sensorarray aufweisend eine Vielzahl von Sensorelementen nach Anspruch 5 oder mehrere Vektorsensoren nach Anspruch 10, wobei das Sensorarray eine örtlich aufgelöste Messung des Magnetfeldes oder des Magnetfeldvektors ermöglicht.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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