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Alternative Sensoren, um die Messung schwächster Magnetfelder ohne Kühlung zu erreichen

Das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH forscht mit an MEMS-Sensoren, die künftig schwächste Magnetfelder detektieren sollen.

Projekt MagSens: ANSYS-Simulation des Übertragungsverhaltens einer magnetostriktiv-piezoelektrischen MEMS-Balkenstruktur im IMMS in Ilmenau. Foto: IMMS

In der Medizin müssen extrem geringe Magnetfelder im menschlichen Körper sehr präzise, berührungs- und zerstörungsfrei gemessen werden, wie zum Beispiel bei der Untersuchung von Hirnströmen. Hier, wie auch in der Geologie, Archäologie oder Materialwissenschaft, werden dazu bislang Sensoren verwendet, die auf supraleitenden Induktionsspulen (Superconductive Quantum Interference devices, SQUIDs) basieren. Nachteil der SQUIDs ist, dass sie mit sehr hohem kryotechnischen Aufwand auf mindestens -196 °C gekühlt werden müssen, um überhaupt betrieben werden zu können.

IMMS an der Modellierung des Sensorprinzips beteiligt

Die an der TU Ilmenau angesiedelte und von Prof. Hannes Töpfer geleitete Forschergruppe MagSens untersucht daher magnetoelektrische MEMS als alternative Sensoren, um die Messung schwächster Magnetfelder ohne Kühlung zu erreichen. Das erforschte Sensorprinzip basiert auf magnetostriktiv-piezoelektrischen Mehrschichtsystemen. Das Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme ist an den theoretischen Berechnung und der Simulation der Wandlungseffizienz beteiligt und übernimmt unter anderem die Modellierung des Sensorprinzips. Auf dieser Grundlage leitet das IMMS Designregeln und Richtlinien zur Entwicklung variabler magnetoelektrischer Sensorsysteme ab und erarbeitet eine Bibliothek mit Charakteristika, Fitfunktionen und geometrischen Grundformen. Darüber hinaus bringt sich das IMMS in die Systemintegration und Validierung mit ein. Dort wird die Wandlungseffizienz der im Projekt entwickelten und gefertigten magnetoelektrischen MEMS messtechnisch bestimmt und ihre Eignung als Sensor geprüft.

Insgesamt umfasst das Forschungsvorhaben die Ziele die theoretische Berechnung und Simulation der Wandlungseffizienz in Abhängigkeit von der gewählten Sensorgeometrie und den Schichtmaterialien voranzutreiben und die Herstellung und Analyse der magnetoelektrischen Mehrschichtsysteme zu ermöglichen. Außerdem geht es darum, die technologische Realisierung von Teststrukturen und magnetoelektrischen MEMS basierend auf den Mehrschichtsystemen zu ermöglichen sowie die messtechnische Bestimmung der Wandlungseffizienz der magnetoelektrischen MEMS vorzunehmen mittels eines geeignet entworfenen Messaufbaus.