ANSYS simulation of the transmission behavior of a magnetostrictive piezoelectric MEMS beam structure. Photograph: IMMS.
ANSYS simulation of the transmission behavior of a magnetostrictive piezoelectric MEMS beam structure. Photograph: IMMS.

MagSens

Ultrasensitive Magnetfeldsensorik mit resonanten magneto-elektrischen MEMS

Das IMMS forscht mit an MEMS-Sensoren, die künftig schwächste Magnetfelder detektieren sollen, wie z.B. in der Medizintechnik.

In der Medizin müssen extrem geringe Magnetfelder im menschlichen Körper sehr präzise, berührungs- und zerstörungsfrei gemessen werden, wie z.B. 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.

Die von der TU Ilmenau 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 Forschungsvorhaben umfasst folgende Ziele:
  1. (1) Theoretische Berechnung und Simulation der Wandlungseffizienz in Abhängigkeit von der gewählten Sensorgeometrie und den Schichtmaterialien
  2. (2) Herstellung und Analyse der magnetoelektrischen Mehrschichtsysteme
  3. (3) Technologische Realisierung von Teststrukturen und magnetoelektrischen MEMS basierend auf den Mehrschichtsystemen aus (2)
  4. (4) Messtechnische Bestimmung der Wandlungseffizienz der magnetoelektrischen MEMS aus (3) mittels eines geeignet entworfenen Messaufbaus.

Das IMMS ist an Punkt 1 beteiligt und übernimmt u.a. die Modellierung des Sensorprinzips in der FEM-Software ANSYS. 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 (Punkt 4) mit ein. Dort wird die Wandlungseffizienz der im Projekt entwickelten und gefertigten magnetoelektrischen MEMS messtechnisch bestimmt und ihre Eignung als Sensor geprüft.

Projektseite MagSens

  • Funding

    Supported by the Free State of Thuringia and the European Social Fund.

Duration

2018–2020

Reference

2017 FGR 0060