ISBN 978-3-8439-4601-8

978-3-8439-4601-8, Reihe Ingenieurwissenschaften

Michael Roas-Löffler
Untersuchung magnetomechanischer Kopplungseffekte hinsichtlich der Anwendung in Drucksensoren

176 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2020), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Drucksensoren auf Basis magnetomechanischer Kopplungseffekte vereinen mehrere Vorteile: Neben der verhältnismäßig starken Kopplung zwischen mechanischen und magnetischen bzw. nachfolgenden elektrischen Feldgrößen können sie einfach sowie robust aufgebaut und ohne größeren technischen Aufwand kontaktlos abgefragt werden.

In dieser Arbeit wird die Charakterisierung geeigneter Materialien sowie die Modellierung des Sensorverhaltens behandelt. Die Arbeit setzt sich hierbei mit dem invers-magnetostriktiven Kopplungs- und dem DeltaE-Effekt auseinander.

Es wird ein Vibrating Sample Magnetometer entwickelt, mit welchem es möglich ist, das invers-magnetostriktive Verhalten von ferromagnetischen Schichten mit Dicken im Mikrometer-Bereich zuverlässig zu charakterisieren. Mit einem konzipierten, aus einem Helmholtzspulenpaar bestehenden Aufbau ist es möglich, die aus dem DeltaE-Effekt resultierende Veränderung der mechanischen Resonanzfrequenz ferromagnetischer Balkenstrukturen zu ermitteln. Zur Ausnutzung des invers-magnetostriktiven Effekts wird ein Sensor in Mikrotechnologiebauweise vorgestellt und ein entsprechender Herstellungsprozess entwickelt. In die erarbeitete elektrische Modellierung des Sensors fließen die mit dem Vibrating Sample Magnetometer ermittelten Ergebnisse ein. Dazu wird unter anderem ein auf der Methode der Finiten Elemente basierendes, iterativ gekoppeltes Verfahren vorgestellt. Die Ausnutzung des DeltaE-Effekts wird anhand eines weiteren Sensorkonzepts vorgeschlagen. Dazu werden zunächst verschiedene Möglichkeiten zur kontaktlosen Bestimmung der mechanischen Resonanzfrequenz der Wandlerstrukturen vorgestellt. Anschließend werden die Strukturen mithilfe der erstellten Messtechnik charakterisiert. Die Evaluation von gefertigten Prototypen beider Sensorkonzepte rundet die Arbeit ab und zeigt die Anwendbarkeit der magnetomechanischen Kopplungseffekte in der Drucksensorik. Im Zuge der Evaluation werden zudem die Modellierungsansätze validiert.