Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

10 Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, einen Wirbelstromsensor zur Wegmessung in Dünnfilmtechnik zu entwickeln und zu erproben. Die Aufgabenstellung umfasst nicht nur die Auslegung des Sensors und Zusammenstellung der mikrotechnolo- gischen Schritte und Prozessfolge, sondern auch experimentelle Untersuchungen mit dem gefertigten Sensor.

Um für den Herstellungsprozess notwendige Werkstoff- und Prozessdaten zu erhalten, werden Voruntersuchungen zu den Abscheidungs- und Strukturierungs- parametern von magnetischen, leitenden und isolierenden Schichten durchgeführt. Im Rahmen des Gesamtprozesses sollen die Einzelprozesse optimiert werden. Bei der Auswahl geeigneter Sensorwerkstoffe werden neben Simulationsergebnissen die Erfahrungen, die bei der Herstellung anderer Dünnfilmelemente gewonnen worden, hinzugezogen.

Beim Aufbau des Wirbelstromsensors spielt die Auswahl des magnetischen Materials eine große Rolle. Die Wahl von Nickel-Eisen erfolgt aufgrund seiner guten magnetischen Eigenschaften, die durch Einstellung der Abscheidungsparameter angepasst werden. Diese Nickel-Eisen Schichten zeichnen sich durch einen großen Permeabilitätswert, einen hohen Sättigungwert, ein geringes Koerzitivfeld und einen relativ hohen spezifischen Widerstand aus.

Ein weiterer wichtiger Aspekt neben der Auswahl des magnetischen Materials ist beim Entwurf des Kerns die Festlegung der Kerngeometrie. Dabei müssen die durch die Dünnfilmtechnik auferlegten Einschränkungen bezüglich der Abmessungen mit einbezogen werden, wie z.B. die maximale Strukturhöhe und das Aspektverhältnis.

Beim Wirbelstromsensor ist ein geringer Spulenwiderstand wünschenswert. Deswegen wird Kupfer als Leiterwerkstoff ausgewählt. Es zeichnet sich durch eine hohe Leitfähigkeit sowie eine geringe Elektromigration und hohe Strombelastbarkeit aus. Bei kleineren Widerständen vermindern sich die Energieverluste, die zur Erwärmung des Sensors und einer Erhöhung der maximalen Strombelastbarkeit führen. Durch die Materialauswahl und eine geeignete Auslegung der Spulengeometrie kann der ohmsche Widerstand der Spulenstruktur minimiert werden.

Daneben kommt auch der Auswahl der Isolationsmaterialien bei der Herstellung des Wirbelstromsensors eine große Bedeutung zu. Neben anorganischem Aluminiumoxid zur Oberflächenisolierung kommen auch organische Werkstoffe zum Einsatz. Da bei der Herstellung des Wirbelstromsensors alle Strukturen in eine Photoresistschicht eingebettet sein sollen, ist die Planarisierbarkeit ein wichtiges Kriterium bei der Charakterisierung und Beurteilung von Isolierschichten.

Der Sensorentwurf basiert auf technologischen Voruntersuchungen. Die endgültige Festlegung der Sensorgeometrie erfolgt durch Hinzunahme von
Simulationsergebnissen und unter Berücksichtigung des Fertigungsaufwands. Parallel dazu wird die Prozessfolge zur Fertigung des Wirbelstromsensors entwickelt.

Der Wirbelstromsensor ensteht in vier unterschiedlichen Varianten. Die Varianten ohne und mit magnetischem Kern werden anschließend miteinander verglichen. Aus den Versuchen kann man entnehmen, dass der Aufbau des Wirbelstromsensors mit magnetischem Kern viel bessere Ergebnisse liefert. Das Vorhandensein des magnetischen Kerns hilft bei der Fokussierung des magnetischen Felds im Messobjekt. Dabei können höhere induzierte Spannungen gemessen werden als mit dem kernlosen Aufbau.

In der vorliegenden Arbeit werden Messungen mit den gefertigten Wirbelstromsensoren bei unterschiedlichen Frequenzen im Bereich von 100 kHz und

1 MHz durchgeführt. Diese Messungen zeigen, dass die Systeme bei höheren Frequenzen eine höhere Empfindlichkeit besitzen.

Die Messungen an den gefertigten Wirbelstromsensoren zeigen, dass die Prototypen für die Wegmessung gut geeignet sind. Bei den Untersuchungen kann man feststellen, dass diese Wirbelstromsensoren nicht nur bei der Abstandsmessung an leitenden Materialien, sondern auch bei magnetischen, schlecht leitenden Materialien wie Ferrit eingesetzt werden können. Bei den Abstandsuntersuchungen zwischen dem Wirbelstromsensor und einem Messobjekt sind kleinere Abstände vorteilhaft für die Materialerfassung und die Fehlermessung, da sie genauere Messergebnisse ermöglichen.