Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Experimentelle Untersuchungen am Sensor

1. Experimentelle Voruntersuchungen

   1. Charakterisierung der Nickel-Eisen-Schichten

Bei der Sensorherstellung haben die magnetischen Eigenschaften der NiFe- Schichten einen großen Einfluss auf die Messeigenschaften des gesamten Sensors. Die Verwendung eines magnetischen Kerns ergibt eine höhere magnetische Feldstärke um den Kern. Er hilft auch bei der Fokussierung von Feldern in das Messobjekt und verbessert damit die magnetische Kopplung zwischen Sensor und Objekt.

Relevante Kennwerte für das Kernmaterial sind ein möglichst hoher Permeabilitätswert und Sättigungsmagnetisierung, um den magnetischen Kern bei hoher Durchflutung nicht in den magnetischen Sättigungsbereich zu bringen. Um Hystereseverluste zu vermindern, sollte das Material eine möglichst niedrige Koerzitivfeldstärke zeigen. Zu berücksichtigen ist ein hoher spezifischer Widerstand zur Unterdrückung der Wirbelstromverluste im Kern.

Das ausgewählte NiFe 81/19 zeichnet sich durch seine hohe Permeabilität und ein geringes Koerzitivfeld sowie einen relativ hohen spezifischen Widerstand aus und wird deshalb als Material für den Kern bevorzugt verwendet. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften bei Betrieb mit hohen Frequenzen ist zu berücksichtigen.

Da NiFe-Schichten beim Aufbau des Wirbelstromsensors durch einen galvanischen Prozess entstehen, müssen alle Parameter genau angepasst werden, um die gewünschte stöchiometrische Zusammensetzung von Nickel und Eisen zu erzielen.

Um die Zusammensetzung galvanischer Schichten zu untersuchen, werden Versuchsreihen durchgeführt. Bei diesen wurden unterschiedliche Parameter beim galvanischen Prozess (wie Stromdichte, Vorwärts- und Rückwärtsleistung) variiert, um den Zusammenhang zwischen Prozessparametern und Zusammensetzung des Nickel-Eisens zu ermitteln und die optimalen Parameter festzulegen.

Zuerst wurden drei Varianten bezüglich des Verhältnisses von Vorwärts- zu Rückwärtsleistung untersucht: Bei der ersten wurde die Vorwärtsleistung deutlich höher als die Rückwärtsleistung gewählt. Bei der zweiten Versuchsreihe wurden Differenzen der Vorwärts- und Rückwärtsleistungen von nicht mehr als 20% eingestellt. Bei der dritten Reihe wurde der Wert der Vorwärtsleistung deutlich niedriger als die Rückwärtsleistung gewählt (Tabelle 8.1).

Tabelle 8.1: Variation der galvanischen Abscheideparameter

Vorwärtsstrom [mA]	Rückwärtsstrom [mA]	Mittlerer Strom [mA]	NiFe Zusammensetzung [%]
100	20	92	83 / 17
100	80	83	87 / 13
100	132	69	81 / 19
150	238	130	71 / 39
200	100	176	74 / 26
200	262	135	80 / 20
300	100	270	69 / 31
300	400	286	70 / 30
400	510	380	78 / 22
400	100	390	77 / 23

Aus dieser Tabelle kann man sehen, wie sich die NiFe-Zusammensetzung in Abhängigkeit von Vor- und Rückwärtsstrom und den daraus resultierenden mittleren Stromwerten ändert. Dabei wurde ermittelt, dass bei den ersten zwei Versuchsreihen die Oberflächenqualität der hergestellten Schichten schlechter war als bei der dritten Versuchsreihe. Das Schichtwachstum schwankt zwischen dem Rand und der Mitte der Wafer. Zudem entstanden innere Spannungen in den Schichten, was zum Abplatzen einzelner Strukturen führte. Die dritte Versuchsreihe lieferte Schichten höherer Qualität, weshalb genauere Untersuchungen der Nickel-Eisen- Zusammensetzungen und ihrer magnetischen Eigenschaften bei der Abscheidung mit etwas höherer Rückwärtsleistung durchgeführt wurden. Das optimale Verhältnis zwischen Vorwärts- und Rückwärtsleistung liegt bei etwa 7/10.

Nach Bestimmung der optimalen Nickel-Eisen-Zusammensetzung wurden die magnetischen Eigenschaften der hergestellten Schichten bestimmt. Von besonderer Bedeutung waren dabei Sättigungsflussdichte und Permeabilität.

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