Magische Momente beim Visualisieren von Magnetfeldern

Magnetooptische Sensoren

Der zuverlässige Einsatz magnetischer Materialien erfordert sowohl innerhalb der Fertigung, im Rahmen der Qualitätssicherung sowie im Bereich der Forschung und Entwicklung exakte Informationen über die Verteilung ihres Magnetfeldes. Das Prinzip etablierter Magnetfeldmesssysteme basiert auf unterschiedlichen physikalischen Effekten, durch die ein Magnetfeld die elektrischen Parameter Spannung oder Strom im Sensor beeinflusst. Aus den gewonnene Messwerten und den spezifischen Materialkonstanten lassen sich Aussagen zur Flussdichte bzw. zur Feldstärke des Magnetfeldes treffen. So führt bei Hallsensoren der Halleffekt in leitfähigen Werkstoffen (z. B. Halbleitermaterialien) zur Ausprägung einer elektrischen Spannung – der Hallspannung – welche direkt von der magnetischen Flussdichte abhängig ist. Weite Verbreitung finden auch magnetoresistive Magnetfeldsensoren, welche eine vom Magnetfeld abhängige Widerstandsänderung des Sensormaterials nutzen und somit eine Messspannung liefern.

Die Matesy GmbH aus Jena verfolgt mit einem neuen und zugleich vielversprechenden Sensor einen innovativen Weg. Anstelle elektrischer Effekte wird zum Nachweis des Magnetfelds auf die Magnetooptik zurück¬gegriffen. Der magnetooptische Sensor (MO-Sensor) hat den technischen Vorzug, dass das Magnetfeld und dessen Verteilung direkt über der Magnetoberfläche optisch erfasst werden kann. Damit lassen sich in Echtzeit Aussagen über die Magnetfeldverteilung treffen, da ein zeitaufwendiges „Punkt zu Punkt“-Scannen, also ein Rastern der Oberfläche, wie unter Verwendung von Hallsensoren, entfällt.

Der Faraday-Effekt

Das den magnetooptischen Sensoren zugrundeliegende Prinzip basiert auf dem Faraday-Effekt. Er beschreibt die Drehung der Polarisationsebene linear polarisierten Lichts beim Durchgang durch den magnetooptischen Sensor, auf den ein Magnet¬feld parallel zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle wirkt.

Genauer betrachtet, besteht linear polarisiertes Licht aus der Überlagerung einer links- und einer rechtszirkular polarisierten Welle mit gleicher Frequenz und Phase. Passiert Licht ein MO-Medium, an dem ein Magnetfeld in Ausbreitungsrichtung des Lichtes angelegt wird, teilt es sich in zwei entgegengesetzt drehende zirkular polarisierte Wellen mit unterschiedlicher Phasengeschwindigkeit. Für die beiden Teilwellen kommt es somit zur Phasenverschiebung, woraus sich die Drehung der Polarisationsebene ergibt. Durch zudem auftretende Absorption, formiert sich eine elliptisch polarisierte Welle, deren Analyse Aufschluss über die magnetischen Eigenschaften der Probe erlaubt.

Der Sensor-Wafer

Um sowohl exakte Abbildungseigenschaften als auch bestmögliche Auflösung zu erreichen, hat die Forschungseinrichtung INNOVENT e.V. aus Jena auf Basis einer speziellen Bismut-substituierten Seltenerd-Eisengranat-Verbindung eine einkristalline ferrimagnetische Schicht entwickelt, welche sich durch exzellente magnetooptische Abbildungseigenschaften auszeichnet. Der Herstellungsprozess der Sensorschichten wird mit Hilfe des Verfahrens der Flüssigphasenepitaxie umgesetzt, welche sich hervorragend eignet, um Funktionsschichten im ?m-Bereich auf ein einkristallines Granatsubstrat aufzubringen. Diese MO-Sensoren zeichnen sich vor allem durch eine hohe Qualität und ideale magnetooptische Eigenschaften aus. Auf den Rohsensor wird zusätzlich eine Spiegel- und Schutzschicht aufgebracht, die eine langfristige Funktionstüchtigkeit des Sensors sicherstellt. Für die unterschiedlichen Anwendungs¬bereiche lassen sich einzelne Sensorchips kundenspezifischer Geometrien in Größen bis zu drei Zoll im Durchmesser anfertigen.

Visualisierung magnetischer Felder

Zur optischen Visualisierung der Magnetfelder wird der magnetooptische Sensor in Kontakt zu einem magnetischen Material gebracht und mit polarisiertem Licht beleuchtet. Das Licht durchläuft den transparenten Sensor, wird an der Spiegelschicht reflektiert und tritt aus dem Sensor wieder aus. Beim doppelten Durchgang durch das nichtreziproke MO-Medium kommt es zum oben beschriebenen Faradayeffekt proportional zur doppelten Schichtdicke.

Resultierend aus den verschiedenen Drehwinkeln in Abhängigkeit der lokalen magnetischen Feldstärke wird mittels des Analysator-Polarisationsfilters ein Intensitätskontrastverlauf proportional zur Magnetfeldverteilung der Probe erzeugt. Das Ergebnis ist ein optisches Bild, das einen zweidimensionalen Schnitt durch das magnetische Streufeld des Prüflings darstellt. Diese Abbildung der Normalkomponente entlang der X-Y-Ebene des Magnetfelds des magnetischen Prüflings findet in Echtzeit und gleichzeitig über die gesamte Sensorfläche statt, so dass es möglich wird, selbst dynamische Magnetfeldänderungen optisch erfassen und analysieren zu können.

Sensorbereiche und Auflösungen

Da sich die Sensoren – technisch bedingt – je nach Stärke des anliegenden magnetischen Feldes in Sättigung befinden können, werden verschiedene Dynamikbereiche durch unterschiedliche Sensortypen abgedeckt. Um für die jeweiligen Aufgaben perfekt geeignet zu sein, können aktuelle MO Sensoren Magnetfeldstärken von 0,05 bis zu 500 kA/m in unterschiedlichen Dynamikbereichen detektieren. Felder, die sich ausserhalb der jeweiligen Spezifikationen befinden, werden aufgrund des Verlaufs der Hysteresekurve nicht differenziert visualisiert. Magnetooptische Sensorsysteme können laterale Auflösungen bis zu 1 Mikrometer erreichen.

Integration der Sensoren im CMOS-MagView und dessen Anwendungsbereiche

Die Matesy GmbH hat – aufbauend auf der MO-Sensortechnik – ein neues Messsystem für die effiziente Entwicklung und Fertigung von magnetischen Werkstoffen entwickelt. Dieses eignet sich hervorragend zur Untersuchung magnetischer Eigen¬schaften sowie darüber hinaus zur Analyse von Feld¬verteilungen und magnetischen Strukturen.

Der CMOS-MagView wird dabei zur Qualitätskontrolle industriell weit verbreiteter magnetischer Materialien wie z. B. NdFeB, SmCo, AlNiCo und Hartferriten eingesetzt. So können zeitsparend und zuverlässig Magnetfelder von kunststoffgebundenen Permanentmagneten, Encodern, Stahl-legierungen, Magnetstreifenkarten, magnetischen Tinten (z. B. auf Geldscheinen), Dünnschliffen magnetischer Mineralien und Domänenmaterial wie magnetische Formgedächtnis¬legierungen hochauflösend visualisiert und untersucht werden.

Für das jeweilige Anwendungsfeld lassen sich die magneto-optischen Sensoren perfekt konfektionieren, so dass für jedes Material eine optimale Feldvisualisierung erreicht werden kann. Der CMOS-MagView arbeitet mit 12-Bit-CMOS-Kameratechnik, lässt sich leicht über eine USB-Schnittstelle an den PC anschließen und ermöglicht somit eine direkte Darstellung, Auswertung und Archivierung der magnettoptischen Aufnahmen.

Analyse via CMOS-MagView Auswertungssoftware

Die integrierte Auswertungssoftware erlaubt die Darstellung und Vermessung der geometrischen Magnetfeldverteilung. Die magnetooptischen Bilder des zu untersuchenden Magnets können sowohl in Falschfarben als auch in 3-dimensioneller Reliefdarstellung angezeigt werden. Inhomogenitäten in der Feldverteilung, Geometrieeinflüsse und Feldstrukturen werden kontrastreich sichtbar. Aufgrund der detailreichen Bildanalyse lassen sich somit – beispielsweise für den Nachweis von Schweißnähten – verborgene Materialunterschiede aufzeigen.

Magnetoresisitve Sensoren und Hall-Sensoren weisen für diese beiden Anwendungen einen entscheidenden Nachteil auf – sie liefern nur punktuell eine Aussage über die gemittelte Magnetfeldstärke. Zur Bestimmung der Größe und exakten Form des Defektes ist es jedoch notwendig, die genaue Feldverteilung zu ermitteln. Dies ist allerdings nur durch ein sehr zeitaufwendiges Abrastern der Magnetoberfläche möglich, wobei die erreichbaren Auflösungen weit hinter denen des CMOS-MagViews zurückliegen. Mit einem magnetooptischen Sensor können hingegen Flächen von bis zu drei Zoll im Durchmesser simultan visualisiert werden. Durch eine „Vereinigung“ mehrerer Sensorchips kann die Sensorfläche nahezu beliebig vergrößert werden. Speziell im Bereich der forensischen Analyse von gefälschten Dokumenten, Geldscheinen und Stählen ist eine großflächige Untersuchungsmöglichkeit notwendig. Für die industrielle Charakterisierung von Permanentmagneten ist eine zuverlässige Schnellkontrolle des gesamten Streufelds in der Qualitätssicherung sogar unumgänglich, da die Eigenschaftsanforderungen an Dauermagnete in den nächsten Jahren weiter steigen werden.

Magnetische Domänenuntersuchungen

Magnetooptische Sensoren bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten bei Forschungstätigkeiten hinsichtlich magnetischer Domänenstrukturen, deren Verteilung und Ausrichtung sowie deren Verhalten bei äußerer Beeinflussung durch externe Felder. Eine magnetische Domänenstruktur zeichnet sich dabei durch angrenzende Bereiche mit unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung aus (auch als Weiss’sche Bezirke bezeichnet). Innerhalb eines Bezirkes sind dabei die magnetischen Momente parallel zueinander ausgerichtet. Dieser Fall entspricht einer lokal gesättigten Magnetisierung des jeweiligen Bereichs.

Die Untersuchungen der Domänenstruktur ist für eine Vielzahl von Forschungs- und Fertigungsanwendungen – hauptsächlich im Bereich der Sensor-, sowie Magnetspeichertechnik – von essentiellen Interesse, da hier allem voran die Ausrichtung der magnetischen Momente innerhalb eines Weiss‘schen Bezirks und die Verschiebungs¬bewegungen der Domänenwände als funktionsbestimmende Parameter zu nennen sind. Mit Hilfe magnetooptischer Sensoren lassen sich diese Informationen in Echtzeit ermitteln, analysieren und anschaulich darstellen. Aufgrund des kompakten Aufbaus ist eine Anpassung und Integration des CMOS-MagViews in bestehende Prozesse leicht realisierbar.

Für weitere Informationen zu den Sensoren als auch zum CMOS-MagView stehen die Mitarbeiter der Matesy GmbH gern fachkundig unter www.matesy.de oder info@matesy.de zur Verfügung.

Autoren:

Marco Koschny, m.koschny@matesy.de
Bereich Öffentlichkeitsarbeit, Matesy GmbH

Morris Lindner, ml@innovent-jena.de
Dipl. Ing. (FH) für Werkstofftechnik, Innovent e.V.

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