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Rückgeführte Streufeldmessungen mit einem magnetooptischen Messsystem

27.11.2017

Die PTB entwickelt im Rahmen eines TransMeT-Projekts zusammen mit der Firma Matesy ein Kalibrierverfahren für ein magnetooptisches Visualisierungssystem für magnetische Strukturen. Dabei soll mit einer auf Faraday-Sensoren basierenden Technik eine quantitative Magnetfeldmessung mit einer Ortsauflösung von etwa 10 µm implementiert werden.

 

 

 

Ein auf Faraday-Indikatorfilmen beruhendes Streufeldmessgerät ist bereits kommerziell erhältlich. Auf dem 60 x 45 mm2 großen Sensor, bestehend aus einem Bismut-substituiertem Seltenerd-Eisengranat, wird ein magnetisches Objekt aufgelegt und verändert durch sein Streufeld die Sensor-Magnetisierung. Die Änderung der Magnetisierung wird über den Faradayeffekt ortsaufgelöst in einen Helligkeitskontrast umgewandelt. Dieser Kontrast kann für Millimeter-große Strukturen in senkrechten homogenen Magnetfeldern kalibriert werden, so dass das Streufeld ortsaufgelöst in Tesla angegeben werden kann.


Durch die 5 MegaPixel Auflösung des abbildendenden CMOS-Chips hat das Gerät jedoch im Prinzip auch das Potential, Strukturen mit Größen bis herunter zu einigen Mikrometern zu charakterisieren. Dies wäre z.B. für die Entwicklung magnetischer Maßstäbe interessant. Für kleine Strukturen verliert die Kalibrierung jedoch ihre Gültigkeit, da Streufeldkomponenten in der Sensorebene auftreten. Deshalb wird an der PTB ein erweitertes Kalibrierverfahren für die Charakterisierung von Mikro-strukturen entwickelt.

 

Die Idee ist, die magnetischen Anisotropiekonstanten des Sensor-Materials mit dem Verfahren der ferromagnetischen Resonanz (FMR) zu ermitteln. Kennt man diese Konstanten, kann die Antwort des Sensors auf beliebige vektorielle Magnetfeldkomponenten berechnet werden. Damit soll erreicht werden, dass auch bei der Messung von Mikrostrukturen Streufelder quantitativ mit einer Unsicherheit von weniger als 2% bestimmt werden können. Die Charakterisierung des Sensors erfordert eine gute Stabilität der Temperatur des FMR-Messplatzes und die Möglichkeit, 2D-Vektor-Magnetfelder mit geringer Drift erzeugen zu können. Ein entsprechender Messplatz wird im Rahmen des Projekts aufgebaut.  Erste Ergebnisse zeigen, dass die simulierte Sensorantwort das gemessene Signal gut beschreibt.

 

 

Magnetooptische Abbildung eines magnetischen Maßstabs

Bild 1: Magnetooptische Abbildung eines magnetischen Maßstabs. Die eingefügten Diagramme zeigen einen Schnitt durch die Messdaten sowie dessen Simulation.