Entwicklung eines ferromagnetischen Schichtsystems auf Hartmetallsubstraten für die Anwendung als Temperatur- und Kraftsensor
Creators: name: Beirle, Stefan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Temperatursensor
Kraftsensor
ferromagnetisches Schichtsystem
ferromagnetische Resonanz

description: Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung und Charakterisierung der Sensoreigenschaften von weichmagnetischen Fe32Co45Hf11N12-Dünnschichten auf Hartmetall- und Siliziumsubstraten. Der Fokus liegt auf der Entwicklung und Realisierung der Sensorfunktionalität der ferromagnetischen Schicht auf dem Hartmetallsubstrat. Die Idee ist mit diesem Schicht-Substratverbund nachzuweisen, dass man weichmagnetische Dünnschichten zur kontaktlosen Temperatur- und / oder Kraftbestimmung auf thermomechanisch belasteten Werkzeugen für die spanende Bearbeitung (spanabhebende Fertigung) oder mechanisch belasteten Wellen einsetzen kann. Die Schicht-Substratsysteme werden bezüglich der Sensoranwendung materialwissenschaftlich charakterisiert. An ausgewählten, optimierten Schicht-Substratverbunden wird die Anwendung als Temperatur- und / oder Kraftsensor demonstriert. Die Schichtherstellung erfolgte mit der Magnetron-Hochleistungskathodenzerstäubung. Zur Einprägung einer uniaxialen Anisotropie in die ferromagnetische Schicht wurden die Proben in einem statischen Magnetfeld im Hochvakuum wärmebehandelt. Nach der Präparation wurden die statischen und dynamischen magnetischen Eigenschaften der Proben charakterisiert. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die dünne ferromagnetische Fe32Co45Hf11N12-Schicht mit dem magnetisch härteren Substrat wechselwirkt, was zu einem Verlust der Sensorfunktionalität führt. Anhand von verschiedenen nicht-magnetischen Schichten zwischen Substrat und Film wurde experimentell gezeigt dass die Fe32Co45Hf11N12-Schicht vom Substrat magnetisch entkoppelt werden kann. Als Zwischenschichtmaterial wurden die beiden Hartstoffmaterialien TiN und (Ti1-xAlx)Ny hinsichtlich der potentiellen Anwendung als Temperatursensor auf zerspanenden Werkzeugen ausgewählt und eine amorphe Zwischenschicht aus dem binären System Si-O wurde benutzt, um eine grundlegende Untersuchung des Entkopplungsmechanismus durchzuführen. Durch die Entkopplung ist es gelungen, eine uniaxiale Anisotropie in die ferromagnetische Schicht einzuprägen, so dass diese Schicht bei der Anregung mit einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld eine ausgeprägte Signalantwort im Hochfrequenzbereich zeigt. Die Grenzfrequenz liegt bei über 2 GHz und die ferromagnetische Schicht weist eine hohe Anfangspermeabilität von mehr als 300 auf, was mit vergleichbaren Schichten auf dem nicht-magnetischen Siliziumsubstrat übereinstimmt. Anhand der verschiedenen Zwischenschichtmaterialien konnte eindrucksvoll nachgewiesen werden, dass sowohl die elektrische Leitfähigkeit des Materials für die Zwischenschicht, das Hartmetallsubstrat wie auch Poren beziehungsweise nicht-magnetische Einschlüsse und die Oberflächenrauheit einen bedeuteten Einfluss auf die Signalgüte und magnetischen Schichteigenschaften haben. Die Anwendung der ferromagnetischen Schicht auf dem Hartmetallsubstrat als Temperatursensor konnte im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich und reproduzierbar gezeigt werden. Die Grenzfrequenz verschiebt sich bei einer Temperaturerhöhung zu niedrigeren Frequenzen und die Halbwertsbreite des Sensorsignals erhöht sich mit zunehmender Temperatur. Das Schicht-Substratsystem ist für die Temperaturbestimmung geeignet. Auf einer Drehbank konnte erfolgreich die Anwendung der ferromagnetischen Schicht als kontaktloser Temperatursensor während der spanenden Materialbearbeitung demonstriert werden. Die durchgeführten Zerspanexperimente heben hervor, dass die Schicht als Sensorschicht zur in-situ Temperaturüberwachung bei spanenden Fertigungsverfahren genutzt werden kann. Die Änderung der Grenzfrequenz der ferromagnetischen Schicht in Abhängigkeit einer mechanischen Kraft wurde eindrucksvoll an einer mechanisch belasteten Welle demonstriert. Anhand dieses Experiments wurde nachgewiesen, dass das Messsignal berührungslos mit einer speziellen kurzgeschlossenen Streifenleitung detektiert werden kann.