Frequency-modulated hybrid magnetometers combining MEMS and magnetic elements

This thesis work was carried out at PoliFAB and deals with the design and the fabrication of a frequency-modulated magnetometer combining silicon- MEMS and magnetic elements. The sensor constitutes a proof of concept device for the European FET Open project OXiNEMS (OXide NanoElectroMechanical Systems), which aims to realize a new generation of ultra-sensitive magnetometers integrating transition metal oxides M/NEMS and superconductive or ferromagnetic materials. These novel hybrid sensors are expected to overcome the limitations of the magnetometers employed nowadays in magnetoencephalographic (MEG) systems (e.g. SQUIDs), hence paving the way for novel diagnostic methods, such as the combined MEG/ULF-MRI (ultra-low field magnetic resonance imaging) technique. The first part of the thesis deals with a general study of the OXiNEMS sensors; it is proved that this technology is expected to reach the proper resolution to detect MEG signals. In the second part is discussed the proof of concept device; the design choices are presented and the expected performances are studied by means of an analytical model and micromagnetic simulations. Finally, after having described the optimization of the fabrication process, it is presented the realization and the characterization of the device, highlighting the agreement with analytical and numerical models.

Questo lavoro di tesi è stato svolto presso PoliFAB e riguarda la progettazione e la fabbricazione di un magnetometro modulato in frequenza basato su una struttura MEMS in silicio ed elementi magnetici. Il sensore costituisce una proof of concept per il progetto europeo OXiNEMS (OXide NanoElectroMechanical Systems), che mira a realizzare una nuova generazione di magnetometri ad alta risoluzione combinando M/NEMS in ossidi di metalli di transizione e materiali superconduttivi o ferromagnetici. Si prevede che questi innovativi sensori ibridi possano superare i limiti dei magnetometri attualmente impiegati nei sistemi magnetoencefalografici (MEG), aprendo quindi la strada a nuovi metodi diagnostici, come la tecnica combinata MEG/ULF-MRI (ultra-low field magnetic resonance imaging, cioè risonanza magnetica a basso campo). La prima parte della tesi riguarda uno studio generale dei sensori proposti dal progetto OXiNEMS; a tal proposito, viene dimostrato che questa tecnologia ha le potenzialità per raggiungere la risoluzione adatta a rilevare i segnali tipici della MEG. Nella seconda parte è descritto il dispositivo adottato come proof of concept e sono valutate le prestazioni attese tramite un modello analitico e simulazioni micromagnetiche. Infine, dopo aver discusso l’ottimizzazione del processo di fabbricazione, viene presentata la realizzazione e la caratterizzazione del sensore, evidenziando l’accordo con i modelli analitici e numerici.