Hartmagnetische Schichten für die hochpräzise Mikroskopie von Zellstrukturen
Positionen lassen sich bis auf fünf Nanometer genau anfahren.
Spezial-Mikroskope sind ein unverzichtbares Hilfsmittel bei der Darstellung kleinster Zellstrukturen. Sie helfen, die Entwicklung von Impfstoffen und Therapien voranzutreiben. Dabei sind die Anforderungen an die optische Auflösung der Mikroskope und die Präzision der Mikroskop-Tische enorm. Hartmagnetische Schichten des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik in Braunschweig tragen dazu bei, kleinste Zellstrukturen sehr schnell und genau zu erfassen.
Die am Fraunhofer-IST entwickelten hartmagnetische Kobalt-Samarium-Schichten werden bereits als Bänder in den Mikroskop-Tischen der Dr. ITK Kassen GmbH eingesetzt. Im Zusammenspiel mit Sensoren und einem Auswerte-Algorithmus erhöhen sie die Positioniergenauigkeit des Mikroskop-Tischs, auf dem die Probe zur Beobachtung abgelegt wird.
„Biologisches Material – wie Zellen – kann sich bewegen, daher muss ich Positionen bis auf den Mikrometer präzise anfahren können“, erläutert Ralf Bandorf vom Fraunhofer-IST. Die Mikroskop-Tische, die mit der magnetischen Positionierung arbeiten, lassen sich sehr kompakt bauen – sie werden in Mikroskopen von namhaften Herstellern wie Leica oder Zeiss eingesetzt. Die CoSm-Schichten wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Industriepartner entwickelt.
Das Team um Bandorf bringt die CoSm-Schichten auf unmagnetische Metallbänder auf, diese erhalten also eine definierte magnetische Struktur. Diese Funktionsschicht lässt sich mit einem Signalmuster kodieren und per Sensor auslesen, um eine Positionsbestimmung vornehmen zu können.
„Im Zusammenspiel mit den integrierten Sensoren, die die Signale auslesen, ermöglichen unsere Schichten das Anfahren von Positionen bis auf fünf Nanometer genau“, so Bandorf. Die Tische ermöglichen durch das integrierte Messsystem eine Absolutbestimmung der Position, ohne Referenzierung. Wiederholgenauigkeiten von plus oder minus hundert Nanometer sind erreichbar. Das ist besonders bei der Untersuchung von lebenden Objekten wichtig, wo die Untersuchungszeit oftmals knapp und ein schnelles Positionieren daher essentiell ist.
Die Schichten ersetzen galvanische Kobaltschichten, für die umweltschädliche Chemikalien benötigt werden. Sie zeichnen sich durch ihre Robustheit und Langlebigkeit sowie durch besonders gute magnetische Eigenschaften aus: Sie ermöglichen ein stärkeres magnetisches Signal und berührungsloses Messen. Auch kann man in geschlossenen Bauteilen wie etwa Hydraulikzylindern messen, an die optische Systeme nicht gelangen.
Anders als reine Kobaltschichten sind die CoSm-Schichten nicht so leicht ummagnetisierbar und unempfindlich gegenüber Störfeldern. Außerdem lassen sich sehr feine Schichtdicken erzielen. Darüber hinaus erlauben sie auch das Messen in verschmutzten Bereichen. Aber auch Winkelpositionen und Radialbewegungen lassen sich messen. Das ist in Robotikanwendungen relevant – etwa in der Automobilbranche. „Bringt man eine kompakte CoSm-Schicht direkt auf das Bauteil wie ein Kugellager auf, kann man zusätzliche Informationen erhalten“, erklärt Bandorf. Auch im Bereich der Elektromobilität steigt die Nachfrage nach hochgenauen magnetischen Messsystemen.
Die CoSm-Schichten werden mit einer am Fraunhofer-IST entwickelten Technologie, dem Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern, einem Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellt. Anders als bei galvanischen Verfahren kommen hier keine Schadstoffe zum Einsatz.
FG / RK
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