12.02.2019 • Magnetismus

Industriekompatible Entwicklung von Magnetsensoren

Standortübergreifendes Kompetenzzentrum der Universitäten Bielefeld und Mainz.

Magnetsensoren umgeben uns auf Schritt und Tritt. So stecken beispielsweise in modernen Autos gleich ein paar Dutzend von ihnen. Ein Beispiel: Scheibenwischer, die früher mechanisch gekoppelt waren, werden heute über magnetische Winkelsensoren synchronisiert. Doch die Anwendungen solcher Sensoren sind bei weitem nicht ausgeschöpft. Schließlich können sie nicht nur Positionen und Bewegung, sondern auch die elektrische Stromstärke messen – und das berührungslos und ohne zu verschleißen. Ihre Entwicklung ist allerdings langwierig. Das standortübergreifende Kompetenzzentrum Magnetsensorik, kurz MagSens, der Unis Mainz und Bielefeld soll dies nun ändern. „Unser Ziel ist es, eine weltweit konkurrenzfähige Forschungsinfrastruktur aufzubauen, die die passgenaue Entwicklung neuer Sensorkonzepte mit modernen Konzepten der Materialforschung entscheidend beschleunigt“, sagt Mathias Kläui, der Leiter des Mainzer Parts des Kompetenzzentrums. „MagSens soll also als Key-Enabler für neue Magnetsensoren dienen. Finanziert wird das Kompetenzzentrum vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 2,5 Millionen Euro im Rahmen des Programms „Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland“.

Abb.: Die neuen Anlagen im ForLab MagSens beschleunigen die Entwicklung von... — Abb.: Die neuen Anlagen im ForLab MagSens beschleunigen die Entwicklung von Magnetsensoren deutlich und überführen sie einfacher in die Anwendung. (Bild: E. Lichtenscheidt, JGU)

„Im Kompetenzzentrum MagSens geht es nicht primär darum, neue Magnetsensoren für bestimmte Anwendungen zu entwickeln, sondern zunächst einmal um die Etablierung zugrunde liegender Prozesse“, sagt Kläui. „MagSens versteht sich als Wegbereiter für die Entwicklung von magnetischen Sensoren.“ Um dies zu verstehen, gilt es zunächst einen Blick auf den Entwicklungsprozess zu werfen. Für neue Magnetsensoren erzeugen Forscher wenige Atomlagen dünne Schichten auf einem festen Substrat. Über die Variation von Komponenten wie Eisen, Nickel, Kupfer und Aluminium- oder Magnesiumoxid lassen sich die Eigenschaften der Sensoren verändern. Bislang ist das jedoch sehr zeitaufwendig. Günter Reiss von der Uni Bielefeld und seine Kollegen setzen moderne Konzepte der Materialforschung und theoretische Rechnungen ein, um die Eigenschaften bestimmter Schichten zuverlässiger und schneller als bisher vorherzusagen. Als Teil von MagSens erhält das Labor in Bielefeld eine hochmoderne Beschichtungsanlage für die Produktion der ultradünnen Schichten. Die Anlage kann die gewünschten magnetischen Eigenschaften schon im Herstellungsprozess identifizieren, statt sie erst danach zu charakterisieren. „Das Steuerungssystem kann dadurch Einstellungen schon während der Herstellung justieren, um den gewünschten Effekt präzise zu erreichen“, sagt Reiss.

Ist ein vielversprechendes Material gefunden, machen sich die Forscher gemeinsam mit Kollegen des Fraunhofer-Instituts für elektronische Nanosysteme in Chemnitz daran, den Sensor auf Industriemaßstab zu bringen – also auf 200-Millimeter-Siliziumwafer. Was so einfach klingt, ist alles andere als trivial. So ist es auf Wafern solcher Größe beispielsweise schwierig, gleichmäßige Schichten zu erzeugen. Auch das einheitliche Aufheizen stellt eine Herausforderung dar, ebenso die Analyse der erzeugten Schichten. Denn diese müssen an allen Stellen des Wafers gleiche Eigenschaften aufweisen. Und manche Materialien lassen sich schlichtweg gar nicht mit üblichen Methoden auf 200 mm herstellen. Darüber hinaus untersuchen Kläui und sein Team die Eigenschaften der Materialien für Sensoren: Passt der Temperaturbereich, in dem der Sensor arbeitet – fürs Auto beispielsweise hieße das von minus 50 Grad Celsius bis plus 150 Grad Celsius? Ist der Effekt groß genug, um den Sensor zuverlässig reagieren zu lassen? Ist das Rauschen nicht zu hoch? „Die Prozesse, die wir entwickeln“, erläutert Kläui, „sind direkt auf die Industrie übertragbar, da wir sie auf industrierelevanten Geräten entwickeln. Das ist für magnetische Systeme bisher einzigartig in der deutschen Forschungslandschaft.“

JGU / RK