Magnetsensoren nach Maß

Magnetosensoren – genauer: Magnetowiderstandssensoren – sind winzige, hoch­empfind­liche und leistungs­starke Begleiter unseres täglichen Lebens. Sie messen im Auto die Rotations­geschwin­digkeit der Räder für das Brems­system ABS und die elek­tronische Stabi­litäts­kontrolle ESP, stecken in jedem Handy, lesen Daten in Fest­platten und dienen der Sicher­heit durch das Auf­spüren von Mikro­rissen in Metall­bau­teilen. Diese Viel­falt an Einsatz­gebieten erfordert jeweils eine entsprechend indivi­duelle Funktion.

Die Sensoren bestehen aus mikrostrukturierten Stapeln von abwechselnd magne­tischen und nicht­magne­tischen Schichten, die jeweils nur wenige Nano­meter dünn sind. Unter dem Einfluss eines äußeren Magnet­feldes ändert sich der elek­trische Wider­stand dieser Schicht­stapel. Obwohl der Riesen­magneto­wider­stands­effekt die Sensorik revo­lutio­niert hat, bleibt ein Problem: Die Magnet­feld­stärke, bei der der Wider­stand schaltet, ist im Wesent­lichen vor­ge­geben.

Forscher am DESY haben jetzt ein Herstellungsverfahren ent­wickelt, das es erst­malig ermög­licht, gezielt Kontrolle über die Magneto­wider­stands­eigen­schaften in den Sensor­schicht­systemen zu erlangen. Mit diesem Verfahren kann in jeder magne­tischen Einzel­schicht der winzigen Schicht­stapel die Feld­stärke des Schaltens flexibel und präzise einge­stellt werden. Darüber hinaus können magne­tische Vorzugs­richtungen von einzelnen Schichten beliebig zueinander orien­tiert werden. Somit kann auf einfache Weise eine Fülle von neuen Sensor­eigen­schaften reali­siert werden.

„Bisher war es häufig so, dass die Anwendung auf den Sensor angepasst werden musste, mit unserer Technik können wir den Sensor für die ge­wünschte Anwen­dung maß­schneidern“, erklärt Kai Schlage vom DESY. Grund­lage der ver­bes­serten Sensor­techno­logie ist die Beschichtung im schrägen Einfall (engl.: Oblique Incidence Depo­sition, OID). Das für Einzel­schichten bereits bekannte OID-Verfahren erlaubt es, beliebige magne­tische Materi­alien auf beliebigen Substraten magne­tisch in Form zu bringen. So kann man über die präzise Vari­ation des Beschichtungs­winkels in einfacher Weise entscheiden, ob eine magne­tische Schicht bei einem äußeren Magnet­feld von 0,5 Milli­tesla oder erst bei der hundert­fachen Magnet­feld­stärke schalten soll.

Dieses Verfahren kann aber nicht nur bei Einzelschichten, sondern auch bei einer großen Anzahl von Viel­schicht­systemen zur Anwendung kommen, wie die DESY-Forscher zeigen konnten. Damit erweitern sich die Möglich­keiten des konven­tionellen Designs und der Funktion magne­tischer Schicht­stapel deutlich. Die Herstellung ihrer Viel­schicht­systeme führten die Forscher in hierfür eigens ent­wickelten Vakuum­anlagen durch. Mit Hilfe von Experi­menten an der Mess­station P01 der Röntgen­licht­quelle PETRA III am DESY konnten die Forscher die magne­tischen Eigen­schaften jeder Einzel­schicht in solchen Schicht­stapeln exakt vermessen und so nach­weisen, dass mittels OID-Be­schich­tung beliebig komplexe und vor allem neue Magneti­sierungs­struk­turen mit höchster Genauig­keit in ausge­dehnte Schicht­stapel einge­prägt werden können. In mikro­struktu­rierten Schicht­stapeln mit iden­tischer Material­kombi­nation und Dicke lassen sich also unter­schied­liche und vor allem auch neue Sensor­charak­teris­tiken in einfacher Weise reali­sieren.

„Das von uns entwickelte Verfahren erlaubt es, magnetische Sensoren herzu­stellen, deren Signale wesent­lich präziser sind, mehr Infor­mationen ent­halten und sich zudem wesent­lich leichter verar­beiten lassen als die Signale von her­kömm­lichen Sensoren“, erklärt Ralf Röhls­berger, der Leiter der Arbeits­gruppe. „Damit lassen sich beispiels­weise Rota­tions­bewe­gungen erheb­lich genauer über­wachen als dies bisher möglich war, wodurch die Sicher­heit von Motoren, Antriebs­aggre­gaten und Trieb­werk­steuerungen, insbe­sondere unter extremen Betriebs­bedin­gungen, wesent­lich verbessert werden kann.“ Die Gruppe hat das Ver­fahren bereits zum Patent ange­meldet und will in einer Koope­ration mit Industrie­unter­nehmen seine indus­trielle Ver­wert­bar­keit unter Beweis stellen.

DESY / RK