15.06.2018

Messen mit Magnetwirbeln

Neuartige Magnetfeldsensoren mit signifikant weniger Störsignalen.

Viele moderne techno­logische Anwen­dungen beruhen auf magne­tischen Kräften, etwa um Bestandteile in Elektro­fahrzeugen zu bewegen oder Daten auf Fest­platten zu speichern. Magne­tische Felder werden aber auch als Sensoren eingesetzt, um andere magne­tische Felder nachzu­weisen. Der Gesamtmarkt für Magnetfeld­sensoren, die auf Halbleiter­technologie beruhen, umfasst derzeit gut eine Milliarde Euro und wächst massiv weiter. In der Automobilindustrie werden beispiels­weise genauere Magnetfeld­sensoren in ABS-Systemen eingesetzt, mit denen man auf den Reifen­druck zurück­schließen kann. Somit werden keine zusätz­lichen Druck­sensoren in den Reifen benötigt und Ressourcen und Kosten gespart. Der Einsatz neuer magneto­resistiver Sensor­technologien wie anisotroper Magneto­widerstand, Riesen­magneto­widerstand und Tunnel­magneto­widerstand wird vor allem durch ihre erhöhte Empfind­lichkeit und verbesserte Integrations­fähigkeit voran­getrieben.

Abb.: Schema eines magnetischen Sensors, bei dem das magnetische Wandlerelement einen Wirbelzustand aufweist. (Bild: D. Suess et al.)

Das Herzstück neuar­tiger Magnetfeld­sensoren ist ein mikro­strukturiertes ferromagne­tisches Dünnschicht­element, das magne­tische Signale umwandeln kann. Dieses Wandler­element ändert sein elek­trisches Verhalten, sobald ein Magnetfeld von außen angelegt wird: Seine magne­tischen Dipole werden neu ausge­richtet und ändern damit den elek­trischen Wider­stand des Wandler­elements. Dieses Verhalten wird zur Bestimmung der Magnet­felder verwendet. Die Leistungs­fähigkeit der Sensoren wird jedoch durch einige Faktoren erheblich einge­schränkt. Deren Ursachen und Zusammen­hänge hat nun ein Team unter der Leitung von Dieter Süss in einer Koope­ration zwischen der Univer­sität Wien, der Donau Univer­sität Krems und der Infineon AG im Rahmen des Christian Doppler Labors „Advanced Magnetic Sensing and Materials“ genau analysiert.

Die Wissenschafter zeigten durch Computer­simulationen, die mittels Experimente validiert wurden, dass sowohl Störsignale, magne­tisches Rauschen, als auch die Hysterese durch eine Neuge­staltung des Wandler­elements deutlich reduziert werden können. Im neuen Design sind die atomaren magne­tischen Dipole des Wandler­elements kreisförmig um ein Zentrum, ähnlich wie bei einem Wirbel­sturm, ausge­richtet. Ein von außen angelegtes Magnet­feld ändert die Position des Zentrums dieses Wirbels, was wiederum direkt zu einer Änderung des elek­trischen Wider­standes führt. „Diese Entwick­lung zeigt die erste massen­taugliche Anwendung von magne­tischen Wirbel­zuständen und eine signi­fikante Verbes­serung gegenüber herkömm­lichen Magnet­sensoren“, sagt Süss.

Das Forschungs­projekt ist ein hervor­ragendes Beispiel, wo Grundlagen­forschung und rein wissen­schaftliche Frage­stellungen, wie das Verhalten von magne­tischen Wirbel­strukturen in äußeren Magnet­feldern, zu äußerst erfolg­reichen Anwen­dungen führen können. „Voraus­setzung dafür ist die Koope­ration zwischen Wissen­schaft und Industrie, wobei die Industrie sowohl die praktisch rele­vanten Frage­stellungen bereit­stellen als auch über tech­nische Anlagen wie Reinräume für die Realisierung dieser aufwendigen Techno­logien verfügen“, sagt Süss.

U Wien / JOL

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