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Forschungserfolg: 100 µm dünner, biegsamer Magnetfeldsensor

Wissenschaftler des IFW Dresden haben eine völlig neue Generation formbarer und kostengünstiger Magnetfeldsensoren entwickelt: Das Ergebnis ist ein nur 100 μm dünner, biegsamer Hall-Sensor.

Neu entwickelte flexible Magnetfeldsensorik und Anwendungen in einem aktiven Magnetlagersystem Bildquelle: © IFW Dresden
Neu entwickelte flexible Magnetfeldsensorik und Anwendungen in einem aktiven Magnetlagersystem

Für die Positionsbestimmung und Motorsteuerung in Antrieben gibt es vielfältige Sensorsysteme, die auf optischen, induktiven oder kapazitiven Wirkprinzipien beruhen. Zwar bieten sie eine hinlängliche Messgenauigkeit, sind aber nicht kompakt genug und zudem meist teuer in der Herstellung.

Hier setzt eine Forschergruppe des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und der Technischen Universität Chemnitz an. Die Wissenschaftler Michael Melzer, Daniil Karnaushenko und Dr. Denys Makarov, die vor wenigen Monaten erstmals eine formbare, das heißt eine sowohl biegsame, dehnbare als auch druckbare Magnetoelektronik basierend auf dem Giant Magnetoresistance Effect (GMR) vorgestellt hatten, präsentieren nun erneut einen völlig neuen Ansatz für Hallsensoren: Einen flexiblen und ultradünnen metallbasierten Hall-Effekt-Sensor, der sich bis zu Biegeradien von 5 mm verformen lässt und dabei immer noch eine zuverlässige Flussdichtemessung bis zu 2,2 T gewährleistet.

»Die Kernidee beruht auf der Kombination flexibler Polymermembranen und magnetisch hochempfindlicher metallischer Dünnschichten«, erklärt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Leiter des Instituts für Integrative Nanowissenschaften am IFW Dresden. »Diese Synergie führt zu einzigartigen Eigenschaften und erlaubt die Gestaltung einer neuen Klasse von Magnetfeldsensoren mit einer neuartigen Funktionalität der Verformbarkeit.«

Die Vorteile

Die Technologie des nur 100 µm dünnen Hall-Sensors erlaubt es, dass die magnetoelektronischen Elemente auch nach der Herstellung beliebige Formen durch Biegen und Verdrehen annehmen und somit auf gekrümmten Oberflächen integriert werden können. Dabei besteht der bedeutende Vorteil darin, dass der Sensor unabhängig von jeglicher Verformung die volle Leistungsfähigkeit bietet, wie eine konventionelle, starre Magnetfeldsensorik.

Derart flache Sensoren können bequem mit ihren elektrischen Kontakten zwischen Rotor und Stator montiert werden, wobei sich der Luftspalt sogar erheblich verkleinern lässt. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. W. Hofmann von der TU Dresden werden dadurch beispielsweise im Bereich Werkzeugmaschinen, für speziell magnetisch gelagerte Hochgeschwindigkeitsspindeln zur Präzisionsbearbeitung, höhere Positionierungsgenauigkeiten möglich, was eine unmittelbare Erhöhung der Werkstück- und Oberflächenqualität mit diesen Maschinen bedingt.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus den Herstellungskosten: »Formbare magnetische Sensoren können sowohl mit kleinen als auch mit großen Abmessungen kostengünstig produziert werden«, führt Schmidt aus. »Die Möglichkeit der Herstellung eines großflächigen Sensorelementes ist bei unserem Ansatz jedoch einzigartig. Basierend auf konventioneller halbleiterbasierter Technologie ist die Fertigung eines Großflächensensors in Anbetracht der Kosten ausgeschlossen.«