Industrie & Technik

Hartmagnetische Schichten für die hochpräzise Mikroskopie von Zellstrukturen

21.01.2021 - 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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