Technologie

Industriekompatible Entwicklung von Magnetsensoren

12.02.2019 - 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“.

„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

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