Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Magnetsensoren nach Maß

13.09.2016

DESY-Forscher haben die Grundlage für eine neue Generation von Magnetosensoren entdeckt. Die Entwicklung der Wissenschaftler ermöglicht es, die bei der herkömmlichen Produktionsweise limitierten Funktionen stark zu erweitern und somit den Sensor individuell für eine Vielzahl von neuen Anwendungen maßschneidern zu können. Das dazu verwendete Herstellungsverfahren stellen die Forscher im Wissenschaftsjournal „Advanced Functional Materials“ vor.

Magnetosensoren – oder genauer Magnetowiderstandssensoren – sind winzige, hochempfindliche und leistungsstarke Begleiter unseres täglichen Lebens.


Blick in die Vakuumanlage zur Herstellung der Sensorschichtsysteme. Das Schichtsubstrat befindet sich auf einer Drehhalterung, der Beschichtungsprozess wird durch ein lilafarbenes Plasma sichtbar.

Bild: Kai Schlage/DESY

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 (giant magneto-resistance, GMR), für dessen Entdeckung Albert Fert und Peter Grünberg im Jahr 2007 den Nobelpreis für Physik erhielten, die Sensorik revolutioniert hat, bleibt ein Problem: Die Magnetfeldstärke, bei der der Widerstand schaltet, ist im Wesentlichen vorgegeben.

DESY-Forscher haben nun 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 DESY-Forscher Dr. Kai Schlage, der Erstautor der Studie.

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. Zum Vergleich: Dies entspricht in etwa dem Unterschied zwischen dem 10- bzw. 1000-fachen des Erdmagnetfelds.

Die DESY-Forscher haben herausgefunden, dass dieses Verfahren nicht nur bei Einzelschichten, sondern auch in ausgezeichneter Weise bei einer großen Anzahl von Vielschichtsystemen zur Anwendung kommen kann und damit die Möglichkeiten des konventionellen Designs und der Funktion magnetischer Schichtstapel deutlich erweitert.

Die Herstellung ihrer Vielschichtsysteme führten die Forscher in hierfür eigens entwickelten Vakuumanlagen durch. Mit Hilfe von Experimenten an der Messstation P01 von DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III konnten die Physiker 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.

Für die Magnetosensoren bedeutet dies, dass in mikrostrukturierten Schichtstapeln mit identischer Materialkombination und Dicke unterschiedlichste und vor allem auch neue Sensorcharakteristiken in einfacher Weise realisiert werden können.

„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 der Leiter der Arbeitsgruppe, Prof. Ralf Röhlsberger. „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.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.


Originalveröffentlichung
Spin-Structured Multilayers: A New Class of Materials for Precision Spintronics; Kai Schlage, Lars Bocklage, Denise Erb, Jade Comfort, Hans-Christian Wille, Ralf Röhlsberger; „Advanced Functional Materials”, 2016; DOI: 10.1002/adfm.201603191

Weitere Informationen:

http://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=1099&... - Text und Bildmaterial

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Der gestapelte Farbsensor
17.11.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht Gefragtes Werkstoff-Knowhow: Fraunhofer LBF baut Elastomer-Forschung aus
16.11.2017 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte