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 Unerwartetes Materialverhalten: Vom 2D-Kristall zum 1D-Draht
29.01.2020 | Universität Duisburg-Essen

nachricht Schnellster hochpräziser 3D-Drucker
28.01.2020 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Struktur und Funktion von Lichtrezeptor bei Cyanobakterien aufgeklärt

Chemie: Veröffentlichung in PNAS

Bestimmte Proteine dienen Pflanzen und auch Cyanobakterien als Lichtrezeptoren. Das Team des Center for Structural Studies (CSS) der Heinrich-Heine-Universität...

Im Focus: Protein pores packed in polymers make super-efficient filtration membranes

A multidisciplinary team of engineers and scientists has developed a new class of filtration membranes for a variety of applications, from water purification to small-molecule separations to contaminant-removal processes, that are faster to produce and higher performing than current technology. This could reduce energy consumption, operational costs and production time in industrial separations.

Led by Manish Kumar, associate professor in the Cockrell School of Engineering at The University of Texas at Austin, the research team describes their new...

Im Focus: Schnellster hochpräziser 3D-Drucker

3D-Drucker, die im Millimeterbereich und größer drucken, finden derzeit Eingang in die unterschiedlichsten industriellen Produktionsprozesse. Viele Anwendungen benötigen jedoch einen präzisen Druck im Mikrometermaßstab und eine deutlich höhere Druckgeschwindigkeit. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein System entwickelt, mit dem sich in bisher noch nicht erreichter Geschwindigkeit hochpräzise, zentimetergroße Objekte mit submikrometergroßen Details drucken lassen. Dieses System präsentieren sie in einem Sonderband der Zeitschrift Advanced Functional Materials. (DOI: 10.1002/adfm.201907795).

Um nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Zuverlässigkeit ihres Aufbaus zu demonstrieren, haben die Forscherinnen und Forscher eine 60 Kubikmillimeter...

Im Focus: Wie man ein Bild von einem Lichtpuls macht

Um die Form von Lichtpulsen zu messen, brauchte man bisher komplizierte Messanlagen. Ein Team von MPI Garching, LMU München und TU Wien schafft das nun viel einfacher.

Mit modernen Lasern lassen sich heute extrem kurze Lichtpulse erzeugen, mit denen man dann Materialien untersuchen oder sogar medizinische Diagnosen erstellen...

Im Focus: Ein ultraschnelles Mikroskop für die Quantenwelt

Was in winzigen elektronischen Bauteilen oder in Molekülen geschieht, lässt sich nun auf einige 100 Attosekunden und ein Atom genau filmen

Wie Bauteile für künftige Computer arbeiten, lässt sich jetzt gewissermaßen in HD-Qualität filmen. Manish Garg und Klaus Kern, die am Max-Planck-Institut für...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

HDT-Tagung: Sensortechnologien im Automobil

24.01.2020 | Veranstaltungen

Tagung befasst sich mit der Zukunft der Mobilität

22.01.2020 | Veranstaltungen

ENERGIE – Wende. Wandel. Wissen.

22.01.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Intelligentes Robotersystem an der TU Bergakademie Freiberg verbessert Trinkwasserkontrolle in Binnengewässern

29.01.2020 | Informationstechnologie

Struktur und Funktion von Lichtrezeptor bei Cyanobakterien aufgeklärt

29.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

Unerwartetes Materialverhalten: Vom 2D-Kristall zum 1D-Draht

29.01.2020 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics