Ein magnetischer Sensor, bei dem das magnetische Wandlerelement einen Wirbelzustand aufweist. © Dieter Suess et al.
Industrial Quality
Juni 2018

Magnetische Wirbel schaffen leistungsfähigere Sensoren

Magnetische Sensoren spielen eine Schlüsselrolle in einer Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise bei der Geschwindigkeits- und Positionserfassung in der Automobilindustrie oder in der biotechnologischen Messtechnik. Wie man neuartige Magnetsensoren entwerfen kann, die herkömmliche Technologien in Leistung und Genauigkeit übertreffen, zeigten nun Wissenschafter und Wissenschaftlerinnen unter der Leitung von Dieter Süss in einer Kooperation zwischen der Universität Wien, der Donau Universität Krems und der Infineon AG im Rahmen des Christian Doppler Labors “Advanced Magnetic Sensing and Materials”.

Viele moderne technologische Anwendungen beruhen auf magnetischen Kräften z.B. um Bestandteile in Elektrofahrzeugen zu bewegen oder Daten auf Festplatten zu speichern. Magnetische Felder werden aber auch als Sensoren eingesetzt, um andere magnetische Felder nachzuweisen. Der Gesamtmarkt für Magnetfeldsensoren, die auf Halbleitertechnologie beruhen, umfasst derzeit 1.670 Mio USD und wächst massiv weiter. In der Automobilindustrie werden beispielsweise genauere Magnetfeldsensoren in ABS-Systemen eingesetzt, mit denen man auf den Reifendruck prüfen kann. Somit werden keine zusätzlichen Drucksensoren in den Reifen benötigt und Ressourcen und Kosten gespart. Der Einsatz neuer magnetoresistiver Sensortechnologien wie anisotroper Magnetowiderstand, Riesenmagnetowiderstand und Tunnelmagnetowiderstand wird vor allem durch ihre erhöhte Empfindlichkeit und verbesserte Integrationsfähigkeit vorangetrieben.

Die Position des Zentrums des Wirbels ist proportional zum angelegten Magnetfeld und dient als repro ... © Dieter Suess et al.

Die Position des Zentrums des Wirbels ist proportional zum angelegten Magnetfeld und dient als repro …
© Dieter Suess et al.

Das Herzstück neuartiger Magnetfeldsensoren ist ein mikrostrukturiertes ferromagnetisches Dünnschichtelement, das magnetische Signale umwandeln kann. Dieses sogenannte Wandler-Element ändert sein elektrisches Verhalten, sobald ein Magnetfeld von außen angelegt wird: Seine atomaren “Kompassnadeln”, die atomaren magnetischen Dipole, werden neu ausgerichtet und ändern damit den elektrischen Widerstand des Wandler-Elements. Dieses Verhalten wird zur Bestimmung der Magnetfelder verwendet.

Die Leistungsfähigkeit der Sensoren wird jedoch durch einige Faktoren erheblich eingeschränkt. Das Wissenschafter-Team um Projektleiter Dieter Süss zeigte durch Computersimulationen, die mittels Experimente validiert wurden, dass sowohl Störsignale, magnetisches Rauschen, als auch die Hysterese durch eine Neugestaltung des Wandler-Elements deutlich reduziert werden können. Im neuen Design sind die atomaren magnetischen Dipole des Wandler-Elements kreisförmig um ein Zentrum, ähnlich wie bei einem Wirbelsturm, ausgerichtet. Ein von außen angelegtes Magnetfeld ändert die Position des Zentrums dieses Wirbels, was wiederum direkt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes führt. “Diese Entwicklung zeigt die erste massentaugliche Anwendung von magnetischen Wirbelzuständen und eine signifikante Verbesserung gegenüber herkömmlichen Magnetsensoren”, sagt Projektleiter Süss. Das Forschungsprojekt ist ein hervorragendes Beispiel, wo Grundlagenforschung und rein wissenschaftliche Fragestellungen, wie das Verhalten von magnetischen Wirbelstrukturen in äußeren Magnetfeldern, zu äußerst erfolgreichen Anwendungen führen können. “Voraussetzung dafür ist die Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie, wobei die Industrie sowohl die praktisch relevanten Fragestellungen bereitstellen als auch über technische Anlagen wie Reinräume für die Realisierung dieser aufwendigen Technologien verfügen”, meint Süss über diese wichtige Synergie.

Kontakt:
Assoz. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Dieter Süss, Privatdoz.
Christian Doppler Laboratory, Physik Funktioneller Materialien, Fakultät für Physik, Universität Wien, Währinger Straße 17, 1090 Wien
T +43-1-4277-72730
dieter.suess@univie.ac.at
http://fun.univie.ac.at/

Titelbild:
Ein magnetischer Sensor, bei dem das magnetische Wandler-Element einen Wirbelzustand aufweist.
© Dieter Suess et al.