Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY: Anwendungsfeld von Magnetosensoren erweitert

Magnetowiderstandssensoren messen in moderner Technik unauffällig unzählige Parameter. Weil sie nur bei definierten Magnetfeldstärken schalten, musste die jeweilige Anwendung sich bislang an ihnen orientieren. Forscher am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY konnten diese Limitierung überwinden.

DESY Bildquelle: © Kai Schlage/DESY

In der Vakuumanlage befindet sich das Schichtsubstrat auf einer Drehhalterung. Lilafarbenes Plasma macht den Beschichtungsprozess sichtbar.

Bei der Messung der Rotationsgeschwindigkeit von Rädern für ABS- und ESP-Systeme, beim Auslesen von Festplattendaten in Smartphones und bei der Detektion von Mikrorissen in Metallbauteilen: die aus abwechselnd magnetischen und nichtmagnetischen Schichten bestehenden mikrostrukturierte Stapel detektieren anhand von Veränderungen äußerer Magnetfelder zuverlässig technische Parameter.

Sie nutzen den sogenannten Riesenmagnetowiderstandseffekt (Giant Magneto-Resistance,) für dessen Entdeckung Albert Fert und Peter Grünberg 2007 den Physik-Nobelpreis erhielten. Allerdings können sie nur bei einer definierten Magnetfeldstärke schalten, was ihren Einsatz bislang einschränkt.

Forscher des Deutschen Elektronen-Synchrotons haben jetzt ein Herstellungsverfahren entwickelt und zum Patent angemeldet, das erstmals die Kontrolle über die Magnetowiderstandseigenschaften der Nanometer-dünnen Sensorschichtsysteme ermöglicht. Die für das Schalten gewünschte Feldstärke kann so in jeder Schicht der Mikrostapel gezielt eingestellt 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. Dies gelingt mit einer Beschichtung im »schrägen Einfall« (Oblique Incidence Deposition, OID), mit der beliebige magnetische Materialien auf beliebigen Substraten magnetisch in Form gebracht werden können.

Hierdurch kann bestimmt werden, bei welcher Stärke eines äußeren Magnetfeldes die magnetische Schicht schalten soll, z.B. bei 0,5 Millitesla oder auch bei 50 Millitesla.

Der Einsatz der jetzt erstmals nicht nur bei Einzel-, sondern auch Vielschichtsystemen möglichen OID-Technik erfolgt in eigens entwickelten Vakuumanlagen. Mit Hilfe von Experimenten an der Messstation P01 der DESY Röntgenlichtquelle PETRA III wurden die magnetischen Eigenschaften der Einzelschichten der Stapel exakt vermessen und nachgewiesen, dass sich die Magnetisierungsstrukturen mit höchster Genauigkeit in ausgedehnte Schichtstapel einprägen lassen.

Reproduzierbar lassen sich jetzt Schichtstapel mit identischer Materialkombination und -Dicke mit neuen Sensorcharakteristiken einfach realisieren. »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.«