Druckbare giant-magnetoresistive und flexible Magnetfeldsensoren mit hoher Empfindlichkeit bei kleinen Magnetfeldern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens; Dr. Denys Makarov
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407555984

Druckbare Elektronik ist dabei, das Feld der konventionellen Elektronik zu revolutionieren, die einen kostengünstigen, großflächigen und hohen Produktionsdurchsatz bietet. Das Hinzufügen eines magnetfeldempfindlichen Elements zu druckbarer Elektronik ermöglicht es, energieeffiziente kontaktlose Schalter für intelligente und schützende Kleidung (z.B für die Feuerwehrleute, Sportler) mit integrierter Navigation und Positionsverfolgungsmodule herzustellen. Stark nachgefragte druckbare Magnetfeldsensoren, die auf dem Giant-Magnetowiderstandseffekt (GMR) beruhen, sind aufgrund des fehlenden Grundlagenverständnisses vom GMR-Effekt im mit einer polymeren Bindemittellösung gemischten GMR-Pulver nicht verfügbar.Die ersten Proof-of-Concept Realisierungen von druckbaren GMR-Sensoren wurden bereits durch uns vorgestellt. Die Optimierung dieser Sensoren basiert jedoch auf empirischen Verfahren, die es nicht erlauben, eine starke Sensorantwort im Bereich kleiner Magnetfeldern zu erreichen, z.B.<10mT, wie in der Unterhaltungselektronik und tragbarer Elektronik üblich ist. Es ist denkbar, dass die Performance von gedruckten Sensoren in kleinen Feldern fundamental wegen des zufälligen Elektronentransportes durch die perkolierten GMR-Flocken limitiert ist. Alternativ ist der Einfluss der Flockengröße auf GMR-Antwort nicht richtig verstanden. Gibt es hier eine Begrenzung, bei der die GMR-Antwort aufgrund des mechanischen Einflusses beim Kugelmahlen verschwindet? Wie wirkt sich der Kugelmahlprozess auf die magnetischen Eigenschaften von GMR-Pulver aus?In diesem Projekt gehen wir auf diese wichtigen fundamentalen Fragen ein, um die Performance von gedruckten GMR-Sensoren weiter zu verbessern. Frühere Arbeiten von uns zeigen an, dass Magnetronsputtern als Weg zur Herstellung des GMR-Pulvers möglicherweise nicht optimal ist, um höchste Sensitivität bei kleinen Magnetfeldern zu erreichen. Deshalb werden wir hier GMR-Pulver mittels folgender komplementärer Ansätze herstellen: Magnetronsputtern und Ionenstrahlsputtern. Durch den Vergleich der magnetischen Eigenschaften des GMR-Pulvers aus diesen Herstellungsmethoden können die Vorteile und Nachteile jedes Verfahrens ermittelt werden.Im Gegensatz zum Magnetronsputtern erlaubt das Ionenstrahlsputtern die Herstellung von GMR-Multilagen ohne magnetische Hysterese und mit überragender Linearität sogar bei kleinen Magnetfeldern. Dies ist außerordentlich attraktiv für die Realisierung von leistungsfähigen flexiblen und druckbaren Magnetfeldsensoren.Die Herstellung von GMR-Multilagen mittels Ionenstrahlsputtern ist nicht so etabliert wie die mittels Magnetronsputtern. Daher fehlt auch das Grundlagenverständnis von Magnetisierungsprozessen in ionenstrahlabgeschiedenen magnetischen/nichtmagnetischen Multilagen. Diese Wissenslücke werden wir schließen, indem wir die Hintergründe der bemerkenswerten Magnetisierungseigenschaften von ionenstrahlabgeschiedenen GMR Schichten aufdecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen