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Magnetische Sensorsysteme Bei MicroBias sind Mikromagnete direkt im Chip integriert

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Fraunhofer IIS Schaltung IIS

Fraunhofer-Forscher integrieren Permanentmagnete auf Wafer-Ebene in einem Sensorchip. Das ermöglicht kompaktere magnetische Sensorsysteme. Wie groß der Vorteil im vollständigen System ausfällt, hängt allerdings vom Vergleichsaufbau ab.

MicroBias vereint permanente Mikromagnete und Hall-Sensoren (blau) auf einem einzigen Chip.(Bild: Fraunhofer IIS)
MicroBias vereint permanente Mikromagnete und Hall-Sensoren (blau) auf einem einzigen Chip.
(Bild: Fraunhofer IIS)

Magnetische Sensorsysteme bestehen häufig aus einem Sensorchip und einem separat montierten Permanentmagneten. Deren Position zueinander muss präzise stimmen und die Baugruppe benötigt Platz. Mit MicroBias integriert das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Mikromagnete auf Wafer-Ebene in das Siliziumsubstrat eines Sensorchips. Magnet und Sensorelemente sollen dadurch mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich zueinander positioniert werden.

Back-Bias-Feld

Der integrierte Magnet erzeugt ein Vorspannfeld, ein sogenanntes Back-Bias-Feld. Ein Hall-Sensor erfasst, wie sich das Feld durch die Bewegung oder den Zustand eines externen Bauteils verändert. Laut Fraunhofer lässt sich das lokale Magnetfeld gezielt an die jeweilige Messaufgabe und die mechanischen Anforderungen anpassen. Die Technologie ist nach Angaben des Instituts für 3D-Hall-Sensorik verfügbar. Eine Übertragung auf magnetoresistive Sensoren ist in gemeinsamen Entwicklungsprojekten möglich.

Fraunhofer nennt für einen einzelnen Mikromagneten ein Volumen von rund 0,03 mm³. Zum Vergleich führt das Institut einen konventionellen Back-Bias-Magneten mit 30 mm³ an. Selbst zehn Mikromagnete kämen demnach zusammen auf 0,3 mm³ – ein Hundertstel des Vergleichsvolumens. Fraunhofer spricht außerdem von bis zu 99 Prozent weniger Seltenerdmaterial bei vergleichbarer Messleistung.

Technische Eckdaten MicroBias

Sensorprinzip: 3D-Hall-Sensorik mit integriertem Back-Bias-Mikromagnet
Positionierung: Magnet und Sensorelemente laut Fraunhofer mit Submikrometer-Genauigkeit zueinander ausgerichtet
Volumenbeispiel: Mikromagnet rund 0,03 mm³; Vergleichsmagnet 30 mm³
Beispiel mit zehn Mikromagneten: insgesamt rund 0,3 mm³ Magnetvolumen
NdFeB-Mikromagnete: Remanenz bis zu 550 mT (laut Unterlagen)
Unteres und oberes Temperaturlimit für NdFeB: etwa 10 K bis 130 °C (laut Unterlagen)

Die Magnet- und Temperaturwerte beziehen sich auf die Fraunhofer-Angaben zur Mikromagnet-/PowderMEMS-Technologie. Sie sind keine vollständigen Leistungsdaten des Sensorsystems.

Mögliche Anwendungen

Die Zahlen beschreiben zunächst das Magnetvolumen. Ob das vollständige Sensor-Magnet-System mit Sensorchip, Gehäuse und Montage ebenfalls um den Faktor 100 kleiner wird, geht aus den veröffentlichten Vergleichsdaten jedoch nicht hervor. Fraunhofer nennt auch keine Messwerte und Prüfbedingungen zur behaupteten vergleichbaren Messleistung. Die Einsparung an Seltenerdmaterial ist daher als Maximalangabe des Instituts zu verstehen und nicht als pauschaler Wert für jede Anwendung.

Fraunhofer nennt als mögliche Einsatzfelder Robotergelenke, Greifsysteme sowie taktile und schaltende Sensoren. Auch schwer zugängliche Maschinenkomponenten, in denen Bewegungs- oder Zustandsdaten auf engem Raum erfasst werden müssen, sind denkbar. An der Entwicklung waren neben dem Fraunhofer IIS das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT und das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM beteiligt. Das ISIT steuerte seine PowderMEMS-Technologie zur Integration der Mikromagnete auf Wafer-Ebene bei. (heh)

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