Blick von oben auf den Prototyp eines zweidimensionalen Magnetsensors (Bild: Fraunhofer ENAS).

Blick von oben auf den Prototyp eines zweidimensionalen Magnetsensors (Bild: Fraunhofer ENAS).

Wie war noch gleich die Route? Hier rechts – oder doch erst die nächste Abzweigung? Ein Blick auf das Smartphone hilft weiter: Verschiedene Apps blenden Straßenkarten ein und drehen die Karte passend zur Himmelsrichtung, sie norden sie ein. Ähnlich „schlau“ sind Navigationsgeräte: Auch sie zeigen die richtige Richtung bereits an, bevor das Auto sich in Gang gesetzt hat. Möglich macht dies ein Magnetsensor. Er ermittelt, wie das Gerät zum Erdmagnetfeld gehalten wird.

Der Markt ist heiß umkämpft: Beim Preis der Sensoren zählt jeder Cent. Die Hersteller setzen daher bislang auf mehrere günstige eindimensionale Sensoren. Allerdings sind diese weniger empfindlich und arbeiten nicht so präzise wie zweidimensionale Modelle.

Künftig könnten jedoch auch kompakte zweidimensionale Sensoren den Weg in die Smartphones finden. Forscher vom Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme in Chemnitz haben das entsprechende Herstellungsverfahren verbessert. „Die Kosten und die Herstellungszeit der zweidimensionalen Magnetfeldsensoren fallen um die Hälfte“, sagt Dr. Olaf Ueberschär, Gruppenleiter am Institut.

Sensoren „aus einem Guss“

Magnetsensor Fraunhofer

Blick von oben auf den Prototyp eines zweidimensionalen Magnetsensors (Bild: Fraunhofer ENAS).

Der Grund für diesen Kostensturz liegt in der Produktionsweise: Die Wissenschaftler fertigen die Sensoren aus einem Materialstück – und damit gänzlich anders als bisher. Denn schon für einen eindimensionalen Sensor braucht man zwei mikroelektronische Halbbrücken, deren eingeprägte Magnetfelder in entgegengesetzte Richtungen zeigen.

Da die Ausgangsmaterialien eine Magnetisierungsrichtung vorgeben, das Magnetfeld in ihnen also bereits ausgerichtet ist, musste man bislang zwei verschiedene Materialstücke zusammensetzen, was eine aufwändige und somit teure Angelegenheit ist. Für zweidimensionale Sensoren brauchte es zwei solcher Halbbrücken beziehungsweise vier Materialstücke.

„Wir können sowohl die Vollbrücken als auch die zweidimensionalen Sensoren erstmals monolithisch – aus einem Stück – herstellen“, sagt Ueberschär. Dazu scheiden die Forscher auf einem Wafer ein Schichtmaterial ab und ätzen die gewünschte Struktur heraus. Der Clou liegt in der anschließenden Laserbearbeitung: Mit ihm können die Wissenschaftler die magnetischen Vorzugsrichtungen nach Belieben einstellen.

Klein wie ein i-Tüpfelchen

Der neue Sensor füllt weniger als einen Quadratmillimeter und ist damit nur etwa halb so groß wie bisherige Modelle. Je kleiner, desto mehr Anwendungen kommen für die Minichips in Frage. Beispielsweise bei Magnetfeldkameras, in denen sich zahlreiche Sensoren in mehreren Zeilen und Spalten befinden und Magnetdaten aufnehmen. Will man eine hohe Auflösung erreichen, müssen die Sensoren möglichst klein sein – nur so passen sie dicht nebeneinander und stören sich nicht gegenseitig.

Die Magnetsensorik ist nicht auf Smartphones beschränkt. Vielmehr kommt sie überall dort zum Einsatz, wo unwirtliche Umgebungsbedingungen herrschen und andere Messverfahren versagen würden – etwa in Flüssigkeiten oder heißen Ölbädern. Und in der medizinischen Diagnostik spüren sie Tropenkrankheiten sowie andere Viren und Bakterien auf.

Prototypen der zweidimensionalen Sensoren stellen die Experten auf der Messe Sensor + Test vom 19. bis 21. Mai 2015 in Nürnberg vor (Halle 12, Stand 12-531 / 12-537). Bis die Sensoren tatsächlich in Produkten eingesetzt werden können, wird es allerdings noch etwa ein Jahr dauern. do

Autor: Britta Widmann, Informationsdienst Wissenschaft Fraunhofer Gesellschaft