Geringste Drücke magnetisch messen

AMR-Sensoren auf flexiblem Polyimid, Sensorfläche: 770x1820 µm. (Foto: Christian Wittek/IMPT)

IMPT | Klassischen Gasdruck kann man auf diese Weise nicht messen, jedoch lässt sich die Verformung einer elastischen Membran messen. Eine magnetische Messung ist möglich, sofern die Membran mit magnetischen Partikeln gefüllt ist – das zeigen Versuche am Institut für Mikroproduktionstechnik (IMPT).

Druckmesssysteme machen sich häufig die Verformung einer Membran beziehungsweise eines Diaphragmas zu Nutze, indem eine physikalische Größe gemessen wird, die sich durch die Verformung relativ zu einem Fixpunkt ändert. So gibt es bisher unter anderem kapazitive, piezoelektrische und optische Systeme. Speziell für die Messung von Kontaktdrücken untersucht das IMPT eine neue Methode basierend auf Magnetismus.

Das neuartige Druckmesssystem besteht aus einer Membran, der mit hartmagnetischen Partikeln magnetische Eigenschaften verliehen werden. Wird durch einen Krafteintrag die Membran verformt, verändert sich an einem geometrisch festgelegten Punkt die Stärke des Magnetfeldes, das von der Membran ausgeht. Bringt man an diesem Punkt einen Magnetfeldsensor an, kann man dadurch indirekt auf die ausgeübte Kraft schließen und über die Fläche auf den Druck. Somit ergibt sich ein zweiteiliges Messsystem aus Membran und Sensor.

Membran mit hartmagnetischen Partikeln

Als Membran verwenden die Forscher am IMPT bisher ein Elastomer, Polydimethylsiloxan (PDMS), in Kombination mit hartmagnetischen Partikeln. Hartmagnetische Partikel müssen einmal magnetisiert werden und besitzen danach selbst ein magnetisches Feld, sodass die Membran als eine Art flexibler Magnet fungieren kann. Wie sich die Partikel verhalten, wenn das Elastomer durch eine äußere Kraft verformt wird, kann sowohl empirisch als auch theoretisch in Simulationen untersucht werden und ist teilweise schon für magnetorheologische Elastomere in der Literatur beschrieben worden.

Spezielle Eigenschaften der Membran, mechanische als auch magnetische, ermittelt das IMPT in Abhängigkeit der Elastomerzusammensetzung und des Partikelfüllgrades. Mit diesem Wissen können die Forscher künftig vorhersagen, wie man eine Membran herstellen muss, um gewisse Eigenschaften zu erhalten. Zurzeit werden zwei flexible Materialien in Betracht gezogen, neben PDMS auch Polyimid (PI), die eine Verformung in eine Veränderung des Magnetfeldes umwandeln können.

Sensor detektiert Magnetfeldänderung

Zunächst entwickeln und untersuchen die Wissenschaftler am IMPT das System mit einer anisotrop magnetoresistiven Sensorschicht, im Detail mit einer 100 nm dicken Nickel-Eisen-Legierung aus 81% Nickel und 19% Eisen. Die Schicht kann eine Veränderung der Stärke des Magnetfeldes detektieren, wenn das Feld senkrecht zur sogenannten leichten Achse des Sensors liegt. Dies äußert sich in einer Änderung des Widerstandes innerhalb der Schicht - man spricht vom anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR). Das bisherige System ist somit vom Winkel des Magnetfelds zum Sensor abhängig.

Am Institut wurden erfolgreich AMR-Sensorschichten auf unterschiedlichen Materialien hergestellt, nämlich auf Siliciumdioxid (SiO2), Glas (Plan Optik Borofloat® 33, 500 µm) sowie auf spannungsfreiem Polyimid (PI-2611, HD MicroSystems™, siehe Bild 1). Somit kann zwischen starren und flexiblen Substraten gewählt werden.

Außerdem werden momentan Prozesse entwickelt, welche die elektrische Kontaktierung der Sensorschichten über Durchkontaktierungsverfahren der Substrate Glas und Polyimid realisieren. Dies ermöglicht eine größere Anzahl an Bauteilen pro Prozessdurchlauf, eine effizientere Nutzung des Bauraums, eine höhere Sensorendichte in der Anwendung und damit eine höhere örtliche Auflösung, falls nötig. Zusätzlich sind die Herstellungsschritte darauf ausgelegt, flächig zusammenhängende Gitterstrukturen und damit Sensornetzwerke zu erzeugen (siehe Bild 2- eine doppelte Sensormenge wäre möglich).

Vorversuche zeigen: Magnetische Druckmessung ist möglich

In Vorversuchen wurde ein System aus Membran und Sensorschicht aufgebaut und darauf eine Kraft ausgeübt, während der Widerstand der Sensorschicht gemessen wurde. Dafür haben die Wissenschaftler unterschiedliche Versuchsaufbauten verwendet, sowohl mit einem Sensor als auch mit sieben Sensoren in Reihe (siehe Bild 3).

Mit einem Anstieg der ausgeübten Kraft konnten die Forscher eine linear proportionale Veränderung des Widerstandes messen. Außerdem zeigten Sensoren, die weiter von der Stelle des Krafteintrages entfernt waren, eine schwächere oder sogar umgekehrte Antwort. Die umgekehrte Antwort erklärte sich dadurch, dass sich die Matrix vom Sensor entfernte, statt sich ihm zu nähern.

Die Versuche zeigen, dass es grundsätzlich möglich ist, Druck zu messen und auch örtlich zu bestimmen, wenn mehrere Sensoren verwendet werden.

Entwicklungschancen: Anwendung von Medizintechnik bis Soft Robotic

Da das System aus zwei Komponenten besteht, die man aufeinander abstimmen kann und die beide einen Ansatzpunkt bieten, sind die Entwicklungsmöglichkeiten immens. Einerseits kann die Schichtdicke der Membran und das von der Membran ausgehende Feld auf eine Anwendung angepasst werden und dementsprechend der darunterliegende Sensor entwickelt werden. Andererseits können die Anforderungen an den Sensor gestellt und dementsprechend die Membran ausgelegt werden. Zukünftige Systeme könnten auf die Nutzung des gigantischen magnetoresistiven Effekts (GMR) erweitert werden, bei dem die Erkennung einer Magnetfeldänderung nicht von der Ausrichtung in Relation zur Sensorschicht beeinflusst wird. GMR-Sensorschichten können auch die Sensitivität des Systems erhöhen und aus kleineren Veränderungen ein größeres Signal erzeugen.

Die Untersuchungen an dem Sensorkonzept dienten bisher als Vorarbeiten für ein Forschungsprojekt, das den Einsatz dieser Sensorik in biomedizinischen Implantaten testen möchte. Mit der Integration des Sensors würde beispielsweise einem Cochlea-Implantat mehr Funktionalität zugewiesen, was sich auf die Sicherheit bei der Insertion aber auch auf die Langzeitdiagnostik des Perilymphendrucks erstreckt. Außerdem ist es durchaus vorstellbar, die entwickelten Sensoren auf eine Anwendung im Bereich der Soft Robotic auszulegen. Entsprechende Experimente sind in Zusammenarbeit mit dem Institut für Montagetechnik (match) geplant. Das System verspricht darüber hinaus vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, die alle nur darauf warten, erforscht zu werden.

von Maren S. Prediger

Bildergalerie zu diesem Artikel

  • AMR-Sensoren auf flexiblem Polyimid, Sensorfläche: 770x1820 µm. (Foto: Christian Wittek/IMPT)
  • AMR-Sensoren in Polyimid eingebettet mit Durchkontaktierung als flexibles Array. (Foto: Christian Wittek/IMPT)
  • Versuchsdemonstrator: AMR-Sensoren auf einem Glassubstrat-Chip, darüber ein magnetisches Elastomer. (Foto: Maren Prediger/IMPT)
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