Gedruckte magnetoresistive Sensoren für das kontaktlose Schalten

NEWS / 19. Mai 2020

Gedruckte Elektronik hat sich als Schlüsseltechnologie in vielen Industriebereichen etabliert. IKTS-Forschende demonstrieren in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Dr. Denys Makarov, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR, nun erhebliche Fortschritte in der Entwicklung und erschließen damit einen neuartigen Einsatz: Unter Verwendung kostengünstiger, allgemein verfügbarer Materialien und industriell relevanter Hochdurchsatzverfahren drucken sie flexible magnetoresistive Sensoren für das kontaktlose Schalten.

© Fraunhofer IKTS
Flexibler magnetoresistiver Sensor mit Kontakten.

Kontaktlose Schalter basieren gegenwärtig auf optischen, kapazitiven oder magnetischen Vorrichtungen, letztere meist auf sogenannten Reed-Elementen. Während optische Schalter nicht in staubiger oder nebeliger Umgebung anwendbar sind, stoßen die kapazitiven unter Wasser an ihre Grenzen. Reed-Schalter sind bruchanfällig während des Einbaus und Betriebs, nur begrenzt miniaturisierbar und starr. Diese Nachteile verhindern den Einbau in flexible Elektronik. Mit den neuartigen gedruckten Schaltern könnte es bald eine marktfähige Lösung geben, die genau dies ermöglicht und flexibel sowohl in harscher Umgebung als auch unter ionisierender Strahlung, z. B. in der medizinischen Diagnostik und Therapie, anwendbar ist.

 

Potenzieller Ersatz von Reed-Sensoren

 

Da gedruckte magnetoresistive (MR) Sensoren ohne mechanisch bewegliche Teile auskommen, erweisen sie sich im Gegensatz zu Reed-Sensoren robust gegenüber mechanischen Einflüssen: »Deswegen hat unsere Lösung das Potenzial, die Reed-Sensoren in vielen Bereichen zu ersetzen. Vorstellbar sind auch Anwendungsmöglichkeiten für die Mensch-Maschine-Interaktion unter bisher undenkbaren Bedingungen, die z. B. von besonderer Relevanz für die Arbeitsabläufe von medizinischem Personal und Sicherheitskräften sein können«, erklärt Dr. Mykola Vinnichenko, der am Fraunhofer IKTS eine neuartige Verfahrenskombination für den Druck von MR-Sensoren validiert hat. Die Charakterisierung und der Nachweis der magnetoresistiven Eigenschaften erfolgten am HZDR.

 

Kombination aus Siebdruck und Diodenlasersintern

 

Mit der Kombination aus materialeffizientem Siebdruck und einer Nachbearbeitung via Diodenlasersintern lassen sich in wenigen Sekunden flexible, robuste MR-Sensoren mit individuellem Design als Basis für kontaktlose Schaltanwendungen erzeugen. »Das Diodenlasersintern ist hier die enabling technology, wenn allgemein verfügbare Materialien magnetoresistiv funktionalisiert werden sollen. Das Kombiverfahren ist relativ einfach hochskalierbar und damit massentauglich. So können hunderte Millionen flexible MR-Sensoren einfach hergestellt werden«, ergänzt der Physiker und verweist auf die potenziell geringen Kosten von unter einem Cent pro Sensor bei einfacher Integration in tragbare Elektronik oder smarte Textilien.

 

Technologietransfer

 

Die Technologie wurde im Labormaßstab demonstriert. Gegenwärtig suchen die Forschenden vom IKTS und dem HZDR Industriepartner für die gemeinsame Weiterentwicklung, Transferprojekte und die Hochskalierung.

© HZDR. Demonstrator des Funktionsprinzips des gedruckten Schalters. Der Permanentmagnet nähert sich dem Sensor, ein zunehmendes Magnetfeld führt zu einem zunehmenden elektrischen Widerstand. Unter Verwendung der elektronischen Schwellenlogik wird der sich ändernde Widerstand dann in ein Ein-Aus-Signal umgewandelt. Letzteres dient zum Ein- und Ausschalten der Lichtquelle.