Gedruckte Magnetfeldsensoren für das Internet der Dinge

Im Forschungsvorhaben »MAG4INK« wollen Forschende des Fraunhofer IKTS, des Fraunhofer FEP und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) zeigen, dass sich flexible Magnetfeldsensoren in industrierelevanten Größenordnungen kostengünstig drucken lassen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt mit insgesamt 1,5 Millionen Euro für drei Jahre.

Ob Fahrassistenzsystem im Auto, Smartwatch, die den Puls überwacht, oder smartes T-Shirt, das den Sportler kühlt. Sensoren sind die wichtigsten Datenlieferanten für die Digitalisierung. Viele Sensoren gewinnen ihre Informationen aus der Wechselwirkung mit Magnetfeldern. Bisherige Magnetfeldsensoren sind auf starren Substraten aufgebrachte Dünnschicht-Materialien, die nicht flexibel, relativ großvolumig und vergleichsweise aufwendig herzustellen sind.

Gedruckte Elektronik

Elektronische Bauteile lassen sich heute auch per Druckverfahren herstellen. Die MAG4INK-Partner nutzen hierfür elektronische Funktionstinten oder -pasten anstelle von Druckfarben. »Durch das Übereinanderdrucken mehrerer Funktionsschichten entstehen so Dünnschicht-Bauelemente, die leicht und klein, dünn und flexibel – und sogar recycelbar sind«, beschreibt Dr. Denys Makarov vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung.

Im Forschungsfokus stehen einerseits Sensoren mit hoher Empfindlichkeit im Millitesla-Bereich, also Magnetfeldstärken, wie sie zum Beispiel von Kühlschrankmagneten ausgehen. Diese Sensoren können als gedruckte Schalter oder Abstandssensoren eingesetzt werden. Anspruchsvoller sind die Sensoren, die magnetische Felder auf der Sub-Mikrotesla-Skala detektieren können. Zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld hat eine Stärke von rund 50 Mikrotesla; das Feld eines handelsüblichen Kühlschrankmagneten ist hingegen schon rund tausendfach kräftiger ausgeprägt. Von beiden Sensorgruppen erhoffen sich die Wissenschaftler*innen neue Anwendungen an der Schnittstelle Mensch und Maschine.

Sensoren für das Internet der Dinge

Die beteiligten Teams verfügen über das Know-how für die gesamte Prozesskette, beginnend bei der Pulverherstellung (FEP, HZDR) über die Formulierung der Druckpasten bzw. -tinten (IKTS) bis hin zum Druck und der Nachbearbeitung der eigentlichen Sensoren (IKTS), die dann noch charakterisiert (HZDR) werden müssen. »Wir wollen den Nutzen unserer Technologie anhand verschiedener Sensorlayouts in Form von Demonstratoren zeigen. Dabei müssen wir den Nachweis erbringen, dass unsere Sensoren bestimmte Kriterien erfüllen, wie etwa die von den angestrebten Anwendungen geforderte Temperatur- und Langzeitstabilität«, skizziert Dr. Mykola Vinnichenko vom Fraunhofer IKTS einige Eckpunkte des Vorhabens.

Als Ausgangmaterial für die neuartigen Magnetfeldsensoren dient eine hochwertige Nickel-Eisen-Legierung (engl. Permalloy). Diese wird zunächst über Abscheidung aus der Gasphase in ein Pulver verwandelt und anschließend mit Polymeren vermischt. Es entsteht eine Paste, die sich im Siebdruckverfahren verdrucken lässt.

Eine Herausforderung dabei: »Um den Prozess wirtschaftlich gestalten zu können, müssen wir die jährlich herstellbare Menge des pulverförmigen Ausgangsmaterials vom bisherigen Milligramm- in den Kilogramm-Maßstab überführen. Nur so lassen sich die Produktionskosten soweit absenken, dass der Prozess für industrielle Anwendungen interessant wird«, unterstreicht Thomas Preußner vom Fraunhofer FEP und fügt hinzu: »Unsere Sensoren können aufgrund ihrer hohen Magnetfeldsensitivität sowie ihrer flexiblen Gestaltung extrem vielseitig eingesetzt werden. Die Bandbreite reicht von Technologien für das ‚Internet der Dinge‘ über medizinische Anwendungen wie dem Gesundheits-Monitoring bis hin zu smarten Textilien. Andere Anwendungen wiederum sind im Skinput-Bereich denkbar, eine Technologie, die die Funktionalität unserer Haut mit der eines Touchscreens erweitert.«