Magneetsensoren op maat

Onderzoekers van Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) hebben de basis voor een nieuwe generatie magneetsensoren ontdekt. Hierdoor is iedere sensor individueel op maat te maken voor een veelheid aan nieuwe toepassingen.

Magneetsensoren zijn onderdeel van het ABS remsysteem en ESP stabiliteitsregelingen. Ze zitten in elk mobieltje, lezen data in harde schijven en helpen bij het opsporen van microscheurtjes in metalen onderdelen. Deze veelheid aan toepassingen vergt steeds een bijbehorende individuele functie.

De sensoren bestaan uit stapels van afwisselend magnetische en niet-magnetische lagen van elk slechts enkele nanometers dikte. Onder invloed van een extern magneetveld verandert de elektrische weerstand van deze stapel laagjes. De magnetische veldsterkte waarbij de weerstand schakeld, ligt echter vooraf vast.

Magneetsensoren op maat

Onderzoekers van DESY in Hamburg hebben nu een methode ontwikkeld, waarbij het mogelijk is controle over de magnetoweerstandseigenschappen in de sensorlaagsystemen te krijgen. Met deze methode kan in elke afzonderlijke laag in de grote stapel de veldsterkte van het schakelen flexibel en nauwkeurig worden ingesteld. Bovendien kunnen magnetische voorkeursrichtingen van afzonderlijke lagen willekeurig ten opzichte van elkaar worden georiënteerd.

Hierdoor kan een hele range van nieuwe sensoreigenschappen worden gerealiseerd. Met de nieuwe techniek kunnen de onderzoekers de sensor voor de gewenste toepassing op maat maken.

De basis voor de verbeterde sensortechnologie is de coating onder een hoek (Oblique Incidence Deposition, OID). De voor afzonderlijke lagen reeds bekende OID-methode maakt het mogelijk willekeurige magnetsche materialen op willekeurige substraten magnetisch in een bepaalde vorm te brengen.

Zo kan men door de nauwkeurige variatie van de coatinghoek op eenvoudige wijze beslissen of een magnetische laag bij een extern magneetveld van 0,5 mT (millitesla) of pas bij de hondervoudige magneetsterkte moet schakelen. Ter vergelijking: dat komt overeen met ongeveer het tien- respectievelijk duizendvoudige van het magneetveld van de aarde.

OID bij veellaags systemen

OID kan niet alleen bij afzonderlijke lagen, maar blijkt ook uitstekend toepasbaar bij een groot aantal veellaagssystemen. Daarmee worden de mogelijkheden van het conventionele ontwerp en de functie van stapels met magnetische laagjes duidelijk uitbreidt. De onderzoekers maken de veellaags systemen in een hiervoor zelf ontwikkelde vacuüminstallatie.

Met behulp van experimenten aan Meetstation PO1 van DESY's Röntgenlichtbron PETRA III konden de fysici de magnetische eigenschappen van elke afzonderlijke laag in zulke stapels laagjes exact meten. Hierdoor konden ze bewijzen dat met OID-coating willekeurig complexe en vooral nieuwe magnetiseringsstructuren met de hoogst mogelijke nauwkeurigheid in uitgebreide stapels laagjes kunnen worden ingebouwd.

Voor de magneetsensoren betekent dit, dat in de stapels laagjes met microstructuren met identieke materiaalcombinaties en dikte op eenvoudige wijze de meest uiteenlopende en vooral nieuwe sensorkarakteristieken kunnen worden gerealiseerd. De methode maakt het mogelijk magneetsensoren te produceren waarvan de signalen wezenlijk nauwkeuriger zijn, meer informatie bevatten en wezenlijk gemakkerlijk kunnen worden verwerkt dan de signalen van conventionele sensoren.

De foto toont een blik in de vacuüminstallatie voor de productie van sensorlaagsystemen. Het laagsubstraat bevindt zich op een draaitafel, het coatingproces wordt zichbaar door een lilakleurig plasma (foto: Kai Schlage/DESY)