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Druckbare giant-magnetoresistive und flexible Magnetfeldsensoren mit hoher Empfindlichkeit bei kleinen Magnetfeldern

Fachliche Zuordnung Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung Förderung von 2018 bis 2023
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407555984
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Fortschritt der hautkonformen Elektronik löst völlig neue Modalitäten bei der Entwicklung nicht wahrnehmbarer, komfortabler und mit dem Menschen interagierender Elektronik für virtuelle und erweiterte Realität, humanoide Roboter und persönliche Gesundheitsanwendungen aus. Diese neuen Technologien für interaktive Elektronik gehen mit der Verfolgung der Position und der Überwachung der täglichen Aktivitäten des menschlichen Körpers einher, die durch Magnetfeldsensoren erfasst werden können. In dieser Hinsicht sollten Magnetfeldsensoren nicht nur eine konforme Integration auf der Haut ermöglichen, sondern auch eine hohe Empfindlichkeit im Bereich niedriger Magnetfelder, die für unser tägliches Leben relevant sind. Die Drucktechnik ist aufgrund der skalierbaren, kostengünstigen, abstimmbaren und formbaren Verarbeitbarkeit bei niedrigen Temperaturen eine vielversprechende Strategie zur Entwicklung solcher hautkonformer Magnetfeldsensoren. Allerdings waren gedruckte Magnetfeldsensoren für hautverträgliche Elektronik, die bei niedrigen Magnetfeldern arbeitet, nicht verfügbar. Das ultimative Ziel dieses Projekts war die Realisierung gedruckter Magnetfeldsensoren, die den Riesen-Magnetowiederstand-Effekt (GMR) aufweisen und sich durch eine starke Empfindlichkeit gegenüber kleinen Magnetfeldern im Bereich von 1 mT auszeichnen. Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben wir eine druckbare Magnetpaste entwickelt, die aus magnetosensitiven GMR-Mikroflocken und viskosem Triblock-Copolymer besteht. Bei der thermischen Behandlung erfährt das thermoplastische Triblock-Copolymer eine Volumenschrumpfung, die zu einem guten Perkolationsnetzwerk zwischen den Mikroflocken führt und somit die magnetoresistive Sensorleistung steigert. Daher weisen die hier entwickelten GMR-Sensoren eine Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber kleinen Magnetfeldern (0,88 mT) um zwei Größenordnungen bei ausgezeichneter mechanischer Anpassungsfähigkeit im Vergleich zu druckbaren Magnetfeldsensoren nach dem Stand der Technik auf. Wir stellen das Potenzial unserer hautkonformen und druckbaren magnetoresistiven Sensoren in Augmented-Reality-Umgebungen vor, bei denen ein an einem Finger angebrachter Sensor die berührungslose Steuerung virtueller Objekte übernimmt, die zum Scrollen elektronischer Dokumente und zum Zoomen von Karten mithilfe kleiner Permanentmagnete geeignet sind. Im Rahmen der Projektdurchführung haben wir alle Ziele des Projekts erfolgreich erreicht, die in wichtigen materialwissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht werden. Zusätzlich zu diesen Hauptzielen, die ursprünglich für das Projekt im Jahr 2018 geplant waren, führten die tatsächlichen Umsetzungsaktivitäten zu wirkungsvollen Entdeckungen, darunter (i) die Entwicklung einer Technologie zur Herstellung hochkonformer magnetischer Verbundwerkstoffe für magnetische Softroboter. (ii) Wir haben eine Methode zur Realisierung magnetoresistiver Sensoren entwickelt, die auf dem anisotropen magnetoresistiven (AMR) Effekt in delaminierten Dünnfilmen basiert, die durch Magnetronsputtern hergestellt wurden. (iii) Unsere erfolgreiche Untersuchung gedruckter AMR-Sensoren, die auf der Grundlage der Dünnschichttechnologie hergestellt wurden, ermutigte uns, die Möglichkeit zu testen, elektrische Perkolation in gedruckten Verbundwerkstoffen mit kommerziellen Permalloy-Mikropartikeln zu realisieren (Permalloy = Fe19Ni81-Legierung). Diese Arbeit führte zu den weltweit ersten selbstheilenden Magnetfeldsensoren. Dies ist die Eröffnungspublikation für die folgenden Aktivitäten zur ökologisch nachhaltigen Magnetoelektronik. Dieses Thema wurde von der Forschungsgemeinschaft noch nicht untersucht. (iv) Mit der vorliegenden Information, dass elektrische Perkolation in Verbundwerkstoffen mit kommerziellen Mikropartikeln realisiert werden kann, haben wir unseren Fokus auf die Realisierung leistungsstarker Magnetfeldsensoren ausgeweitet, die auf anderen magnetoresistiven Effekten basieren, die grundlegend neu sind. In diesem Zusammenhang haben wir kommerzielle Bi-Mikropartikel ausgewählt, um gedruckte Magnetfeldsensoren zu realisieren. Wismut ist ein topologischer Isolator höherer Ordnung und zeigt den sogenannten linearen magnetoresistiven Effekt. Diese grundlegende Eigenschaft ermöglichte es uns, den Einsatzbereich gedruckter Magnetfeldsensoren auf sehr hohe Felder auszudehnen, z.B. Sensoren können sogar bei 7 T betrieben werden. Die Ergebnisse dieses Projekts werden in zahlreichen Publikationen vorgestellt und im Rahmen von eingeladenen Vorträgen auf wichtigen Fachkonferenzen mit der Forschungsgemeinschaft aus Materialwissenschaftlern, Physikern und Ingenieuren diskutiert. Darüber hinaus stellten die im Rahmen dieses DFG-Projekts erzielten Ergebnisse eine solide Grundlage für das Verständnis der magnetischen Verbundwerkstoffe (elektrisch leitend und nicht leitend) dar, die eine erfolgreiche Beantragung anschließender Drittmittel über EU- und nationale Projekte ermöglichte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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