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Druckfähige magnetische Sensoren

Elektronische Bauteile, die mit einfachen Druckverfahren direkt auf verschiedene Unterlagen aufgebracht werden können, haben in jüngster Zeit immer mehr an Bedeutung gewonnen. Druckbare Schaltungen mit Widerständen, Transistoren und Dioden gibt es bereits. Sie können kostengünstig hergestellt werden und funktionieren auch auf flexiblen Unterlagen wie Papier oder Folie.

Forscher aus Dresden und Chemnitz haben nun ein weiteres wichtiges Bauteil druckfähig gemacht: magnetische Sensoren, die auf dem Riesenmagnetowiderstand beruhen. Dieser sogenannte GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance) bewirkt, dass geringe Änderungen eines äußeren Magnetfeldes starke Änderungen beim elektrischen Widerstand zur Folge haben. Praktisch wird das genutzt beim kontaktlosen Schalten oder beim Lesen magnetisch gespeicherter Informationen, wie sie für Festplatten in Computern vorliegen.

Herkömmliche GMR-Sensoren bestehen aus Schichtstapeln ferromagnetischer und nicht-magnetischer Metalle (z.B. Kobalt und Kupfer), die auf feste Siliziumsubstrate aufgebracht werden. Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Direktor des Instituts für Integrative Nanowissenschaften am IFW Dresden und Professor für Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz, und sein Team haben diese Schichten vom Substrat abgelöst und daraus eine magnetische Tinte entwickelt, die bei Raumtemperatur einen Riesenmagnetowiderstand aufweist, der ausreicht, um damit funktionierende Sensoren auf flexiblen Substraten wie Papier oder Polymeren herzustellen. Eine erste Funktionsprobe für einen gedruckten GMR-Sensor liefert ein Magnetschalter, der in den elektronischen Schaltkreis einer Postkarte aufgedruckt und integriert ist. Die darin enthaltene Leuchtdiode wird von einem Magneten angesteuert, der den Widerstand des gedruckten Magnetsensors ändert und damit auch den Stromfluss beeinflusst.

Damit haben die Forscher gezeigt, dass die gedruckten Magnetfeldsensoren in andere, bereits bestehende druckbare elektronische Bauelemente integriert werden können, um magnetische Felder zu detektieren und auf sie zu reagieren. Dadurch werden neue Anwendungen für gedruckte elektronische Schaltkreise möglich: aktive intelligente Verpackungen, Postkarten, Bücher und Werbematerialien, die mit der Umgebung kommunizieren können. Die druckbaren Magnetsensoren können in komplexen Schaltkreisen als kontaktlose Schalter agieren. Kombiniert mit einem RFID-Transponder (Radiofrequenz-Identifikation) und einer druckbaren Antenne könnten integrierte Funktionalitäten wie zum Beispiel der Datenaustausch durch externe Magnetfelder gesteuert werden. “Unser erster Demonstrator eines auf eine Postkarte gedruckten Magnetschalters bringt die Vision einer integrierten durchgängig druckbaren Elektronik der Wirklichkeit ein großes Stück näher”, sagt Dr. Denys Makarov, der die Gruppe “Magnetic Nanomem branes” im IFW Dresden leitet.

Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden – kurz das IFW Dresden – ist ein nicht universitäres Forschungsinstitut und Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Dieses Institut beschäftigt sich mit moderner Materialwissenschaft und kombiniert Forschungstätigkeiten in Physik, Chemie und Materialwissenschaften mit der technologischen Entwicklung neuer Materialien und Produkte. Das IFW Dresden beschäftigt rund 530 Mitarbeiter, davon 320 Wissenschaftler, größtenteils Physiker, Chemiker und Materialingenieure. Seit 2010 betreibt das IFW eine Außenstelle im Start up-Gebäude auf dem Chemnitzer Smart Systems Campus in unmittelbarer Nähe der Technischen Universität. Bund und Land tragen zu gleichen Teilen das Budget von 27 Millionen Euro (2011). Zusätzlich wirbt das IFW Dresden Projektmittel in Höhe von jährlich 12 Millionen Euro (2011) ein. Prof. Dr. Oliver G. Schmidt leitet im IFW Dresden das Institut für Integrative Nanowissenschaften und ist gleichzeitig Professo r für Materialsysteme der Nanoelektronik an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Chemnitz. Auf der Basis dieser gemeinsamen Berufung hat sich eine enge Kooperation zwischen dem IFW und der TU Chemnitz entwickelt, in die auch Studenten und Doktoranden der TU Chemnitz eingebunden sind.

Die Forschungsergebnisse wurden veröffentlicht in der Zeitschrift “Advanced Materials”: Daniil Karnaushenko, Denys Makarov, Chenglin Yan, Robert Streubel, and Oliver G. Schmidt: Printable Giant Magnetoresistive Devices, Advanced Materials, Volume 24, Issue 33, 2012, p. 4518-4522 (TU Chemnitz)