HZDR: Flexible Fühler für die Schnittstelle Mensch-Maschine

Im Projekt "MAG4INK" wollen Wissenschaftler*innen des HZDR, des Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP und des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS den Nachweis erbringen, dass sich gedruckte Magnetfeldsensoren in industrierelevanten Größenordnungen herstellen lassen. Das Vorhaben ist gleichzeitig ein Beispiel dafür, wie Forschungseinrichtungen am Wissenschaftsstandort Dresden Synergien ausloten und erfolgreich bündeln. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt in den kommenden drei Jahren mit insgesamt 1,5 Millionen Euro.

Die zunehmende Digitalisierung unseres Alltags macht es immer wichtiger, große Datenmengen zu erfassen und zu verarbeiten. Ein Teil dieser Daten stammt von unterschiedlichsten Sensoren, die alle nur denkbaren Aspekte unseres Lebens registrieren. Eine Vielzahl dieser Sensoren wiederum gewinnt ihre Informationen aus der Wechselwirkung mit Magnetfeldern. "Aktuell erhältliche Sensormodelle nach diesem Prinzip sind auf starren Substraten sitzende Dünnschicht-Materialien, die nicht flexibel und zudem relativ großvolumig und vergleichsweise aufwendig herzustellen sind", beschreibt Denys Makarov vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung den derzeitigen Stand. Den wollen Forscher*innen nun umkrempeln: mit gedruckter Elektronik als vielversprechender Technologie für eine kostengünstigere Sensorherstellung.

"Elektronische Bauteile können wir heute auch per Druckverfahren produzieren. Hier werden die Druckfarben durch elektronische Funktionstinten oder -pasten ersetzt. So gelingt es uns, Dünnschicht-Bauelemente durch das Übereinanderdrucken mehrerer Funktionsschichten herzustellen. Die so gewonnenen elektronischen Komponenten sind leicht und klein sowie dünn und flexibel – und sogar recycelbar", erzählt Makarov. Für den Magnetismus-Experten sind das nur einige der Vorteile der neuen Sensoren, die als Unikate bereits existieren. Im Forschungsvorhaben "MAG4INK" wollen die Wissenschaftler*innen zeigen, dass sich ihre gedruckten Magnetfeldsensoren auch in einer für die Industrie interessanten Größenordnung herstellen lassen – und zwar wirtschaftlich.

Zum einen betrifft das 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. Noch anspruchsvoller sind zum anderen 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 von Mensch und Maschine.

Infrastruktur für die Informationsgesellschaft: Sensoren für das Internet der Dinge
Die erfolgreiche Umsetzung des Vorhabens kann nur durch die Verwendung qualitativ hochwertiger Ausgangsmaterialien gelingen. Das MAG4INK-Team nutzt hierfür eine spezielle Nickel-Eisen-Legierung, die im Englischen auch als permalloy bekannt ist. Bei MAG4INK ist es der Grundstoff, den die Physiker*innen über Abscheidung aus der Gasphase zunächst in ein Pulver verwandeln. Durch anschließende Mischung des Pulvers mit Polymeren erhalten sie schließlich eine Paste, die das Herstellen von Magnetfeldsensoren beispielsweise im Siebdruckverfahren gestattet.

Die beteiligten Teams verfügen zusammen über das nötige 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.

Eine besondere 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."

VIP+: Brückenschlag in die Anwendung
"MAG4INK" wird vom BMBF drei Jahre lang unterstützt; die Gesamt-Fördersumme beläuft sich auf 1,5 Millionen Euro. Es ist das erste Mal, dass ein HZDR-Team über das Programm "Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP+" gefördert wird. Es ist Bestandteil der Hightech-Strategie "Innovationen für Deutschland" der Bundesregierung, mit der die Innovationskraft durch kreative Antworten auf die drängenden Herausforderungen unserer Zeit gestärkt werden soll.

Kontakt

Dr. Denys Makarov
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel.: +49 351 260 3273
E-Mail: d.makarov@hzdr.de

Weiterführende Links

www.hzdr.de
Foto: Fraunhofer IKTS