Projekt
Auslegung und Herstellung von gedruckten Magnetfeldsensoren für flexible Elektronik.
Akronym
MAG4INK
Fördergeber
Bundesministerium für Bildung und Forschung
Projektträger
VDI/VDE Innovation +
Technik GmbH
Laufzeit
01.04.2021 – 31.03.2024
Konferenzen und Web-Präsentationen
Interview mit dem Projektkoordinator Herrn Dr. Denys Makarov (HZDR) zum Projektthema
Wie lassen sich gedruckte Magnetfeldsensoren in industrierelevanten Größenordnungen herstellen?
https://www.validierungsfoerderung.de/aktuelles/aktuelles/wie-lassen-sich-gedruckte-magnetfeldsensoren-in-industrierelevanten-groessenordnungen-herstellen
MRS Fall Meeting 26.11-01.12.2023, Boston, USA
Der Vortrag wurde von Herrn Dr. Mykola Vinnichenko (Fraunhofer IKTS) zum Thema „High-Throughput Printing and Post-Processing Approaches for Realization of Novel Flexible Magnetoresistive Sensors“ gehalten. Die Herstellung druckbarer flexibler AMR-Sensoren, die im Rahmen des MAG4INK-Projekts validiert werden, wurde im Zusammenhang mit dem Upscaling und in Bezug auf die anderen gedruckten Sensoren diskutiert.
https://www.mrs.org/meetings-events/fall-meetings-exhibits/2023-mrs-fall-meeting/symposium-sessions/presentations/detail/2023_mrs_fall_meeting/2023_mrs_fall_meeting-3954252
V2023 – Vacuum & Plasma 18.-21.09.2023, Dresden, Deutschland
Das Poster, das die Vorbereitung der magnetischen AMR-Partikel zusammenfasst, wurde von Herrn M. Ott, Fraunhofer FEP, während der V2023-Konferenz präsentiert.
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Deutsches Museum Nacht 16.-17.09.2023,
Nürnberg, Deutschland
Am 16. und 17. September feiert das Deutsche Museum Nürnberg (DMN) Geburtstag und hat dazu das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eingeladen, der Öffentlichkeit Einblicke in die Forschung am Zentrum zu gewähren. Einige der Exponate geben Einblicke in der Entwicklung von druckbaren Magnetfeldsensoren.
Eurosensors 2023 10.-13.09.2023, Lecce, Italien
Die Projektergebnisse werden von Herrn Clemens Voigt (Fraunhofer IKTS) auf der Eurosensors 2023 Konferenz am 13. September 2023 vorgestellt. Das Thema des Vortrags war „Printed Anisotropic Magnetoresistive Sensors on Flexible Polymer Foils“.
https://www.eurosensors2023.eu/conference-program/
Dresdner Lange Nacht der Wissenschaften 30.06.2023
Lange Wissenschaftsnacht in Dresden – HZDR hat sich am 30. Juni 2023 in der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (HTW) präsentiert. Die Wissenschaft-begeisterten Dresdner*innen haben dabei die hiesige Forschung erkundet.
SVC 2023 8.-11.05.2023, Maryland, USA
Das Vortragsthema von Herrn Thomas Preussner (Fraunhofer FEP) während “The 66th Annual Technical Conference der Society of Vacuum Coaters, SVC 2023”, befasste sich mit der „Synthesis of magnetic particles for printable inks by sputtering for sensor applications“
LOPEC 2023 28.02 – 02.03.2023, München, Deutschland
Die Forschungs- und Technologieaspekte des Projekts wurden von Herrn Mykola Vinnichenko (Fraunhofer IKTS) in der Präsentation „Scalable printing of anisotropic magnetoresistive sensors on flexible substrates“ am 2. März 2023 vorgestellt. Während der LOPEC 2023 Ausstellung wurden zwei Demonstratoren aufgeführt, die den berührungslosen Schaltvorgang der gedruckten flexiblen magnetoresistiven Sensoren zeigen.
Electronica 15. – 18.11.2022
Mit Funktionstinten oder -pasten lassen sich magnetoresistive Sensoren für das kontaktlose Schalten erzeugen. Diese sind flexibel, robust und sogar recycelbar. Damit eignen sie sich unter anderem für den Einsatz in der Medizintechnik oder in smarten Textilien – beispielsweise in Funktionskleidung, die kühlt.
Für diese gedruckten Sensoren haben wir neben den verschiedene Pasten- und Tintenrezepturen für den jeweiligen Anwendungsfall auch die passenden Formulierungen für die Opferschichten entwickelt, die für die Herstellung der magnetosensitiven Pulver auf Basis von Magnetronsputtern notwendig sind. Keramiken, Gläser und Metalle – überführt in Tinten und Pasten – können als gedruckte Schichten ein breites Spektrum an Funktionen erfüllen.
Sensor Disrupt am 28.09.2022: https://sensorxdisrupt.de/
Projektbroschüre PDF (3 MB)
Projektziel
Im Validierungsvorhaben »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. Die im Vorhaben vorgestellte Innovation besteht in der Herstellung von Magnetfeldsensoren mit hoher Sensitivität im mT-Bereich bis in den sub-µT-Bereich mittels Druckverfahren. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt im Rahmen des Förderprogramms „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP+“ 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.
Elektronische Bauteile lassen sich heute auch per Druckverfahren herstellen (Gedruckte Elektronik). 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.
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.
Die Sensoren können aufgrund ihrer hohen Magnetfeldsensitivität sowie ihrer flexiblen Gestaltung 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.
Projektablauf
Die beteiligten Projektpartner 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. Es soll der Nutzen dieses Ansatzes anhand verschiedener Sensorlayouts in Form von Demonstratoren gezeigt werden. Dabei soll der Nachweis erbracht werden, dass die Sensoren bestimmte Kriterien erfüllen, wie etwa die von den angestrebten Anwendungen geforderte Temperatur- und Langzeitstabilität.
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 die jährlich herstellbare Mengen des pulverförmigen Ausgangsmaterials vom bisherigen Milligramm- in den Kilogramm-Maßstab überführt werden. Nur so lassen sich die Produktionskosten absenken, sodass der Prozess für industrielle Anwendungen interessant wird.
Projektpartner
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
- Prozesskette zur Herstellung magnetosensitiver Pulver auf Basis von Magnetronsputtern
- Reproduzierbare, großvolumigen Abscheidung mit Optimierung für Sensorfunktion
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
- Entwicklung und Herstellung polymerer Opferschichten sowie deren Abscheidung auf Glassubstrate
- Ablösung der magnetischen Schichten und Mahlung zu Pulver
- Formulierung von Pasten und Tinten basierend auf den magnetischen Pulvern
- Entwicklung von Nachbearbeitungstechniken (Laminierung, Diodenlaser-Array, Kombination mit Magnetfeld) zur Realisierung einer maximalen Magnetfeldempfindlichkeit gedruckter AMR-Sensoren
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR
- Nachweis Sensorfunktion in unterschiedlichen Feldbereichen
- Korrelation von Pulverparameter, Eigenschaften von Tinte / Paste sowie die MR-Eigenschaften der gedruckten Schichten und Sensoren
- Herstellung der Projektdemonstratoren (u.a. gedruckte magnetische Schalter, Mensch-Maschinen-Schnittstellen, Überwachung der Bewegung von Gelenken für die Rehabilitation)
Ergebnisverwertung und Möglichkeiten zur Kooperation
Um die Anforderungen des späteren Nutzerkreis der Innovation frühzeitig zu erkennen und im Verlauf des Projekts in die Entwicklung einzubeziehen gibt es einen regelmäßigen Dialog mit der Sensorbranche über einem Industriebeirat. Während des Projekts wird zudem stets darauf geachtet, dass die für die Produktion der Magnetfeldsensoren verwendeten Fertigungsmittel auch für kleine und mittelständische Unternehmen keine Einstiegsbarrieren darstellen.
Alle Interessierte an diesem Thema können sich gerne an die folgenden Kontaktpersonen wenden. Es ist geplant im Rahmen von Nachfolgeprojekten industrielle Partner direkt mit einzubeziehen.
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
Dr.-Ing. Kerstin Täschner
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
Telefon +49 351 2586-376
kerstin.taeschner(at)fep.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Dr. Mykola Vinnichenko
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Telefon +49 351 2553-7282
mykola.vinnichenko(at)ikts.fraunhofer.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR
Dr. Denys Makarov (Verbundkoordinator)
Bautzner Landstraße 400
01328 Dresden
Telefon +49 351 260 3273
d.makarov(at)hzdr.de
Informationen zur Projektförderung
Die Bundesregierung hat das Ziel, die vielfältigen Anwendungspotenziale exzellenter Forschung noch schneller und effektiver zu identifizieren und für Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar zu machen. Dafür muss die Brücke zwischen akademischer Forschung und ihrer wirtschaftlichen Verwertung bzw. gesellschaftlichen Anwendung weiter gestärkt werden. Die BMBF-Fördermaßnahme „Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP+“ setzt hier an und unterstützt Forscherinnen und Forscher dabei, Forschungsergebnisse systematisch zu validieren und Anwendungsbereiche zu erschließen.
Teilvorhaben Fraunhofer IKTS: 03VP09092
Teilvorhaben Fraunhofer FEP: 03VP09093
Teilvorhaben Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf: 03VP09091
Projektbezogene Veröffentlichungen
D. Karnaushenko, D. Makarov, and O. G. Schmidt „Method for the production of printed magnetic functional elements for resistive sensors and printed magnetic functional elements“, DE patent number: DE 102011077907B4, US patent number: US 9000764B2.
T. Kosub and D. Makarov „Vorrichtung zum Charakterisieren des elektrischen Widerstandes eines Messobjekts“, DE patent number: DE 10 2017 105 317B3, US patent number: US 11156574B2.
E. S. Oliveros Mata, C. Voigt, G. S. Cañón Bermúdez , Y. Zabila, N. M. Valdez Garduño , M. Fritsch, S. Mosch, M. Kusnezoff, J. Fassbender, M. Vinnichenko, and D. Makarov: Dispenser Printed Bismuth-Based Magnetic Field Sensors with Non-Saturating Large Magnetoresistance for Touchless Interactive Surfaces. Adv. Mater. Technol. 2200227, 1-10 (2022). DOI: 10.1002/admt.202200227
M. Ha, G. S. Cañón Bermúdez, T. Kosub, I. Mönch, Y. Zabila, E. S. Oliveros Mata, R. Illing, Y. Wang, J. Fassbender, and D. Makarov „Printable and Stretchable Giant Magnetoresistive Sensors for Highly Compliant and Skin-Conformal Electronics“, Adv. Mater. 33, 2005521 (2021). doi:10.1002/adma.202005521
E. S. Oliveros Mata, G. S. Cañón Bermúdez, M. Ha, T. Kosub, Y, Zabila, J. Fassbender, and D. Makarov „Printable anisotropic magnetoresistance sensors for highly compliant electronics“, Apple. Phys. A 127, 280 (2021). doi:10.1007/s00339-021-04411-1
D. Karnaushenko, D. Makarov, M. Stöber, D. D. Karnaushenko, S. Baunack, and O. G. Schmidt „High performance magnetic sensorics for printable and flexible electronics“, Adv. Mater. 27, 880 (2015). doi:10.1002/adma.201403907
D. Makarov, D. Karnaushenko, and O. G. Schmidt „Printable magnetoelectronics“, ChemPhysChem (Concept) 14, 1771 (2013). doi:10.1002/cphc.201300162
D. Karnaushenko, D. Makarov, C. Yan, R. Streubel, O. G. Schmidt „Printable giant magnetoresistive devices“, Adv. Mater. 24, 4518 (2012). doi:10.1002/adma.201201190