Integration ultradünner Magnetfeldsensoren in intelligente Automatisierungskomponenten (UltraMag) - Teilprojekt: Entwicklung ultradünner, dreidimensional messender Magnetfeldsensoren

Gesamtziel 

Ziel dieses Verbundprojekts ist die Leistungsverbesserung elektromagnetischer Antriebs-, Steuerungs- und Messsysteme durch Implementierung ultradünner Magnetfeldsensoren, welche auf Grund der geringen Bauhöhe die Magnetfeldmessung an bisher nicht zugänglichen Stellen erlauben. Die so gewonnenen Messdaten erweitern die Kenntnis des Systemzustandes und ermöglichen es, den Betrieb durch verfeinerte Steuer- und Regelalgorithmen zu optimieren. Voraussetzung für die räumliche und funktionelle Implementierung ist sowohl die Entwicklung geeigneter, mehrdimensional messender magnetischer Mikrosensoren als auch die Entwicklung einer an die Anforderungen einer ultradünnen Bauweise angepassten Aufbau und Verbindungstechnik (AVT) zur geeigneten Systemintegration.

Ziel des Teilprojektes (IMPT)

Das Teilprojekt des IMPT verfolgt als primäres Ziel die Entwicklung eines planaren ultradünnen dreidimensionalen GMR-Sensors, der die Messung von kleinen Magnetfeldern in allen drei Raumrichtungen ermöglicht. Ein integrierter Leiter erlaubt hierbei eine Kompensation (Abschirmung) des zu messenden Feldes und stellt so die Nutzung der hohen Empfindlichkeit des GMR-Sensors sicher. Durch die Entwicklung von ultradünnen Sensoren mit Konzentrations- und Kompensationselementen und der daraus resultierenden Möglichkeit zur Messung in kleinsten Spalten soll eine erhebliche Leistungsverbesserung in elektromagnetischen Antriebs-, Steuerungs- und Messsystemen erreicht werden.

Weiterhin werden Untersuchungen zur Verbesserung der Linearität und Empfindlichkeit von GMR für den beschriebenen Einsatzzweck durchgeführt. Diese Untersuchungen umfassen GMR-Sensorsysteme auf Basis von Multilayern und Spin-Valves, die durch Kathodenzerstäubung hergestellt werden. In einem weiteren Schritt wird an der Entwicklung von TMR-Sensoren gearbeitet, um die Empfindlichkeit des Sensorsystems zu erhöhen.

Entscheidend für den vorgesehenen Einsatz ist eine sehr geringe Bauhöhe der Magnetfeldsensoren. Deshalb ist neben der Entwicklung der Sensoren auch ein Prozess zum Dünnen der Wafer sowie eine geeignete AVT für die Integration in den vorgesehenen Demonstratoren (z.B. im Luftspalt zwischen dem Stator und Rotor) zu entwickeln . Ziel hierbei ist die Vermeidung einer Vergrößerung der Bauhöhe durch Montage und Kontaktierung. Das Sensor-Package besteht aus drei Teilen: dem Sensor-Chip, dem Flexkabel und der Keramikplatine. Die elektrische Kontaktierung des Sensors und des Flexkabels erfolgt mittels Ultraschall-Drahtbonden. Um einen erfolgreichen Einbau in den Demonstrator ermöglichen zu können, darf das komplette Package (zusammen mit den Drähten) eine Höhe von max. 200 µm aufweisen. Für das Dünnen von Sensor-Chips wurde ein am IMPT entwickelter „Thinning-by-Dicing“-Prozess eingesetzt. Dieser ermöglicht, durch eine Kombination von Profilieren mittels Trennschleifen, Feinläppen und Nanoschleifen, und dem bekannten „Dicing-by-Thinning“-Verfahren, eine extreme Dickenreduktion und ein defektfreies Ablösen von ultradünnen Si-Chips.