PowderMEMS-Technologie weiterentwickelt Weniger Bauraum durch Mikromagnete direkt im Sensorchip

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Bis zu 99 Prozent weniger Seltenerdmaterial und ein deutlich geringerer Platzbedarf – das verspricht die Microbias-Anwendung der PowderMEMS-Technologie von Fraunhofer. Das zugrunde liegende Verfahren läuft bereits auf einer 200-mm-Pilotlinie.

Eine interessante Technologie von Fraunhofer erlaubt die Integration von winzigen Permanentmagneten direkt auf Wafer-Ebene; PowderMEMS wird sie genannt. Erstmals erregte sie im Jahr 2022 unsere Aufmerksamkeit und damals ging es vor allem um Energy Harvesting, also die Energieversorgung weitgehend autarker Sensorknoten. Vier Jahre später zeigt das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS mit Microbias eine weitere Anwendung der Technologie: ein Sensorsystem, bei dem Permanentmagnete, Hall-Sensoren und Signalverarbeitung auf einem einzigen Chip zusammenkommen.

Entwickelt wurde Microbias gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM. Nach Angaben der Forscher lässt sich damit das Gesamtvolumen von Sensor und Magnet auf bis zu ein Hundertstel reduzieren. Gleichzeitig soll der Bedarf an Seltenerdmaterialien um bis zu 99 Prozent sinken, ohne dass die Messleistung darunter leidet.

Weniger Magnetmaterial, weniger Montageaufwand

Herkömmliche magnetische Sensorsysteme bestehen häufig aus einem Sensorchip und einem separat montierten Permanentmagneten. Dieser erzeugt ein definiertes Vorspannmagnetfeld, mit dessen Hilfe der Sensor beispielsweise Bewegungen oder Positionen eines metallischen Bauteils erfasst. Allerdings benötigen beide Komponenten Platz und müssen präzise zueinander ausgerichtet werden.

Bei Microbias befindet sich der Permanentmagnet direkt im Siliziumsubstrat des Sensorchips. Die Positionierung von Magnet und Sensorelementen erfolgt bereits während der Waferfertigung mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich. Dadurch entfällt die separate Montage des Vorspannmagneten. Wie groß die Materialeinsparung ausfallen kann, verdeutlicht Fraunhofer anhand eines konkreten Beispiels: Während der Permanentmagnet eines herkömmlichen Back-Bias-Systems ein Volumen von etwa 30 Kubikmillimetern aufweist, benötigt ein integrierter Mikromagnet lediglich 0,03 Kubikmillimeter. Selbst zehn dieser Mikromagnete kommen zusammen nur auf ein Hundertstel des ursprünglichen Magnetvolumens.

Möglich wird dies unter anderem durch den geringen Abstand zwischen Magnet und Sensorelement. Das Magnetfeld lässt sich zudem gezielt an die jeweilige Messaufgabe anpassen.

Von Energy Harvesting zur integrierten Sensorik

Die Grundlage dafür ist das am Fraunhofer ISIT entwickelte PowderMEMS-Verfahren. Wie bereits 2022 beschrieben, werden dafür zunächst mikroskopisch kleine Vertiefungen in ein Substrat eingebracht und mit magnetischem Pulver gefüllt. Anschließend verbindet eine mittels Atomlagenabscheidung erzeugte Aluminiumoxidschicht die einzelnen Partikel zu einer stabilen Struktur.

Schon damals nutzten die Forscher das Verfahren, um NdFeB-Mikromagnete in mikromechanische Energiewandler zu integrieren. Bei Microbias steht dagegen die magnetische Sensorik im Mittelpunkt. Ein Demonstrator kombiniert eine Matrix aus 40 Mikromagneten auf der Chiprückseite mit integrierten 3D-Hall-Sensoren und Signalverarbeitung auf der Vorderseite. Die Integration von Vorspannmagneten in Sensorchips wurde auch unabhängig von Microbias bereits erprobt. So konnten Fraunhofer-Forscher zeigen, dass integrierte Mikromagnete den diskreten Permanentmagneten eines kommerziellen AMR-Stromsensors ersetzen können. Die modifizierten Sensoren erfüllten nach Angaben des Fraunhofer ISIT die Spezifikationen der ursprünglichen Ausführung, unter anderem hinsichtlich Sprungantwort und Offsetverhalten nach Überstromimpulsen.

Pilotfertigung auf 200-mm-Wafern möglich

Für eine industrielle Anwendung ist insbesondere die Fertigung interessant. Das Fraunhofer ISIT hat das PowderMEMS-Verfahren inzwischen in seine 200-mm-Fertigungslinie für MEMS und mikroelektronische Bauelemente integriert. Dort sind Prototypen und kleinere Pilotserien möglich. Für größere Produktionsmengen sieht das Institut eine Lizenzierung und Übertragung der Technologie in die Fertigungsumgebung industrieller Partner vor.

Eine wirtschaftliche Großserienfertigung von Microbias ist damit allerdings noch nicht nachgewiesen. Konkrete Angaben zu Fertigungsausbeute, Stückkosten oder Serienaufträgen liegen bislang nicht vor. Als mögliche Anwendungen nennt Fraunhofer kompakte Robotergelenke, Greifsysteme, Aktoren und die Zustandsüberwachung von Maschinenkomponenten. Primär dort, wo nur wenig Bauraum zur Verfügung steht, könnten die integrierten Sensoren ihre Vorteile ausspielen.

Microbias steht bereits für anwendungsspezifische Entwicklungen mit 3D-Hall-Sensorik zur Verfügung. Eine Übertragung auf magnetoresistive Sensorprinzipien ist ebenfalls vorgesehen. Auf der electronica 2026 zeigt das Fraunhofer IIS die Technologie vom 10. bis 13. November in Halle C5, Stand 241. (sb)

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