Trägheitssensor aus Nanodrähten und Magnetowiderstand

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Trägheitssensors durch Kombination verschiedener nanoskaliger Komponenten: selbstorganisierende Nanodrähte, magnetische Nanopartikel sowie magnetoresistive (GMR und TMR) Dünnschichtdetektoren. Der vorgeschlagene biomimetische Sensor ist in seinem Aufbau dem menschlichen Innenohr nachempfunden und kann dadurch den Hörprozess nachahmen: ähnlich wie bei den Cilien dienen mechanische Schwingungen von Nanodrähten als Auslöser von elektrischen Signalen in integrierten Detektoren. Das Prinzip beruht auf selbstorganisierten Nanodrähten, welche kontrolliert auf spezifischen Substraten gewachsen werden und an ihren freien Enden ferromagnetische oder paramagnetische Nanoteilchen tragen. Die Positionierung der magnetischen Nanoteilchen geschieht entweder auch selbstorganisierend über die Verwendung ferromagnetischer Wachstumskeimlinge oder durch anschließendes chemisches Anbinden oder durch lithographische Strukturierung von aufgebrachtem Material. Das magnetische Streufeld der Nanoteilchen wird mit integrierten magnetoresistiven Detektoren gemessen. Eine extern verursachte mechanische Auslenkung des Nanodrahtes erzeugt eine Veränderung der Streufeldwirkung und dadurch des Detektorsignals. Projektziel ist die Entwicklung und Herstellung von Demonstratoren von Trägheitssensoren. Dies beinhaltet das reproduzierbare und kontrollierte Wachstum von Nanodrähten, das Anbringen von magnetischen Nanoteilchen an den Nanodrähten sowie die Optimierung der magnetoresistiven Dünnschichtdetektoren. Mikromagnetische Modellierungsrechnungen dienen dem Verständnis des Sensorverhaltens. Der Aufbau des vorgeschlagenen Sensors ist vergleichsweise einfach und kann dadurch wirtschaftlich wettbewerbsfähig umgesetzt werden. Darüber hinaus bietet diese Sensorplattform die Möglichkeit jede Art von Bewegung durch die Wahl der optimalen Sensorgeometrie detektieren zu können. Dies ermöglicht den Einsatz als akustischen Sensor oder als `Mikrophon` im kHz und MHz Bereich. Die Resonanzfrequenz der Nanodrähte kann dabei durch den Durchmesser beziehungsweise durch die Länge voreingestellt werden. Eine weitere vielversprechende Anwendung des Sensors ist die hochsensitive Detektion von Biomolekülen, die an den Nanodrähten anbinden, sowie als Strömungssensor in Flüssigkeiten. Für die wirtschaftlich erfolgreiche Umsetzung des Sensors wird schon jetzt ein Patentantrag eingereicht. Die Kommerzialisierung des Sensors soll letztlich zusammen mit Industriepartnern erfolgen. Die hier vorgeschlagene Zusammenarbeit der beiden österreichischen Partner kombiniert zwei hochaktuelle Forschungsfelder: Magnetoelektronik und selbstorganisierende Nanodrähte. Dieses Projekt will wissenschaftliche Grundlagenerkenntnis in eine Produktidee umsetzen.

Das Kernziel dieses Projektes war die Entwicklung eines neuartigen Trägheitssensors durch die Assemblierung verschiedener nanoskaliger Komponenten. Hierbei werden selbst-organisierend wachsende Nanodrähte, daran angebrachte magnetische Komponenten und Dünnschichtdetektoren mit Riesen- bzw. Tunnelmagnetowiderstandseffekt benötigt. Dieser Trägheitssensor ähnelt den Cilien im menschlichen Innenohr und dem Hörprozess: die Bewegung der Nanodrähte bewirkt ein magnetisches Signal durch die magnetischen Komponenten und damit wiederum ein elektrisches Signal im eingebetteten Detektor. Das Projekt führte zu einer erfolgreichen Implementierung aller notwendigen Nano-Komponenenten und zur Demonstration eines Mechanosensors basierend auf diesem bionischen Prinzip in einer 1D Sensor Geometrie. Silizium und Germanium Nanodrähte wurden entwickelt und durch VLS (vapor-liquid-solid) Verfahren selbst- organisiert gewachsen. Sie wurden in einer chemischen Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck in einem Heißwandreaktor synthetisiert, indem Gold Nanokristalle als metallische Katalysatoren und Silan/German als Precursorengas Verwendung fanden. Auf einkristallinen Siliziumscheiben wachsen solche Nanodrähte epitaktisch in einer bevorzugten Orientierung: vertikal auf <111> und schräg unter 35,3 auf <100> Oberflächen. Als die bessere Alternative für den geplanten Sensor erwiesen sich Nanodrähte aus "Plastik", für welche ein Prozess bei Raumtemperatur entwickelt werden konnte. Polymernanodrähte aus Polypyrrol (PPy) konnten auf GMR Material gewachsen werden. Schließlich konnte ein funktionierender Demonstrator erstellt und getestet werden. Dieser enthält einen Riesenmagnetowiderstandsdetektor, PPy Nanodrähte und magnetische Komponenten, die durch Sputterbeschichtung von CoFe auf die Nanodrähte aufgebracht wurden. Obwohl die nachgewiesenen Signale klein waren, konnten sie der Sensorbeschleunigung zugeordnet werden und lieferten einen Beweis der prinzipiellen Machbarkeit in einer 1D Sensorgeometrie. Numerische mikromagnetische und finite Elemente Simulationen unterstützen die experimentellen Ergebnisse. Der vorgeschlagene Sensor ist sehr einfach verglichen mit kommerziellen MEMS Bauteilen, und deshalb auch kostengünstig und wettbewerbsfähig in unterschiedlichen Marktsegmenten. Dieses Projekt wird als eines der anschaulichsten Beispiele der bionischen Forschung auf dem Gebiet der Sensortechnologie gesehen. Nach einer Ausstellung im Technoseum in Mannheim im vergangenen Jahr kann dieser biomimetische Sensor nun bei der DASA in Dortmund vom 27.2. bis 9.10.2011 besucht werden. Die laufende Ausstellung "Nano! Nutzen und Visionen einer neuen Technologie" (www.dasa-dortmund.de) können wir nur wärmstens empfehlen.