High-Performance-Sensorik bei minimalem Platzbedarf

In komplexen Aktoren, wie sie beispielsweise in der Robotik eingesetzt werden, müssen Sensoren Bewegungs- und Zustandsdaten auf engem Raum erfassen. Konventionelle magnetische Sensorsysteme bestehen häufig aus einem Sensorchip und einem separat montierten Permanentmagneten. Diese Anordnung beansprucht viel Bauraum und erschwert die präzise Ausrichtung der Komponenten zueinander. Eine Verkleinerung der Magnete wiederum kann den Einsatz signifikanter Mengen seltener Erden erfordern oder die Messleistung beeinträchtigen.

MicroBias setzt hier an: Die Technologie integriert den Permanentmagneten als Mikromagnet direkt auf Wafer-Ebene in das Siliziumsubstrat des Sensorchips. Magnet und Sensorelemente werden dabei mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich zueinander positioniert, sodass das lokale Magnetfeld gezielt an die Messaufgabe und die mechanischen Anforderungen angepasst werden kann. Zusammen mit der integrierten Signalverarbeitung entsteht ein aufeinander abgestimmtes, monolithisches Sensorsystem ohne Leistungsabstriche, da der extrem kleine Abstand zwischen Sensor und Magnet eine hervorragende Signalqualität zur Folge hat. In diesem sogenannten Back-Bias-System erzeugt der integrierte Magnet ein Vorspannfeld, mittels dessen der Sensor Bewegungen eines externen Bauteils oder dessen Zustände erfassen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensor-Magnet-Baugruppen mit derselben Messleistung sind so ein bis zu 100-fach geringeres Sensor-Magnet-Volumen und der Einsatz von bis zu 99 Prozent weniger Seltenerdmaterial möglich. Die Größenordnung verdeutlicht eine konkrete Gegenüberstellung: Der Magnet eines vergleichbaren Back-Bias-Systems hat ein Volumen von 30 Kubikmillimetern. Ein einzelner Mikromagnet kommt dagegen auf rund 0,03 Kubikmillimeter. Selbst wenn zehn von diesen kombiniert werden, um dieselbe Messleistung zu erzielen, beträgt ihr gemeinsames Magnetvolumen nur ein Hundertstel des Vergleichssystems.

Anspruchsvolle Anwendungen mit passgenauen Sensorlösungen

Potenzielle Einsatzfelder für den Sensorchip sind Robotergelenke: MicroBias kann die Sensorik, die zur Erfassung von Gelenkbewegungen benötigt wird, platzsparend und ohne zusätzliche Magnete direkt in die Robotergelenke integrieren. So bleibt mehr Bauraum für Antrieb und Mechanik, was neue Möglichkeiten bei der Konstruktion kompakter Robotergelenke eröffnet. Weitere Einsatzfelder sind Greifsysteme, taktile und schaltende Sensoren sowie schwer zugängliche Maschinenkomponenten, bei denen präzise Bewegungs- und Zustandsmessungen auf begrenztem Raum gefragt sind.

Auf Basis von MicroBias entwickelt das Fraunhofer IIS anwendungsspezifische Sensorlösungen und verbindet dabei seine Kompetenzen in multidimensionaler Magnetfeldsensorik, Schaltungsentwicklung und intelligenter Algorithmik. Die Technologie ist für 3D Hall-Sensorik bereits verfügbar und eine Übertragung auf magnetoresistive Sensoren kann in gemeinsamen Entwicklungsprojekten realisiert werden. Das Leistungsspektrum reicht von Machbarkeitsstudien und der Auslegung des Magnetsystems über Modellierung und Simulation bis zur Entwicklung und Validierung von System-Prototypen. Bei der Umsetzung der Technologie kooperiert das Fraunhofer IIS mit dem Fraunhofer ISIT, das die für eine Serienfertigung ausgelegte Integration der Mikromagnete auf Wafer-Ebene mithilfe seiner PowderMEMS-Technologie ergänzt, sowie dem Fraunhofer IFAM mit seiner Expertise im Bereich Werkstoffverarbeitung.

MicroBias auf der electronica 2026 kennenlernen

Vom 10. bis 13. November 2026 präsentiert das Fraunhofer IIS MicroBias auf der electronica in München. Hersteller von Magnetfeldsensoren und Sensormodulen, Unternehmen aus Robotik, Maschinenbau und Automatisierung sowie Systemintegratoren können sich in Halle C5 am Stand 241 mit den Fachleuten des Fraunhofer IIS über MicroBias und mögliche Anwendungs- und Entwicklungsperspektiven austauschen.