Magische Magnetfeldsensoren schlagen Alarm

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Ein neues Sensor-Kabel soll künftig Flughäfen, Industriegelände, aber auch den heimischen Garten ohne großen Aufwand schützen. Dazu registriert es selbst kleinste „Störungen“ unseres Erdmagnetfeldes.

So manches bleibt unseren Sinnesorganen verborgen. Dazu gehört auch das Magnetfeld der Erde. Um es uns zunutze zu machen, benötigen wir anders als etwa Zugvögel oder Meeresschildkröten technische Hilfsmittel. Wie etwa den guten, uralten Kompass. Schon seit dem 12. Jahrhundert weist er als eine Art primitiver Vorläufer heutiger Magnetfeldsensoren Seeleuten den Weg über die Meere. 1832 legte dann der Mathematiker und Physiker Karl Friedrich Gauss den Grundstein für die moderne magnetische Sensorik, als er neben der Ausrichtung auch die Stärke des Erdmagnetfeldes bestimmte.

Mittlerweile haben Magnetfeldsensoren eine ziemlich große Bedeutung erlangt, weil sie völlig neue Lösungen für schwierige Messaufgaben liefern. Und das nicht nur für Forschung und Industrie, sondern auch für’s Private. In unseren Smartphones unterstützen sie zum Beispiel die Lage- und Positionsbestimmung. Und mit einem App wie etwa dem Teslameter 11th verwandeln sie das digitale Schweizer Messer sogar in einen Metalldetektor.

Magnetische Einbrecherjagd

Einem ähnlichen Prinzip folgt eine „Allround-Warnanlage“ der Uni Saarland. An Zäunen angebracht, unterscheidet ein dünnes Magnetfeld-Sensorkabel, ob Wind, Vogel oder Bolzenschneider sich über den Maschendraht „hermachen“. Im Boden zukünftiger Verkehrsleitsysteme erkennt es in welche Richtung Autos fahren. Selbst Smartphones oder Reißverschlüsse bleiben nicht unentdeckt. Denn alles, was im Umkreis von einigen Metern das Erdmagnetfeld beeinflusst, wird von den hochsensiblen Magnetfeldsensoren registriert und via Bluetooth auf einem Smartphone gemeldet.

Das Sensor-Kabel passt sich flexibel an verschiedenste Anforderungen an und kommt mit wenig Strom aus. Dazu ist es nahezu verschleißfrei und witterungsunabhängig. Außerdem speichert es keine Daten und Hacker beißen sich daran ihre digitalen Zähne aus.

Die Technik basiert auf der Tatsache, dass das schwache Magnetfeld der Erde (ca. 50 Mikrotesla) immer und überall wirkt. Und jeder ferromagnetische Gegenstand dieses Feld für Magnetfeldsensoren mit Empfindlichkeiten im Nanotesla-Bereich messbar ablenkt. Entsprechende Elektronik und Algorithmen bestimmen dann daraus Metalleigenschaften, Größe, aber auch die Bewegungsrichtung. Jede Art von „Störung“ hat ihren eigenen magnetischen Fingerabdruck.

Magnetfeldsensoren für jeden Zweck

Magnetfeldsensoren (Bild: Sensitec)
Drei magnetoresistive Effekte mit unterschiedlich starken Widerstandsänderungen: AMR: schwach, GMR: stärker, TMR: stark. (Bild: Sensitec).

Seit gut 15 Jahren arbeiten die Forscher an der Uni Saarland nun an „magnetischen“ Erkennungssystemen. Im Laufe der Entwicklung wurde mit sogenannten AMR (Anisotropic Magnetoresistance)- und GMR (Giant Magnetoresistance )-Sensoren experimentiert. Letztere finden sich milliardenfach in den Leseköpfen von Festplattenlaufwerken und deren Entdecker Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich und Albert Fert von der Universität Paris-Süd wurden 2007 dafür mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Beide Sensortypen arbeiten nach dem sogenannten magnetoresistiven Effekt, der bewirkt, dass ferromagnetische Materialien ihren elektrischen Widerstand in einem Magnetfeld ändern.

Einbrecher im „Tunnel“

Zur Zeit laufen im Saarland erste Versuche mit den Dritten im „magnetoresistiven“ Bunde – den GMI (Giant Magnetoimpedance)-Sensoren. Bei ihnen ist die Impedanz (Wechselstromwiderstand ) abhängig von der Größe eines angelegten, auch relativ kleinen, externen Magnetfeldes.

Damit nicht genug. Der von den Forschern der Uni Saarland jetzt vorgestellte Prototyp arbeitet mit einer vierten Variante – den erst kurze Zeit kommerziell erhältlichen TMR (Tunnel-Magnetoresistiv)-Sensoren. Wie der Ausdruck „Tunnel“ schon vermuten lässt, machen sie sich quantenmechanische Effekte zunutze. Wegen der hohen Widerstandsänderung von 20 % sind die TMRs für viele Anwendungen höchst interessant. Geliefert werden sie von Sensitec (Deutschland) – einer der Partner in diesem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt.

Bis auf dem AMR-Effekt wurden alle Magnetowiderstandseffekte erst nach 1988 entdeckt. Es handelt sich also noch um ein sehr junges, schnell wachsendes Forschungsgebiet mit der Aussicht auf außergewöhnliche Sensorlösungen für unterschiedlichste Bereiche der Elektronik in den nächsten Jahren. Man darf gespannt sein!

Magnetfeldsensoren im Kabel. (Bild: Uni Saarland)

Magnetfeldsensoren in einem Kabel nehmen jede noch so kleine Änderung des Erdmagnetfeldes wahr. (Bild: Uni Saarland).