Forscher der AMO GmbH haben vor kurzem einen Graphen-basierten ultradünnen und flexiblen Hall-Sensor demonstriert. Er weist die höchste Empfindlichkeit eines flexiblen Hall Sensors überhaupt auf und kann sich mit etablierten aber starren Sensoren auf Siliziumbasis messen. Eine Vorführung auf dem diesjährigen Mobile World Congress in Barcelona ist auf großes Interesse der Industrie aus aller Welt gestoßen, weil Flexibilität und minimale Platzanforderungen unerlässlich sind für einige neue Technologien wie tragbare Elektronik, elektronische Haut, hochintegrierte Maschinen, Robotik und Prothesen.

Hall-Sensoren sind in der Fahrzeug- und Unterhaltungselektronik weit verbreitet, wo sie zur genauen Positionsbestimmung oder Stromüberwachung eingesetzt werden. Der am häufigsten verwendete Hall-Sensor basiert aufgrund des ausgereiften und kostengünstigen Herstellungsprozesses zurzeit auf der CMOS Technologie auf starren Siliziumsubstraten. Im Gegensatz zum etablierten Silizium bietet das 2D Material Graphen eine sehr hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und eine niedrige Flächenladungsträgerdichte, welche beide entscheidend sind, um eine hohe Empfindlichkeit bei der Magnetfelddetektion zu erreichen. In Kombination mit seiner hervorragenden Flexibilität kann Graphen daher als perfektes Material für flexible Hall-Sensoren betrachtet werden.

Wang und Mitarbeiter der AMO GmbH haben mit großflächigem Graphen, das mit chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt wurde, flexible Hall-Sensoren auf einer 50 µm dicken Polyimidfolie hergestellt und charakterisiert. Die spannungs- und stromnormalisierten Empfindlichkeiten erreichen Werte von bis zu 0,096 V/VT beziehungsweise 79 V/AT. Diese Werte sind vergleichbar mit denen der vielseitig eingesetzten, starren siliziumbasierten Hall-Sensoren und übertreffen alle bisherigen flexiblen Hall-Sensoren um mehr als eine Größenordnung. Die Empfindlichkeit des Hall-Sensors bleibt stabil für Biegeradien bis zu 4 mm, was einer Zugdehnung von 0,6% entspricht, und weist selbst nach 1000 Biegezyklen mit 5 mm Biegeradius keine Degradierung auf. Deshalb wird diese Arbeit neue Anwendungen in Bereichen wie Biomedizin, Robotik, tragbarer Elektronik oder elektronischer Haut ermöglichen.

Die Forschungsarbeit ist veröffentlicht in dem Journal Nanoscale:
Zhenxing Wang, Mehrdad Shaygan, Martin Otto, Daniel Schall, and Daniel Neumaier
“Flexible Hall Sensors Based on Graphene”

Die Arbeit wird finanziell unterstützt von der europäischen Kommission in den Projekten Graphene Flagship (contract no. 604391), SPINOGRAPH (contract no. 607904) und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Projekt “GLECS” (contract no. NE1633/3) innerhalb des Schwerpunktprogramms 1796 FFlexCom.