Magnete im Chip: Neuer Fraunhofer-Sensor kommt mit bis zu 99 % weniger Seltenen Erden aus

Ein Roboterarm, der ein Werkstück greift, muss in jedem Moment wissen, wie weit seine Gelenke gedreht sind und wo seine Finger stehen. Diese Information liefern oft unscheinbare Bauteile: Magnetsensoren. Sie messen berührungslos, sind robust – und brauchen häufig einen kleinen Dauermagneten, für den Seltene Erden eingesetzt werden. Genau dort setzt eine Entwicklung der Fraunhofer-Gesellschaft an. Unter dem Namen „MicroBias“ bringen Forschende den Magneten direkt in den Siliziumchip. Das Ergebnis: deutlich kleinere Sensoren, die nur einen Bruchteil des begehrten Rohstoffs benötigen.

Vom Klotz zum Krümel Bei vielen Magnetsensoren sitzt hinter dem eigentlichen Messchip ein separater Magnet. Fachleute nennen das Prinzip „Back-Bias“: Der Magnet erzeugt ein Grundfeld, und der Sensor registriert, wie sich dieses Feld verändert, wenn sich ein Bauteil in der Nähe bewegt. Bisher ist dieser Magnet ein eigenes, vergleichsweise großes Stück. Laut Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen hat er in einem herkömmlichen Back-Bias-System ein Volumen von etwa 30 Kubikmillimetern.

Die neuen Mikromagnete kommen auf rund 0,03 Kubikmillimeter, also ein Tausendstel davon. Selbst zehn davon zusammen beanspruchen nur ein Hundertstel des bisherigen Magnetvolumens. Nach Angaben des Instituts lässt sich das Gesamtvolumen von Sensor und Magnet so bei vergleichbarer Messleistung um bis zu den Faktor 100 verringern, der Bedarf an Seltenerdmaterial sinkt um bis zu 99 Prozent. Wichtig dabei: Das sind Maximalwerte, die sich auf die Einheit aus Sensor und Magnet beziehen. Ein ganzer Roboter wird dadurch nicht hundertmal kleiner.

Magnetpulver statt Hitze und Druck Möglich macht das ein Verfahren namens PowderMEMS, entwickelt am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzehoe. Zuerst werden winzige Vertiefungen in die Siliziumscheibe geätzt, den sogenannten Wafer. Diese füllen die Forschenden mit losem, sehr feinem Magnetpulver, etwa aus Neodym-Eisen-Bor. Anschließend verbindet eine hauchdünne Beschichtung, die Atomlage für Atomlage aufgetragen wird, die losen Körnchen zu einem festen Magneten.

Der Clou liegt in der Temperatur: Klassisch werden solche Partikel laut ISIT unter hohem Druck bei 800 bis 1.400 Grad Celsius gesintert, die Beschichtung kommt mit deutlich niedrigeren Temperaturen aus. Weil das Verfahren so schonend ist, lassen sich die Magnete auch in Chips einbauen, auf denen schon Elektronik sitzt. Magnet, Messelemente und Signalverarbeitung bilden dann eine Einheit, und der Magnet lässt sich mit einer Genauigkeit unterhalb eines Tausendstelmillimeters zum Sensor platzieren. Als drittes Institut bringt das Fraunhofer IFAM seine Erfahrung in der Werkstoffverarbeitung ein.

Warum jedes eingesparte Gramm zählt Seltene Erden wie Neodym, Praseodym oder Samarium stecken in starken Dauermagneten, etwa für Elektromotoren. Deutschland ist dabei stark auf ein einziges Land angewiesen. Nach Zahlen des Statistischen Bundesamts stammten 2024 rund 65,5 Prozent der importierten Menge Seltener Erden direkt aus China, Neodym, Praseodym und Samarium kamen nahezu vollständig von dort. Die EU will diese Abhängigkeit verringern: Bis 2030 soll kein einzelnes Land mehr als 65 Prozent ihres Bedarfs an strategisch wichtigen Rohstoffen liefern. Wer Sensoren mit bis zu einem Hundertstel des Magnetmaterials bauen kann, löst zwar nicht das große Rohstoffproblem auf einen Schlag, aber er schont eine knappe Ressource genau dort, wo sie in vielen kleinen Bauteilen verbaut wird.

Wie weit ist die Technik? Fraunhofer zeigt bislang einen Prototyp: einen Chip, dessen Rückseite ein Raster aus 5 mal 8 Mikromagneten trägt, auf der Vorderseite sitzen 3D-Magnetsensoren samt Auswerteelektronik. Für sogenannte Hall-Sensoren, einen weit verbreiteten Typ von Magnetsensor, steht die Technik nach Institutsangaben bereits zur Verfügung; die Übertragung auf magnetoresistive Sensoren ist in gemeinsamen Projekten möglich. Gefertigt wird in einer Pilotlinie auf 200-Millimeter-Wafern, für größere Stückzahlen ist eine Lizenzierung an Industriepartner vorgesehen. Ein fertiges Serienprodukt im Handel gibt es noch nicht, Angaben zu Kosten oder Ausbeute fehlen bisher.

Gedacht ist MicroBias vor allem für Robotik, Automatisierung und Maschinenbau: für kompakte Robotergelenke, Greifer, Tastsensoren und schwer zugängliche Maschinenteile. Vorgestellt wird die Entwicklung auf der Elektronikmesse electronica in München vom 10. bis 13. November 2026. Ob sie sich in der Industrie durchsetzt, wird sich zeigen. Der Ansatz beweist aber schon jetzt, dass Fortschritt manchmal darin besteht, mit sehr viel weniger auszukommen.