Magnetoresistive Sensoren – Moderne Fühler - All

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Sensoren
Magnetoresistive Sensoren –
Moderne Fühler zur Außenwelt
JOERG GRIEGER
Vielfältige neue Anwendungsgebiete – insbesondere in der Automobilindustrie – erfordern präzisere anwendungsbezogene Sensoren mit hoher Empfindlichkeit, besonderer Störfestigkeit und gesteigerter thermischer Belastbarkeit. Im
vorliegenden Artikel werden magnetoresistive Sensoren von Philips und deren Anwendungen vorgestellt.
Magnetoresistive Sensoren eignen sich hervorragend zum Erfassen von geometrischen Grössen (Winkel, Neigung, Füllstand,
Länge, Weg, Abstand, Entfernung), dynamischen Größen
(Drehzahl, Strömung, Durchfluß)
und elektrischen Größen wie
Strom und Magnetfelder.
Die Applikationbereiche überstreichen ein weites Feld: Von
der Sensierung sehr schwacher
Magnetfelder (z. B. Erdfeld) für
elektrische Kompass- und Navigationslösungen, über die Erfassung von Drehzahlen und verwandter dynamischer Größen bis hin zur sog. Starkfeldmessung für kontaktlose Winkelmeßsysteme und
anderer geometrischer Größen.
Philips verwendet für seine MR-Sensoren Permalloy, eine ferromagnetischen Legierung,
die aus 80% Eisen und 20% Nickel besteht.
Aufbau magnetoresistiver Sensoren
Der magnetoresistive Effekt
Das physikalische Prinzip magnetoresistiver
Sensoren basiert auf dem Effekt, daß sich die
elektrische Leitfähigkeit einer anisotropen ferromagnetischen Schicht unter dem Einfluß
eines äußeren magnetischen Feldes, welches
in der Ebene der Schicht verläuft, verändert.
Dabei ist die Widerstandsänderung der Schicht
von der Richtung und der Stärke des äußeren
Magnetfeldes abhängig.
Der kleinste Widerstandswert stellt sich ein,
wenn der Winkel zwischen dem äußeren
Magnetfeld und der Stromflußrichtung in der
Schicht 90 Grad beträgt, und die Magnetisierung der Schicht ihren Sättigungswert erreicht hat. Der größte Widerstandswert ergibt
sich, wenn das applizierte Feld parallel zur
Stromrichtung in der Schicht verläuft.
Ohne Einwirkung eines äußeren Feldes weist
der Widerstand etwa einen Mittelwert zwischen dem oberen und unteren Grenzwert auf.
Die erreichbaren Widerstandsänderungen
sind abhängig von der verwendeten ferromagnetischen Legierung. Sie betragen einige
Prozent vom Gesamtwiderstand der Schicht.
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Mit einer einfachen ferromagnetischen Schicht
ist eine Magnetfeldmessung nicht optimal.
Um einen reproduzierbaren Nullpunktabgleich
und eine hohe Widerstandsänderung zu erreichen, sind einige „Kunstgriffe“ nötig. Um
diese Nachteile zu kompensieren, erzeugt
man während des Fertigungsprozesses eine
magnetische Vorzugsrichtung (magnetische
Anisotropie) in der X-Achse des ferromagnetischen Materials. Diese einaxiale Anisotropie-
feldstärke hat einen Wert von
ca. 250 A/m. In diese Richtung
stellt sich die Magnetisierung immer wieder ein, auch wenn sie
durch ein äußeres Feld in eine
andere Richtung gedreht wurde.
Mit diesem Eingriff erzielt man
die maximal mögliche Widerstandsänderung des ferromagnetischen Sensormaterials.
Läßt man den Strom nicht parallel zur X-Achse fließen, sondern in einem Winkel von 45
Grad dazu, entsteht der sog.
„Barberpole“-Effekt. Praktisch
erreicht wird dieser Effekt durch das Aufbringen schmaler niederohmiger Metallstreifen,
z. B. aus Gold oder Aluminium, unter einem
Winkel von 45 Grad zur X-Achse auf das
hochohmige Sensormaterial.
Für den Bereich „kleiner“ äußerer Felder, d. h.
für Felder in der Größenordnung ±0,5 HO (HO
ist die Mindest-Feldstärke, die nötig ist, um
die Magnetisierung im Sensor um 90 Grad zu
drehen) erreicht man eine Linearisierung der
Kennlinie der Widerstandsänderung.
Industrieller Aufbau
Die von Philips gefertigten magnetoresistiven
Sensoren bestehen aus vier Sensorelementen,
Bild 1: Der magnetoresistive Effekt: Der Widerstand des Permalloys hängt ab von dem
Winkel, den die Magnetisierung zur X-Achse einnimmt
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wirkt dieser Vorgang ein Verbiegen der Feldlinien, was das Entstehen von vektoriellen Feldkomponenten in der empfindlichen Y-Richtung
des Sensors zur Folge hat. Der Sensor antwortet daraufhin mit einem sinusförmigen Ausgangssignal. Eine integriete Signalaufbereitung
liefert dann wahlweise eine digitale Stromschnittstelle oder einen digitalen Open Collector Ausgang.
Winkelsensoren durch
Feldrichtungsmessung
Bild 2: Innenleben Drehzahlsensoren KMI 15
die zu einer Wheatston-Brücke zusammengeschaltet sind. Die Sensorelemente werden in
Dünnschichttechnik
hergestellt.
Als
Trägersubstrat dient ein Siliziumkristall mit
den Abmessungen 1,6 x 1,6 mm2.
In der Wheatstone-Brückenarchitektur müssen je zwei Sensorelemente unter dem Einfluß eines äußeren Feldes komplementäres
Verhalten zeigen. Erreicht wird dieses durch
die Verwendung zweier Elemente,in denen
der Strom um +45 Grad zur X-Achse verdreht
ist. In den restlichen zwei Elementen ist der
Strom um -45 Grad verdreht.
Eine solche Architektur weist eine weitgehende thermische Unempfindlichkeit und eine vierfache höhere magnetische Empfindlichkeit, verglichen mit einem Einzelelement, auf.
Durch die Einwirkung magnetischer Störfelder kann es zu einem Umklappen der inneren
Magnetisierung des Sensors kommen, denn
MR-Sensoren weisen einen natürlichen bistabilen Chrakter ihrer Kennlinie auf. Dieser
Effekt kann zu Fehlmessungen führen. Um
reproduzierbare Meßwerte zu erhalten, ist es
empfehlenswert, MR-Sensoren mit einem externen Stützfeld in Richtung der X-Achse zu
versehen. Die Stützfeldstärke für den Sensor
KMZ 10B sollte etwa 1 KA/m betragen.
Meßabstand ist. Ein weiterer wesentlicher
Vorteil von MR-Sensoren ist die hohe thermische Belastbarkeit, die in der Spitze bis
+ 190 °C reicht. MR-Sensoren messen die
Feldkomponenten eines äußeren Feldes in der
Weil der magnetoresistive Effekt ein Winkeleffekt ist, läßt er sich sehr gut für den Aufbau
berührungsloser und daher verschleißfreier Winkelsensoren nutzen. Äußere Magnetfelder, die
auf den Sensor einwirken, verdrehen die Magnetisierungsrichtung des Sensors und führen
zu einer komplementären Widerstandsänderung in der Wheatstone-Brücke und damit zu
einem Ausgangssignal. Für Winkelmessungen ist es wünschenswert, daß ein Gleichlauf
des äußeren Feldes und der inneren Magnetisierung des Sensors stattfindet. Unter der Einwirkung kleiner Magnetfelder, sog. Schwach-
Bild 3: Meßprinzip Drehzahlmessung
Aktive MR - Drehzahlsensoren
Induktive Drehzahlsensoren bezeichnet man
als passive Sensoren. Sie zeichnen sich aus
durch Robustheit und eine hohe Signalspannung. Nachteilig ist jedoch, daß eine Drehzahl-Nullerkennung nicht möglich ist, und daß
mechanische Vibrationen bei hohen Frequenzen sehr große Störsignale erzeugen.
Aktive MR-Sensoren mit integrierter Signalverarbeitung weisen diese Nachteile nicht auf.
Mit ihnen ist es möglich, ein digitales Ausgangssignal zu generieren, dessen Amplitude
unabhängig von Temperatur, Frequenz und
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Schichtebene, die senkrecht zur Leiterbahn
wirken, also in der Y-Richtung. Hall-Sensoren
messen hingegen die Flußdichte, die senkrecht durch den Sensor hindurchfließt.
Mit MR-Sensoren lassen sich passive Targete
(Zahnräder, Lochscheiben, Strukturräder) und
aktive Targets (Polräder) abtasten. Praktisch
wird der Sensor auf einem Ferrit-Magneten
montiert, dessen Feld so eingestellt ist, daß es
einerseits als Stützfeld und andererseits als
Arbeitsfeld dient. Wenn vor dem Sensor im Abstand bis zu 3 mm ein ferromagnetisches Target oder ein Polrad vorbeibewegt wird, be-
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felder, liegt die resultierende Magnetisierung
des Sensors zwischen der X-Achse und der
Richtung des äußeren Feldes.
Ist hingegen das äußere Feld des sogenannten „Arbeitsmagneten“ groß gegenüber der
Eigenmagnetisierung des Sensors, erfolgt
praktisch der gewünschte Gleichlauf des äusseren Feldes mit der inneren Magnetisierung
des Sensors. Der Sensor wird unter Verwendung eines solchen äußeren Starkfeldes im
Sättigungsbereich betrieben. Er antwortet in
diesem Fall mit einem Ausgangssignal, welches eine direkte Proportionalität zur Win-
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Bild 4: Applikationsschwerpunkte
keländerung des äußeren Feldes aufweist.
Der Sensor ist dadurch zu einem reinen Feldrichtungssensor geworden, bei dem die absolute Stärke des äußeren Feldes kaum noch
einen Einfluß auf das Sensorsignal hat. Die
Messung in der Schichtebene sowie die fast
vollständige Unabhängigkeit von der Stärke
des äußeren Feldes führen zu einem großen
Vorteil magnetoresistiver Sensoren gegenüber
anderen Methoden zur Messung magnetischer Felder.
Toleranzen des Arbeitsmagneten, auch altersbedingt, sowie Toleranzen im mechanischen
Aufbau erfordern bei anderen Meßmethoden, die nicht nach dem Prinzip der Feldrichtungsmessung, sondern nach dem Prinzip der
Feldstärkemessung arbeiten, einen aufwendigen Abgleich aller Toleranzen nach der Montage. Dieser nachträgliche Abgleich entfällt bei
MR-Sensoren, sofern gewährleistet ist, daß eine
Starkfeldanwendung im Sättigungsbetrieb über
die gesamte sensitive Fläche des Sensors gegeben ist. Unter dieser Voraussetzung haben
Montagetoleranzen, Magnettoleranzen, temperatur- und zeitabhängige Magnetdaten
praktisch keinen Einfluß mehr auf den Nullpunkt und die Empfindlichkeit des Sensors.
Meßbereichserweiterung
Ein einzelner MR-Sensor weist unter Sättigungsbedingungen nur einen linearen Meßbereich von ca. 30° auf. Ein erweiterter Meßbereich bis 180° läßt sich durch die Verwendung eines Doppelsensors erreichen, bei dem
der zweite Sensor um 45° mechanisch gegenüber dem ersten verdreht ist. Das Layout
eines solchen Sensors ist in Bild 2 dargestellt.
Erkennbar sind acht Sensorelemente, aus
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denen zwei Vollbrücken aufgebaut sind. Mit
dieser Konfiguration erhält man je ein Sinusund ein Cosinus-Signal des zu messenden
Winkels. Über die Arcustangens-Interpolation
dieser beiden Signale in einer nachgeschalteten Auswerteelektronik ist ein Winkelmeßbereich bis 180° realisierbar.
Die hohe Empfindlichkeit magnetoresistiver
Sensoren ermöglicht es, auch schwache Magnetfelder in der Größenordnung des Erdfeldes
zu messen. Für den Aufbau eines elektronischen Kompasses ist die gleichzeitige Messung des Erdmagnetfeldes in zwei zueinander
senkrechten Richtungen parallel zur Erdoberfläche notwendig. Konzepte unterschiedlicher Genauigkeit lassen sich mit dem MRSensor KMZ 51 realisieren, der jeweils mit
einer integrierten Flip- und Stromkompensationsspule ausgestattet ist. Um eine hohe Empfindlichkeit zu gewährleisten, erhält ein solches Konzept kein Stützfeld.
Mit einem Stromimpuls durch die Flipspule
wird eine Umpolung der Sensor-Kennlinie
bewirkt. Mit diesem Kunstgriff erhält man ein
Ausgangssignal, aus dem sich der unerwünschte Offset-Anteil des Sensors herausfiltern
läßt. Mit der Bestromung der Stromkompensationsspule entsteht ein dem äußeren Meßfeld entgegengesetztes Kompensationsfeld
gleicher Größe. Dadurch wird der Sensor stets
im Nullpunkt betrieben, mit dem Vorteil, daß
dieser Punkt der einzige der Kennlinie ist, der
keine Temperaturabhängigkeit aufweist. (oe)
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Dipl.-Ing. Jörg Grieger ist bei Philips Semiconductors, 20097 Hamburg im Produktmarketing für
Sensoren tätig.
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