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Getriebelose Multiturn-Sensoren ohne externe Energieversorgung – Umdrehungszähler nutzt Giant Magneto Resistance-Effekt
Mit Hilfe des Giant Magneto Resistance­Effektes (GMR) können Winkel gemessen werden, die größer als 360° sind. Entgegen bisheriger Lösungen benötigen die Multiturn-Sensoren mit dem GMR-Effekt keine externe Energieversorgung.

In vielen Anwendungen müssen Winkel gemessen werden, die größer als 360° sind. Umdrehungszähler, die in Verbindung mit einem 360°-Sensor solche Aufgaben übernehmen können, gibt es zwar in großer Auswahl. Die bisher üblichen Funktionsprinzipien brauchen jedoch entweder eine dauerhafte Stromversorgung, beruhen auf mechanischen und damit verschleißbehafteten Konstruktionen oder sind für den Einsatzbereich zu aufwendig. Das Problem kann ein neues, patentiertes Funktionsprinzip lösen, das den so genannten GMR-Effekt nutzt. Der GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance, also \’Riesen-Magnetwiderstand\‘) ist ein quantenmechanisches Phänomen, das in dünnen Filmstrukturen aus ferromagnetischen und nichtferromagnetischen Schichten beobachtet wird. Hat man einen solchen heterogenen Aufbau aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine nur wenige Atomlagen dicke, nicht magnetische Schicht getrennt sind, beziehen die magnetischen Momente der beiden äußeren Schichten zueinander Stellung, sobald sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt sind. Sie richten sich parallel oder antiparallel aus (Bild 1). Wenn die magnetischen Momente in diesem \’Sandwich\‘ umklappen, ändert sich der elektrische Widerstand (Bild 2). Stehen sie parallel zueinander, sinkt der Widerstand auf den Minimalwert. Bei antiparalleler Ausrichtung erreicht er sein Maximum. Von diesem Verhalten leitet sich der Name Riesenmagneto-Widerstandseffekt ab.

Aufbau aus unterschiedlichen Schichten

Die Magnetowiderstandseffekte sind seit knapp 20 Jahren bekannt. Peter Grünberg und Albert Fert haben den Riesenmagnetowiderstand unabhängig voneinander entdeckt. Bemerkenswert ist, dass der GMR-Effekt schnell den Sprung in konkrete Anwendungen geschafft hat. In Festplatten beispielsweise dient er seit Mitte der 90er-Jahre zum Auslesen von Daten. Außerdem hat er in CD- und DVD-Laufwerken weltweite Verbreitung gefunden. Jetzt lässt er sich bei der Realisierung von Multiturn-Sensoren nutzen. Ein solcher Multiturn-Sensor kann zusätzlich zum Drehwinkelsignal im stromlosen Zustand ohne Pufferbatterie und ohne Getriebe bis zu zwölf Umdrehungen zählen und dauerhaft speichern (Bild 3). Er arbeitet durch das magnetische Prinzip berührungslos und damit fast verschleißfrei. Der Multiturn-Sensor liefert absolute Positionswerte und stellt den Messwert als echtes \’True-power-on\‘-System sofort nach dem Start zur Verfügung. Im Prinzip funktioniert der Multiturn-Sensor dabei wie ein Schieberegister.

\’Schieberegister\‘ für Domänenwände

Für jede zu zählende Umdrehung wird genau eine Windung benötigt. Für vier Umdrehungen sind demzufolge vier Windungen, für zwölf Umdrehungen zwölf Windungen notwendig. Der Aufbau ähnelt einer rennbahnartigen Spirale (Bild 5). Ein wichtiger Bestandteil des Sensorelements ist die große Fläche am Anfang der Spirale, der so genannte Domänenwandgenerator. Durch die geometrische Ausdehnung kann in dieser Fläche die Magnetisierung leicht dem äußeren Magnetfeld folgen. Bewegen sich an einer drehenden Welle befestigte Dauermagnete am Sensorelement vorbei, wirkt auf diese Fläche ein drehendes magnetisches Streufeld. Jede 180°-Drehung erzeugt dabei eine wenige Nanometer schmale Ummagnetisierungszone, in der sich die Magnetisierung ebenfalls um 180° dreht. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Domänenwand. Die Wand läuft ausgehend vom Domänenwandgenerator in den angrenzenden Streifen der Spirale hinein. Dort sorgt sie dafür, dass sich – je nach Ausgangslage – die Magnetisierung des Streifens entweder parallel oder antiparallel zu einer Referenzschicht ausrichtet (Bild 5). Im Streifen selbst kann sich die Magnetisierung aufgrund der großen Formanisotropie nicht drehen. Das kann nur durch eine \’Injektion\‘ einer Domänenwand aus dem Domänenwandgenerator geschehen. Das gilt, solange das äußere Feld kleiner als das so genannte Nukleationsfeld bleibt. Dreht das äußere Magnetfeld um weitere 180°, läuft die Domänenwand durch den nächsten geraden Streifen der Spirale und magnetisiert diesen um. Zugleich wird im Domänenwandgenerator eine zweite 180°-Domänenwand erzeugt, die bis zum Mittelpunkt der ersten Krümmung läuft und den ersten Abschnitt der Spirale wieder in den Ausgangszustand versetzt. Durch weiteres Drehen des Magnetfelds wird so die Spirale nach und nach mit Domänenwänden gefüllt, und die Abschnitte der Spirale werden entsprechend magnetisiert. Dreht das Magnetfeld in Gegenrichtung, entstehen Domänen mit entgegengesetztem Drehsinn, die sich mit den vorhandenen Domänen wieder auslöschen. Das \’Schieberegister\‘, das auf diese Weise entsteht, lässt sich auswerten, wenn man die Widerstandsänderungen misst. Steht die Magnetisierung der Spiralabschnitte parallel zur Referenzschicht, die durch das drehende Magnetfeld nicht beeinflusst wird, erreicht der Widerstandswert sein Minimum. Aufgrund des GMR-Effekts steigt der Widerstandswert bei nichtparalleler Ausrichtung auf sein Maximum. Die von der Umdrehungszahl abhängigen unterschiedlichen Magnetisierungsanordnungen führen damit zu eindeutigen Widerstandswerten (Bild 4). Anstelle der Widerstandswerte lässt sich auch über eine Brückenschaltung ein entsprechendes Spannungssignal generieren. So lassen sich unerwünschte Auswirkungen des Temperaturkoeffizienten eliminieren.

Kombination zweier Sensorelemente

Es ist noch nicht möglich, den Absolutwinkel über mehrere Umdrehungen zu ermitteln, da die Widerstands- oder Spannungsänderungen des GMR-Sensorelements nicht an allen Stellen eindeutige Werte annehmen. Es bleiben so genannte Sprungstellen. Das lässt sich vermeiden, wenn man zwei Sensorelemente miteinander kombiniert und um 90° zueinander versetzt anordnet. Zusammen mit dem Ausgangssignal des 360°-Sensors, der den Drehwinkel im Singleturnbereich erfasst, lässt sich dann beim magnetischen Multiturn-Sensor der Absolutwinkel über mehrere Umdrehungen hinweg eindeutig ermitteln. Die entsprechenden Kombinationen sind in der Auswerteelektronik hinterlegt, die den aktuellen Wert über einen D/A-Wandler ausgibt. Der Singleturn-Sensor arbeitet ebenfalls nach einem magnetischen und damit kontaktlosen Verfahren. Ändert sich die Orientierung des drehenden Magnetfeldes, verändert sich die Signalspannung des Sensorelements. Diese Spannungsänderung wird noch innerhalb des Sensor-ICs in ein drehwinkelproportionales Analogsignal umgerechnet und der Multiturn-Auswertung sowie am Ausgang mit einer Auflösung von 10Bit und einer unabhängigen Linearität von ±0,5% zur Verfügung gestellt. Für viele industrielle, aber auch für Mobilanwendungen ergeben sich dadurch neue Lösungsansätze.

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