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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2019

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2019

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK René Buß, Bereichsleiter Marketing, Produkt management und Vertrieb, Sensitec GmbH, Lahnau Dynamisch und smart TMR-Sensoren eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten dank Tunneleffekt Als einer der wenigen Hersteller beherrscht der Sensorhersteller Sensitec die drei aktuell industriell genutzten magnetoresistiven (MR-) Technologien AMR, GMR und TMR und setzt deren Vorteile in neuen Produkten um. Was sie auszeichnet und welche Messungen dadurch erst möglich werden, lesen Sie hier. MR-Sensoren beruhen auf verschiedenen physikalischen Prinzipien, die alle gemeinsam haben, dass sich der elektrische Widerstand des Sensors unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändert. Ob AMR- (anisotrop magnetoresistive), GMR- (giant magnetoresistive) oder TMR- (tunnelmagnetoresistive) – allen gemein sind die hohen Messgenauigkeiten, die erzielt werden können, und der hohe Grad der Integrationsmöglichkeit im Gesamtsystem. Weiterhin sind die Sensoren sehr tolerant gegenüber Justagetoleranzen und erlauben große Arbeitsabstände. Dies sind Vorteile, die bei der Konzeption und der Auslegung von Sensorsystemen zum Tragen kommen. AMR-Sensoren zeichnen sich durch höchste Messgenauigkeit aus, während die GMR-/ TMR-Varianten eine höhere Empfindlichkeit und ausgezeichnete Energie effizienz bieten. AMR- und GMR-Sensoren haben sich schon seit langem als leistungsfähige Alternative zu Hall-Sensoren auf dem Markt etabliert, nun rückt auch die „jüngste“ Generation in Form der TMR-Sensoren zunehmend in den Vordergrund. Ihre Stärken liegen insbesondere in den hohen Signalamplituden, geringem Driftverhalten über Temperatur sowie der Möglichkeit durch ein hochohmiges Design nur sehr wenig Energie zu benötigen. Der Einfluss eines Magnetfeldes MR-Sensoren werden typischerweise so konzipiert, dass ein rotierendes, externes Magnetfeld in ein sinusförmiges Signal umgewandelt wird, das den Winkel des externen Magnetfeldes abbildet. Zur Drehrichtungserkennung werden weitere Sensorelemente auf einem Chip so angeordnet, dass ebenfalls ein 90° phasenverschobenes Signal entsteht. Dabei ändert sich grundsätzlich der elektrische Widerstand, wenn das Sensorelement einem magnetischen Feld ausgesetzt wird. Die Ursprünge aller MR-Technologien sind in der Festplattenindustrie zu finden, wobei eine immer höhere Datendichte und somit kompaktere Bauformen angestrebt wurden. Was bedeutet der sogenannte Tunneleffekt? Der TMR-Effekt (Tunnel MagnetoResistive) basiert, vergleichbar mit dem GMR-Effekt, auf der Kombination von dünnen Schichten, die in einem Stapel (Stack) übereinander aufgebracht werden. Bild 01 zeigt, stark vereinfacht, neben AMR- und GMRauch den Aufbau eines TMR-Elements. Die wesentliche Schicht ist hierbei die Barrier- Layer. Diese stellt eine sehr dünne Isolationsschicht für den Stromfluss dar. Mit nur wenigen Nanometern Dicke gerade so, dass abhängig von der Orientierung der sich im externen Magnetfeld frei drehbaren Free- Layer, einige Elektronen die Schicht passieren und damit für einen magnetfeldabhängigen Stromfluss sorgen. Diesem sogenannten „tunneln“ verdankt der Effekt auch seinen 48 INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2019

You CAN get it... Hardware und Software für CAN-Bus-Anwendungen… 01 Prinzipieller Schichtaufbau verschiedener MR-Technologien (MagnetoResistive) Namen. Dieser Vorgang ist mithilfe der klassischen Physik nicht erklärbar und ist daher ein rein quantenmechanisches Phänomen. Steht ein äußeres Magnetfeld parallel zur Ausrichtung der Magnetisierung der fixierten Pinned-Layer des Schichtstapels, so ist die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen durch die Isolationsschicht hindurch tunneln größer als bei antiparalleler Ausrichtung des externen Magnetfeldes zur Pinned-Layer. Damit variiert der elektrische Widerstand des Stapels (∆R/R) in Abhängigkeit vom externen Magnetfeld. Den Tunnelwiderstand nutzen Der Widerstand eines TMR-Sensors ergibt sich durch die Fläche der Tunnelverbindung sowie der Schichtdicke bzw. dem Flächenwiderstand der Barriere. Der typische Flächenwiderstand einer Al2O3 Barrier- Layer liegt bei 10 MΩ/µm 2 . Gestaltet man eine Tunnelbarriere von 100 µm 2 Fläche, so ergibt sich ein Widerstand von 100 kΩ aus einem einzigen Tunnelelement. So lassen sich mit kleineren Tunnelelementen höhere Widerstände realisieren und es können mit sehr geringem Platzbedarf wesentlich hochohmigere Sensoren erstellt werden, als es mit AMR- oder GMR-Elementen möglich ist. Bei gleicher Fläche kann dadurch mit der TMR-Technologie der Leistungsverbrauch eines Sensors um einen Faktor 100 bis 1 000 reduziert werden. Ebenfalls anders als beim AMR- und GMR-Effekt, wo der Stromfluss parallel zu den MR-Schichten erfolgt, fließt beim TMR-Effekt der Strom senkrecht durch den Schichtstapel hindurch. Von der Technologie zum Sensor Ein einzelnes TMR-Element stellt natürlich noch keinen vollständigen Sensor für die Positionsmessung dar. Übliche Ausgangssignale eines Sensors wären z. B. differenzielle Sinus- und Kosinussignale für eine Richtungserkennung aufgrund ihres Phasenbezugs. Diese werden typischerweise durch die Anordnung einzelner Sensorelemente in zwei vollständige Wheatston’sche Messbrücken realisiert. Diese Messschaltung sollte möglichst frei von Offsetspannungen sein und auch möglichst keinen Temperatureinfluss über den Arbeitstemperaturbereich haben. Die Amplitude sollte hoch, das Rauschen gering und der Phasenbezug ideal bei 90° liegen. Hier beginnt die Entwicklungsarbeit der Sensordesigner und Prozessingenieure. Ein Großteil der Parameter steht in Abhängigkeit zueinander und auch der Schichtaufbau hat einen deutlichen Einfluss auf die Parameter. Die vielen Abhängigkeiten stellen eine große Herausforderung dar, bieten zugleich aber auch Potenzial für mehr Flexibilität und neue Möglichkeiten bei der Sensorumsetzung. Der Einfluss auf die Messperformance durch das Sensordesign zeigt sich gut an dem Beispiel der Oberwellenfilterung. Diese wurde direkt auf dem Sensorchip im Design der Sensorelemente integriert. Bild 02 zeigt die Ausgangsignale und die Winkelgenauigkeit eines Sensors ohne (Standard) sowie mit (Filter) Oberwellenfilterung. Der Winkelfehler des Sensors mit integrierter Oberwellenfilterung ist deutlich geringer. Die Signalform der Ausgangssignale zeigt ebenfalls den deutlichen Einfluss von geraden Oberwellenanteilen bzw. eine sehr sinusnahe Form bei verwendetem Design mit Oberwellenfilter. PerfectWave Design optimiert nicht nur die Signalqualität Betrachtet man das Sensordesign des TMR FreePitch-Sensors mit integrierter Oberwellenfilterung, erkennt man auf der Oberfläche des Chips, auf dem sich die Alle Preise verstehen sich zzgl. MwSt., Porto und Verpackung. Irrtümer und technische Änderungen vorbehalten. PCAN-MicroMod FD Universelles Einsteckmodul mit I/O- Funktionalität und CAN-FD-Interface. Erhältlich mit Evaluation-Board für die Entwicklung eigener Anwendungen. PCAN-M.2 ab 110 € CAN-FD-Interface für M.2-Steckplätze. Erhältlich als Ein-, Zwei- und Vierkanalkarte inklusive Software, APIs und Treiber für Windows ® und Linux. PCAN-MiniDisplay ab 240 € Konfigurierbares Einbaudisplay zur Visualisierung von CAN-Daten mit zwei High-Speed-CAN-Kanälen. Optional auch im Gehäuse erhältlich. ab 290 € www.peak-system.com Otto-Röhm-Str. 69 64293 Darmstadt / Germany Tel.: +49 6151 8173-20 Fax: +49 6151 8173-29 info@peak-system.com

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