AMA Innovationspreis 2012

So funktioniert der Energy-Harvesting-Sensor-ASIC

| Redakteur: Gerd Kucera

Der Hall-Sensor-ASIC kann sowohl die Energie, die für das Multiturn-Sensorsignal als auch für das Zählen und Speichern der Messsignale benötigt wird, aus der Bewegung des Antriebes erzeugen. Dafür gab es den AMA Innovationspreis 2012.

Das mit dem AMA Innovationspreis 2012 ausgezeichnete Projekt von iC-Haus und der Mehnert & Theil-Erfindergemeinschaft erlaubt den Aufbau hochintegrierter, vollständig magnetisch abtastender Positionssensor-Systeme, die auf kleinstem Raum die Absolutposition über beliebig viele Umdrehungen energieautark erfassen. Damit können marktgängige Getriebe oder batteriegepufferte Lösungen in der Sensorik ersetzt werden.

Dieser Hall-Sensor-ASIC ist in Kombination mit dem Wiegand-Draht die zentrale Komponente eines energieautarken Absolut-Drehgebers, der sowohl das Multiturn-Sensorsignal als auch die für das Zählen und Speichern der Messsignale benötigte elektrische Energie allein aus der kinetischen Energie des Antriebs erzeugt (Energy-Harvesting).

Erstmals wurde dabei ein Absolut-Singleturn-Sensormodul für hohe Auflösungen und mit spezieller Anordnung und Auswertung von Hallsensoren in den ASIC integriert. Zusätzlich erlaubt die Integration eines Temperaturmoduls eine präzise Volumenstromberechnung für Gaszähler. Die Auslegung des ASIC für Betriebstemperaturen bis 125 °C und die Messung von hohen Drehzahlen >105 U/min erweitert den Anwendungsbereich und bietet neue Möglichkeiten für die Systementwicklung im Low-Power-Bereich.

Die technische Innovation wird zum Stand der Technik

Absolut-Positionsgebersysteme werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungen, wie beispielsweise im Maschinen- und Anlagenbau, in der Automatisierungstechnik, der Automobiltechnik oder als Bedienelement für elektrische bzw. elektronische Geräte und für die Erfassung von Winkel- und Linearpositionen eingesetzt.

Marktgängige optische und magnetische Absolut-Drehgebersysteme benötigen eine ständige Kopplung an eine Stromversorgung. Ohne Putterbatterie müsste die Anlage nach einem Stromausfall, beispielsweise bei nachlaufenden Antrieben, nach einem Not-Stopp oder nach manuellen mechanischen Eingriffen an eine Referenzposition auch über mehrere Umdrehungen zurückfahren und von dort den Zählvorgang neu starten.

In vielen Automotive-Anwendungen und zum Beispiel auch in Gaszählern ist der Anschluss von Drehgebersensoren an eine Energieversorgung nur bedingt zulässig. In solchen Applikationen können zurzeit nur mechanische Getriebelösungen mit zum Teil gravierenden Nachteilen, wie etwa durch Reibung und Materialdehnung verursachte Messfehler, Geräusche und Verschleiß, eingesetzt werden.

An den dargestellten Nachteilen setzt das Projekt für energieautarke Absolut-Drehgebersysteme auf Basis des Wiegand-Drahtes an. In einem Wiegand-Draht wird ein weichmagnetischer Kern in einem hartmagnetischen Mantel sprunghaft ummagnetisiert, sobald das externe Magnetfeld eine kritische Feldstärke erreicht. Dieser Ummagnetisierungsimpuls bewirkt eine Änderung des magnetischen Flusses und kann mit Hilfe einer um das nur etwa 10 mm lange Wiegand-Drahtstück gelegten Spule erfasst werden, um daraus die Zählimpulse und die elektrische Energie für die Signalverarbeitung mit dem ASIC zu generieren.

Dieser ASIC steuert und versorgt angeschlossene Ferroelectric-Random-Access-Memories (FRAM-Speicher) zur Übernahme und Ablage von Messdaten, erstmalig auch über standardisierte Schnittstellen. Das Blockschaltbild zeigt die Funktionsmodule und Schnittstellen auf dem ASIC, die mit wenigen externen kostengünstigen Bauelementen, wie FRAM-Speicher, Temperatursensor, Wiegand-Draht-Modul und Mikroprozessor, einen vollständigen magnetischen und energieautarken Positionsgeber hoher Auflösung darstellen. Der Sensorchip passt mit nur 7 mm² Fläche in das Standard-QFN-Gehäuse für 5 mm x 5 mm Board-Fläche. Im Chip enthalten die Eckbereiche die Hall-Sensoren zur Richtungsdetektion und zur Abtastung der Absolutposition.

Beispielhafte Zielmärkte und Applikationen

In einer Entwicklungskooperation hat iC-Haus das skizzierte Wirkprinzip in einer Systemintegration auf einem Hall-ASIC in CMOS-Technik für die Lizenznehmer der Erfindergemeinschaft Mehnert & Theil umgesetzt, deren weltweite Basispatente unter anderem die Verwendung des Wiegand-Drahts in Multi-Turn-Positionssensoren sowie hochauflösende magnetische Absolutgeber betreffen. Weitere Produkte und Anwendungen im Bereich energieautarker Systeme mit verbesserter Ressourceneffizienz, hier als „Energy Harvesting“ aus der Bewegung, sind absehbar.

Die Bedeutung der Innovation für die Anwendung liegt in dem Potenzial, bestehende und verbreitete Lösungen mit Batterie und Getriebe zu ersetzen. Als vollständig magnetische Lösung bietet der energieautarke Absolut-Sensor die Vorteile der magnetischen Abtastung bezüglich Feuchtigkeit, Staub, Robustheit und Kosten jetzt auch für hohe Auflösungen, die sonst nur die optischen Geber ausgezeichnet haben. Die Zielmärkte für den energieautarken Absolutgeber-ASIC sind die Automobil- und Gaszählerindustrie sowie vielfältige Applikationen in der Automatisierungstechnik; hier lassen sich Antriebe, Motor-Feedback und Encoder-Lösungen nennen. Die Sensor-Demonstratoren wurden weltweit erstmalig auf der Fachmesse SENSOR+TEST 2012 in Nürnberg vorgestellt und dort mit dem AMA Innovationspreis ausgezeichnet.

Ab September: Bewerben zum AMA Innovationspreis 2013

Der AMA Innovationspreis zählt zu den renommierten Preisen in der Sensorik und Messtechnik und wird jährlich vom AMA Fachverband für Sensorik vergeben. Das Preisgeld von 10.000 € erhält das Entwicklerteam persönlich und nicht das Unternehmen oder Institut. Die wichtigsten Beurteilungskriterien für die Jury, die sich aus Vertretern von Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Firmen zusammensetzt, sind der Grad der Innovation und der Nutzen der Anwendung.

In diesem Jahr gab es mit 75 Einreichungen aus aller Welt einen neuen Rekord an hochkarätigen Entwicklungen, die sich um den AMA Innovationspreis bewarben. Die wissenschaftlich überzeugende Lösung und der praktische Nutzen des Hall-Sensor-ASIC für die Anwender ragte nach Meinung der Jury aus allen Einreichungen nochmals deutlich hervor.

Bewerbungen für den AMA Innovationspreis 2013 sind ab September 2012 möglich, bewerben können sich Einzelpersonen oder Entwicklerteams aus Firmen und Instituten.

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