Trendanalyse Sensor-Technologien: Marktentwicklung und Lösungen

| Redakteur: Gerd Kucera

Klassifizierung, Messgrößen, Bestandsaufnahme

Der Begriff Sensor ist in den letzten Jahren stark im Wandel. Wurden zunächst nur einfache Messelemente als Sensoren bezeichnet, so sind es heute zunehmend Messgeräte in unterschiedlichen Ausbaustufen. Die bisherigen Begriffe wie Wandler, Aufnehmer, Transducer, Transmitter, Messgerät werden daher in dieser Analyse insgesamt durch das Wort Sensor ersetzt. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass der Sensor unterschiedliche Integrationsgrade und Funktionsumfänge aufweist.

Zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Messgröße μ(t), elektrischer Ausgangsgröße u(t) und die auf die Signalkette im Sensor wirkenden Störgrößen n(t) lässt sich ein Sensor unabhängig von seinem gerätetechnischen Aufbau als Übertragungssystem betrachten, wie in Bild 4 dargestellt. Der Zusammenhang zwischen der elektrischen Ausgangsgröße u(t) des Sensors und der Messgröße μ(t) wird für den statischen Messfall durch den Übertragungsfaktor bzw. die Empfindlichkeit B0 und die auf das Nennausgangssignal bezogenen reduzierten statischen Fehler Fi beschrieben. Die absoluten Fehler werden in der messtechnischen Praxis vorzugsweise als Abweichungen von der statischen Sollkennlinie des Sensors bezeichnet. Die Abweichungen können systematischen oder zufälligen Charakter aufweisen. Die zufälligen Abweichungen (Reproduzierbarkeiten), bestimmen wegen ihrer Nichtkompensierbarkeit die Genauigkeit (d.h. die Messunsicherheit nach DIN V ENV 13005) des Sensors entscheidend. Im dynamischen Messfall wird das Übertragungsverhalten durch die zeit- bzw. frequenzabhängige Übertragungsfunktion B(ω) beschrieben. Dabei werden bei der experimentellen Fehlerermittlung meist die statischen Abweichungen vernachlässigt. Diese Annahme ist gerechtfertigt, da die dynamischen Abweichungen deutlich größer sind.

Struktur und Funktionsblöcke eines Sensors

In Abhängigkeit vom Integrationsgrad der Elektronik lassen sich drei grundlegende Sensor-Signalverarbeitungsstufen unterscheiden: Das Sensorelement nimmt den eigentlichen Messwert auf und ist durch das physikalische Wandlungsprinzip gekennzeichnet. Es erfolgt die analoge Wandlung der Messgröße in eine elektrisch verwertbare Zwischengröße, z.B. Widerstands- (ΔR), Kapazitäts- (ΔC), Induktivitäts-(ΔL), Frequenz- (Δf) oder Ladungsänderung (ΔQ). Die Primärelektronik übernimmt die Wandlung der Zwischengrößen in ein störsicheres und an einen folgenden ADC angepasstes analoges elektrisches Ausgangssignal, z.B. Spannung u(t) oder Strom i(t).

In der Sekundärelektronik erfolgt zunächst durch angepasste Analog- Digital-Converter (ADC) die Wandlung in ein digitales Signal u*(t). Durch hochintegrierte Schaltkreise, wie Mikrokontroller oder festprogrammierbare Schaltkreise (PLD) erfolgt die jetzt mögliche erweiterte digitale Signalverarbeitung, z.B. Fehlerkorrektur, Filterung, Selbstadaption, Selbstüberwachung. Bedingt durch die nun üblichen Integrationsmöglichkeiten werden diese drei Basiskomponenten zusammen als Sensor bezeichnet, manchmal auch noch als Sensorsystem. Zu letzterem Begriff ist festzustellen, dass er kontextabhängig und immer mehr auch für Zusammenschlüsse der vorgenannten Sensoren für die Erfassung unterschiedlicher Messwerte verwendet wird (Bild 5), etwa zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring).

MR-Sensoren: Vielfalt und Marktdurchdringung

Ein wichtiger Teil des technischen Sensor-Baukastens sind xMR-Sensoren. Es gelingt mit der technologischen Basis der verschiedenen magnetoresistiven Effekte geeignete Produkte zu etablieren, die den Trends und den Anforderungen im Bereich der Sensorik gerecht werden und vermehrt in neue Anwendungsbereiche vorstoßen. Die heute noch junge TMR-Technologie beginnt sich seit etwa 2015 in breiterer Ebene in industriellen Applikationen zu etablieren, während der GMR-Sensor schon seit längerem einen sicheren Platz gefunden hat. Damit reihen sich GMR- und bald auch TMR-Produkte neben den schon bewährten AMR-Sensoren im Marktangebot ein. Interessanterweise konnte bisher keine der neuen Technologien die althergebrachte AMR-Technik verdrängen. Vielmehr haben die Bauelemente neuerer MR-Technologien ergänzende Eigenschaften und werden abhängig von den Anwendungsanforderungen ausgewählt.

Es werden sogar noch mehr Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich der AMR-Sensoren gestartet, um eine weitere Verbesserung der Eigenschaften herbeizuführen. Die Sensorelemente lassen sich ähnlich wie eine elektronische Schaltung sehr variabel ausführen. In Kombination mit ständigen Weiterentwicklungen an den Schichten sind verschiedenste Funktionen und damit umfangreiche Möglichkeiten für den Einsatz möglich. So lassen sich in den Sensoren als weitere Funktionslagen zum Beispiel Flusskonzentrationsstrukturen oder Leiterschleifen zum Flippen (Rücksetzen von aufmagnetisierten Sensorelementen) integrieren.

Das Interesse im Allgemeinen an magnetischen Sensoren – dazu gehören auch Hall Sensoren – wurde bisher permanent durch eine Wechselbeziehung von Technologie-Push und Market-Pull gefördert. In der Regel sind es die Anwender, die mit der Forderung nach höherer Messgenauigkeit und gesteigerter Kompaktheit immer neue Entwicklungsphasen auslösen. Aber auch die Hersteller und Hochschulen treiben durch ihre Forschung und Entwicklung neue Sensoreigenschaften voran, die meist sehr schnell für den breiten Markt zur Verfügung stehen.

In jüngster Vergangenheit ist zu beobachten, dass bei der Marktdurchdringung der xMR-Technologie ein deutlich sichtbar gesteigertes Engagement großer Bauelementhersteller wie Infineon, TDK oder Analog Devices vorhanden ist. Hier wird das Portfolio durch Sensoren auf Basis der xMR-Technologie verstärkt erweitert. Auch dadurch können sowohl die Bedeutung als auch das Potenzial der xMR-Technologie deutlich abgeleitet werden.

MR-Sensoren: Anforderungen und Anwendungen

Die Steigerung der Leistungsdichte ist in vielen Branchen als klare Forderung vorgegeben. Die Folge: Statt einen Standard-Sensor mit vordefinierter Schnittstelle zu verwenden, werden optimal angepasste Sensoren verlangt. Diesem Trend sind die xMR-Sensoren bis an das technisch Machbare gefolgt. Mit dem TMR-Effekt wurde erst vor wenigen Jahren ein weiterer technologischer Meilenstein gelegt, der zusätzliche Miniaturisierungsschritte ermöglicht.

Ebenfalls vermehren sich die Anfragen für Anwendungen, die eine funktionale Sicherheit (SIL) erfordern. Ausfälle und Fehler müssen sicher erkannt werden. Sicher bedeutet, dass die Anlage bzw. Baugruppe im Fall eines Fehlers einen sicheren Zustand einnehmen muss, ohne das Umfeld in irgendeiner Art zu gefährden. Auch hier sind Sensorkomponenten gefragt, die diesem Anspruch gerecht werden. Neben dem Thema der funktionalen Sicherheit spielt der noch deutlich bekanntere Trend zu Industrie 4.0 der Sensorik im Allgemeinen in die Karten. Auch magnetoresistive Sensoren werden hiervon sicher profitieren.

Mittels Zustandsüberwachung oder weiter gefasst im Begriff „Condition Monitoring“ sollen Maschinenlaufzeiten deutlich optimiert und Eingriffe wie zum Beispiel vorbeugende Instandhaltung effektiver gestaltet werden. Durch Sensoren ist der Verschleiß der Komponenten in der Anlage erfassbar und eine Reparatur gezielt auf das betroffene Bauteil somit planbar.

Sowohl die Möglichkeiten als auch die Einsatzgebiete unterliegen so gut wie keinen Grenzen. In der Tat finden sich Anwendungen quer durch alle Gebiete der Technik; von A wie Automotive bis Z wie Zytometrie. Passend hat sich die Jury beim AMA Innovationspreis 2016 für ein Entwicklungsprojekt entschieden, bei dem mit Hilfe von magnetischen Biomarkern und MR-Sensoren magnetische Durchfluss-Zytometrie realisiert wurde. Ein ganz neues und insbesondere schnelles diagnostisches Verfahren für die Untersuchung von Antikörpern im Blut.

Ein weiteres spektakuläres Beispiel für den Einsatz magnetoresistiver Sensoren ist der Marsrover Curiosity. Dieser ist an fast allen beweglichen Achsen mit MR-Sensoren ausgestattet und verrichtet unter widrigsten Umgebungsbedingungen seit Jahren fehlerfrei seine Aufgabe, die Marsoberfläche zu analysieren.

Doch extreme Anwendungen gibt es auch auf der Erde. Hier werden MR-Sensoren beispielsweise in Prüfständen für die Entwicklung von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Die Sensoren können die Ventilbewegungen erfassen, dabei sind sie von heißem Motoröl umgeben, welches im Bereich des Auslasskanals bei Volllast auch bis zu 180 °C erreichen kann.

Mit Hilfe der Sensorinformationen lässt sich die Effizienz auch von E-Motoren verbessern, konsatiert Hersteller Sensitec, der sich seit jeher auf den magnetoresistiven Effekt für industrielle und automobile Serienanwendungen konzentriert. Es sei nur eine Frage der Zeit, bis die Sensoren vom Prüfstand Einzug in die Serienmotoren halten. Die große Masse der magnetischen Sensoren hat es allerdings nicht ganz so schwer, sie sind aber wichtige Helfer unseres Alltags. So arbeiten zum Beispiel weit über 100 Millionen Sensitec-MR-Sensoren für u.a. die Überwachung des ABS-Bremssystems im PKW.

Vom DMS zum berührungslosen Drehmomentsensor

Die präzise und schnelle Erfassung von Drehmoment, Biegung und Scherung an sich bewegenden Teilen wie Vorschub-, Antriebs- oder Getriebewellen war angesichts der ständig steigenden Anforderungen an Maschinen und Fahrzeuge schon immer der Wunsch der Entwickler und Ingenieure. Wer zu jedem Zeitpunkt Zugriff hat auf in Echtzeit erhobene Daten aus dem Inneren von Wellen, Motoren und Getrieben, kann Prozesse optimal nach den real auftretenden Kräften in der Maschine bzw. im Fahrzeug planen, auslegen und steuern. Der Einsatz von Drehmomentsensorik verlängert auch die Lebenszeit von Maschinen, reduziert den Kraftstoff- und Energiebedarf, verlängert die Wartungsintervalle und erhöht die Sicherheit. Denn mit Drehmomentsensoren kann jeder Antrieb exakt an die auftretenden Kräfte angepasst werden – in Echtzeit.

Die Drehmomentsensorik beginnt mit dem ersten Dehnungsmessstreifen von Prof. A. Ruge 1938, drei Jahre später waren die ersten industriell hergestellten Draht-DMS verfügbar. Drehmomentsensoren auf Basis von DMS halten anspruchsvollen Bedingungen aber nur mit hohem Aufwand stand. Mechanische, thermische und chemische Beanspruchung bringen herkömmliche Lösungen schnell an ihre Grenzen. Moderne Drehmomentsensorik ist berührungsfrei. Durch die präzise Erfassung von Messwerten direkt an Wellen und Gelenken ermöglichen berührungsfreie Drehmomentsensoren neue Möglichkeiten in einer Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der Automation.

Die junge NCTE AG konzentriert sich auf die Nutzbarmachung des magnetostriktiven Effekts für vollständig berührungsfreie und robuste Drehmomentmesstechnik. Dabei werden Welle, Achse oder rotierende Komponenten eines Roboters oder einer Maschine selbst zum Elementarsensor. In einem eigenentwickelten, patentgeschützten Strompulsverfahren wird die Achse dauerhaft mit einer remanenten, schwachen magnetischen Kodierung versehen, wie im Bild 7 links gezeigt ist. Durch die Wirkung einer Kraft (gelbe Pfeile im Bild rechts) ändert sich nach dem magnetostriktiven Effekt die Größe und Richtung des eingeprägten Magnetfelds.

Die Vorteile von Drehmomentsensoren und weitere Themen beschreibt die 144-seitige AMA-Studie ‚Sensor Technologien 2022‘: Anforderungen, generelle Entwicklungstrends, Sensorkomponenten und Fertigungstechnologien. Sie zeigt Chancen neuartiger Technologie- und Anwendungsfelder auf und ist gegen Schutzgebühr von 12 € unter http://www.ama-sensorik.de/studie-kaufen/ erhältlich (als PDF oder Print).

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