Sensorik

Tunnelmagnetoresistive Sensoren für präzise Wege und Winkel

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Geeignet für Batteriebetrieb oder Energy Harvesting

Der Widerstand des TMR-Sensors ist definiert durch die Fläche der Tunnelverbindung und die Schichtdicke bzw. der Flächenwiderstand der Barriere. Ein typischer Flächenwiderstand einer Al2O3-Barriere liegt bei 10 MΩ/µm2. Gestaltet man eine Tunnelbarriere von 100 µm2 Fläche, so ergibt sich ein Widerstand von 100 kΩ von einem einzigen Tunnelelement.

Im Gegensatz zu AMR und GMR Sensoren gilt: je kleiner das Sensorelement, desto größer der Widerstand. Kleinere Tunnelelemente führen zu einem höheren Widerstand. Dies ist ein elementarer Unterschied zu herkömmlichen AMR- und GMR-Sensoren. Er ermöglicht es, auf gleichem Platz wesentlich hochohmigere Sensoren zu platzieren als es mit AMR- oder GMR-Sensoren möglich ist. Dadurch kann mit TMR der Leistungsverbrauch um einen Faktor 100 bis 1000 reduziert werden [2]. Die TMR-Sensoren (Bild 4) eignen sich somit gut für Anwendungen, die eine geringe Leistungsaufnahme erfordern, beispielsweise bei Batteriebetrieb oder bei autarken Sensoren mit Energy Harvesting.

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Ein weiterer ganz wesentlicher Unterschied zwischen AMR-Sensoren und GMR- bzw. TMR-Sensoren ist das Verhalten im Drehfeld. Dreht bei einem AMR-Sensor die Magnetisierung um 90° von parallel zur Stromrichtung auf senkrecht zur Stromrichtung, ist bereits der komplette MR-Hub erschöpft und bei 180° der Ausgangszustand wieder gegeben. Die Periodizität ist demnach nur 180°. Im Gegensatz dazu ist bei GMR- und TMR-Systemen der Ausgangszustand erst nach einer vollen Umdrehung wieder erreicht und somit besteht eine Periodizität von 360°.

Die TMR-Sensoren werden auch in Dünnschichttechnologie hergestellt, wobei wesentliche Teile der Produktionskette für GMR-Sensoren übernommen werden können. Diese Unterschiede sind in der Tabelle (nächste Seite) zusammengefasst. Die Tabelle macht auch deutlich, dass AMR, GMR und TMR komplementäre Technologien sind. Alle drei MR-Effekte verfügen über spezifische Vorteile, die in einer bestimmten Anwendung entscheidend sein können. Alle MR-Effekte bieten deutliche Vorteile gegenüber bisherigen magnetischen Sensoren, z.B. jene, die auf dem Hall-Effekt beruhen [3, 4].

Insbesondere hat sich gezeigt, dass die Messtechnik bei Arbeitsabständen bzw. Luftspalten funktioniert, bei denen die bisherige Hall-Sensorik versagt hat. Außerdem ist die Leistungsaufnahme des Sensors um Größenordnungen geringer als bei Hall- bzw. auch AMR- und GMR-Sensoren, was Anwendungen in autarken, drahtlosen Sensoren ermöglichen kann [5, 6, 7].

TMR-Sensoren sind nicht nur für inkrementelle Winkelmessung anwendbar, sondern auch für absolute Winkelmessung am Wellenende oder am Wellenumfang. Um letzteres zu ermöglichen, wird das Nonius-Prinzip angewandt, d.h. es werden zwei oder drei Spuren mit unterschiedlichen Polteilungen benutzt und der Winkel durch die unterschiedlichen Phasenlagen der Signale der jeweiligen Sensoren (ein Sensor pro Spur) berechnet (Bild 5). In Zusammenarbeit mit NTN-SNR Bearings hat Sensitec eine neue Lösung entwickelt mit einer Auflösung bis 17 Bit/Umdrehung (131.072 Impulse/Umdrehung) sowie einer sehr hohen absoluten Winkelgenauigkeit von ±0,1° (Bild 6).

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