Trend
Kontaktlose Verbindungen
Unsere magnetischen Sensoren liefern genaue und zuverlässige Daten – und das ohne physischen Kontakt.
Magnetsensoren
Sensoren zur Überwachung von Eigenschaften wie Temperatur, Druck, Belastung oder Durchfluss liefern ein Ausgangssignal, das sich direkt auf den gewünschten Parameter bezieht. Magnetische Sensoren hingegen unterscheiden sich von den meisten dieser Messwertgeber dadurch, dass sie die jeweilige physikalische Eigenschaft häufig nicht direkt messen. Sie erkennen Änderungen oder Störungen in Magnetfeldern, die durch Objekte oder Ereignisse entstehen oder beeinflusst werden. Die Magnetfelder können daher Informationen über Eigenschaften wie Richtung, Bewegung, Drehung, Winkel oder Elektrizität enthalten, die vom magnetischen Sensor in elektrische Spannung umgewandelt werden. Nur die wenigsten Magnetsensoren messen Magnetfelder absolut. Hierzu zählt etwa das Erdfeld bei Richtungsbestimmungen.
Um das Ausgangssignal in den gewünschten Parameter zu übersetzen, ist eine Signalverarbeitung erforderlich. Natürlich hängt die Verteilung eines Magnetfeldes von der Entfernung und der Form des Objekts oder Ereignisses ab, das für die Entstehung oder Veränderung verantwortlich ist (z. B. Magnete, Ströme usw.). Beim Anwendungsdesign müssen daher stets der Sensor und das für die Entstehung verantwortliche Objekt berücksichtigt werden. Magnetsensoren sind zwar etwas komplizierter in der Anwendung, liefern dafür aber genaue und zuverlässige Daten – und das ohne physischen Kontakt.
Magnetoresistiver Effekt
Geschichte
Lord Kelvin entdeckte den magnetoresistiven Effekt im Jahr 1857, als er die leichte Änderung des elektrischen Widerstands eines Eisenstücks bemerkte, nachdem dies in ein Magnetfeld gelegt wurde. Es dauerte jedoch noch einmal mehr als 100 Jahre, bis Robert Hunt im Jahr 1971 den ersten Entwurf eines magnetoresistiven Sensors vorlegte. Und es vergingen weitere 20 Jahre, bis IBM im Jahr 1991 den ersten MR-Kopf in einer Festplatte einführte, der mit einem Streifen aus magnetoresistivem Material Bits erkannte. Zuvor wurden MR-Sensoren für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie Preisetiketten- und Ausweisleser (nur Lesen) sowie Magnetbänder (1985) eingesetzt. Die Geometrie eines Hunt-Elements – eine magnetoresistive Folie mit dem Messstrom I und dem Magnetisierungsvektor M bei einem Signalerkennungswinkel α für den Strom auf der Folienfläche (siehe Abbildung 1). Wenn das Magnetfeld Hy in das weiche Material des Magnetsensors eingekoppelt wird, ändert sich der spezifische Widerstand des Streifens, was über den Messstrom gemessen werden kann.
Der magnetoresistive Effekt der Übergangsmetalle hat seinen physikalischen Ursprung in der Abhängigkeit der Magnetisierungsrichtung von der Streuung der Elektronen. In Übergangsmetallen sind die 4s-Elektronen die vorherrschenden Stromträger, da sie über eine größere Mobilität als die 3d-Elektronen verfügen. Die Streuung der Elektronen von den s- zu den d-Bändern ist am stärksten ausgeprägt, wenn sich die Elektronen parallel zur Magnetisierung bewegen.
Wheatstone-Brücken
Für die meisten Anwendungen ist das akademische Hunt-Element ungeeignet, da es keinen Nullpunkt bietet. Dieser Nachteil sowie die Temperaturabhängigkeit des Widerstands können mit einer Wheatstone-Brücke vermieden werden.
Magnetische Einheiten
Für den Laien in Sachen Magnetismus ist die Situation in Bezug auf die magnetische Einheiten meist recht verwirrend. Die folgende Tabelle soll dabei helfen, schnell Umrechnungsfaktoren für die verschiedenen Einheiten zu finden:
| Einheit 1 | Multiplizieren mit | = Einheit 2 | Remark |
|---|---|---|---|
| Tesla | 104 | Gauß | |
| Örsted |
1 | Gauß | μr = 1! |
| Örsted | 79.58 | A/m | 103/(4 xπ) |
| Weber | 108 | Maxwell |
Tabelle 1: Umrechnungsfaktoren für magnetische Einheiten. Ausführliche Informationen finden Sie auf der NIST-Homepage.
Magnetoresistive Sensoren
Magnetfeldsensortypen
Magnetoresistive Sensoren können grundsätzlich in zwei Gruppen unterteilt werden. Bei Hochfeldanwendungen, etwa wenn die Feldstärke des eingesetzten Feldes stark genug ist, um das weiche Magnetsensormaterial zu sättigen (ungefähr für H>10 kA/m), verläuft der Magnetisierungsvektor des Sensors stets (fast) parallel zum eingesetzten Feld. Eine häufige Anwendung für magnetoresistive Hochfeldsensoren sind kontaktlose Winkelsensoren, z. B. die Modelle KMT32B und KMT36H oder der MLS-Wegsensor. In Niederfeldanwendungen wird der Magnetisierungsvektor hauptsächlich über die Form der Streifen ermittelt, da die Magnetisierung eine natürliche Präferenz für die Längsrichtung aufweist. Das externe Feld verursacht eine α-Windung der Magnetisierung im Streifen, sodass sich der Widerstand aufgrund des MR-Effekts verändert. Lineare Niederfeldsensoren, z. B. MR174B-Matrizen, KMY-Sensoren und Schaltsensoren wie der MS32, arbeiten in der Regel in diesem Modus.
MR-Sensoren
Mit linearisierter Übertragungskennlinie
Wenn niedrige Magnetfelder auf Hunt-Elemente angewandt werden, ändert sich die Magnetisierung nur minimal, während sich der cos-Ausdruck der Formel (1) bei geringen Veränderungen von α ebenfalls kaum verändert. Ein Hunt-Element ist für kleine Feldstärken nicht empfindlich. Um den MR-Sensor für niedrige Magnetfelder empfindlich zu machen, muss die MR-Übertragungskennlinie (1) abgewandelt werden. Dies wird in der Regel mithilfe von sogenannten Barberpoles erreicht (siehe Abbildung 2).
Es werden kleine, äußerst leitfähige Stäbe – die sogenannten Barberpoles – auf dem Mu-Metall platziert. Sie überbrücken den Strom im Mu-Metall und ändern aufgrund ihrer Geometrie den Strompfad, verändern jedoch nicht das magnetische Verhalten. Der Strom zwischen den Barberpole-Lücken sucht sich den kürzesten Weg, z. B. lotrecht zu den Barberpoles.
Sensorlinearität
Die Linearität des Sensorausgangssignals richtet sich nach dem Verhältnis der tatsächlichen Signalamplitude zur maximalen Ausgangsspannungsamplitude. Abbildung 4 zeigt die Linearitätsabweichung im Verhältnis zu diesem Quotienten (in Prozent):
Sensorstabilität
Egal, ob eine magnetische Domäne parallel oder antiparallel zum externen Feld verläuft, die magnetostatische Energie ist die gleiche. In anderen Worten: magnetische Domänen können in einer stabilen Umgebung zwischen zwei Richtungen fluktuieren. Bei Hochfeldsensoren stellt das kein Problem dar, da die Übertragungskennlinie in α quadratisch ist. Bei Barberpole-Sensoren ergeben sich jedoch erhebliche Auswirkungen, da nun das Ausgangssignal auch das Vorzeichen wechselt.
Daher müssen magnetoresistive Niederfeldsensoren wie der Barberpole-Sensor stabilisiert (vormagnetisiert) werden. Hierzu dient das zusätzliche externe Feld (Hx), das vorteilhaft am MR-Streifen (also in x-Richtung) ausgerichtet ist. Dieses Feld dient ausschließlich dazu, eine bevorzugte Richtung für die Ausrichtung der magnetischen Domänen zu definieren. Das vormagnetisierte Feld muss stark genug sein, um zu verhindern, dass Störfelder die Domänen umschalten. Die Erfahrung zeigt, dass vormagnetisierte Felder mit einer Stärke von mehr als ca. 2,5 kA/m eine angemessene Sensorleistung gewährleisten.
Kleinere vormagnetisierte Felder
Beachten Sie jedoch, dass ein vormagnetisiertes Feld die Empfindlichkeit des Sensors verändert. Dies wird in Abbildung 6 sowie in Tabelle 2 dargestellt.
Bei einigen Anwendungen ist eine hohe Empfindlichkeit wünschenswert. In diesem Fall kann ohne vormagnetisiertes Feld vorgegangen werden. Hierzu muss der Sensor einige Voraussetzungen erfüllen: Unmittelbar vor der Messung wird die Magnetisierung durch einen kurzen magnetischen Impuls in die definierte x-Richtung umgekehrt (Vormagnetisierung). Um zu verhindern, dass die Magnetisierung zwischen der Vormagnetisierung und der Messung umgekehrt wird, müssen die externen Felder auf weniger als ca. 0,5 kA/m begrenzt werden.
| Vormagnetisiertes Feld Hx in kA/m |
Reichweite des Felds in kA/m |
Empfindlichkeit S in mV/V/kA/m | Max. Feld Hy, max. in kA/M |
Hinweis |
| 0 | 0.35 | 14 | 0.5 | Vormagnetisierung erforderlich |
| 1 | 0.5 | 10.5 | 0.5 | Vormagnetisierung erforderlich |
| 2 | 1.1 | 6.3 | 1 | Vormagnetisierung empfohlen |
| 3 | 1.4 | 4.9 | ∞ | Stabil |
| 5 | 2 | 3.4 | ∞ | Stabil |
Tabelle 2: Empfindlichkeit und empfohlene Reichweite.
Dauermagnete und Barberpole-Sensoren
Das stabilisierende Hx-Feld wird in der Regel durch einen Dauermagneten erzeugt. Bei den Modellen KMY20S oder KMZ20S muss der Kunde das erforderliche vormagnetisierte Feld mit einem Dauermagneten erzeugen. Die Modelle KMY20M und KMZ20M verfügen über einen internen Hartferritmagneten. Die maximale externe Feldstärke wird nur von der Stabilität des Materials des Dauermagneten begrenzt. Bei den Modellen KMY20M und KMZ20M können Störfelder mit mehr als ca. 40 kA/m (500 Gauß) die Magnetisierungsrichtung des Dauermagneten unumkehrbar ändern. Dies kann zu einer dauerhaften Änderung der Offsetspannung sowie zur Zerstörung der Sensorfunktion führen. Diese Einschränkung kann durch Sensoren vom Typ S in Kombination mit anderen Magneten wie Magnete aus seltenen Erden verringert werden, die vom Benutzer bereitgestellt werden müssen.
Temperatur
Sowohl der ohmsche Widerstand als auch der magnetoresistive Effekt haben ihren Ursprung in den Streuungsprozessen der leitenden Elektronen. Da alle Streuungsprozesse temperaturabhängig sind, weisen auch der Brückenwiderstand und der MR-Effekt ∆R/R eine Temperaturabhängigkeit auf. Die Temperaturkoeffizienten werden in der Regel über folgende Parameter zwei Temperaturen zugeordnet:
Bei Mu-Metall haben der Brückenwiderstand und der Temperaturkoeffizient der Amplitude ungefähr den gleichen Wert, aber nicht das gleiche Vorzeichen TCBR≈-TCSV.
Dadurch kann die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit durch eine konstante Stromversorgung ausgeglichen werden. In diesem Fall nimmt die Versorgungsspannung mit steigender Temperatur und wachsendem Brückenwiderstand zu. Dieser Effekt sorgt für eine steigende Ausgangsspannung, die den Empfindlichkeitsverlust ausgleicht.
Ein weiterer wichtiger Wert ist der Temperaturkoeffizient des Ausgleichs. Dieser Temperaturkoeffizient ergibt sich durch kleine Abweichungen des Temperaturverhaltens der vier Brückenwiderstände. In der Praxis lässt sich eine Drift der Ausgangsspannung beobachten, die nicht von dem durch die Magnetfelder verursachten regulären Ausgangssignal getrennt werden kann. In Anwendungen mit DC-Signalkopplung begrenzt daher der Temperaturkoeffizient des Ausgleichs die Messgenauigkeit.
Mu-Metall ist ein äußerst robustes Material, das bei entsprechendem Schutz durch eine Beschichtung sehr hohen Temperaturen von bis zu ca. 300 °C widerstehen kann. In diesem Fall ist die Verpackung der begrenzende Faktor.
Andreas Voss präsentiert Einzelheiten und Einsetzmöglichkeiten zur magnetoresistiven Sensortechnologie.
