MR-Sensoren – kontaktlose Verbindungen

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Kontaktlose Verbindungen

Unsere magnetischen Sensoren liefern genaue und zuverlässige Daten – und das ohne physischen Kontakt.

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 insofern von den meisten dieser Messwertgeber, als dass sie die jeweilige physikalische Eigenschaft häufig nicht direkt messen. Sie erkennen Änderungen oder Störungen in den Magnetfeldern, die durch Objekte oder Ereignisse entstehen oder beeinflusst werden. Die Magnetfelder enthalten daher Informationen über Eigenschaften wie Richtung, Bewegung, Drehung, Winkel oder Elektrizität, die vom magnetischen Sensor in elektrische Spannung umgewandelt werden. Nur die wenigsten Magnetsensoren messen Magnetfelder absolut. Hierzu zählt etwa das Erdfeld bei Kompassen. Um das Ausgangssignal in den gewünschten Parameter zu übersetzen, ist eine Signalverarbeitung erforderlich. Natürlich ist die Verteilung eines Magnetfeldes von der Entfernung und der Form des für die Entstehung oder Veränderung ursächlichen Objekts (z. B. Magnete, Ströme usw.) oder Ereignisses abhängig. Beim Anwendungsdesign müssen daher stets der Sensor und das für die Entstehung ursächliche Objekt berücksichtigt werden. Magnetische Sensoren sind zwar etwas komplizierter in der Anwendung, liefern dafür aber genaue und zuverlässige Daten – und das ohne physischen Kontakt.

Der magnetoresistive Effekt wurde 1857 von Lord Kelvin entdeckt, als er bemerkte, dass sich der elektrische Widerstand eines Eisenstücks leicht verändert, wenn es in einem Magnetfeld platziert wird. Es dauerte jedoch noch einmal mehr als 100 Jahre, bis Robert Hunt 1971 den ersten Entwurf eines magnetoresisitven (MR) Sensors vorlegte. Und es vergingen weitere 20 Jahre, bis IBM 1991 den ersten MR-Kopf, der mithilfe eines Streifens aus magnetoresistivem Material Bits erkannte, in einer Festplatte einführte. Zuvor wurden MR-Sensoren für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie Preisetiketten- und Ausweisleser sowie Magnetband (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.

Die Geometrie eines Hunt-Elements
Die Veränderung im spezifischen Widerstand.

Physikalischer Ursprung des magnetoresistiven Effekts

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 ausgeprägtesten, 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 1Multiplizieren mit= Einheit 2Remark
Tesla104Gauß 
Örsted
1Gaußμr = 1! 
Örsted79.58A/m103/(4 xπ) 
Weber108Maxwell 

Tabelle 1: Umrechnungsfaktoren für magnetische Einheiten. Ausführliche Informationen finden Sie auf der NIST-Homepage.

Magnetoresistive Sensoren können grundsätzlich in zwei Gruppen eingeteilt 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 Sensor 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.

Umkleiden des MR-Streifens mit äußerst leitfähigen Barberpoles.
Abbildung 2: Durch das Umkleiden des MR-Streifens mit äußerst leitfähigen Barberpoles ändert sich die Stromrichtung im Hunt-Element, nicht jedoch das magnetische Verhalten des Mu-Metalls.
Der Signalbestimmungswinkel.
Die Ersatzformel.
Charakteristische Übertragungskennlinie für MR-Elemente
Abbildung 3: Für MR-Elemente charakteristische Übertragungskennlinie (a) ohne und (b) mit 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):

Linearität von KMY20S/M und KMZ20S/M
Abbildung 4: Linearität von KMY20S/M und KMZ20S/M

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.

Charakteristische Kurven eines Barberpole-Sensors.
Abbildung 5: Die charakteristischen Kurven eines Barberpole-Sensors für verschiedene vormagnetisierte Felder.

Kleinere vormagnetisierte Felder

Beachten Sie jedoch, dass ein vormagnetisiertes Feld die Empfindlichkeit des Sensors verändert. Dies wird in Abbildung x sowie in Tabelle x dargestellt. 

 Empfindlichkeit in Bezug auf vormagnetisiertes Feld.
Abbildung 6: Empfindlichkeit in Bezug auf vormagnetisiertes Feld.

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

Remark

00.35140.5Vormagnetisierung erforderlich
10.510.50.5Vormagnetisierung erforderlich
21.16.31Vormagnetisierung empfohlen
31.44.9Stabil
523.4Stabil

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:

Temperaturkoeffizienten.

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,wenn durch eine Beschichtung geschützt, sehr hohen Temperaturen von bis zu ca. 300 °C widerstehen kann. In diesem Fall ist die Verpackung der begrenzende Faktor.