Die Idee für die Studienarbeit basiert auf mein zweites Praxissemester bei der Firma TRW Automotive. Aufgrund meiner Tätigkeit im Praxissemester ist mir aufgefallen, dass man die Winkelmessung eines rotierenden Systems mit einem Sensor messen kann.

1.1 Ziel des Projekts

Das Ziel des Projekts ist es, einen Versuchsaufbau für rotierende Systeme auf der Basis vom GMR - Sensor - zu entwickeln und die mechanische Umsetzung und den Entwurf von einer Messschaltung.

1.2 Ursprung des GMR - Sensors

Der GMR-Effekt wurde zuerst 1988 von Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich und Albert Fert der Universität Paris-Süd in unabhängiger Arbeit voneinander entdeckt. Die Möglichkeiten, den Effekt in einem Sensor für ein magnetische Felder einzusetzen (und damit zu etablieren einen neuen Typ von Lesekopf in einer Computerfestplatte), wurden schnell durch ein IBM-Forschungsteam durch Stuart Parkin entdeckt. Er replizierte den Effekt mit polykristallinen Schichten. IBM stellte im Textfeld: Abb. 1: Schichtaufbau eines MR-Sensors Dezember 1997 das erste kommerzielle Gerät her, das diesen Effekt nutzte. Derzeitig konzentriert sich die Forschung auf den Einsatz von mehrschichtigen Sensoren.

Der Ursprung der Entwicklung von magnetoelektronischen GMR-Elementen ist auf die Entdeckung einer antiferromagnetischen Kopplung zwischen zwei Fe-Schichten zurückzuführen, die mittels einer dünnen Cr-Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Ohne äußeres Magnetfeld ist die Magnetisierung der beiden Fe-Schichten antiparallel orientiert. Durch ein äußeres Magnetfeld, das größer als die antiferromagnetische Kopplungsstärke ist, wird die antiferromagnetische Orientierung der Fe-Schichten aufgebrochen und die Magnetisierung beider Fe-Schichten parallel zueinander ausgerichtet.

1.3 GMR-Effekt

Textfeld: Abb. 2: Mikroskopbild eines GMR-Sensors Der Giant MagnetoResistive Effekt tritt in Schichtsystemen mit mindestens zwei ferromagnetischen Schichten und einer nicht magnetischen, metallischen Zwischenschicht auf. Stehen in diesen Schichten die Magnetisierungen nicht parallel zueinander, so ist der Widerstand größer als bei paralleler Magnetisierung. Dieser Unterschied kann bis zu 50 Prozent betragen, daher auch der Name “giant“ bzw. “gigantisch“.

Die Gleichmäßigkeit der extrem dünnen Schicht ist von großer Bedeutung für die sensorischen Eigenschaften. Um eine Serienfertigung zuverlässig zu ermöglichen, sind sehr aufwendige Anlagen notwendig. Daher begründet sich auch die nur geringe Anzahl an Anbieter von GMR-Sensoren.

Die größten Erfahrung über die zuverlässige Herstellung präziser GMR-Schichten gibt es bisher nur in der Herstellung von Schreib- und Leseköpfen für Plattenlaufwerke.

1.4 Die neue Art Magnetfelder zu messen

Bei der Suche nach geeigneten Messwertaufnehmer und Sensoren, haben sich Magnetfeld-Sensoren durchgesetzt. Die Anforderungen steigen kontinuierlich in Bezug auf:

· sehr hohe Temperaturstabilität über den gesamten Temperaturbereich

· sehr große unverstärkte Ausgangs-Signalpegel

· sehr hohe Empfindlichkeit

· geringe Leistungsaufnahme, sowie

· “0“ – Speed bis 1 MHz Erkennung steigen kontinuierlich

Die GMR-Sensoren bringen den Entwickler einen entscheidenen Schritt weiter:

Mit GMR-Sensoren kann das Magnetfeld eines Permanentmagneten, eines Elektromagneten oder das eines Stromes direkt gemessen werden. Durch die höhere Empfindlichkeit erfüllen GMR-Sensoren die Haupt-Forderungen nach

· höherem Schaltabstand,

· hoher Temperaturstabilität,

· Stillstanderkennung und

· geringeren Design Kosten

1.5
Wirkprinzip

Der GMR-Effekt tritt in sehr dünnen Schichtsystemen von einigen Nanometern auf. Der elektrische Widerstand hängt vom Winkel zwischen der oberen und unteren Magnetisierung ab. Der größte Widerstand entsteht bei antiparalleler Kopplung zwischen den Schichten.

1.5.1 Aufbau und Eigenschaften

In der heutigen Applikation werden oft sogenannte Spin-Valve Schichtsysteme eingesetzt. Ein Spin Valve Schichtsystem besteht aus zwei weichmagnetischen Schichten, die durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind. Die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht wird durch eine antiferromagnetische Schicht festgehalten.

Die untere weichmagnetische Schicht ist als `free layer` und die obere als `pinned layer` bekannt. Die antiferromagnetische Schicht heißt `pinning layer`,

die magnetische Schicht ist als Spacer bekannt. Es wurde ein Sensor im Form von vier Mäanderspulen gefertigt, die in einer Brückenschaltung geschaltet sind. Der Sensor weist ein GMR-Effekt von 2% auf.

1.5.2 Anwendungspotenzial von GMR-Sensoren

Eigenschaften	GMR	AMR	Hall	Induktiv
Temperaturstabilität	+++	++	+	++
Ausgangssignal	+++	++	+	Größenabh.
Empfindlichkeit	+++	+++	++	++
Leistungsverbrauch	+++	+	++	Größenabh.
Größe	+++	+	+++	+
DC-Betrieb	Ja	Ja	Ja	Nein
Kosten	+++	+	+++

Tabelle 1: Vergleich alternative Magnetfeldsensoren

In Tabelle 1 werden die Eigenschaften von GMR-Sensoren im Vergleich zu den herkömmlichen Magnetfeldsensoren, wie z.B. AMR (Anisotropic MagnetoResistance)-, Hall- und induktive Sensoren dargestellt.

Für die Anwendungvon GMR-Sensoren spricht insbesondere das sehr große Ausgangssignal, so dass auf eine aufwendige Vorverstärkung des Signals verzichtet werden kann.

Mit dem großen Ausgangssignal ist eine sehr hohe Empfindlichkeit verbunden, die Messungen der Erdmagnetfeldstärke ermöglicht. Bedingt durch die hohe Empfindlichkeit kann – im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren – der Abstand zwischen dem GMR-Sensor und dem Signalgeber vergrößert werden. Die Materialstabilität lässt einen Einsatz der GMR-Sensoren bei Temperaturen von 0° bis 150°C zu. Die kleine Baugröße von GMR-Sensoren ermöglicht ein Herstellungs- und Integrationsverfahren, welches mit der CMOS- und bipolaren Halbleitertechnologie kompatibel ist. Dies ermöglicht den einfachen Aufbau von GMR-Sensoren mit integrierten Schaltungen, so dass intelligente Sensoren zu angemessenen Preisen hergestellt werden.

1.5.3 Messung magnetischer Felder

Allgemein lässt sich sagen, dass AMR-Sensoren bei kleinen Feldstärken deutlich vorteilhafter anwendbar sind, als beispielsweise Halbleiter-Sensoren (Feldplatten) oder Hall Sensoren. Bedingt vor allem durch eine um etwa den Faktor 100 höhere Empfindlichkeit der AMR-Sensoren.

Textfeld: Abb. 3: Multifunktionsuhr Eine typische Anwendung zur Messung von schwachen magnetischen Feldern ist ein elektronischer Kompass. Das Erdmagnetfeld (ca. 50 A/m (62,5mT)) wird mit zwei AMR-Sensoren desTyps MF1 ausgewertet, die um 90° gegeneinander verdreht aufgebaut sind. Aus den beiden Sensorsignalen wird die genaue Richtung des Erdmagnetfeldes berechnet. Man findet diese Sensoren z. B. in multifunktionalen Armbanduhren mit elektrischer Kompassfunktion. Eine Anwendung findet man in potenzialfrei messenden, hochdynamischen Stromsensoren der Serie CMS. Sie benötigen wegen ihrer hohen Empfindlichkeit keine Flusskonzentratoren und arbeiten deshalb völlig hysteresefrei. Diese Sensoren sind um ein vielfaches kleiner als etwa Stromsensoren, die auf dem Hall-Effekt beruhen. Sie sind für einen hohen Frequenzbereich bi bis ca. 100 kHz einsetzbar

1.5.4 Magnetische Maßstäbe zur Messung von Weg und Winkel

Um Winkel und Wege hoch auflösend und genau mittels des MR-Prinzips zu messen, werden magnetische Maßverkörperungen eingesetzt. Darunter werden entlang einer Linie (Maßstab) oder im Ring (Polring) angeordnete, abwechselnd gegensätzlich polarisierente Magnete gleicher Pollänge verstanden.

Textfeld: Abb.4:Magnetisierung diverser Pollängen Diese magnetischen Maßverkörperungen werden in Längen von <1 cm bis zu mehreren hundert Metern oder als Ring in unterschiedlichen Durchmessern passend für die jeweiligen Messaufgabe hergestellt. Die Pollängen zwischen 0,1 und 5 mm werden durch das präzise Magnetisieren von dauermagnetischem Material erzeugt.

Die Maßstäbe bestehen für Standardanwendungen aus flexiblem Kunststoffmaterial mit eingelagertem Ferritpulver.

Für höhere Genauigkeiten und mit Blick auf das thermische Verhalten können auch

Maßstäbe aus keramischen Material beschrieben werden. Abgeleitet vom Vorgang der magnetischen Datenspeicherung wird dieses Magnetisieren als “Schreiben“ von Maßstäben bezeichnet. Entsprechend der jeweiligen Aufgabe werden die Maßverkörperungen oft Hand in Hand mit dem Anwender an die Messaufgabe angepasst. Beispiele hierfür sind der Magnetring für einen Encoder in Kleinstmotoren, der Polring für eine Winkelmessung im hochwertigen Objektiv einer professionellen Filmkamera.

1.6 Weg und Winkelmessung mit MR-Sensoren

Textfeld: Abb. 5:Layout eines GMR-Winkelsensors Ein parallel zur Maßstabsoberfläche bewegter MR-Sensor ändert sein Ausgangssignal sinusförmig innerhalb einer Pollänge. Der Sensorchip lässt sich somit zur genauen Ortsbestimmung verwenden. Diese besteht aus der Zählung der bereits zurückgelegten Perioden und der Bestimmung der Position innerhalb der Pol-länge. Um das Sensorsignal eindeutig dem Ort in der gesamten Pollänge zuordnen zu können, bedarf es des Einsatzes einer zweiten, gleichen Sensorbrücke. Sie ist um ein Viertel der Periodenlänge zur ersten Brücke versetzt auf dem gleichen Sensorchip angeordnet. Das Sensorsignal dieser zweiten Wheatstone`schen Brücke verläuft kosinusförmig innerhalb der Pollänge.

Damit ist die Grundlage der Weg- und Winkelmessung mit MR-Sensoren kurz umrissen.

MR-Sensoren werden als offen abtastende Messsysteme eingesetzt.

Textfeld: Abb. 6:Sensorbrücke im Magnetfel eines Linearmaßstabes Dabei ist immer der Arbeitsabstand zwischen Maßstab und Sensor von Interesse. Es geht dabei auf der Anwendungsseite u.a. um die Empfindlichkeit gegen über Abstandsschwankungen und auf der Sensorseite um Störfestigkeit. Gute Messergebnisse werden erzielt, wenn der Arbeitsabstand etwas geringer als die halbe Periodenlänge des jeweiligen Magneten ist. Daraus ergibt sich der Zusammenhang zwischen Polgröße und Arbeitsabstand. Die Polgröße bestimmt maßgeblich die geometrische Größe des MR-Sensorchips.

Mit Polgrößen von 1mm und entsprechend 2mm langen Sensorchips werden Genauigkeiten von wenigen Mikrometer erreicht. Der Arbeitsabstand kann dann z.B. ohne Genauigkeitsverlust zwischen 0,1mm und max.0,5 mm vom Objekt, abzüglich der Materialstärke der Sensorabdeckung, schwanken.

In dem abstandsneutralen Verhalten liegt einer der wesentlichen Vorteile der AMR- und GMR-Sensoren gegenüber den Hall-Sensoren.

Zusätzlich besitzen MR-Sensoren eine Selbstdiagnose durch den Aufbau von jeweils zwei Brückenschaltungen auf einem Chip, die um 45° zueinander angeordnet sind und je ein Sinus- und Cosinus-Signal liefern. Da sin² + cos²= 1 ist das Resultat der Auswertung beider Signale ein

selbst diagnostizierendes Messsystem. Kurz: Die nachfolgende Logik kann in Abb.7 leicht erkennen, ob der Sensor in Ordnung ist oder ein Sensordefekt vorliegt.

Textfeld: Abb.7:Ausgangssignal

1.7 Inkrementale MR-Messsysteme

Wie in Abb. 8 exemplarisch dargestellt, werden durch eine Interpolations-ASIC die beiden analogen Sinus- und Kosinus-Signale MR-Sensors in digitale Signale – auch als A/B-Signale bezeichnet – umgewandelt.

Textfeld: Abb.8:Ausgangssignal des Interpdalions-ASIC Anhand des A/B-Signals kann nach dem Einschalten des Systems erst durch das Anfahren einer Referenzposition eine Zuordnung der aktuellen Position zu einer absoluten Position gemacht werden. Bei dem abgebildeten System werden die Flanken des digitalen Signals gezählt. Die Auflösung ist der Abstand zwischen zwei Flanken. Die Messlänge hängt von dem eingesetzten Zähler und dem Maßstab ab.

1.8 Absolute MR-Messysteme

Textfeld: Abb.9:Zweispurige Sensoranordnung Die beiden Signale des MR-Sensors werden typischerweise mit dem Arcustangensverfahren in eine Länge umgerechnet. In Abb. 9 ist der Zusammenhang zwischen den sinusförmigen Sensorsignalen und der berechneten Arcustangensfunktion dargestellt. Wie zu sehen ist, werden die einzelnen Stücke der Arcustangensfunktion zu einer Geraden ohne Sprünge zusammengesetzt. Die Position der berechneten Wegstrecke ist nur innerhalb eines Pols eindeutig. Wenn der zurückgelegte Weg länger als eine Periode ist, kann bei einspurigen Systemen die zurückgelegte Wegstrecke nicht eindeutig einem Pol zugeordnet werden und die Gesamtlänge nicht als ein Wert dargestellt werden.

Will man über einen längeren Messweg als um eine Pollänge absolut messen, bedarf es eines zweiten Sensors. Die zweite Spur wird noniusartig versetzt zur ersten Spur magnetisiert. Der absolute Weg kann nun über die Arcustangensfunktion aus der Phasenverschiebung beider Spuren berechnet werden. Auf diese Weise lassen sich z. B. mit einer absoluten Wegmessung bis zu 335cm realisieren.

2 Magnetfeld

2.1 Pole des Magneten

Die Stellen der stärksten Anziehung nennt man die Pole des Magneten.

Die magnetische Wirkung nimmt entlang des Magneten mit der Entfernung von den Polen ab. In der Mitte zwischen den Polen ist keine magnetische Wirkung mehr vorhanden.

Einen Magneten kann man sich aus mehreren Elementarmagneten zusammengesetzt denken. Diese Elementarmagneten entstehen durch Elektronenspins. In ferromagnetischen Stoffen sind die Elektronenspins

auch in nicht magnetisiertem Zustand innerhalb kleiner Bereiche, der sogenannten Weißschen Bezirke, gleich ausgerichtet. Diese Bezirke können als Elementarmagneten angesehen werden. Nur ferromagnetische Stoffe bestehen aus solchen Elementarmagneten.

Je mehr Elementarmagnete in einem Eisenstück ausgerichtet sind, desto größer ist seine magnetische Wirkung.

2.2 Magnetisches Feld

Die durch die Eisenfeilspäne dargestellten Linien heißen magnetische Feldlinien. Den Raum um einen Magneten, in dem magnetische Kräfte wirken und den man sich von magnetischen Feldlinien durchsetzt denkt, nennt man magnetisches Feld.

Üben Körper aufeinander Kräfte aus, ohne sich zu berühren, so spricht man von einem Kraftfeld zwischen diesen Körpern.

Nach der Ursache der Kräfte unterscheidet man magnetische Felder, elektrische Felder und Schwerefelder.

Man hat für die magnetischen Feldlinien folgende Richtung festgelegt:

Magnetische Feldlinien verlaufen außerhalb des Magneten vom Nordpol zum Südpol, innerhalb vom Südpol zum Nordpol. Der Nordpol eines beweglichen Magnetfeld, es zeigt in die so festgelegte Feldlinienrichtung.

Wenn man zwei Magneten mit gleichartigen Polen (N und N oder S und S) einander gegenüber und streuen Sie Eisenfeilspäne auf die Glasplatte, ist das Ergebnis das die Feldlinien gleichartiger Pole einander ausweichen.

Wenn man nun mit ungleichartigen Polen (N und S) den Versuch aufbaut, ist das Ergebnis, dass die Feldlinien verlaufen bogenförmig zwischen den ungleichartigen Polen der beiden Magneten verlaufen.

Aufgrund der Erkenntnis der Versuche, kann man den Feldlinien folgende Eigenschaften zuschreiben: Sie neigen sich verkürzen (Längszug), streben in Querrichtung auseinander (Querdruck) und treten senkrecht aus dem Magneten aus.

Zwischen den Polen verlaufen die Feldlinien eng beieinander. Eng nebeneinander liegenden Feldlinien, also große Feldliniendichte, bedeutet, dass dort die magnetische Kraftwirkung groß ist. Großer Abstand der Feldlinien, also kleine Feldliniendichte, bedeutet, dass dort nur kleine magnetische Kräfte wirken.

Ein magnetisches Feld mit parallelen Feldlinien gleicher Dichte nennt man ein homogenes (gleichmäßiges) Feld.

Aufgrund dieser Erkenntnisse ist es also wichtig, den GMR-Sensor so zu positionieren, dass die magnetische Feldlinien parallel zum GMR-Sensor verlaufen. Somit erhält man ein gleichmäßiges Signal.

2.3 Augenfällige Wirkung von Magneten

Wie allgemein bekannt besitzt ein Stabmagnet zwei, in Anlehnung an die Erde normalerweise als Süd- und Nordpol bezeichnete Enden, auch Pole genannt. Hat man zwei Magnete, so ziehen sich Nord- und Südpol an, während sich gleiche Pole abstoßen, ohne dass man hierzu Energie zuführen muß. Auf dieser Basis funktionieren auch Kompaßnadeln: Es handelt sich um kleine, sehr leichte, beweglich gelagerte Magnete, die sich üblicherweise im Magnetfeld der Erde ausrichten und aufgrund ihrer Ausrichtung eine Information über das umgebende Magnetfeld liefern.

Abb.10:Wirkung von Magneten aufeinander

Indem man z.B. auf einen mit vielen Kompaßnadeln versehenen Karton einen Stabmagneten legt, kann man die Auswirkungen des starken Magnetfelds eines Magneten auf die Umgebung d.h. die schwachen Magnetfelder der Kompaßnadeln studieren. Mit einer Reihe von Kompaßnadeln kann man also Magnetfelder "sichtbar" machen. In Abb.12 ist dies anhand einer Graphik verdeutlicht.

Das Magnetfeld eines Stabmagneten
Abb.11:Das Magnetfeld

Die Kompaßnadeln richten sich hierbei an den magnetischen Feldlinien aus, von denen in roter Farbe vier Stück exemplarisch eingezeichnet sind.

Es handelt sich hierbei um gedachte Linien, denn sehen kann man sie selbstverständlich nicht.

2.4 Permanentmagnet

2.4.1 Grundlagen von Permanentmagnet

Wie aber funktionieren Permanentmagnete? Ein auch als Dauermagnet bezeichneter Permananentmagnet erzeugt ein Magnetfeld, ohne dass man einen Stromfluß erkennbar ist. Trotzdem arbeitet auch ein Permanentmagnet mit Strom; allerdings muß dieser nicht von außen zugeführt werden. Ein Permanentmagnet besteht aus vielen sehr kleinen Elementarmagneten, die durch eine Ansammlung von Atomen gebildet werden. Bei jedem Atom umkreist mindestens ein Elektron den Atomkern. In Abb.13 ist dies anhand eines Wasserstoffatoms, welches nur ein einziges Elektron besitzt und damit das am einfachsten gebaute Atom darstellt, dargestellt.

Abb.12: Das Magnetfeld eines Wasserstoffatoms

Dieses eine Elektron wirkt genauso wie weiter oben beschrieben ein elektrischer Strom durch z.B. einen Kupferdraht und erzeugt durch seine Bewegung ein magnetisches Feld. Denn der elektrische Strom entspricht der Bewegung von Elektronen. Sind sie überrascht, dass Wasserstoffatome magnetisch sind? Nun, das Gas Wasserstoff ist in seiner Gänze nicht magnetisch, auch wenn die einzelnen Atome Magnetfelder erzeugen und damit magnetisch sind. Der Grund liegt darin, dass Wasserstoffatome sich völlig ungeordnet bewegen und sich daher in Summe die Magnetfelder der einzelnen Atome kompensieren. Denn statistisch gesehen sind zu jedem Zeitpunkt genausoviele Magnete in die eine Richtung ausgerichtet wie in die entgegengesetzte. Es handelt sich daher, wie auch die Erfahrung bestätigt, bei Wasserstoff nicht um einen Permanentmagneten

2.5 Zusammensetzung des ausgewählten Stabmagneten

Aufgrund des Datenblattes des GMR-Sensors ist es am geeignesten, einen Magneten auszuwählen, der ein sehr starkes Magnetfeld aufbaut.

Die Magnete aus seltenen Erden (Kobaltsamarium Neodym-Eisen-Bor) stellen das technologisch fortschrittlichste Produkt dar, das heute auf dem Markt ist.

Das Sam-Co, das schon seit 1980 im Handel ist, wird langsam aber sicher durch das Neodym ersetzt, das leistungsstärker und weniger zerbrechlich ist, aber auch weniger kostet. Kobaltsamarium wird trotzdem noch dort empfohlen, wo die Temperatur 180°C überschreiten. Da es sich um leicht rostendes Material handelt, sind die Neodymmagnete normalerweise durch Zink-, Nickel-, Epoxidbäder oder anderes geschützt. Das Neodym entwickelt eine 7-10 mal höhere Leistungsfähigkeit als die herkömmlichen magnetischen Materialien.

3 Schaltplanentwurf

3.1 Aufbau auf einer Lochrasterplatine

Als erstes wurde die Schaltung auf dem Lochrasterplatine aufgebaut um die Funktion zu testen. Die Bauteile werden nach Schaltplan auf der Lochrasterplatine aufgebaut. Der nächste Schritt ist die Einstellung des Offsetabgleichs.

Danach wird am IC1 das Sinus und das Kosinus-Signal mit dem Oscilloskope erfasst um zu schauen ob das Signal vorhanden ist und ob Störungen auftreten.

3.2 Entwurf Offsetkompensation

In Bezug auf die Argumentation in Kapitel 2.5 wird eine Schaltung entworfen, bei der man den Offset kompensieren kann (Nullabgleich). Laut dem Datenblatte des GMR-Sensors der Firma Hy-Line ist es am sinnvollsten den, GMR-Sensor mit einem Strom zu betreiben.

Als weiter zu verarbeitendes Signal wird ein Spannungssignal benötigt. Dies bedingt das ein Strom fließt, der die Brücke konstant speist. Bei einer Verstimmung der Brücke durch magnetischen Einfluss ergibt sich ein Variables Spannungssignal des Brückenstrom beträgt 1mA.