Umdrehungszähler Energieautarkes Drehen

Der Multiturn-Markt wird von optischen Encodern beherrscht, die über mehrstufige Getriebe die Zahl der Umdrehungen erfassen. Für viele mobile und industrielle Anwendungen sind sie allerdings eher ungeeignet. Als Alternative kommen magnetische Verfahren infrage.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Förderprojekt »Magnetische Mikro- und Nanotechnologien« mit insgesamt etwa 3,3 Millionen Euro. In dessen Rahmen hat Novotechnik zusammen mit den Projektpartnern AB Elektronik, FSG Fernsteuergeräte, IMSTec, dem Institut für Photonische Technologien IPHT, Kübler und Sensitec sowie den Unterauftragnehmern AMIC und Fraunhofer IZM die Grundlagen für den magnetischen Multiturnsensor »Uniturn« geschaffen. Dieser kann Umdrehungszahlen größer 4096, also mindestens 12 Bit, energieautark erfassen.

Auf der Grundlage des »Rahmenprogramms Mikrosysteme« und des Forschungsprogramms »IKT2020« fördert das BMBF Forschungs- und Entwicklungsvorhaben auf dem Gebiet der magnetischen Mikro- und Nanotechnologien mit Anwendungen in den Bereichen:

  • Informationstechnik mit neuartigen CMOS-integrierbaren Bauelementen und Schaltungskonzepten, etwa für die Datenerfassung, -verarbeitung und -speicherung.
  • Automobiltechnik mit Magnetsensoren, Auswerte- und Regelelektronik, beispielsweise für die Drehzahlerfassung, Lage-erkennung und berührungslose Datenübertragung etwa vom Rad auf die Karosserie.
  • Verkehrstechnik mit Magnetsensoren und berührungslosen Datenübertragungseinrichtungen für die Überwachung des ruhenden oder fließenden Straßenverkehrs (zum Beispiel auf Parkflächen, Auf- und Abfahrten) und artverwandten Aufgaben wie im Bereich des Flugverkehrs als Ersatz oder Ergänzung von Radaranlagen auf Flughäfen.
  • Automatisierungstechnik mit mag-netischer Sensorik, Aktorik und elektronischer Regelung für die Prozessüberwachung, Maschi-nensteuerung und -diagnose, Materialflussverfolgung, usw.
  • Medizintechnik mit magnetischen Funktionseinheiten und Sen-soren, etwa für die Separation von Substanzen oder in der Bioanalytik mittels Verwendung von magnetischen Nanopartikeln.
  • Materialprüfung und Qualitätssicherung mit Sensor-Arrays, beispielsweise für ortsauflösende, berührungslose und zerstörungsfreie Prüfverfahren und die laufende Qualitätssicherung im Produktionsprozess.

Das Ministerium geht davon aus, dass Sensoren und andere Systemkomponenten auf der Basis von magnetischen Effekten gegenüber anderen Lösungen, vor allem auf optischer Basis, in vielen Anwendungen deutliche Vorteile besitzen: Sie lassen sich etwa auch unter rauen Umgebungsbedingungen betreiben, verbrauchen weniger Energie, sind wartungsarm, preiswert und können flexibel in verschiedene Anwendungsumgebungen eingepasst werden.

Ein Ergebnis ist der Multiturn-Sensor, dessen Ausgangsbasis ein bereits von Novotechnik im Markt eingeführter magnetischer Multiturn-Sensor bildete, der sich jedoch nur für maximal 16 Umdrehungen eignet und nicht durchdrehbar ist, das heißt man muss diesen Sensor nach 16 Umdrehungen wieder zurückdrehen, um zum Ausgangszustand zu gelangen.

Ursache dafür ist die offene Struktur der Domänenbahnen. Im Gegensatz dazu ist beim neuen Uniturn die Struktur geschlossen und kann somit durchgedreht werden, er beginnt nach dem maximalen Zählwert also wieder bei null. Der Sensor arbeitet ebenfalls mit magnetischen Domänen, die durch die zu überwachende Drehbewegung auf Bahnen verschoben werden und zum Erhalt der Information keine Energie benötigen. Dabei ist die Funktion nicht grundlegend verschieden von der bisherigen sogenannten »Quadstruktur«.

Grundlage ist der erst 1988 entdeckte GMR-Effekt (Giant Magnetoresistance oder Riesenmagnetowiderstand). Dieser Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt, und zwar ist er bei Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei Magnetisierung in die gleiche Richtung. Typischerweise wird er in Strukturen beobachtet, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen.

Riesenmagnetowiderstand

Werden zwei Schichten eines ferromagnetischen Materials durch eine dünne nichtmagnetische Schicht getrennt, so richten sich die Magnetisierungen bei bestimmten Dicken der Zwischenschicht in entgegengesetzten Richtungen aus. Schon kleine äußere magnetische Felder reichen aber aus, um diese antiferromagnetische Ordnung wieder in die ferromagnetische Ordnung umzuschalten.

In Verbindung mit dem GMR-Effekt bewirken Variationen des äußeren Magnetfeldes in geeigneten Strukturen daher große Änderungen des elektrischen Widerstandes der Struktur. Daraus ergeben sich Möglichkeiten, den Effekt in einem Sensor für ein magnetisches Feld einzusetzen. Beispielsweise brachte IBM 1997 die erste Festplatte auf den Markt, die diesen Effekt nutzt.

Viertelweise

Bei jeder Vierteldrehung verändert sich die Position der Domänen und somit auch die magnetische Orientierung in den Teilabschnitten der Sensorschicht (Bild 1). Kontaktiert man die Struktur auf geeignete Art und Weise, kann jetzt wieder über den GMR-Effekt der Magnetisierungszustand und somit die Umdrehungszahl ermittelt werden.

Ordnet man fünf Schleifen mit einer jeweils teilerfremden Anzahl von Spitzen an, erreicht das gesamte System erst nach 3 x 4 x 5 x 7 x 11 = 4620 Umdrehungen wieder den Ausgangszustand, das entspricht mehr als 12 Bit. Fügt man eine weitere Schleife mit 13 Spitzen hinzu, erreicht man bei den Umdrehungen knapp 18 Bit. Eine Million Umdrehungen können mit einer weiteren Schleife mit 17 Spitzen gezählt werden.

Bild 3 zeigt ein Layout eines GMR-Chips mit der Fläche 1,4 mm x 2,2 mm; dieser besteht aus sechs Schleifen mit 3,5,7,9,11 und 13 Spitzen. Mit den fünf teilerfremden Schleifen (5,7,9,11,13) können N = 5 x 7 x 9 x 11 x 13 = 45 045 Umdrehungen erfasst werden.

Als sehr kritisch hat sich die Bewegung der Domänenwand über die Spitzen (Bild 2) erwiesen. Mit umfangreichen mikromagnetischen Simu--lationen wurde deshalb eine optimale Geometrie ermittelt und die Domänenbewegung über die Spitze anschließend im Experiment bestätigt. Allerdings ist derzeit das realisierte magnetische Arbeitsfenster noch zu klein, um direkt daraus ein Produkt realisieren zu können. Weitere Arbeiten sind noch notwendig; sie werden von den Indus-triepartnern nach Auslauf des Förderprojektes weitergeführt.

Über die Autoren:

Ernst Halder ist Geschäftsführer Technik bei Novotechnik und Ellen-Christine Reiff schreibt für das Redaktionsbüro Stutensee.