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Drehwinkelsensor

Kombination aus magnetischem und optischem Messsystem

30. Mai 2014, 11:25 Uhr | Steffi Eckardt

Auf der Testplatine befindet sich der Polarisationssensor, der den Drehwinkel misst. Links im Bild: Eine Welle mit integrierter Polarisationsfolie.

Das Fraunhofer IIS hat einen Drehwinkelsensor entwickelt, der präzise Messungen mit einer flexiblen Handhabung vereint und sich individuell an spezifische Messaufgaben anpassen lässt.

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Im Automobilbau liefern Drehwinkel wichtige Informationen, etwa bei Motor-Feedback-Systemen, über die die Drehzahl der Antriebswelle genau eingestellt wird. Um den Drehwinkel zu messen, kommen spezielle Sensoren zum Einsatz. Derzeit gibt es zwei Typen dieser Drehwinkelsensoren, die entweder magnetisch oder einem optisch messen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS haben einen neuartigen Drehwinkelsensor entwickelt, der die Vorteile beider Lösungen nun vereint.

Bei der Entwicklung wird der Polarisationseffekt genutzt: Normalerweise schwingt Licht in alle möglichen Richtungen. Es ist in seinem Urzustand also unpolarisiert. Mit Hilfe spezieller Polarisationsfolien lassen sich diese Schwingungen in eine bestimmte einheitliche Richtung lenken – entweder horizontal oder vertikal. Die Polarisationsfolie befestigen die Forscher am Prüfobjekt, also etwa an einer Welle und richten einen Lichtstrahl darauf. Auf der Rückseite der Folie wird dadurch polarisiertes Licht erzeugt. Dreht sich nun die Welle, dreht sich auch der Polarisationsvektor mit. Er dient als Richtungsanzeige.

Das Auslesemodul wird so montiert, dass es sich in diesem Lichtstrahl befindet. Auf dem Chip sind mehrere Drahtgitter – kleine Mikrostrukturen – in einer Matrix angeordnet. Diese Gitter lassen sich während des normalen Fertigungsprozesses eines CMOS-Chips fertigen – ohne jeglichen Mehraufwand. Trifft nun das polarisierte Licht auf die Gitter, lässt sich daraus die Winkelstellung der Welle errechnen. Mit dieser Konstruktion erreicht das Fraunhofer IIS zwar nicht zu 100 Prozent die Präzision von herkömmlichen optischen Sensoren, dafür ist ihr Sensor aber deutlich robuster und lässt sich relativ flexibel platzieren.