Infineons neuer 2-Kanal-TMR-Winkelsensor ixMR - Eine Sensortechnologie unter der Lupe

Die verschiedenen Sensorprinzipien für die Winkelsensoren von Infineon
Die verschiedenen Sensorprinzipien für die Winkelsensoren von Infineon

Winkelsensoren auf Basis integrierter magnetoresistiver (ixMR) Sensortechnologien sind eine leistungsfähige Alternative zu Hallsensoren. Michael Westpfahl, Director Product Group Position & Current Sensors von Infineon, erklärt anhand des 2-Kanal-TMR-Winkelsensors TLE5501 die wichtigsten Vorteile.

Grundsätzlich erkennen ixMR-Sensoren die Ausrichtung eines anwesenden Magnetfelds. Dies geschieht durch Widerstands-basierte Messung der Sinus- und Kosinus-Winkel über die verschiedenen monolithisch integrierten magnetoresistiven Elemente. Die ixMR-Technologien sind komplementär mit unterschiedlichen Eigenschaften und bieten eine Reihe von Vorteilen in Automobil- und Industrieanwendungen.

Als neuestes Mitglied bietet Infineon jetzt einen zweikanaligen TMR-Winkelsensor an, der neben seiner präzisen und schnellen Winkel-Messung auch funktionale Sicherheit gemäß einer ASIL-D-konformen Entwicklung für Automobil-Anwendungen ermöglicht.

Das ixMR-Element nimmt die Ausrichtung eines Feldes wahr, nicht seine Intensität. Das bedeutet, dass Änderungen der Feldstärke innerhalb des Sensor-Messbereichs minimale Auswirkungen auf die Winkelgenauigkeit haben. Im Vergleich zu Hallsensoren sind die ixMR-Technologien u.a. extrem schnell. Dabei ist die Geschwindigkeit nicht durch die Reaktionszeit des MR-Elements begrenzt, sondern durch Verzögerungen bei der Verstärker-Schaltung. Der TMR-Sensor kommt ohne Verstärker aus, bietet eine sehr hohe Empfindlichkeit, eine geringe Leistungsaufnahme, eine sehr geringe Temperaturdrift und geringen Jitter.

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Genügsame und hochempfindliche TMR-Winkelsensoren

Infineon bietet Winkelsensoren in allen gängigen Technologien wie AMR, GMR und auch TMR an.

Funktionsprinzip und die verschiedenen Technologien

Infineon bietet magnetoresistive Winkelsensoren in AMR-, GMR- und TMR-Technologien an und profitiert dabei von einem patentierten xMR-Integrationskonzept. Die Vorteile für den Kunden sind eine hohe Zuverlässigkeit, hohe mechanische Robustheit, ausgezeichnete magnetische Performance, kleinere Chips in kosteneffizienten Gehäusen. 

Bei magnetoresistiven Sensoren ändert sich grundsätzlich der elektrische Widerstand, wenn das Sensorelement einem magnetischen Feld ausgesetzt wird. Während AMR (Anisotrop Magnetoresistive) und GMR (Giant Magnetoresitive) schon seit längerem auf dem Markt sind, kommen jetzt TMR (Tunnel Magnetoresitive) Sensoren dazu. 

AMR-Sensoren basieren auf…

...einer einzelnen aktiven Schicht. Entscheidend ist der Winkel zwischen Magnetisierungsrichtung und Stromflussrichtung. Die maximal erreichbare Widerstandsänderung ist hier relativ klein, etwa 3 % bis 4 %. Sehr viel größer ist die Widerstandsänderung beim GMR-Effekt. Im Prinzip besteht ein solcher Sensor aus zwei extrem dünnen weichmagnetischen Schichten (zum Beispiel CoFe) mit einer unmagnetischen Schicht dazwischen (zum Beispiel Kupfer). Die Magnetisierung der oberen Schicht folgt dem äußeren Magnetfeld, die der anderen wird mittels einer untergelegten antiferromagnetischen Schicht in ihrer Richtung fixiert, wobei eine Widerstandsänderung von etwa 25 % bis 45 % erreichbar ist. Beide Sensortypen werden von Infineon vorkalibriert für den sofortigen Einsatz geliefert. 

Ein TMR-Sensor besteht…

...im einfachsten Fall aus zwei ferromagnetischen Schichten (zum Beispiel CoFe). Dazwischen befindet sich eine Isolatorschicht aus Al2O3 oder MgO. Darunter liegt wie beim GMR-Effekt eine Schicht aus einem Antiferromagneten zum Fixieren der Magnetisierung dieser Schicht. Die obere Schicht folgt wieder dem äußeren Feld. Die erreichbare Widerstandsänderung ist nochmals deutlich höher als bei GMR – bei Raumtemperatur etwa 40 % bis 200 %. Das ergibt hohe Signalamplituden, sodass weniger Nachverstärkung nötig ist. Im Unterschied zu den AMR- und GMR-Sensoren ist bei den TMR-Varianten die Stromflussrichtung nicht horizontal, sondern vertikal.