Designelemente der MR Sensoren

Designelemente der MR-Sensoren

Bei MR Senoren handelt es sich um magnetoresistive Sensoren welche zur Messung von Strom, Winkeln, Längen, Positionen und auch Magnetfeldern eingesetzt werden. Der magnetoresistive Effekt ist bei allen leitfähigen Materialien vorhanden und gewinnt durch das Anlegen eines Magnetfeldes.

Die wichtigsten Elemente der MR Sensoren sind die Brückenschaltung, das Flippen und das Kompensationsprinzip, welche im Folgenden detailliert beschrieben werden.

 

Brückenschaltung

Für einen Sensor werden üblicherweise 4 Widerstände zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet (vgl.: Abbildung 25). Dabei sind die Widerstände in einer Halbbrücke in ihrem feldabhängigen Widerstandsverhalten gegenläufig, die diagonal gegenüberliegenden Widerstände verhalten sich gleich. Liegt nun ein externes Feld an, steigen die einen Widerstände, während die anderen beiden sinken. Die gerade auftretende Widerstandsänderung DRg liegt im Bereich: -DR/2 <=  DRg <= DR/2,

R1=R3= Rm +DRg

R2=R4= Rm - DRg.

 

Dieses Widerstandsverhalten wird bei Widerständen ohne Barberpole durch ihre Anordnung bezüglich des zu messenden Feldes oder durch Drehung der MR-Streifen erreicht. Bei einer Brückenschaltung mit Barberpolen entsteht die Gegenläufigkeit der Widerstände durch die Anordnung der Barberpole. Von den beiden Widerstände in einer Halbbrücke hat der eine um +45° verdrehte Barberpole, der andere um –45° verdrehte Barberpole.

 

Brücke a

Brücke b

Brückenschaltungen

 

Das Sensorsignal Uo entspricht der Brückendiagonalspannung. Die Brücke ist auf ein externes Feld H=0 abgeglichen und wird durch ein Feld Hy¹0 verstimmt. Die Spannung Uo ist eine Funktion der Amplitude des externen Feldes:

                                                                                                            Uo = U0  DRg/ Rm = U0  DR/ Rm   Hy / H0 .

Durch die Verwendung der Brücke wird die Temperaturabhängigkeit der Widerstände kompensiert.

Die Brückenausgangsspannung Uo setzt sich aus einem Spannungssignal Us und einer konstanten Offsetspannung Uoff zusammen (vgl. Abbildung 26).

 

Uoff

 

Sensorsignal Uo abhängig vom Feld

 

Um ein Messergebnis  ohne Einfluss der Offsetspannung zu erhalten, kann das Flipprinzip verwendet werden. Die Offsetspannung der Brückenausgangsspannung bleibt beim Flippen zwar erhalten, ändert aber das Vorzeichen.

Ausgangsspannung einer Brückenschaltung (vor und nach dem Flippen)

Detailausschnitt aus Abbildung 27

 

Damit kann der Offset ‚herausgerechnet‘ werden, wenn die Brückenausgangsspannung einmal vor und einmal nach dem Flippen ermittelt wird.

Uo,1=Us+Uoff

Uo,2=Us-Uoff

Damit folgt für die Ausgangsspannung:

Uo=(Uo,1+Uo,2)/2.

 

Die Sensorkennlinie kann durch ein Feld Hx in x-Richtung variiert werden. Je größer das Feld in x-Richtung, desto breiter die Kennlinie (Abbildung 29).

 

 

Abbildung 29: Brückenausgangsspannung einer Brücke mit Barberpolen in Abhängigkeit vom Stützfeld Hx

 

 

Flipprinzip

 

Als Flippen bezeichnet man den Vorgang, bei dem ein starkes externes Magnetfeld die Magnetisierung eines MR-Streifens um 180° dreht.

Für die Kennlinie eines MR-Streifens bedeutet das eine Vorzeichenumkehr, bzw. einer Spiegelung der Kennlinie an der y-Achse (vgl. Abbildung 19).  Der Grundwiderstand des MR-Streifens ändert sich dadurch nicht. Das Flipprinzip kann für MR-Streifen mit und ohne Barberpole angewandt werden.

 

MR-Streifen mit Flipleiter (Prinzipdarstellung)

 

Wird die Flipspule um den Sensor angeordnet, führt das zu einem erhöhten Platzbedarf. Sollen mehrerer Magnetfeldkomponenten gemessen werden, muß verhindert werden, das die Flipspulen der einzelnen Sensoren die Messung der anderen Magnetfeldkomponenten beeinflussen. Günstiger ist es deshalb, die Flipspule direkt auf dem Sensorchip anzuordnen.

Ein vom Strom Iflip durchflossener Leiter, der sich senkrecht zum MR-Streifen befindet, erzeugt ein Feld Hflip in Streifenlängsrichtung. Um die Magnetisierung M um 180° zu drehen, ist ein starkes Feld erforderlich. Besonders an den Streifenenden kann es dabei zu unerwünschten Randeffekten kommen. Diese können umgangen werden, wenn die Geometrie der MR-Streifen angepaßt wird. In spitz zulaufenden Streifen sind die Randeffekte kleiner.

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Randeffekte ist das Anpassen der Flip-Leiter. Schmalere Leiter am Rand und breitere Leiter in der Mitte der MR-Streifen werden dabei vom gleichen Flipstrom durchflossen. Damit ist am Rand der MR-Streifen das Feld, das die Magnetisierung umdreht, größer.

Simulierte Kennlinie eines  MR-Streifens mit Barberpolen vor und nach dem Flippen, Hx=3kA/m

Kompensationsprinzip

 

Sensoren weisen üblicherweise eine temperaturabhängige Nullpunktdrift auf, die nicht erwünscht ist. Um die Nullpunktdrift zu unterdrücken, kann das Kompensationsverfahren genutzt werden.

Dazu wird eine zusätzliche Spule auf dem Sensorchip integriert. Die Spule wird von einem Kompensationsstrom Ikomp durchflossen. Das dadurch entstehende Feld Hkomp kompensiert das eigentliche Feld H, so daß das ‚Gesamtfeld‘ Null wird. Der Spulenfaktor der Kompensationsspule bestimmt die Empfindlichkeit des Sensors (95MFKEssen.doc).

Durch Kompensation wird der Arbeitspunkt des Sensors also im Kennliniennullpunkt gehalten.

 

Das kompensierende Magnetfeld kann u.a. dadurch erzeugt werden, daß Leitbahnen oberhalb der MR-Streifen angeordnet werden. In Abbildung 17 ist die Anordnung einer Dünnschichtleitbahn zur Kompensation eines Magnetfeldes über magnetoresistiven Widerstandsstreifen dargestellt. Die sich über dem Sensorstreifen befindenden Leiterbahnen müssen  mindestens deren Breite haben. (aus 95MFKEssen)

 

Anordnung des Kompensationsleiters über
MagnetoResistiven Schichtstreifen und Magnetfeldverlauf.