Förderprojekt „Magnetische Mikro- und Nanotechnologien“ Multisensor erfasst energieautark Umdrehungszahlen ab 4096

Im Rahmen des Förderprogramms „Magnetische Mikro- und Nanotechnologien“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) hat Novotechnik zusammen mit Industriepartnern und dem Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena die Grundlagen für einen Multiturnsensor entwickelt, der Umdrehungszahlen größer 4096 energieautark erfassen kann.

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Der robuste und preiswerte Sensor mit dem Namen Uniturn liefert absolute Positionswerte und stellt den Messwert als echtes “True-power-on”-System sofort nach dem Start zur Verfügung und das ohne Pufferbatterie oder mechanisches Getriebe. Einsatzbereiche gibt es dadurch sowohl in der Automobiltechnik als auch in der industriellen Automation.

Dauerhafte Stromversorgung ist aus Kostengründen out

Nach wie vor wird der heutige Multiturnmarkt von den optischen Encodern beherrscht, die über mehrstufige Getriebe die Zahl der Umdrehungen erfassen. Für viele mobile und industrielle Anwendungen sind sie allerdings eher ungeeignet, weil sie eine dauerhafte Stromversorgung benötigen und auf mechanischen und damit verschleißbehafteten Konstruktionen beruhen oder für manche Einsatzbereiche einfach zu aufwändig und zu teuer sind. Als Alternative kommen hier magnetische Verfahren infrage, mit deren Hilfe sich zukünftig mehr als 4.000 Umdrehungen energieautark erfassen lassen.

Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Jahr 2008 genehmigten und mit insgesamt ca. 3,3 Mio. Euro unterstützten Förderprojektes hat Novotechnik zusammen mit Industriepartnern und dem Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena die Grundlagen für den magnetischen Multiturnsensor Uniturn geschaffen, der Umdrehungszahlen größer 4096, also mindestens 12 Bit, energieautark erfassen kann. Ausgangsbasis für die Neuentwicklung bildete ein bereits von Novotechnik im Markt eingeführter magnetischer Multiturnsensor, der sich jedoch nur für maximal 16 Umdrehungen eignet und nicht durchdrehbar ist, d.h. 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 nun geschlossen und kann somit durchgedreht werden, d.h. er beginnt nach dem maximalen Zählwert wieder bei 0. 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“:

Kritisch ist die Bewegung der Domänenwand über die Spitzen

Bei jeder Vierteldrehung verändert sich die Position der Domänen und somit auch die magnetische Orientierung in den Teilabschnitten der Sensorschicht. Durch eine geeignete Kontaktierung der Struktur 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 Mio. Umdrehungen können mit einer weiteren Schleife mit 17 Spitzen gezählt werden. Das Aufmacherbild 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 erwiesen. Mit umfangreichen mikromagnetischen Simulationen 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 in eine Produktumsetzung zu gehen. Weitere Arbeiten sind noch notwendig; sie werden von den Industriepartnern nach Auslauf des Förderprojektes weitergeführt und man darf auf die weiteren Resultate gespannt sein.

* Dipl.-Ing. Ernst Halder, Geschäftsführer Technik bei Novotechnik und Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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