Giant Magneto Resistors
Applikationsschrift
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 2 1998 /09
INHALT
1EINFÜHRUNG............................................................................................................................................ 3
2 GRUNDLAGEN.......................................................................................................................................... 4
3 AUFBAU..................................................................................................................................................... 5
4 BETRIEB .................................................................................................................................................... 7
4.1 Brückenschaltungen ................................................................................................................................ 7
4.2 Räumliche Anordnung ............................................................................................................................. 8
4.3 Temperaturgang........................................................................................................................................ 9
4.4 Verstärkung............................................................................................................................................. 10
4.5 Magnetische Geber................................................................................................................................. 11
5 APPLIKATIONEN..................................................................................................................................... 12
5.1 Absoluter Winkelsensor......................................................................................................................... 12
5.2 Inkrementaler Drehschalter mit Richtungserkennung....................................................................... 14
5.3 Kontaktloser Drehwahlschalter für Hausgeräte .................................................................................. 15
5.4 Linearsensor ........................................................................................................................................... 16
5.5 Kontaktloser Schalter, Näherungsschalter.......................................................................................... 16
5.6 Positionssensor für Druckkopf ............................................................................................................. 17
6 DATENBLÄTTER..................................................................................................................................... 18
6.1 Maximum ratings .................................................................................................................................... 18
6.2 Characteristics........................................................................................................................................ 18
6.3 Maße und Anschlüsse............................................................................................................................ 19
7 BESTELLINFORMATIONEN................................................................................................................... 20
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 3 1998 /09
1Einführung
Der
Giant Magneto Resistor (GMR)
erweitert das
umfangreiche Programm der Siemens AG an magne-
tempfindlichen Sensoren, das bisher von Magnetowi-
derständen (InSb) über analoge lineare Hallsensoren
(GaAs) bis zu Hall-ICs aus Silizium reicht.
Magnetosensoren eignen sich hervorragend für alle
Arten kontaktloser Positionserfassung von Abstand,
Geschwindigkeit, Drehzahl und Drehsinn sowie für die
berührungslose Messung elektrischer Ströme und
Leistungen. Dabei gewährleisten sie Funktionsfähig-
keit auch unter rauhen Umgebungsbedingungen durch
Schmutz, Abrieb und hohe Temperaturen. Diese Ei-
genschaften haben zu einer weiten Verbreitung von
Magnetfeldsensoren speziell in Automobil- und Indu-
strieanwendungen geführt, und die Vielfalt der Sen-
sortypen am Markt steigt ständig.
Warum also
GMR-
Sensoren?
GMR-
Sensoren über-
winden eine Schwäche, die herkömmliche Magnetowi-
derstände und Hallsensoren mit ihrer hohen Empfind-
lichkeit gegen Schwankungen des Luftspalts in vielen
Anwendungen zeigen.
Da alle konventionellen Magnetosensoren auf die
Stärke
des Magnetfeldes reagieren, bewirken oft
schon kleinste Schwankungen des Abstandes zwi-
schen Magnet und Sensor erhebliche Signalverände-
rungen, die sich nur mit erheblichem Montageaufwand
oder komplexer Signalaufbereitung vermeiden lassen.
Die neuen
GMR-
Sensoren, die Siemens speziell für
die Positionssensorik entwickelt hat, messen im Ge-
gensatz dazu nur die
Richtung
eines äußeren Ma-
gnetfeldes weitgehend unabhängig von der Intensität,
was sowohl sehr große Meßabstände als auch Justa-
getoleranzen erlaubt. Die Montage wird damit für den
Anwender erheblich einfacher und kostengünstiger.
Bei geeigneter Ansteuerung sind Luftspalte von bis zu
25 mm möglich, was die Vorteile der Magnetosensorik
für völlig neue Anwendungen erschließt.
In den folgenden drei Kapiteln werden erst für tech-
nisch Interessierte die Grundlagen des
GMR-
Effektes
und der Aufbau und Betrieb des
GMR-
Sensors be-
schrieben. Daran schließen sich Anwendungsbeispiele
an, die zeigen, welche Vielfalt von Aufgaben
GMR-
Sensoren einfach und höchst effektiv lösen.
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 4 1998 /09
2Grundlagen
6
1
0
$$)IHVWH
0DJQHWLVLHUXQJ
0DJQHWLVLHUXQJ
GXUFKlXHUHV
0DJQHWIHOG
ϕ
0
)H
&X
&R
&R
&X
)H
&X
&R
&X
A
bbildung 1
A
usrichtung der Deckschichten im äußeren Ma-
g
netfeld
Abbildung 2
Schichtfolge: Deckschichten aus Eisen, künstli-
cher Antiferromagnet (AAF) aus Kupfer- und
Kobalt-Lagen
Ende der 80er-Jahre wurde an Stapeln aus sehr dün-
nen Eisen- und Chromschichten bei tiefen Temperatu-
ren eine magnetische Widerstandsänderung von über
50% entdeckt. Weil Schichtstapel aus Eisen und ande-
ren magnetischen Metallen besonders empfindlich auf
Magnetfelder reagierten, verlieh die Fachwelt ihnen
den Namen
Giant Magneto Resistor.
Die Dicken der einzelnen Schichten liegen in der Grö-
ßenordnung von wenigen Nanometern (Millionstel
Millimetern). Unmagnetisches Kupfer trennt die ma-
gnetischen Eisen- und Kobalt-Schichten (s.
Abbildung 2). Diese Trennung ist gerade so dünn,
daß sich die Kobaltlagen zu einem künstlichen Antifer-
romagneten
(artifical antiferromagnet AAF)
koppeln.
Die Deckschichten sind aus weichmagnetischem Ei-
sen und richten sich in einem äußeren Magnetfeld
aus, während die hartmagnetischen Kobaltschichten
ihre feste Magnetisierung beibehalten.
Mit dem Magnetfeld richten sich auch die Spins der
Elektronen in den Deckschichten aus. Die mittlere freie
Weglänge von Elektronen mit Spin parallel zur Ma-
gnetisierung im künstlichen Antiferromagnet über-
schreitet die Dicke der Schichtfolge, so daß nur gerin-
ge Streuverluste auftreten. Die Elektronen mit anti-
parallelem Spin hingegen tragen zu einem erhöhten
Widerstand bei, weil sie innerhalb der Schichtstruktur
öfter streuen.
Bei gleicher magnetischer Ausrichtung der weich- und
hartmagnetischen Schicht erleiden die Elektronen
weniger Streuungen, und der Wider stand erreicht sein
Minimum, bei genau entgegengesetzter Ausrichtung
sein Maximum. Der
GMR-
Effekt ist unabhängig von
der Stromrichtung, nur der Winkel zwischen den Ma-
gnetisierungsrichtungen der hart- und weichmagneti-
schen Schichten bestimmt den Gesamtwiderstand des
Systems.
Innerhalb eines weiten magnetischen Fensters, in dem
die weichmagnetischen Schichten mitdrehen, aber die
hartmagnetischen Schichten noch unbeinflußt bleiben,
hängt der Widerstand nur von der Richtung des äuße-
ren Magnetfeldes ab (Sättigungsbetrieb).
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 5 1998 /09
:LQNHO
D
5
5
Abbildung 3
Relative Widerstandsänderung in Abhängigkeit
vom Winkel zwischen hart- und weichmagneti-
schen Schichten
Mit zunehmender Temperatur sinkt die
GMR-
Effektivität
∆
R
/
R
0
durch die thermische Anre-
gung von Gitterschwingungen und Spinwellen, weil
einerseits der Grundwiderstand
R
0
des Sensors steigt
und anderseits die gemeinsame Spinausrichtung ab-
nimmt. Der Temperaturkoeffizient erweist sich im Ex-
periment als konstant.
3Aufbau
Die ultradünnen Schichten, über die sich die antifer-
romagnetische Kopplung einstellen kann, erfordern
modernste Sputtertechnologie. Das von Siemens
benutzte System aus elf Schichten hat insgesamt eine
Dicke von nur 25 nm. Magnetische Kobaltschichten
und unmagnetischen Kupferschichten als Abstands-
halter bilden einen künstlichen Antiferromagnet.
Weichmagnetische Schichten aus Eisen bedecken
den Antiferromagnet von unten und oben.
Um einen Grundwiderstand in der Gr ößenor dnung von
über 700 Ω zu gewährleisten, werden mäander förmige
Strompfade aus dem planaren Schichtsystem freige-
ätzt (s. Abbildung 4). Die Widerstandsänderung
∆
R
/
R
0
aufgrund des
GMR-
Effekts beträgt mehr als 4%.
Ein starkes äußeres Magnetfeld richtet den künstli-
chen Antiferromagneten aus und legt die harte Ma-
gnetisierung der Strompfade einzeln fest. Siemens
bietet
GMR-
Sensoren in drei verschiedenen Layouts
als Einzelsensoren und integrierte Brücken an:
Typ Mäander Magnetisierungsrichtungen Gehäuse
S4, S6 Einzelsensor 1 0° SOH,
SMT(MW-6)
B6 1 Vollbrücke / 2 antiparallele
Halbbrücken 2 + 2 0° 180°
180° 0° SMT(MW-6)
C6 2 gekreuzte Halbbrücken 2 + 2 0° 90°
180° 270° SMT(MW-6)
Tabelle 1
Vari anten von
GMR-
Sensoren (Muster des Typs C6 sind ab 01/99 verfügbar)
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 6 1998 /09
Abbildung 4
Vollbrückenchip GMR B6
Halbbrücken bestehen aus zwei Widerständen in Serie
mit antiparalleler Magnetisierung. Der Sensor G MR B6
besteht aus zwei parallel geschalteten Halbbrücken
mit entgegengesetzter Magnetisierung, die auch als
Vollbrücke beschaltbar sind. Die gekreuzten Halbbr ük-
ken des Sensors GMR C6 tragen um 90° verschobene
harte Magnetisierungen.
*05%
9
↑
9
↓
*05&
9
→
9
↑
Abbildung 5
Anordnung der Sensorelemente auf den Brückenchips.
GMR B6: 2 antiparallele Halbbrücken oder 1 Vollbrücke (- - -).
GMR C6: 2 gekreuzte Halbbrücken.
(Die Pfeile ze igen die Richtung der internen Magnetisierung an)
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 7 1998 /09
4Betrieb
Der Widerstand des
GMR-
Sensors als Maß für das
anliegende Magnetfeld ändert sich mit dem Winkel
zwischen der festen internen Magnetisierung und der
weichmagnetischen Schicht (s. Abbildung 3), die
dem Magnetfeld mit einer Hysterese von weniger als
2° folgt. Diese Änderung wird als Spannungsänderung
über einem Einzelsensor oder einer Brückenschaltung
erfaßt. Die Signalform entspricht einer Cosinus-
Funktion mit erweitertem Linearitätsbereich.
Die Brückensensoren GMR B6 und G MR C6 bestehen
aus je 4 auf dem Chip integrierten Einzelsensoren, die
zwei Halbbrücken mit unterschiedlicher Vorzugsma-
gnetisierung bilden. Eine Halbbrücke setzt sich aus
zwei antiparallel ausgerichteten Einzelsensoren zu-
sammen (s. Abbildung 6). Das Signal einer Halb-
brücke ergibt sich als Differenz zu einem Spannungs-
teiler aus zwei festen Widerständen und variiert sym-
metrisch um den Nullpunkt. Die verschiedenen Vor-
zugsrichtungen der festen Magnetisierung zeigen sich
in der Phasenlage des Signals:
a)
,
9
b)
6HQV
,
5
5
9
6HQV
c)
6HQV
,
9
6HQV
Abbildung 6
a) Messung des Spannungsabfalls an einem Einzelsensor. Messung der Brückenspannung
b) an einer Halbbrücke mit Spannungsteiler und
c) an einer Vollbrücke.
4.1Brückenschaltungen
Während der Widerstand von Einzelsensoren im Ma-
gnetfeld nur um einige Prozent des Gesamtwertes
variiert, läßt sich an einer Brückenschaltung eine
Spannung abgreifen, die nur der Widerstandsände-
rung ohne Offset entspricht. Die Brückenabgriffe
Sens 1 und Sens 2 (s. Abbildung 6 b/c) werden di-
rekt oder nach Verstärkung (s. Abschnitt 4.4) ausge-
wertet.
•Die beiden Signale der um 90° verdrehten (ge-
kreuzten) Halbbrücken (GMR C6) erlauben die
eindeutige Feststellung der Magnetfeldrichtung im
ganzen Kreis (s. Abbildung 7 rechts).
•Die Vollbrücke aus zwei antiparallelen Halbbrük-
ken (GMR B6) benötigt keine externen Ver-
gleichswiderstände. Die beiden Halbbrücken wir-
ken gegenläufig, so daß ihre Differenz die dop-
pelte Signalstärke erhält (s. Abbildung 7 links).
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 8 1998 /09
a)
*05%
9
↓
9
↑
−
9
↓
9
↑
%
U
L
G
J
H
9
R
O
W
D
J
H
,
× ∆
5
ò
ò
b)
*05&
9
↑
9
→
%
U
L
G
J
H
9
R
O
W
D
J
H
,
× ∆
5
ò
ò
Abbildung 7
Brückenspannung von Halbbrücken
(V
, V
, V
)
und Vollbrücke
(V
- V
)
bei Drehung des äußeren Ma -
gnetfeldes.
4.2Räumliche Anordnung
Der volle Signalhub stellt sich ein, sobald die Stärke
des äußeren Magnetfeldes ausreicht, die weichma-
gnetische Meßschicht des
GMR-
Sensors stets mitzu-
drehen. Der Arbeitsbereich endet, wenn das äußere
Magnetfeld so stark ist, daß es die hartmagentische
Schicht beeinflußt und die Empfindlichkeit irreversibel
vermindert.
0DJQHWIHOG+N$P
Abbildung 8
Maximaler Signalhub DU in Abhängigkeit von der
Magnetfeldstärke.
Innerhalb des „magnetischen Fensters“ von 5-
15 kA/m ist der Signalhub unabhängig von der
Feldstärke: Der
GMR-
Sensor mißt nur die Rich-
tung des anliegenden Feldes.
Der Abstand zwischen Gebermagnet und Sensor ist
also völlig irrelevant, solange die Feldstärke innerhalb
dieses Fensters liegt. Beispielhaft zeigt die Abbildung
9 für einen Permanentmagneten aus Samarium-Kobalt
von 20×10×5 mm3, bei welchem axialem und lateralem
Abstand 100%, 75% und 50% des maximalen Signal-
hubs erreicht werden. Daraus ergibt sich ein für ma-
gnetische Sensoren unüblich großer Luftspalt und eine
immense räumliche Aufbautoleranz.
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 9 1998 /09
D[LDOHU$EVWDQGPP
O
D
W
H
U
D
O
H
U
$
E
V
W
D
Q
G
P
P
!
!
1
6
Abbildung 9
Relative Stärke des
GMR-
Effektes in der Umgebung eines Permanentmagneten von 20105 mm3 aus
Samarium-Kobalt
4.3Temperaturgang
Als Maß für die Widerstandsänderung
∆
R
durch den
GMR-
Effekt wird der Spannungsabfall
∆
U =
∆
R
⋅
I
in
einer Brückenschaltung (s. Abschnitt 4.1) aufge-
zeichnet. Mit der Temperatur steigt der Grundwider-
stand
R
0
an, und der
GMR-
Effekt
∆
R
sinkt:
•Bei Versorgung mit konstanter Spannung sinkt der
Strom
I
, weil der Grundwiderstand steigt, und da-
mit sinkt auch der meßbare Spannungsabfall.
•Die Schwächung des
GMR-
Effekts
∆
R
vermindert
die Spannungsänderung
∆
R(T)
⋅
I
.
Sowohl der Grundwiderstand
R
0
als auch der
GMR-
Effekt
∆
R
ändern sich mit konstanten Temperatur-
koeffizienten (s. Abschnitt 6.2). Diese Linearität er-
mögliche eine effektive elektronische Kompensation
durch eine temperaturabhängige Versorgung über
einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizi-
enten (NTC) oder über eine negative Impedanz (NIC).
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 10 1998 /09
a)
9
5
6HQV6HQV
5
Q
Ω
% .
*05EULGJH
6
6
6
6
Ω
1
7
&
b)
5
5
6HQV6HQV
9
5
5
*05EULGJH
5
6
6
6
6
N
Ω
N
Ω
Ω
N
Ω
N
Ω
23
/0&%(1
23
23
Abbildung 10
Temperaturkompensierende Ve rsorgung über
a) einen Widerstand mit negativem Tempe raturkoeffizienten (NTC) oder
b) eine Schaltung mit negativer Impedanz (NIC)
Die Brückenelemente
S
1
bis
S
4
stehen für
GMR-
Sensoren oder feste Widerstände: In der Vollbrücke
sind alle vier Elemente
GMR-
Sensoren, wobei aufein-
anderfolgende Elemente antiparallel magnetisiert sind.
Zur Auswertung der Halbbrücke ersetzen zwei feste
Widerstände die Sensoren
S
3
und
S
4
(s. Abbildung
6).
Die NTC-Variante hat bei Temperaturen unter 100°C
den Vorteil, daß ein größerer Teil der Versorgungs-
spannung an der
GMR-
Brücke abfällt und somit ein
größeres Ausgangssignal zur Verfügung steht.
Der Nulldurchgang der Brückenspannung bildet
unabhängig von der Temperatur einen festen
Schaltpunkt. Anwendungen, die nur den Null-
durchgang auswerten, können ohne Tempera-
turkompensation betrieben werden und sind
damit sehr kostengünstig!
4.4Verstärkung
Für die weitere Signalauswertung kann die Brücken-
spannung analog verstärkt werden. Ein Meßverstärker
(s. Abbildung 11) bietet den Vorteil, daß keine Rück-
koppelzweige auf den Sensor zurückwirken. Die
Trimmung
T
1
regelt mit den festen Widerständen
R
2
und
R
3
die Verstärkung der Spannungsdifferenz
∆
U
zwischen den Eingängen Sens 1 und Sens 2:
8
RXW
5
5
×
5
7
×
∆
8
Das Ausgangssignal
V
out
wird unabhängig von der
Verstärkung durch die Versorgungsspannungen der
Operationsverstärker begrenzt.
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 11 1998 /09
23
5
5
5
5
5
7
'
9
9
6HQV6HQV
23
9
RXW
N
Ω
N
Ω
N
Ω
N
Ω
N
Ω
N
Ω
∆
8
Abbildung 11
Verstärkerschaltung für die Brückenspannungen Sens1 und Sens2
(D1: Z-Diode LM 4040 DIZ-2.5, OP: LMC6494BEN)
Beispiel
Mit der Bestückung laut Abbildung 11 beträgt der
Verstärkungsfaktor für
T
1
= 5 kΩ 17.8. Die Brücken-
spannung
∆
U
= 200 mV aus einer Halbbrücke ergibt
damit ein Ausgangssignal
V
out
= 3.56 V.
4.5Magnetische Geber
Mit der Bewegung von Sensor oder Magnet ändert
sich die Richtung des Magnetfeldes, das der
GMR-
Sensor wahrnimmt. Je nach der Art der Bewegung,
der Größe des Luftspalts und der gewünschten Auflö-
sung kommen Permanentmagnete in der Form von
einfachen Stabmagneten (Dipol, s. Abbildung 1) und
Polrädern als magnetische Quellen zum Einsatz.
Polräder bestehen z.B. aus einer Abfolge von magne-
tischen Nord- und Südpolen entlang des Umfangs.
Eine volle Umdrehung des Polrades erzeugt für jedes
Polpaar eine ganze Signalperiode. Diese Übersetzung
erlaubt eine höhere Auflösung.
Die Anordnung des Sensors gegenüber dem Polrad
bestimmt die Form des Ausgangssignals
(s. Abbildung 12, Tabelle 2). Eine Vielfalt von Si-
gnalformen sind möglich, weil der Verlauf des Ma-
gnetfeldes im Raum variiert und der Sensor nur die
Komponente des Feldes registriert, die sich in der
Chipebene dreht.
16
DE FG
E F
Abbildung 12
Varianten von Ausrichtung und Magnetisierung (Pfeil) eine s Sensors in der Ebene des Polrades (a-d)
und in seitlicher Verlängerung des Polradumfanges (b‘, c‘)
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 12 1998 /09
Flächennormale Magnetisi erung Ungefähre Signalf orm
a radial Sinus
bparallel zur Drehachse tangential Dreieck
c tangential Rechteck
dRadial parallel zur Drehachse Keine
b‘ senkrecht zur Drehachse tangential wie b
c‘ parallel zur Drehachse tangential wie c
Tabelle 2
Signalformen für versc hiedene Sensoranordnungen (s. Abbildung 12) mit Magnetisierung in Pfeilrich-
tung
Je nach Anforderung läßt sich die Signalform von
einem Sinus über ein Dreieck bis zu einer F olge von
Spitzen variieren. Die Rechteckform (s. Tabelle 2c)
entsteht, wenn sich sich das Feld senkrecht zum
Sensor (statt im Sensor) dreht und nur die Kompo-
nente parallel zur Magnetisierung erfaßt. Die Dre-
hung des Sensors aus der Ebene des Polrades
heraus um den Umfang des Polrades (b È b‘, c È
c‘) erhält die Signalform.
Polräder mit anderen Magnetisierungsvarianten
können in Einzelfällen zu einer besonders günstigen
Anordnung führen.
5Applikationen
Der
Giant Magneto Resistor
von Siemens eignet
sich für eine Vielzahl von verschiedenen Anwen-
dungen der Positionssensorik von Linear- und
Drehbewegungen. In einem weiten Fenster der
magnetischen Feldstärke mißt er ausschließlich die
Richtung des anliegenden Feldes, was sehr große
Abstände und riesige Justagetoleranzen ermöglicht.
Je nach Anwendung kommen Permanentmagnete
in Dipolform oder Polräder zum Einsatz (s. Ab-
schnitt 4.5).
Achtung: Ein minimaler Abstand zwischen
starken Permanentmagneten und
GMR-
Sensoren muß eingehalten werden, um eine
Beschädigung der hartmagnetischen Schicht
zu vermeiden. Das Magnetfeld im
GMR
-Chip
darf 15 kA/m nicht übersteigen!
5.1Absoluter Winkelsensor
Der
GMR-
Sensor ändert seinen Widerstand in Ab-
hängigkeit vom äußeren Magnetfeld und realisiert in
direkter Anwendung einen absoluten Winkelsensor.
Der erfaßte Winkelbereich und die Auflösung hän-
gen vom magnetischen Geber (Anzahl der Polpaa-
re), von der Art des
GMR-
Sensors (Einzelsensor,
Vollbrücke, gekreuzte Halbbrücken) und der Aus-
wertung ab. Die gekreuzten Halbbrücken des Sen-
sors GMR C6 erfassen die Drehung eines einfachen
Dipolmagneten eindeutig über 360° (s. Abbildung
13).
*05&
6
1
Abbildung 13
Drehung des Ansteuermagneten über dem
GMR-
Sensor
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 13 1998 /09
9
→
9
↑
$%&'
9
WKU
9
WKU
Abbildung 14
Signale der gekreuzten Halbbrücken (GMR C6) in den 4 Quadranten
Quadrant Bedingung Winkel ( l i neare Näherung)
AV→ > Vthr 90° +
V
↑
⋅(45°/
V
th
r)
BV↑ > Vthr 180° -
V
→
⋅(45°/
V
thr
)
CV→ < -Vthr 270° -
V
↑
⋅(45°/
V
thr
)
DV↑ < -Vthr 360° +
V
→
⋅(45°/
V
thr
)
Tabelle 3
Signalauswertung für die gekreuzten Halbbrücken GMR C6
Die beiden Halbbrücken-Signale (s. Abbildung 7)
sind um 90° versetzt und lassen sich durch einfache
Vergleiche den 4 Quadranten zuweisen (s. Abbildung
14). Innerhalb eines Quadranten bestimmt das Signal
mit der größeren Steigung ( V↑ in A und C, V→ in B und
D) den Winkel durch lineare Interpolation oder besser
aus Tabellenwerten.
Bei einer Versorgungsspannung
V
IN
= 5 V und einem
GMR-
Effekt
∆
R/R
0
> 4% beträgt der Signalhub - ohne
Verstärkung - mindestens 200 mV. Der Schnittpunkt
der beiden Meßkurven bestimmt den Grenzwert
V
thr
= 200 mV/√2. Eine Winkelgenauigkeit von 2° ent-
spricht 180 Punkten im Vollkreis oder 45 Punkten pro
Quadrant und erfordert eine elektrische Signalauflö-
sung von 200 mV/√2 /45 = 3 mV. Diese Auflösung von
1.5% wird begrenzt durch den Temperaturkoeffizient
des
GMR-
Effekts von ca. 0.1%/K. Für Temperatur-
schwankungen über 7°C ist bei dieser Zielauflösung
eine Kompensationsschaltung (s. Abbildung 6) erfor-
derlich.
Varianten
Der Einsatz eines Polrades mit
N
Polpaaren erhöht die
Auflösung um den Faktor
N
und beschränkt den Win-
kelbereich auf 360°/
N.
Die Vollbrücke GMR B6 kann nur Signale im Bereich
von 180° eindeutig auflösen, gibt dafür die doppelte
Signalstärke.
Einsatzbeispiele
Gaspedal, Lenkrad, Sitzneigung, klappbares Mobilte-
lefon (Flip-Phone), Potentiometer.
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 14 1998 /09
5.2Inkrementaler Drehschalter mit
Richtungserkennung
Ein wesentlicher Vorteil der Polradanwendungen liegt
in der Einfachheit, einen digitalen inkrementalen Dreh-
schalter mit Richtungserkennung aus nur einer Voll-
brücke GMR B6 und zwei Operationsverstärkern zu
realisieren. Ein magnetisches Polrad übersetzt die
Drehbewegung und steigert die Auflösung des Meßsy-
stems. Jedes Polpaar erzeugt einen negativen und
einen positiven Impuls.
16
*05%
Abbildung 15
Inkrementaler Drehschalter
Der mechanische Aufbau besteht aus einem drehba-
ren Polrad und der
GMR-
Vollbrücke GMR B6. Der
GMR-
Sensor wird so positioniert , daß sich das Ma-
gnetfeld des Polrades in seiner Chipebene dreht
(s. Abbildung 15). Die beiden Halbbrücken-Signale
(V
↑
,
V
↓
)
der
GMR-
Vollbrücke, die sich aufgrund ihrer
räumlichen Distanz auf dem Sensorchip unterschei-
den, werden einzeln über Komparatoren ausgewertet
(s. Abbildung 16). Die Phasenlage bzw. die Signal-
flanken zeigen die Drehrichtung an (s. Abbildung 17).
5
5
23 23
9
↑
9
↓
Abbildung 16
Doppelkomparatorschaltung
:LQNHO
9
↑
9
↓
1 16
Abbildung 17
Versetzte Komparatorsignale von zwei Halbbrük-
ken
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 15 1998 /09
Varianten
Der Brückensensor GMR B6 kann in verschiedenen
Positionen , z.B. in Abbildung 15 auch oberhalb statt
rechts des Polrades, angebracht werden. Achtung: Die
Anordnungsvariante d in Abbildung 12 sollte vermie-
den werden!
Einsatzbeispiele
Drehzahlmessung, Drehsinnerkennung für automobile
und industrielle Anwendungen. Inkrementales Poten-
tiometer. Durchflußmessung (Flowmeter).
Die Anwendung als inkrementaler Drehschalter
mit Richtungserkennung wertet nur die Null-
durchgänge der Brückenspannungen aus. Da-
mit ist sie ohne zusätzlichen Schaltungsauf-
wand unabhängig von Schwankungen von
Temperatur und Abstand.
5.3Kontaktloser Drehwahlschalter für
Hausgeräte
Viele Geräte lassen sich bequem über einen zentralen
Drehschalter regeln. Die einzelnen Schalterstellungen
stehen für Funktionen wie einzelne Waschprogramme
oder verschiedene Radiokanäle. Der Vorteil gegen-
über konventionellen Lösungen besteht in der hohen
Lebensdauer durch Verschleißfreiheit und verminder-
tem Montageaufwand. Zudem läßt sich die Logistik
vereinfachen, wenn sich Drehwahlschalter für ver-
schiedenste Anwendungen nur noch in der Software
des Microcontrollers unterscheiden.
Der kontaktlose Drehschalter ist ein Spezialfall der
absoluten Winkelmessung (s. Abschnitt 5.1) mit einer
festen Zahl von Schaltpunkten. Der Sensor GMR C6
aus zwei gekreuzten Halbbrücken mißt die absolute
Lage des Drehknopfs anhand eines einfachen Dipol-
magneten.
'UHKNQRSIPLW
3HUPDQHQWPDJQHW
*056HQVRU
$Q]HLJH 0LFURFRQWUROOHU%RDUG
6
1
Abbildung 18
Starter Kit „kontaktloser Drehwahlschalter mit GMR“
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 16 1998 /09
Für diese Anwendung steht ein Starter Kit „kon-
taktloser Drehwahlschalter mit GMR“ zur Verfü-
gung. Es enthält diese vollständige Applikation
mit Drehknopf, Sensor, Anzeige, Temperatur-
kompensation und Microcontroller einschließ-
lich Software. Dieses Starter Kit ist zugleich ei-
ne Entwicklungsumgebung für die installierte
Software.
Einsatzbeispiele
Bedienelement für Waschmaschine, Wäschetrockner,
Kochfeld, Unterhaltungselektronik.
Bestellung
siehe Abschnitt 7.
Varianten
Eine asymmetrische Wegführung verschiebt den Be-
reich höchster Auflösung. Drehung des Sensors ver-
schiebt den Nullpunkt der Brückenspannung.
Einsatzbeispiele
Lineare Positionsbestimmung, Längenmessung in
industriellen Anwendungen, Füllstandssensor (ma-
gnetischer Schwimmer).
1 6
+*05%
3RVLWLRQ
%
U
F
N
H
Q
V
S
D
Q
Q
X
Q
J
P9
P9
A
bbildung 19Linearbewegung des
GMR-
Sensors durch das Feld e ines Dipolmagneten
5.4Linearsensor
Weil der
GMR-
Sensor nur auf die Richtung des ma-
gnetischen Feldes reagiert, ändert sich sein Wider-
stand bei einer geraden Bewegung durch das ge-
krümmte Feld eines Dipolmagneten. Die Wahl des
Weges und des Magneten bestimmt die Auflösung und
die Form des Signales. Wird der Weg asymmetrisch
zum Magneten gewählt, entsteht ein Signalverlauf, der
einen interessanten Teilbereich auf Kosten des andern
höher auflöst.
Der räumliche Meßbereich reicht so weit, wie sich die
Feldstärke des Magneten im Sättigungsbereich (s.
Abbildung 9) des Sensors befindet.
5.5Kontaktloser Schalter, Näherungs-
schalter
Der Linearsensor (s. Ab schn itt 5.4) kann auf einfache
Weise als Schalter im „slide-by mode“ benutzt werden.
Der kontaktlose Schalter besteht nur aus einer Voll-
brücke GMR B6 und einem Operationsverstärker (s.
Abbildung 20). Das Ausgangssignal
V
out
dieser Kom-
paratorschaltung gibt nur an, auf welcher Seite des
Schaltpunktes sich der Magnet befindet. Die Brücken-
spannung beträgt 0V, wenn das Magnetfeld senkrecht
zur internen Magnetisierung steht. Dieser Schaltpunkt
läßt sich durch Drehen des Sensors anpassen.
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 17 1998 /09
23
9
RXW
9
↑
9
↓
*05%
3RVLWLRQ
6
S
D
Q
Q
X
Q
J
9
↑
9
↓
9
RXW
A
bbildung 20
Einfacher Näherungsschalter aus GMR B6 und
Operationsverstärker
A
bbildung 21
Digitales Ausgangssignal des Komparators Vout
Einsatzbeispiele
Ein-/Ausschalter, Näherungsschalter, digitale Positi-
onserkennung.
Die Schaltung im Nullpunkt der Brückenspan-
nung ist unabhängig vom Temperaturgang.
5.6Positionssensor für Druckkopf
Druckgeräte, die Zeichen und Bilder aus einzelnen
Punkten zusammensetzen, erfordern jederzeit die
Kontrolle über die genau Position des Druckkopfes.
Auch unter ungünstigen Bedingungen wie Verschmut-
zung durch Tintennebel gewährleistet der
GMR-
Sensor Langlebigkeit und Zuverläßigkeit.
Die Führungsschiene des Druckkopfes erhält eine
fortlaufende Magnetisierung aus wechselnden Ma-
gnetpolen. Mit dem Druckkopf folgt der Sensor GMR
C6 mit zwei gekreuzten Halbbrücken. Diese Anord-
nung verbindet das Prinzip der Linearmessung (s.
Abschnitt 5.4) mit einer Vielzahl von Magnetpolen wie
beim Polrad (s. Abschnitt 4.4).
16
'UXFNNRSI *05&
Abbildung 22
Positionierung eines Druckkopfes
Die Grobpositionierung erfolgt wie beim inkrementalen
Drehschalter (s. Abschnitt 5.2) nach der Zahl der
Minima und Maxima, die Polpaaren entsprechen. Die
gekreuzten Halbbrücken erlauben die eindeutige Fein-
positionierung innerhalb des Polpaares (s. Abschnitt
5.1).
Einsatzbeispiele
Tintenstrahldrucker, Faxgerät
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 18 1998 /09
6Datenblätter
Type GMR S4 GMR S6 GMR B6 GMR C6*
Ordering Code Q62705-
K5002 Q62705-
K5003 Q62705-
K5004 t. b. d.
6.1Maximum ratings
GMR S4 GMR S6 GMR B6 GMR C6*
Symbol Wert Einheit
Operating temperature
T
A-40 ... +150 °C
Storage temperature
T
stg -50 ... +150 °C
Supply current
I
152 x 5mA
Thermal conductivitycase
ambient
G
thC C
G
thC A> 5
> 2.2 mW / K
mW / K
Magnetic field1
H
rot < 15 kA/m
6.2Characteristics (
T
A = 25 °C)
GMR S4 GMR S6 GMR B6 GMR C6*
Symbol Wert Einheit
Nominal supply current
I
1N 42 x 4mA
Basic resistance (per sensor
element)2
R
0> 700 Ω
Magnetoresistive effect
Hrot = 5 .... 10 kA/m ∆
R
/
R
0≈ 4 *%
Temperature coefficient of *
- basic resistance
TC
R0 +0.09 ... +0.12 %/K
- magnetoresistance
TC
∆R-0.12 ... -0.09 %/K
- magnetoresistive effect
TC
∆R/R0 -0.27 ... -0.23 %/K
Hysteresis at
H
rot = 10 kA/m Hys < 2 *degrees
*) Die Spez ifikation für den GMR C6 is t noch nicht abschließend definiert.
1 Höhere Feldstärken können den
GMR-
Effekt irreversibel beeinträchtigen.
2 Eine Halbbrücke der Sensoren GMR B6 und GMR C6 hat den Widerstand 2R0, der Sensor GMR B6 als Voll
brücke hat den Widerstand R0.
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 19 1998 /09
6.3Maße und Anschlüsse
GMR S4 GMR S6 GMR B6 GMR C6
Gehäusemaße
L × B × H (mm) 3.2 × 2.3 × 0.7 2.9 × 1.3 × 1.1
%$
%$
Pin 1
Pin 2
Pin 3
Pin 4
Pin 5
Pin 6
GMR Anschluß
GMR Anschluß
Frei
Frei
–
–
Frei
GMR Anschluß
Frei
Frei
GMR Anschluß
GMR Anschluß
Brückensignal A
Masse
Versorgung B
Brückensignal B
Masse
Versorgung A
Versorgung
–
–
Brückensignal B
Versorgung
Brückensignal A
Magnetisierungs-
richtung (in Bezug
auf die Skizze
oben)
Giant Magneto Resistors
Semiconductor Group 20 1998 /09
7Bestellinformationen
Weitere Informationen über magnetische Sensoren
(Magnetowiderstände, Hallsensoren):
•Datenbuch
Magnetic Sensors
(Bestellnummer B143-H6802-G2-X-7600)
•Product Information
Magnetic Sensors
(Bestellnummer B143-H7098-G1-X-7600)
•Internet:
http://www.siemens.de/semiconductor/products/
38/38.htm
Das Starter Kit „kontaktloser Drehwahlschalter mit
GMR“ (B143-H7261-X-X-7600) ist wie die Druck-
schriften bei Ihrer nächsten Siemens Vertretung er-
hältlich. In Deutschland direkt von:
SIEMENS AG
ID-LZF-Semiconductor Book Shop
Postfach 2352
D-90713 Fürth-Bislohe
Tel. (0911) 654-4224
Fax. (0911) 654-4238
Ansprechpartner
Siemens Halbleiter Adressen:
http://www.siemens.de/semiconductor/address/
address.htm
Distibutoren in Deutschland:
http://www.siemens.de/semiconductor/logistic/distrib/
dis2.htm
Produktmarketing:
e-mail: werner.eberle@siemens-scg.com,
fax: +49 941 202-3786
