Giant Magneto Resistors Applikationsschrift Giant Magneto Resistors INHALT 1 EINFUHRUNG ............................................................................................................................................ 3 2 GRUNDLAGEN .......................................................................................................................................... 4 3 AUFBAU..................................................................................................................................................... 5 4 BETRIEB .................................................................................................................................................... 7 4.1 Bruckenschaltungen ................................................................................................................................ 7 4.2 Raumliche Anordnung ............................................................................................................................. 8 4.3 Temperaturgang........................................................................................................................................ 9 4.4 Verstarkung ............................................................................................................................................. 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 fur Hausgerate .................................................................................. 15 5.4 Linearsensor ........................................................................................................................................... 16 5.5 Kontaktloser Schalter, Naherungsschalter .......................................................................................... 16 5.6 Positionssensor fur Druckkopf ............................................................................................................. 17 6 DATENBLATTER..................................................................................................................................... 18 6.1 Maximum ratings .................................................................................................................................... 18 6.2 Characteristics ........................................................................................................................................ 18 6.3 Mae und Anschlusse ............................................................................................................................ 19 7 BESTELLINFORMATIONEN ................................................................................................................... 20 Semiconductor Group 2 1998 /09 Giant Magneto Resistors 1 Einfuhrung Da alle konventionellen Magnetosensoren auf die Starke des Magnetfeldes reagieren, bewirken oft schon kleinste Schwankungen des Abstandes zwischen Magnet und Sensor erhebliche Signalveranderungen, die sich nur mit erheblichem Montageaufwand oder komplexer Signalaufbereitung vermeiden lassen. Der Giant Magneto Resistor (GMR) erweitert das umfangreiche Programm der Siemens AG an magnetempfindlichen Sensoren, das bisher von Magnetowiderstanden (InSb) uber analoge lineare Hallsensoren (GaAs) bis zu Hall-ICs aus Silizium reicht. Magnetosensoren eignen sich hervorragend fur alle Arten kontaktloser Positionserfassung von Abstand, Geschwindigkeit, Drehzahl und Drehsinn sowie fur die beruhrungslose Messung elektrischer Strome und Leistungen. Dabei gewahrleisten sie Funktionsfahigkeit auch unter rauhen Umgebungsbedingungen durch Schmutz, Abrieb und hohe Temperaturen. Diese Eigenschaften haben zu einer weiten Verbreitung von Magnetfeldsensoren speziell in Automobil- und Industrieanwendungen gefuhrt, und die Vielfalt der Sensortypen am Markt steigt standig. Die neuen GMR-Sensoren, die Siemens speziell fur die Positionssensorik entwickelt hat, messen im Gegensatz dazu nur die Richtung eines aueren Magnetfeldes weitgehend unabhangig von der Intensitat, was sowohl sehr groe Meabstande als auch Justagetoleranzen erlaubt. Die Montage wird damit fur den Anwender erheblich einfacher und kostengunstiger. Bei geeigneter Ansteuerung sind Luftspalte von bis zu 25 mm moglich, was die Vorteile der Magnetosensorik fur vollig neue Anwendungen erschliet. In den folgenden drei Kapiteln werden erst fur technisch Interessierte die Grundlagen des GMR-Effektes und der Aufbau und Betrieb des GMR-Sensors beschrieben. Daran schlieen sich Anwendungsbeispiele an, die zeigen, welche Vielfalt von Aufgaben GMRSensoren einfach und hochst effektiv losen. Warum also GMR-Sensoren? GMR-Sensoren uberwinden eine Schwache, die herkommliche Magnetowiderstande und Hallsensoren mit ihrer hohen Empfindlichkeit gegen Schwankungen des Luftspalts in vielen Anwendungen zeigen. Semiconductor Group 3 1998 /09 Giant Magneto Resistors 2 Grundlagen 0DJQHWLVLHUXQJ GXUFKlXHUHV 0DJQHWIHOG 6 0 1 )H &X &R &X 0 $$)IHVWH 0DJQHWLVLHUXQJ &R &X &R &X )H Abbildung 1 Ausrichtung der Deckschichten im aueren Magnetfeld Abbildung 2 Schichtfolge: Deckschichten aus Eisen, kunstlicher Antiferromagnet (AAF) aus Kupfer- und Kobalt-Lagen Ende der 80er-Jahre wurde an Stapeln aus sehr dunnen Eisen- und Chromschichten bei tiefen Temperaturen eine magnetische Widerstandsanderung von uber 50% entdeckt. Weil Schichtstapel aus Eisen und anderen magnetischen Metallen besonders empfindlich auf Magnetfelder reagierten, verlieh die Fachwelt ihnen den Namen Giant Magneto Resistor. Bei gleicher magnetischer Ausrichtung der weich- und hartmagnetischen Schicht erleiden die Elektronen weniger Streuungen, und der Widerstand erreicht sein Minimum, bei genau entgegengesetzter Ausrichtung sein Maximum. Der GMR-Effekt ist unabhangig von der Stromrichtung, nur der Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der hart- und weichmagnetischen Schichten bestimmt den Gesamtwiderstand des Systems. Die Dicken der einzelnen Schichten liegen in der Groenordnung von wenigen Nanometern (Millionstel Millimetern). Unmagnetisches Kupfer trennt die magnetischen Eisenund Kobalt-Schichten (s. Abbildung 2). Diese Trennung ist gerade so dunn, da sich die Kobaltlagen zu einem kunstlichen Antiferromagneten (artifical antiferromagnet AAF) koppeln. Die Deckschichten sind aus weichmagnetischem Eisen und richten sich in einem aueren Magnetfeld aus, wahrend die hartmagnetischen Kobaltschichten ihre feste Magnetisierung beibehalten. Innerhalb eines weiten magnetischen Fensters, in dem die weichmagnetischen Schichten mitdrehen, aber die hartmagnetischen Schichten noch unbeinflut bleiben, hangt der Widerstand nur von der Richtung des aueren Magnetfeldes ab (Sattigungsbetrieb). Mit dem Magnetfeld richten sich auch die Spins der Elektronen in den Deckschichten aus. Die mittlere freie Weglange von Elektronen mit Spin parallel zur Magnetisierung im kunstlichen Antiferromagnet uberschreitet die Dicke der Schichtfolge, so da nur geringe Streuverluste auftreten. Die Elektronen mit antiparallelem Spin hingegen tragen zu einem erhohten Widerstand bei, weil sie innerhalb der Schichtstruktur ofter streuen. Semiconductor Group 4 1998 /09 Giant Magneto Resistors 3 Aufbau Die ultradunnen Schichten, uber die sich die antiferromagnetische 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 Abstandshalter bilden einen kunstlichen Antiferromagnet. Weichmagnetische Schichten aus Eisen bedecken den Antiferromagnet von unten und oben. 5 5 D :LQNHO Um einen Grundwiderstand in der Groenordnung von uber 700 zu gewahrleisten, werden maanderformige Strompfade aus dem planaren Schichtsystem freigeatzt (s. Abbildung 4). Die Widerstandsanderung R/R0 aufgrund des GMR-Effekts betragt mehr als 4%. Ein starkes aueres Magnetfeld richtet den kunstlichen Antiferromagneten aus und legt die harte Magnetisierung der Strompfade einzeln fest. Siemens bietet GMR-Sensoren in drei verschiedenen Layouts als Einzelsensoren und integrierte Brucken an: Abbildung 3 Relative Widerstandsanderung in Abhangigkeit vom Winkel zwischen hart- und weichmagnetischen Schichten Mit zunehmender Temperatur sinkt die GMR-Effektivitat R/R0 durch die thermische Anregung von Gitterschwingungen und Spinwellen, weil einerseits der Grundwiderstand R0 des Sensors steigt und anderseits die gemeinsame Spinausrichtung abnimmt. Der Temperaturkoeffizient erweist sich im Experiment als konstant. Typ Maander S4, S6 Einzelsensor B6 1 Vollbrucke / 2 antiparallele Halbbrucken 2+2 C6 2 gekreuzte Halbbrucken 2+2 Magnetisierungsrichtungen Gehause 1 SOH, SMT(MW-6) 0 0 180 0 180 180 0 90 270 SMT(MW-6) SMT(MW-6) Tabelle 1 Varianten von GMR-Sensoren (Muster des Typs C6 sind ab 01/99 verfugbar) Semiconductor Group 5 1998 /09 Giant Magneto Resistors Halbbrucken bestehen aus zwei Widerstanden in Serie mit antiparalleler Magnetisierung. Der Sensor GMR B6 besteht aus zwei parallel geschalteten Halbbrucken mit entgegengesetzter Magnetisierung, die auch als Vollbrucke beschaltbar sind. Die gekreuzten Halbbrukken des Sensors GMR C6 tragen um 90 verschobene harte Magnetisierungen. Abbildung 4 Vollbruckenchip GMR B6 *05& *05% 9 9 9 9 Abbildung 5 Anordnung der Sensorelemente auf den Bruckenchips. GMR B6: 2 antiparallele Halbbrucken oder 1 Vollbrucke (- - -). GMR C6: 2 gekreuzte Halbbrucken. (Die Pfeile zeigen die Richtung der internen Magnetisierung an) Semiconductor Group 6 1998 /09 Giant Magneto Resistors 4 Betrieb Die Bruckensensoren GMR B6 und GMR C6 bestehen aus je 4 auf dem Chip integrierten Einzelsensoren, die zwei Halbbrucken mit unterschiedlicher Vorzugsmagnetisierung bilden. Eine Halbbrucke setzt sich aus zwei antiparallel ausgerichteten Einzelsensoren zusammen (s. Abbildung 6). Das Signal einer Halbbrucke ergibt sich als Differenz zu einem Spannungsteiler aus zwei festen Widerstanden und variiert symmetrisch um den Nullpunkt. Die verschiedenen Vorzugsrichtungen der festen Magnetisierung zeigen sich in der Phasenlage des Signals: Der Widerstand des GMR-Sensors als Ma fur das anliegende Magnetfeld andert 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 Anderung wird als Spannungsanderung uber einem Einzelsensor oder einer Bruckenschaltung erfat. Die Signalform entspricht einer CosinusFunktion mit erweitertem Linearitatsbereich. , , 5 , 6HQV 6HQV 6HQV 6HQV 9 9 5 9 a) b) c) Abbildung 6 a) Messung des Spannungsabfalls an einem Einzelsensor. Messung der Bruckenspannung b) an einer Halbbrucke mit Spannungsteiler und c) an einer Vollbrucke. 4.1 Bruckenschaltungen Wahrend der Widerstand von Einzelsensoren im Magnetfeld nur um einige Prozent des Gesamtwertes variiert, lat sich an einer Bruckenschaltung eine Spannung abgreifen, die nur der Widerstandsanderung ohne Offset entspricht. Die Bruckenabgriffe Sens 1 und Sens 2 (s. Abbildung 6 b/c) werden direkt oder nach Verstarkung (s. Abschnitt 4.4) ausgewertet. Semiconductor Group 7 * Die beiden Signale der um 90 verdrehten (gekreuzten) Halbbrucken (GMR C6) erlauben die eindeutige Feststellung der Magnetfeldrichtung im ganzen Kreis (s. Abbildung 7 rechts). * Die Vollbrucke aus zwei antiparallelen Halbbrukken (GMR B6) benotigt keine externen Vergleichswiderstande. Die beiden Halbbrucken wirken gegenlaufig, so da ihre Differenz die doppelte Signalstarke erhalt (s. Abbildung 7 links). 1998 /09 Giant Magneto Resistors *05% o , H J D W O R 9 H J LG U o % 9 9 9 a) 5 x x 5 *05& o , H J D OW R 9 H J LG U o % -9 b) 9 9 Abbildung 7 Bruckenspannung von Halbbrucken (V, V, V) und Vollbrucke (V - V) bei Drehung des aueren Magnetfeldes. 4.2 Raumliche Anordnung Der volle Signalhub stellt sich ein, sobald die Starke des aueren Magnetfeldes ausreicht, die weichmagnetische Meschicht des GMR-Sensors stets mitzudrehen. Der Arbeitsbereich endet, wenn das auere Magnetfeld so stark ist, da es die hartmagentische Schicht beeinflut und die Empfindlichkeit irreversibel vermindert. Innerhalb des magnetischen Fensters" von 515 kA/m ist der Signalhub unabhangig von der Feldstarke: Der GMR-Sensor mit nur die Richtung des anliegenden Feldes. Der Abstand zwischen Gebermagnet und Sensor ist also vollig irrelevant, solange die Feldstarke innerhalb dieses Fensters liegt. Beispielhaft zeigt die Abbildung 9 fur einen Permanentmagneten aus Samarium-Kobalt 3 von 20x10x5 mm , bei welchem axialem und lateralem Abstand 100%, 75% und 50% des maximalen Signalhubs erreicht werden. Daraus ergibt sich ein fur magnetische Sensoren unublich groer Luftspalt und eine immense raumliche Aufbautoleranz. 0DJQHWIHOG+N$P Abbildung 8 Maximaler Signalhub DU in Abhangigkeit von der Magnetfeldstarke. Semiconductor Group 8 1998 /09 Giant Magneto Resistors ! P P G Q D W V E $ U OH D U H W OD ! 1 6 D[LDOHU$EVWDQGPP Abbildung 9 3 Relative Starke des GMR-Effektes in der Umgebung eines Permanentmagneten von 20105 mm aus Samarium-Kobalt 4.3 Temperaturgang Als Ma fur die Widerstandsanderung R durch den GMR-Effekt wird der Spannungsabfall U = RI in einer Bruckenschaltung (s. Abschnitt 4.1) aufgezeichnet. Mit der Temperatur steigt der Grundwiderstand R0 an, und der GMR-Effekt R sinkt: * Bei Versorgung mit konstanter Spannung sinkt der Strom I, weil der Grundwiderstand steigt, und damit sinkt auch der mebare Spannungsabfall. * Die Schwachung des GMR-Effekts R vermindert die Spannungsanderung R(T)I. Semiconductor Group Sowohl der Grundwiderstand R0 als auch der GMREffekt R andern sich mit konstanten Temperaturkoeffizienten (s. Abschnitt 6.2). Diese Linearitat ermogliche eine effektive elektronische Kompensation durch eine temperaturabhangige Versorgung uber einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) oder uber eine negative Impedanz (NIC). 9 1998 /09 Giant Magneto Resistors 9 5 9 N 5 5 Q % 1 7 & . 5 5 23 /0&%(1 6 6 23 N 6 6HQV N 5 6 6HQV 6HQV 6HQV 6 6 6 23 6 *05EULGJH *05EULGJH a) N 5 b) Abbildung 10 Temperaturkompensierende Versorgung uber a) einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) oder b) eine Schaltung mit negativer Impedanz (NIC) Die Bruckenelemente S1 bis S4 stehen fur GMRSensoren oder feste Widerstande: In der Vollbrucke sind alle vier Elemente GMR-Sensoren, wobei aufeinanderfolgende Elemente antiparallel magnetisiert sind. Zur Auswertung der Halbbrucke ersetzen zwei feste Widerstande die Sensoren S3 und S4 (s. Abbildung 6). 4.4 Verstarkung Fur die weitere Signalauswertung kann die Bruckenspannung analog verstarkt werden. Ein Meverstarker (s. Abbildung 11) bietet den Vorteil, da keine Ruckkoppelzweige auf den Sensor zuruckwirken. Die Trimmung T1 regelt mit den festen Widerstanden R2 und R3 die Verstarkung der Spannungsdifferenz U zwischen den Eingangen Sens 1 und Sens 2: Die NTC-Variante hat bei Temperaturen unter 100C den Vorteil, da ein groerer Teil der Versorgungsspannung an der GMR-Brucke abfallt und somit ein groeres Ausgangssignal zur Verfugung steht. 8RXW 55x 57 x8 Das Ausgangssignal Vout wird unabhangig von der Verstarkung durch die Versorgungsspannungen der Operationsverstarker begrenzt. Der Nulldurchgang der Bruckenspannung bildet unabhangig von der Temperatur einen festen Schaltpunkt. Anwendungen, die nur den Nulldurchgang auswerten, konnen ohne Temperaturkompensation betrieben werden und sind damit sehr kostengunstig! Semiconductor Group 10 1998 /09 Giant Magneto Resistors 9 5 9 7 N N 9RXW 5 5 5 5 N N N N ' 23 23 8 6HQV 6HQV Abbildung 11 Verstarkerschaltung fur die Bruckenspannungen Sens1 und Sens2 (D1: Z-Diode LM 4040 DIZ-2.5, OP: LMC6494BEN) einfachen Stabmagneten (Dipol, s. Abbildung 1) und Polradern als magnetische Quellen zum Einsatz. Beispiel Mit der Bestuckung laut Abbildung 11 betragt der Verstarkungsfaktor fur T1 = 5 k 17.8. Die Bruckenspannung U = 200 mV aus einer Halbbrucke ergibt damit ein Ausgangssignal Vout = 3.56 V. Polrader bestehen z.B. aus einer Abfolge von magnetischen Nord- und Sudpolen entlang des Umfangs. Eine volle Umdrehung des Polrades erzeugt fur jedes Polpaar eine ganze Signalperiode. Diese Ubersetzung erlaubt eine hohere Auflosung. 4.5 Magnetische Geber Die Anordnung des Sensors gegenuber dem Polrad bestimmt die Form des Ausgangssignals (s. Abbildung 12, Tabelle 2). Eine Vielfalt von Signalformen sind moglich, weil der Verlauf des Magnetfeldes im Raum variiert und der Sensor nur die Komponente des Feldes registriert, die sich in der Chipebene dreht. Mit der Bewegung von Sensor oder Magnet andert sich die Richtung des Magnetfeldes, das der GMRSensor wahrnimmt. Je nach der Art der Bewegung, der Groe des Luftspalts und der gewunschten Auflosung kommen Permanentmagnete in der Form von E D E F 1 6 F G Abbildung 12 Varianten von Ausrichtung und Magnetisierung (Pfeil) eines Sensors in der Ebene des Polrades (a-d) und in seitlicher Verlangerung des Polradumfanges (b`, c`) Semiconductor Group 11 1998 /09 Giant Magneto Resistors Flachennormale a b c d parallel zur Drehachse Radial Magnetisierung Ungefahre Signalform radial Sinus tangential Dreieck tangential Rechteck parallel zur Drehachse Keine b` senkrecht zur Drehachse tangential wie b c` parallel zur Drehachse tangential wie c Tabelle 2 Signalformen fur verschiedene Sensoranordnungen (s. Abbildung 12) mit Magnetisierung in Pfeilrichtung Je nach Anforderung lat sich die Signalform von einem Sinus uber ein Dreieck bis zu einer Folge von Spitzen variieren. Die Rechteckform (s. Tabelle 2c) entsteht, wenn sich sich das Feld senkrecht zum Sensor (statt im Sensor) dreht und nur die Komponente parallel zur Magnetisierung erfat. Die Drehung des Sensors aus der Ebene des Polrades heraus um den Umfang des Polrades (b E b`, c E c`) erhalt die Signalform. 5.1 Absoluter Winkelsensor Der GMR-Sensor andert seinen Widerstand in Abhangigkeit vom aueren Magnetfeld und realisiert in direkter Anwendung einen absoluten Winkelsensor. Der erfate Winkelbereich und die Auflosung hangen vom magnetischen Geber (Anzahl der Polpaare), von der Art des GMR-Sensors (Einzelsensor, Vollbrucke, gekreuzte Halbbrucken) und der Auswertung ab. Die gekreuzten Halbbrucken des Sensors GMR C6 erfassen die Drehung eines einfachen Dipolmagneten eindeutig uber 360 (s. Abbildung 13). Polrader mit anderen Magnetisierungsvarianten konnen in Einzelfallen zu einer besonders gunstigen Anordnung fuhren. 5 Applikationen 1 Der Giant Magneto Resistor von Siemens eignet sich fur eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen der Positionssensorik von Linear- und Drehbewegungen. In einem weiten Fenster der magnetischen Feldstarke mit er ausschlielich die Richtung des anliegenden Feldes, was sehr groe Abstande und riesige Justagetoleranzen ermoglicht. Je nach Anwendung kommen Permanentmagnete in Dipolform oder Polrader zum Einsatz (s. Abschnitt 4.5). 6 *05& Achtung: Ein minimaler Abstand zwischen starken Permanentmagneten und GMRSensoren mu eingehalten werden, um eine Beschadigung der hartmagnetischen Schicht zu vermeiden. Das Magnetfeld im GMR-Chip darf 15 kA/m nicht ubersteigen! Semiconductor Group Abbildung 13 Drehung des Ansteuermagneten uber dem GMR-Sensor 12 1998 /09 Giant Magneto Resistors $ % & ' 9WKU 9 9WKU 9 Abbildung 14 Signale der gekreuzten Halbbrucken (GMR C6) in den 4 Quadranten Quadrant Bedingung A V > Vthr Winkel (lineare Naherung) 90 + V (45/ Vthr) B V > Vthr 180 - V (45/ Vthr) C V < -Vthr 270 - V (45/ Vthr) D V < -Vthr 360 + V (45/ Vthr) Tabelle 3 Signalauswertung fur die gekreuzten Halbbrucken GMR C6 Varianten Die beiden Halbbrucken-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 groeren Steigung (V in A und C, V in B und D) den Winkel durch lineare Interpolation oder besser aus Tabellenwerten. Der Einsatz eines Polrades mit N Polpaaren erhoht die Auflosung um den Faktor N und beschrankt den Winkelbereich auf 360/N. Die Vollbrucke GMR B6 kann nur Signale im Bereich von 180 eindeutig auflosen, gibt dafur die doppelte Signalstarke. Bei einer Versorgungsspannung VIN = 5 V und einem GMR-Effekt R/R0 > 4% betragt der Signalhub - ohne Verstarkung - mindestens 200 mV. Der Schnittpunkt der beiden Mekurven bestimmt den Grenzwert Vthr = 200 mV/2. Eine Winkelgenauigkeit von 2 entspricht 180 Punkten im Vollkreis oder 45 Punkten pro Quadrant und erfordert eine elektrische Signalauflosung von 200 mV/2 /45 = 3 mV. Diese Auflosung von 1.5% wird begrenzt durch den Temperaturkoeffizient des GMR-Effekts von ca. 0.1%/K. Fur Temperaturschwankungen uber 7C ist bei dieser Zielauflosung eine Kompensationsschaltung (s. Abbildung 6) erforderlich. Semiconductor Group Einsatzbeispiele Gaspedal, Lenkrad, Sitzneigung, klappbares Mobiltelefon (Flip-Phone), Potentiometer. 13 1998 /09 Giant Magneto Resistors 5.2 Inkrementaler Drehschalter mit Richtungserkennung Ein wesentlicher Vorteil der Polradanwendungen liegt in der Einfachheit, einen digitalen inkrementalen Drehschalter mit Richtungserkennung aus nur einer Vollbrucke GMR B6 und zwei Operationsverstarkern zu realisieren. Ein magnetisches Polrad ubersetzt die Drehbewegung und steigert die Auflosung des Mesystems. Jedes Polpaar erzeugt einen negativen und einen positiven Impuls. 5 9 23 23 9 5 Abbildung 16 Doppelkomparatorschaltung 1 6 *05% Abbildung 15 Inkrementaler Drehschalter Der mechanische Aufbau besteht aus einem drehbaren Polrad und der GMR-Vollbrucke GMR B6. Der GMR-Sensor wird so positioniert , da sich das Magnetfeld des Polrades in seiner Chipebene dreht (s. Abbildung 15). Die beiden Halbbrucken-Signale (V, V) der GMR-Vollbrucke, die sich aufgrund ihrer raumlichen Distanz auf dem Sensorchip unterscheiden, werden einzeln uber Komparatoren ausgewertet (s. Abbildung 16). Die Phasenlage bzw. die Signalflanken zeigen die Drehrichtung an (s. Abbildung 17). Semiconductor Group 9 9 1 6 1 :LQNHO Abbildung 17 Versetzte Komparatorsignale von zwei Halbbrukken 14 1998 /09 Giant Magneto Resistors Varianten 5.3 Kontaktloser Drehwahlschalter fur Hausgerate Der Bruckensensor 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 vermieden werden! Viele Gerate lassen sich bequem uber einen zentralen Drehschalter regeln. Die einzelnen Schalterstellungen stehen fur Funktionen wie einzelne Waschprogramme oder verschiedene Radiokanale. Der Vorteil gegenuber konventionellen Losungen besteht in der hohen Lebensdauer durch Verschleifreiheit und vermindertem Montageaufwand. Zudem lat sich die Logistik vereinfachen, wenn sich Drehwahlschalter fur verschiedenste Anwendungen nur noch in der Software des Microcontrollers unterscheiden. Einsatzbeispiele Drehzahlmessung, Drehsinnerkennung fur automobile und industrielle Anwendungen. Inkrementales Potentiometer. Durchflumessung (Flowmeter). Die Anwendung als inkrementaler Drehschalter mit Richtungserkennung wertet nur die Nulldurchgange der Bruckenspannungen aus. Damit ist sie ohne zusatzlichen Schaltungsaufwand unabhangig von Schwankungen von Temperatur und Abstand. 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 Halbbrucken mit die absolute Lage des Drehknopfs anhand eines einfachen Dipolmagneten. 'UHKNQRSIPLW 3HUPDQHQWPDJQHW 1 6 *056HQVRU $Q]HLJH 0LFURFRQWUROOHU%RDUG Abbildung 18 Starter Kit kontaktloser Drehwahlschalter mit GMR" Semiconductor Group 15 1998 /09 Giant Magneto Resistors Varianten Fur diese Anwendung steht ein Starter Kit kontaktloser Drehwahlschalter mit GMR" zur Verfugung. Es enthalt diese vollstandige Applikation mit Drehknopf, Sensor, Anzeige, Temperaturkompensation und Microcontroller einschlielich Software. Dieses Starter Kit ist zugleich eine Entwicklungsumgebung fur die installierte Software. Eine asymmetrische Wegfuhrung verschiebt den Bereich hochster Auflosung. Drehung des Sensors verschiebt den Nullpunkt der Bruckenspannung. Einsatzbeispiele Lineare Positionsbestimmung, Langenmessung in industriellen Anwendungen, Fullstandssensor (magnetischer Schwimmer). Einsatzbeispiele Bedienelement fur Waschmaschine, Waschetrockner, Kochfeld, Unterhaltungselektronik. Bestellung siehe Abschnitt 7. *05% + 1 Abbildung 19 P9 JQ XQ QD SV QH NF U % 6 3RVLWLRQ P9 Linearbewegung des GMR-Sensors durch das Feld eines Dipolmagneten 5.4 Linearsensor 5.5 Kontaktloser Schalter, Naherungsschalter Weil der GMR-Sensor nur auf die Richtung des magnetischen Feldes reagiert, andert sich sein Widerstand bei einer geraden Bewegung durch das gekrummte Feld eines Dipolmagneten. Die Wahl des Weges und des Magneten bestimmt die Auflosung und die Form des Signales. Wird der Weg asymmetrisch zum Magneten gewahlt, entsteht ein Signalverlauf, der einen interessanten Teilbereich auf Kosten des andern hoher auflost. Der Linearsensor (s. Abschnitt 5.4) kann auf einfache Weise als Schalter im slide-by mode" benutzt werden. Der kontaktlose Schalter besteht nur aus einer Vollbrucke GMR B6 und einem Operationsverstarker (s. Abbildung 20). Das Ausgangssignal Vout dieser Komparatorschaltung gibt nur an, auf welcher Seite des Schaltpunktes sich der Magnet befindet. Die Bruckenspannung betragt 0V, wenn das Magnetfeld senkrecht zur internen Magnetisierung steht. Dieser Schaltpunkt lat sich durch Drehen des Sensors anpassen. Der raumliche Mebereich reicht so weit, wie sich die Feldstarke des Magneten im Sattigungsbereich (s. Abbildung 9) des Sensors befindet. Semiconductor Group 16 1998 /09 Giant Magneto Resistors 9 RXW JQ XQ QD S6 9 RXW 9 9 23 9 9 *05% 3RVLWLRQ Abbildung 20 Einfacher Naherungsschalter aus GMR B6 und Operationsverstarker Abbildung 21 Digitales Ausgangssignal des Komparators Vout Einsatzbeispiele Ein-/Ausschalter, Naherungsschalter, digitale Positionserkennung. 'UXFNNRSI Die Schaltung im Nullpunkt der Bruckenspannung ist unabhangig vom Temperaturgang. *05& 61 5.6 Positionssensor fur Druckkopf Druckgerate, die Zeichen und Bilder aus einzelnen Punkten zusammensetzen, erfordern jederzeit die Kontrolle uber die genau Position des Druckkopfes. Auch unter ungunstigen Bedingungen wie Verschmutzung durch Tintennebel gewahrleistet der GMRSensor Langlebigkeit und Zuverlaigkeit. 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 Halbbrucken erlauben die eindeutige Feinpositionierung innerhalb des Polpaares (s. Abschnitt 5.1). Die Fuhrungsschiene des Druckkopfes erhalt eine fortlaufende Magnetisierung aus wechselnden Magnetpolen. Mit dem Druckkopf folgt der Sensor GMR C6 mit zwei gekreuzten Halbbrucken. Diese Anordnung verbindet das Prinzip der Linearmessung (s. Abschnitt 5.4) mit einer Vielzahl von Magnetpolen wie beim Polrad (s. Abschnitt 4.4). Semiconductor Group Einsatzbeispiele Tintenstrahldrucker, Faxgerat 17 1998 /09 Giant Magneto Resistors 6 Datenblatter Type GMR S4 GMR S6 GMR B6 GMR C6* Ordering Code Q62705K5002 Q62705K5003 Q62705K5004 t. b. d. GMR S4 GMR S6 GMR B6 GMR C6* 6.1 Maximum ratings Symbol Wert Einheit Operating temperature TA -40 ... +150 C Storage temperature Tstg -50 ... +150 C Supply current I1 Thermal conductivity case GthC C 5 2x5 ambient GthC A Magnetic field1 Hrot mA >5 mW / K > 2.2 mW / K < 15 kA/m 6.2 Characteristics (TA = 25 C) GMR S4 GMR S6 Symbol Nominal supply current GMR C6* Wert I1N 4 Einheit 2x4 Basic resistance (per sensor R0 element)2 Magnetoresistive effect Hrot = 5 .... 10 kA/m GMR B6 mA > 700 R/R0 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 Hrot = 10 kA/m Hys <2 * degrees *) Die Spezifikation fur den GMR C6 ist noch nicht abschlieend definiert. 1 Hohere Feldstarken konnen den GMR-Effekt irreversibel beeintrachtigen. 2 Eine Halbbrucke der Sensoren GMR B6 und GMR C6 hat den Widerstand 2R0, der Sensor GMR B6 als Voll brucke hat den Widerstand R0. Semiconductor Group 18 1998 /09 Giant Magneto Resistors 6.3 Mae und Anschlusse GMR S4 GMR S6 GMR B6 Gehausemae L x B x H (mm) 3.2 x 2.3 x 0.7 GMR C6 2.9 x 1.3 x 1.1 $ % $ % Pin 1 GMR Anschlu Frei Bruckensignal A Versorgung Pin 2 GMR Anschlu GMR Anschlu Masse - Pin 3 Frei Frei Versorgung B - Pin 4 Frei Frei Bruckensignal B Bruckensignal B Pin 5 - GMR Anschlu Masse Versorgung Pin 6 - GMR Anschlu Versorgung A Bruckensignal A Magnetisierungsrichtung (in Bezug auf die Skizze oben) Semiconductor Group 19 1998 /09 Giant Magneto Resistors Ansprechpartner Siemens Halbleiter Adressen: http://www.siemens.de/semiconductor/address/ address.htm 7 Bestellinformationen Weitere Informationen uber magnetische Sensoren (Magnetowiderstande, Hallsensoren): * Datenbuch Magnetic Sensors (Bestellnummer B143-H6802-G2-X-7600) * Product Information Magnetic Sensors (Bestellnummer B143-H7098-G1-X-7600) 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 * 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 Druckschriften bei Ihrer nachsten Siemens Vertretung erhaltlich. In Deutschland direkt von: SIEMENS AG ID-LZF-Semiconductor Book Shop Postfach 2352 D-90713 Furth-Bislohe Tel. (0911) 654-4224 Fax. (0911) 654-4238 Semiconductor Group 20 1998 /09