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Verifikationstest für einen mikromechanischen Shutter im Rahmen ...

Verifikationstest für einen mikromechanischen Shutter im Rahmen ...

Ausgangsspannung incl.

Ausgangsspannung incl. Voff [mV/Vcc] 120 Vsat 100 Vao 80 60 40 20 6. Verifikation des Regelungssystems Sensor+Magnetkennlinie Vuo 0 0 0,5 xsat 1xao 1,5 2 Abstand [mm] 2,5 xau 3 3,5 4 Abbildung 6-14: Sensorempfindlichkeit-Magnetabstands Kennlinie mit Lage der oberen (xao,Vao) und unteren (xau,Vau) Grenze des Arbeitsbreichs sowie der Sättigung (xsat,Vsat) Die Kennlinie des Sensors weist starke Nichtlinearitäten auf, was dazu führt, dass der benötigte Arbeitsbereich von Δs=1,62mm rechts des Maximums bei xsat=0.6mm liegen muss. GMR-Sensor Zur ortsfesten Erfassung der magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten und damit der Shutterposition wird ein sog. GMR-Sensor verwendet. Dieser basiert auf dem quantenphysikalischen Phänomen des riesenmagnetoresistiven Effekts und ändert deshalb seinen Ohmschen Widerstand in Abhängigkeit zum magnetischen Feld B, das seine Längsseite durchströmt. Der Sensor ist, wie in Abbildung 6-16 dargestellt, als integrierte Wheatstonesche Messbrücke aufgebaut. Nehmen die Widerstandswerte der beiden ungeschirmten GMR Widerstände R12 und R34 entsprechend der magnetischen Flussdichte B ab, so verschieben sich aufgrund deren diagonaler Anordnung die Potentiale an den Punkten +Vout und –Vout gegenläufig, so dass sich die Brückenspannung ΔVout entsprechend mit dem Faktor 2 und dementsprechend die Sensorempfindlichkeit ändert: Δ Δ Δ Δ 52

6. Verifikation des Regelungssystems Daraus resultiert der vom Hersteller angegebene Verlauf der Sensorempfindlichkeit gegenüber der magnetischen Flussdichte B an den ungeschirmten Widerständen, der Abbildung 6-15 zu entnehmen ist. Abbildung 6-16: Messbrücke des GMR-Sensors Abbildung 6-15: Kennlinie der B-Feld Empfindlichkeit des GMR-Sensors Da der Verlauf symmetrisch bezüglich der Ausgangsspannung ist, kann die Polung des Magneten vernachlässigt und der rechte Teil der Kennlinie betrachtet werden, dessen spezifizierte Kenndaten Tabelle 11-11 zu entnehmen sind. Mit zunehmender Flussdichte B schließt sich einem kleinen nichtlinearen Bereich BLin der lineare Arbeitsbereich des Sensors an, dem wieder ein nichtlinearer Bereich folgt. Beim Durchschreiten dieses Bereichs erreicht die Empfindlichkeit einen Sättigungswert BSat, von dem sie bei weiterer Zunahme des B-Feldes wieder abfällt. Die Kennlinie weist einen Offset Voff der Ausgangsspannung auf. Dieser kann aufgrund der hohen Sensorempfindlichkeit jedoch in einer ungeschirmten Umgebung aufgrund nicht vermeidbarer externer Felder nicht direkt messtechnisch ermittelt werden. Der Offset weist jedoch, wie bereits in Untersuchungen in [3] festgestellt, einen großen Streubereich innerhalb gleicher Bauteilchargen auf, wie in Tabelle 11-11 aufgelistet. Für eine getrennte Betrachtung von Sensor und Magnet sowie zur Bestimmung deren Arbeitsbereiche, ausgehend von der Kennlinie in Abbildung 6-14, ist der Offsetwert jedoch von entscheidender Bedeutung, weshalb er im Folgenden analytisch bestimmt wird. Hierzu werden die Werte von VPeak=VSat-Voff=110mV und BSat=25mT aus dem Datenblatt herangezogen, da sie die geringsten Streuungen aufweisen. Werden die Werte VSat=107.2mV bzw. xSat=0.6mm aus der Kennlinie in Abbildung 6-14 ermittelt, so folgt für Voff=-2.8mV, was 53

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