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20lA UTOMOTIVE
5-6.2007l KOMPONENTEN
Neue integrierte
GMR-Sensoren
Die Einführung intelligenter und widerstandsfähiger Sensoren zur
Erfassung absoluter Winkelpositionen mit hohen Anforderungen
an Genauigkeit und schneller Datenausgabe sind Schlüsselfaktoren,
um die wachsenden Anforderungen und Erwartungen der
Automobilhersteller zu erfüllen. Die Integrationsfähigkeit von
GMR-Brücken in etablierte Halbleiterprozesse erlaubt eine
schnelle Umsetzung. Damit bietet die I-GMR-Technologie eine
interessante Alternative zu bestehenden Sensorprinzipien.
NEUE MAGNETSENSOREN MIT
VERBESSERTER PHASENGENAUIGKEIT
UND GRÖßEREM LUFTSPALT
Üblicherweise werden im Automobil für die Drehzahlmessung
ferromagnetische Zahn- oder Polräder
eingesetzt. Die Form und Verarbeitungsqualität
der Zahnräder beeinflusst natürlich auch die Signalqualität
und ist daher in den jeweiligen Anwendungen
an die Anforderungen anzupassen. Daher entstehen
viele verschiedene Signalformen, die ein Sensor verarbeiten
muss. Die typische Arbeitstemperatur liegt für
Drehzahlsensoren im Bereich von -40 bis +150 °C. Oft
müssen sie dabei einen Frequenzbereich bis 12 kHz
abdecken und innerhalb eines Luftspaltes von 3,5 mm
arbeiten. Außerdem erfordern einige Anwendungen
eine Drehrichtungserkennung.
Genauigkeit und Geschwindigkeit sind die Triebkräfte für
innovative Magnetsensorapplikationen im Bereich Positions-
und Winkelsensorik. Die Einführung intelligenter und
widerstandsfähiger Sensoren zur Erfassung absoluter Winkelpositionen
im Antriebsstrang wie z. B. bei der Drosselklappe
oder bei Pedalpositionen, aber auch in Sicherheitsapplikationen
wie Lenkwinkel- oder Sitzbelegungserfassung
mit ihren hohen Anforderungen an Genauigkeit und
schneller Datenausgabe sind Schlüsselfaktoren, um die
wachsenden Anforderungen und Erwartungen zu erfüllen.
Neuer Lösungsansatz für
Drehzahlsensoren
Die auf dem integrierten Giant-Magneto-Resistive (I-GMR)-
Effekt basierenden Drehzahlsensoren erfüllen die oben
angeführten Anforderungen. Diese Sensoren beinhalten
auch ein weiterentwickeltes Schaltungskonzept. Dieses

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22lA UTOMOTIVE
5-6.2007l KOMPONENTEN
Konzept ermöglicht die Verwendung derselben Schaltungsarchitektur
für verschiedene Anwendungen. Grundsätzlich
werden nur mehr das digitale Schaltungskonzept
und die Ausgangsstufe der Applikation angepasst. Im Falle
einer Drehrichtungserkennung wird ein zusätzlicher Multiplexer
und ein weiterer GMR-Widerstand genutzt. Der
GMR-Effekt führt zu einem besseren Signal-zu-Rausch-
Abstand, was sich in einer geringeren Signalverstärkung
aber auch einer guten Reproduzierbarkeit niederschlägt.
GMR-Spin-Valves-Sensoren basieren auf einer Drei-Lagen-
Anordnung (Bild 1). Die Dicke der Trennschicht (spacer
layer) ist so gestaltet, dass es eine geringe Kopplung gibt.
Eine Schicht (pinned layer) ist hart magnetisch eingeprägt.
Die andere Schicht (free layer) passt sich in der Orientierung
dem externen Feld an. Es entsteht nun eine Widerstandsänderung,
die durch den Winkel zwischen freier und harter
Schicht bestimmt ist. Diese Widerstandsänderung wird
nun typischerweise über eine Brückenschaltung ausgewertet.
Die Empfindlichkeit der GMR-Brücke kann zusätzlich
noch über die Breite der GMR Streifen angepasst werden.
Die unteren Halbleiterschichten werden in einem qualifizierten
und erprobten Standardprozess erzeugt. In den folgenden
Beispielen handelt es sich um einen 0,5-µm-Bi-
CMOS-Prozess, der bereits für Hall-Sensoren seit mehreren
Jahren im Einsatz ist. Die GMR-Schichten werden auf
den vorgefertigten Wafer aufgebracht. Diese Kompatibilität
erlaubt schnelle Entwicklungszeiten und reduziert auch das
Entwicklungsrisiko.
ABS-Raddrehzahlsensor
Im ABS-Drehzahlfühler-Bereich sind kontaktlose und robuste
magnetische Messverfahren ideal geeignet, da es
weder eine Abnützung des Zahnrades gibt, noch Schmutz
oder Feuchtigkeit die magnetische Feldstärke beeinträchtigt.
GMR-Sensoren benötigen hier keinen externen Magneten
zur Stabilisierung, wie er für AMR-Sensoren üblich
GMR-EFFEKT
Im Gegensatz zur ›normalen‹ magnetischen Widerstandsänderung
beruht der 1988 von Peter Grünberg u. a. am Forschungszentrum Jülich
(sowie unabhängig davon von einer französischen Arbeitsgruppe) entdeckte
Giant Magneto Resistance- (GMR)-Effekt auf der magnetischen
Ordnung der Elektronenspins in einem äußeren magnetischen Feld.
Dabei nutzt man mindestens zwei magnetische Schichten, die parallel
zueinander angebracht werden, und eine Zwischenschicht, die präpariert
ist, wobei sich der Widerstand einer solchen Schichtung ändert. Für
einen Strom, der in der Schichtebene fließt, ändert sich der Widerstand
der Multilagenschichten in Abhängigkeit von der relativen Ausrichtung
der Magnetisierung in den beiden Schichten. Dieser Effekt ist am größten,
wenn die beiden Schichten antiparallel magnetisiert, und am kleinsten,
wenn sie parallel zueinander magnetisiert sind. Der GMR-Effekt
wird in Leseköpfen von Festplatten und für Sensoren zur Weg-, Winkeloder
Drehzahlmessung genutzt. Nichtflüchtige magnetische Datenspeicher
mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) auf der Basis des GMR-Effekts
existieren als Prototypen.
ist. Dies hilft gerade bei den üblichen Polrädern die Systemkosten
zu reduzieren und Abmessungen zu minimieren.
Der GMR-Effekt ist das empfindlichste magnetische Messprinzip,
das in einem Fahrzeug angewendet wird und übertrifft
den Halleffekt etwa um den Faktor 5 bis 10. Es können
Bild 1: Prinzipieller GMR-Spin-Valve-Aufbau.
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daher mit herkömmlichen Geberrädern deutlich größere
Luftspalte realisiert werden. Ein Kostenreduzierungspotential
stellt die Möglichkeit der Verwendung billigerer magnetischer
Polräder mit schwächerer Magnetisierung dar. Erste
Muster eines I-GMR ABS-Drehzahlsensor von Infineon
sind verfügbar (TLE5041C).
Kurbelwellensensor
Das Kurbelwellensensorsignal wird zur Steuerung der
Zündzeitpunkte verwendet. Deshalb werden an die
Wiederhol- und Phasengenauigkeit des Sensors besonders
hohe Anforderungen gestellt. Wichtigster Vorteil von GMR
im Vergleich zu Hall-Sensoren ist hier die verbesserte
Wiederhol- und Phasengenauigkeit. Zusätzlich ist der temperatur-
und frequenzabhängige Drift bei I-GMR äußerst
gering. Bei Motor-Start/Stopp-Betrieb gibt es auch
den Wunsch, die Drehrichtung des Motors zu erfassen.
Hierfür wird ein drittes GMR-Element auf den
Chip implementiert und in das Ausgangssignal aufgenommen.
In dem Kurbelwellen-Segment werden demnächst
erste Muster des TLE5025 von Infineon auf I-GMR-
Basis verfügbar sein.
Getriebesensoren
Die Anforderungen an Getriebesensoren sind aufgrund
der verschiedenen automatisierten Getriebetypen
sehr unterschiedlich. Zusätzlich gibt es einen
sehr starken Einfluss der Einbausituation und Geometrie
auf die Sensoranforderungen. Als Beispiel
kann man hier große Luftspalten anführen, die durch
die Getriebeform und Anordnung der Zahnräder
festgelegt werden. In Luftspaltbereichen >5 mm
wird der Einsatz von Hall-basierenden Sensoren
schwierig. Hier wurden in der Vergangenheit bereits
mehrheitlich AMR-Typen (Anisotropic Magnetic
Resistance) eingesetzt. Als Beispiel sei ein 7-Gang-

Zündungstechnik
Kompetenz im Automobil, Teil 4
Dieselkaltstarttechnologie & Sensorik
Elektronik
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24lA UTOMOTIVE
Getriebe genannt, das neben einem differentiellen Hall-
Sensor auch zwei AMR-Sensoren mit einem Arbeitsluftspalt
von bis zu 8 mm verwendet. Die zwei AMR-Sensoren
messen hierbei die Turbinendrehzahl mittels eines Polrades.
Der Einsatz von zwei Sensoren erklärt sich aus dem
schwierigen Umfeld aus Luftspalt und Temperatur, das eine
redundante Information notwendig macht. Genau hier bietet
sich nun ein Übergang auf I-GMR basierende Sensoren
an. Diese erlauben auf Grund der höheren Empfindlichkeit
einerseits den Verzicht auf Redundanz und anderseits eine
Kostenreduktion des Polrades.
Bild 2: Blockdiagramm für die Winkelberechnung.
5-6.2007l KOMPONENTEN
Eine Drehrichtungserkennung wird in verschiedenen
Getriebearten bzw. Zusatzfunktionen (Anfahrhilfen, Rückwärtsgangerkennung)
gefordert. Hier bietet GMR ein exakteres
Drehzahlsignal an und erlaubt damit auch eine Verbesserung
in der Erkennung von Vibrationen.
I-GMR Winkel-Sensor
Die sensitiven Bereiche der GMR-Brücke ändern ihren
Widerstand jeweils in Abhängigkeit der Magnetfeldänderung
zur Referenzschicht. Diese Änderungen können dann
ihrerseits herangezogen werden, um die genaue Ausrichtung
des Magnetfelds zu bestimmen. Die einfachste Möglichkeit,
die Magnetfeldausrichtung zu bestimmen, ist, den
Winkel aus der Sinus- und Kosinus-Komponente des Magnetfelds
zu bestimmen. Entscheidend ist hierbei, dass nur
die Richtung des Magnetfeldes zu einer Änderung führt, die
absolute Größe des Feldes aber keinen Einfluss hat.
Die beiden Werte für X und Y werden als Spannungen der
beiden GMR-Brücken gemessen, deren Referenzschichten
senkrecht zueinander angeordnet sind. X steht hierbei für
die Kosinus- und Y für die Sinus-Komponente der Kreiskoordinaten
des Winkelsignals. Diese Gleichung ist selbstverständlich
nur gültig für einen Winkelbereich von -90° bis
+90°. Alle Winkel über diesen Bereich hinaus müssen erst
in diesen Winkelbereich umgerechnet werden. Ein sehr
wichtiger Punkt ist die Ungenauigkeit der konvertierten
Winkelkomponenten X und Y. Die hauptsächlichen Fehler
wie Amplitudenfehler und Offsetfehler können mittels
arithmetischer Operationen korrigiert werden. Der Offsetfehler
kann von den X- und Y-Komponenten subtrahiert und
die Amplitudenvariation durch Multiplikation eliminiert
werden.
Grundsätzlich kann der Datenstrom in zwei Hauptteile
untergliedert werden: einen analogen sowie einen digitalen
Signalverarbeitungsbereich. Der analoge Teil besteht
aus einer analogen Signalerzeugung (GMR-Spannungen),
einer Vorkonditionierung sowie der Analog-Digital-Wandlung.
Der digitale Bereich besteht aus einer ausstattungsabhängigen
digitalen Signalverarbeitung, einer Winkelberechnung
und einer Signalnachverarbeitung, so z. B. für ein
spezielles Interface. (Bild 2)
Der analoge Abschnitt beinhaltet die Blöcke auf der linken
Hälfte des Schemas bis hin zum Analog-Digital-Wandler,
der die Daten in den digitalen Bereich
umsetzt. Die Winkelberechnung selbst benötigt
beide Komponenten X und Y. Der errechnete
Winkel wird danach noch bezüglich Skalierung
und Offset angepasst.
© automotive
In Infineons derzeit verfügbarem Produkt TLE
5010 wird die Signalaufbereitung bis zum
Post-Processing durchgeführt. Die Winkelberechnung
findet im dahinterliegenden Mikrocontroller
statt. Solche Systeme werden beispielsweise
im Bereich der Lenkwinkelerfassung
aufgebaut. Zukünftige Produkte werden
auch über eine integrierte Winkelberechnung
verfügen.
Zusammenfassung
Im Bereich der Drehzahlmessung bietet der GMR-Effekt
gegenüber anderen Technologien Vorteile im Bereich der
Empfindlichkeit. Dieser Vorteil kann unterschiedlich genutzt
werden: der Arbeitsluftspalt kann erhöht, die relative Phasengenauigkeit
verbessert oder die Kosten des Magnetkreises
reduziert werden. Zusätzlich bietet ein innovatives
Schaltungskonzept einen klaren, deterministischen Signalpfad.
Ansätze zur Winkel- und Positionserfassung mit I-GMR
wurden vorgestellt. Die ersten Produkte sind bereits im
Serieneinsatz. In Zukunft wird es möglich sein, mit einer
intelligenten Recheneinheit direkt Winkelwerte auszugeben
und somit neue Anwendungen zu erschließen.
Die Integrationsfähigkeit der GMR-Brücken in etablierte
Halbleiterprozesse ermöglicht eine schnelle Umsetzung.
Damit bietet die I-GMR-Technologie eine interessante
Alternative zu bestehenden Sensorprinzipien. (oe)
Ernst Katzmaier, Manager Application
Engineering, Powertrain & Magnetics,
Sense & Control, Infineon Technologies
E-Mail: ernst.katzmaier@infineon.com
Infineon Technologies
@ www.infineon.com

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