Wegweisend!

Assistenzfunktionen werden nicht nur das Fahrverhalten aufnehmen und unterstützen, sondern auch die momentane Verkehrssitua- tion erfassen sowie im Ernstfall unmittelbar warnen und gegebenenfalls eingreifen, um Unfälle zu vermeiden.

Bei der Entwicklung solcher fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme sowie bei der Realisierung von neuartigen Verfahren im Verkehrsmanagement spielen magnetische Sensoren eine entscheidende Rolle. Sie sind schon als Raddrehzahl-, Lenkwinkel- oder Lenkdrehmomentsensoren etabliert und ersetzen optische, induktive oder kapazitive Sensoren in vielen Winkel- und Längenmessaufgaben auf Grund ihrer Robustheit, Präzision und Dynamik. Hochempfindliche Magnetfeldsensoren, die auf dem anisotropen Magnetoresistiven Effekt beruhen, sind in Smartphones bereits eine feste Größe, öffnen aber auch im Fahrzeug oder der Verkehrsinfrastruktur neue Möglichkeiten.

Sensitec bietet jetzt hochempfindliche Magnetfeldsensoren der AFF-Familie, die beispielsweise den Kern eines elektronischen Kompasses bilden können. Die neuen Sensoren sind so empfindlich, das sie ein 40 000stel der Feldstärke des Erdmagnetfeldes auflösen können. Dabei sind Magnetfeldempfindlichkeit und Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber anderen Festkörper-Magnetfeldsensoren wie Hall-Sensoren um den Faktor 50 höher.

Die wesentlichen Vorteile und Nutzen der neuen AFF-Sensorfamilie sind:

Hohe Empfindlichkeit: Magnetfelder von wenigen Nanotesla sind mit sehr hoher Auflösung messbar. Zum Vergleich: Das Erdmagnetfeld hat eine Stärke von 40 µT. Feinste Änderungen der Magnetfeldstärke können somit erfasst werden. Trotz der hohen Empfindlichkeit verfügen die Sensoren über ein großes Signal-Rausch-Verhältnis. Die hohe Feldauflösung öffnet neue Anwendungsmöglichkeiten wie Verkehrserfassung oder Detektion magnetischer/metallischer Materialien.

Hohe Dynamik: Signale mit Frequenzen von 0 Hz bis 1 MHz können gemessen werden. Begrenzt wird dies nur durch die Signalverarbeitungselektronik. Damit sind Anwendungen nicht nur in elektronischen Kompassen, sondern auch in der Fahrzeugdetektion möglich.

Hohe Genauigkeit: Die Sensoren weisen eine extrem kleine Hysterese auf, was eine sehr hohe Genauigkeit zur Folge hat. In Navigationsanwendungen liegt die Genauigkeit der Winkelerfassung und dadurch Bestimmung der Fahrtrichtung bei <0,1 °. Damit arbeiten die Geräte deutlich präziser als andere klein bauende Magnetfeldsensoren und eignen sich besonders für hoch auflösende, elektronische Kompasse in Navigationssystemen oder ähnlichen Endgeräten.

Geringe Stromaufnahme: Der Flipstrom liegt bei lediglich 100 mA, was etwa 80 % weniger Stromaufnahme als bei bisher auf dem Markt verfügbaren geflippten MR-Magnetfeldsensoren entspricht. Damit sind die AFF Magnetfeldsensoren besonders für mobile Anwendungen geeignet, da kleinere Batterien benutzt werden können und/oder die Batterielebensdauer gegenüber bisherigen Lösungen wesentlich erhöht wird.

Miniaturisierte Baugröße: Der Sensorchip hat eine Fläche von nur 0,6 mm2. Trotzdem liegt die Empfindlichkeit und Genauigkeit im Bereich von „Fluxgate“-Sensoren, die jedoch ein bis zu 1000fach größeres Bauvolumen haben. Die Mini-Größe öffnet völlig neue Anwendungsmöglichkeiten: Entwicklungsingenieure eines US-amerikanischen Herstellers multifunktionaler Bauteile für Mobiltelefone und PDAs wissen die Leistungsfähigkeit der AFF-Magnetfeldsensoren zu schätzen. Die Serienbelieferung in zweistelliger Millionenhöhe läuft seit 2008.

Neben dem Einsatz in der mobilen Navigation bilden die neuen Sensoren eine Schlüsseltechnologie für neuartige „Location-based-Services“: Seit immer mehr GPS-fähige Geräte auf dem Markt sind, spielt die geographische Position des Nutzers eine immer größere Rolle. Dabei geht es um mehr als um klassische Naviga- tionsfunktionen. Location-based-Services reichen von Informationen zu nächstgelegenen Einkaufsmöglichkeiten, Restaurants oder Touristenattraktionen über lokale Wetterinformationen, Anwendungen für soziale Netzwerke bis hin zu Unternehmenslösungen oder ortsbezogene Werbung. Für viele dieser neuen Applikationen wird eine höhere Präzision vom elektronischen Kompass gefordert, um dem Nutzer genauere Informationen schneller anbieten zu können.

Der Verkehr auf Europas Straßen nimmt ständig zu. Um diese Massen zu verarbeiten, gewinnen Verkehrsleitsysteme zunehmend an Bedeutung. Diese können die bestehenden Straßenkapazitäten optimal nutzen und so eine effiziente Staureduzierung bewirken, ohne neue Verkehrswege anlegen zu müssen. Auch eine Minderung der ökologischen Belastung ist damit möglich.

Zur Aufnahme der Verkehrsdaten sind hochempfindliche Magnetfeldsensoren ideal geeignet. Ferromagnetische Gegenstände wie Fahrzeuge verzerren das Erdmagnetfeld. Diese Verzerrung kann mittels der AFF-Sensoren berührungslos und über große Entfernungen hinweg gemessen werden. Dieses Prinzip wird nicht nur benutzt, um Autos zu zählen, sondern auch um eine Überfüllung von Lkw-Parkplätzen an Autobahnraststätten zu vermeiden oder auch, um die Position von Flugzeugen auf dem Rollfeld zu bestimmen.

Sensitec; Telefon: 06441 9788-16; E-Mail: ellen.slatter@sensitec.com

Im Juni 2010 wurde Sensitec für die Entwicklung des AFF755-Magnetfeldsensors von der weltweit tätigen Unternehmensberatung Frost & Sullivan mit dem „Global Product Innovation Award“ ausgezeichnet. Frost & Sullivan begründet die Vergabe des Preises mit der herausragenden Stellung, die Sensitec innerhalb des Marktsegments „Magnetoresistive (MR-) Sensoren“ inne hat. Ein weiterer Aspekt für die Auszeichnung sei der kontinuierliche Fokus des Unternehmens auf die Forschung und Entwicklung, der durch eine Vielzahl an Innovationen und patentierten Technologien untermauert wird.

Der anisotrope magnetoresistive (AMR)-Effekt tritt in ferromagnetischen Stoffen und Legierungen auf. Hier hängt der elektrische Widerstand vom Winkel zwischen der Stromflussrichtung und der Richtung der Magnetisierung im Stoffinneren ab. Wesentliches Ziel bei der Entwicklung der Sensorfamilie AFF war es, die Einsatzmöglichkeiten durch eine optimierte Konstruktion zu erweitern. Die Linearität des Sensors wird durch die Anwendung einer so genannten Barberpol-Struktur in einer Brückenschaltung stark verbessert. Die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit ist damit ebenfalls umgangen. Last, but not least wird das „Flip“-Prinzip angewandt, um eine Korrektur des Sensor-Offsets zu ermöglichen. Durch periodisches Ummagnetisieren des Sensors wechselt seine Empfindlichkeit ihr Vorzeichen. Die Ausgangsspannung wechselt zwischen Spannungen symmetrisch um die Offsetspannung. Das Ausgangssignal wird zur Wechselspannung, so dass man in der Auswerteschaltung die Offsetspannung eliminieren kann.

Mikroskopaufnahme des AFF755-Sensors