Signalverarbeitung für Tunnel-Magnetoresistive Sensor-Arrays

Abstract

Deutsch: In mechatronischen Anwendungen sind magnetoresistive Sensoren weit verbreitet. Sie gelten unter rauen Umgebungsbedingungen als besonders robust, da sie die Messgröße berührungslos erfassen. Heute werden diese Sensoren zum Beispiel für die Winkelmessung in Elektromotoren oder in der Servolenkung eingesetzt. In der vorliegenden Dissertation wird eine neue Sensortechnologie auf der Basis des Tunnel-Magnetoresistiven Effekts (TMR) mit dem Konzept der Sensor-Arrays kombiniert. Dabei erlaubt die TMR-Technologie erstmals eine effiziente Integration des Arrays als Sensor-Chip. Die Verteilung auf viele Messpunkte im Array ermöglicht die ortsaufgelöste Messung von Magnetfeldern und unterscheidet sich damit von bisherigen Konzepten. Das Ausgangsverhalten von ausgewählten TMR-Sensoren wird in einem spezialisierten Messplatz charakterisiert und in Kennfeldern zusammengefasst. Dabei wird gezeigt, welche Eigenschaften von TMR-Sensoren besondere Vorteile für ein Array liefern. Anschließend werden Signalverarbeitungsmethoden für magnetoresistive Sensor-Arrays entwickelt. Der hohe Informationsgehalt der Array-Struktur erlaubt die Berücksichtigung der Selbstdiagnose-Funktionalität, Reduktion externer magnetischer Störeinflüsse und Erhöhung von Toleranzbereichen. Die Funktionsweise der Methoden wird mit Hardware-Aufbauten des Sensor-Arrays und auswertender Signalverarbeitungs-Software demonstriert. Dazu werden drei Anwendungsbeispiele untersucht. Zwei Anwendungsbeispiele sind im Bereich der Mechatronik einzuordnen und haben eine hochgenaue Winkelmessung zum Ziel. Die dritte Anwendung aus der Medizintechnik untersucht die dreidimensionale Ortung eines Magneten.

English: Magnetoresistive sensors are widely used in mechatronic applications. They are considered particularly robust under harsh environmental conditions as they detect the target variable without contact. Today, these sensors are used, for example, to detect the rotation angle in electric motors or in power steering. The dissertation combines a new sensor technology based on the tunnel magnetoresistive effect (TMR) with the concept of sensor arrays. The TMR technology enables the efficient integration of an array into a sensor chip for the first time. The distribution over many measuring points in the array enables the spatially resolved measurement of magnetic fields and thus differs from previous concepts. The output behaviour of selected TMR sensors is characterized in a specialized measuring setup and summarized in characteristic maps. The properties of TMR sensors that offer advantages for an array are then considered. Signal processing methods for magnetoresistive sensor arrays are then developed. The high information content of the array structure enables self-diagnostic functionality, the reduction of external magnetic interference and the increase of tolerance ranges. The functionality of the methods is demonstrated with hardware of the sensor array and evaluating signal processing software. Three application examples are examined for this purpose. Two application examples come from the field of mechatronics. This involves high-precision angle measurement. The third application from the field of medical technology deals with the three-dimensional position detection of a magnet.