Signalverarbeitung für Tunnel-Magnetoresistive Sensor-Arrays

Abstract

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.