Die ersten AMR-Sensoren haben einen Stromverbrauch im Nanoampere-Bereich  (310 nA). Eine

Die ersten AMR-Sensoren haben einen Stromverbrauch im Nanoampere-Bereich (310 nA). Eine handelsübliche Batterie würde theoretisch über 300 Jahre halten, wenn nur dieser Sensor angeschlossen ist. Bilder: Honeywell

Der magnetoresistive Effekt, kurz MR-Effekt, ist seit 150 Jahren bekannt. Die sensorische Nutzung konnte jedoch erst vor etwa 30 Jahren mit der Dünnschichttechnik voran gebracht werden. MR-Sensoren erobern seither ständig neue Applikationsfelder in der Magnetfeldmessung, sei es als elektronischer Kompass, als Weg- und Winkelmesssystem oder als kleine, potenzialfreie Stromsensoren. Honeywell stellt nun den branchenweit ersten anisotropen magnetoresistiven Nanopower-Sensor als integrierten Schaltkreis vor. Und dieser Sensor bietet viele Vorteile.

Nanopower MR-SensorsDer anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR) wurde 1857 von Thomson entdeckt. Trotz der frühen Entdeckung konnten erst 100 Jahre später erste technische Anwendungen folgen. Um 1980 wurde schließlich der erste magnetoresistive Sensor entwickelt. Diese werden seitdem in der Magnetfeldmessung, zum Beispiel bei digitalen Speichermedien, in der Positionsmessung, wie in einem Zylinderschalter und bei der Strom- und Winkelmessung eingesetzt. Aktuelle Markttreiber bei Magnetfeldsensoren sind die hohe Nachfrage nach einem Batteriebetrieb, die steigende Miniaturisierung und eine Preisunsicherheit bei Magneten. Dies ist auch der Grund, weshalb die Nachfrage nach Sensoren mit geringem Verbauch, kleiner Gehäusegröße und hoher Gauss-Empfindlichkeit steigt.

Nun präsentiert Honeywell den branchenweit ersten anisotropen magnetoresistiven Nanopower-Sensor als integrierten Schaltkreis. Mit seiner hohen magnetischen Empfindlichkeit und seiner Stromaufnahme im Nanobereich bieten die Sensor-ICs viele Vorteile – und das in den unterschiedlichsten Bereichen der Industrie. Besonders für Anwendungen mit großem Luftspalt, kleinen Magnetfeldern und geringem Stromverbrauch ist der Sensor ideal geeignet. Die hohe Empfindlichkeit verbessert die Design-Flexibilität für Konstrukteure, da kleinere und weniger starke Magnete eingesetzt werden können. Das ist ein wichtiger Kostenvorteil, da die Preise für Magnete dramatisch angestiegen sind. Josh Edberg, Senior Product Marketing Manager Honeywell Sensing and Control: „Wegen der deutlichen Preissteigerung bei Seltenerdmagneten suchen Ingenieure, die bislang mit Hallsensoren gearbeitet haben, nach Einsparpotenzialen. Um die Gesamtdesignkosten zu senken, können kleinere und kostengünstigere Magnete in die Anwendungen intergiert werden.“

Hall-Effekt- gegenüber AMR-Sensoren

Hall-Effekt- gegenüber AMR-Sensoren: AMR-Elemente sensieren in der parallelen Ebene und haben eine höhere Empfindlichkeit als Hall-Sensoren. Im Bild: Omnipolarer Hall-Effekt-Sensor (links) und magnetoresistiver Sensor (rechts).

Klein und langlebig

Die Sensor-ICs sind kleiner und langlebiger als die Konkurrenz. Sie reagieren gleichermaßen auf magnetische Nord- und Südpole, die parallel in gleicher Richtung zum Sensor angelegt werden. Da die Polarität nicht festgelegt werden muss, wird die weitere Fertigung vereinfacht. Dadurch werden auch Systemkosten reduziert. Die magnetoresistiven Sensoren der Nanopower-Serie haben einen niedrigen Stromverbauch und liefern ein Gegentakt-Ausgangssignal (Push/Pull). Ein Pull-up-Widerstand ist nicht notwendig. Der Stromverbrauch liegt bei 310 nA. Bei diesem Verbrauch würde eine handelsübliche Batterie theoretisch knapp 300 Jahre lang halten, wenn alleine der AMR-Sensor angeschlossen ist. Wettbewerbsprodukte benötigen mindestens das zehnfache an Strom. Die Sensoren arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 1,65 bis 5,5 Volt, was zur Energieeffizienz beiträgt. Außerdem kann der Sensor in einem Temperaturbereich von -40 bis +85 Grad eingesetzt werden.

Josh Edberg„Um die Gesamt-designkosten zu senken, können kleinere Magnete integriert werden.“
Josh Edberg, Honeywell

Die Nanopower-Serie ist in zwei magnetischen Empfindlichkeiten erhältlich: SM351LT ist für Anwednungen konzipiert, die eine extrem hohe magnetische Empfindlichkeit (Betrieb: sieben Gauss typ., elf Gauss maximal) und eine sehr geringe Leistungsaufnahme (360 nA typ.) erfordern; SM353LT ist hingegen für Anwendungen, die eine sehr hohe magnetische Empfindlichkeit (14 Gauss typ., 20 Gauss max.) und eine sehr geringe Leistungsaufnahme (310 nA typ.) benötigen. Die Sensoren werden in einem Sub-SOT-23-Gehäuse zur SMD-Montage auf Gurt und Rolle geliefert (3000 Stück pro Rolle) – speziell für den Einsatz in Bestückungsautomaten.

Technik im Detail

Die Nanopower-Serie
Die magnetoresistiven Sensor-ICs der Nanopower-Serie sind für eine breite Palette von Anwendungen geeignet:

  • Hohe Empfindlichkeit: 7 Gauss typ., 11 Gauss max.(SM351LT); 14 Gauss typ., 20 Gauss max. (SM353LT).
  • Nanopower: Durchschnittlicher Strom 360 nA typ.(SM351LT) und 310 nA typ. (SM353LT).
  • Versorgungsspannungsbereich: 1,65 VDC bis 5,5 VDC; vereinfacht das Design.
  • Omnipolare Erfassung: Aktivierbar mit beiden Magnetpolen
  • Temperaturbereich: -40 °C bis 85 °C
  • Push-Pull-Ausgang: Kein externer Pull-up-Widerstand erforderlich
  • Design ohne Chopper-Stabilisierung
  • RoHS-konforme Materialien: Erfüllt Richtlinie 2002/95/EG
  • Gehäuse: SOT-23
  • Anwendungsgebiete: Industrie (Mobile Geräte wie Handheld-Geräte, Scanner, Zutrittskontrolle u.a.), Medizintechnik (Fitnessgeräte, Infusionspumpen, Krankenhausbetten u.a.), Haushaltsgeräte (Flüssigkeitsstrom, Prositionserfassung bei Türen), Unterhaltungselektronik (Positionssensor zur Batterieoptimierung).

Datenblatt

Sensor ICs im Vergleich

Aufgrund seiner Vorteile kann der neue Sensor den Reed-Schalter in vielen batteriebetriebenen Anwendungen ersetzen. Er hat einen extrem niedrigen Stromverbauch, eine kleinere Bauform, ist langlebiger als der Reed-Schalter und es besteht keine Bruchgefahr dank dem Kunststoffgehäuse im Vergleich zum Reed-Glasröhrchen. „Konstrukteure sind auf der Suche nach einer Alternative zu Reed-Schaltern, um kleinere Bauteile mit höherer Qualität und Haltbarkeit einzusetzen und gleichzeitig die Batterielaufzeiten zu erhöhen“, erklärt Edberg.

Im direkten Vergleich des SM351LT mit einem Reed-Schalter ist der neue Sensor stromsparender (360 nA gegenüber 0A), gleich empfindlich oder empfindlicher (Gauss gegen AmpereTurns), über den gesamten Temperaturbereich stabil und weist keinen Verschleiß in der Halbleitertechnik auf. Als Kunststoffsensor ist er generell unzerbrechlich. Das SOT-23-Subminiaturgehäuse zur SMD-Montage ist mit Maßen von 2,9 x 2,8 x 1,45 Millimetern meist kleiner als die üblichen Reed-Schalter.

Magnete

Die hohe Empfindlichkeit ermöglicht den Einsatz sehr kleiner, kostengünstiger Magneten und einen größeren Erfassungsbereich.

Auch im Vergleich zu gängigen Hall-Sensoren hat die neue Sensor-Serie Vorteile. Sie sind mindestens doppelt so empfindlich, sind im Design flexibler und verursachen weniger Systemkosten durch kleinere oder handelsübliche Magnete. Stromsparende Hall-Effekt-Sensoren-ICs im Markt nehmen mindestens drei µA auf – das ist die 10-fache Stromaufnahme im Vergleich zur Nanopower-Serie. Außerdem sind mindestens doppelt so große Schaltabstände realisierbar. Die Erfassung erfolgt beim neuen Sensor in der parallelen Ebene, Hall-Effekt-Sensoren erfassen in der Senkrechten. Deswegen sind bei der Nanopower-Serie mehr Flexibiliät im Design geboten.

Flexibel in der Anwendung

Aufgrund der vielen Vorteile, vor allem aber wegen der kleinen und flexiblen Bauform, ist die Nanopower-Serie für verschiedenste Anwendungen geeignet: Wasser- und Gaszähler, Stromzähler, Industrie-Rauchmelder, Sportgeräte, Sicherheitssysteme, Handheld-Computer, Scanner, Spülmaschinen, Mikrowellen, Waschmaschinen, Kühlschränke und Kaffeemaschinen, medizinische Ausrüstung wie Krankenhausbetten, Medikamentenausgabeschränke, Infusionspumpen sowie Unterhaltungselektronik wie Notebooks, Tablets und schnurlose Lautsprecher.

In Sicherheitssystemen kommt der Sensor beispielsweise in Tür- und Fensteröffnungen als Alarm-Auslöser zum Einsatz. Dafür wird ein Magnetsensor am Fensterrahmen und ein Magnet am Fenster befestigt. Die Sensoreinheit erkennt den Zustand des Fensters und sendet die Information drahtlos an die Alarmeinheit, wenn Fenster beziehungsweise Türen geöffnet oder geschlossen werden.

In akkubetriebenen Werkzeugen wird der Sensor als Positionswahlschalter oder zur Feststellung der Akkuposition eingebaut. So erkennt der Sensor die Position des Drehzahl-/Drehmoment-Wahlschalters beziehungsweise den fehlenden oder vorhandenen Akku im Ladegerät. In Trainingsgeräten fungiert der Sensor als Not-Aus-Schalter. Hier wird der Magnet einfach im Notfall herausgezogen, um das Laufband anzuhalten. Desweiteren erfasst er die Drehzahl zur Geschwindigkeitsmessung und erkennt verschiedene Neigungspositionen. In der Medizin sind magnetoresistive Sensoren weit verbreitet. Als Schalter zur Erkennung der Infusionskette werden sie in Infusionspumpen eingebaut. Während der Sensor ein Teil der Pumpe ist, wird der Magnet in die Kassette gebaut. Wenn die Kassette schließlich nicht in der richtigen Position ist, erkennt das der Sensor. Auch die Positionserfassung bei Krankenhausbetten übernimmt ein MR-Sensor. Er erkennt die Start- und Endposition der Betteinstellung.

Honeywell Sensing and Control

Seit mehr als 80 Jahren bietet Honeywell Sensing und Control Sensoren, Schalter und Maschinenschutzvorrichtungen an. Das Portfolio mit mehr als 50.000 Produkten reicht von Schnappschaltern über Grenz-, Kipp- und Druckschalter bis hin zu Positions-, Drehzahl- und Luftmengenmessern.
Diese kommen in den verschiedensten Industriezweigen, wie Luft-, Raumfahrt und Wehrtechnik, Gebäude, Ausführung und Wartung, Effiziente Energie und Versorger, Industrielle Prodzessleittechnik, Gesundheitsversorgung und Medizin zum Einsatz. Hier messen die Komponenten physikalische Parameter wie Druck, Magnetfeld, Geschwindigkeit, Position, Feuchtigkeit, Kraft, Last und Drehmoment.
Damit erwirtschaftete das Unternehmen 2013 knapp 39,1 Milliarden US-Dollar. Die Hauptumsatzbereiche waren Automation und Control Solutions (16,6 Milliarden US-Dollar), Aerospace (12 Milliarden US-Dollar), Performance Materials & Tech (6,8 Milliarden US-Dollar) und Transportation Systems (3,8 Milliarden US-Dollar).
Umsatzstärkste Regionen waren die USA (45 Prozent) und Europa (25 Prozent). In China machte das Unternehmen sechs Prozent seines Umsatzes.
Neben den neuen magnetoresistiven Sensor-ICs zeigt Honeywell noch andere Produktneuheiten: TruStability Drucksensoren für die Leiterplattenmontage, TSC- und NSC-Serie, Basis-Drucksensoren für Leiterplattenmontage, TBP- und NBP-Serien oder Schwerlast-Druckmessumformer PX2-Serie für den Niederdruck.

In der Unterhaltungselektronik, speziell bei Tablet und Co., ist der Sensor für die Optimierung des Batterieverbauchs verantwortlich. Hier schaltet er Geräte über einen Magnetmechanismus ab, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Bei allen Anwendungen versuchte Honeywell die jeweiligen Anforderungen der Konstruktionsingenieure an die Produkte mit Sensor-ICs zu erfüllen. Besonders die geringe Bauform und der geringe Stromverbauch waren wichtige Punkte für die Entwicklung der Sensoren.

Und der Siegeszug MR-basierter Sensoren geht noch weiter: Nach dem Erfolg der MR-Sensorik in zahlreichen Raumfahrtanwendungen, zum Beispiel zum Überwachen von nahezu allen bewegten Mechanismen im Marsrover Curiosity, ist davon auszugehen, dass sich in der nahen Zukunft ein noch größerer Bedarf an MR-Sensoren für Anwendungen in der Luftfahrt ergeben.

Von Felicitas Heimann
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