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novotechnik20113Forschungsbericht

Nach wie vor wird der heutige Multiturnmarkt von den optischen Encodern beherrscht, die über mehrstufige Getriebe die Zahl der Umdrehungen erfassen. Für viele mobile und industrielle Anwendungen eignen sie sich  allerdings eher nicht, weil sie eine dauerhafte Stromversorgung benötigen und auf mechanischen und damit verschleißbehafteten Konstruktionen beruhen, oder auch zu aufwendig sind. Als Alternative kommen hier zusammen mit Novotechnik entwickelte magnetische Verfahren infrage, mit deren Hilfe sich zukünftig mehr als 4000 Umdrehungen energieautark erfassen lassen.



novotechnik10113Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Jahr 2008 genehmigten und mit insgesamt ca. 3,3 Mio. Euro unterstützten Förderprojektes hat Novotechnik zusammen mit Industriepartnern und dem Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena die Grundlagen für den magnetischen Multiturnsensor Uniturn geschaffen, der Umdrehungszahlen größer 4096, also mindestens 12 Bit, energieautark erfassen kann. Ausgangsbasis für die Neuentwicklung bildete ein bereits von Novotechnik im Markt eingeführter magnetischer Multiturnsensor, der sich jedoch nur für maximal 16 Umdrehungen eignet und nicht durchdrehbar ist, das heißt man muss diesen Sensor nach 16 Umdrehungen wieder zurückdrehen, um zum Ausgangszustand zu gelangen. Ursache dafür ist die offene Struktur der Domänenbahnen.

Im Gegensatz dazu ist beim neuen Uniturn die Struktur nun geschlossen und kann somit durchgedreht werden. Er beginnt nach dem maximalen Zählwert wieder bei 0. Der Sensor arbeitet ebenfalls mit magnetischen Domänen, die durch die zu überwachende Drehbewegung auf Bahnen verschoben werden und zum Erhalt der Information keine Energie benötigen. Dabei ist die Funktion nicht grundlegend verschieden von der bisherigen sogenannten „Quadstruktur“:

Ausgangszustand nach 6420 Umdrehungen

novotechnik30113Bei jeder Vierteldrehung verändert sich die Position der Domänen und somit auch die magnetische Orientierung in den Teilabschnitten der Sensorschicht. Durch eine geeignete Kontaktierung der Struktur kann jetzt wieder über den GMR-Effekt der Magnetisierungszustand und somit die Umdrehungszahl ermittelt werden. Ordnet man fünf Schleifen mit einer jeweils teilerfremden Anzahl von Spitzen an, erreicht das gesamte System erst nach 3 x 4 x 5 x 7 x 11 = 4620 Umdrehungen wieder den Ausgangszustand, das entspricht mehr als 12 Bit. Fügt man eine weitere Schleife mit 13 Spitzen hinzu, erreicht man bei den Umdrehungen knapp 18 Bit. Eine Million Umdrehungen können mit einer weiteren Schleife mit 17 Spitzen gezählt werden. Bild 2 zeigt eine mögliche Realisierung eines GMR-Chips mit der Fläche 1,4 x 2,2 mm. Mit sechs teilerfremden Schleifen können N = 3 x 5 x 7 x 9 x 11 x 13 = 45.045 Umdrehungen erfasst werden.

Spitzensimulation für optimale Geometrie

Als sehr kritisch hat sich die Bewegung der Domänenwand über die Spitzen erwiesen. Mit umfangreichen mikromagnetischen Simulationen wurde deshalb eine optimale Geometrie ermittelt und die Domänenbewegung über die Spitze anschließend im Experiment bestätigt. Allerdings ist derzeit das realisierte magnetische Arbeitsfenster noch zu klein, um direkt in eine Produktumsetzung zu gehen. Weitere Arbeiten sind noch notwendig. Sie werden von den Industriepartnern nach Auslauf des Förderprojektes weitergeführt und man darf auf die weiteren Resultate gespannt sein.

Bild oben: Layout mit 6 Schleifen für 45.045 Umdrehungen


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