Multitalent der Magnetfeldsensorik: Robuste Positions-, Winkel- und Strommessung mit demselben Chip

Erlangen: Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS stellt mit dem FH6D04 einen intelligenten Hall-Sensor vor, der Positions-, Winkel- und Strommessungen mit nur einem Chip ermöglicht. Entwickelt für anspruchsvolle Systeme, vereint er Sensorik, analoge Signalverarbeitung und algorithmische Intelligenz. Damit bietet er eine zukunftsweisende Lösung für Sensorhersteller, Systemintegratoren und Entwickler, die ihre Designs effizienter, platzsparender und robuster gestalten möchten. Der Sensor wird vom 6. bis 8. Mai 2025 auf der Messe SENSOR+TEST in Halle 1, Stand 1-317 in Nürnberg präsentiert.

Das Bild zeigt einen stromführenden Leiter mit seinem umgebenden Magnetfeld.
© Fraunhofer IIS
Das Bild zeigt einen stromführenden Leiter mit seinem umgebenden Magnetfeld, das der intelligente Quad-3D-Hall-Sensor FH6D04 zur berührungslosen Strommessung nutzt. Er erfasst das Magnetfeld ohne magnetisierbare Materialien und ermöglicht so eine störungsfreie Strombestimmung.
Das Bild zeigt einen Beispielmagneten über dem Quad-3D-Hall-Sensor FH6D04.
© Fraunhofer IIS
Das Bild zeigt einen Beispielmagneten über dem Quad-3D-Hall-Sensor FH6D04. Je nach verwendetem Magneten kann der Sensor bis zu sechs Bewegungsfreiheitsgrade präzise erfassen und anhand der detektierten Veränderungen des Magnetfeldes die exakte Position des Magneten bestimmen.

Sensorlösungen für Positions- oder Strommesssysteme erfordern in der Regel eine Vielzahl spezialisierter Bauteile sowie zusätzlichen Aufwand für Softwareentwicklung und Systemabgleich. Damit einher gehen lange Stücklisten, erhöhter Wartungsaufwand und steigende Lebenszykluskosten. Hinzu kommt, dass klassische magnetische Sensoren häufig an ihre funktionalen und technischen Grenzen stoßen, wenn Präzision und Robustheit gleichermaßen gefordert sind.

Falls darüber hinaus zusätzliche Messgrößen detektiert und gleichzeitig die Systemkomplexität nicht erhöht werden sollen, stehen Integratoren und Entwickler magnetischer Sensorsysteme vor großen Herausforderungen. Auch Sensorik-Hersteller, die bestehende Systeme auf die zahlreichen Vorteile der berührungslosen Magnetfeldsensorik umstellen möchten, sehen sich zunächst mit der grundlegenden Aufgabe konfrontiert, ihre Systeme umfassend neu auszulegen – ein Prozess, der mit erheblichem Entwicklungsaufwand verbunden ist.

Komplexe Sensorik – einfacher umgesetzt

Der Quad-3D-Hall-Sensor FH6D04 bietet eine kompakte Single-Chip-Lösung: Er vereint vier hochpräzise, dreidimensional messende Hall-Sensoren mit einer vollständigen Sensorsignalverarbeitung – inklusive Verstärkung, Analog-Digital-Wandlung und integrierter Selbstkalibrierung – sowie einen RISC-V-Mikrocontroller, dessen Firmware sich flexibel vom Anwender konfigurieren lässt. Die Auswertung erfolgt über die im Baustein hinterlegten Algorithmen der Fraunhofer IIS-Technologien HallinMotion® für Positions- und Winkelsensorik sowie HallinPower® für Strommessung. Dem Integrator werden direkt die gewünschten Messgrößen in Meter, Grad und Ampere bereitgestellt.

Ein Sensor für alle Fälle durch konfigurierbare Architektur

Der Sensor ist vollständig softwaredefinierbar: Durch einfaches Laden einer angepassten Firmware lässt sich der FH6D04 für verschiedene Szenarien konfigurieren – von linearer oder rotatorischer Positionsmessung über präzise Stromerfassung bis hin zur gleichzeitigen Erfassung aller Messgrößen. Gängige digitale Schnittstellen wie I²C, SPI und UART erleichtern dabei die Integration in bestehende Systeme. Dank robuster Algorithmen bleibt der Sensor auch bei typischen Herausforderungen magnetischer Sensorsysteme, wie etwa magnetischen Störfeldern oder Temperaturschwankungen, zuverlässig im Einsatz. Darüber hinaus erlaubt die Entwicklung von ASIC-Varianten eine anwendungsspezifische Erweiterung der Funktionalität und schützt gleichzeitig vor Nachbauten.

Einheitliche Hardware – vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Üblicherweise birgt jedes neue elektronische Bauteil für den Integrator zusätzlichen Aufwand in Bezug auf Betrieb, Kalibrierung und Software-Implementierung. Durch den hohen Integrationsgrad des FH6D04 kann dieser Aufwand drastisch reduziert werden: Ein einziger Chip ersetzt mehrere Sensoren sowie den Mikrocontroller und deckt gleichzeitig unterschiedlichste Anwendungen ab. Die Integration in das Ökosystems des Kunden muss nur einmal durchgeführt werden, danach lässt sich das System um die Detektion weiterer Messgrößen erweitern, ohne die zugrunde liegende Hardwarearchitektur zu verändern. Dafür sind lediglich Anpassungen der Sensor-Firmware nötig. Dies reduziert den Integrationsaufwand, kürzt die Stückliste, erhöht die Bauraumeffizienz und vereinfacht Entwicklungsprozesse.

Ein Beispiel: Im Joystick eines Baggers kann der FH6D04 präzise dessen Position erfassen, während er zeitgleich an anderer Stelle den Zustand der Hydraulikzylinder überwacht und im Bordnetz die Stromaufnahme misst – je nach Konfiguration der Firmware. Seine vielseitige Einsetzbarkeit macht ihn zur idealen Lösung für Steuerungselemente in Fahrzeugen, zur Lagedetektion und Zustandserfassung in Haushaltsgeräten sowie zur Strommessung in Smart-Metern oder mobilen Geräten.

Für Entwickler und Entwicklerinnen, die die Integration des Sensors in ihren Systemen frühzeitig prüfen möchten, ist der FH6D04 als Prototyp verfügbar. Sie erhalten für ihre Anwendungen einen flexibel konfigurierbaren Chip, der zuverlässig gewünschte Zielgrößen wie Position oder Stromstärke berechnet – komfortabel durch das Aufspielen einer optimierten Firmware. Damit ist er sowohl für neue als auch für bestehende Systemarchitekturen geeignet. Vom 6. bis 8. Mai 2025 wird der FH6D04-Chip auf der Messe SENSOR+TEST in Halle 1, Stand 1-317 in Nürnberg mit exemplarischen Anwendungsszenarien vorgestellt.