Einmalig präzise schalten und messen

Einfache Magnetfeldsensoren sind schon seit mehr als 50 Jahren auf dem Markt. Sie können aber nur Bewegungen in zwei Dimensionen wahrnehmen – z. B. wenn ein Magnet von links nach rechts vorbeibewegt wird, wenn er sich dem Sensor nähert oder sich von ihm entfernt. Komplexe Bewegungen wie im Navi-Knopf der Zukunft sind damit nicht möglich. »Dank der vier Pixel-Zellen können wir die Bewegungen eines Magneten jetzt erstmals in allen sechs Dimensionen messen«, betont Hans-Peter Hohe – zum einen in x-, y- und z-Richtung, sprich vor und zurück, nach links und nach rechts sowie nach oben und unten; zum anderen ist die Rotation um diese drei Achsen möglich. »Damit können wir die Bewegung eines Magneten jetzt vollständig erfassen, was viele neue Anwendungsgebiete eröffnet«, ergänzt Markus Stahl-Offergeld. Zugrunde liegt dieser Technologie der sogenannte Hall-Effekt.

Vierfach genau

Tatsächlich wird eine solche Messung erst durch die Kombination der vier Pixel-Zellen möglich, weil sich dadurch Störgrößen herausrechnen lassen. Diese erschweren es für gewöhnlich, ein Magnetfeld präzise zu vermessen. Ein Störfaktor ist beispielsweise das Erdmagnetfeld, dass sich stets leicht verändert, wenn man sich mit einem Fahrzeug von einem Ort zum anderen bewegt. Auch die Temperatur hat einen Einfluss auf die Messungen. Fällt die Temperatur, dehnt sich das Feld eines Magneten aus. Ein einzelner Sensor könnte das fälschlich als Bewegung des Magneten interpretieren – als Magneten, der sich vermeintlich auf den Sensor zubewegt. Solche Fehler lassen sich ausschließen, wenn man mehrere Pixel-Zellen geeignet kombiniert.

Mit der Kombination von vier Pixel-Zellen auf einem Chip haben die Forscherinnen und Forscher die Voraussetzung für den Einstieg in den Massenmarkt geschaffen – etwa in der Autoindustrie. Wollte man auf einer Platine vier einzelne Sensoren verlöten, müsste man viel Arbeit darauf verwenden, diese exakt zueinander auszurichten, damit sich keine Messfehler ergeben. Das würde die Fertigung aufwendig und teuer machen. Bei den neuen 4-Pixel-Zellen-Chips, die in Kürze vom Leistungszentrum Elektroniksysteme vertrieben werden, ist eine solch aufwendige Montage obsolet.

Präzisionskameras vermessen hochwertige Magnete

Das Team hat aber nicht nur den Massenmarkt, sondern auch anspruchsvolle Hightech-Anwendungen im Blick – z. B. Magnetfeld-Kameras. Solche Kameras sind in der Lage, das Feld von Magneten millimetergenau zu vermessen. Das ist wichtig, weil Magnete für anspruchsvolle Anwendungen wie im Elektroauto sehr gleichmäßige Magnetfelder haben müssen. Die neuen 4-Pixel-Zellen-Chips haben den Vorteil, dass der Abstand zwischen den einzelnen Pixel-Zellen nur noch ungefähr einen Millimeter beträgt – etwa die Hälfte des für Magnetfeld-Kameras derzeit üblichen Abstands.

Um das Messfeld einer großen Magnetfeld-Kamera zu fertigen, werden Dutzende von Pixel-Zellen-Chips nebeneinander auf die Platine gelötet. Je kleiner der Abstand zwischen den Chips bzw. zwischen den Pixel-Zellen, desto höher ist die Auflösung der Kamera – und desto genauer lässt sich ein Magnet vermessen. »In der Industrie gibt es schon länger den Wunsch nach höherer Auflösung. Mit dem 4-Pixel-Zellen-Chip, den wir zusammen mit einem Industriepartner entwickelt haben, setzen wir jetzt neue Maßstäbe«, sagt Markus Stahl-Offergeld.

Mit dem Design der neuen Chips hat das Team auch die Anwendung erleichtert. Die einzelnen 4-Pixel-Zellen-Chips lassen sich nach dem Daisy-Chain-Prinzip miteinander verknüpfen. Das bedeutet, dass nicht jeder Chip über ein eigenes Kabel mit dem Controller verbunden werden muss, sondern dass die Information der Chips nacheinander über eine einzige Datenleitung – ein BUS-System – ausgelesen werden kann. Das erleichtert die Montage von Kameras enorm. Derzeit befindet sich der Controller, der die Sensordaten ausliest, noch als separates Bauteil auf der Platine. In der nächsten Chip-Generation soll die Controller-Einheit in den Chip integriert werden. Dann liefert der Sensor nicht mehr nur Magnetfeldwerte, wie sie für Kameraanwendungen sinnvoll sind, sondern direkt die Position des Magneten, was die Fertigung von Schaltern ohne »Klick« oder ähnlichen Produkten noch weiter vereinfachen wird.