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Einsatz von magnetoresistiven Sensoren zur Positionsbestimmung von ferromagnetischen Mikrostrukturen

Greeb, Dina :
Einsatz von magnetoresistiven Sensoren zur Positionsbestimmung von ferromagnetischen Mikrostrukturen.
TU Darmstadt, Institut EMK / FG M+EMS
[Masterarbeit], (2014)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die vorliegende Arbeit hat die Untersuchung verschiedener Anordnungen zur Positionsbestimmung der seismischen Masse eines Inertialsensors zum Ziel. Die Rahmenbedingungen sind zum einen durch die Vorgabe dreier Sensortypen und zum anderen durch die ferromagnetische Eigenschaft der seismischen Masse abgesteckt. Für die Arbeit werden TMR-Sensoren des Herstellers Sensitec verwendet, die noch nicht auf dem Markt verfügbar sind. Die Ausnutzung des magnetischen Tunnelwiderstandes (TMR-Effekt) verleiht den Sensoren einen hohen Messeffekt. Die seismische Masse ist eine am Institut hergestellte Mikrostruktur aus Nickel oder Nickeleisen. Hierfür wird im Rahmen der Arbeit ein Messplatz entwickelt, welcher eine Helmholtzspule zur definierten Magnetfelderzeugung bereitstellt. Um die durch Charakterisierungsmessungen an den Sensoren ermittelten Anforderungen an das Feld zu erfüllen, reicht der stufenlos einstellbare Feldstärkebereich von H=0,0 bis 7,5 kA/m. Hierdurch können verschiedene Arbeitspunkte des Sensors getestet werden. Basierend auf Feldsimulationen mit Hilfe der Software CST EM STUDIO werden die Anordnungen, in denen die Auslenkung der Mikrostruktur eine möglichst hohe Änderung des Magnetfeldes hervorruft, identifiziert und durch drei Merkmale gekennzeichnet: Feldrichtung relativ zum Sensor, Bewegungsrichtung der Mikrostruktur relativ zum Sensor und Orientierung der Mikrostruktur zum Sensor. Unter Verwendung der gegebenen Positionieraktorik SLC-2475 der Firma SmarAct und der entwickelten Befestigungselemente können 12 Kombinationen der o. g. Unterscheidungsmerkmale aufgebaut werden. Diese können untersucht und verglichen werden, um die Anordnung mit dem größten Messeffekt zu bestimmen. Mit der Halterung für die Mikrostruktur lassen sich Substrate mit einer Länge von l_s=4,7 bis 12,4 mm bei maximaler Breite von b_s=5,5 mm einspannen. Die Sensorhalterung ist für das von Sensitec gelieferte Sensor-Packaging optimiert, jedoch auch für weitere Geometrien bis zu einer Höhe von h_s=5 mm geeignet. Die Verstärkung der Sensorausgangsspannung erfolgt über eine konfigurierbare Signalkonditionierung des Herstellers iC-Haus. Zur automatischen Positionierung und Messwerterfassung dient eine auf die Bedürfnisse des Messplatzes angepasste LabVIEW-Software. Die Funktionsfähigkeit des in Betrieb genommenen Messplatzes wird durch Messungen erfolgreich überprüft. Aufgrund der begrenzten Bearbeitungszeit liegen derzeit lediglich die Ergebnisse dreier Messreihen vor, wovon zwei den erwarteten Messeffekt nicht zeigen. Der Einsatz von größeren Mikrostrukturen mit einer Kantenlänge von l_m=500 µm und eines anderen Sensortyps generiert eine messbare Signaländerung bei einer Positionsänderung von dx<=1 µm. Eine abschließende Beurteilung der verschiedenen Anordnungen steht somit noch aus. Jedoch sprechen die Messwerte für ein vielversprechendes Ergebnis der Vermessung der übrigen Anordnungen, sofern Signalauswertung und Versuchsparameter, wie beispielsweise die Abstandseinstellungen, optimiert werden.

Typ des Eintrags: Masterarbeit
Erschienen: 2014
Autor(en): Greeb, Dina
Titel: Einsatz von magnetoresistiven Sensoren zur Positionsbestimmung von ferromagnetischen Mikrostrukturen
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die vorliegende Arbeit hat die Untersuchung verschiedener Anordnungen zur Positionsbestimmung der seismischen Masse eines Inertialsensors zum Ziel. Die Rahmenbedingungen sind zum einen durch die Vorgabe dreier Sensortypen und zum anderen durch die ferromagnetische Eigenschaft der seismischen Masse abgesteckt. Für die Arbeit werden TMR-Sensoren des Herstellers Sensitec verwendet, die noch nicht auf dem Markt verfügbar sind. Die Ausnutzung des magnetischen Tunnelwiderstandes (TMR-Effekt) verleiht den Sensoren einen hohen Messeffekt. Die seismische Masse ist eine am Institut hergestellte Mikrostruktur aus Nickel oder Nickeleisen. Hierfür wird im Rahmen der Arbeit ein Messplatz entwickelt, welcher eine Helmholtzspule zur definierten Magnetfelderzeugung bereitstellt. Um die durch Charakterisierungsmessungen an den Sensoren ermittelten Anforderungen an das Feld zu erfüllen, reicht der stufenlos einstellbare Feldstärkebereich von H=0,0 bis 7,5 kA/m. Hierdurch können verschiedene Arbeitspunkte des Sensors getestet werden. Basierend auf Feldsimulationen mit Hilfe der Software CST EM STUDIO werden die Anordnungen, in denen die Auslenkung der Mikrostruktur eine möglichst hohe Änderung des Magnetfeldes hervorruft, identifiziert und durch drei Merkmale gekennzeichnet: Feldrichtung relativ zum Sensor, Bewegungsrichtung der Mikrostruktur relativ zum Sensor und Orientierung der Mikrostruktur zum Sensor. Unter Verwendung der gegebenen Positionieraktorik SLC-2475 der Firma SmarAct und der entwickelten Befestigungselemente können 12 Kombinationen der o. g. Unterscheidungsmerkmale aufgebaut werden. Diese können untersucht und verglichen werden, um die Anordnung mit dem größten Messeffekt zu bestimmen. Mit der Halterung für die Mikrostruktur lassen sich Substrate mit einer Länge von l_s=4,7 bis 12,4 mm bei maximaler Breite von b_s=5,5 mm einspannen. Die Sensorhalterung ist für das von Sensitec gelieferte Sensor-Packaging optimiert, jedoch auch für weitere Geometrien bis zu einer Höhe von h_s=5 mm geeignet. Die Verstärkung der Sensorausgangsspannung erfolgt über eine konfigurierbare Signalkonditionierung des Herstellers iC-Haus. Zur automatischen Positionierung und Messwerterfassung dient eine auf die Bedürfnisse des Messplatzes angepasste LabVIEW-Software. Die Funktionsfähigkeit des in Betrieb genommenen Messplatzes wird durch Messungen erfolgreich überprüft. Aufgrund der begrenzten Bearbeitungszeit liegen derzeit lediglich die Ergebnisse dreier Messreihen vor, wovon zwei den erwarteten Messeffekt nicht zeigen. Der Einsatz von größeren Mikrostrukturen mit einer Kantenlänge von l_m=500 µm und eines anderen Sensortyps generiert eine messbare Signaländerung bei einer Positionsänderung von dx<=1 µm. Eine abschließende Beurteilung der verschiedenen Anordnungen steht somit noch aus. Jedoch sprechen die Messwerte für ein vielversprechendes Ergebnis der Vermessung der übrigen Anordnungen, sofern Signalauswertung und Versuchsparameter, wie beispielsweise die Abstandseinstellungen, optimiert werden.

Freie Schlagworte: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 17 Feb 2015 08:07
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKM 1868

Art der Arbeit: Masterarbeit

Beginn Datum: 14-04-2014 Ende Datum: 20-10-2014

ID-Nummer: 17/24 EMKM1868
Gutachter / Prüfer: Schlaak, Prof. Helmut
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