So sieht die Zukunft der Fahrzeug-Radsensorik mit GMR aus

Mit dem Aufkommen von elektrifizierten Fahrzeugen, computergestützten Steuersystemen und der Überwachung der Zuverlässigkeit von Subsystemen ist es für Fahrzeugsysteme unerlässlich geworden, genaue Rotationsinformationen für jedes Fahrzeugrad zu erhalten. Seit Jahrzehnten verlassen sich Antiblockiersysteme (ABS) auf diese Informationen. Indirekte Reifendrucküberwachungssysteme (iTPMS) erkennen einen anormalen Reifendruck, indem sie relative Unterschiede in der Raddrehzahl zwischen den Reifen berechnen. Traktionskontrollsysteme (TCS) halten die Stabilität des Fahrzeugs aufrecht, indem sie die Raddrehzahl messen und die Leistung so anpassen, dass die Räder mit einer konstanten Drehzahl rotieren. Drehmoment-/Torque-Vectoring bringt die dynamische Fahrzeugkontrolle auf ein völlig neues Niveau, indem die auf jedes Rad wirkende Kraft kontrolliert gesteuert wird. Und schließlich nutzen fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) wie autonomes Parken und Kollisionsvermeidung die Raddrehzahl-Informationen für eine genaue und sichere Regelung.

Diese neuen Techniken basieren auf ICs, die Änderungen in Magnetfeldern messen und einen inkrementell kodierten Ausgang erzeugen, welcher der Drehung der Reifen entspricht. Was die Magnetfelderzeugung angeht, gibt es zwei gängige Verfahren: Ein Ringmagnet mit wechselnden Magnetpolen kann am Rad befestigt werden, oder ein Back-Bias-Magnet kann am Sensor befestigt werden, während ein ferromagnetisches Target (z.B. ein Stahlzahnrad) am Rad befestigt wird und das Magnetfeld ablenkt, während es sich dreht.

Eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Umwandlung von Magnetfeldern in nutzbare elektrische Signale ist der Hall-Effekt. Dieses physikalische Phänomen basiert darauf, dass, wenn elektrischer Strom durch einen Leiter fließt und ein Magnetfeld in senkrechter Richtung angelegt wird, eine Spannung in der anderen senkrechten Richtung entsteht. Der Grund: die Wechselwirkung des Magnetfelds mit den bewegten Elektronen und die Lorenzkraft. Hall-Effekt-Sensor-ICs verwenden „Hall-Elemente“, die aus einem Leiter (meist dotiertes Silizium) bestehen, durch den Strom fließt, und aus seitlichen Anschlüssen, die eine Spannung entwickeln, die proportional zum Magnetfeld ist. Andere Schaltkreise im IC verstärken die Hall-Spannung, wandeln sie mit einem A/D-Wandler (ADC) in digitale Informationen um und wenden eine digitale Verarbeitung an, um das genaue Signal zu extrahieren und Fehler, die durch Temperatur- und Offset-Effekte entstehen, zu eliminieren. Das Endsignal, das ein Raddrehzahlsensor-IC erzeugt, ist eine Reihe digitaler Impulse, die direkt der Raddrehung entsprechen.

Die ICs von Allegro Microsystems basieren auf eigenen Halbleiterprozess- und Gehäusetechniken, um erstklassige Sensorlösungen bereitzustellen, die im Automotive-Bereich weit verbreitet sind. Die Raddrehzahltechniken von Allegro und deren Weiterentwicklung haben im Laufe der Jahre den Weg für moderne ABS-, iTPMS-, TCS- und ADAS-Fahrzeugsysteme geebnet.

Hall-Effekt-basierte Raddrehzahlsensoren bieten eine Rohdrehzahlgenauigkeit von 0,5 bis 2 Prozent und einen zulässigen Luftspaltbereich von etwa 2 bis 3 mm, je nach verwendetem Target. Diese Sensoren erfüllen die Anforderungen von Standard-Bremssystemen und bieten die Flexibilität, Ringmagnete oder ferromagnetische Targets in Kombination mit einem Back-Biased-Magneten einzusetzen.

In den letzten Jahren hat Allegro eine GMR-Technik (Giant Magnetoresistance) entwickelt und verfeinert, die speziell zur Erfassung der Raddrehzahl ausgelegt ist. Dieses GMR-Design erzeugt beim Anlegen eines Magnetfelds mehr als das 50-fache der Spannung eines Hall-Elements, was zu einem erheblich besseren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) führt. Dadurch kann der IC bei deutlich weiteren Luftspalt messen und ein periodisches Signal mit geringem Jitter ausgeben. Allegro GMR basiert auf einer Spin-Valve-Architektur, die eine Referenzebene mit fester magnetischer Orientierung und eine freie Schicht umfasst, die sich am angelegten externen Magnetfeld ausrichtet.

Wird ein Magnetfeld in der gleichen Richtung wie die Referenzebene angelegt, weist das GMR-Element einen relativ geringen Widerstand auf. Ist das angelegte Feld senkrecht zur Referenzebene, wird der Widerstand des Elements höher. Diese Widerstandsänderung wandelt das angelegte Magnetfeld in die elektrische Domäne des ICs um. Auf physikalischer Ebene beeinflusst die magnetische Orientierung im Element den Spin-Zustand der Elektronen, was die Elektronenstreurate beeinflusst und folglich den Widerstand des Elements verändert.

Je nach verwendetem Ringmagnet-Target lassen sich die GMR-Raddrehzahlsensoren von Allegro mit Luftspalten von 4 bis 8 mm verwenden. Dies verringert die Anforderungen an mechanische Montagetoleranzen, was Kosten einspart. Ebenso bietet der zusätzliche Abstand zum Sensor Spielraum für Radschlag und plötzliche Änderungen des Luftspalts, die durch holprige Straßenverhältnisse verursacht werden.

Der Vorteil des geringen Jitters führt zu einem präzisen Ausgangssignal, das die Radbewegung mit einer Genauigkeit von bis zu 0,02 Prozent der Rohgeschwindigkeit darstellt. Diese Präzision verbessert die iTPMS-Signalverarbeitungsalgorithmen und ermöglicht es, den richtigen Reifendruck von anormalen Bedingungen besser zu unterscheiden. Auch andere fortschrittliche Fahrzeugsteuerungssysteme profitieren durch ein jitterarmes Raddrehzahlsignal. Diese fortschrittliche Technik befindet sich bereits in der Serienfertigung.

Im Gegensatz zu einigen anderen magnetoresistiven ICs der Branche, sind die GMR-Sensoren von Allegro zusammen mit dem Rest des Halbleiterbausteins monolithisch integriert, was maximale Zuverlässigkeit und minimale interne Bonddrähte garantiert. Wie ihre Hall-Effekt-Pendants messen auch GMR-Raddrehzahlsensoren die Magnetfelder differentiell, um Gleichtakt-Störfestigkeit und Anpassungsfähigkeit an Änderungen in der Systemumgebung zu gewährleisten. Die Raddrehzahlsensoren von Allegro decken auch einen weiten Spannungsbereich ab, sind gegen Verpolung geschützt, werden gemäß den Standardanforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) getestet und gemäß der Norm ISO 26262 für funktionale Sicherheit entwickelt.

Während Fahrerassistenzsysteme wie Tempomat, Scheinwerferwinkelkorrektur, Spurhaltewarnung und Rückfahrkameras heute üblich sind, bewegt sich die Branche in Richtung vollständig autonomes Fahren. Dies wird in Form des autonomen Parkens, freihändigen Fahrens mittels Autopilot und schließlich fahrerloser Taxis erfolgen. Die Systeme von morgen erfordern ein höheres Maß an Sicherheitsüberprüfung und Sensorgenauigkeit.