Magneto Resistive Angular Sensors for Space Applications

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1 Magneto Resistive Angular Sensors for Space Applications OPTONET Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrt 14. Mai 2014 HTS GmbH Am Glaswerk 6 DE Coswig Germany Phone: Fax: Internet: info@htsdd.de All rights reserved. Disclosure to third parties of this document or any part thereof, or the use of any information contained therein for purposes other than provided by this document, is not permitted except with the prior written permission of HTS GmbH in Coswig.

2 Überblick HTS GmbH Firmenportrait Einführung: Der MR Effekt Entdeckung, Hintergrund xmr Effekte Anwendungsmöglichkeiten MR Winkelsensoren für Raumfahrtanwendungen Allgemeiner Aufbau Konzepte Kooperation mit Sensitec Status und Nächste Schritte Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 2

3 HTS GmbH: Firmenportait Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 3

4 HTS GmbH Hoch Technologie Systeme HTS Hoch Technologie Systeme GmbH Gründung: 1996 Mitarbeiter: 35 Umsatz: 3 M Bürofläche: 300 m 2 Testhalle: 400 m 2 Reinraum: 45 m 2 ISO 6 Zertifikate: EN ISO 9001:2008 EN ISO 9100:2009 ECSS-Q-ST ECSS-Q-ST ECSS-Q-ST Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 4

5 HTS GmbH Hoch Technologie Systeme Mechanismen, Struktur, Technologie: Entwicklung, Konstruktion, Herstellung, Test Raumfahrtmechanismen und Struktur Design, Entwicklung, Analyse, MAIT von Flughardware Prototypen und Breadboards Ground Support Equipment F&E Projekte Verbundwerkstoffe für die Luftfahrt Sensorik Zerstörungsfreie Prüfverfahren Dünnschichtsolarzellen Industrieprojekte Automobilzulieferindustrie Schienenfahrzeugbau Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 5

6 HTS GmbH Hoch Technologie Systeme Engineering Support: Spezifikation und Anforderungsfestlegung Konzeption und Konstruktion (CAD) Finite Element (FE) Simulation Strukturberechnungen Thermalanalysen Thermo-mechanische Analysen System-Engineering Support auch direkt beim Kunden oder Bearbeitung in unserem Hause Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 6

7 Einführung: Der MR Effekt Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 7

8 Einführung: Der MR Effekt Entdeckung, Hintergrund 1857 entdeckt durch William Thomson (Lord Kelvin) Widerstandsänderung eines ferromagnetischen Leiters unter Einfluss eines Magnetfeldes (sog. Anisotroper MR Effekt AMR) Technisch relevant seit 1970er (Dünnschichttechnologie, Einsatz in Leseköpfen für Festplatten) ΔR typ. < 5% R R R m ( α ) = + cos( 2α ) 2 Sensitec GmbH Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 8

9 Einführung: Der MR Effekt Giant Magneto-resistive Effect (GMR) und Tunnel Magneto-resistive Effect (TMR) GMR in1980er Jahren entdeckt (Nobelpreis 2007), ΔR typ. ~ 50% TMR bekannt seit 1990er Jahren, ΔR typ. > 100% Historisch hauptsächlich in Speichermedien (TMR heute in den meisten konv. Festplatten) Sensitec GmbH Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 9

10 Einführung: Der MR Effekt Anwendungsmöglichkeiten des MR Effekts Leseköpfe für Festplatten Nichtflüchtige Datenspeicher (MRAM) Sensorik Anwendungen in der Sensorik: Festplatte (Samsung) MRAM Speicherzelle (PTB) PTB 2011 Magnetfeldmessung Strommessung Längenmessung Winkelmessung Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 10

11 MR Winkelsensoren für Raumfahrtanwendungen Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 11

12 MR Winkelsensoren für Raumfahrtanwendungen Aufbau: Sensor (Wellenende) Rotor Sensor (Wellenumfang) Maßverkörperung (Magnet, Polring) Sensor selbst ist lediglich eine Widerstandsbrücke Einfacher Aufbau Robust Temperaturunempfindlich Strahlungsunempfindlich Sensorsignal: Sinus-Cosinus (ähnlich wie Resolver) Kontaktlos: keine Reibung, kein Verschleiß Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 12

13 MR Winkelsensoren für Raumfahrtanwendungen Viele Verschiedene Winkelsensoren möglich: Inkrementell mit Referenzpuls True-Power-on Absolut Dipolmagnet Vernier-Prinzip Archimedische Spirale Aktive Maßverkörperung (Polring, Magnet) Passive Maßverkörperung (Zahnrad) Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 13

14 MR Winkelsensoren für Raumfahrtanwendungen MR Sensoren werden durch verschiedene Hersteller angeboten: Sensitec GmbH (Lahnau, Hessen) Analog Devices IS Line Infineon Elektronikhersteller für Industrie Typischerweise wird nur Sensor angeboten Keine mechanischen I/F Keine Daten zu Ausgasung, Strahlung, u. U. keine Signalverarbeitung Ausnahme: Sensitec: Sensoren Module Kits (inkl. Maßverkörperung) Systeme Besonders interessant für RF-Mechanismen Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 14

15 MR Sensoren für Raumfahrtanwendungen Kooperation von Sensitec und HTS um MR Winkelsensorik für Raumfahrt zu qualifizieren und zu vermarkten Mechanismen Equipment MR Sensoren Elektronik Ziel von HTS und Sensitec: Durch Bündelung der Kompetenzen und Ressourcen eine Familie von (quasi-) standardisierten MR Winkelsensoren zu entwickeln, qualifizieren und zu vermarkten, mit denen eine Vielzahl von Anwendungen abgedeckt werden kann Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 15

16 MR Sensoren für Raumfahrtanwendungen Sensitec AMR Winkelsensoren sind bereits auf dem Mars Spirit Opportunity MSL/Curiosity Zuverlässige Funktion der Sensoren unter Thermalen Lasten und Strahlung Qualifikation, Signal Conditioning durch NASA Weitere einzelne Raumfahrtanwendungen sind derzeit in Entwicklung Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 16

17 MR Sensoren für Raumfahrtanwendungen Status und Nächste Schritte: Phase 1 Machbarkeitsstudie (ESA) (endet Q2/2014) Phase 3 Markteinführung (2016) Phase 2 Development & Qualifikation (ab Q3/2014) Phase 4: Kontinuierliche Verbesserung und Erweiterung des Portfolios Parallel dazu: Entwicklung kundenspezifischer Lösungen, die derzeit noch nicht durch die Familie abgedeckt werden können Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 17

18 MR Sensoren für Raumfahrtanwendungen Ausblick auf Produktfamilie: Incremental Off-Axis AMR Sensor (MRS-IO-A) Incremental Off-Axis GMR Sensor (MRS-IO-G) Absolute End-Of-Shaft AMR Sensor (MRS-AE-A) Absolute Off-Axis AMR Sensor (MRS-AO-A) Ziel: Mittlere Performance Auflösung: bit Wiederholbarkeit: < +/- 1.5 arcmin Absolute Genauigkeit: TBD Raumfahrtkompatibles Packaging und Signal Conditioning Interfaces: Ratiometrisch ABZ Pulskette (Digital) Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 19

20 Backup: Ziele der Machbarkeitsstudie Machbarkeitsstudie: ESA TRP Ziele der Machbarkeitsstudie: Marktanalyse Sammeln von Requirements aus bisherigen Anwendungen unterschiedlicher Raumfahrtunternehmen und Institute Umfrage Studie der möglichen Anwendungen Überblick über Packaging, Signalverarbeitung, etc. Definition eines Development and Qualification Plans Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 20

21 Backup: Mögliche Anwendungen Marktanalyse: Umfrage unter ca. 25 Unternehmen in der Europäischen Raumfahrt Anwendungen, Probleme Performance Interfaces (mechanisch, elektrisch) Umweltanforderungen Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 21

22 Backup: Häufige Sensoren und Probleme Derzeit häufig verwendete Sensoren und typ. Probleme Optonet Workshop Sensorik für die Luft- und Raumfahrttechnik 22