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Der magnetische Sensor – für die meisten von uns unbemerkt – ist ein sehr wichtiger Bestandteil vieler Geräte. Haben Sie sich jemals gefragt, wie er funktioniert und wofür er verwendet werden kann? Lesen Sie weiter und erfahren Sie mehr.
Magnetische Sensoren - Geschichte der Entwicklung
Die ersten Beobachtungen magnetischer Phänomene gehen auf die Antike zurück, aber erst im 19. Jahrhundert begannen wir dank der Forschung von Wissenschaftlern wie Michael Faraday und James Clerk Maxwell zu verstehen, wie Magnetismus funktioniert und wie man ihn nutzbar machen kann. Faraday untersuchte die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus und führte das Konzept des Magnetfelds ein. Maxwell wiederum formulierte vier grundlegende Gleichungen, die das Verhalten von elektrischen und magnetischen Feldern beschreiben.
Die ersten echten magnetischen Sensoren, wie wir sie heute kennen, kamen erst im 20. Jahrhundert auf. Ermöglicht wurde dies durch die Entwicklung der Halbleitertechnologie, die eine Miniaturisierung und höhere Empfindlichkeit dieser Geräte ermöglicht hat.
1955 wurde in den Bell Labs (der Forschungs- und Entwicklungsabteilung des finnischen Telekommunikationsunternehmens Nokia, die ursprünglich als AT&T-Forschungszentrum gegründet wurde) der erste auf Halbleitertechnologie basierende Magnetsensor erfunden. Dies war ein Durchbruch auf dem Gebiet der Sensortechnik, denn es ermöglichte die Nutzung des Magnetismus in der weit verbreiteten Digitaltechnik.
Seitdem hat sich die magnetische Sensortechnik ständig weiterentwickelt. Heute sind diese kleinen Geräte, die oft nicht größer als eine Münze sind, an vielen Stellen zu finden, vom Kompass in unseren Smartphones über Sensoren in Autos bis hin zu fortschrittlichen Messsystemen in Industrie und Medizin. In den folgenden Abschnitten unseres Artikels werden wir mehr über ihre Rolle in diesen Bereichen erfahren.
Magnetsensor - Konstruktionsschema und Funktionsprinzip
Magnetische Sensoren haben trotz ihrer komplexen Aufgabe einen relativ einfachen Aufbau und ein einfaches Funktionsprinzip. Obwohl die verschiedenen Sensortypen unterschiedliche Konstruktionsdetails aufweisen können, sind die Grundelemente gleich.
Der einfachste Magnetsensor besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem Dauermagneten (oder einer Spule, die ein Magnetfeld erzeugt) und einem Hallsensor (oder einer anderen magnetfeldempfindlichen Komponente). Ein Hall-Sensor ist ein Halbleiterelement, das seine elektrischen Eigenschaften unter dem Einfluss eines Magnetfeldes ändert und so die Erfassung dieses Feldes ermöglicht.
Das Prinzip des Magnetsensors beruht auf dem Hall-Effekt. Wenn ein Strom durch einen Hall-Sensor fließt und dieser in ein Magnetfeld getaucht wird, induziert dies eine Querspannung (Hall-Spannung), die proportional zur Stärke des Magnetfelds ist. Durch die Messung dieser Spannung ist der Magnetsensor in der Lage, das Vorhandensein und die Stärke des Magnetfelds zu bestimmen.
Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Magnetsensoren
Bei der Erörterung des Konstruktionsschemas und des Funktionsprinzips von Magnetsensoren haben wir bereits erwähnt, dass es verschiedene Typen gibt. Möchten Sie wissen, um welche Arten es sich handelt? Hier ist die Antwort!
- Hall-Sensoren – die am weitesten verbreiteten – arbeiten nach dem Prinzip des Hall-Effekts, bei dem in einem stromdurchflossenen Material, das einem Magnetfeld ausgesetzt ist, eine Querspannung erzeugt wird. Sie sind besonders nützlich, wenn das Vorhandensein eines Magnetfeldes erkannt und dessen Stärke gemessen werden soll.
- Magnetowiderstände – nutzen das Phänomen des Magnetwiderstands, d.h. eine Änderung des elektrischen Widerstands unter dem Einfluss eines Magnetfelds. Sie werden häufig in Positionssensoren verwendet, bei denen der Widerstand je nach Position des Magneten variiert.
- Magneto-optische Sensoren – nutzen den Faraday-Effekt, bei dem sich die Polarisation des Lichts unter dem Einfluss eines Magnetfelds ändert. Diese Art von Sensoren wird seltener verwendet, kann aber in sehr spezifischen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen sehr kleine Änderungen des Magnetfelds erkannt werden müssen.
- Induktive Sensoren – nutzen das Phänomen der elektromagnetischen Induktion, d.h. die Bildung eines Stroms in einem Stromkreis unter dem Einfluss eines sich ändernden Magnetfelds. Sie werden hauptsächlich zum Aufspüren von Metallgegenständen verwendet.
- Magnetometerbasierte Magnetsensoren – messen die Stärke und Richtung des Magnetfelds. Sie werden hauptsächlich in der Geophysik und der Planetenforschung, aber auch in der Navigation und in mobilen Geräten wie Smartphones eingesetzt.
- Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM)-Sensoren nutzen das Phänomen des Tunnelmagnetwiderstands zum Schreiben und Lesen von Daten. Sie werden in modernen Computerspeichern verwendet.
Magnetischer Sensor - Beispiele für die Anwendung in der Praxis
Sie kennen bereits die Arten von Magnetsensoren und wissen, dass es eine ganze Reihe von ihnen gibt. Und welchen Nutzen haben sie in der Praxis? Hier sind einige Beispiele:
- Automatisierung und Robotik – Magnetsensoren werden zur Positionserfassung in Maschinen und Robotern eingesetzt und helfen bei der Überwachung und Steuerung mechanischer Bewegungen. Sie sind eine Schlüsselkomponente in vielen automatischen Kontrollsystemen.
- Automobilindustrie – diese Sensoren werden zur Überwachung der Motordrehzahl, zur Erkennung der Radposition und zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit eingesetzt. Sie sind auch in ABS-Systemen zu finden, die den Betrieb des Bremssystems steuern.
- Unterhaltungselektronik – in elektronischen Kompassen, wie z. B. in Smartphones, werden Magnetsensoren verwendet, um die Richtung relativ zum Erdmagnetfeld zu bestimmen.
- Stromerzeugung – in Umspannwerken werden magnetische Sensoren zur Überwachung des Stromflusses in großen Übertragungsleitungen eingesetzt.
- Medizin – In der Medizin werden Magnetsensoren in Magnetresonanztomographen (MRT) eingesetzt, die detaillierte Bilder aus dem Inneren des Körpers eines Patienten liefern.
- Geophysik – Magnetsensoren werden zur Messung des Erdmagnetfeldes, zur Erkennung tektonischer Veränderungen oder für seismische Untersuchungen eingesetzt.
- Sicherheit – Magnetsensoren werden häufig in Alarmsystemen eingesetzt. In Türen und Fenstern werden kleine Magnete eingebaut, die in Verbindung mit einem Magnetsensor das Öffnen der Fenster erkennen.
Dies sind nur einige der Anwendungen von Magnetsensoren. Dank ihrer Vielseitigkeit und der großen Bandbreite an Möglichkeiten sind diese kleinen Geräte ein unsichtbarer, aber unverzichtbarer Bestandteil unseres täglichen Lebens.
