DE102016124948B4

DE102016124948B4 - Magnetische Winkelsensorvorrichtung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102016124948B4
Application number: DE102016124948.3A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: JP2018136310A; US10746569B2; US20180172474A1; DE102016124948A1; JP6563470B2; CN108204785B; CN108204785A

Abstract

Magnetisches Winkelerfassungssystem umfassend- eine erste magnetische Erfassungsvorrichtung,- eine zweite magnetische Erfassungsvorrichtung,- eine dritte magnetische Erfassungsvorrichtung,- ein Substrat umfassend die erste magnetische Erfassungsvorrichtung, die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung und die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung,- wobei die erste magnetische Erfassungsvorrichtung, die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung und die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung jeweils so angeordnet sind, dass sie auf eine Magnetfeldkomponente reagieren, die senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats ist,- wobei jede der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung, der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung die gleiche Anzahl von magnetischen Erfassungselementen umfasst,- wobei die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche hinsichtlich der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° im Uhrzeigersinn um einen Referenzpunkt gedreht angeordnet ist,- wobei die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche hinsichtlich der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° gegen den Uhrzeigersinn um den Referenzpunkt gedreht angeordnet ist,- wobei mehrere magnetische Erfassungselemente von mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen die gleiche Ausrichtung und Drehung aufweisen.

Description

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine magnetische Winkelsensoranordnung, die das Bestimmen einer Drehposition oder Bewegung einer Welle ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bestehende Winkelsensorvorrichtungen und bekannte Betriebsverfahren von Winkelsensorvorrichtungen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die hier vorgeschlagenen Beispiele können insbesondere auf mindestens einer der folgenden Lösungen basieren. Insbesondere könnten Kombinationen der folgenden Merkmale genutzt werden, um ein gewünschtes Ergebnis zu erreichen. Die Merkmale des Verfahrens könnten mit (einem) beliebigen Merkmal(en) der Vorrichtung, Einrichtung oder des Systems oder umgekehrt kombiniert werden.
Ein magnetisches Winkelerfassungssystem wird bereitgestellt, umfassend

- eine erste magnetische Erfassungsvorrichtung,
- eine zweite magnetische Erfassungsvorrichtung,
- eine dritte magnetische Erfassungsvorrichtung,
- ein Substrat umfassend die erste magnetische Erfassungsvorrichtung, die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung und die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung,
- wobei die erste magnetische Erfassungsvorrichtung, die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung und die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung jeweils so angeordnet sind, dass sie auf eine Magnetfeldkomponente reagieren, die senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats ist,
- wobei jede der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung, der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung die gleiche Anzahl von magnetischen Erfassungselementen umfasst,
- wobei die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche hinsichtlich der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° im Uhrzeigersinn um einen Referenzpunkt gedreht angeordnet ist,
- wobei die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche hinsichtlich der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° gegen den Uhrzeigersinn um einen Referenzpunkt gedreht angeordnet ist,
- wobei mehrere magnetische Erfassungselemente von mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen die gleiche Ausrichtung und Drehung aufweisen.

Es wird angemerkt, dass die magnetische Erfassungsvorrichtung auf dem Substrat angeordnet sein kann. Das Substrat kann insbesondere ein Halbleitersubstrat sein, das ein Silizium(halbleiter)plättchen oder ein Silizium(halbleiter)chip ist oder umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich der Referenzpunkt auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung, wobei der Referenzpunkt ebenfalls auf einer Drehachse einer Magnetfeldquelle liegt, die an einer drehbaren Welle befestigt ist.
Das Winkelerfassungssystem ist angeordnet, um einen Drehwinkel dieser drehbaren Welle zu detektieren.
Gemäß einer Ausführungsform

- ist die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche angeordnet, wobei ihr Schwerpunkt hinsichtlich des Schwerpunktes der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° im Uhrzeigersinn um den Referenzpunkt gedreht angeordnet ist, und
- die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche angeordnet ist, wobei ihr Schwerpunkt hinsichtlich des Schwerpunktes der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° gegen den Uhrzeigersinn um den Referenzpunkt gedreht angeordnet ist.

Gemäß einer Ausführungsform sind die magnetischen Erfassungselemente der magnetischen Erfassungsvorrichtungen in der gleichen Weise wie ihre zugehörige magnetische Erfassungsvorrichtung gedreht.
Daher können alle magnetischen Erfassungselemente der mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen parallel zueinander sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die magnetischen Erfassungselemente mindestens eines der Folgenden: eine Hall-Platte oder einen MAG-FET.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen ein magnetisches Erfassungselement, zwei magnetische Erfassungselemente oder vier magnetische Erfassungselemente.
Gemäß einer Ausführungsform sind die magnetischen Erfassungselemente einer magnetischen Erfassungsvorrichtung in einer rechteckigen Form, auf einer geraden Linie oder auf einem Lesekreis angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind die magnetischen Erfassungselemente von jeder magnetischen Erfassungsvorrichtung über eine Verbindungsschicht parallel verbunden.
Daher ist der Eingangswiderstand oder der Ausgangswiderstand der gesamten Gruppe von magnetischen Erfassungselementen nicht höher als der entsprechende Eingangswiderstand oder Ausgangswiderstand eines einzelnen magnetischen Erfassungselements.
Außerdem wird ein Winkelsensordetektionssystem vorgeschlagen,

- umfassend mehrere magnetische Erfassungsvorrichtungen, die auf einem Substrat angeordnet sind, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen empfänglich für das Erfassen einer Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats ist,
- wobei die mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen an drei unterschiedlichen und gleichabständigen Stellen auf einem Lesekreis angeordnet sind,
- wobei sich die azimutalen Koordinaten der magnetischen Erfassungsvorrichtungen um 120° voneinander unterscheiden,
- umfassend eine Verarbeitungseinheit, die angeordnet ist, um
- - ein erstes Signal zu bestimmen, das proportional zu einer Differenz der von der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist,
- - ein zweites Signal zu bestimmen, das proportional zu einer Differenz der von der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist,
- - einen Drehwinkel basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal zu bestimmen, wobei das Bestimmen des Drehwinkels ferner die folgenden Schritte umfasst:
  - - Bestimmen des Drehwinkels mithilfe eines Zeigers in einer (Sx,Sy)-Ebene, wobei Sx eine Koordinate ist, die proportional zu dem ersten Signal ist, und wobei Sy eine Koordinate ist, die proportional zu einer gewichteten Summe des zweiten Signals und des dritten Signals ist,
  - - wobei der Drehwinkel ein Winkel zwischen dem Zeiger und einer Richtung entlang der Sx-Koordinate oder einer Richtung entlang der Sy-Koordinaten ist.

Die Verarbeitungseinheit kann mindestens eines der Folgenden umfassen: einen Prozessor, einen Mikrocontroller, einen festverdrahteten Schaltkreis, eine ASIC, ein FPGA, eine Logikvorrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Verarbeitungseinheit ferner angeordnet, um

- ein drittes Signal zu bestimmen, das proportional zu einer Differenz der von der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist,
- basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal den Drehwinkel zu bestimmen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die von den magnetischen Erfassungsvorrichtungen erfasste Magnetfeldkomponente parallel zu einer Drehachse, wobei eine Welle drehbar um die Drehachse angeordnet ist, und wobei eine Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist.
Die Welle und insbesondere der Magnet können in der Nähe der mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen angeordnet sein.
Es wird angemerkt, dass die gewichtete Summe auch eine Differenz sein kann. Dies gilt insbesondere, wenn die Koeffizienten gemäß ihrem Betrag gleich sind, jedoch unterschiedliche algebraische Zeichen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Drehwinkel ein Winkel zwischen dem Zeiger und der Richtung entlang der Sx- oder Sy-Koordinaten plus einer beliebigen Konstante.
Die beliebige Konstante kann verwendet werden, um die Nullposition anzupassen. Die beliebige Konstante kann 23°, 90° oder 180° betragen.
Außerdem wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle bereitgestellt,

- wobei die Welle drehbar um eine Drehachse angeordnet ist, und wobei eine Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist,
- umfassend mehrere magnetische Erfassungsvorrichtungen, die auf einem Substrat angeordnet sind, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen empfänglich für das Erfassen einer Magnetfeldkomponente der Magnetfeldquelle ist, die senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats ist,
- wobei die mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen an drei unterschiedlichen und gleichabständigen Stellen auf einem Lesekreis angeordnet sind,
- wobei sich die azimutalen Koordinaten der magnetischen Erfassungsvorrichtungen um 120° voneinander unterscheiden,
- das Verfahren die Schritte umfassend:
- Bestimmen eines ersten Signals, das proportional zu einer Differenz der von der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist,
- Bestimmen eines zweiten Signals, das proportional zu einer Differenz der von der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist,
- Bestimmen eines Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal,, wobei das Bestimmen des Drehwinkels ferner die folgenden Schritte umfasst:
- - Bestimmen des Drehwinkels mithilfe eines Zeigers in einer (Sx,Sy)-Ebene, wobei Sx eine Koordinate ist, die proportional zu dem ersten Signal ist, und wobei Sy eine Koordinate ist, die proportional zu einer gewichteten Summe des zweiten Signals und des dritten Signals ist,
- - wobei der Drehwinkel ein Winkel zwischen dem Zeiger und einer Richtung entlang der Sx-Koordinate oder einer Richtung entlang der Sy-Koordinaten ist.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner:

- Bestimmen eines dritten Signals, das proportional zu einer Differenz der von der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist,
- Bestimmen des Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal.

Ein Computerprogrammprodukt wird vorgeschlagen, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist, und das Softwarecodeteile zum Durchführen der hier beschriebenen Schritte des Verfahrens umfasst.
Ein computerlesbares Medium wird vorgeschlagen, das computerausführbare Anweisungen aufweist, die dazu ausgeführt sind, ein Computersystem zum Durchführen der Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens zu veranlassen.
In einem oder mehreren Beispielen können die hier beschriebenen Funktionen zumindest teilweise in Hardware implementiert sein, wie etwa als spezielle Hardwarekomponenten oder als ein Prozessor. Allgemeiner können die Techniken in Hardware, Prozessoren, Software, Firmware oder einer beliebigen Kombination davon implementiert sein. Wenn in Software implementiert, können die Funktionen in einer oder mehreren Anweisungen oder Code auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder über ein solches übertragen werden und von einer hardwarebasierten Verarbeitungseinheit ausgeführt werden. Computerlesbare Medien können computerlesbare Speichermedien einschließen, die einem greifbaren Medium wie etwa Datenspeichermedien entsprechen, oder Kommunikationsmedien einschließlich jedes Mediums, das die Übertragung eines Computerprogramms von einer Stelle zu einer anderen, z. B. gemäß eines Kommunikationsprotokolls, erleichtert. Auf diese Weise können computerlesbare Medien allgemein (1) greifbaren computerlesbaren Speichermedien, die nicht flüchtig sind, oder (2) einem Kommunikationsmedium wie etwa einem Signal oder einer Trägerwelle entsprechen. Datenspeichermedien können jegliche verfügbare Medien sein, auf die von einem oder mehreren Computern oder von einem oder mehreren Prozessoren zugegriffen werden kann, um Anweisungen, Code und/oder Datenstrukturen zur Implementierung der in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken abzurufen. Ein Computerprogrammprodukt kann ein computerlesbares Medium einschließen.
Auf beispielhaftem Wege und nicht als Beschränkung können derartige computerlesbare Speichermedien RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM oder andere optische Plattenspeicher, magnetische Plattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen, Flash-Speicher oder jedes andere Medium, das zum Speichern von gewünschtem Programmcode in der Form von Anweisungen oder Datenstrukturen verwendet werden kann, und auf das von einem Computer zugegriffen werden kann, umfassen. Ebenfalls ist jede Verbindung genau als ein computerlesbares Medium, d. h. ein computerlesbares Übertragungsmedium, bezeichnet. Wenn zum Beispiel von einer Website, einem Server oder einer anderen abgesetzten Quelle unter Verwendung eines Koaxialkabels, Glasfaserkabels, einer verdrillten Zweidrahtleitung, einer digitalen Teilnehmerleitung (Digital Subscriber Line, DSL) oder drahtloser Technologien wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen Anweisungen übertragen werden, dann sind das Koaxialkabel, das Glasfaserkabel, die verdrillte Zweidrahtleitung, die DSL, oder drahtlose Technologien wie etwa Infrarot, Funk und Mikrowellen in der Definition von Medium eingeschlossen. Es versteht sich jedoch, dass computerlesbare Speichermedien und Datenspeichermedien keine Verbindungen, Trägerwellen, Signale oder andere transiente Medien einschließen, sondern stattdessen auf nicht-transiente, greifbare Speichermedien abzielen. Disk und Disc, wie hier verwendet, schließen Compact Disc (CD), Laser Disc, optische Disc, Digital Versatile Disc (DVD), Floppy-Disk und Bluray Disc ein, wobei Disks Daten gewöhnlicherweise magnetisch reproduzieren, wohingegen Discs Daten optisch mit Lasern reproduzieren. Kombinationen des Obigen sollten ebenfalls im Schutzumfang von computerlesbaren Medien eingeschlossen sein.
Anweisungen können von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, wie etwa einer oder mehreren zentralen Verarbeitungseinheiten (Central Processing Units, CPUs), Digitalen Signalprozessoren (Digital Signal Processors, DSPs), Allzweck-Mikroprozessoren, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), feldprogrammierbaren Logikgattern (Field Programmable Logic Arrays, FPGAs), oder anderen äquivalenten integrierten oder diskreten Logikschaltungen. Dementsprechend kann sich der Begriff „Prozessor“, wie hier verwendet, auf jede der vorhergehenden Strukturen oder jede andere für die Implementierung der hier beschriebenen Techniken geeignete Struktur beziehen. Zusätzlich kann die hier beschriebene Funktionalität in einigen Aspekten innerhalb dedizierter Hardware- und/oder Software-Module bereitgestellt sein, die zum Codieren und Decodieren ausgelegt sind, oder in einem kombinierten Codec enthalten sind. Außerdem könnten die Techniken vollständig in einer oder mehreren Schaltungen oder Logikelementen implementiert sein.
Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gezeigt und veranschaulicht. Die Zeichnungen dienen dazu, das Grundprinzip zu veranschaulichen, so dass nur für das Verständnis des Grundprinzips notwendige Aspekte veranschaulicht werden. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 zeigt eine beispielhafte Anordnung einer Winkelsensorvorrichtung, die einen Winkel einer Welle bestimmt, wobei der Winkel verwendet werden kann, um eine Bewegung und/oder Position der Welle zu bestimmen;
2 zeigt eine beispielhafte Anordnung von drei magnetischen Erfassungsvorrichtungen, die sich auf einem so genannten Lesekreis befinden, der konzentrisch mit einem Radius R0 um die Drehachse angeordnet ist;
3 zeigt eine beispielhafte Anordnung basierend auf 2, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen eine rechteckige Hall-Platte umfasst;
4 zeigt eine beispielhafte Anordnung von drei magnetischen Erfassungsvorrichtungen, die sich auf dem Lesekreis befinden, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen vier magnetische Erfassungselemente umfasst, die in einem rechteckigen Muster angeordnet sind;
5 zeigt eine alternative Anordnung verglichen mit der in 4 gezeigten, wobei die Positionierung der magnetischen Erfassungselemente basierend auf einer Drehung eines Quadrats variiert wird, wobei die Ecken des Quadrats mit den Positionen der magnetischen Erfassungselemente zusammenhängen;
6 zeigt eine alternative Anordnung verglichen mit der in 4 gezeigten, wobei die magnetischen Erfassungselemente jeder magnetischen Erfassungsvorrichtung zusammen mit der Position der magnetischen Erfassungsvorrichtung gedreht werden;
7 zeigt eine beispielhafte Anordnung von drei magnetischen Erfassungsvorrichtungen, die sich auf dem Lesekreis befinden, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen vier magnetische Erfassungselemente umfasst, die auf einer im Wesentlichen tangentialen geraden Linie auf dem Lesekreis angeordnet sind;
8 zeigt eine alternative Anordnung verglichen mit der in 7 gezeigten, wobei die magnetischen Erfassungselemente aller magnetischen Erfassungsvorrichtungen die gleiche Ausrichtung (und Drehung) aufweisen;
9 zeigt eine beispielhafte Anordnung von drei magnetischen Erfassungselementen, die sich auf dem Lesekreis befinden, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen vier magnetische Erfassungselemente umfasst, die im Wesentlichen auf dem Lesekreis angeordnet sind;
10 zeigt eine beispielhafte Anordnung von drei magnetischen Erfassungsvorrichtungen, die sich auf dem Lesekreis befinden, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen vier magnetische Erfassungselemente umfasst, die auf im Wesentlichen senkrechten Linie zu einer Tangente des Lesekreises angeordnet sind;
11 zeigt eine alternative Anordnung verglichen mit der in 10 gezeigten, wobei die magnetischen Erfassungselemente aller magnetischen Erfassungsvorrichtungen die gleiche Ausrichtung (und Drehung) aufweisen;

Hier beschriebene Beispiele beziehen sich insbesondere auf magnetische Winkelsensoren, bei denen ein Permanentmagnet an einer drehbaren Welle angebracht ist, und ein Magnetfeldsensor auf der Drehachse und benachbart zu dem Magneten platziert ist. Der magnetische Winkelsensor detektiert das drehbare Magnetfeld, das in eine axiale Richtung zeigt, und inferiert daraus die Drehposition der Welle. Der Magnet kann homogen in diametraler Richtung magnetisiert sein, er kann jedoch auch inhomogen magnetisiert sein, z. B. in Bogenform, oder die Hälfte des Magneten kann in axialer Richtung und die andere Hälfte des Magneten kann in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sein. Der Magnet kann auch mehrere unverbundene zusammengeklebte Teile umfassen, oder er kann anderweitig zusammengefügt sein.
1 zeigt eine beispielhafte Anordnung: Eine Welle 101 ist drehbar um eine Drehachse 106 angeordnet. Ein Magnet 102, z. B. ein Permanentmagnet, ist verbunden mit, z. B. befestigt an, der Welle 101. Der Magnet 102 zeigt eine diametrale Magnetisierung 103. Ein Siliziumchip 105 umfassend mehrere Magnetfeldsensoren 104 ist in der Nähe des Magneten 102 angeordnet, in diesem Beispiel unter dem Magneten 102. Jeder Magnetfeldsensor kann auch als Erfassungselement bezeichnet sein.
Eine z-Komponente ist als eine Komponente parallel zu der Drehachse der Welle (oder entlang der Welle selbst) bezeichnet, eine x-y-Ebene ist senkrecht zu der Drehachse der Welle. Die x-y-z-Komponenten spannen ein kartesisches Koordinatensystem auf.
Daher ist die Drehachse 106 parallel zur z-Achse und die Magnetfeldsensoren 104 sind in der x-y-Ebene angeordnet. Ein axialer Magnetfeldsensor 104 reagiert insbesondere auf eine z-Komponente eines Magnetfelds, das vom Magneten 102 emittiert wird.
Verschiedene Sensoren können verwendet werden, z. B. ein anisotroper Magnetowiderstand (Anisotropic Magneto-Resistor, AMR), ein Riesenmagnetowiderstand (Giant Magneto-Resistor, GMR), ein Tunnelmagnetowiderstand (Tunneling Magneto-Resistor, TMR), Hall-Effektvorrichtungen (z. B. Hall-Platten, vertikale Hall-Effektvorrichtungen) oder MAG-FETs (z. B. Split-Drain-MAG-FETs).
Beispiele, auf die hierin Bezug genommen wird, beziehen sich insbesondere auf Magnetfeldsensoren, die die z-Komponente des Magnetfelds detektieren. Daher kann der Magnetfeldsensor eine Hall-Platte (auch als HHall bezeichnet) und/oder einen MAG-FET mit einer für das zu bestimmende Magnetfeld empfindlichen y-z-Ebene umfassen.
Eine beispielhafte kontaktlose Winkelmessvorrichtung unter Verwendung von vier Hall-Vorrichtungen auf einem einzelnen Chip ist beschrieben in [M. Metz, et al.: Contactless Angle Measurement Using Four Hall Devices on Single Chip, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997, IEEE].
Beispielhafte Gestaltungen von axialen Winkelsensoren sind offenbart in [U. Ausserlechner: A theory of magnetic angle sensors with hall plates and without fluxguides, Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 49, 77-106, 2013]. Ein axialC4-Winkelsensor besteht aus vier gleichmäßig beabstandeten Hall-Platten an einem Hall-Kreis mit einem Radius R0 um die Drehachse. Ein axialC8-Winkelsensor besteht aus zwei axialC4-Zellen, die 45± gegeneinander gedreht sind. Die Ausgabe des axialC8-Winkelsensors ist der Durchschnitt der Ausgaben von beiden axialC4-Zellen. Der axialC8-Winkelsensor ist genauer und arbeitet mit mehr allgemeinen Formen von Magneten als der axialC4-Winkelsensor.
Solch ein C8-Winkelsensor ist jedoch mit dem Problem konfrontiert, dass er eine große Anzahl von acht Erfassungselementen benötigt und alle diese Erfassungselemente mit Versorgungsleitungen und Signalleitungen versehen und angeschlossen sein müssen, die gemäß eines Spinning-Current-Schemas periodisch gewechselt werden, um Versatzfehler aufzuheben. Dies erfordert eine erhebliche Menge von MOS-Schaltern und führt zu einer beträchtlichen Menge von Chipraum, die parasitäre Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände fördert und dadurch eine beträchtliche Menge von zusätzlicher elektrischer Leistung verbraucht.
Hier bereitgestellte Beispiele stellen einen effizienteren Ansatz bereit, insbesondere eine Gestaltung und einen Algorithmus zum Bestimmen des Drehwinkels mit hoher Genauigkeit, der eine verringerte Anzahl von Erfassungselementen (d. h. Magnetfeldsensoren) erfordert.
Vorteilhafterweise ist die hier vorgestellte Lösung robust gegenüber magnetischen Störfeldern. Der Drehwinkel kann aus Differenzen von Magnetfeldern an unterschiedlichen Stellen abgeleitet werden und diese Differenzen können insbesondere homogene Störungen verringern oder aufheben.
Gemäß einer Ausführungsform befinden sich drei magnetische Erfassungselemente zum Erfassen der z-Komponente eines magnetischen Felds (der Komponente, die senkrecht zu der Hauptoberfläche des Chips ist, der die Erfassungselemente umfasst) auf einem Lesekreis mit einem Radius R0, der (im Wesentlichen) konzentrisch zur Drehachse ist, oder sind auf diesem platziert. Testpunkte von benachbarten magnetischen Erfassungsvorrichtungen sind um 120° voneinander beabstandet.
Jede magnetische Erfassungsvorrichtung kann mindestens ein magnetisches Erfassungselement umfassen. Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen, die die z-Komponente des Magnetfelds bestimmen, werden als magnetisches Erfassungssystem („System“) bezeichnet.
Es ist ein Vorteil, dass das magnetische Erfassungssystem drei magnetische Erfassungsvorrichtungen verwendet, die, z. B., alle auf dem Lesekreis angeordnet und (im Wesentlichen) um 120° voneinander getrennt sind. Die drei magnetischen Erfassungsvorrichtungen können verwendet werden, um den Drehwinkel der Welle aus den gemessenen magnetischen Bz-Feldern zu rekonstruieren, die von den entsprechenden magnetischen Erfassungsvorrichtungen bestimmt werden (siehe unten beschriebener Algorithmus).
In einem beispielhaften Szenario weisen die drei magnetischen Erfassungsvorrichtungen parallele Hauptachsen auf, d. h. die magnetischen Erfassungsvorrichtungen weisen die gleiche Ausrichtung in der x-y-Ebene auf, ohne um die z-Achse gedreht zu werden. Dies ist vorteilhaft, da Hall-Platten einen besonders niedrigen Versatz bieten, wenn der Strom in den <100>-Richtungen des Silizumkristalls fließt.
Die Figuren zeigen teilweise kreuzförmige Hall-Platten. Jede andere Form, z. B. Oktagone, kreisförmige Scheiben oder Quadrate mit Mittelkontakten oder Endkontakten funktioniert jedoch dementsprechend. Die kreuzförmige Hall-Platte zeigt Stromflussrichtungen entlang einer der beiden gekreuzten Richtungen an.
2 zeigt eine beispielhafte Anordnung von drei magnetischen Erfassungsvorrichtungen 201 bis 203, die sich auf einem so genannten Lesekreis 204 befinden, der konzentrisch mit einem Radius R0 um die Drehachse z 106 angeordnet ist. Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 201 bis 203 sind auf einem Siliziumchip 205 mit einer Oberfläche, die in der x-y-Ebene liegt, platziert. Die x-, y- und x-Achse spannen ein kartesisches Koordinatensystem auf.
In dem Beispiel gemäß 2 umfasst jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 201 bis 203 ein einzelnes magnetisches Erfassungselement, das als ein Kreuz mit zwei Richtungen 206 und 207 dargestellt ist, die mögliche Stromflussrichtungen jeder magnetischen Erfassungsvorrichtung anzeigen. Zwischen zwei der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 201 bis 203 befindet sich ein 120°-Winkel hinsichtlich der Drehachse z. Daher sind die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 201 bis 203 gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt. Jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 201 bis 203 ist empfänglich für das Erfassen der Magnetfeldkomponente Bz (z-Richtung der Magnetfeldkomponente).
Der Siliziumchip 205 kann dem Siliziumchip 105 von 1 entsprechen. Daher kann der Siliziumchip 205 in der Nähe (z. B. unter) dem Magneten 102 angeordnet sein, so dass die Drehung der Achse 101 (d. h. Positions- oder Drehwinkel) über die von den magnetischen Erfassungsvorrichtungen 201 bis 203 gelieferten Signale bestimmt werden kann. Der Siliziumchip 205 ist vorzugsweise (100)-Silizium.
3 zeigt eine alternative Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 301 bis 303, die sich auf dem Lesekreis 204 befinden, der konzentrisch mit dem Radius R0 um die Drehachse z 106 angeordnet ist. Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 301 bis 303 sind auf dem Siliziumchip 205 platziert. Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 301 bis 303 sind gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt.
Jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 301 bis 303 umfasst eine rechteckige Hall-Platte, um die relative Ausrichtung anzuzeigen. In dieser Hinsicht ist die magnetische Erfassungsvorrichtung 301 um 120° gegen die magnetische Erfassungsvorrichtung 302 gedreht und die magnetische Erfassungsvorrichtung 303 ist um 240° gegen die magnetische Erfassungsvorrichtung 302 gedreht.
Es wird angemerkt, dass die magnetische Erfassungsvorrichtung eine rechteckige, quadratische, kreuzweise, runde, oktagonale oder Kleeblattform haben kann. Außerdem können weitere äquivalente Formen verwendet werden. Solch äquivalente Formen können über konforme Abbildung erreicht werden. Die äquivalenten Formen weisen die gleichen elektrischen Eigenschaften auf (insbesondere in Bezug auf eine Näherung erster Ordnung, d. h. ohne Piezo-Effekte oder temperaturabhängige Spannungseffekte).
Die magnetische Erfassungsvorrichtung kann insbesondere eine Hall-Platte sein, die vier elektrische Kontakte aufweist, wobei ein erster Satz von zwei elektrischen Kontakten auf einer ersten Linie angeordnet ist, und ein zweiter Satz von zwei elektrischen Kontakten auf einer zweiten geraden Linie angeordnet ist, wobei die erste gerade Linie und die zweite gerade Linie senkrecht zueinander sind. Daher kann ein Strom an die erste gerade Linie angelegt werden und über die zweite gerade Linie kann eine Ausgangsspannung abgegriffen werden.
Es wird angemerkt, dass die Größe des Chips (d. h. des Siliziumchips 205) in der Größenordnung von einigen Millimetern liegen kann, und der Radius R0 kann von z. B. 0,5 mm bis 2 mm reichen. Eine bevorzugte Größe des Radius R0 kann 0,8 mm sein. Jedes der Magnetfelderfassungselemente (die Teil jeder magnetischen Erfassungsvorrichtung sind) kann eine Größe aufweisen, die von 20 µm bis 200 µm reicht, die 1/10 des Radius R0 sein kann. Eine bevorzugte Größe des magnetischen Erfassungselements kann 80 µm sein.
Es ist vorteilhaft, die entsprechenden magnetischen Erfassungselemente in einer vordefinierten Symmetrie oder einem vordefinierten Muster zu platzieren, um sicherzustellen, dass sie das Magnetfeld gleichabständig in ganzzahligen Vielfachen von 120° und (im Wesentlichen) dem gleichen Leseradius abtasten.
In mehreren Ausführungsformen kann anstelle von nur einem einzelnen magnetischen Erfassungselement eine Anordnung von zwei oder mehr (insbesondere vier) magnetische Erfassungselementen, z. B. Hall-Platten, angeordnet werden. In diesem Fall kann jede magnetische Erfassungsvorrichtung mindestens zwei magnetische Erfassungselemente umfassen.
Es ist eine Option, die magnetischen Erfassungselemente einer magnetischen Erfassungsvorrichtung elektrisch parallel zu verbinden, d. h. deren Eingänge und deren Ausgänge in solcher Weise, dass die Eingangs- und Ausgangswiderstände eines Quadrupels (d. h. vier magnetischer Erfassungselemente pro magnetischer Erfassungsvorrichtung) vier Mal kleiner als die Eingangs- und Ausgangswiderstände einer magnetischen Erfassungsvorrichtung mit einem einzelnen magnetischen Erfassungselement sind. Daher verlaufen die Stromflussrichtungen in den vier magnetischen Erfassungselementen eines Quadrupels entlang der Richtungen ψ0, ψ0+90°, ψ0+180°, ψ0+270° (mit einem beliebigen Winkel ψ0), wobei ein Versatz(= Nullpunkt)fehler des Quadrupels im Durchschnitt kleiner als ein Versatzfehler ist, der sich aus der Verwendung von nur einem magnetischen Erfassungselement pro magnetischer Erfassungsvorrichtung ergibt.
4 zeigt eine alternative Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 401 bis 403, die sich auf dem Lesekreis 204 befinden. Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 401 bis 403 sind auf dem Siliziumchip 205 platziert. Die Schwerpunkte der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 401 bis 403 sind gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt. Die magnetische Erfassungsvorrichtung 401 ist um 120° gegen die magnetische Erfassungsvorrichtung 402 gedreht und die magnetische Erfassungsvorrichtung 403 ist um 240° gegen die magnetische Erfassungsvorrichtung 402 gedreht.
Jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 401 bis 403 umfasst vier magnetische Erfassungselemente. Zum Beispiel umfasst die magnetische Erfassungsvorrichtung 401 die magnetischen Erfassungselemente 404 bis 407, die so angeordnet sind, dass ihr kombinierter Schwerpunkt auf dem Lesekreis 204 liegt.
In dem in 4 gezeigten Beispiel zeigen die magnetischen Erfassungselemente 404 bis 407 Leserichtungen (die mögliche Stromflussrichtungen anzeigen), die parallel zu der x-Achse und der y-Achse (pro magnetischem Erfassungselement) sind. Dies gilt dementsprechend für die magnetischen Erfassungselemente der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 402 und 403. Die Anordnungen von magnetischen Erfassungselementen in der entsprechenden magnetischen Erfassungsvorrichtung 401 bis 403 sind im Wesentlichen identisch, d. h. die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 401 bis 403 können einander durch eine Übersetzung ohne Drehung zugeordnet werden.
5 zeigt eine alternative Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 501 bis 503, deren Schwerpunkte sich auf dem Lesekreis 204 befinden. Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 501 bis 503 sind auf dem Siliziumchip 205 platziert. Die Schwerpunkte der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 501 bis 503 sind gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt.
Jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 501 bis 503 umfasst vier magnetische Erfassungselemente. Zum Beispiel umfasst die magnetische Erfassungsvorrichtung 501 die magnetischen Erfassungselemente 504 bis 507, wobei die Schwerpunkte der entsprechenden Erfassungselemente 504 bis 507 an den Ecken eines Quadrats liegen, und wobei der Schwerpunkt dieses Quadrats auf dem Lesekreis 204 liegt. Im Gegensatz zu der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Quadrate von 5 gedreht, d. h. das Quadrat der Magnetsensorvorrichtung 501 ist um 120° gegen das Quadrat der Magnetsensorvorrichtung 502 gedreht, und das Quadrat der Magnetsensorvorrichtung 503 ist um 240° gegen das Quadrat der Magnetsensorvorrichtung 502 gedreht.
Die magnetischen Erfassungselemente 504 bis 507 zeigen jedoch Leserichtungen (die mögliche Stromflussrichtungen anzeigen), die parallel zu der x-Achse und der y-Achse (pro magnetischem Erfassungselement) sind. Dies gilt dementsprechend für die magnetischen Erfassungselemente der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 502 und 503.
6 zeigt eine alternative Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 601 bis 603, deren Schwerpunkte sich auf dem Lesekreis 204 befinden. Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 601 bis 603 sind auf dem Siliziumchip 205 platziert. Die Schwerpunkte der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 601 bis 603 sind gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt.
Jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 601 bis 603 umfasst vier magnetische Erfassungselemente. Zum Beispiel umfasst die magnetische Erfassungsvorrichtung 601 die magnetischen Erfassungselemente 604 bis 607, wobei die Schwerpunkte der Erfassungselemente 604 bis 607 an den Ecken eines Quadrats liegen, und wobei der Schwerpunkt dieses Quadrats auf dem Lesekreis 204 liegt. Das Quadrat der magnetischen Erfassungsvorrichtung 601 ist um 120° gegen das Quadrat der magnetischen Erfassungsvorrichtung 602 gedreht und das Quadrat der magnetischen Erfassungsvorrichtung 603 ist um 240° gegen das Quadrat der magnetischen Erfassungsvorrichtung 602 gedreht.
Die magnetischen Erfassungselemente, die sich an den Ecken der Quadrate befinden, sind ebenfalls um denselben Betrag wie das Quadrat selbst gedreht. Dies gilt dementsprechend für die Magnetsensorelemente der Magnetsensorvorrichtungen 601 und 603.
In den in 4, 5 und 6 gezeigten Ausführungsformen umfasst jede Magnetsensorvorrichtung vier magnetische Erfassungselemente, die an den Ecken eines Quadrats angeordnet sind, wobei die Ecke des Quadrats dem Schwerpunkt des entsprechenden Magnetsensorelements entspricht. Es ist auch eine Option, dass die vier Magnetsensorelemente einer Magnetsensorvorrichtung im Wesentlichen auf einer geraden Linie (tangential auf dem Lesekreis 204) oder auf dem Lesekreis 204 angeordnet sind. Dies wird im Nachfolgenden dargestellt.
7 zeigt eine Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 701 bis 703, wobei jede magnetische Erfassungsvorrichtung vier magnetische Erfassungselemente umfasst, die auf einer geraden Linie angeordnet sind. Diese gerade Linie ist tangential auf dem Lesekreis 204 angeordnet, so dass der Schwerpunkt der entsprechenden magnetischen Erfassungsvorrichtung 701 bis 703 (oder die Mitte der vier Magnetsensorelemente) den Lesekreis 204 berührt.
Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 701 bis 703 sind auf dem Siliziumchip 205 platziert. Die Schwerpunkte der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 701 bis 703 sind gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt.
Die magnetische Erfassungsvorrichtung 701 umfasst die magnetischen Erfassungselemente 704 bis 707, wobei die Zentren der magnetischen Erfassungselemente 704 bis 707 auf einer geraden Linie angeordnet sind, und die magnetischen Erfassungselemente 704 bis 707 die gleiche Ausrichtung (Drehung) aufweisen. Dies gilt dementsprechend für jeden Satz von Magnetsensorelementen pro Magnetsensorvorrichtung 702 und 703.
Die Magnetsensorelemente 704 bis 707 der Magnetsensorvorrichtung 701 sind um 120° gegen die Magnetsensorelemente der Magnetsensorvorrichtung 702 gedreht und die Magnetsensorelemente der Magnetsensorvorrichtung 703 sind um 240° gegen die Magnetsensorelemente der Magnetsensorvorrichtung 702 gedreht.
8 zeigt eine Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 801 bis 803, wobei jede magnetische Erfassungsvorrichtung vier magnetische Erfassungselemente umfasst, die auf einer geraden Linie angeordnet sind. Diese gerade Linie ist tangential auf dem Lesekreis 204 angeordnet, so dass der Schwerpunkt der entsprechenden magnetischen Erfassungsvorrichtung 801 bis 803 (oder die Mitte der vier Magnetsensorelemente) den Lesekreis 204 berührt.
Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 801 bis 803 sind auf dem Siliziumchip 205 platziert. Die Schwerpunkte der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 801 bis 803 sind gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt.
Die magnetische Erfassungsvorrichtung 801 umfasst die magnetischen Erfassungselemente 804 bis 807, wobei die Zentren der magnetischen Erfassungselemente 804 bis 807 auf einer geraden Linie angeordnet sind, und die magnetischen Erfassungselemente 804 bis 807 die gleiche Ausrichtung (Drehung) aufweisen. Im Gegensatz zu der in 7 gezeigten Ausführungsform weisen die magnetischen Erfassungselemente aller magnetischen Erfassungsvorrichtungen 801 bis 803 die gleiche Ausrichtung auf und zeigen keine Drehung. In dem Beispiel von 8 sind die Leserichtungen (die mögliche Stromflussrichtungen anzeigen) aller magnetischen Erfassungselemente parallel zu der x-Achse und der y-Achse.
9 zeigt eine Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 901 bis 903, wobei jede magnetische Erfassungsvorrichtung vier magnetische Erfassungselemente umfasst. Im Gegensatz zu der in 8 gezeigten Ausführungsform sind die vier magnetischen Erfassungselemente jeder magnetischen Erfassungsvorrichtung nicht auf einer geraden Linie angeordnet, sondern auf dem Lesekreis 204. Insbesondere sind die Schwerpunkte der magnetischen Erfassungselemente auf dem Lesekreis 204 angeordnet.
10 zeigt eine Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 1001 bis 1003, wobei jede magnetische Erfassungsvorrichtung vier magnetische Erfassungselemente umfasst, die auf einer geraden Linie angeordnet sind. Diese gerade Linie ist senkrecht zu der Tangente angeordnet, die den Lesekreis 204 berührt, so dass der Schwerpunkt der entsprechenden magnetischen Erfassungsvorrichtung 1001 bis 1003 (oder die Mitte der vier Magnetsensorelemente) den Lesekreis 204 berührt.
Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 1001 bis 1003 sind auf dem Siliziumchip 205 platziert. Die Schwerpunkte der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 1001 bis 1003 sind gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt.
Die magnetische Erfassungsvorrichtung 1001 umfasst die magnetischen Erfassungselemente 1004 bis 1007, wobei die Zentren der magnetischen Erfassungselemente 1004 bis 1007 auf einer geraden Linie angeordnet sind, und die magnetischen Erfassungselemente 1004 bis 1007 die gleiche Ausrichtung (Drehung) aufweisen. Dies gilt dementsprechend für jeden Satz von Magnetsensorelementen pro Magnetsensorvorrichtung 1002 und 1003.
Die Magnetsensorelemente 1004 bis 1007 der Magnetsensorvorrichtung 1001 sind um 120° gegen die Magnetsensorelemente der Magnetsensorvorrichtung 1002 gedreht und die Magnetsensorelemente der Magnetsensorvorrichtung 1003 sind um 240° gegen die Magnetsensorelemente der Magnetsensorvorrichtung 1002 gedreht.
11 zeigt eine Anordnung umfassend drei magnetische Erfassungsvorrichtungen 1101 bis 1103, wobei jede magnetische Erfassungsvorrichtung vier magnetische Erfassungselemente umfasst, die auf einer geraden Linie angeordnet sind. Diese gerade Linie ist senkrecht zu der Tangente angeordnet, die den Lesekreis 204 berührt, so dass der Schwerpunkt der entsprechenden magnetischen Erfassungsvorrichtung 1101 bis 1103 (oder die Mitte der vier Magnetsensorelemente) den Lesekreis 204 berührt.
Die magnetischen Erfassungsvorrichtungen 1101 bis 1103 sind auf dem Siliziumchip 205 platziert. Die Schwerpunkte der magnetischen Erfassungsvorrichtungen 1101 bis 1103 sind gleichmäßig auf dem Lesekreis 204 verteilt.
Die magnetische Erfassungsvorrichtung 1101 umfasst die magnetischen Erfassungselemente 1104 bis 1107, wobei die Zentren der magnetischen Erfassungselemente 1104 bis 1107 auf einer geraden Linie angeordnet sind, und die magnetischen Erfassungselemente 1104 bis 1107 die gleiche Ausrichtung (Drehung) aufweisen. Im Gegensatz zu der in 10 gezeigten Ausführungsform weisen die magnetischen Erfassungselemente aller magnetischen Erfassungsvorrichtungen 1101 bis 1103 die gleiche Ausrichtung auf und zeigen keine Drehung zwischen sich. In dem Beispiel von 11 sind die Leserichtungen (die mögliche Stromflussrichtungen anzeigen) aller magnetischen Erfassungselemente parallel zu der x-Achse und der y-Achse.
Die obigen Ausführungsformen zeigen beispielhaft vier Magnetsensorelemente pro Magnetsensorvorrichtung. Es ist ebenfalls eine Option, dass, z. B., zwei oder mehr als vier Magnetsensorelemente pro Magnetsensorvorrichtung verwendet werden.
Hier beschriebene Ausführungsformen können insbesondere jede Art von magnetischem Erfassungselement nutzen, das empfindlich für die z-Komponente des Magnetfelds ist. Zum Beispiel können Hall-Platten oder MAG-FETs in Verbindung mit den hier beschriebenen Gestaltungstopologien verwendet werden.
Bestimmen der Drehung (Winkel):
Im Folgenden ist gezeigt, wie der Drehwinkel durch drei Magnetsensorvorrichtungen bestimmt werden kann. Diese Magnetsensorvorrichtungen können wie oben beschrieben angeordnet sein.
Der Winkel φ kann wie folgt in einem System mit drei Magnetsensorvorrichtungen als ganzzahliges Vielfaches von 120° bestimmt werden: $S (φ) = B_{z} (φ + 0 °) + B_{z} (φ + 120 °) \times exp (2 π i / 3) + B_{z} (φ + 240 °) \times exp (4 π i / 3),$
wobei die z-Komponente Bz des Magnetfelds in einem Koordinatensystem gemessen wird, das an dem Magneten fixiert ist.
Der reelle Teil beträgt $Re {S} = B_{z} (0 °) - \frac{B_{z} (120 °) + B_{z} (240 °)}{2}$
und der imaginäre Teil beträgt $Im {S} = \frac{\sqrt{3}}{2} (B_{z} (120 °) - B_{z} (240 °))$
Somit wird der Drehwinkel φ bestimmt durch $φ = {arctan}_{2} (R e (S), I m (S)) .$
Es wird angemerkt, dass die Arkusfunktion über 360° nicht ohne Ambiguität ist. Die Arkusfunktion gilt nur im Bereich von -90° bis +90°. In den verwendeten Beispielen kann ein Bereich von -180° bis +180° vorzuziehen sein. Dies kann über die Funktion Arkus₂(x,y) erreicht werden, was identisch mit Arkus(y/x) ist, wenn x≥0. Bei x<0 gilt jedoch Folgendes: ${arctan}_{2} (x, y) = arctan \frac{y}{x} - π,$
angegeben in Radians (rad).
Die vorgestellte Lösung ist insbesondere robust gegen dritte und fünfte Harmonische des Magnetfelds, wodurch ein stabiler Weg zum Bestimmen des Drehwinkels bereitgestellt wird.
Die Techniken dieser Offenbarung können in einer breiten Vielfalt von Vorrichtungen oder Einrichtungen implementiert sein, einschließlich eines drahtlosen Handapparats, einer integrierten Schaltung (Integrated Circuit, IC) oder eines Satzes von ICs (z. B. eines Chip-Sets). Verschiedene Komponenten, Module oder Einheiten werden in dieser Offenbarung beschrieben, um funktionale Aspekte von Vorrichtungen zu betonen, die dafür ausgelegt sind, die offenbarten Techniken durchzuführen, aber nicht notwendigerweise eine Realisierung durch verschiedene Hardwareeinheiten erfordern. Eher können, wie oben beschrieben, verschiedene Einheiten in einer einzelnen Hardwareeinheit kombiniert oder durch eine Ansammlung von interoperativen Hardwareeinheiten bereitgestellt werden, einschließlich, wie oben beschrieben, eines oder mehrerer Prozessoren zusammen mit geeigneter Software und/oder Firmware.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart wurden, wird für Fachleute ersichtlich sein, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die einige der Vorteile der Erfindung erreichen werden, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es wird für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen durchführen, geeignet ersetzt werden können. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die mit Bezugnahme auf eine spezielle Figur erklärt wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in jenen Fällen, in denen dies nicht ausdrücklich erwähnt wurde. Ferner können die Verfahren der Erfindung entweder in allen Softwareimplementierungen unter Verwendung der geeigneten Prozessoranweisungen oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination von Hardwarelogik und Softwarelogik nutzen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, erreicht werden. Solche Modifikationen des erfindungsgemäßen Konzepts sollen durch die angehängten Ansprüche abgedeckt sein.

Claims

Magnetisches Winkelerfassungssystem umfassend - eine erste magnetische Erfassungsvorrichtung, - eine zweite magnetische Erfassungsvorrichtung, - eine dritte magnetische Erfassungsvorrichtung, - ein Substrat umfassend die erste magnetische Erfassungsvorrichtung, die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung und die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung, - wobei die erste magnetische Erfassungsvorrichtung, die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung und die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung jeweils so angeordnet sind, dass sie auf eine Magnetfeldkomponente reagieren, die senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats ist, - wobei jede der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung, der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung die gleiche Anzahl von magnetischen Erfassungselementen umfasst, - wobei die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche hinsichtlich der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° im Uhrzeigersinn um einen Referenzpunkt gedreht angeordnet ist, - wobei die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche hinsichtlich der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° gegen den Uhrzeigersinn um den Referenzpunkt gedreht angeordnet ist, - wobei mehrere magnetische Erfassungselemente von mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen die gleiche Ausrichtung und Drehung aufweisen.
Magnetisches Winkelerfassungssystem nach Anspruch 1, bei dem sich der Referenzpunkt auf einer Oberfläche der Halbleitervorrichtung befindet, wobei der Referenzpunkt auch auf einer Drehachse einer Magnetfeldquelle liegt, die an einer drehbaren Welle befestigt ist.
Magnetisches Winkelerfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei dem die zweite magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche angeordnet ist, wobei ihr Schwerpunkt hinsichtlich des Schwerpunktes der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° im Uhrzeigersinn um den Referenzpunkt gedreht angeordnet ist, und - bei dem die dritte magnetische Erfassungsvorrichtung auf der Halbleiteroberfläche angeordnet ist, wobei ihr Schwerpunkt hinsichtlich des Schwerpunktes der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung um 120° gegen den Uhrzeigersinn um den Referenzpunkt gedreht angeordnet ist.
Magnetisches Winkelerfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die magnetischen Erfassungselemente der magnetischen Erfassungsvorrichtungen in der gleichen Weise wie ihre zugehörige magnetische Erfassungsvorrichtung gedreht sind.
Magnetisches Winkelerfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die magnetischen Erfassungselemente mindestens eines der Folgenden sind: eine Hall-Platte oder ein MAG-FET.
Magnetisches Winkelerfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen ein magnetisches Erfassungselement, zwei magnetische Erfassungselemente oder vier magnetische Erfassungselemente umfasst.
Magnetisches Winkelerfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die magnetischen Erfassungselemente einer magnetischen Erfassungsvorrichtung in einer rechteckigen Form, auf einer geraden Linie oder auf einem Lesekreis angeordnet sind.
Magnetisches Winkelerfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die magnetischen Erfassungselemente der jeweiligen magnetischen Erfassungsvorrichtung über eine Verbindungsschicht parallel verbunden sind.
Winkelsensordetektionssystem, - umfassend mehrere magnetische Erfassungsvorrichtungen, die auf einem Substrat angeordnet sind, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen empfänglich für das Erfassen einer Magnetfeldkomponente ist, die senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats ist, - wobei die mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen an drei unterschiedlichen und gleichabständigen Stellen auf einem Lesekreis angeordnet sind, - wobei sich die azimutalen Koordinaten der magnetischen Erfassungsvorrichtungen um 120° voneinander unterscheiden, - umfassend eine Verarbeitungseinheit, die angeordnet ist, um - ein erstes Signal zu bestimmen, das proportional zu einer Differenz der von der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist, - ein zweites Signal zu bestimmen, das proportional zu einer Differenz der von der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist, - einen Drehwinkel basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal zu bestimmen, wobei das Bestimmen des Drehwinkels ferner die folgenden Schritte umfasst: - Bestimmen des Drehwinkels mithilfe eines Zeigers in einer (Sx,Sy)-Ebene, wobei Sx eine Koordinate ist, die proportional zu dem ersten Signal ist, und wobei Sy eine Koordinate ist, die proportional zu einer gewichteten Summe des zweiten Signals und des dritten Signals ist, - wobei der Drehwinkel ein Winkel zwischen dem Zeiger und einer Richtung entlang der Sx-Koordinate oder einer Richtung entlang der Sy-Koordinaten ist.
Winkelsensordetektionssystem nach Anspruch 9, bei dem die Verarbeitungseinheit ferner angeordnet ist, um - ein drittes Signal zu bestimmen, das proportional zu einer Differenz der von der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist, - den Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal zu bestimmen.
Winkelsensordetektionssystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem die von den magnetischen Erfassungsvorrichtungen erfasste Magnetfeldkomponente parallel zu einer Drehachse ist, wobei eine Welle drehbar um die Drehachse angeordnet ist, und wobei eine Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist.
Winkelsensordetektionssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der Drehwinkel ein Winkel zwischen dem Zeiger und der Richtung entlang der Sx- oder Sy-Koordinaten plus einer beliebigen Konstante ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Drehwinkels einer Welle, - wobei die Welle drehbar um eine Drehachse angeordnet ist, und wobei eine Magnetfeldquelle mit der Welle verbunden ist, - umfassend mehrere magnetische Erfassungsvorrichtungen, die auf einem Substrat angeordnet sind, wobei jede der magnetischen Erfassungsvorrichtungen empfänglich für das Erfassen einer Magnetfeldkomponente der Magnetfeldquelle ist, die senkrecht zur Hauptoberfläche des Substrats ist, - wobei die mehreren magnetischen Erfassungsvorrichtungen an drei unterschiedlichen und gleichabständigen Stellen auf einem Lesekreis angeordnet sind, - wobei sich die azimutalen Koordinaten der magnetischen Erfassungsvorrichtungen um 120° voneinander unterscheiden, - wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bestimmen eines ersten Signals, das proportional zu einer Differenz der von der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist, - Bestimmen eines zweiten Signals, das proportional zu einer Differenz der von der zweiten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist, - Bestimmen eines Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal, wobei das Bestimmen des Drehwinkels ferner die folgenden Schritte umfasst: - Bestimmen des Drehwinkels mithilfe eines Zeigers in einer (Sx,Sy)-Ebene, wobei Sx eine Koordinate ist, die proportional zu dem ersten Signal ist, und wobei Sy eine Koordinate ist, die proportional zu einer gewichteten Summe des zweiten Signals und des dritten Signals ist, - wobei der Drehwinkel ein Winkel zwischen dem Zeiger und einer Richtung entlang der Sx-Koordinate oder einer Richtung entlang der Sy-Koordinaten ist.
Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: - Bestimmen eines dritten Signals, das proportional zu einer Differenz der von der dritten magnetischen Erfassungsvorrichtung und der ersten magnetischen Erfassungsvorrichtung bereitgestellten Magnetfeldkomponenten ist, - Bestimmen des Drehwinkels basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal.
Ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung ladbar ist, umfassend Softwarecodeteile zum Durchführen der Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
Ein computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen, die dazu eingerichtet sind, ein Computersystem zum Durchführen der Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 oder 14 zu veranlassen.