DE102018005676A1

DE102018005676A1 - Hall-Sensor und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102018005676A1
Application number: DE102018005676.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Baumann; David Muthers; Thomas Desel
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-01-23
Also published as: US20200025842A1; US11397223B2; JP7280135B2; JP2020020792A; CN110736945A

Abstract

Ein Hall-Sensor (1) hat ein Hall-Sensorelement (2), das mehrere voneinander beabstandete Anschlussstellen (3A, 3B, 3C, 3D) aufweist. Eine Versorgungsquelle (7) dient zum Einspeisen eines Erreger-Stroms in das Hall-Sensorelement (2) und ist mit einer ersten und einer zweiten Anschlussstelle (3A, 3B) des Hall-Sensorelements (2) verbunden. Der Hall-Sensor (1) hat eine erste und eine zweite Vergleichseinrichtung (13, 18). Die erste Vergleichseinrichtung (13) hat einen mit einer dritten Anschlussstelle (3C) des Hall-Sensorelements (2) verbundenen ersten Eingang (14), einen mit einem Referenzsignalgeber (15) für ein oberes Referenzwertsignal verbundenen zweiten Eingang (16) und einen Ausgang (17) für ein erstes Vergleichssignal. Die zweite Vergleichseinrichtung (18) hat einen mit der dritten Anschlussstelle (3C) verbundenen dritten Eingang (19), einen mit einem Referenzsignalgeber (20) für ein unteres Referenzwertsignal verbundenen vierten Eingang (21) und einen Ausgang (22) für ein zweites Vergleichssignal. Die Ausgänge (17, 22) sind mit einer Auswerteeinrichtung (47) zum Erzeugen eines vom ersten und zweiten Vergleichssignal abhängigen Fehlersignals verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hall-Sensors, welches folgende Schritte aufweist:

a) Bereitstellen eines Hall-Sensors, der ein Hall-Sensorelement mit mehreren voneinander beabstandeten Anschlussstellen aufweist, und Bereitstellen einer Strom- oder Spannungs-Versorgungsquelle, die Versorgungsanschlüsse zum Ausgeben eines Versorgungsstroms oder einer Versorgungsspannung hat,
b) Verbinden einer ersten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements mit einem ersten Versorgungsanschluss und Verbinden einer zweiten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements mit einem zweiten Versorgungsanschluss, um die Versorgungsspannung an das Hall-Sensorelement anzulegen oder den

Versorgungsstrom durch das Hall-Sensorelement hindurchzuleiten. Außerdem betrifft die Erfindung einen Hall-Sensor mit einem Hall-Sensorelement, das mehrere voneinander beabstandete Anschlussstellen aufweist, mit einer Strom- oder Spannungs-Versorgungsquelle, die einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Ausgeben eines Versorgungsstroms oder einer Versorgungsspannung hat, wobei der erste Versorgungsanschluss zum Einspeisen eines Stroms in das Hall-Sensorelement mit einer ersten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements und der zweite Versorgungsanschluss mit einer zweiten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements verbunden oder verbindbar ist.
Ein derartiger Hall-Sensor und ein derartiges Verfahren sind aus DE 102 04 427 B4 bekannt. Der Hall-Sensor hat ein etwa plattenförmiges Hall-Sensorelement, das an seinem Rand mehrere, in Umfangsrichtung zueinander beabstandete Anschlussstellen aufweist. Die Anschlussstellen sind derart in gleichmäßigen Winkelabständen in Bezug zu einem Zentrum versetzt, dass jeweils zwei Anschlussstellen diametral einander gegenüberliegen. Wenn in das Hall-Sensorelement durch Verbinden von zwei diametral einander gegenüberliegenden Anschlussstellen mit den Versorgungsanschlüssen einer Strom- oder Spannungs-Versorgungsquelle ein Erreger-Strom eingespeist wird und das Hall-Sensorelement quer zu seiner Plattenebene von einer magnetischen Flussdichte durchsetzt wird, wirkt auf die bewegten Elektronen des Stroms die Lorenzkraft, welche die Elektronen quer zu ihrer Bewegungsrichtung in der Plattenebene ablenkt. Hierdurch baut sich quer zur Stromrichtung ein elektrisches Feld im Hall-Sensorelement auf, das zwischen den Anschlussstellen, die nicht mit den Versorgungsanschlüssen verbunden sind, als elektrische Spannung abgreifbar ist. Diese Spannung wird als Hall-Spannung bezeichnet.
In der praktischen Anwendung von Hall-Sensoren ist die Hall-Spannung jedoch von einer unerwünschten Offsetspannung überlagert. Hall-Sensorelemente werden in der Regel zusammen mit der Versorgungsquelle und einer Elektronik zur Signalverarbeitung als integrierte Schaltung hergestellt sowie auf einem Chipträger und in ein Gehäuse aus Kunststoff montiert. Aufgrund von Produktionstoleranzen und bei der Montage können mechanische Spannungen im Halbleiterkristall auftreten, welche die Offsetspannung verursachen können.
Zur Kompensation der Offset-Spannungen wird bei dem aus DE 102 04 427 B4 bekannten Verfahren das sogenannte Spinning-Hall-Prinzip eingesetzt. Dabei wird der Erreger-Strom in unterschiedliche Richtungen durch das Hall-Sensorelement hindurch geleitet und es wird der Mittelwert über die gemessenen Spannungen gebildet.
Obwohl sich der aus DE 102 04 427 B4 bekannte Hall-Sensor und das daraus bekannte Verfahren in der Praxis in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt haben, sind diese dennoch verbesserungswürdig. So sind aufgrund der ständig wachsenden Anzahl von beispielsweise in Kraftfahrzeugen verbauten Hall-Sensoren die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Hallsensoren gestiegen. Der Ausfall nur eines einzigen Hall-Sensors kann nämlich bereits zu einer Fehlfunktion des Kraftfahrzeugs führen, wenn der Fehler nicht erkannt und gegebenenfalls durch entsprechende Maßnahmen kompensiert wird.
Es besteht deshalb die Aufgabe, einen Hall-Sensor der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben eines Hall-Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, die es ermöglichen, eventuelle, während des Betriebs des Hall-Sensors auftretende Fehler auf einfache Weise zu detektieren und zur Anzeige zu bringen.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese sehen zusätzlich zu den eingangs genannten Schritten a) und b) folgende weitere Schritte vor:

c) Bereitstellen eines unteren Referenzwerts und eines oberen Referenzwerts für eine an einer dritten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements anliegende Spannung,
d) Erfassen eines ersten Spannungswerts für diese Spannung,
e) Vergleichen des ersten Spannungswerts mit dem unteren Referenzwert und dem oberen Referenzwert,
f) Erzeugen eines Fehlersignals in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche.

In vorteilhafter Weise wird also ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Spannung an der dritten Anschlussstelle außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt und somit nicht plausibel ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Spannung an der dritten Anschlussstelle im Wesentlichen durch die von der Versorgungsquelle zwischen die erste und zweite Anschlussstelle angelegte Spannung bzw. den über diese Anschlussstelle durch das Hall-Sensorelement geleiteten Erreger-Strom beeinflusst wird und dass der Einfluss der Hall-Spannung auf den ersten Spannungswert nur gering ist. Der Abstand zwischen dem unteren und oberen Referenzwert wird also größer gewählt, als die größte, normalerweise zu erwartende Hallspannung.
Das Fehlersignal wird insbesondere erzeugt, wenn die elektrische Verbindung zwischen der dritten Anschlussstelle und einer zur Erfassung des ersten Spannungswerts dienenden Messeinrichtung gestört ist, beispielsweise eine Unterbrechung und/oder einen Schluss zu einer ein anderes Potential führenden Leitung aufweist und/oder wenn der Erreger-Strom nicht oder mit einer falschen Stromstärke durch das Hall-Sensorelement geleitet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden folgende weitere Schritte durchgeführt:

a) Erfassen eines zweiten Spannungswerts für eine an einer vierten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements anliegende Spannung,
b) Vergleichen des zweiten Spannungswerts mit dem unteren Referenzwert und dem oberen Referenzwert,
c) Erzeugen des Fehlersignals in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden folgende weitere Schritte durchgeführt:

a) Erfassen eines dritten Spannungswerts für eine an der ersten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements anliegende Spannung,
b) Vergleichen des dritten Spannungswerts mit dem unteren Referenzwert und dem oberen Referenzwert,
c) Erzeugen des Fehlersignals in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche.

Bei einer zweckmäßigerweise Ausführungsform der Erfindung werden folgende weitere Schritte durchgeführt:

a) Erfassen eines vierten Spannungswerts für eine an einer zweiten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements anliegende Spannung,
b) Vergleichen des vierten Spannungswerts mit dem unteren Referenzwert und dem oberen Referenzwert,
c) Erzeugen des Fehlersignals in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die in Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte b), d), e) und f) und gegebenenfalls die in Anspruch 2 und/oder Anspruch 3 und/oder Anspruch 4 genannten Verfahrensschritte mehrmals durchlaufen, wobei bei dem zweiten und gegebenenfalls jedem weiteren Durchlauf die Anschlussstellen des Hall-Sensorelements jeweils vorzugsweise zyklisch vertauscht werden. Dabei ist die Anzahl der Durchläufe bevorzugt mindestens so groß wie die Anzahl der Anschlussstellen des Hall-Sensors. Dabei ist es sogar möglich, den ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Spannungswert offset-kompensiert zu erfassen, also eventuell darin enthaltene Offset-Spannungen herauszurechnen. Es ist aber auch denkbar, die Offset-Kompensation bei der Erfassung dieser Spannungswerte außer Betracht zu lassen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in an sich bekannter Weise die Spannung zwischen der dritten und der vierten Anschlussstelle des Hall-Sensorelements gemessen werden, um die Hall-Spannung zu bestimmen. Bei der Messung der Hall-Spannung wird bevorzugt das Spinning-Hall-Prinzip eingesetzt, um eventuelle, im Messsignal enthaltene Offset-Spannungen zu kompensieren.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird bezüglich des Hall-Sensors der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Hall-Sensor eine erste Vergleichseinrichtung hat, die einen mit der dritten Anschlussstelle verbundenen ersten Eingang, einen mit einem Referenzsignalgeber für ein oberes Referenzwertsignal verbundenen zweiten Eingang und einen Ausgang für ein erstes Vergleichssignal hat, dass der Hall-Sensor eine zweite Vergleichseinrichtung hat, die einen mit der dritten Anschlussstelle verbundenen dritten Eingang, einen mit einem Referenzsignalgeber für ein unteres Referenzwertsignal verbundenen vierten Eingang und einen Ausgang für ein zweites Vergleichssignal hat, und dass die Ausgänge der ersten und zweiten Vergleichseinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines vom ersten und zweiten Vergleichssignal abhängigen Fehlersignals verbunden sind.
Somit ermöglicht es der Hall-Sensor, ein Fehlersignal zu erzeugen, wenn die Spannung an der dritten Anschlussstelle außerhalb eines durch die Referenzwertsignal vorgegebenen Bereichs liegt und somit nicht plausibel ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Spannung an der dritten Anschlussstelle im Wesentlichen durch die von der Versorgungsquelle zwischen die erste und zweite Anschlussstelle angelegte Spannung bzw. den über diese Anschlussstelle durch das Hall-Sensorelement geleiteten Erreger-Strom beeinflusst wird und dass der Einfluss der Hall-Spannung auf den ersten Spannungswert vernachlässigbar ist. Das Fehlersignal kann insbesondere erzeugt werden, wenn die elektrische Verbindung zwischen der dritten Anschlussstelle und einer zur Erfassung des ersten Spannungswerts dienenden Messeinrichtung gestört ist, beispielsweise eine Unterbrechung und/oder einen Schluss zu einer ein anderes Potential führenden Leitung aufweist und/oder wenn der Erreger-Strom auf Grund eines Fehlers nicht oder mit einer falschen Stromstärke durch das Hall-Sensorelement geleitet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hall-Sensor eine dritte Vergleichseinrichtung hat, die einen mit der vierten Anschlussstelle verbundenen fünfte Eingang, einen mit dem Referenzsignalgeber für das obere Referenzwertsignal verbundenen sechsten Eingang und einen Ausgang für ein drittes Vergleichssignal hat, dass der Hall-Sensor eine vierte Vergleichseinrichtung hat, die einen mit der vierten Anschlussstelle verbundenen siebten Eingang, einen mit dem Referenzsignalgeber für das untere Referenzwertsignal verbundenen achten Eingang und einen Ausgang für ein viertes Vergleichssignal hat, und dass die Ausgänge der dritten und vierten Vergleichseinrichtung mit der Auswerteeinrichtung verbunden und die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Fehlersignal auch vom dritten und vierten Vergleichssignal abhängig ist. Hierdurch kann das Fehlersignal auch dann erzeugt werden, wenn die elektrische Verbindung zwischen der vierten Anschlussstelle und dem fünften und/oder siebten Eingang gestört ist, beispielsweise eine Unterbrechung und/oder einen Schluss zu einer ein anderes Potential führenden Leitung aufweist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der Hall-Sensor eine fünfte Vergleichseinrichtung, die einen mit der ersten Anschlussstelle verbundenen neunten Eingang, einen mit dem Referenzsignalgeber für das obere Referenzwertsignal verbundenen zehnten Eingang und einen Ausgang für ein fünftes Vergleichssignal hat, dass der Hall-Sensor eine sechste Vergleichseinrichtung hat, die einen mit der ersten Anschlussstelle verbundenen elften Eingang, einen mit dem Referenzsignalgeber für das untere Referenzwertsignal verbundenen zwölften Eingang und einen Ausgang für ein sechstes Vergleichssignal hat, und dass die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Fehlersignal auch vom fünften und sechsten Vergleichssignal abhängig ist. Hierdurch kann das Fehlersignal auch dann erzeugt werden, wenn das von der Versorgungsquelle an die erste Anschlussstelle angelegte Potential einen unzulässigen Wert hat und somit ein Erreger-Strom mit einem falschen Wert durch das Hall-Sensorelement oder sogar gar kein Erreger-Strom durch das Hall-Sensorelement hindurch geleitet wird.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung hat der Hall-Sensor eine siebte Vergleichseinrichtung, die einen mit der zweiten Anschlussstelle verbundenen dreizehnten Eingang, einen mit dem Referenzsignalgeber für das obere Referenzwertsignal verbundenen vierzehnten Eingang und einen Ausgang für ein siebtes Vergleichssignal hat, dass der Hall-Sensor eine achte Vergleichseinrichtung hat, die einen mit der zweiten Anschlussstelle verbundenen fünfzehnten Eingang, einen mit dem Referenzsignalgeber für das untere Referenzwertsignal verbundenen sechzehnten Eingang und einen Ausgang für ein achtes Vergleichssignal hat, und dass die Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Fehlersignal auch vom siebten und achten Vergleichssignal abhängig ist. Auch durch diese Maßnahme können Fehler bei der Bestromung des Hall-Sensorelements mit dem Erregerstrom erkannt werden, beispielsweise wenn aufgrund eines Kontaktierungsfehlers zwischen einem Versorgungsanschluss und der zweiten Anschlussstelle kein Erreger-Strom durch das Hall-Sensorelement hindurch geleitet wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist der Hall-Sensor eine mit der Versorgungsquelle verbundene, mit einer Steuereinrichtung in Steuerverbindung stehende Schalteinrichtung aufweist, die derart ausgestaltet ist,

a) dass in einem ersten Betriebszustand
- - der erste und dritte Eingang mit der dritten Anschlussstelle,
- - der fünfte und siebte Eingang mit der vierten Anschlussstelle,
- - der neunte und elfte Eingang mit der ersten Anschlussstelle,
- - der dreizehnte und fünfzehnte Eingang mit der zweiten Anschlussstelle, verbunden ist,
b) dass in einem zweiten Betriebszustand
- - der erste und dritte Eingang mit der vierten Anschlussstelle,
- - der fünfte und siebte Eingang mit der ersten Anschlussstelle,
- - der neunte und elfte Eingang mit der zweiten Anschlussstelle,
- - der dreizehnte und fünfzehnte Eingang mit der dritten Anschlussstelle, verbunden ist,
c) dass in einem dritten Betriebszustand
- - der erste und dritte Eingang mit der ersten Anschlussstelle,
- - der fünfte und siebte Eingang mit der zweiten Anschlussstelle,
- - der neunte und elfte Eingang mit der dritten Anschlussstelle,
- - der dreizehnte und fünfzehnte Eingang mit der vierten Anschlussstelle, verbunden ist, und
d) dass in einem vierten Betriebszustand
- - der erste und dritte Eingang mit der zweiten Anschlussstelle,
- - der fünfte und siebte Eingang mit der dritten Anschlussstelle,
- - der neunte und elfte Eingang mit der vierten Anschlussstelle,
- - der dreizehnte und fünfzehnte Eingang mit der fünften Anschlussstelle, verbunden ist,

Zum Messen einer beim Durchsetzen des Hall-Sensorelements mit einer magnetischen Flussdichte auftretenden Hall-Spannung kann der Hall-Sensor eine Messeinrichtung aufweisen, mit der eine zwischen der dritten und vierten Anschlussstelle anliegende elektrische Spannung messbar ist. Der Hall-Sensor arbeitet bevorzugt nach dem Spinning-Hall-Prinzip, um eventuelle unerwünschte Offset-Spannungen, die der Hall-Spannung überlagert sind, zu kompensieren.
Erwähnt werden soll noch, dass sowohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch bei dem erfindungsgemäßen Hall-Sensor das Hall-Sensorelement als vertikales Hall-Sensorelement oder als horizontales Hall-Sensorelement ausgestaltet sein kann. Unter einem vertikalen Hall-Sensorelement wird ein Hall-Sensorelement verstanden, das für magnetische Flussdichten empfindlich ist, die parallel zu Chipoberfläche des Halbleiterchips angeordnet sind. Unter einem horizontalen oder lateralen Hall-Sensorelement wird ein Hall-Sensorelement verstanden, das für magnetische Flussdichten empfindlich ist, die rechtwinklig zu Chipoberfläche des Halbleiterchips angeordnet sind.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 ein Blockdiagramm eines nach dem Spinning-Hall-Prinzip arbeitenden Hall-Sensors,
2 eine graphische Darstellung der gegen Massepotential gemessenen elektrischen Spannungen an den Anschlussstellen eines Hall-Sensorelements des Hall-Sensors,
3 eine Tabelle, in der elektrische Spannungen aufgelistet sind, die an Anschlussstellen C1, C2, C3, C4 des Hall-Sensorelements anliegen,
4 eine Darstellung ähnlich 2, in die Toleranzbänder und Referenzwerte T1, T2 eingezeichnet sind,
5 ein Blockdiagramm eines nach dem Spinning-Hall-Prinzip arbeitenden Hall-Sensors, der eine Überwachungseinrichtung aufweist, mittels der überprüft werden kann, ob die elektrische Spannungen an Anschlussstellen C1, C2, C3, C4 des Hall-Sensorelements innerhalb dafür vorgesehener Toleranzbänder liegen,
6 eine Tabelle, in der die bei ordnungsgemäßer Funktion des Hall-Sensors an den Anschlussstellen C1, C2, C3, C4 des Hall-Sensorelements anliegenden Spannungen mit den Referenzwerte T1, T2 verglichen werden, und
7 eine Darstellung ähnlich 6, wobei jedoch als Tabellenwerte logische Signalpegel angegeben sind, die mit Hilfe von Vergleichseinrichtungen erzeugt werden.

Ein in 1 im Ganzen mit 1 bezeichneter Hall-Sensor weist einen Halbleiterchip auf, in den ein plattenförmiges Hall-Sensorelement 2 integriert ist. Das Hall-Sensorelement 2 besteht aus einem Halbleiterwerkstoff, wie z.B. aus Silizium, und hat an seinem Rand mehrere voneinander beabstandete Anschlussstellen 3A, 3B, 3C, 3D, die bezüglich einer orthogonal zu der vom Hall-Sensorelement 2 aufgespannten Ebene angeordneten, durch ein Symmetriezentrum 4 verlaufenden, gedachten Mittelachse um 90° zueinander versetzt sind.
Die Anschlussstellen 3A, 3B, 3C, 3D sind mit einer Schalteinrichtung verbunden, die für jede Anschlussstelle 3A, 3B, 3C, 3D jeweils einen Multiplexer 5A, 5B, 5C, 5D aufweist. Ein Ausgangsanschluss jedes Multiplexers 5A, 5B, 5C, 5D ist jeweils mit einer ihm zugeordneten Anschlussstelle 3A, 3B, 3C, 3D verbunden. Jeder Multiplexer 5A, 5B, 5C, 5D hat jeweils zwei Eingänge, die mit Versorgungsanschlüssen 6A, 6B einer Strom- oder Spannungs-Versorgungsquelle 7 verbunden sind. Diese von der Versorgungsquelle 7 bereitgestellte Versorgungsspannung V_B dient zum Einspeisen eines Erreger-Stroms in das Hall-Sensorelement 2.
In einer ersten Phase der Bestromung ist ein erster Versorgungsanschluss 6A über einen ersten Multiplexer 5A mit der ersten Anschlussstelle 3A des Hall-Sensorelements 2 und der zweite Versorgungsanschluss 6B über einen zweiten Multiplexer 5B mit einer zweiten Anschlussstelle 3B des Hall-Sensorelements 2 verbunden.
In einer zweiten Phase der Bestromung ist der zweite Versorgungsanschluss 6B über einen dritten Multiplexer 5C mit einer dritten Anschlussstelle 3C des Hall-Sensorelements 2 und der erste Versorgungsanschluss 6A über einen vierten Multiplexer 5D mit einer vierten Anschlussstelle 3D des Hall-Sensorelements 2 verbunden.
In einer dritten Phase der Bestromung ist der erste Versorgungsanschluss 6A über den zweiten Multiplexer 5B mit der zweiten Anschlussstelle 3B des Hall-Sensorelements 2 und der zweite Versorgungsanschluss 6B über den ersten Multiplexer 5A mit der ersten Anschlussstelle 3A des Hall-Sensorelements 2 verbunden. Der Erreger-Strom fließt somit in der dritten Phase in die entgegengesetzte Richtung wie in der ersten Phase.
In einer vierten Phase der Bestromung ist der erste Versorgungsanschluss 6A über einen dritten Multiplexer 5C mit der dritten Anschlussstelle 3C des Hall-Sensorelements 2 und der zweite Versorgungsanschluss 6B über den vierten Multiplexer 5D mit einer vierten Anschlussstelle 3D des Hall-Sensorelements 2 verbunden. Der Erreger-Strom fließt somit in der vierten Phase in die entgegengesetzte Richtung wie in der zweiten Phase.
Zwei weitere Eingänge jedes Multiplexers 5A, 5B, 5C, 5D sind mit Eingangsanschlüssen 11, 12 einer Messeinrichtung 8 elektrisch verbunden, die zum Messen der zwischen zwei diametral einander gegenüberliegenden Anschlussstellen 3A, 3B bzw. 3C, 3D vorgesehen ist. Die Messeinrichtung 8 weist zum Digitalisieren der gemessenen Spannungen einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten Digital-/Analogkonverter auf, welcher zum Ablegen von Messwerten an einen Datenspeicher 9 angeschlossen ist. Der Datenspeicher 9 ist mit einer Auswerteeinrichtung 47 verbunden, in der die gemessenen Spannungswerte verarbeitet werden, um darin enthaltene Offsetspannungen, welche den Hall-Spannungen überlagert sind, zu kompensieren. Das Hall-Sensorelement 2 wird während der Messung der Hall-Spannung quer zu seiner Erstreckungsebene von einer magnetischen Flussdichte durchströmt, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist und beispielsweise in die Zeichenebene von 1 hineinfließen kann.
Die Multiplexer 5A, 5B, 5C, 5D haben jeweils einen Steuereingang, der mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung 10 in Steuerverbindung steht. Durch Senden eines entsprechenden Steuersignals an den Steuereingang kann der betreffende Multiplexer 5A, 5B, 5C, 5D jeweils derart konfiguriert werden, dass die am Ausgangsanschluss des Multiplexer 5A, 5B, 5C, 5D angeschlossene Anschlussstelle 3A, 3B, 3C, 3D wahl- oder wechselweise mit einem der Eingänge des Multiplexers 5A, 5B, 5C, 5D elektrisch verbunden oder von diesen getrennt ist.
In 2 sind die während des Betriebs des Hall-Sensors 1 an den einzelnen Anschlussstellen 3A, 3B, 3C, 3D gegen Massepotential anliegenden Spannungen graphisch dargestellt. In der ersten Phase liegt bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 an der ersten Anschlussstelle 3A (Spannung V_C1 ) des Hall-Sensorelements 2 die Versorgungsspannung V_B und an der an der zweiten Anschlussstelle 3B (Spannung V_C2 ) Massepotential an. Da sich das Hall-Sensorelement 2 näherungsweise wie eine Wheatstonsche Messbrücke verhält, liegt an der dritten und vierten Anschlussstelle (Spannungen V_C3 und V_C4 ) jeweils die Hälfte der Versorgungsspannung V_B gegen Masse an, wenn keine Hall-Spannung und keine Offsetspannungen vorhanden sind (3). Im praktischen Betrieb können die Spannungen an den vier Anschlussstellen 3A, 3B, 3C, 3D aufgrund der Hall-Spannung und der Offset-Spannungen etwas von diesen Werten abweichen. Dies ist in 2 durch Toleranzbänder schematisch dargestellt.
Wie in 4 zu sehen ist, ergeben sich drei Toleranzbänder, von denen sich ein unteres Toleranzband vom Massepotential bis zu einem unteren Referenzwert T1 erstreckt. Ein mittleres Toleranzband erstreckt sich vom unteren Referenzwert T1 zu einem oberen Referenzwert T2 und ein oberes Toleranzband vom oberen Referenzwert T2 bis zur Versorgungsspannung V_B . Der obere Referenzwert T2 hat den Wert (2/3)·V_B und der untere Referenzwert T1 hat den Wert (1/3)·V_B ., wobei V_B die von der Versorgungsquelle 7 bereitgestellte Versorgungsspannung ist, welche zwischen der ersten und zweiten Anschlusselle 3A, 3B anliegt.
Zum Überprüfen, ob die Spannungen innerhalb der dafür vorgesehenen Toleranzbänder liegen, weist der Hall-Sensor 1 eine Überwachungseinrichtung auf. Wie in 5 erkennbar ist, hat die Überwachungseinrichtung eine erste Vergleichseinrichtung 13, die einen mit der dritten Anschlussstelle 3C verbundenen ersten Eingang 14, einen mit einem ersten Anschluss eines Referenzsignalgebers 15 für ein oberes Referenzwertsignal verbundenen zweiten Eingang 16 und einen Ausgang 17 für ein erstes Vergleichssignal. Ein zweiter Anschluss des Referenzsignalgebers 15 liegt auf Massepotential. Wie sich aus 6 ergibt, muss bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 die Spannung an der dritten Anschlussstelle 3C in Phase 1 kleiner sein als der obere Referenzwert T2. Dies wird mit Hilfe der ersten Vergleichseinrichtung 13 überprüft. Falls das Vergleichsergebnis hiermit nicht übereinstimmt, also den logischen Wert „1“ (7) ergibt, wird ein Fehlersignal erzeugt.
Außerdem hat der Hall-Sensor 1 eine zweite Vergleichseinrichtung 18, die einen mit der dritten Anschlussstelle verbundenen dritten Eingang 19, einen mit einem ersten Anschluss eines Referenzsignalgeber 20 für ein unteres Referenzwertsignal verbundenen vierten Eingang 21 und einen Ausgang 22 für ein zweites Vergleichssignal aufweist. Ein zweiter Anschluss des Referenzsignalgebers 20 liegt auf Massepotential. Wie sich aus 6 ergibt, muss bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 die Spannung an der dritten Anschlussstelle 3C in Phase 1 größer sein als der untere Referenzwert T1. Dies wird mit Hilfe der zweiten Vergleichseinrichtung 18 überprüft. Falls das Vergleichsergebnis hiermit nicht übereinstimmt, also den logischen Wert „0“ (7) ergibt, wird das Fehlersignal erzeugt.
Eine dritte Vergleichseinrichtung 23 hat einen mit der vierten Anschlussstelle 3D verbundenen fünften Eingang 24, einen mit dem Referenzsignalgeber 15 für das obere Referenzwertsignal verbundenen sechsten Eingang 25 und einen Ausgang 26 für ein drittes Vergleichssignal. Wie sich 6 entnehmen lässt, muss bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 die Spannung an der vierten Anschlussstelle 3D in Phase 1 kleiner sein als der obere Referenzwert T2. Dies wird mit Hilfe der dritten Vergleichseinrichtung 23 überprüft. Falls das Vergleichsergebnis hiermit nicht übereinstimmt, also den logischen Wert „1“ (7) ergibt, wird das Fehlersignal erzeugt.
Eine vierte Vergleichseinrichtung 27 des Hall-Sensors 1 hat einen mit der vierten Anschlussstelle 3D verbundenen siebten Eingang 28, einen mit dem Referenzsignalgeber 20 für das untere Referenzwertsignal verbundenen achten Eingang 29 und einen Ausgang 30 für ein viertes Vergleichssignal. Wie sich aus 6 ergibt, muss bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 die Spannung an der vierten Anschlussstelle 3D in Phase 1 größer sein als der untere Referenzwert T1. Dies wird mit Hilfe der vierten Vergleichseinrichtung 27 überprüft. Falls das Vergleichsergebnis hiermit nicht übereinstimmt, also den logischen Wert „0“ (7) ergibt, wird das Fehlersignal gesetzt.
Wie in 5 weiter erkennbar ist, hat der Hall-Sensor 1 außerdem eine fünfte Vergleichseinrichtung 31, die einen mit der ersten Anschlussstelle 3A verbundenen neunten Eingang 32, einen mit dem Referenzsignalgeber 15 für das obere Referenzwertsignal verbundenen zehnten Eingang 33 und einen Ausgang 34 für ein fünftes Vergleichssignal hat. Wie sich 6 entnehmen lässt, muss bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 die Spannung an der ersten Anschlussstelle 3A in Phase 1 größer sein als der obere Referenzwert T2. Dies wird mit Hilfe der fünften Vergleichseinrichtung 31 überprüft. Falls das Vergleichsergebnis hiermit nicht übereinstimmt, also den logischen Wert „0“ (7) ergibt, wird das Fehlersignal erzeugt.
Eine sechste Vergleichseinrichtung 35 hat einen mit der ersten Anschlussstelle 3A verbundenen elften Eingang 36, einen mit dem Referenzsignalgeber 20 für das untere Referenzwertsignal verbundenen zwölften Eingang 37 und einen Ausgang 38 für ein sechstes Vergleichssignal. Wie sich 6 entnehmen lässt, muss bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 die Spannung an der ersten Anschlussstelle 3A in Phase 1 größer sein als der untere Referenzwert T1. Dies wird mit Hilfe der sechsten Vergleichseinrichtung 35 überprüft. Falls das Vergleichsergebnis hiermit nicht übereinstimmt, also den logischen Wert „0“ (7) ergibt, wird das Fehlersignal erzeugt.
Eine siebte Vergleichseinrichtung 39 des Hall-Sensors 1 hat einen mit der zweiten Anschlussstelle 3B verbundenen dreizehnten Eingang 40, einen mit dem Referenzsignalgeber 15 für das obere Referenzwertsignal verbundenen vierzehnten Eingang 41 und einen Ausgang 42 für ein siebtes Vergleichssignal. Wie sich aus 6 ergibt, muss bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 die Spannung an der zweiten Anschlussstelle 3B in Phase 1 kleiner sein als der obere Referenzwert T2. Dies wird mit Hilfe der siebten Vergleichseinrichtung 39 überprüft. Falls das Vergleichsergebnis hiermit nicht übereinstimmt, also den logischen Wert „1“ (7) ergibt, wird das Fehlersignal erzeugt.
Schließlich weist der Hall-Sensor 1 eine achte Vergleichseinrichtung 43 auf, die einen mit der zweiten Anschlussstelle 3A verbundenen fünfzehnten Eingang 44, einen mit dem Referenzsignalgeber 20 für das untere Referenzwertsignal T1 verbundenen sechzehnten Eingang 45 und einen Ausgang 46 für ein achtes Vergleichssignal hat. Wie sich 6 entnehmen lässt, muss bei fehlerfreiem Hall-Sensor 1 die Spannung an der zweiten Anschlussstelle 3B in Phase 1 kleiner sein als der untere Referenzwert T1. Dies wird mit Hilfe der achten Vergleichseinrichtung 43 überprüft. Falls das Vergleichsergebnis hiermit nicht übereinstimmt, also den logischen Wert „1“ (7) ergibt, wird das Fehlersignal erzeugt.
In der zweiten, dritten und vierten Phase werden die Spannungen an den Anschlussstellen 3A, 3B, 3C, 3D entsprechend den Einträgen in den Zeilen 2, 3, und 4 der Tabelle aus 6 verglichen. Falls bei mindestens einer Überprüfung eine Abweichung vom Sollwert festgestellt wird, wird von der Auswerteeinrichtung 47 das Fehlersignal erzeugt und an einem Fehlersignalausgang 48 ausgegeben. Die in 6 aufgelisteten (Soll-)Vergleichsergebnisse können in Form einer Tabelle in der Auswerteeinrichtung 47 bzw. dem Datenspeicher 9 abgelegt sein. Die einzelnen Vergleichsergebnisse werden also in der Auswerteeinrichtung 47 miteinander verknüpft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10204427 B4 [0003, 0005, 0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Hall-Sensors (1), welches folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Hall-Sensors (1), der ein Hall-Sensorelement (2) mit mehreren voneinander beabstandeten Anschlussstellen (3A, 3B, 3C, 3D) aufweist, und Bereitstellen einer Strom- oder Spannungs-Versorgungsquelle (7), die Versorgungsanschlüsse (6A, 6B) zum Ausgeben eines Versorgungsstroms oder einer Versorgungsspannung hat, b) Verbinden einer ersten Anschlussstelle (3A) des Hall-Sensorelements (2) mit einem ersten Versorgungsanschluss (6A) und Verbinden einer zweiten Anschlussstelle (3B) des Hall-Sensorelements (2) mit einem zweiten Versorgungsanschluss (6B), um die Versorgungsspannung an das Hall-Sensorelement (2) anzulegen oder den Versorgungsstrom durch das Hall-Sensorelement (2) hindurchzuleiten, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: c) Bereitstellen eines unteren Referenzwerts (T1) und eines oberen Referenzwerts (T2) für eine an einer dritten Anschlussstelle (3C) des Hall-Sensorelements (2) anliegende Spannung, d) Erfassen eines ersten Spannungswerts für diese Spannung, e) Vergleichen des ersten Spannungswerts mit dem unteren Referenzwert (T1) und dem oberen Referenzwert (T2), f) Erzeugen eines Fehlersignals in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend folgende weitere Schritte: a) Erfassen eines zweiten Spannungswerts für eine an einer vierten Anschlussstelle (3D) des Hall-Sensorelements (2) anliegende Spannung, b) Vergleichen des zweiten Spannungswerts mit dem unteren Referenzwert (T1) und dem oberen Referenzwert (T2), c) Erzeugen des Fehlersignals in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend folgende weitere Schritte: a) Erfassen eines dritten Spannungswerts für eine an der ersten Anschlussstelle (3A) des Hall-Sensorelements (2) anliegende Spannung, b) Vergleichen des dritten Spannungswerts mit dem unteren Referenzwert (T1) und dem oberen Referenzwert (T2), c) Erzeugen des Fehlersignals in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend folgende weitere Schritte: a) Erfassen eines vierten Spannungswerts für eine an der zweiten Anschlussstelle (3B) des Hall-Sensorelements (2) anliegende Spannung, b) Vergleichen des vierten Spannungswerts mit dem unteren Referenzwert (T1) und dem oberen Referenzwert (T2), c) Erzeugen des Fehlersignals in Abhängigkeit von den Ergebnissen dieser Vergleiche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte b), d), e) und f) und gegebenenfalls die in Anspruch 2 und/oder Anspruch 3 und/oder Anspruch 4 genannten Verfahrensschritte mehrmals durchlaufen werden, wobei bei dem zweiten und gegebenenfalls jedem weiteren Durchlauf die Anschlussstellen (3A, 3B, 3C, 3D) des Hall-Sensorelements (2) jeweils vorzugsweise zyklisch vertauscht werden.
Hall-Sensor (1) mit einem Hall-Sensorelement (2), das mehrere voneinander beabstandete Anschlussstellen (3A, 3B, 3C, 3D) aufweist, mit einer Strom- oder Spannungs-Versorgungsquelle (7), die einen ersten und einen zweiten Versorgungsanschluss (6A, 6B) zum Ausgeben eines Versorgungsstroms oder einer Versorgungsspannung hat, wobei der erste Versorgungsanschluss (6A) zum Einspeisen eines Stroms in das Hall-Sensorelement (2) mit einer ersten Anschlussstelle (3A) des Hall-Sensorelements (2) und der zweite Versorgungsanschluss (6B) mit einer zweiten Anschlussstelle (3B) des Hall-Sensorelements (2) verbunden oder verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (1) eine erste Vergleichseinrichtung (13) hat, die einen mit der dritten Anschlussstelle (3C) verbundenen ersten Eingang (14), einen mit einem Referenzsignalgeber (15) für ein oberes Referenzwertsignal verbundenen zweiten Eingang (16) und einen Ausgang (17) für ein erstes Vergleichssignal hat, dass der Hall-Sensor (1) eine zweite Vergleichseinrichtung (18) hat, die einen mit der dritten Anschlussstelle (3C) verbundenen dritten Eingang (19), einen mit einem Referenzsignalgeber (20) für ein unteres Referenzwertsignal verbundenen vierten Eingang (21) und einen Ausgang (22) für ein zweites Vergleichssignal hat, und dass die Ausgänge (17, 22) der ersten und zweiten Vergleichseinrichtung (13, 18) mit einer Auswerteeinrichtung (47) zum Erzeugen eines vom ersten und zweiten Vergleichssignal abhängigen Fehlersignals verbunden sind.
Hall-Sensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (1) eine dritte Vergleichseinrichtung (23) hat, die einen mit der vierten Anschlussstelle (3D) verbundenen fünften Eingang (24), einen mit dem Referenzsignalgeber (15) für das obere Referenzwertsignal verbundenen sechsten Eingang (25) und einen Ausgang (26) für ein drittes Vergleichssignal hat, dass der Hall-Sensor (1) eine vierte Vergleichseinrichtung (27) hat, die einen mit der vierten Anschlussstelle (3D) verbundenen siebten Eingang (28), einen mit dem Referenzsignalgeber (20) für das untere Referenzwertsignal verbundenen achten Eingang (29) und einen Ausgang (30) für ein viertes Vergleichssignal hat, und dass die Ausgänge (30) der dritten und vierten Vergleichseinrichtung (23, 27) mit der Auswerteeinrichtung (47) verbunden und die Auswerteeinrichtung (47) derart ausgestaltet ist, dass das Fehlersignal auch vom dritten und vierten Vergleichssignal abhängig ist.
Hall-Sensor (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (1) eine fünfte Vergleichseinrichtung (31) hat, die einen mit der ersten Anschlussstelle (3A) verbundenen neunten Eingang (32), einen mit dem Referenzsignalgeber (15) für das obere Referenzwertsignal verbundenen zehnten Eingang (33) und einen Ausgang (34) für ein fünftes Vergleichssignal hat, dass der Hall-Sensor (1) eine sechste Vergleichseinrichtung (35) hat, die einen mit der ersten Anschlussstelle (3A) verbundenen elften Eingang (36), einen mit dem Referenzsignalgeber (20) für das untere Referenzwertsignal verbundenen zwölften Eingang (37) und einen Ausgang (38) für ein sechstes Vergleichssignal hat, und dass die Auswerteeinrichtung (47) derart ausgestaltet ist, dass das Fehlersignal auch vom fünften und sechsten Vergleichssignal abhängig ist.
Hall-Sensor (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (1) eine siebte Vergleichseinrichtung (39) hat, die einen mit der zweiten Anschlussstelle (3B) verbundenen dreizehnten Eingang (40), einen mit dem Referenzsignalgeber (15) für das obere Referenzwertsignal verbundenen vierzehnten Eingang (41) und einen Ausgang (42) für ein siebtes Vergleichssignal hat, dass der Hall-Sensor (1) eine achte Vergleichseinrichtung (43) hat, die einen mit der zweiten Anschlussstelle (3B) verbundenen fünfzehnten Eingang (44), einen mit dem Referenzsignalgeber (20) für das untere Referenzwertsignal verbundenen sechzehnten Eingang (45) und einen Ausgang (46) für ein achtes Vergleichssignal hat, und dass die Auswerteeinrichtung (47) derart ausgestaltet ist, dass das Fehlersignal auch vom siebten und achten Vergleichssignal abhängig ist.
Hall-Sensor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hall-Sensor (1) eine mit der Versorgungsquelle (7) verbundene, mit einer Steuereinrichtung in Steuerverbindung stehende Schalteinrichtung aufweist, die derart ausgestaltet ist, a) dass in einem ersten Betriebszustand - der erste und dritte Eingang (14, 19) mit der dritten Anschlussstelle (3C), - der fünfte und siebte Eingang (24, 28) mit der vierten Anschlussstelle (3D), - der neunte und elfte Eingang (32, 36) mit der ersten Anschlussstelle (3A), - der dreizehnte und fünfzehnte Eingang (40, 44) mit der zweiten Anschlussstelle (3B), verbunden ist, b) dass in einem zweiten Betriebszustand - der erste und dritte Eingang (14, 19) mit der vierten Anschlussstelle (3D), - der fünfte und siebte Eingang (24, 28) mit der ersten Anschlussstelle (3A), - der neunte und elfte Eingang (32, 36) mit der zweiten Anschlussstelle (3B), - der dreizehnte und fünfzehnte Eingang (40, 44) mit der dritten Anschlussstelle (3C), verbunden ist, c) dass in einem dritten Betriebszustand - der erste und dritte Eingang (14, 19) mit der ersten Anschlussstelle (3A), - der fünfte und siebte Eingang (24, 28) mit der zweiten Anschlussstelle (3B), - der neunte und elfte Eingang (32, 36) mit der dritten Anschlussstelle (3C), - der dreizehnte und fünfzehnte Eingang (40, 44) mit der vierten Anschlussstelle (3D), verbunden ist, d) dass in einem vierten Betriebszustand - der erste und dritte Eingang (14, 19) mit der zweiten Anschlussstelle (3B), - der fünfte und siebte Eingang (24, 28) mit der dritten Anschlussstelle (3C), - der neunte und elfte Eingang (32, 36) mit der vierten Anschlussstelle (3D), - der dreizehnte und fünfzehnte Eingang (40, 44) mit der ersten Anschlussstelle (3A), verbunden ist, und dass der zweite, sechste, zehnte und vierzehnte Eingang (16, 25, 33, 41) jeweils mit dem Referenzwertgeber (15) für das obere Referenzwertsignal und der vierte, achte, zwölfte und sechzehnte Eingang (21, 29, 37, 45) jeweils mit dem Referenzwertgeber (20) für das untere Referenzwertsignal, verbunden ist.