DE10320057A1

DE10320057A1 - Redundant ausgeführter Winkelaufnehmer mit Hall-Effekt-Elementen

Info

Publication number: DE10320057A1
Application number: DE2003120057
Authority: DE
Inventors: Dieter Schoedlbauer
Original assignee: Schodlbauer Dieter Dipl-Phys Dr
Current assignee: Schodlbauer Dieter Dipl-Phys Dr
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-12-02

Abstract

Ein redundant ausgeführter Winkelaufnehmer mit Hall-Effekt-Elementen besitzt auf einem Halbleitersubstrat (1) acht horizontale Hallsensor-Strukturen (3) bis (10), welche aus einem oder auch mehreren Einzelelementen bestehen können (Fig. 1). Die acht Hallsensor-Strukturen sind im Winkelabstand von 45 DEG auf einer Kreislinie um ein Symmetriezentrum (12) herum angeordnet. Sie bilden in der Summe vier Empfindlichkeitsachsen (3-7), (5-9), (4-8) und (6-10), von denen jeweils zwei zusammen als ein eigenständiger Winkelsensor genutzt werden, mit dem sich die Winkelposition eines außerhalb, über dem Symmetriezentrum (12) drehbar gelagerten Dauermagneten bestimmen lässt. Ein konzentrisch an der Oberfläche (11) aufgebauter, scheibenförmiger Flusskonzentrator (2) aus einem weichmagnetischen Material kann vorhanden sein, und anstelle der horizontalen können auch vertikale Hallelemente eingesetzt werden. Der redundant ausgeführte Winkelaufnehmer eignet sich besonders für solche Anwendungen, bei denen eine erhöhte Betriebssicherheit und Reproduzierbarkeit auch unter wechselnden Einsatzbedingungen gefordert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelaufnehmer mit Hall-Effekt-Elementen gemäss der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art. Ein solcher Winkelaufnehmer ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 182 461 A2 bekannt. Dort ist ein Sensor für die Detektion der Richtung eines Magnetfeldes beschrieben, mit einem einteiligen, flächigen Magnetfeldkonzentrator und mindestens zwei horizontalen Hallelementen, wobei die Hallelemente zueinander räumlich versetzt im Bereich des Randes des Magnetfeldkonzentrators angeordnet sind. Mit Hilfe des weichmagnetischen Flusskonzentrators wird zum einen eine deutliche Steigerung der Empfindlichkeit erzielt. Des weiteren ist eine solche Anordnung für eine Magnetfeldmessung parallel zur Chipoberfläche geeignet, obwohl konventionelle Hallsensoren verwendet werden, welche senkrecht zur Oberfläche empfindlich sind. Durch den weichmagnetischen Flusskonzentrator wird ein zur Oberfläche paralleles Magnetfeld so beeinflusst, dass sich entlang des Randes an den Stellen, wo das magnetische Feld ein- oder austritt, Normalkomponenten ausbilden. Diese können dann mit den genannten Hallelementen, welche unter dem Rand des Flusskonzentrators angeordnet sind, in der bekannten Art bestimmt werden. In einer speziellen Ausführung besteht der Magnetfeldkonzentrator aus einer kreisrunden, weichmagnetischen Scheibe, unter deren Umfang, jeweils um 90° versetzt, geeignete Gruppen von Hallelementen vorhanden sind. Damit kann vom Prinzip her ein Drehwinkelsensor mit Sinus- und Cosinussignalen realisiert werden, mit dem sich die Winkelposition eines zentrisch über der Flussleitscheibe drehbar gelagerten Dauermagneten zwischen 0° und 360° eindeutig bestimmen lässt.
Ein ähnlicher Drehwinkelsensor in Kombination mit einem Permanentmagneten ist in der europäischen Patentanmeldung EP 1 243 897 beschrieben, wobei mit den Hallspannungen Quotienten gebildet werden, so dass nur die wechselseitigen Phasen und nicht mehr die Signalamplituden in die Bewertung eingehen. Auf diese Weise vermeidet man den Einfluss veränderlicher Signalspannungen aufgrund von Temperatur- und Alterungseffekten.
Prinzipiell kann aber bei der betrachteten Anwendung als Drehwinkelsensor auf den flächigen Magnetfeldkonzentrator auch verzichtet werden, wobei dann allerdings die damit verbundene Steigerung der Empfindlichkeit entfällt. In diesem Fall muss aber anstelle der konventionellen, horizontalen Hallelemente auf vertikale Hallzellen zurückgegriffen werden, welche empfindlich sind für eine Magnetfeldkomponente, die parallel zur Sensoroberfläche verläuft.
Anwendungsbeispiele der unterschiedlichsten Art für Drehwinkelsensoren findet man insbesondere in modernen Automobilen, so z.B. als Drosselklappenwinkel-, Gaspedalweg- oder Niveausensoren für die Bestimmung des Beladungszustandes. Gemäss dem Stand der Technik kommen hierbei neben den bekannten und bewährten Potentiometern zunehmend auch berührungslose, vorzugsweise auf horizontalen Standard-Hallschaltkreisen basierende Winkelaufnehmer zum Einsatz, bei welchen mit Hilfe von zusätzlichen weichmagnetischen Flussleitelementen eine drehwinkelabhängige Flussdichte erzeugt wird. Hierbei möchte man aber häufig aus Sicherheitsgründen einen solchen Sensor redundant aufbauen, d.h. es soll mindestens ein weiteres Winkelsignal zur Verfügung gestellt werden. Dies kann in bequemer Weise dadurch geschehen, dass mindestens ein weiteres Hallelement als zusätzliches Bauteil eingesetzt wird. Diesem Vorteil steht neben dem Kostenaufwand als zweiter Nachteil die Tatsache gegenüber, dass die Drehwinkelbestimmung nach wie vor auf einer fehleranfälligen Feldstärke- bzw. Flussdichtemessung beruht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Winkelaufnehmer der genannten Art anzugeben, der die eingangs erwähnten Nachteile nicht mehr aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, dass bei einem Winkelaufnehmer mit mehreren Hallelementen auf einem Halbleitersubstrat, die verfügbaren Hallelemente mindestens zwei eigenständige Gruppen von Hallstrukturen bilden, welche jeweils als unabhängige und somit redundante Winkelsensoren genutzt werden.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine Drehwinkelbestimmung, welche unabhängig von der magnetischen Flussdichte und der Grösse der Hallspannungen durch Auswertung der Signalphasen erfolgt, kombiniert wird mit der Möglichkeit, redundante Winkelsensoren kostengünstig auf einem Halbleitersubstrat zu integrieren. Dies bedeutet, dass die nachteilige, weil fehleranfällige Flussdichtebestimmung heute bekannter Drehwinkelaufnehmer mit Hallelementen vermieden wird, ohne aber auf die einfache Erweiterungsmöglichkeit dieser Systeme hin zu redundanten Anordnungen für sicherheitskritische Anwendungen zu verzichten.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert.
Die 1 zeigt in vereinfachter Form den Aufbau eines erfindungsgemässen Winkelaufnehmers mit Hall-Effekt-Elementen. Auf einem Halbleitersubstrat (1) sind acht horizontale Hallsensor-Stukturen (3) bis (10) vorhanden, welche aus einem oder auch mehreren Einzelelementen gebildet sein können. Mit horizontal sind wie bereits beschrieben solche Hallelemente gemeint, welche eine Magnetfeldkomponente messen, die senkrecht auf die Oberfläche (11) auftrifft. Die acht Hallsensor-Strukturen sind im Winkelabstand von 45° auf einer Kreislinie um das Symmetriezentrum (12) herum angeordnet. Mittels photolithographischer Verfahren wird der scheibenförmige Flusskonzentrator (2) in Grösse und Lage so aufgebracht, dass die acht Hallsensor-Stukturen unter dem Rand des Flusskonzentrators (2) angeordnet sind. Die acht Hallsensor-Strukturen bilden vier Empfindlichkeitsachsen (3–7), (5–9), (4–8) und (6–10). Die beiden, zu jeweils derselben Empfindlichkeitsachse gehörenden Hallsensor-Strukturen, unterscheiden sich hauptsächlich nur im Vorzeichen der Hallspannung. Hieraus wird ein Differenzsignal gebildet, so dass am Ende in Summe vier zueinander phasenverschobene Winkelsignale mit gleicher Amplitude zur Verfügung stehen:
U₁ ∝ sin(α)
U₂ ∝ sin(α + 45°)
U₃ ∝ sin(α + 90°) = cos(α)
U₄ ∝ sin(α + 135°) = cos(α + 45°)
Die Quotienten U₁/U₃ und U₂/U₄ stellen bis auf einen Phasenversatz von 45° beide unabhängig voneinander den Tangens des gesuchten Drehwinkels dar. Damit ist die Forderung nach einem redundanten Winkelaufnehmer erfüllt. Die auftretende Phasenverschiebung von 45° lässt sich bei Bedarf vermeiden, wenn z.B. anstelle von U₂ und U₄ geeignete Kombinationen hieraus für die Quotientenbildung benutzt werden, unter Beachtung der Identität sin(β) ± cos(β) = √2·[sin(β)·cos(45°) ± cos(β)·sin(45°)] = √2·[sin(β ± 45°)],mit
β = α + 45°
Ferner können aber auch andere, vornehmlich digitale Auswerteverfahren zur Bestimmung der Drehwinkel zum Einsatz kommen, wie z.B. das in der Fachliteratur bekannte CORDIC (Coordinate Rotating Digital Computing).
In einer weiteren, hier nicht eigens gezeigten Ausführung können die vier Empfindlichkeitsachsen (3–7), (5–9), (4–8) und (6–10) auch unter anderen Winkeln als den genannten 45° angeordnet sein. Insbesondere sind hierbei auch kleine Winkel möglich, welche nur noch durch die Grösse und den Mindestabstand der einzelnen Hallelemente voneinander sowie von deren Anzahl in einer Gruppe begrenzt werden.
In einer anderen, ebenfalls hier nicht dargestellten Ausführungsform kann der flächige Magnetfeldkonzentrator (2) entfallen. Die acht Hallsensor-Strukturen (3–10) in den vier Empfindlichkeitsachsen (3–7), (5–9), (4–8) und (6–10) sind als vertikale Hallelemente ausgebildet, welche aus einem oder auch mehreren Einzelelementen bestehen können. Die Hall-Sensorelemente messen dabei die Magnetfeldkomponente parallel zur Oberfläche (11) und in Richtung der jeweiligen Empfindlichkeitsachse. Die örtliche Verteilung der Hallsensor-Strukturen (3–10) auf dem Substrat kann der Einfachheit halber wie in 1 äquidistant auf einer Kreislinie erfolgen, so dass der gegenseitige Winkelabstand zur Erzeugung einer Phasendifferenz bei den Hallspannungen jeweils 45° beträgt.

Claims

Redundant ausgeführter Winkelaufnehmer mit Hall-Effekt-Elementen, mit auf einem Halbleitersubstrat (1) kreisförmig um ein Zentrum (12) angeordneten Hallsensor-Strukturen (3) bis (10) für die Erfassung einer Magnetfeldrichtung, wobei die zu messende Magnetfeldkomponente parallel zur Substratoberfläche (11) verlaufen kann und das Magnetfeld durch einen drehbar gelagerten Dauermagneten erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Gesamtmenge der auf dem Halbleitersubstrat (1) vorhandenen Hall-Effekt-Elemente mindestens zwei eigenständige Gruppen von Hallstrukturen gebildet und diese als redundante Winkelsensoren genutzt werden, wobei die Bestimmung des Drehwinkels weitgehend unbeeinflusst von der momentanen Grösse der einzelnen Hallspannungen durch die Auswertung der gegenseitigen Phasenlagen innerhalb jeweils ein und derselben Gruppe erfolgt.
Redundant ausgeführter Winkelaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die acht Hallsensor-Strukturen (3) bis (10) in vier Empfindlichkeitsachsen (3–7), (5–9), (4–8) und (6–10) ausgerichtet sind, welche sich in einem Symmetriezentrum (12) schneiden, und die beiden, zu jeweils einer Empfindlichkeitsachse gehörenden Hallsensor-Strukturen, sich in der Anwendung hauptsächlich im Vorzeichen der Hallspannung unterscheiden.
Redundant ausgeführter Winkelaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Empfindlichkeitsachsen (3–7), (5–9), (4–8) und (6–10) gegeneinander um jeweils 45° versetzt auf der Oberfläche (11) angeordnet sind, und jeweils die vier Hallsensor-Strukturen (3), (7), (5) und (9) sowie (4), (8), (6) und (10) zu einem eigenständigen Winkelsensor mit zueinander orthogonalen Empfindlichkeitsachsen zusammengefasst werden.
Redundant ausgeführter Winkelaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsensor-Strukturen (3) bis (10) unter oder in der Nähe des Randes eines weichmagnetischen Magnetfeldkonzentrators (2) angebracht sind, wobei der Magnetfeldkonzentrator (2) sich auf der Oberfläche (11) des Substrates (1) befindet, bezüglich eines Symmetriezentrums (12) ausgerichtet ist und eine kreisrunde, scheibenförmige Form aufweisen kann.
Redundant ausgeführter Winkelaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsensor-Strukturen (3) bis (10) jeweils aus einem einzelnen Hallelement oder aus einer Untergruppe von mehreren Hallelementen bestehen.
Redundant ausgeführter Winkelaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsensor-Strukturen (3) bis (10) entweder als horizontale oder als vertikale Hallelemente ausgebildet sind.