DE14183857T1 - Magnetfeldsensor und Winkelpositionssensor damit - Google Patents
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Abstract
Magnetfeldsensor, umfassend: – eine Struktur (1), umfassend ein ringförmiges Loch (7), das auf einem Bulksubstrat (40) bereitgestellt ist, und umfassend eine Anzahl (N) von inneren Elektroden (5), die in äquidistanten Winkelpositionen auf einem inneren Kreis angeordnet ist, der konzentrisch mit dem Loch (7) ist, und wobei die gleiche Anzahl (N) von äußeren Elektroden (4) an äquidistanten Winkelpositionen auf einem äußeren Kreis angeordnet ist, der konzentrisch mit dem Loch (7) und radial mit den inneren Elektroden (5) ausgefluchtet ist, um Paare von Vorspannelektroden zu bilden, und wobei die gleiche Anzahl (N) von Ausleseelektroden (6) an äquidistanten Winkelpositionen auf einem Zwischenkreis angeordnet ist, der konzentrisch zu dem Loch (7) ist, jedoch im Winkel mit Bezug auf die inneren und äußeren Elektroden (5, 4) über 180° geteilt durch die Anzahl (N) verschoben; – und eine Vorspann-und-Ausleseschaltung (10), umfassend eine Vielzahl von Schaltern, um selektiv eine fortschreitende Aufeinanderfolge von unterschiedlich ausgerichteten Vorspannströmen an ein Paar Vorspannelektroden (4p, 5p) anzulegen, und um selektiv eine Differenzial-Hall-Spannung über eine fortschreitende Aufeinanderfolge von zwei Auslese-Elektroden (6p, 6q) zu lesen, die sich in einem gleichen Abstand zu der ausgewählten äußeren Vorspannelektrode (4p) befindet, wobei die Vorspannelektroden (4p, 5p) und die Ausleseelektroden (6p, 6q) ein horizontales Hall-Element (99) bilden, wobei die Differenzial-Hall-Spannung die relative Stärke von Magnetfeldkomponenten an der Stelle des Hall-Elements (99) anzeigt.
Claims (15)
- Magnetfeldsensor, umfassend: – eine Struktur (
1 ), umfassend ein ringförmiges Loch (7 ), das auf einem Bulksubstrat (40 ) bereitgestellt ist, und umfassend eine Anzahl (N) von inneren Elektroden (5 ), die in äquidistanten Winkelpositionen auf einem inneren Kreis angeordnet ist, der konzentrisch mit dem Loch (7 ) ist, und wobei die gleiche Anzahl (N) von äußeren Elektroden (4 ) an äquidistanten Winkelpositionen auf einem äußeren Kreis angeordnet ist, der konzentrisch mit dem Loch (7 ) und radial mit den inneren Elektroden (5 ) ausgefluchtet ist, um Paare von Vorspannelektroden zu bilden, und wobei die gleiche Anzahl (N) von Ausleseelektroden (6 ) an äquidistanten Winkelpositionen auf einem Zwischenkreis angeordnet ist, der konzentrisch zu dem Loch (7 ) ist, jedoch im Winkel mit Bezug auf die inneren und äußeren Elektroden (5 ,4 ) über 180° geteilt durch die Anzahl (N) verschoben; – und eine Vorspann-und-Ausleseschaltung (10 ), umfassend eine Vielzahl von Schaltern, um selektiv eine fortschreitende Aufeinanderfolge von unterschiedlich ausgerichteten Vorspannströmen an ein Paar Vorspannelektroden (4p ,5p ) anzulegen, und um selektiv eine Differenzial-Hall-Spannung über eine fortschreitende Aufeinanderfolge von zwei Auslese-Elektroden (6p ,6q ) zu lesen, die sich in einem gleichen Abstand zu der ausgewählten äußeren Vorspannelektrode (4p ) befindet, wobei die Vorspannelektroden (4p ,5p ) und die Ausleseelektroden (6p ,6q ) ein horizontales Hall-Element (99 ) bilden, wobei die Differenzial-Hall-Spannung die relative Stärke von Magnetfeldkomponenten an der Stelle des Hall-Elements (99 ) anzeigt. - Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (
10 ) angeordnet ist, um die zwei Ausleseelektroden (6r ,6s ) auszuwählen, die sich am nächsten an der ausgewählten äußeren Vorspannelektrode (4p ) befinden. - Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (
10 ) angeordnet ist, um den Sensor zyklisch zu betreiben, wobei ein vollständiger fortschreitender aufeinander folgender Zyklus in jedem Schritt das Vorspannen von mindestens einem Hall-Element umfasst, ebenso wie das Lesen der entsprechenden Hall-Spannung von diesem mindestens einen Hall-Element. - Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – weiter umfassend einen Differenzialverstärker (
11 ) mit mindestens einem Differentialanschluss mit einem positiven Eingang (Vp) und einem negativen Eingang (Vn); – und wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (10 ) weiter ausgelegt ist, um die aufeinander folgenden Differenzial-Hall-Spannungen durch den Anschluss in jedem Schritt der Ausleseelektrode (6b ), die sich auf der linken Seite der Vorspannelektroden (4b ,5b ), gesehen von der Mitte der Wand (7 ), befindet, an den positiven Eingang (Vp) des Differenzialverstärkers (11 ), und den Anschluss der Ausleseelektrode (6 ), die sich auf der rechten Seite der Vorspannelektroden (4b ,5b ), gesehen von der Mitte der Wand (7 ) befindet, an den negativen Eingang (Vn) eines Differenzialverstärkers (11 ) zu lesen. - Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – weiter umfassend einen Differenzialverstärker (
11 ) mit mindestens einem Differenzialanschluss mit einem positiven Eingang (Vp) und einem negativen Eingang (Vn); – und wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (10 ) weiter ausgelegt ist, um die aufeinander folgenden Differenzial-Hall-Spannungen durch den Anschluss in jedem Schritt der Ausleseelektrode (6b ), die sich auf der linken Seite der Vorspannelektroden (4b ,5b ), gesehen von der Mitte der Wand (7 ), befindet, an den positiven Eingang (Vp) des Differenzialverstärkers (11 ), und den Anschluss der Ausleseelektrode (6 ), die sich auf der rechten Seite der Vorspannelektroden (4b ,5b ), gesehen von der Mitte der Wand (7 ) befindet, an den negativen Eingang (Vn) eines Differenzialverstärkers (11 ) zu lesen; und den Anschluss in jedem ungeraden Schritt der Ausleseelektrode (6b ), die sich auf der linken Seite der Vorspannelektroden (4b ,5b ), gesehen von der Mitte der Wand (7 ) befindet, an den negativen Eingang (Vp) des Differenzialverstärkers (11 ), und den Anschluss der Ausleseelektrode (6 ), die sich auf der rechten Seite der Vorspannelektroden (4b ,5b ), gesehen von der Mitte der Wand (7 ) befindet, an den positiven Eingang (Vn) eines Differenzialverstärkers (11 ). - Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (
10 ) ausgelegt ist, um nur ein einziges Hall-Element (9d ) in jedem aufeinander folgenden Schritt vorzuspannen und auszulesen. - Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei die Anzahl von Hall-Elementen (
9 ) gerade ist; – und wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (10 ) ausgelegt ist, um gleichzeitig ein erstes Hall-Element (9e ) vorzuspannen und zu lesen, um ein erstes Differenzial-Hall-Signal (s1) und ein zweites Hall-Element (9f ) bereitzustellen, das sich in einem Winkelabstand von 180° vom ersten Hall-Element befindet, um ein zweites Differenzial-Hall-Signal (s2) bereitzustellen; – und wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (10 ) weiter ausgelegt ist, um das erste und das zweite Differenzial-Hall-Signal (s1, s2) zu subtrahieren. - Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei die Anzahl von Hall-Elementen gerade ist; – und wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (
10 ) ausgelegt ist, um gleichzeitig ein erstes Hall-Element (9m ) vorzuspannen und zu lesen, um ein erstes Differential-Hall-Signal (s1) bereitzustellen, und um ein zweites Hall-Element (9n ) vorzuspannen und zu lesen, das sich in einem Winkelabstand von 180° vom ersten Hall-Element befindet, um ein zweites Differenzial-Hall-Signal (s2) bereitzustellen; – und wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (10 ) weiter ausgelegt ist, um das erste und das zweiten Differenzial-Hall-Signal (s1, s2) zu addieren. - Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei die Anzahl der Hall-Elemente ein ganzzahliges Vielfaches von vier ist; – und wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (
10 ) ausgelegt ist, um gleichzeitig vier Hall-Element (9p ,9q ,9r ,9t ) vorzuspannen und zu lesen, die sich in einem Winkelabstand von 90° voneinander befinden; – und wobei die Vorspann-und-Ausleseschaltung (10 ) weiter ausgelegt ist, um das/die Ausgabesignal(e) als die Summe der Signale (s1, s2) des ersten und des dritten Hall-Elements (9p ,9r ) minus der Summe der Signale (s2, s4) des zweiten und des vierten Hall-Elements (9q ,9t ) zu bestimmen. - Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen integrierten magnetischen Konzentrator (
8 ), der sich auf der oberen Seite des Lochs (7 ) befindet. - Winkelpositionssensor zum Bestimmen einer Winkelposition mit Bezug auf einen Dauermagneten (
2 ), wobei der Winkelpositionssensor Folgendes umfasst: – einen Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche; – eine Winkelbestimmungsschaltung zum Bestimmen einer Winkelposition auf der Grundlage der Aufeinanderfolge von Differenzial-Hall-Signalen, die durch die Vorspann-und-Ausleseschaltung (10 ) bereitgestellt sind. - Winkelpositionssensor nach Anspruch 11, wobei die Winkelbestimmungsschaltung einen Tiefpassfilter oder einen Bandpassfilter umfasst.
- Anordnung zum Messen einer Winkelposition (α) eines Rotors (
2 ) mit Bezug auf einen Stator (3 ), wobei die Anordnung Folgendes umfasst: – den Rotor (2 ), der um eine Drehachse (4 ) drehbar ist; – den Stator (3 ), der eine feste Position mit Bezug auf die Drehachse (4 ) aufweist; – einen Dauermagneten (2 ), der auf dem Rotor (2 ) montiert ist, um ein Magnetfeld (B) zu erzeugen; – einen Winkelpositionssensor nach einem der Ansprüche 11–12. - Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition eines Magnetfelds unter Verwendung des Magnetfeldsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) selektives Anlegen einer fortschreitenden Aufeinanderfolge von unterschiedlich ausgerichteten Vorspannströmen an ein Paar Vorspannelektroden (
4b ,5b ) und selektives Lesen einer Differenzial-Hall-Spannung über eine fortschreitende Aufeinanderfolge der zwei Auslese-Elektroden (6b ,6c ), die sich in einem gleichen Abstand zu der ausgewählten äußeren Vorspannelektrode (4b ) befinden, wobei die Aufeinanderfolge von Hall-Spannungen eine Wellenform bildet; b) Verstärken der Wellenform; c) Tiefpassfiltern der verstärkten Wellenform; d) Bestimmen einer Phasenverschiebung (φ) der Tiefpass-gefilterten Wellenform, als die Winkelposition. - Verfahren zum Bestimmen einer Winkelposition eines Magnetfelds unter Verwendung des Magnetfeldsensors nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wenn abhängig von Anspruch 5, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) selektives Anlegen einer fortschreitenden Aufeinanderfolge von unterschiedlich ausgerichteten Vorspannströmen an ein Paar Vorspannelektroden (
4b ,5b ) und selektives Lesen einer Differenzial-Hall-Spannung über eine fortschreitende Aufeinanderfolge der zwei Auslese-Elektroden (6b ,6c ), die sich in einem gleichen Abstand zu der ausgewählten äußeren Vorspannelektrode (4b ) befinden; b) Modulieren der aufeinander folgend gelesenen Hall-Spannungen vor der Verstärkung; c) Verstärken der modulierten Hall-Spannungen; d) Demodulieren der verstärkten modulierten Hall-Spannungen; e) Bestimmen einer Phasenverschiebung (φ) der demodulierten Wellenform als die Winkelposition.
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