DE4313556C2

DE4313556C2 - Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Messung von Drehmomenten an Wellen

Info

Publication number: DE4313556C2
Application number: DE4313556A
Authority: DE
Inventors: Pirmin Rombach; Dirk Killat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-24
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2013-04-27
Also published as: DE4313556A1; DE9304629U1

Description

In der amerikanischen Patentschrift US 4364278 ist ein Beispiel für einen magneto striktiven Drehmomentsensor beschrieben, bei dem das magnetische Feld mittels auf dem Hall-Effekt basierenden Magnetfeldsensoren erfaßt wird. Weitere Beispiele sind u. a. in der DE-AS 11 15 051, der EP 103354 A2 und der US 5351555 beschrieben. Bei allen bisher bekannten berührungslosen Drehmomentsensoren, welche die Welle ganz oder zum größten Teil umfassen, besteht das Problem, daß die Veränderung der Permeabilität der Schicht auf der Welle aufgrund des Drehmomentes eine deutlich geringere Veränderung der Flußdichte im Luftspalt bzw. der Induktivität bewirkt als die Schwankung der Luftspaltbreite aufgrund der Exzentrizität der Welle bei wech selndem Drehmoment.

Die hier vorgeschlagene und in der Beschreibung beispielhaft dargestellte Lösung des Problems ist insbesondere für die Realisierung als mikromechanisches Bauelement auf Halbleiterbasis geeignet, da die analoge und digitale Sensorelektronik, welche die Schwankung der Luftspaltbreite und die Empfindlichkeitsdrift der Magnetfeldsenso ren kompensiert, zusammen mit den Spulen, dem Joch und den Magnetfeldsensoren auf einem Chip integriert werden kann.

Die nachfolgende Beschreibung gliedert sich in drei Teile. Im ersten werden die tech nologischen. Schritte zur Realisierung des integrierten mikromechanischen Drehmo mentsensors dargelegt. Der zweite Teil geht auf die Kompensation der schwankenden Luftspaltbreite ein. Im dritten Teil wird die Kompensation der Empfindlichkeitsdrift der der Magnetfeldsensoren erklärt.

Beschreibung, 1. Teil

Der mikromechanische Drehmoment-Sensor kann auf einem doppelseitig, evtl. auch einseitig polierten Siliziumwafer realisiert werden.

Der Wafer muß eine Kristallorientierung in <100< Richtung besitzen und kann ent weder schwach p- oder n-dotiert (20-30 Ωcm) sein.

Ein Querschnitt durch den Sensor zeigt Fig. 1a, die Aufsicht auf die Oberseite des Wafers zeigt Fig. 1b. Auf eine polierte Waferseite kann eine Epitaxieschicht von et wa 6-10 µm Dicke abgeschieden werden, deren Dotierstoffkonzentration durch einen spezifische Widerstand von 10-30 Ωcm gekennzeichnet ist. Der Dotierstoff der Epita xieschicht muß vom umgekehrten Leitfähigkeitstyp sein wie der des Wafers.

In die Epitaxieschicht können auf dem Hall-Effekt beruhende Sensorelemente und weitere elektrische Bauelemente zur Signalverarbeitung mit einem MOS bzw. CMOS- Prozeß hergestellt werden.

Es kann auch direkt auf einem Wafer ein Bipolar- bzw. BICMOS-Prozeß für die Sensor- bzw. Schaltungselemente benutzt werden.

Auf der Rückseite des Wafers werden anschließend eine oder mehrere Spulen bei spielsweise durch galvanische Abscheidung von Gold aufgebracht.

Dazu muß zunächst die Waferrückseite eine aus dem vorhergegangenen Standardpro zeß erzeugte Siliziumdioxidschicht von mindestens 100 nm besitzen. Darauf wird ein Chromhaftschicht (Dicke: 50 nm) und Goldstartschicht (Dicke: 100 nm) aufgedampft. Die Waferseite mit den Spulen wird mit einer KOH (Kalilauge) resistenten Schicht abgedeckt. Diese Schicht wird für die Erzeugung von Gruben strukturiert. Die Gru ben werden nun mittels anisotropen KOH-Ätzverfahren erzeugt, wobei man den p n-Übergang Epitaxieschicht-Bulk als elektrochemischen Ätzstop verwendet. Dann erhält man eine Membran in Dicke der Epitaxieschicht.

Die Maskierung für die KOH-Ätzung muß nun entfernt werden.

Die Spule und die Grube müssen elektrisch passiviert werden, z. B. mit Siliziumdioxid.

Auf das Siliziumdioxid wird eine ferromagnetische Schicht, z. B. NiFe (Dicke: 50- 100 nm) als Startschicht für die Galvanik aufgesputtert. Dann erfolgt ein Photolito graphieschritt zur Strukturierung des bzw. der Joche. Das Jochmaterial (NiFe) kann nun galvanisch abgeschieden werden (Dicke: 8-15 µm). Der Photolack und die frei liegende Startschicht werden entfernt.

Beschreibung, 2. Teil

Für die Dimensionierung des Sensors insgesamt und die geeignete Plazierung der Kernfeld- und Streufeldsensoren wird ein kommerziell erhältliches 3D-Feldberech nungsprogramm verwendet. Mit dem Programm werden die Feldverläufe bei Gleich- bzw. Gegentaktanregung berechnet.

Bei Gleichtaktanregung schneiden die Flußdichtelinien die Symmetrieebene YY' senk recht, wie in Fig. 2a schematisch dargestellt. Den Feldverlauf bei Gegentaktanregung zeigt schematisch Fig. 2b.

Von besonderem Interesse ist die Komponente der Flußdichte, welche die Grenz fläche zwischen Epi-Schicht und Luftspalt senkrecht durchschneidet, weil sie der Definition des Bereiches des sogenannten homogenen Feldverlaufs und des inhomo genen Feldverlaufs dient. Unterhalb der Pole des Jochs ist das Feld nahezu homo gen, d. h. die Flußdichtelinien verlaufen parallel, im Randbereich neben den Polen ist das Feld inhomogen. Als Flußdichtesensor wird eine Zusammenschaltung bestehend aus zwei komplementären Split-Drain-MOS-Feldeffekttransistoren (MAGFET) ein gesetzt. Die MAGFET-Brücken sind nur sensitiv gegenüber Feldkomponenten senk recht zur Chipebene.

Mit Hilfe der 3D-Magnetfeldsimulation ist es möglich, den Streufeldsensor so zu pla zieren, daß der Quotient aus Streufelddichte-Meßwert zu Kernfelddichte-Meßwert über den gesamten Meßbereich des Drehmomentes bis auf eine Abweichung von 0,05% unabhängig von dem anliegenden Drehmoment ist. Wenn die Auswertung der Meß ergebnisse mit einem Digitalrechner erfolgt, dann ist die Plazierung der Streufeldsen soren unkritisch.

Die Ergebnisse bzw. die Auswertung der 3D-Feldsimulation des hier in der Beschrei bung exemplarisch dargestellten Sensors zeigen die Fig. 3a bis 3f.

Aus Fig. 3c ist zu entnehmen, daß das Verhältnis aus Streuflußdichte B_S zu Kern flußdichte B_K nahezu unabhängig von der Permeabiltät µ_r der Schicht auf der Welle, d. h. unabhängig vom Drehmoment ist, und nur von der Luftspaltbreite d abhängt. Für die Sensorsignalverarbeitung müssen die gemessenen Spannungen U_K und U_S noch durch die Empfindlichkeiten der MAGFET-Brücken S_K (Kernfeld) bzw. S_S (Streufeld) dividiert werden. Aus Fig. 3d wird für den Quotienten B_S/B_K im interessierenden Meßbereich folgende Gleichung abgeleitet:

mit den Systemkonstanten r₁ und r₂.

Mit den Simulationsergebnissen aus Fig. 3a und Fig. 3b kann eine Gleichung für B_K mit den Systemkonstanten r₃, r₄, r₅ und r₆ aufgestellt werden:

Um die relative Permeabilität µ_r und damit auch indirekt das Drehmoment zu be stimmen, muß man B_S und B_K messen, die Messwerte U_S und U_K durch die Emp findlichkeiten der MAGFET-Brücken dividieren, diese in Gleichung (1) einsetzen, Gleichung (1) nach d auflößen, die Luftspaltbreite d in Gleichung (2) einsetzen und Gleichung (2) nach µ_r auflösen.

Die Vorgehensweise zur Berechnung von µ_r wird im Blockschaltbild in Fig. 4 gezeigt. Es ist erkennbar, daß der Algorithmus für eine Implementierung in einer analogen Re chenschaltung geeignet ist.

Die Genauigkeit der Berechnung von µ_r und d hängt vom Offset und der Empfindlich keitsdrift der MAGFET-Brücken ab. Der Nullpunktoffset sowie das niederfrequente Rauschen (z. B. 1/f-Rauschen) der MAGFET-Sensorbrücken kann durch periodi sches Ein- und Ausschalten des Magnetfeldes und Einsatz der bekannten Autozero technik eleminiert werden. Die Empfindlichkeitsdrift kann durch Anwendung einer sog. Selbstkalibrierung während des Betriebs kontinuierlich ausgeglichen werden.

Beschreibung, 3. Teil

Magnetfeldsensoren, deren Wirkungsprinzip auf dem Hall-Effekt beruht, sind durch eine besonders gute Linearität gekennzeichnet. Ein Nachteil jedoch ist die Empfind lichkeitsdrift, die u. a. von Temperaturschwankungen herrührt. Deshalb muß ein Ver fahren gefunden werden, das eine selbsttätige Eliminierung der Empfindlichkeitsdrift der Sensorelemente ermöglicht. Zunächst werden die Grundüberlegungen, die zur Er findung führten, dargelegt.

Gleichung (1) und (2) stellen ein Gleichungssystem mit den 2 Unbekannten d und µ_r dar, das die eindeutige Bestimmung von d und µ_r ermöglicht, wenn S_K und S_S bekannt sind. Wenn die Empfindlichkeit S_S und S_K ebenfalls unbekannt anzunehmen sind, werden mindestens zwei weitere Gleichungen mit den Unbekannten S_S, S_K, d und µ_r benötigt. Erfüllt wird diese Forderung durch den Einsatz von ein und dem selben Kernfeld- bzw. Streufeldsensor in unterschiedlichen Sensorgeometrien (Feld verläufen), jedoch bei gleichem µ_r und gleichem d.

In der Erfindung wird diese Anforderung nach unterschiedlichen Sensorgeometrien (Feldverläufen) durch eine Veränderung des qualitativen und quantitativen Magnet feldverlaufs erreicht, indem die zwei Spulen bzw. die in Reihe geschalteten Teilspulen der Spule mit Mittenanzapfung wechselweise im Gleichtakt- und Gegentaktmodus betrieben werden. Die Stromflußrichtung, die prinzipielle Anordnung der Kern- und Streufeldsensoren sowie den grob schematisch angedeuteten Verlauf der Flußlinien zeigt für Gleichtaktbetrieb die Fig. 2a, für den Gegentaktbetrieb die Fig. 2b. Die zwei unterschiedlichen Verläufe der magnetischen Flußdichtelinien, die aus den beiden Betriebsmodi resultieren, implizieren zwei unterschiedliche Sensorgeometrien mit gleichem µ_r und d.

Man geht von insgesamt 4 Gleichungen mit den eindeutig bestimmbaren Unbekannten µ_r, d, S_S und S_K aus:

Die Indizes gl und gg steht für Gleichtakt- bzw. Gegentaktbetrieb. k₁ bis k_n sind Systemkonstanten, die während des Betriebes des Drehmomentsensors konstant sind.

Die Gleichungen (3) und (4) für sich ermöglichen bei bekanntem S_K und S_S die eindeutige Bestimmung von µ_r und d, wie dies schon in Teil 2 der Beschreibung gezeigt wurde. Für die Gleichungen (5) und (6) gilt sinngemäß das gleiche. Die Gleichungen (3) und (5) sowie (4) und (6) sind paarweise so voneinander unabhängig, daß wenn µ_r und d bekannt wären, man S_K und S_S bestimmen könnte.

Insgesamt steht ein Gleichungssystem zur Verfügung, das nicht nur die Berechnung des Drehmomentes mittels der Veränderung der relativen Permeabilität µ_r gestattet, sondern auch die Bestimmung der Luftspaltbreite d und der Empfindlichkeiten S_K und S_S der Flußdichtesensoren ermöglicht.

Als Beispiel für die Berechnung der vier Unbekannten soll der in dieser Beschreibung dargestellte mikromechanische Sensor dienen.

Man geht von den Gleichungen (1) und (2) aus, die sowohl für Gleichtaktbetrieb mit den Systemkonstanten r₁₁ bis r₁₆ als auch für Gegentaktbetrieb mit den Systemkon stanten r₂₁ bis r₂₆ aufgestellt werden.

Diese Gleichungen können nach den vier Unbekannten µ_r, d, S_S und S_K aufgelöst werden. Löst man beispielsweise die Gleichungen (7) und (9) nach den Quotienten S_S/S_K auf und eleminiert diesen durch Gleichsetzen von (7) und (9), so erhält man eine Gleichung für den Abstand d:

Aus den Gleichungen (8) und (10) kann die Unbekannte S_K eleminiert werden und man erhält eine Gleichung für die Permeabilität µ_r, mit dem Abstand d als Variable:

Wenn man die Gleichung für den Abstand (11) in die Gleichung (12) einsetzt, dann erhält man eine eindeutige Beziehung für die Permeabilität µ_r.

Anhand dieses Beispiels wurde gezeigt, daß die Berechnung der Permeabilität aus dem System der vier Gleichungen analytisch möglich ist und daß keine numerische Nullstellenbestimmung erforderlich ist. Daher kann der Algorithmus als analoge Re chenschaltung implementiert werden.

In der Beschreibung wurde gezeigt, wie ein integrierter mikromechanischer Drehmo mentsensor realisiert werden kann:

- Durch den Einsatz von Streufeldsensoren wird das Problem der Schwankung der Spaltbreite zwischen Pol und Welle gelöst.
- Der Nullpunktoffset und das niederfrequente Rauschen der Magnetfeldsensoren wird durch periodisches Aus-/Einschalten des Magnetfeldes und Einsatz der bekannten Autozerotechnik eliminiert.
- Der Betrieb zweier Feldspulen im Gleich- und Gegentaktbetrieb bewirkt eine qualitative Veränderung des Magnetfeldes, wodurch die Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren kalibriert werden kann.
- Die Streufeldmessung und die Kalibrierung der Empfindlichkeit der Magnet feldsensoren ermöglichen eine genaue Bestimmung des Drehmomentes.

Es folgen fünf Seiten mit Zeichnungen:

Fig. 1a: Querschnitt durch den mikromechanischen Drehmomentsensor.

Fig. 1b: Aufsicht auf Oberseite mit Gruben, Joch und darunterliegende Spulen.

Fig. 2a: Wirkungsprinzip im Gleichtaktbetrieb

Fig. 2b: Wirkungsprinzip im Gegentaktbetrieb

Fig. 3a: Kennfeld der Kernflußdichte bei Gleichtaktanregung (B_Kgl = f(µ_r, d))

Fig. 3b: Kennfeld der Streuflußdichte bei Gleichtaktanregung (B_Sgl = f(µ_r, d))

Fig. 3c: Änderung der relativen Streuflußdichte (B_Sgl/B_Kgl = f(µ_r, d))

Fig. 3d: relative Flußdichte über den Abstand (B_Sgl/B_Kgl = f(d))

Fig. 3e: Kennfeld der Kernflußdichte bei Gegentaktanregung (B_Kgg = f(µ_r, d))

Fig. 3f: Kennfeld der Streuflußdichte bei Gegentaktanregung (B_Sgg = f(µ_r, d))

Fig. 4: Blockschaltbild für die Eleminierung des Abstandes aus der Gleichung für µ_r

Claims

1. Berührungsloser magnetostriktiver Drehmomentsensor, bestehend aus mindestens einem magnetischen Kreis, der durch mindestens eine Spule, mindestens ein ferromagnetisches Joch sowie eine ferromagnetische Welle oder eine ferromagnetische Schicht auf einer Welle mit einer vom anliegenden Drehmoment abhängigen relativen Permeabilität gebildet wird, wobei wenigstens zwei Magnetfeldsensoren vorhanden sind, wobei ein erster Magnetfeldsensor das magnetische Feld im Bereich des nahezu homogenen Feldverlaufs zwischen Joch und Welle und ein zweiter Magnetfeldsensor das magnetische Feld in einem Bereich des inhomogenen Feldverlaufs zwischen Joch und Welle erfaßt.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Magnetfelderzeugung wenigstens zwei unabhängig ansteuerbare Spulen oder eine Spule mit Mittenanzapfung vorhanden sind.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Spule, das wenigstens eine Joch und die Magnetfeldsensoren auf einem Halbleiter-Chip mit Methoden der Mikromechanik und Dünnschichttechnik ausgebildet sind.

4. Drehmonentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Spulen und Joch auf der Rückseite und die Magnetfeldsensoren auf der Vorderseite des Halbleiter-Chip angeordnet sind.

5. Drehmonentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren auf dem Hall-Effekt basieren.

6. Verfahren zur magnetostriktiven Drehmomentmessung, wobei mittels wenigstens einer Spule ein magnetisches Feld erzeugt wird und mittels eines ersten Magnetfeldsensors das Feld im Bereich des nahezu homogenen Feldverlaufs zwischen einem ferromagnetischen Joch und einer ferromagnetischen Welle oder einer ferromagnetischen Schicht auf einer Welle mit einer vom anliegenden Drehmoment abhängigen relativen Permeabilität gemessen wird und mittels eines zweiten Magnetfeldsensors das magnetische Feld im Bereich des inhomogene Feldverlaufs zwischen dem ferromagnetischen Joch und der Welle oder der Schicht auf der Welle gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Spulen oder eine Spule mit Mittenanzapfung abwechselnd gleichsinnig und gegensinnig geschaltet werden, um eine Kalibrierung der Empfindlichkeiten der Magnetfeldsensoren durchzuführen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Feldes durch mindestens einen Spulenstrom oder Teilspulenstrom verändert wird, um eine Kalibrierung der Empfindlichkeiten der Magnetfeldsensoren durchzuführen.