DE9304629U1 - Non-contact magnetic torque sensor - Google Patents
Non-contact magnetic torque sensorInfo
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Description
&igr; Beschreibung&igr; Description
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 wechselndem
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 Magnetfeldsensoren
kompensiert, zusammen mit den Spulen, dem Joch und den Magnetfeldsensoren auf einem Chip integriert werden kann.All previously known non-contact torque sensors, which completely or largely enclose the shaft, have the problem that the change in the permeability of the layer on the shaft due to the torque causes a significantly smaller change in the flux density in the air gap or inductance than the fluctuation in the air gap width due to the eccentricity of the shaft with changing torque.
The solution to the problem proposed here and exemplified in the description is particularly suitable for implementation as a semiconductor-based micromechanical component, since the analog and digital sensor electronics, which compensate for the fluctuation of the air gap width and the sensitivity drift of the magnetic field sensors, can be integrated on one chip together with the coils, the yoke and the magnetic field sensors.
Die nachfolgende Beschreibung gliedert sich in drei Teile. Im ersten werden die technologischen Schritte zur Realisierung des integrierten mikromechanischen Drehmomentsensors dargelegt. Der zweite Teil geht auf die Kompensation der schwankenden Luftspaltbreite ein. Im dritten Teil wird die Kompensation der Empfindlichkeitsdrift der der Magnetfeldsensoren erklärt.The following description is divided into three parts. The first describes the technological steps for implementing the integrated micromechanical torque sensor. The second part deals with the compensation of the fluctuating air gap width. The third part explains the compensation of the sensitivity drift of the magnetic field sensors.
Der mikromechanische Drehmoment-Sensor nach Anspruch 3 kann auf einem doppelseitig, evtl. auch einseitig polierten Siliziumwafer realisiert werden.The micromechanical torque sensor according to claim 3 can be realized on a double-sided, possibly also single-sided polished silicon wafer.
Der Wafer muß eine Kristallorientierung in <100> Richtung besitzen und kann entweder schwach p- oder n-dotiert (20 — 30Clcm) sein.The wafer must have a crystal orientation in the <100> direction and can be either weakly p- or n-doped (20 — 30Clcm) .
Ein Querschnitt durch den Sensor zeigt Figur la, die Aufsicht auf die Oberseite des Wafers zeigt Figur Ib. Auf eine polierte Waferseite kann eine Epitaxieschicht von etwa 6 — 10&mgr;&tgr;&eegr; Dicke abgeschieden werden, deren Dotierstoffkonzentration durch einen spezifische Widerstand von 10 — 30ü,cm gekennzeichnet ist. Der Dotierstoff der Epitaxieschicht muß vom umgekehrten Leitfähigkeitstyp sein wie der des Wafers.A cross-section through the sensor is shown in Figure la, and a top view of the top side of the wafer is shown in Figure lb. An epitaxial layer of approximately 6 - 10 μm thick can be deposited on a polished wafer side, the dopant concentration of which is characterized by a specific resistance of 10 - 30 μm . The dopant of the epitaxial layer must be of the opposite conductivity type to that of the wafer.
In die Epitaxieschicht können auf dem Hall-Effekt beruhende Sensorelemente und weitere elektrische Bauelemente zur Signalverarbeitung mit einem MOS bzw. CMOS-Prozeß hergestellt werden.Sensor elements based on the Hall effect and other electrical components for signal processing can be manufactured in the epitaxial layer using a MOS or CMOS process.
Es kann auch direkt auf einem Wafer ein Bipolar- bzw. BICMOS-Prozeß für die Sensor- bzw. Schaltungselemente benutzt werden.A bipolar or BICMOS process can also be used directly on a wafer for the sensor or circuit elements.
Auf der Rückseite des Wafers werden anschließend eine oder mehrere Spulen beispielsweise
durch galvanische Abscheidung von Gold aufgebracht.
Dazu muß zunächst die Waferrückseite eine aus dem vorhergegangenen Standardprozeß
erzeugte Siliziumdioxidschicht von mindestens lOOnra besitzen. Darauf wird ein
Chromhaftschicht (Dicke: 50nm) und Goldstartschicht (Dicke: lOOnra) aufgedampft.One or more coils are then applied to the back of the wafer, for example by galvanic deposition of gold.
To do this, the back of the wafer must first have a silicon dioxide layer of at least 100nm thick, produced in the previous standard process. A chromium adhesion layer (thickness: 50nm) and a gold starter layer (thickness: 100nm) are then vapor-deposited onto this.
Die Waferseite mit den Spulen wird mit einer KOH (Kalilauge) resistenten Schicht abgedeckt. Diese Schicht wird für die Erzeugung von Gruben strukturiert. Die Gruben werden nun mittels anisotropen KOH-Ätzverfahren erzeugt, wobei man den pn-Übergang Epitaxieschicht-Bulk als elektrochemischen Ätzstop verwendet. Dann erhält man eine Membran in Dicke der Epitaxieschicht.The wafer side with the coils is covered with a KOH (potassium hydroxide) resistant layer. This layer is structured to create pits. The pits are then created using an anisotropic KOH etching process, using the pn junction epitaxial layer bulk as an electrochemical etch stop. A membrane is then obtained in the thickness of the epitaxial layer.
Die Maskierung für die KOH-Atzung muß nun entfernt werden.The masking for the KOH etching must now be removed.
Die Spule und die Grube müssen elektrisch passiviert werden, z.B. mit Siliziumdioxid.The coil and the pit must be electrically passivated, e.g. with silicon dioxide.
Auf das Siliziumdioxid wird eine ferromagnetische Schicht, z.B. NiFe (Dicke: 50 — lOOnm) als Startschicht für die Galvanik aufgesputtert. Dann erfolgt ein Photolitographieschritt zur Strukturierung des bzw. der Joche. Das Jochmaterial (NiFe) kann nun galvanisch abgeschieden werden (Dicke: 8 — &Igr;&dgr;&mgr;&eegr;&igr;). Der Photolack und die freiliegende Startschicht werden entfernt.A ferromagnetic layer, e.g. NiFe (thickness: 50 - 100 nm) is sputtered onto the silicon dioxide as a starting layer for the electroplating. A photolithography step is then carried out to structure the yoke(s). The yoke material (NiFe) can now be electroplated (thickness: 8 - 100 nm ). The photoresist and the exposed starting layer are removed.
Beschreibung, 2. TeilDescription, Part 2
Für die Dimensionierung des Sensors insgesamt und die geeignete Plazierung der Kernfeld- und Streufeldsensoren wird ein kommerziell erhältliches SD-Feldberechnungsprogramm verwendet. Mit dem Programm werden die Feldverläufe bei Gleich- bzw. Gegentaktanregung berechnet.A commercially available SD field calculation program is used to dimension the sensor as a whole and to appropriately place the core field and stray field sensors. The program calculates the field curves for common-mode and differential mode excitation.
Bei Gleichtaktanregung schneiden die Flußdichtelinien die Symmetrieebene YY' senkrecht,
wie in Figur 2a schematisch dargestellt. Den Feldverlauf bei Gegentaktanregung zeigt schematisch Figur 2b.
Von besonderem Interesse ist die Komponente der Flußdichte, welche die Grenzfläche
zwischen Epi-Schicht und Luftspalt senkrecht durchschneidet, weil sie der Definition
des Bereiches des sogenannten homogenen Feldverlaufs und des inhomogenen Feldverlaufs dient. Unterhalb der Pole des Jochs ist das Feld nahezu homogen,
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) eingesetzt.
Die MAGFET-Brücken sind nur sensitiv gegenüber Feldkomponenten senktrecht
zur Chipebene.In the case of common-mode excitation, the flux density lines intersect the symmetry plane YY' perpendicularly, as shown schematically in Figure 2a. The field progression in the case of differential-mode excitation is shown schematically in Figure 2b.
Of particular interest is the component of the flux density which cuts perpendicularly through the interface between the epi layer and the air gap, because it serves to define the area of the so-called homogeneous field distribution and the inhomogeneous field distribution. Below the poles of the yoke, the field is almost homogeneous, ie the flux density lines run parallel, in the edge area next to the poles the field is inhomogeneous. An interconnection consisting of two complementary split-drain MOS field-effect transistors (MAGFET) is used as a flux density sensor. The MAGFET bridges are only sensitive to field components perpendicular to the chip plane.
Mit Hilfe der 3D-Magnetfeldsimulation ist es möglich, den Streufeldsensor so zu plazieren,
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 Meßergebnisse mit einem Digitalrechner erfolgt, dann ist die Plazierung der Streufeldsensoren
unkritisch.
40With the help of the 3D magnetic field simulation, it is possible to position the stray field sensor in such a way that the quotient of the stray field density measured value to the core field density measured value is independent of the applied torque over the entire measuring range of the torque, up to a deviation of 0.05%. If the evaluation of the measurement results is carried out using a digital computer, the placement of the stray field sensors is not critical.
40
Die Ergebnisse bzw. die Auswertung der 3D-Feldsimulation des hier in der Beschreibung exemplarisch dargestellten Sensors zeigen die Figuren 3a bis 3f.The results or the evaluation of the 3D field simulation of the sensor shown here as an example in the description are shown in Figures 3a to 3f.
Aus Figur 3c ist zu entnehmen, daß das Verhältnis aus Streuflußdichte Bs zu Kernflußdichte &Bgr;&khgr; nahezu unabhängig von der Permeabiltät &mgr;&tgr; 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 Uk und Us
noch durch die Empfindlichkeiten der MAGFET-Brücken Sk (Kernfeld) bzw.
Ss (Streufeld) dividiert werden. Aus Figur 3d wird für den Quotienten BsJBk
im interessierenden Meßbereich folgende Gleichung abgeleitet:From Figure 3c it can be seen that the ratio of the stray flux density Bs to the core flux density βχ is almost independent of the permeability μτ of the layer on the shaft, ie independent of the torque, and depends only on the air gap width d .
For sensor signal processing, the measured voltages Uk and Us must be divided by the sensitivities of the MAGFET bridges Sk (core field) and Ss (leakage field). From Figure 3d, the following equation is derived for the quotient BsJBk in the measuring range of interest:
U1 U1
B3 Ss < , B 3 Ss < , mm
= = r+rd= = r+rd (1)(1)
SkSk
mit den Systemkonstanten r\ und r2. with the system constants r\ and r 2 .
Mit den Simulationsergebnissen aus Figur 3a und Figur 3b kann eine Gleichung für Bk mit den Systemkonstanten 7-3, r4, r5 und r6 aufgestellt werden:With the simulation results from Figure 3a and Figure 3b, an equation for Bk with the system constants 7 - 3, r 4 , r 5 and r 6 can be set up:
^ = r3 + ^ + r6.d+2 (2)^ = r3 + ^ + r 6 .d+2 (2)
Sk &mgr;&tgr; &agr;Sk μ΄α α
Um die relative Permeabilität &mgr;&tgr; und damit auch indirekt das Drehmoment zu bestimmen, muß man Bs und Bk messen, die Messwerte Us und Uk durch die Empfindlichkeiten 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 &mgr;&tgr; auflösen.In order to determine the relative permeability μτ and thus indirectly the torque, one must measure Bs and Bk , divide the measured values Us and Uk by the sensitivities of the MAGFET bridges, insert these into equation (1), solve equation (1) for d , insert the air gap width d into equation (2) and solve equation (2) for μτ .
Die Vorgehensweise zur Berechnung von &mgr;&Ggr; wird im Blockschaltbild in Figur 4 gezeigt. Es ist erkennbar, daß der Algorithmus für eine Implementierung in einer analogen Rechenschaltung geeignet ist.The procedure for calculating µ Γ is shown in the block diagram in Figure 4. It can be seen that the algorithm is suitable for implementation in an analog computing circuit.
Die Genauigkeit der Berechnung von &mgr;&tgr; und d hängt vom Offset und der Empfindlichkeitsdrift der MAGFET-Brücken ab. Der Nullpunktoffset sowie das niederfrequente Rauschen (z.B. 1//-Rauschen) der MAGFET-Sensorbrücken kann durch periodisches Ein- und Ausschalten des Magnetfeldes und Einsatz der bekannten Autozerotechnik eleminiert werden. Die Empfindlichkeitsdrift kann durch Anwendung einer sog. Selbstkalibrierung während des Betriebs kontinuierlich ausgeglichen werden.The accuracy of the calculation of µ, τ and d depends on the offset and the sensitivity drift of the MAGFET bridges. The zero point offset and the low frequency noise (eg 1// noise) of the MAGFET sensor bridges can be eliminated by periodically switching the magnetic field on and off and using the well-known autozero technique. The sensitivity drift can be continuously compensated by applying a so-called self-calibration during operation.
Magnetfeldsensoren, deren Wirkungsprinzip auf dem Hall-Effekt beruht, sind durch eine besonders gute Linearität gekennzeichnet. Ein Nachteil jedoch ist die Empfindlichkeitsdrift, die u.a. von Temperaturschwankungen herrührt. Deshalb muß ein Verfahren gefunden werden, das eine selbsttätige Eliminierung der Empfindlichkeitsdrift der Sensorelemente ermöglicht. Zunächst werden die Grundüberlegungen, die zur Erfindung gemäß Anspruch 2 führten, dargelegt.Magnetic field sensors whose operating principle is based on the Hall effect are characterized by a particularly good linearity. One disadvantage, however, is the sensitivity drift, which is caused by temperature fluctuations, among other things. Therefore, a method must be found that enables the sensitivity drift of the sensor elements to be automatically eliminated. First, the basic considerations that led to the invention according to claim 2 are explained.
Gleichung (1) und (2) stellen ein Gleichungssystem mit den 2 Unbekannten d und &mgr;&tgr; dar, das die eindeutige Bestimmung von d und &mgr;&tgr; ermöglicht, wenn Sk und Ss bekannt sind. Wenn die Empfindlichkeit Ss und Sk ebenfalls unbekannt anzunehmen sind, werden mindestens zwei weitere Gleichungen mit den Unbekannten Ss, Sk, d und &mgr;&tgr; benötigt. Erfüllt wird diese Forderung durch den Einsatz von ein und dem selben Kernfeld- bzw. Streufeldsensor in unterschiedlichen Sensorgeometrien (Feldverläufen), jedoch bei gleichem &mgr;&tgr; und gleichem d. Equations (1) and (2) represent a system of equations with the two unknowns d and μτ , which enables the unambiguous determination of d and μτ if Sk and Ss are known. If the sensitivity Ss and Sk are also assumed to be unknown, at least two further equations with the unknowns Ss, Sk, d and μτ are required. This requirement is met by using one and the same core field or stray field sensor in different sensor geometries (field profiles), but with the same μτ and the same d.
In der Erfindung wird diese Anforderung nach unterschiedlichen Sensorgeometrien (Feldverläufen) durch eine Veränderung des qualitativen und quantitativen Magnetfeldverlaufs 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 Figur 2a, für den Gegentaktbetrieb die Figur 2b.In the invention, this requirement for different sensor geometries (field profiles) is met by changing the qualitative and quantitative magnetic field profile by operating the two coils or the series-connected partial coils of the coil with center tap alternately in common-mode and differential-mode. The direction of current flow, the basic arrangement of the core and stray field sensors and the roughly schematically indicated course of the flux lines are shown in Figure 2a for common-mode operation and in Figure 2b for differential-mode operation.
Die zwei unterschiedlichen Verläufe der magnetischen Flußdichtelinien, die aus den beiden Betriebsmodi resultieren, implizieren zwei unterschiedliche Sensorgeometrien mit gleichem &mgr;&tgr; und d. The two different courses of the magnetic flux density lines resulting from the two operating modes imply two different sensor geometries with the same µ, τ and d.
Man geht von insgesamt 4 Gleichungen mit den eindeutig bestimmbaren Unbekannten /ir, d, Ss und Sk aus:We start with a total of 4 equations with the uniquely determinable unknowns /i r , d, Ss and Sk :
&rgr; _ Uk3I _ &ggr; { &igr; &igr; &igr; \ /&ogr;&khgr;&rgr; _ Uk 3 I _ &ggr; { &igr;&igr;&igr; \ /&ogr;&khgr;
°Kgl — ~~~7, — /l [&mgr;&tgr;, U, Kl...Kn) [&oacgr; °Kgl — ~~~7, — /l [µg] &tgr; , U, Kl...K n ) [&oacgr;
JKJK
Us3IUs 3 I
Bk33 = -7;— = j3{Mr,d,ki...kn) (5) Bk 33 = -7;— = j3{Mr,d,ki...k n ) (5)
JKJK
£>S33 — ~5 = JA {&mgr;&tgr;, «j Ki-..Kn) (&thgr;] £>S 33 — ~5 = JA {μ&tgr;, «j Ki-..K n ) (&thetas;]
JSJS
Die Indizes gl und gg steht für Gleichtakt- bzw. Gegentaktbetrieb. k\ bis kn sind Systemkonstanten, die während des Betriebes des Drehmomentsensors konstant sind.The indices gl and gg stand for common mode and differential mode operation respectively. k\ to k n are system constants that are constant during operation of the torque sensor.
Die Gleichungen (3) und (4) für sich ermöglichen bei bekanntem Sk und Ss die
eindeutige Bestimmung von &mgr;&tgr; 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 &mgr;&tgr; und d bekannt wären, man Sk und Ss bestimmen könnte.
Insgesamt steht ein Gleichungssystem zur Verfügung, das nicht nur die Berechnung
des Drehmomentes mittels der Veränderung der relativen Permeabilität &mgr;&tgr; gestattet,
sondern auch die Bestimmung der Luftspaltbreite d und der Empfindlichkeiten Sk
und Ss der Flußdichtesensoren ermöglicht.Equations (3) and (4) by themselves allow the unambiguous determination of μ τ and d if Sk and Ss are known, as was already shown in part 2 of the description. The same applies to equations (5) and (6). Equations (3) and (5) as well as (4) and (6) are pairwise independent of each other so that if μ τ and d were known, Sk and Ss could be determined.
Overall, a system of equations is available that not only allows the calculation of the torque by means of the change in the relative permeability μ τ , but also enables the determination of the air gap width d and the sensitivities Sk and Ss of the flux density sensors.
Als Beispiel für die Berechnung der vier Unbekannten soll der in dieser Beschreibung dargestellte mikromechanische Sensor dienen.The micromechanical sensor presented in this description serves as an example for the calculation of the four unknowns.
Man geht von den Gleichungen (1) und (2) aus, die sowohl für Gleichtaktbetrieb mit den Systemkonstanten rn bis r^e als auch für Gegentaktbetrieb mit den Systemkonstanten r21 bis r2ß aufgestellt werden.The starting point is equations (1) and (2), which are set up both for common-mode operation with the system constants r n to r^e and for differential-mode operation with the system constants r 21 to r 2 ß.
Us3,Us 3 ,
SK S K
Uk9I _ , !il , . , ri6 SK &mgr;&tgr; d Uk 9 I _ , !il , . , r i6 S K μ &tgr; d
UsnnUsnn
(8)(8th)
Ss "2i + T22-d (9) Ss "2i + T 22 -d (9)
aaaa
Sk
Us93 r24 r26 Sk
Us 93 r 24 r 26
-77— = »"31 + +T25-C?+-- (10)-77— = »"31 + +T 25 -C?+-- (10)
Ss &mgr;&tgr; &agr;Ss μ δ α
Diese Gleichungen können nach den vier Unbekannten &mgr;&tgr;, d, Ss und Sk aufgelöst werden. Löst man beispielsweise die Gleichungen (7) und (9) nach den Quotienten Ss/Sk auf und eleminiert diesen durch Gleichsetzen von (7) und (9), so erhält man eine Gleichung für den Abstand d: These equations can be solved for the four unknowns μ τ , d, Ss and Sk . For example, if equations (7) and (9) are solved for the quotient Ss/Sk and eliminated by equating (7) and (9), an equation for the distance d is obtained:
j _j_
USgg U Sgg
UKgi Uk93 U Kg i Uk 93
&ggr;—r12 - — r22 &ggr; — r 12 - — r22
USgl Us99 USgl Us 99
Aus den Gleichungen (8) und (10) kann die Unbekannte Sk eleminiert werden und man erhält eine Gleichung für die Permeabilität &mgr;&tgr;, mit dem Abstand d als Variable: 35From equations (8) and (10) the unknown Sk can be eliminated and an equation for the permeability μ τ is obtained, with the distance d as a variable: 35
„ Uk9IT2A Uk33Vu , *„ Uk 9 IT 2 A Uk 33 Vu , *
/X7- — j \&iacgr;&Dgr;) /X 7 - — j \ &iacgr;&Dgr; )
Uxggr-13 — Uk9IT23 + d [Uk33Ti5 - Uk9I^s] + -, [Uk33Tw — Uxggr-13 — Uk 9 IT23 + d [Uk 33 Ti 5 - Uk 9 I^s] + -, [Uk 33 Tw —
Wenn man die Gleichung für den Abstand (11) in die Gleichung (12) einsetzt, dann erhält man eine eindeutige Beziehung für die Permeabilität &mgr;&tgr;. If one inserts the equation for the distance (11) into equation (12), one obtains a unique relationship for the permeability μ &tgr; .
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 Rechenschaltung implementiert werden.This example shows that the calculation of permeability from the system of four equations is analytically possible and that no numerical determination of zeros is required. Therefore, the algorithm can be implemented as an analog calculation circuit.
In der Beschreibung wurde gezeigt, wie ein integrierter mikromechanischer Drehmomentsensor realisiert werden kann:The description shows how an integrated micromechanical torque sensor can be implemented:
• Durch den Einsatz von Streufeldsensoren wird das Problem der Schwankung der Spaltbreite zwischen Pol und Welle gelöst.• By using stray field sensors, the problem of fluctuations in the gap width between pole and shaft is solved.
• Der Nullpunktoffset und das niederfrequente Rauschen der Magnetfeldsensoren wird durch periodisches Aus-/Einschalten des Magnetfeldes und Einsatz der bekannten Autozerotechnik eliminiert.• The zero point offset and the low frequency noise of the magnetic field sensors is eliminated by periodically switching the magnetic field on/off and using the well-known autozero technology.
• Der Betrieb zweier Feldspulen im Gleich- und Gegentaktbetieb bewirkt eine qualitative Veränderung des Magnetfeldes, wodurch die Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren kalibriert werden kann.• The operation of two field coils in common and differential mode causes a qualitative change in the magnetic field, whereby the sensitivity of the magnetic field sensors can be calibrated.
· Die Streufeldmessung und die Kalibrierung der Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren ermöglichen eine genaue Bestimmung des Drehmomentes.· The stray field measurement and the calibration of the sensitivity of the magnetic field sensors enable an accurate determination of the torque.
Es folgen fünf Seiten mit Zeichnungen:There follow five pages of drawings:
Figur la: Querschnitt durch den mikromechanischen Drehmomentsensor.Figure la: Cross section through the micromechanical torque sensor.
Figur Ib: Aufsicht auf Oberseite mit Gruben, Joch und darunterliegende Spulen.Figure Ib: Top view of the top with pits, yoke and coils underneath.
Figur 2a: Wirkungsprinzip im GleichtaktbetriebFigure 2a: Principle of operation in common mode
Figur 2b: Wirkungsprinzip im GegentaktbetriebFigure 2b: Operating principle in push-pull operation
Figur 3a: Kennfeld der Kernflußdichte bei Gleichtaktanregung (&Bgr;&khgr;3&igr; = /(&mgr;&tgr;,&aacgr;)) Figur 3b: Kennfeld der Streuflußdichte bei Gleichtaktanregung (Bsai = /(&mgr;&tgr;,&aacgr;)) Figur 3c: Änderung der relativen Streuflußdichte (Bsgi/ &Bgr;&khgr;9&igr; = /(&mgr;&tgr;, d)) Figur 3d: relative Flußdichte über den Abstand (Bs9i/ Bk9I = f(d)) Figur 3e: Kennfeld der Kernflußdichte bei Gegentaktanregung [Bk99 = f(ßr,d)) Figur 3f: Kennfeld der Streuflußdichte beiGegentaktanregung (Bs99 = /(&mgr;&tgr;,&aacgr;)) Figur 4: Blockschaltbild für die Eleminierung des Abstandes aus der Gleichung für &mgr;&tgr; Figure 3a: Characteristic map of the core flux density with common mode excitation (β&khgr; 3 &igr; = /(μgr; &tgr; ,&aacgr;)) Figure 3b: Characteristic map of the stray flux density with common mode excitation (Bs a i = /(μgr; &tgr; ,&aacgr;)) Figure 3c: Change in the relative stray flux density (Bs g i/ β&khgr; 9 &igr; = /(μgr; &tgr; , d)) Figure 3d: Relative flux density over the distance (Bs 9 i/ Bk 9 I = f(d)) Figure 3e: Characteristic map of the core flux density with differential mode excitation [Bk 99 = f(ß r ,d)) Figure 3f: Characteristic map of the stray flux density with differential mode excitation (Bs 99 = /(μgr; &tgr; ,&aacgr;)) Figure 4: Block diagram for the elimination of the distance from the equation for µ &tgr;
Claims (1)
&igr;.&igr; Protection claims
&igr;.
dadurch gekennzeichnet, daß Contactless magnetic torque sensor, consisting of at least one magnetic circuit, which is represented by at least one coil, at least one ferromagnetic yoke, as well as a ferromagnetic layer on the shaft or a ferromagnetic shaft with a relative permeability dependent on the applied torque,
characterized in that
dadurch gekennzeichnet, daß the torque sensor is manufactured on a semiconductor chip, with the coil(s) and the soft magnetic yoke being arranged on the back of the chip and the magnetic field sensor(s) being arranged on the front of the chip,
characterized in that
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