SI25817A - Magnetni senzor, ki vključuje generiranje testnega dinamičnega magnetnega polja - Google Patents

Abstract

Predlagani izum se nanaša na magnetni senzor, ki vsebuje dva ali več Hallovih elementov, razporejenih v določeno prostorsko konfiguracijo glede na konkretno aplikacijo (npr. merjenje linearnega pomika ali kotnega pomika), s pripadajočim elektronskim vezjem, ki krmili Hallove elemente, ki meri ustrezne parametre na posamičnih Hallovih elementih in ki omogoča umeritev celotnega magnetnega senzorja glede na rezultate karakterizacije, ter na novo metodo karakterizacije takega magnetnega senzorja. Vsak Hallov element ima vgrajeno mikro tuljavo. Vgrajene mikro tuljave simulirajo premikanje vira konstantnega magnetnega polja po celotni poti, kar nam na hitrejši in lažji način omogoči karakterizacijo posamičnih Hallovih elementov in celega magnetnega senzorja, vključno s pripadajočim elektronskim vezjem.

Description

Magnetni senzor, ki vključuje generiranje testnega dinamičnega magnetnega polja

Predmet izuma je senzor za merjenje magnetnega polja, ki se ga uporablja predvsem za meritev linearnega pomika ali kotnega pomika, kateremu dodatno vgradimo tuljave z ustreznim vezjem za generiranje testnega dinamičnega magnetnega polja, ki v fazi karakterizacije senzorja posnema polje gibajočega zunanjega magneta. Predlagani izum omogoča bistveno poenostavitev do sedaj znanih postopkov karakterizacije magnetnih senzorjev.

Stanje tehnike

Senzorji, ki temeljijo na uporabi magnetnega polja, so prisotni v številnih brezkontaktnih merilnih aplikacijah z zahtevnimi obratovalnimi pogoji. Tovrstni magnetni senzorji so lahko izdelani na osnovi enega ali več Hallovih elementov ter pripadajočega vezja. Hallovi elementi predstavljajo optimalno izbiro med učinkovitostjo in ceno, vendar je potrebno take senzorje pred uporabo karakterizirati, predvsem s stališča občutljivosti posamičnega Hallovega elementa, morebitnih asimetrij znotraj senzorja, ki se spreminjajo med posameznimi senzorji kot posledica procesnih variacij tekom proizvodnje senzorja. Glede na rezultate karakterizacije se občutljivost in simetričnost celotnega magnetnega senzorja lahko popravi na željeno vrednost z umerjanjem občutljivosti posamičnega Hallovega elementa v pripadajočem vezju magnetnega senzorja.

Obstaja nekaj znanih postopkov karakterizacije magnetnih senzorjev na osnovi Hallovih elementov. Eden prvih postopkov temelji na vzbujanju testnega senzorja z zunanjim enosmernim magnetnim poljem preko Helmholtzove tuljave, a je relativno časovno potraten in drag pristop v masovni proizvodnji. Kadar izvajamo karakterizacijo polja Hallovih elementov, moramo zagotoviti primerno testno konfiguracijo, ki zagotavlja testno magnetno polje preko vseh elementov. Drugi postopek karakterizacije temelji na meritvi upornosti Hallovega elementa, ki je opisan v patentu US7492178B2. Ta postopek ima prednost, ker pri njem ne potrebujemo dodatnega zunanjega ali notranjega izvora magnetnega polja, saj merimo odziv senzorja za dani delavni tok senzorja. Točnost karakterizacije vtem postopku je odvisna od določitve točne korelacije med občutljivostjo in upornostjo posamičnega Hallovega elementa, ki je odvisna od koncentracije dopiranja materiala v Hallovem elementu ter od geometrije senzorja, ki ni idealen parameter zaradi odstopanj v proizvodnji. Karakterizacija senzorja se lahko izvede tudi preko interno generiranega magnetnega polja s pomočjo mikro tuljave, ki generira referenčno magnetno polje predstavljeno v

ΕΡ0655628Α2. Do sedaj znani pristopi s pomočjo mikrotuljave so uporabljeni za karakterizacijo posamičnega Hallovega elementa ali polja Hallovih elementov preko skupnega odziva vseh elementov.

Opis izuma

Predlagani izum se nanaša na magnetni senzor, ki vsebuje dva ali več Hallovih elementov, razporejenih v določeno prostorsko konfiguracijo glede na konkretno aplikacijo (npr. merjenje linearnega pomika ali kotnega pomika), s pripadajočim elektronskim vezjem, ki krmili Hallove elemente, ki meri ustrezne parametre na posamičnih Hallovih elementih in ki omogoča umeritev celotnega magnetnega senzorja glede na rezultate karakterizacije, ter na novo metodo karakterizacije takega magnetnega senzorja.

Izum je podrobneje opisan v nadaljevanju in predstavljen z izvedbenimi primeri in na slikah, ki prikazujejo:

Slika 1 prikazuje odnos med faznim zamikom vzbujalnega magnetnega polja mikro tuljav T v odvisnosti od položaja pripadajočega Hallovega elementa H na poti L

Slika 2 prikazuje izvedben primer z osmimi Hallovimi elementi razporejenimi v krožno pot L za merjenje kotnega pomika

Slika 3 prikazuje izvedben primer z osmimi Hallovimi elementi razporejenimi v linearno pot L za merjenje linearnega pomika

Slika 4 prikazuje izvedbeni primer s šestnajstimi Hallovimi elementi razporejenimi v linearno pot L' in krožno pot L

Slika 5 prikazuje štiri krmilne tokovne signale preko mikro tuljav

Slika 6 prikazuje procesirana signala sinus in kosinus iz zajetih odzivov Hallovih elementov na dinamično magnetno polje

Slika 7 prikazuje popačen in korigiran kot zasuka magnetnega polja

Magnetni senzor za uporabo merjenja pomika znotraj določene poti L vključuje dva ali več Hallovih elementov H (Hi, H₂, ...), ki so prostorsko razporejeni po določeni poti L z medsebojno razdaljo R_n(Ri, R₂, ···) na poti L, pri čemer je med razdalje R_n vključena tudi razdalja prvega

Hallovega elementa H od začetka poti L ali zadnjega Hallovega elementa H od konca poti L v primeru, ko prvi Hallov element H ne sovpada z začetkom poti L, ali zadnji Hallov element H s koncem poti L, tako da je seštevek vseh razdalj R_n enak poti L (Slika 1), in so Hallovi elementi H prirejeni za merjenje sprememb magnetnega polja zaradi premikanja konstantnega magnetnega polja magnetnih polov sever-jug razporejenih ob poti L, pri čemer je vsakemu omenjenemu Hallovemu elementu H znotraj magnetnega senzorja integrirana mikro tuljava T (Tj, T₂, ...) za generiranje magnetnega polja med postopkom karakterizacije, in elektronsko vezje prirejeno za krmiljenje omenjenih Hallovih elementov H, za merjenje napetostnih odzivov omenjenih Hallovih elementov H kot posledico spreminjanja magnetnega polja zaradi premikanja vira magnetnega polja, ter za umeritev celotnega magnetnega senzorja glede na rezultate karakterizacije. Elektronsko vezje je prirejeno tudi za vzbujanje mikro tuljav T med postopkom karakterizacije in sočasno za merjenje napetosti Hallovih elementov H. Posamezna mikrotuljavaT je vzbujana po sinusni funkciji s periodo P. Magnetna polja na posameznih mikro tuljavah T so v takih medsebojnih faznih zamikih, da ustrezajo medsebojni razdalji R_n, pri čemer celotna perioda P ustreza celotni poti L.

Zaželeno je, da je magnetno polje, ki ga generirajo mikro tuljave T v območju pripadajočega Hallovega elementa H, čim bolj homogeno, zato je prednostno os posamezne mikro tuljave T poravnana z osjo pripadajočega Hallovega elementa H.

Metoda za karakterizacijo magnetnega senzorja vključuje naslednje korake:

1) resetiranje/vklop magnetnega senzorja, vključno s Hallovimi elementi H,

2) elektronsko vezje na posamezni mikro tuljavi T vzbuja magnetno polje po sinusni funkciji s periodo P, pri čemer so generirana magnetna polja posameznih mikro tuljav T v takih medsebojnih faznih zamikih, da ustrezajo medsebojni razdalji R_n, pri čemer celotna perioda P ustreza celotni poti L;

3) sočasno drugemu koraku elektronsko vezje meri parametre na omenjenih Hallovih elementih H, kar rezultira v karakterizaciji posamičnih Hallovih elementov H in celotnega senzorja,

4) ponavljanje korakov 3 do 4 za poljubno število period P glede na željeno zanesljivost merjenja.

Prednost izuma je v tem, da z vgrajenimi mikro tuljavami T odpravimo potrebo po zunanjem premikajočem viru konstantnega magnetnega polja v fazi karakterizacije. Vgrajene mikro tuljave

T, ki so vzbujane na prikazan način, simulirajo premikanje vira konstantnega magnetnega polja po celotni poti L, kar nam na hitrejši in lažji način omogoči karakterizacijo posamičnih Hallovih elementov H in celega magnetnega senzorja, vključno s pripadajočim elektronskim vezjem. Zaradi tega se lahko karakterizacija in umerjanje magnetnega senzorja izvede že takoj po proizvodnji letega brez potrebe po zunanjem premikajočem se viru konstantnega magnetnega polja.

V primeru, ko sta dva Hallova elementa H razporejena po poti L z razmikom L/2, je med magnetnima poljema na pripadajočih mikro tuljavah T fazni zamik P/2, zato lahko pripadajoči mikro tuljavi T krmilimo z istim tokom, le v obratni smeri.

Prvi izvedbeni primer z osmimi Hallovimi elementi razporejenimi v krožno pot L za merjenje kotnega pomika

Slika 2 prikazuje eno od možnih poti L, in sicer krožnico. Pristop s krožnico je lahko integriran v aplikacijah, kjer merimo kot zasuka v osi merjenega objekta. Predstavljena krožna konfiguracija sestoji iz osmih Hallovih elementov Hj-Hg s pripadajočimi mikro tuljavami Ti-T₈, ki so enakomerno razporejeni po krožni poti L z medsebojnimi razdaljami R_n. Omenjeni pristop z zakasnjenimi magnetnimi polji posnema premikajoče zunanje magnetno polje diametralno namagnetenega magneta, ki se nahaja v osi nad senzorjem. Posamezni pari Hallovega elementa in mikro tuljave začenši s Hallovim elementom Hj in pripadajočo mikro tuljavo Tj so zamaknjeni za prostorski kot a, ki je v tem izvedbenem primeru 45°, saj je le-ta enak celotnemu prostorskemu kotu 360° deljenim s številom Hallovih elementov, ki je v konkretnem primeru osem. Vsaka posamična mikro tuljava Tj-Tg je vzbujana z medsebojno fazno zamaknjenimi izmeničnimi električnimi tokovi 1, 2, 3 in 4, pri čemer fazni kot zamika ustreza prostorskemu kotu a posamične mikro tuljave Tj-Tg v integriranem vezju. Zaradi simetrije je med protiležnima Hallovima elementoma Hj in H_s razdalja L/2, posledično se na pripadajočih tuljavah!^-! in T₅ generira magnetno polje s faznim zamikom P/2 (oziroma za π), zato lahko krmilni tok 1, ki preko mikro tuljavice Ti generira magnetno polje 5, uporabimo tudi za generiranje magnetnega polja 6 obratne polaritete v proti ležni tuljavici T₅ z obrnjenimi kontakti. Preostali krmilni tokovi: tok 2, ki teče skozi T₂ in T₆, tok 3, ki teče skozi T₃ in T₇, in tok 4, ki teče skozi T₄ in T₈, so uporabljeni po enakem principu, pri čemer je med magnetnimi polji v omenjenih parih tuljav fazni zamik P/2 (oziroma za n).

Opisan pristop s štirimi krmilnimi tokovi prikazanimi na sliki 5 (1, 2, 3, 4) za osem mikro tuljav TjT₈je priležen, saj prepolovi število krmilnih signalov.

Odziv posameznega Hallovega elementa Hi-H₈na magnetno polje zavisi od njegovega položaja na poti L. Proti ležna Hallova elementa Hjin H_s zaznata magnetno polje nasprotne polaritete 5 in 6, kar je primerljivo z odzivom na konstantni zunanji magnet. Glede na signalno procesiranje vseh odzivov Hallovih elementov Hi-Ηβ, ki je ponazorjeno z enačbami 1, 2 in 3, signalno procesiranje vrne za ⁷¹ medsebojno zakasnjena signala 10 in 9 (slika 6), ki predstavljata sinus in kosinus kota a. Nadaljnji algoritem preko arctg določi kot 11, ki ponazarja kot a in se ponavlja od -90° do +90°. V kolikor obstajajo neidealnosti Hallovih senzorjev, jih med postopkom karakterizacije ugotovimo, saj se odražajo kot nelinearen časovni potek kota, ki je na sliki 7 prikazan kot črtkana črta 12. Te neidealnosti s programiranjem popravimo v fazi kalibracije, da dosežemo linearen potek kota v odvisnosti od časa, ki je prikazan kot črta 11 na sliki 7, kar pa ni predmet tega izuma.

Sin(a) = H_t+H₂ ++H₄-H_s-fi₆-H₇-H₈d)

Cosfa) = H₃ + H₄ + Η_ζ + H, - H₇-H_a- H. - H-(2) . sin ία)(3) a = tan^-1— cos.a)

Drugi izvedbeni primer z osmimi Hallovimi elementi razporejenimi v linearno pot L za merjenje linearnega pomika

Drugi izvedbeni primer predstavljen na sliki 3 opisuje senzor v linearni konfiguraciji, kjer je pot L daljica, in se ga uporabi v aplikacijah, kjer merimo linearni pomik željenega objekta. Po poti L je na enakih medsebojnih razdaljah R_n (Rj do R₇) razporejenih osem Hallovih elementov Hi-H₈ s pripadajočimi mikro tuljavami TpTg, pri čemer je v konkretnem izvedbenem primeru razdalja R₈ med zadnjim Hallovim elementom H₄ in koncem merjene poti L enaka ostalim razdaljam R_n. Vsaka od mikrotuljav Ti-T₈je vzbujana s fazno zamaknjenim izmeničnim delovnim tokom 1, 2, 3 in 4, ki je uporabljen za generiranje magnetnega polja. Skozi mikro tuljavici TJn T₅, ki sta razmaknjeni za polovico periode teče tok 1 v obratni smeri ter tako generira magnetni polji 7 in 8 nasprotnih polaritet, ki ju merita Hallova elementa HJn H₅. Med vsemi krmilnimi tokovi 1, 2, 3 in 4 so fazni zamiki enakovredni razdaljam med posameznimi mikro tuljavami Ti-T₈, pri čemer je celotna perioda P (360°) ekvivalentna celotni dolžini merjene poti L. Signalno procesiranje preko enačb 1,

2, 3 in 4 vrne izmerjeni pomik d, kjer razdalja L predstavlja celotno merjeno pot, ki bi bila v primeru uporabe konstantnega zunanjega magneta enaka razdalji med začetkom in koncem enega para sever-jug konstantnega zunanjega magneta.

a * L

360° (4)

Tretji izvedbeni primer sistema dveh magnetnih senzorjev, vsakega s po osmimi Hallovimi elementi razporejenimi v linearno pot L' in krožno pot L

Izvedbeni primer krožnega in linearnega magnetnega senzorja integriranega na enem integriranem vezju je prikazan na sliki 4. Sistem sestavljata dva magnetna senzorja s po osmimi pari Hallovega elementa in pripadajoče mikro tuljave. Integracija dveh magnetnih senzorjev na enem integriranem vezju omogoča ločeno uporabo v aplikacijah merjenja kota zasuka ali linearnega pomika. Prednost pristopa, je manjša površina dveh magnetnih senzorjev, pri čemer je pot L' linearna in integrirana znotraj poti L, ki je krožne oblike. Na linearni poti L' so razporejeni Hallov! elementi H₉-Hi₆ in pripadajoče mikro tuljave T₉-T₁₆ na enakih medsebojnih razdaljah R'_n. Prvi Hallov element H₁₃ sovpada z začetkom linearne poti L', medsebojne razdalje R'_n med sosednjimi Hallovimi elementi H₉ do H_i6 so enake, in hkrati enake razdalji R'_n med zadnjim Hallovim elementom Hi₂ in koncem linearne poti L¹. Na krožni poti L so razporejeni Hallovi elementi H_rH₈ in pripadajoče mikro tuljave T_rT₈ na enakih medsebojnih razdaljah R_n. Posledično je osem parov Hallovega elementa in mikro tuljave na krožni poti L medsebojno zamaknjenih za prostorski kot a 45°. Ta sistem nam omogoča, da karakterizacijo in umeritev obeh magnetnih senzorjev izvedemo istočasno. Dodatna prednost je, da za generiranje šestnajstih testnih magnetnih polj na tuljavah, potrebujemo le štiri krmilne signale 1, 2,3 in 4, ki so povezani preko kontaktov tako, da vsaka od dveh konfiguracij deluje enako kot je predstavljeno v izvedbenem primeru 1 in 2. Vsaka od krmilnih linij 1, 2, 3, 4 je povezana preko dveh proti ležnih mikro tuljavic v krožni konfiguraciji in preko dveh v linearni konfiguraciji.

Claims (4)

1. Patentni zahtevki

   1. Magnetni senzor, ki vključuje generiranje testnega dinamičnega magnetnega polja za uporabo merjenja pomika znotraj poti (L), ki vsebuje:

   - dva ali več Hallovih elementov (H), ki so prostorsko razporejeni po določeni poti (L) z medsebojno razdaljo (R_n) na poti (L), pri čemer je med medsebojne razdalje (R_n) vključena tudi razdalja prvega Hallovega elementa (H) od začetka poti (L) ali zadnjega Hallovega elementa (H) od konca poti (L) v primeru, ko prvi ne sovpada z začetkom, ali zadnji s koncem poti (L), pri čemer je seštevek vseh razdalj (R_n) enak poti (L), in so Hallovi elementi (H) prirejeni za merjenje sprememb magnetnega polja zaradi premikanja vira konstantnega magnetnega polja z magnetnima poloma sever-jug,

   - elektronsko vezje za krmiljenje omenjenih Hallovih elementov (H), za merjenje napetostnih odzivov omenjenih Hallovih elementov (H) kot posledico spreminjanja magnetnega polja zaradi premikanja vira magnetnega polja, ter za umeritev celotnega magnetnega senzorja glede na rezultate karakterizacije, označen s tem,

   - da je vsakemu omenjenemu Hallovemu elementu (H) znotraj magnetnega senzorja integrirana mikro tuljava (T) za generiranje magnetnega polja med postopkom karakterizacije,

   - da je omenjeno elektronsko vezje prirejeno tudi za vzbujanje omenjenih mikro tuljav (T) med postopkom karakterizacije in sočasno za merjenje napetosti Hallovih elementov (H),

   - da je posamezna mikro tuljava (T) vzbujana po sinusni funkciji s periodo (P),

   - da so magnetna polja na posameznih mikro tuljavah (T) v takih medsebojnih faznih zamikih, da ustrezajo medsebojni razdalji (R_n), pri čemer celotna perioda (P) ustreza celotni poti (L).

   2. Magnetni senzor po zahtevku 1, označen s tem, da je os posamezne mikro tuljave (T) poravnana z osjo pripadajočega Hallovega elementa (H).

   3. Magnetni senzor po zahtevkih od 1 do 2, označen s tem, da vsebuje vsaj dva Hallova elementa (H) s pripadajočima mikro tuljavama (T), razporejena po poti (L) z razmikom (L/2), pri čemer je med magnetnima poljema na pripadajočih mikro tuljavah (T) fazni zamik (P/2), in sta pripadajoči mikro tuljavi (T) krmiljeni z istim tokom, le v obratni smeri.

   4. Magnetni senzor po zahtevkih od 1 do 3, označen s tem, da so Hallov! elementi (H) prostorsko razporejeni po določeni poti (L) z medsebojnimi razdaljami (R_n) v krožni konfiguraciji ali v linearni konfiguraciji.

   5. Magnetni senzor po zahtevkih od 1 do 4, označen s tem, da je v krožni konfiguraciji po poti (L) v obliki krožnice na enakih medsebojnih razdaljah (R_n) razporejenih osem Hallovih elementov (Hj-Hg) s pripadajočimi mikro tuljavami (Tr-Tg), pri čemer so posamezni pari Hallovega elementa in pripadajoče mikro tuljave zamaknjeni za prostorski kot a, ki je 45°.

   6. Magnetni senzor po zahtevkih od 1 do 4, označen s tem, da je v linearni konfiguraciji po poti (L), ki je daljica, na enakih razdaljah (R_n) razporejenih osem Hallovih elementov (HiHg) s pripadajočimi mikro tuljavami (TrTg), pri čemer prvi Hallov element (H₅) sovpada z začetkom poti (L), medsebojne razdalje (Rj do R₇) med sosednjimi Hallovimi elementi (Η_χ do Hg) so enake, in hkrati enake razdalji (R_s) med zadnjim Hallovim elementom (H₄) in koncem poti (L).

   7. Sistem, ki vsebuje dva magnetna senzorja po zahtevkih od 1 do 6, označen s tem, da ima prvi magnetni senzor osem Hallovih elementov (H₉ do H₁₆) s pripadajočimi mikro tuljavami (T₉ do T₁₆) razporejenih vzdolž poti (L^{1 2}), ki je daljica, na enakih medsebojnih razdaljah R'n, da ima drugi magnetni senzor osem Hallovih elementov (Hj do H8) s pripadajočimi mikro tuljavami (Tj do T8) razporejenih vzdolž poti (L) v obliki krožnice, na enakih medsebojnih razdaljah Rn, pri čemer je pot (L¹) integrirana znotraj poti (L) in pri čemer prvi Hallov element (Hi3) sovpada z začetkom poti (L'), medsebojne razdalje (R'_n) med sosednjimi Hallovimi elementi (H₉ do H₁₆) so enake, in hkrati enake razdalji (R'_n) med zadnjim Hallovim elementom (H₁₂) in koncem poti (L¹).

   8. Metoda za karakterizacijo magnetnega senzorja po zahtevkih od 1 do 6 in sistema po zahtevku 7, pri čemer mikro tuljave (T) simulirajo premikanje vira konstantnega magnetnega polja po celotni poti (L),označena s tem, da vključuje naslednje korake:

   1) resetiranje/vklop magnetnega senzorja, vključno s Hallovimi elementi (H);
2. 2) elektronsko vezje na posamezni mikro tuljavi (T) vzbuja magnetno polje po sinusni funkciji s periodo (P), pri čemer so generirana magnetna polja posameznih mikro tuljav (T) v takih medsebojnih faznih zamikih, da ustrezajo medsebojni razdalji (R_n), pri čemer celotna perioda (P) ustreza celotni poti (L) in
3. 3) sočasno drugemu koraku elektronsko vezje meri parametre na omenjenih Hallovih elementih (H), kar rezultira v karakterizaciji posamičnih Hallovih elementov (H) in celotnega senzorja;
4. 4) ponavljanje korakov 3 do 4 za poljubno število period (P) glede na željeno zanesljivost merjenja.