3D-Hall-Sensor

Eine Sensortopologie, viele Anwendungen

Die Entwicklung von ICs auf Basis des Hall-Sensors verlief über eindimensionale, diskrete Hall-Sensoren bis hin zu hochintegrierten Hall-Elementen, die ganze Arrays mit Hall-Sensoren auf einem einzelnen Chip enthalten. Dieser Schritt war von großer Bedeutung, da die präzise und robuste Hall-Sensortechnik nun in viel mehr Anwendungen zur Positionsbestimmung zum Einsatz kommen konnte. Der nächste große Sprung sind aktuell dreidimensionale Arrays oder Pixel mit Hall-Sensoren.

Magnetische Hall-Sensoren sind schon seit vielen Jahren in Halbleiter-Bausteine integriert, so dass heute eine ganze Reihe verschiedener Hall-Sensoren auf dem Markt ist. Sie lassen sich grob in vier Gruppen einteilen: Herkömmliche Absolut-Schalter und Sensoren, Hall-Sensoren, Hall-Sensoren mit Magnetfeld-Konzentratoren und 3D- Hall-Sensoren. Der jüngste Generationswechsel auf dreidimensionale Arrays oder Pixel mit Hall-Sensoren ist der nächste Schritt und erweitert die Zahl der Anwendungen, die von einer magnetischen Positionsbestimmung profitieren können. Dadurch stehen den OEMs völlig neue Implementierungsmöglichkeiten zur Verfügung. 

Vom Positionsendschalter zur komplexen Applikation

Der herkömmliche Absolut-Hall-Sensor dominiert seit den 1980er Jahren den Markt. Dieser Sensor erfasst das Magnetfeld (B) in einer Richtung; das Ausgangssignal wird verstärkt und über vorprogrammierte Offset-Parameter kompensiert. Obwohl dieser Sensortyp einfach, zuverlässig und gut handhabbar ist, sind seine Anwendungsmöglichkeiten aufgrund der eindimensionalen Topologie beschränkt. Er wird heute oft als Positionsendschalter eingesetzt und kann in speziellen Applikationen wie als Nocken- oder Kurbelwellensensor in Kfz-Motoren verwendet werden.

Zu Beginn des neuen Jahrtausends erschien eine weiterentwickelte Version auf dem Markt: Der magnetische Hall-Sensor. Dieser Sensor integriert mehrere 1D-Hall-Sensoren auf einem Siliziumchip, bietet aber auch Signalverarbeitungs- und digitale Berechnungsfunktionen. Diese multiple 1D-Sensor-Topologie ermöglicht die Implementierung magnetischer Drehgeber und linearer Positionssensoren.

An dieser Stelle setzt nun die typische Entwicklung bei Halbleiterelementen ein: Die Integrierung führt zu weiterer Miniaturisierung und Massenproduktion, so dass die ältere Technik in Form der optischen Geber durch magnetische Geber verdrängt wurde. Die von austriamicrosystems eingeführte Geberausführung verwendet Differenzialeingänge für die Signalkette und gepaarte Hall-Sensoren. Dies resultiert in einer sehr hohen Störfestigkeit gegenüber Magnetfeldern, aber auch gegenüber Temperaturschwankungen und anderen Umwelteinflüssen.

Bei dieser Topologie verwendet der Sensor nur die B_z-Feldkomponente des über dem IC positionierten Magnetfeldes. Ein Magnetfeld-Konzentrator auf dem Chip kann jedoch auch die B_x- und B_y-Komponenten eines magnetischen Feldes nutzen. Dieses zusätzliche Post-Processing sorgt für höhere Empfindlichkeit und ermöglicht eine präzisere Messung, aber auch das Verwenden kleinerer Magnete oder eine größere Reichweite. Der Nachteil der Encoder- und Feldkonzentrator-Topologie liegt in der Störanfälligkeit gegenüber magnetischen Streufeldern.

Der erste IC-Baustein mit 3D-Hall-Sensor-Technologie wurde im Jahr 2006 angekündigt. Laterale und vertikale Hall-Sensoren wurden in einem Hochvolt-CMOS Prozess integriert. Diese Technologie wurde ursprünglich vom Fraunhofer IIS in Erlangen entwickelt. austriamicrosystems hat dann diese Technologie in Lizenz übernommen und industriell aufbereitet.

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Bild 1. Um die Bz-Komponente zu messen, werden in der 3D-Pixelzelle vier laterale Hall-Sensoren in der Mitte kombiniert.

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Bild 1. Um die Bz-Komponente zu messen, werden in der 3D-Pixelzelle vier laterale Hall-Sensoren in der Mitte kombiniert.

Auf diese Weise entstand die AS54xx-Produktfamilie. In der Implementierung werden zwei oder mehr 3D-Pixel auf einem Chip untergebracht, um so die Generierung differenzieller Ausgänge zu ermöglichen. Wie bei den eindimensionalen magnetischen Gebern erhalten die AS54xx hierdurch präzise Messfähigkeiten und eine hohe Störfestigkeit gegenüber magnetischen Streufeldern und anderen Umwelteinflüssen (Bild 1).

In der 3D-Pixelzelle werden in der Mitte vier laterale Hall-Sensoren kombiniert, um die B_z-Komponente des Magnetfelds zu messen. Oben und unten befinden sich die vertikalen Hall-Sensoren für die B_y-Komponente. Links und rechts sind die vertikalen Hall-Sensoren für die B_x-Komponente untergebracht. Der empfindliche Bereich auf dem Chip ist etwa 200 µm lang.

Die Fähigkeit, magnetische Felder in drei Dimensionen messen zu können, erweitert die Möglichkeiten dieses IC-Bausteins erheblich. Nun können verschiedene Magnetfeld-Komponenten kombiniert und für unterschiedliche trigonometrische Berechnungen verwendet werden - alles mit nur einem Chip (Bild 2).

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Bild 2. Blockschaltung des 3D-Hall-Sensors AS54xx.

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Bild 2. Blockschaltung des 3D-Hall-Sensors AS54xx.

Zwei 3D-Pixelzellen messen die Magnetfeldkomponenten; der Abstand zwischen den Pixeln beträgt 2,5 mm bzw. 5 mm. Für jeden Zyklus werden alle sechs Signal-Komponenten - drei Magnetfeld-Komponenten in jeweils zwei Pixelzellen - und Temperatur-Informationen an den DSP und Arcus-tangens-Koordinatenrechner (ATAN) übertragen. Für bestimmte Positionsmessungen kommt eine integrierte Linearisierungsfunktion zum Einsatz.

Mit dieser 3D-Sensortechnik kann eine Positionsbestimmung für praktisch jede mechanische Anordnung durchgeführt werden, einschließlich Off/On-Axis-Drehwinkelmessung, Linearbewegung, mehrachsige Neigung und komplexe magnetische Mustererkennung.

1. Teil: Eine Sensortopologie, viele Anwendungen
2. Teil: Beispiel einer linearen Positionsmessung

Weiterführende Links:

• Sensoren und Signalverarbeitung auf dem Chip integriert: Hochauflösende Dreh-und Winkelmessung mit Hall-Sensoren