Zweite 3D-HAL-Sensor-Generation von Micronas Hall-Sensoren für Automotive und Industrie

3D-HAL-Sensor-Prinzip von Micronas
3D-HAL-Sensor-Prinzip von Micronas

Für Anwendungen im Automobil und in der Industrie hat Micronas die neue Generation der auf der 3D-HAL-Technologie basierenden HAL-37xy-Sensorfamilie entwickelt. Die Sensoren erfassen Winkel bis 360° und Positionen bis zu 40 mm.

Dank ihres kontaktlosen Messprinzips, der hohen Temperaturstabilität und Beständigkeit gegen Luftspaltänderungen und Magnetalterung können sie Potenziometer, widerstandsbasierte lineare Positionssensoren und optische Linear-Encoder in rauen Umgebungen ersetzen.

Die neue Sensor-Generation bietet im Vergleich zu herkömmlichen Hall-Effekt-Sensoren einige gravierende Vorteile. Die Grundlage dafür liegt bereits in ihrem Aufbau. Während herkömmliche Hall-Sensoren lediglich Magnetfeldkomponenten detektieren, die senkrecht zur Chip-Oberfläche verlaufen, beinhalten die Sensoren der HAL-37xy-Familie zwei vertikale und ein horizontales Hall-Element mit getakteter Offset-Kompensation zur Detektion von X-, Y- oder Z-Magnetfeld-Komponenten. Ein Signalwandler und ein Signalprozessor errechnen aus zwei von drei Magnetfeld-Elementen die absolute lineare Position bis zu einer Distanz von 40 mm und bestimmen die Winkelposition innerhalb von 360 Grad. Systemdesigner können durch eine eingebaute Kalibrierung die Performance für ein bestimmtes System optimieren, wobei die Kalibrierungsinformation im integrierten EEPROM gespeichert wird. Alle Sensoren der HAL-37xy-Familie sind durch Modulation der Ausgangsspannung programmierbar. Daher ist kein zusätzlicher Programmier-Pin nötig.

Zusätzlich zu dem Hall-Element, das das Magnetfeld in Z-Richtung misst, verfügen die Sensoren über weitere vertikale Hall-Elemente für die Messung in X- und Y-Richtung. Verwendet man einen zusätzlichen Flusskonzentrator, um die magnetischen Feldkomponenten in X- und Y-Richtung zu bündeln, können die unabhängigen vertikalen Hall-Elemente von Micronas die Verzerrung der Feldlinien, die durch den Flusskonzentrator verursacht wird, eliminieren und dadurch zur Verbesserung des Dynamikbereichs und der Sensorleistung beitragen. Darüber hinaus führt die Optimierung der vertikalen Hall-Elemente zu einer besseren Offset-Kompensation und zu einer höheren Gesamtgenauigkeit, wobei gleichzeitig die Stromaufnahme sinkt.

Messlösungen mit dem 3D-HAL-Prinzip

Winkelmessung:

Die Sensoren der HAL-37xy-Familie eignen sich auch zur Messung von Winkelpositionen innerhalb des Vollwinkels. Der Sensor kann am Ende einer Welle oder neben einer Achse arbeiten. Eine Drehung von 360 Grad führt zu einem Sinus- und einem Kosinussignal für die »Bx und By«- oder »Bx und Bz«-Komponenten. Durch den im Sensor integrierten digitalen Signalprozessor lässt sich der Winkel nun durch die Arkustangens-Funktion ermitteln. Die Ausgangsspannung ist direkt proportional zum gemessenen Winkel. Dabei weist das 3D-HAL-Prinzip einige interessante Vorteile auf:

  • echte 360°-Winkelmessung mit einem einzigen IC,
  • Genauigkeit höher ±1,5° über den gesamten Temperaturbereich,
  • mögliche Erweiterung für Multiturn,
  • überlegene Performance,
  • keine durch den Flusskonzentrator verursachten magnetischen Störfelder,
  • keine Linearisierung via Sternpunktreferenz erforderlich,
  • sehr gutes Linear-Verhalten über den gesamten Magnetfeldbereich,
  • unempfindlichkeit gegenüber Luftspaltänderungen.

Die Sensoren arbeiten zuverlässig und genau – und das über einen Sperrschichttemperaturbereich (Tj) von -40 bis +170 °C. Das vereinfacht die Systemkalibrierung oder macht sie komplett überflüssig.

Lineare Positionsmessung:

Das Prinzip der linearen Positionsbestimmung mit 3D-HAL-Sensoren von Micronas basiert auf einer zweidimensionalen Magnetfeldmessung eines konventionellen Hall-Elements und dem entsprechenden vertikalen Hall-Element. Falls ein inhomogenes Magnetfeld gemessen wird, beträgt die Phasenverschiebung der Signale, die von den internen Hall-Elementen ausgegeben werden, nicht mehr genau 90 Grad. Micronas‘ Linearisierungsalgorithmus mit 33 Stützstellen kompensiert diese Abweichungen und ermöglicht so eine Genauigkeit von 1,5 % bei Distanzen bis zu 40 mm. Durch Verformung des Sinus- und Kosinus-Signals entsteht eine nicht ganz lineare Kurve. Diese Nichtlinearitäten lassen sich durch den erweiterten Algorithmus eliminieren. Verglichen mit gängigen Hall-Sensoren bietet die neue 3D-HAL-Generation von Micronas folgende Vorteile:

  • geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen und anderen Umwelteinflüssen,
  • reduzierte Luftspalt-Änderungen,
  • es können bis zu 40 % kleinere Magnete verwendet werden.