3D-Hall-Sensor
Eine Sensortopologie, viele Anwendungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Beispiel einer linearen Positionsmessung
Das folgende Beispiel zeigt eine lineare Positionsmessung bei einem mechanischen Hub von 40 mm - diese Distanz ist erheblich größer als bei den 1D-Magnetgebern der ersten Generation. Als anliegendes Magnetfeld dient ein SmCo-Magnet, obwohl auch jeder andere Magnetwerkstoff verwendet werden könnte. Die für den Test festgelegten Eingangsparameter sind in der Tabelle zusammengefasst:
| Magnetart |
axiale Magnetisierung in x-Richtung(quadratischer SmCo-Magnet) |
|---|---|
| Magnetisierung | B = 0,94T |
| Abmessungen (x,y,z) | 3mm, 6mm, 6mm |
| Pixelabstand | 2,5 mm |
| Verfahrweg des Magneten | ± 20 mm |
| Luftspalt IC zu Magnet | 3 mm |
Für den Test wurden bestimmte Parameter festgelegt.
Für die gewählte lineare Positionsmessung werden die Komponenten Bx und Bz im Absolut-Modus und dBxnx und dBznx im Gradienten-Modus verwendet. In diesem Fall handelt es sich bei dem Gradienten-Modus um eine einfache Subtraktion (x1 - x2 und z1 - z2). By und dBynx sind in diesem Beispiel immer gleich Null (Bild 3).
Durch eine einfache ATAN-Berechnung werden die Magnetfelddaten in Bild 4 in lineare Positionsdaten umgewandelt. In beiden Fällen wird eine Linearisierungstabelle mit 33 Punkten erstellt. Die Linearisierungstabelle ist erforderlich, da die Wellenformen nicht genau Sinuswellen entsprechen. Für beide Komponenten wird nun die ATAN-Berechnung durchgeführt. Amplitude, Phasenverschiebung und allgemeine Form unterscheiden sich von idealen Sinuswellen.
Bild 4 zeigt außerdem einen wichtigen Vorteil der 3D-Topologie: Bei einem Geber der ersten Generation würden die Positionskoordinaten aus eindimensionalen Magnetfelddaten abgeleitet, hier werden die Koordinaten jedoch aus der Magnetfeldstärke in zwei Dimensionen gewonnen. Durch die Kombination der beiden Positionsdatensätze ergibt sich eine weit höhere Empfindlichkeit, die wiederum einen größeren Messbereich bei erhöhter Präzision ermöglicht.
In diesem Fall wird auch deutlich, dass der Ausgangsfehler über den Messbereich sowohl im Gradienten- als auch Absolut-Modus unter ±1 Prozent liegt. Dieser Wert ließe sich durch größere Magneten sogar noch weiter verbessern. Durch diese hohe Genauigkeit, auch bei kleinen Magnetfeldern, können die Magnetwerkstoffkosten im Vergleich zu multiplen 1D-Sensoren mit Magnetfeld-Konzentrierung bis um das Vierfache reduziert werden.
Diese Technik ermöglicht auch eine hohe mechanische Toleranz - so werden die Messergebnisse z.B. durch eine allmähliche Veränderung des Luftspalts zwischen IC und Magnet nicht beeinflusst. Sie kann daher auch in Applikationen eingesetzt werden, in denen ein großer Luftspalt zwischen IC und Magnet vorhanden ist.
Implementierung der 3D-Hall-Technologie in Endprodukten
Die Kombination der integrierten 3D-Hall-Sensoren einschließlich Signalaufbereitung und -verarbeitung mit Hochspannungsfähigkeiten bis zu 27 V ermöglicht neue Anwendungen im Automobilbereich, z.B. für Module oder Konfigurationen mit gemeinsamer 3-Leiter-Technik. Gleichermaßen eignen sie sich für industrielle Anwendungen, wo sie mit einer Versorgungsspannung von 3 V auskommen und an eine herkömmliche SPI-Schnittstelle angeschlossen werden können.
Diese Bausteine stellen nicht nur Positionsdaten, sondern auch Temperaturinformationen und die einzelnen Magnetsignalkomponenten bereit, die dann für Off-Chip-Berechnungen mit speziellen Algorithmen verwendet werden können.
(Marcel Urban und Simon Tima, austriamicrosystems)
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