DE4313556A1 - Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Messung von Drehmomenten an Wellen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Messung von Drehmomenten an WellenInfo
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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 wech
selndem 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 Magnetfeldsenso
ren kompensiert, zusammen mit den Spulen, dem Joch und den Magnetfeldsensoren
auf einem Chip integriert werden kann.
Die nachfolgende Beschreibung gliedert sich in drei Teile. Im ersten werden die tech
nologischen Schritte zur Realisierung des integrierten mikromechanischen Drehmo
mentsensors dargelegt. Der zweite Teil geht auf die Kompensation der schwankenden
Luftspaltbreite ein. Im dritten Teil wird die Kompensation der Empfindlichkeitsdrift
der der Magnetfeldsensoren erklärt.
Der mikromechanische Drehmoment-Sensor nach Anspruch 3 kann auf einem dop
pelseitig, evtl. auch einseitig polierten Siliziumwafer realisiert werden.
Der Wafer muß eine Kristallorientierung in <100< Richtung besitzen und kann ent
weder schwach p- oder n-dotiert (20-30 Ωcm) sein.
Ein Querschnitt durch den Sensor zeigt Fig. 1a, die Aufsicht auf die Oberseite
des Wafers zeigt Fig. 1b. Auf eine polierte Waferseite kann eine Epitaxieschicht
von etwa 6-10 µm Dicke abgeschieden werden, deren Dotierstoffkonzentration durch
einen spezifische Widerstand von 10-30 Ωcm gekennzeichnet ist. Der Dotierstoff der
Epitaxieschicht muß vom umgekehrten Leitfähigkeitstyp sein wie der des Wafers.
In die Epitaxieschicht können auf dem Hall-Effekt beruhende Sensorelemente und
weitere elektrische Bauelemente zur Signalverarbeitung mit einem MOS bzw. CMOS-
Prozeß hergestellt werden.
Es kann auch direkt auf einem Wafer ein Bipolar- bzw. BICMOS-Prozeß für die
Sensor- bzw. Schaltungselemente benutzt werden.
Auf der Rückseite des Wafers werden anschließend eine oder mehrere Spulen bei
spielsweise durch galvanische Abscheidung von Gold aufgebracht.
Dazu muß zunächst die Waferrückseite eine aus dem vorhergegangenen Standardpro
zeß erzeugte Siliziumdioxidschicht von mindestens 100 nm besitzen. Darauf wird ein
Chromhaftschicht (Dicke: 50 nm) und Goldstartschicht (Dicke: 100 nm) aufgedampft.
Die Waferseite mit den Spulen wird mit einer KOH (Kalilauge) resistenten Schicht
abgedeckt. Diese Schicht wird für die Erzeugung von Gruben strukturiert. Die Gru
ben werden nun mittels anisotropen KOH-Ätzverfahren erzeugt, wobei man den p-
n-Übergang Epitaxieschicht-Bulk als elektrochemischen Ätzstop verwendet. Dann
erhält man eine Membran in Dicke der Epitaxieschicht.
Die Maskierung für die KOH-Ätzung muß nun entfernt werden.
Die Spule und die Grube müssen elektrisch passiviert werden, z. B. mit Siliziumdioxid.
Auf das Siliziumdioxid wird eine ferromagnetische Schicht, z. B. NiFe (Dicke: 50-
100 nm) als Startschicht für die Galvanik aufgesputtert. Dann erfolgt ein Photolito
graphieschritt zur Strukturierung des bzw. der Joche. Das Jochmaterial (NiFe) kann
nun galvanisch abgeschieden werden (Dicke: 8-15 µm). Der Photolack und die frei
liegende Startschicht werden entfernt.
Für die Dimensionierung des Sensors insgesamt und die geeignete Plazierung der
Kernfeld- und Streufeldsensoren wird ein kommerziell erhältliches 3D-Feldberech
nungsprogramm verwendet. Mit dem Programm werden die Feldverläufe bei Gleich-
bzw. Gegentaktanregung berechnet.
Bei Gleichtaktanregung schneiden die Flußdichtelinien die Symmetrieebene YY′ senk
recht, wie in Fig. 2a schematisch dargestellt. Den Feldverlauf bei Gegentaktanre
gung zeigt schematisch Fig. 2b.
Von besonderem Interesse ist die Komponente der Flußdichte, welche die Grenzfläche
zwischen Epi-Schicht und Luftspalt senkrecht durchschneidet, weil sie der Defini
tion 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) ein
gesetzt. Die MAGFET-Brücken sind nur sensitiv gegenüber Feldkomponenten senkt
recht zur Chipebene.
Mit Hilfe der 3D-Magnetfeldsimulation ist es möglich, den Streufeldsensor so zu pla
zieren, 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 Streu
feldsensoren unkritisch.
Die Ergebnisse bzw. die Auswertung der 3D-Feldsimulation des hier in der Beschrei
bung exemplarisch dargestellten Sensors zeigen die Fig. 3a bis 3f.
Aus Fig. 3c ist zu entnehmen, daß das Verhältnis aus Streuflußdichte BS zu Kern
flußdichte BK nahezu unabhängig von der Permeabiltät µr 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 Fig. 3d wird für den Quotienten BS/BK
Im interessierenden Meßbereich folgende Gleichung abgeleitet:
mit den Systemkonstanten r1 und r2.
Mit den Simulationsergebnissen aus Fig. 3a und Fig. 3b kann eine Gleichung für
BK mit den Systemkonstanten r3, r4, r5 aufgestellt werden:
Um die relative Permeabilität µr und damit auch indirekt das Drehmoment zu be
stimmen, muß man BS und BK messen, die Meßwerte US und UK durch die Emp
findlichkeiten der MAGFET-Brücken dividieren, diese in Gleichung (1) einsetzen,
Gleichung (1) nach d auflösen, die Luftspaltbreite d in Gleichung (2) einsetzen und
Gleichung (2) nach µr auflösen.
Die Vorgehensweise zur Berechnung von µr wird im Blockschaltbild in Fig. 4 gezeigt.
Es ist erkennbar, daß der Algorithmus für eine Implementierung in einer analogen Re
chenschaltung geeignet ist.
Die Genauigkeit der Berechnung von µr und d hängt vom Offset und der Empfindlich
keitsdrift der MAGFET-Brücken ab. Der Nullpunktoffset sowie das niederfrequente
Rauschen (z. B. 1/f-Rauschen) der MAGFET-Sensorbrücken kann durch periodi
sches Ein- und Ausschalten des Magnetfeldes und Einsatz der bekannten Autozero
technik eleminiert werden. Die Empfindlichkeitsdrift kann durch Anwendung einer
sog. Selbstkalibrierung während des Betriebs kontinuierlich ausgeglichen werden.
Magnetfeldsensoren, deren Wirkungsprinzip auf dem Hall-Effekt beruht, sind durch
eine besonders gute Linearität gekennzeichnet. Ein Nachteil jedoch ist die Emp
findlichkeitsdrift, die u. a. von Temperaturschwankungen herrührt. Deshalb muß ein
Verfahren gefunden werden, das eine selbsttätige Eliminierung der Empfindlichkeits
drift der Sensorelemente ermöglicht. Zunächst werden die Grundüberlegungen, die
zur Erfindung gemäß Anspruch 2 führten, dargelegt.
Gleichung (1) und (2) stellen ein Gleichungssystem mit den 2 Unbekannten d und
µr dar, das die eindeutige Bestimmung von d und µr 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 µr benötigt. Erfüllt wird diese Forderung durch den Einsatz von ein und dem
selben Kernfeld- bzw. Streufeldsensor in unterschiedlichen Sensorgeometrien (Feld
verläufen), jedoch bei gleichem µr und gleichem d.
In der Erfindung wird diese Anforderung nach unterschiedlichen Sensorgeometrien
(Feldverläufen) durch eine Veränderung des qualitativen und quantitativen Magnet
feldverlaufs 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 Fig. 2a, für den Gegentaktbetrieb die Fig. 2b.
Die zwei unterschiedlichen Verläufe der magnetischen Flußdichtelinien, die aus den
beiden Betriebsmodi resultieren, implizieren zwei unterschiedliche Sensorgeometrien
mit gleichem µr und d.
Man geht von insgesamt 4 Gleichungen mit den eindeutig bestimmbaren Unbekannten
µr, d, SS und SK aus:
Die Indizes gl und gg steht für Gleichtakt- bzw. Gegentaktbetrieb. k1 bis kn sind
Systemkonstanten, die während des Betriebes des Drehmomentsensors konstant sind.
Die Gleichungen (3) und (4) für sich ermöglichen bei bekanntem SK und SS die
eindeutige Bestimmung von µr 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 µr 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 µr gestattet,
sondern auch die Bestimmung der Luftspaltbreite d und der Empfindlichkeiten SK
und SS der Flußdichtesensoren ermöglicht.
Als Beispiel für die Berechnung der vier Unbekannten soll der in dieser Beschreibung
dargestellte mikromechanische Sensor dienen.
Man geht von den Gleichungen (1) und (2) aus, die sowohl für Gleichtaktbetrieb mit
den Systemkonstanten r11 bis r16 als auch für Gegentaktbetrieb mit den Systemkon
stanten r21 bis r26 aufgestellt werden.
Diese Gleichungen können nach den vier Unbekannten µr, 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:
Aus den Gleichungen (8) und (10) kann die Unbekannte SK eleminiert werden und
man erhält eine Gleichung für die Permeabilität µr, mit dem Abstand d als Variable:
Wenn man die Gleichung für den Abstand (11) in die Gleichung (12) einsetzt, dann
erhält man eine eindeutige Beziehung für die Permeabilität µr.
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 Re
chenschaltung implementiert werden.
In der Beschreibung wurde gezeigt, wie ein integrierter mikromechanischer Drehmo
mentsensor realisiert werden kann:
- - Durch den Einsatz von Streufeldsensoren wird das Problem der Schwankung der Spaltbreite zwischen Pol und Welle gelöst.
- - Der Nullpunktoffset und das niederfrequente Rauschen der Magnetfeldsensoren wird durch periodisches Aus-/Einschalten des Magnetfeldes und Einsatz der bekannten Autozerotechnik eliminiert.
- - Der Betrieb zweier Feldspulen im Gleich- und Gegentaktbetrieb bewirkt eine qualitative Veränderung des Magnetfeldes, wodurch die Empfindlichkeit der Ma gnetfeldsensoren kalibriert werden kann.
- - Die Streufeldmessung und die Kalibrierung der Empfindlichkeit der Magnetfeld sensoren ermöglichen eine genaue Bestimmung des Drehmomentes.
Es folgen fünf Seiten mit Zeichnungen:
Fig. 1a Querschnitt durch den mikromechanischen Drehmomentsensor,
Fig. 1b Aufsicht auf Oberseite mit Gruben, Joch und darunterliegende Spulen,
Fig. 2a Wirkungsprinzip im Gleichtaktbetrieb,
Fig. 2b Wirkungsprinzip im Gegentaktbetrieb,
Fig. 3a Kennfeld der Kernflußdichte bei Gleichtaktanregung (BKgl = f(µr, d)),
Fig. 3b Kennfeld der Streuflußdichte bei Gleichtaktanregung (BSgl = f(µr, d)),
Fig. 3c Änderung der relativen Streuflußdichte (BSgl/BKgl = f(µr, d)),
Fig. 3d relative Flußdichte über den Abstand (BSgl/BKgl = f(d)),
Fig. 3e Kennfeld der Kernflußdichte bei Gegentaktanregung (BKgg = f(µr, d)),
Fig. 3f Kennfeld der Streuflußdichte bei Gegentaktanregung (BSgg = f(µr, d)),
Fig. 4 Blockschaltbild für die Eleminierung des Abstandes
aus der Gleichung für µr.
Claims (3)
1. Berührungsloser magnetischer Drehmomentsensor, bestehend aus mindestens einem
magnetischen Kreis, der durch mindestens eine Spule, mindestens einem ferroma
gnetischen Joch, sowie einer ferromagnetischen Schicht auf der Welle oder einer
ferromagnetischen Welle mit einer vom anliegenden Drehmoment abhängigen rela
tive Permeabilität dargestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß außer des magnetischen Feldes im Bereich des nahezu homogenen Feldverlaufs zusätz lich das magnetische Feld im Bereich des inhomogenen Feldverlaufs gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld an zwei Orten mit unterschiedlichem Magnetfeld gemessen wird, wobei zwischen den Magnetfeldgrößen beider Orte ein beliebiger, aber bestimmter funktionaler Zusammenhang besteht, der vom Drehmoment und der Spaltbreite zwi schen den Polen des Jochs und der Welle abhängen darf,
dadurch gekennzeichnet, daß außer einer Induktivität des magnetischen Kreises zusätzlich das magnetische Feld im Bereich des inhomogenen Feldverlaufs gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß außer einer Induktivität des magnetischen Kreises zusätzlich das magnetische Feld im Bereich des nahezu homogenen Feldverlaufs gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß außer einer Induktivität des magnetischen Kreises zusätzlich die magnetische Fluß dichte gemessen wird.
dadurch gekennzeichnet, daß außer des magnetischen Feldes im Bereich des nahezu homogenen Feldverlaufs zusätz lich das magnetische Feld im Bereich des inhomogenen Feldverlaufs gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld an zwei Orten mit unterschiedlichem Magnetfeld gemessen wird, wobei zwischen den Magnetfeldgrößen beider Orte ein beliebiger, aber bestimmter funktionaler Zusammenhang besteht, der vom Drehmoment und der Spaltbreite zwi schen den Polen des Jochs und der Welle abhängen darf,
dadurch gekennzeichnet, daß außer einer Induktivität des magnetischen Kreises zusätzlich das magnetische Feld im Bereich des inhomogenen Feldverlaufs gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß außer einer Induktivität des magnetischen Kreises zusätzlich das magnetische Feld im Bereich des nahezu homogenen Feldverlaufs gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß außer einer Induktivität des magnetischen Kreises zusätzlich die magnetische Fluß dichte gemessen wird.
2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei das magnetische Feld mit mindestens
zwei voneinander unabhängig ansteuerbaren Spulen oder mindestens einer Spule mit
Mittenanzapfung erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Spulen oder die Teilspulen einer Spule mit Mittenanzapfung abwechselnd gleichsinnig und gegensinnig geschaltet werden, wodurch eine Kalibrierung der Emp findlichkeit der Magnetfeldsensoren ermöglicht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Magnetfeldes durch mindestens einen Spulenstrom oder Teilspulen strom verändert wird, wodurch eine Kalibrierung der Empfindlichkeit der Magnet feldsensoren ermöglicht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei oder einer Anzahl n von Magnetfeldsensoren, durch eine Veränderung minde stens eines Spulenstromes bzw. Teilspulenstromes die Empfindlichkeit der zwei bzw. der Anzahl n Magnetfeldsensoren, die Luftspaltbreite bzw. Spaltbreite zwischen Pol und Welle, als auch die relative Permeabilität der Welle oder der Schicht auf der Welle und damit das Drehmoment berechnet werden kann.
dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Spulen oder die Teilspulen einer Spule mit Mittenanzapfung abwechselnd gleichsinnig und gegensinnig geschaltet werden, wodurch eine Kalibrierung der Emp findlichkeit der Magnetfeldsensoren ermöglicht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf des Magnetfeldes durch mindestens einen Spulenstrom oder Teilspulen strom verändert wird, wodurch eine Kalibrierung der Empfindlichkeit der Magnet feldsensoren ermöglicht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei oder einer Anzahl n von Magnetfeldsensoren, durch eine Veränderung minde stens eines Spulenstromes bzw. Teilspulenstromes die Empfindlichkeit der zwei bzw. der Anzahl n Magnetfeldsensoren, die Luftspaltbreite bzw. Spaltbreite zwischen Pol und Welle, als auch die relative Permeabilität der Welle oder der Schicht auf der Welle und damit das Drehmoment berechnet werden kann.
3. Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2 bzw. Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor, bestehend aus mindestens einer Spule, mindestens einem weichmagnetischen Joch und mindestens einem Magnetfeldsensor, mit den in der Mi kromechanik, der Halbleitertechnik und der Dünnschichttechnik bekannten Verfahren als sogenanntes integriertes Bauelement auf einem sogenannten Chip aus Halbleiter material gefertigt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor auf einem Halbleiter-Chip gefertigt wird, wobei der oder die Spulen sowie das weichmagnetische Joch auf der Rückseite des Chips, der oder die Ma gnetfeldsensoren zweckmäßigerweise auf der Vorderseite des Chips angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor auf einem Halbleiter-Chip gefertigt wird, wobei das Funkti onsprinzip der Magnetfeldsensoren auf dem Hall-Effekt basiert und die Magnetfeld sensoren mit einem in der Halbleitertechnik bekannten MOS-Prozeß zusammen mit anderen elektronischen Komponenten, die für den Betrieb des Drehmomentsensors verwendbar sind, auf einer Seite des Chips angeordnet sind.
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor, bestehend aus mindestens einer Spule, mindestens einem weichmagnetischen Joch und mindestens einem Magnetfeldsensor, mit den in der Mi kromechanik, der Halbleitertechnik und der Dünnschichttechnik bekannten Verfahren als sogenanntes integriertes Bauelement auf einem sogenannten Chip aus Halbleiter material gefertigt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor auf einem Halbleiter-Chip gefertigt wird, wobei der oder die Spulen sowie das weichmagnetische Joch auf der Rückseite des Chips, der oder die Ma gnetfeldsensoren zweckmäßigerweise auf der Vorderseite des Chips angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor auf einem Halbleiter-Chip gefertigt wird, wobei das Funkti onsprinzip der Magnetfeldsensoren auf dem Hall-Effekt basiert und die Magnetfeld sensoren mit einem in der Halbleitertechnik bekannten MOS-Prozeß zusammen mit anderen elektronischen Komponenten, die für den Betrieb des Drehmomentsensors verwendbar sind, auf einer Seite des Chips angeordnet sind.
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