DE9304629U1

DE9304629U1 - Berührungsloser magnetischer Drehmomentsensor

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Priority date: 1993-03-24
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1993-08-19
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Also published as: DE4313556C2; DE4313556A1

Description

&igr; Beschreibung

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 wechselndem 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 Magnetfeldsensoren 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 technologischen Schritte zur Realisierung des integrierten mikromechanischen Drehmomentsensors dargelegt. Der zweite Teil geht auf die Kompensation der schwankenden Luftspaltbreite ein. Im dritten Teil wird die Kompensation der Empfindlichkeitsdrift der der Magnetfeldsensoren erklärt.

Beschreibung, 1. Teil

Der mikromechanische Drehmoment-Sensor nach Anspruch 3 kann auf einem doppelseitig, evtl. auch einseitig polierten Siliziumwafer realisiert werden.

Der Wafer muß eine Kristallorientierung in <100> Richtung besitzen und kann entweder schwach p- oder n-dotiert (20 — 30Clcm) sein.

Ein Querschnitt durch den Sensor zeigt Figur la, die Aufsicht auf die Oberseite des Wafers zeigt Figur Ib. Auf eine polierte Waferseite kann eine Epitaxieschicht von etwa 6 — 10&mgr;&tgr;&eegr; Dicke abgeschieden werden, deren Dotierstoffkonzentration durch einen spezifische Widerstand von 10 — 30ü,cm 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 beispielsweise durch galvanische Abscheidung von Gold aufgebracht.
Dazu muß zunächst die Waferrückseite eine aus dem vorhergegangenen Standardprozeß erzeugte Siliziumdioxidschicht von mindestens lOOnra besitzen. Darauf wird ein Chromhaftschicht (Dicke: 50nm) und Goldstartschicht (Dicke: lOOnra) aufgedampft.

Die Waferseite mit den Spulen wird mit einer KOH (Kalilauge) resistenten Schicht abgedeckt. Diese Schicht wird für die Erzeugung von Gruben strukturiert. Die Gruben werden nun mittels anisotropen KOH-Ätzverfahren erzeugt, wobei man den pn-Übergang Epitaxieschicht-Bulk als elektrochemischen Ätzstop verwendet. Dann erhält man eine Membran in Dicke der Epitaxieschicht.

Die Maskierung für die KOH-Atzung 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 — lOOnm) als Startschicht für die Galvanik aufgesputtert. Dann erfolgt ein Photolitographieschritt zur Strukturierung des bzw. der Joche. Das Jochmaterial (NiFe) kann nun galvanisch abgeschieden werden (Dicke: 8 — &Igr;&dgr;&mgr;&eegr;&igr;). Der Photolack und die freiliegende Startschicht werden entfernt.

Beschreibung, 2. Teil

Für die Dimensionierung des Sensors insgesamt und die geeignete Plazierung der Kernfeld- und Streufeldsensoren wird ein kommerziell erhältliches SD-Feldberechnungsprogramm verwendet. Mit dem Programm werden die Feldverläufe bei Gleich- bzw. Gegentaktanregung berechnet.

Bei Gleichtaktanregung schneiden die Flußdichtelinien die Symmetrieebene YY' senkrecht, wie in Figur 2a schematisch dargestellt. Den Feldverlauf bei Gegentaktanregung zeigt schematisch Figur 2b.
Von besonderem Interesse ist die Komponente der Flußdichte, welche die Grenzfläche zwischen Epi-Schicht und Luftspalt senkrecht durchschneidet, weil sie der Definition 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) eingesetzt. Die MAGFET-Brücken sind nur sensitiv gegenüber Feldkomponenten senktrecht zur Chipebene.

Mit Hilfe der 3D-Magnetfeldsimulation ist es möglich, den Streufeldsensor so zu plazieren, 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 Streufeldsensoren unkritisch.
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Die Ergebnisse bzw. die Auswertung der 3D-Feldsimulation des hier in der Beschreibung exemplarisch dargestellten Sensors zeigen die Figuren 3a bis 3f.

Aus Figur 3c ist zu entnehmen, daß das Verhältnis aus Streuflußdichte Bs zu Kernflußdichte &Bgr;&khgr; nahezu unabhängig von der Permeabiltät &mgr;_&tgr; 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 Figur 3d wird für den Quotienten BsJBk im interessierenden Meßbereich folgende Gleichung abgeleitet:

U₁

B₃ Ss < , _m

^{= = r+rd} ⁽¹⁾

Sk

mit den Systemkonstanten r\ und r₂.

Mit den Simulationsergebnissen aus Figur 3a und Figur 3b kann eine Gleichung für Bk mit den Systemkonstanten 7^-3, r₄, r₅ und r₆ aufgestellt werden:

^ = r3 + ^ + r₆.d+2 (2)

Sk &mgr;&tgr; &agr;

Um die relative Permeabilität &mgr;_&tgr; und damit auch indirekt das Drehmoment zu bestimmen, muß man Bs und Bk messen, die Messwerte Us und Uk durch die Empfindlichkeiten der MAGFET-Brücken dividieren, diese in Gleichung (1) einsetzen, Gleichung (1) nach d auflößen, die Luftspaltbreite d in Gleichung (2) einsetzen und Gleichung (2) nach &mgr;_&tgr; auflösen.

Die Vorgehensweise zur Berechnung von &mgr;_&Ggr; wird im Blockschaltbild in Figur 4 gezeigt. Es ist erkennbar, daß der Algorithmus für eine Implementierung in einer analogen Rechenschaltung geeignet ist.

Die Genauigkeit der Berechnung von &mgr;_&tgr; und d hängt vom Offset und der Empfindlichkeitsdrift der MAGFET-Brücken ab. Der Nullpunktoffset sowie das niederfrequente Rauschen (z.B. 1//-Rauschen) der MAGFET-Sensorbrücken kann durch periodisches Ein- und Ausschalten des Magnetfeldes und Einsatz der bekannten Autozerotechnik eleminiert werden. Die Empfindlichkeitsdrift kann durch Anwendung einer sog. Selbstkalibrierung während des Betriebs kontinuierlich ausgeglichen werden.

Beschreibung, 3. Teil

Magnetfeldsensoren, deren Wirkungsprinzip auf dem Hall-Effekt beruht, sind durch eine besonders gute Linearität gekennzeichnet. Ein Nachteil jedoch ist die Empfindlichkeitsdrift, die u.a. von Temperaturschwankungen herrührt. Deshalb muß ein Verfahren gefunden werden, das eine selbsttätige Eliminierung der Empfindlichkeitsdrift 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 &mgr;_&tgr; dar, das die eindeutige Bestimmung von d und &mgr;_&tgr; 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 &mgr;_&tgr; benötigt. Erfüllt wird diese Forderung durch den Einsatz von ein und dem selben Kernfeld- bzw. Streufeldsensor in unterschiedlichen Sensorgeometrien (Feldverläufen), jedoch bei gleichem &mgr;_&tgr; und gleichem d.

In der Erfindung wird diese Anforderung nach unterschiedlichen Sensorgeometrien (Feldverläufen) durch eine Veränderung des qualitativen und quantitativen Magnetfeldverlaufs 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 Figur 2a, für den Gegentaktbetrieb die Figur 2b.

Die zwei unterschiedlichen Verläufe der magnetischen Flußdichtelinien, die aus den beiden Betriebsmodi resultieren, implizieren zwei unterschiedliche Sensorgeometrien mit gleichem &mgr;_&tgr; und d.

Man geht von insgesamt 4 Gleichungen mit den eindeutig bestimmbaren Unbekannten /i_r, d, Ss und Sk aus:

&rgr; _ Uk₃I _ &ggr; { &igr; &igr; &igr; \ /&ogr;&khgr;

°Kgl — ~~~7, — /l [&mgr;_&tgr;, U, Kl...K_n) [&oacgr;

JK

Us₃I

Bk₃₃ = -7;— = j3{Mr,d,ki...k_n) (5)

JK

£>S₃₃ — ~5 = JA {&mgr;&tgr;, «j Ki-..K_n) (&thgr;]

JS

Die Indizes gl und gg steht für Gleichtakt- bzw. Gegentaktbetrieb. k\ bis k_n 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 &mgr;_&tgr; 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 &mgr;_&tgr; 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 &mgr;_&tgr; 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 r_n bis r^e als auch für Gegentaktbetrieb mit den Systemkonstanten r₂₁ bis r₂ß aufgestellt werden.

Us₃,

S_K

Uk₉I _ , !il , . , ^ri6 S_K &mgr;_&tgr; d

Usnn

(8)

^Ss "2i + T₂₂-d (9)

aa

Sk
Us₉₃ r₂₄ r₂₆

-77— = »"31 + +T₂₅-C?+-- (10)

Ss &mgr;_&tgr; &agr;

Diese Gleichungen können nach den vier Unbekannten &mgr;_&tgr;, 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:

j _

^USgg

U_Kgi Uk₉₃

&ggr;—r₁₂ - — r₂₂

USgl Us₉₉

Aus den Gleichungen (8) und (10) kann die Unbekannte Sk eleminiert werden und man erhält eine Gleichung für die Permeabilität &mgr;_&tgr;, mit dem Abstand d als Variable: 35

&ldquor; Uk₉IT₂A Uk₃₃Vu , *

/X₇- — j \^&iacgr;&Dgr;)

Uxggr-13 — Uk₉IT23 + d [Uk₃₃Ti₅ - Uk₉I^s] + -, [Uk₃₃Tw —

Wenn man die Gleichung für den Abstand (11) in die Gleichung (12) einsetzt, dann erhält man eine eindeutige Beziehung für die Permeabilität &mgr;_&tgr;.

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 Rechenschaltung implementiert werden.

In der Beschreibung wurde gezeigt, wie ein integrierter mikromechanischer Drehmomentsensor 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 Gegentaktbetieb bewirkt eine qualitative Veränderung des Magnetfeldes, wodurch die Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren kalibriert werden kann.

· Die Streufeldmessung und die Kalibrierung der Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren ermöglichen eine genaue Bestimmung des Drehmomentes.

Es folgen fünf Seiten mit Zeichnungen:

Figur la: Querschnitt durch den mikromechanischen Drehmomentsensor.

Figur Ib: Aufsicht auf Oberseite mit Gruben, Joch und darunterliegende Spulen.

Figur 2a: Wirkungsprinzip im Gleichtaktbetrieb

Figur 2b: Wirkungsprinzip im Gegentaktbetrieb

Figur 3a: Kennfeld der Kernflußdichte bei Gleichtaktanregung (&Bgr;&khgr;₃&igr; = /(&mgr;_&tgr;,&aacgr;)) Figur 3b: Kennfeld der Streuflußdichte bei Gleichtaktanregung (Bs_ai = /(&mgr;_&tgr;,&aacgr;)) Figur 3c: Änderung der relativen Streuflußdichte (Bs_gi/ &Bgr;&khgr;₉&igr; = /(&mgr;_&tgr;, d)) Figur 3d: relative Flußdichte über den Abstand (Bs₉i/ Bk₉I = f(d)) Figur 3e: Kennfeld der Kernflußdichte bei Gegentaktanregung [Bk₉₉ = f(ß_r,d)) Figur 3f: Kennfeld der Streuflußdichte beiGegentaktanregung (Bs₉₉ = /(&mgr;_&tgr;,&aacgr;)) Figur 4: Blockschaltbild für die Eleminierung des Abstandes aus der Gleichung für &mgr;_&tgr;

Claims

&igr; Schutzansprüche
&igr;.

Berülirungsloser magnetischer Drehmomentsensor, bestehend aus mindestens einem magnetischen Kreis, der durch mindestens eine Spule, mindestens einem ferromagnetischen Joch, sowie einer ferromagnetischen Schicht auf der Welle oder einer ferromagnetische!! Welle mit einer vom anliegenden Drehmoment abhängigen relativen Permeabilität dargestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß

der Drehmomentsensor, bestehend aus mindestens einer Spule, mindestens einem weichmagnetischen Joch und mindestens einem Magnetfeldsensor, mit den in der Mikromechanik, der Halbleitertechnik und der Dünnschichttechnik bekannten Verfahren als sogenanntes integriertes Baulement auf einem sogenannten Chip aus Halbleitermaterial 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 Magnetfeldsensoren auf der Vorderseite des Chips angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß

der Drehmomentsensor auf einem Halbleiter-Chip gefertigt wird , wobei das Funktionsprinzip der Magnetfeldsensoren auf dem Hall-Effekt basiert und die Magnetfeldsensoren 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

die Form des Jochs und die Lage der Pole des Jochs durch Ätzen von Gruben in das Halbleitermaterial bestimmt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Feldspulen unterhalb des NiFe-Jochs aus Gold bestehen und im Halbleitermaterial vergraben sind.

Drehmomentsensor nach Anspruch 1 mit mindestens zwei Magnetfeldsensoren zur Messung des Magnetfeldes im Spalt zwischen Sensorkopf und Welle

dadurch gekennzeichnet, daß

die Magnetfeldsensoren sowohl im Bereich des nahezu homogenen Feldverlaufs als auch im Bereich des inhomogenen Feldverlaufs angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Magnetfeldsensoren an mindestens zwei Orten im Bereich zwischen dem ferromagnetischen Joch und der Welle angeordnet sind, wobei zwischen den Magnetfeldgrößen beider Orte ein beliebiger, aber bestimmter funktionaler Zusammenhang besteht, der vom Drehmoment und der Spaltbreite zwischen den Polen des Jochs und der Welle abhängen darf,

dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens zwei Spulen oder eine Spule mit Mittenanzapfung zur Erzeugung des Magnetfeldes verwendet wird, wodurch der qualitative Verlauf des Magnetfeldes verändert werden kann.

Drehmomentsensor nach Anspruch 1 und 2 bzw. 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß

auf dem Halbleiterchip zusätzlich elektronische Schaltungskomponenten für die Sensorsignalverarbeitung und für den Betrieb des Sensors angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

der Drehmomentsensor zusammen mit elektronischen Schaltungskomponenten für die Sensorsignalverarbeitung und für den Betrieb des Sensors als hybrides Modul gefertigt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Drehmomentsensor zusammen mit einer elektronischen Schaltung betrieben wird, die während des Betriebes des Sensors das unbekannte Drehmoment, den unbekannten Abstand zwischen Sensorkopf und Welle und die unbekannte Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren ermittelt.