Sensoranordn ng
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung zum Detektieren einer zu erfassenden Größe und insbesondere eine solche Sensoranordnung, deren Ausgangssignal bezüglich eines Hall-Spannungsstöranteils kompensiert ist.
Der Hall-Effekt ist ein in der Technik gut bekanntes Phänomen, das auf der Lorentz-Kraft beruht. Durch diese Lorentz- Kraft werden Elektronen, die einen Leiter normalerweise geradlinig durchlaufen, senkrecht zur Strom- und Feld-Richtung abgelenkt. Somit stellt sich beispielsweise in einer Platte, die von einem Strom durchflössen wird und in einem Magentfeld angeordnet ist, an zwei gegenüberliegenden Seiten eine unterschiedliche Elektronenkonzentration ein, wodurch eine Querspannung entsteht, die als Hall-Spannung bezeichnet wird. Bekannte Hall-Generatoren und Hall-Sensoren nutzen diesen Effekt aus. Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird der Hall-Effekt positiv genutzt.
Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen durch den Hall-Effekt ein Störanteil eines Nutzsignals bewirkt wird. Ein solcher Störanteil überlagert das Nutzsignal und kann somit beispielsweise bei Sensoren, deren Ausgangssignal von dem Hall-Effekt beeinflußt sein kann, eine Verfälschung des Meßergebnisses darstellen. Eine solche Verfälschung des Meßergebnisses stellt selbstverständlich eine Ungenauigkeit dar und kann Fehlfunktionen von Vorrichtungen, deren Betrieb auf diesen Meßergebnissen basiert, bewirken.
Die DE 43 02 342 AI bezieht sich auf eine Sensoranordnung zur Magnetfeldmessung, wobei in Figur 2 dieser Schrift eine Hall-Element-Anordnung gezeigt ist, bei der vier Hall-Elemente jeweils um 90° zueinander gedreht vorgesehen sind.
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Diese Anordnung dient jedoch nicht dazu, Hall-Spannungsstöranteile zu beseitigen, da die Hall-Spannung als Nutzsignal dient. Vielmehr dient diese Verschaltung dazu, Offsets aufgrund von Inhomogenitäten des Materials des Hall-Elements, aufgrund von Abbildungsverzerrungen von der Konstruktionszeichnung zum fertigen Hall-Element und aufgrund einer mechanischen Belastung auf das Hall-Element zu beseitigen.
Die EP 0727 644 AI bezieht sich auf eine Sensoranordnung, bei der der Hall-Effekt zur Erfassung einer Meßgröße verwendet wird. Diese Anordnung dient zur berührungsfreien Erfassung der Drehzahl eines rotierenden Zahnrades, bei der zwei Hallsensoren in einer Differentialschaltung betrieben werden, wobei die Hall-Sensoren zur Unterdrückung von Störsignalen um 90° versetzt zueinander angeordnet sind. Es ist ein Permanentmagnet vorgesehen, der die Hall-Elemente stets einem Magnetfeld aussetzt, so daß eine Änderung des Magnetfeldes, die durch die Drehung eines Zahnrades bewirkt wird, durch die Hallelemente erfaßt werden kann. Somit dient die Anordnung zweier Hall-Elemente dazu, durch mechanische Spannungen hervorgerufene störende Piezoeffekte zu kompensieren. Daher wird somit die Hall-Spannung als Nutzsignal verwendet .
Die Fachveröffentlichung Design- und Elektronik 12, 11.06.1996, Seiten 47 bis 49 bezieht sich auf Hall-Sensoren und insbesondere auf mittels der CMOS-Technologie gefertigte Hall-Sensoren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Sensoranordnung zum Detektieren einer zu erfassenden Größe zu schaffen, deren Ausgangssignal im wesentlichen frei von Hall-Spannungsstöranteilen ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensoranordnung zum Detektieren einer zu erfassenden Größe, die aus zumindest zwei im wesentlichen gleichartigen Sensorelementen besteht. Die Sensorelemente erzeugen jeweils ansprechend auf die zu erfassende Größe ein Ausgangssignal, wobei diese Ausgangssignale der Sensorelemente einen Hall-Spannungsstöranteil aufweist. Die beiden Sensorelemente sind in einer solchen Ausrichtung zueinander angeordnet, daß durch eine Kombination der beiden Ausgangssignale derselben ein Sensorsignal erzeugbar ist, bei dem die Hall-Spannungsstöranteile im wesentlichen kompensiert sind.
Vorzugsweise basieren die Ausgangssignale der beiden Sensorelemente auf einer von der zu erfassenden Größe abhängigen Spannung, der eine Hall-Störspannung überlagert ist, wobei die Sensorelemente dann derart angeordnet sind, daß die von der zu erfassenden Größe abhängige Spannung und die Hall- Störspannung bei dem einen Sensorelement die gleiche Polarität aufweisen, während dieselben bei dem anderen Sensorelement eine entgegengesetzte Polarität aufweisen. Dies kann vorzugsweise erreicht werden, indem die beiden Sensorelemente bezüglich der Richtung, in der die von der zu erfassenden Größe abhängige Spannung erzeugt wird, um 90° zueinander gedreht angeordnet sind. Die Hall-Spannungsstöranteile können dann kompensiert werden, indem die beiden AusgangsSignale von den Sensorelementen voneinander subtrahiert werden.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind die zumindest zwei Sensorelemente auf einem gemeinsamen Träger angeordnet.
Die Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt im Vergleich zu Einzelsensoren eine doppelte Empfindlichkeit bei einer gleichzeitigen Erhöhung des Signal/Rausch-Abstands um den Faktor vT. Um eine noch weitere Verbesserung der Sensoreigenschaften, d.h. der Empfindlichkeit bzw. des Si- gnal/Rausch-Abstandes zu liefern, können mehrere Sensorpaare auf einem Chip realisiert werden, die jeweils in der erfin-
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dungsgemäßen Art und Weise beispielsweise auf einem gemeinsamen Chip realisiert sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Sensorelements zur Verwendung bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird nachfolgend zunächst der Aufbau eines bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft zu verwendenden Sensorelements erläutert .
Ein solches Sensorelement weist ein dotiertes Halbleitergebiet 10 mit einer im wesentlichen rechteckigen Form auf. An zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Halbleitergebiets 10 sind Elektroden 12 und 14 vorgesehen, die als Steuerkontakte dienen. Wie in der Figur dargestellt ist, sind die Steuerkontakte 12 und 14 beabstandet voneinander angeordnet, wobei das Halbleitergebiet 10 zwischen denselben angeordnet ist. Elektroden 16 und 18, die als Sensorelektroden dienen, sind auf sich ebenfalls gegenüberliegenden Seitenflächen des Halbleitergebiets 10 angeordnet. Bei dem dargestellten Sensorelement sind die Seitenflächen, auf denen sich die Sensorkontakte 16 und 18 befinden, zu den Seitenflächen, auf denen sich die Steuerkontakte 12 und 14 befinden, in einem Winkel von im wesentlichen 90° angeordnet. Somit verbinden die Seitenflächen, auf denen die Sensorkontakte 16 und 18 angeordnet sind, die Seitenflächen, auf denen die Steuerkontakte 12 und 14 angeordnet sind.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Fig. 1 darge-
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stellten Sensorelements erläutert.
Die zwei gegenüberliegenden Steuerkontakte 12 und 14 werden mit einer geeigneten Steuerspannung oder einem geeigneten Steuerstrom betrieben, um einen Stromfluß durch das dotierte Halbleitergebiet 10 zu bewirken. Dieser Stromfluß ist durch den Pfeil 20 in der Figur angezeigt. Wirkt nun eine Kraft auf das Halbleitergebiet 10 ein, entsteht in dem Halbleitergebiet parallel zur Dilationsrichtung, d.h. der Richtung, in der die Atomabstände durch eine Krafteinwirkung vergrößert werden, eine Richtung eines niedrigeren Widerstands, die bei einer geeigneten Ausrichtung eine Ablenkung des durch das Halbleitergebiet 10 fließenden Stroms 20 bewirkt. Die Dilationsrichtung hängt dabei von der Richtung der auf das Halbleitergebiet einwirkenden Kraft sowie der Art dieser Kraft ab. In der Figur sind bei 22 die Linien des geringeren Widerstands dargestellt.
Durch die Ablenkung des Stromflusses 20 in dem Halbleitergebiet 10 werden an den Rändern des Halbleitergebiets 10, an denen die Sensorkontakte 16 und 18 angebracht sind, Ladungen 24 und 26 erzeugt. Beispielsweise werden an der Seite des Sensorkontakts 18 positive Ladungen 24 erzeugt, während an der Seite des Sensorkontakts 16 negative Ladungen 26 erzeugt werden. Die angestrebte Stromrichtung zur Erzeugung dieser Ladungen 24 und 26 ist bei 28 dargestellt und verläuft entlang der Linien geringeren Widerstands 22.
Die an den Rändern des Halbleitergebiets 10 erzeugten Ladungen 24 und 26 können über die Sensorkontakte 16 und 18 als Spannungsdifferenz und somit als Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Kraft/Drehmomentsensors abgegriffen werden. Der zwischen der ursprünglichen Stromrichtung 20 und der Dilationsrichtung, die durch die Linien geringeren Widerstands 22 dargestellt ist, gebildete Winkel Λ beeinflußt die Größe des Ausgangssignals. Der Effekt ist bei einem Winkel (0 von 45° am größten, während derselbe bei einer Annäherung an 0° oder 90° gegen Null geht. Die Beaufschlagbarkeit des Halb-
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leitergebiets mit einer Kraft wird daher vorteilhaft derart gewählt, daß der Winkel . zwischen der Dilationsrichtung des Halbleitergebiets und dem Stromfluß im wesentlichen 45° beträgt. Somit ist eine möglichst große Empfindlichkeit erreichbar .
Alternativ zu dem oben bezugnehmend auf Fig. 1 erläuterten Beispiel könnte ein solches Sensorelement auch mittels eines Feldeffekttransistors realisiert werden. Dabei ist das Halbleitergebiet durch den Kanal des Feldeffekttransistors gebildet. Die Drain-Elektrode und die Source-Elektrode bilden die beiden Steuerkontakte. Über diese Steuerkontakte sowie die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors wird ein geeigneter Drainstrom erzeugt. Ferner sind an gegenüberliegenden Längsseiten des Kanalgebiets zusätzlich Sensorkontakte angebracht .
In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, die aus zwei Sensorelementen 30 und 32 besteht, dargestellt. Die Sensorelemente 30 und 32 weisen die bezugnehmend auf Fig. 1 beschriebene Form auf.
Um bei einer Messung von Kräften mittels eines piezoresis- tiven Kraftsensors, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, den Einfluß von Magnetfeldern, der durch den Hall-Effekt bewirkt wird, zu kompensieren, sind die zwei derartigen Sensoren 30 und 32 um 90° gedreht zueinander angeordnet. In den beiden Sensorelementen 30 und 32 wird über die Kontaktelektrode 12 und 14 derselben jeweils ein Stromfluß I erzeugt. Wie oben bezugnehmend auf Fig. 1 erläutert wurde, hat das Ausüben einer Kraft auf die beiden Sensorelemente zur Folge, daß in dem Halbleitergebiet derselben parallel zur Dilationsrichtung eine Richtung niedrigeren Widerstands, die in Fig. 2 durch R.^-, dargestellt ist, erzeugt wird. Dies hat eine Signalspannung UK1 in dem Sensorelement 30 und eine Signalspannung UK2 in dem Sensorelement 32 zur Folge.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die beiden Sensorelemen-
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te 30 und 32 einem Magnetfeld B ausgesetzt. Dieses Magnetfeld B erzeugt zusammen mit dem Stromfluß I durch die Halbleitergebiete der Sensorelemente einen Hall-Effekt, der eine Hall-Spannung UB1 in dem Sensorelement 30 und eine Hall- Spannung UB2 in dem Sensorelement 32 zur Folge hat. Diese Hall-Spannung überlagert sich zu der Signalspannung der Sensorelemente. Die resultierende AusgangsSpannung, die jeweils über die Sensorkontakte 16 und 18 abgegriffen werden kann, ist bei dem Sensorelement 30 mit US1 und bei dem Sensorelement 32 mit US2 bezeichnet.
Bei dem Sensorelement 30 weisen die Signalspannung UK1 und die Hall-Spannung UB1 die gleiche Polarität auf. Im Gegensatz dazu weisen bei dem Sensorelement 32 aufgrund der Drehung desselben von 90° bezüglich des Sensorelements 30 die Signalspannung UK2 und die Hall-Spannung UB2 eine unterschiedliche Polarität auf.
Um nun eine Kompensation des Hall-Spannungsstöranteils, der in den AusgangsSignalen US1 und US2 enthalten ist, zu bewirken, werden nun diese Ausgangssignale US1 und US der beiden Einzelsensoren voneinander subtrahiert, wodurch sich die von dem Magnetfeld B erzeugten Anteile UB1 und UB2 in dem Sensorausgangssignal, das die erfaßte Größe darstellt, auslöschen. Dieses Sensorausgangssignal berechnet sich wie folgt:
Uges = US1 - US2 = ( UB1 + UK1 ) - ( UB2 - UK2 ) = 2UK
wobei UB1 = UB und Uκ = UK1 und UK2.
Die 90°-Drehung der beiden Sensorelemente zueinander bewirkt, daß sich die Lage zwischen der Dilationsrichtung R-^-, und dem Stromverlauf I in den beiden Elementen um 90° unterscheidet. Dadurch ergeben sich für die durch die Krafteinwirkung erzeugten Anteile UK1 und Uκ2 im Ausgangssignal unterschiedliche Vorzeichen, was bei der oben erläuterten nachfolgenden Subtraktion der Signale eine Addition der Beträge von U1 und Uκ2 zur Folge hat. Somit besitzt die erfin-
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dungsgemäße Sensoranordnung, die aus zumindest zwei in der dargelegten Weise angeordneten Sensorelementen besteht, im Vergleich zu einem einzelnen Sensor die doppelte Empfindlichkeit bei einer gleichzeitigen Erhöhung des Signal/Rausch-Abstandes um den Faktor vT".
Um eine noch weitere Verbesserung der Sensoreigenschaften, insbesondere der Empfindlichkeit bzw. des Signal/Rausch-Ab- standes realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß möglich, mehrere Sensorpaare der in Fig. 2 dargestellten Art auf einem Chip zu realisieren.
Es ist für Fachleute offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung nicht ausschließlich für den in Fig. 1 dargestellten Kraft/Drehmomentsensor verwendbar ist, sondern in gleicher Weise für jeden denkbaren Sensor, bei dem das Ausgangssignal durch einen unerwünschten Hall-Effekt beeinflußt ist. Überdies ist es offensichtlich, daß die Mehrzahl von Sensorelementen gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem gemeinsamen Träger oder alternativ auf unterschiedlichen Trägern angeordnet sein kann.