Über Hall Sensoren

Die Funktion eines Hall-Sensors basiert auf dem physikalischen Prinzip des Hall-Effekts, der nach seinem Entdecker Edwin Herbert Hall (1855-1938) benannt wurde: Wirkt ein Magnetfeld senkrecht auf einen stromdurchflossenen Leiter ein, entsteht eine elektrische Spannung quer zur Stromflussrichtung (Hall-Spannung). 

Beim Hall-Effekt werden die Elektronen eines in das Hall-Element eingeprägten Stromes vom magnetischen Feld durch die Lorentzkraft von ihrer ursprünglichen Flussrichtung zum Rand des sensitiven Elements abgelenkt. Dadurch entsteht im Element ein Potenzialunterschied: die so genannte Hall-Spannung. Diese Spannung ist proportional zur Feldstärke des Magnetfelds und der Stromstärke des eingeprägten Stromes. Durch Ausnutzung dieser Proportionalität ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. So lässt sich die Stärke eines äußeren Magnetfeldes bestimmen. Strommessungen sind ebenfalls möglich, da jeder stromdurchflossene Leiter ein Magnetfeld um sich herum erzeugt. Dieses Magnetfeld kann nun zur (indirekten) Messung der Stromstärke herangezogen werden.

Da der Hall-Effekt in Halbleitern am stärksten ausgeprägt ist, wird als Hall-Element ein kleines Plättchen aus Halbleiter-Material verwendet.

Der Hall-Effekt: In einem Halbleiter-Plättchen wird die Hall-Spannung durch die 
Wirkung eines senkrecht zur Stromrichtung wirkenden externen Magnetfeldes erzeugt.

CMOS-Hall-Sensoren bedrahtet und im SMD-Gehäuse. Gemessen wird die Komponente 
des magnetischen Flusses senkrecht zur Chip-Oberfläche (Pfeile).

In einem üblichen Hall-Sensor ist neben dem Hall-Plättchen auch gleich die benötigte Auswerteelektronik auf dem Chip integriert. Feldlinien die das Hall-Element senkrecht durchdringen erzeugen eine proportionale elektrische Spannung, die mittels digitalem Signalprozessor aufbereitet und in ein verwertbares Ausgangsformat gewandelt wird.
 

Zu Beginn der neunziger Jahre gelang es TDK-Micronas, die ersten Hall-Sensoren auf CMOS-Basis zu fertigen und leistete damit Pionierarbeit in diesem Bereich. Der Fertigungsprozess wurde kostengünstiger, die ICs ließen sich höher integrieren, was den Aufbau komplexerer Schaltkreise erlaubte. Jetzt konnten digitale und analoge Funktionen auf ein und demselben Chip kombiniert werden („Mixed-Signal ICs“).

Allerdings waren große Herausforderungen zu meistern, bis ein CMOS-Hall-Sensor realisiert werden konnte. Ein Grund dafür: Die Hall-Sensoren arbeiten mit sehr niedrigen Signalspannungen. Sie sind deshalb sehr anfällig für Offsetdrifts, die infolge von Temperaturänderungen und Spannungsschwankungen auftreten können, aber auch wegen mechanischem Stress, den z.B. das Gehäuse auf den Chip überträgt. Diese äußeren Einflussfaktoren verfälschen das niedrige Messsignal ganz erheblich. Um einen genau und zuverlässig arbeitenden Hall-Sensor zu erhalten, müssen also diese Faktoren kompensiert werden. 

TDK-Micronas gelang der Durchbruch mit dem Chopper-Verfahren, das auch als „aktive Offset-Kompensation“ bekannt ist. Die Idee bestand darin, die Stromrichtung durch die Hall-Platte, dem eigentlichen Sensorelement, laufend umzuschalten („choppering“). Dazu wurden die Spannungsversorgung und die Abgriffe für die Hall-Spannung diagonal an der quadratischen Hall-Platte angebracht. Verfälschungen im Messsignal, die beispielsweise aufgrund geometrischer Verzerrungen der Hall-Platte entstehen, gehen unabhängig von der Stromrichtung in gleicher Stärke in den Messwert ein, werden jedoch, in Abhängigkeit von der Stromrichtung, entweder hinzuaddiert oder subtrahiert. Da beide Messungen über identische Strukturen mit demselben Stress-Profil durchgeführt werden, mittelt sich der über die mechanischen Gehäusespannungen hervorgerufene Offset aus. 

Als nächstes wandten sich die Ingenieure dem Operationsverstärker zu. Es war möglich, den Offset über die gesamte Arbeitstemperatur auf einige µV zu begrenzen und die EMV- und Spannungsstabilität des Schaltkreises deutlich zu verbessern. Damit war die Grundlage für ein komplettes Hall-Sensor-System in CMOS-Technik gelegt – einschließlich On-Chip-Signalverarbeitung und Integration nichtflüchtiger Speicher. 

Nachdem das Offset-Problem gelöst war begann TDK-Micronas mit der Vermarktung dieser ersten robusten und temperaturstabilen Hall-Schalter und Linear-Hall-Sensoren in CMOS-Technologie. Zu den nachfolgenden Entwicklungen gehören auch hochgenaue Winkelsensoren auf Basis der firmeneigenen 3D HAL^®-Technologie. Dank vertikaler und horizontaler Hall-Elemente sind mehrdimensionale Magnetfeldmessungen möglich: Die vertikalen Hall-Elemente erfassen parallel zur Sensorfläche verlaufende Magnetfeldlinien, während die horizontalen Hall-Elemente die senkrechte durch die Chip-Oberfläche auftreffende Komponente detektieren. 

Die Forderung der Automobilindustrie nach höherer Integration und EMV-Optimierung der verwendeten Bauelemente führte zur Entwicklung von Sensor-Varianten mit integrierten Blockkondensatoren sowie von Sensoren, die die Anforderungen an die Funktionale Sicherheit gemäß ISO 26262 erfüllen. In sicherheitskritischen Anwendungen lässt sich mit Hilfe des Redundanzprinzips eine hohe Ausfallsicherheit erreichen. Hier bietet TDKMicronas Sensorlösungen an, die zwei unabhängige Halbleiterchips in einem Gehäuse enthalten. 
 

Hall-Sensoren mit integrierten Block-Kondensatoren

Neben der technologischen Weiterentwicklung über mehrere Hall-Sensor-Generationen hinweg wurden auch neue Konzepte umgesetzt, die speziell auf die hohen Anforderungen in modernen Fahrzeugen zugeschnitten sind. Das Credo in der Automobilelektronik lautet „Robustheit“ und „Störungsunempfindlichkeit“. Um dem Rechnung zu tragen, hat TDK-Micronas EMV-resistente Sensoren mit integrierten Block-Kondensatoren auf den Markt gebracht. Die Kondensatoren sind in einem Transistorgehäuse in unmittelbarer Nähe der Sensorchips integriert und damit sehr günstig platziert, um auftretende Störimpulse vom HalbleiterDie fernzuhalten. Diese Lösung benötigt keine externen Komponenten, ist kostengünstig, platzsparend und sehr wirkungsvoll.

Sensorlösung mit integrierten Block-Kondensatoren zur mehrdimensionalen Magnetfeldmessung

Hall-Sensoren mit Redundanz-Funktion (Dual-Die Lösung)

Sicherheitskritische Automotive-Anwendungen, wie z.B. Drive-by-Wire-Systeme, verlangen nach einer zusätzlichen Absicherung der Funktionalität. Hier bietet sich das Redundanz-Prinzip an, das bereits sehr früh in der Avionik angewandt wurde. Die Idee dahinter: Bauelemente werden mehrfach verbaut und parallel betrieben. Bei identischen Eingangssignalen werden ständig die Ausgangssignale verglichen. Weichen sie intolerabel voneinander ab, so liegt eine Störung vor und es können vordefinierte Maßnahmen ergriffen werden, wie z. B. das Starten eines Notprogramms. Für die Hall-Sensoren von TDK wurde eine Lösung gefunden, die den Einsatz eines zweiten Bauelements überflüssig macht: In einem einzigen SMD-Gehäuse werden zwei autarke Sensorchips integriert. Sie sind übereinander angeordnet, um zu gewährleisten, dass sie von denselben Magnetfeldlinien durchdrungen werden und somit gleiche Ausgangssignale liefern. Ein geringer Versatz ist zur Kontaktierung der Bonddrähte allerdings unvermeidlich – kann aber vernachlässigt werden.

Dual-Die-Hall-Sensor mit Redundanzfunktion für sicherheitskritische Anwendungen im Automobil

Mit den Hall-Sensoren von TDK lässt sich eine große Anzahl unterschiedlichster Sensoranwendungen im Automobil und in der Industrie realisieren − von der Kommutierung bürstenloser Elektromotoren (BLDC) über die indirekte Messung von elektrischem Strom bis zur präzisen Lenkwinkelbestimmung.

Die Kombination aus Hall-Sensor und Permanentmagnet erlaubt die Erfassung einer Vielzahl von Messgrößen, wie Drehzahl (RPM), Winkel, Rotation, Füllstand, Druck oder Drehmoment. Gegenüber anderen Technologien haben Hall-Sensoren den Vorteil, dass sie unempfindlich gegen Staub, Schmutz und Wasser sind, sofern sie optimal gehäust werden. Da sie keinen physischen Kontakt zum Messobjekt eingehen, zeigen sie keinerlei Verschleißerscheinungen und sind daher sehr zuverlässig. 

Hall-Sensoren kommen unter anderem zur Positionserkennung zum Einsatz, bei der die präzise Messung einer Distanz oder eines Winkel gefordert ist. Durch ihre hohe Genauigkeit und ihre Robustheit eignen sich Hall-Effekt-Sensoren sehr gut für den Einsatz unter der Motorhaube, wo sie bei Umgebungstemperaturen bis zu 160 °C zuverlässig arbeiten. 

Hall-Schalter

Funktionsprinzip: Bei Annäherung eines Magneten an den Sensor wird die gemessene Magnetfeldstärke mit einem Schwellwert verglichen. Sobald dieser Wert überschritten wird (Schaltpunkt) ändert sich der Schaltzustand am Ausgang des Sensors, der typenabhängig unipolares, bipolares oder Latch-Schaltverhalten aufweist. 

TDK-Micronas bietet hier die Schalterfamilie HAL 15xy an mit vordefinierten Kennwerten. Sie wurde in erster Linie für den Einsatz im Automobil konzipiert und erfüllt die Anforderungen an die Funktionale Sicherheit. Alle Mitglieder der HAL 15xy-Familie sind gemäß dem ISO 26262 Standard als SEooC (Safety Element out of Context) ASIL B-ready definiert. Dieser Schalter ist in den Gehäusen TO92 oder SOT23 als 3-Draht- oder 2-Draht-Version erhältlich. Letztere besitzt einen Stromquellenausgang und kommt dadurch mit nur zwei Zuleitungen aus. Typische Anwendungen im Auto sind z.B. die Erfassung des Bremsflüssigkeitsniveaus, die Erkennung, ob der Sicherheitsgurt angelegt ist und der Einsatz als Bremslichtschalter. Hall-Schalter ersetzen übliche Mikroschalter z.B. in Gurtschlössern oder Jalousien. Weiterhin können sie in Verbindung mit einem Motorcontroller für die Kommutierung bürstenloser Elektromotoren eingesetzt werden.

Drehzahlerfassung durch Hall-Schalter

Linear-Hall-Effekt-Sensoren

Für Wegmessungen oder die Messung von Drehbewegungen werden komplexere Hall-Sensoren mit linearer Ausgangskennlinie benötigt. Linear-Hall-Sensoren geben ein zur Magnetfeldstärke proportionales Signal aus. Dieses Ausgangssignal wird als analoge Spannung, pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) oder in Form eines modernen Busprotokolls (z.B. SENT) zur Verfügung gestellt. Die Ausgangskennlinie lässt sich mit Hilfe von bis zu 32 Stützstellen linearisieren. Damit können Toleranzen der Magnete oder des mechanischen Aufbaus vollständig kompensiert werden. Die HAL 24xy-Sensorfamilie ist diagnosefähig und wurde für genaue Distanzmessungen bis zu 40 mm und für Winkelmessungen bis zu 180 Grad ausgelegt. Für den Einsatz in besonders sicherheitskritischen Drive-by-Wire-Anwendungen kann die Sensorvariante HAR 24xy mit einer Redundanzfunktion aufwarten. Hier wurden zwei unabhängige Sensorchips (Dual-Die) in ein TSSOP-Gehäuse integriert. Typische Anwendungen sind Magnetfeldmessungen und der Ersatz konventioneller verschleißbehafteter Potentiometer. Im Automobil kommen Linear-Hall-Sensoren insbesondere für die Erkennung von Pedalstellung oder Lenkmoment zum Einsatz, wobei sie zunehmend in diesen Anwendungen von Direktwinkelsensoren abgelöst werden.

Bestimmung von Position und Bewegung mittels Linear-Hall-Sensoren

Direktwinkel-Sensoren

Während Linear-Sensoren lediglich die Amplitude eines Magnetfelds erfassen, sind Direktwinkel-Sensoren in der Lage, auch die Ausrichtung des Feldes zu messen. Die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Chip-Ebene wird bei beiden Arten von Linearsensoren erfasst. Die „vertikalen“ Hall-Elemente der 3D-Sensoren detektieren zusätzlich die Magnetfeldkomponente in der Chip-Ebene. Die interne Signalverarbeitung errechnet daraus Winkel- und Positionsinformationen, die als analoges, PWM- oder Busprotokoll-Ausgangssignal (z. B. SENT) ausgegeben werden.

Die Sensorfamilie HAL 39xy von TDK-Micronas nutzt die firmeneigene 3D HAL Technologie und ist gleichzeitig unempfindlich gegenüber externen magnetischen Störfeldern. Das einzigartige Konzept basiert auf einer Reihe von Hall-Elementen. Jeder Messmodus verwendet eine andere Hall-Element-Kombination, um das beste Messergebnis zu erzielen. Das hochflexible Sensor-Array der masterHAL^®-Sensorlinie erleichtert Entwicklern die Auswahl des optimalen Betriebsmodus für jede erdenkliche Messaufgabe. Die HAL 39xy-Sensoren sind die einzigen auf dem Markt verfügbaren Systemlösungen, die alle vier Modi in einem einzigen Sensor integrieren. Sie schaffen einen klaren Vorteil für den Kunden, denn es muss nur ein Bauelement anstelle mehrerer verschiedener Hardwareversionen qualifiziert werden. Die neuen Sensoren eignen sich ideal zum Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, darunter alle Arten von Ventilen und Aktuatoren, Gangschaltung, Pedalstellungs-, Getriebepositions-, Lenkwinkel- oder Fahrwerkpositionserfassung.

Neben der Ausgangskennlinie können die Hauptkennwerte durch Programmierung des nichtflüchtigen Speichers an den Magnetkreis angepasst werden. Der HAC 39xy ist mit integrierten Kondensatoren ausgestattet, um kostengünstig und platzsparend erstklassige EMV-Eigenschaften zu erreichen und leiterplattenlose Anwendungen zu ermöglichen. HAR 39xy ist die Dual-Die-Version der HAL 39xy-Familie. Typische Einsatzgebiete sind sehr genaue Messungen von Magnetfeldausrichtung oder linearer Bewegung bis zu 40 mm und Winkeln bis zu 360°. Direktwinkel-Sensoren eignen sich ideal für die Detektion der Stellung von Drosselklappe oder Kupplungspedal.

Direktwinkelmessung mit 3D-Hall-Sensoren