Eine Anwendung für Magnetsensoren ist die elektrische Servolenkung (Electric Power Steering, EPS). Magnetsensoren liefern die Informationen, die zur Regelung der mechanischen Drehmomenterhöhung erforderlich sind. Diese unterstützt den Fahrer beim Lenken während des Einparkens oder bei geringer Geschwindigkeit.
Das Erfassen eines Magnetfelds und die Bestimmung seiner Feldstärke (B) erfolgt über den Hall-Effekt. Dieser beschreibt die Interaktion zwischen Magnetfeldern und dem Stromfluss in einem Material. Durch diese Wechselwirkung ergibt sich eine Ansammlung elektrischer Ladung, die eine messbare Spannung erzeugt, welche wiederum direkt proportional zur Größe des angelegten Magnetfelds ist.
Ein EPS-System besteht drei verschiedenen Sensoren:
Der Lenkradpositionssensor liefert Daten, um die absolute Position des Lenkrads zu ermitteln.
Der Lenkdrehmomentsensor überträgt das vom Fahrer auf das Lenkrad angewendete Drehmoment in ein elektrisches Signal zur weiteren Verarbeitung.
Der Motorpositionssensor liefert Daten, um die Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors im System zu regeln.
Alle erfassten Daten dieser Sensoren werden an die elektronische Steuerungseinheit (Electronic Control Unit, ECU) des EPS-Systems weitergeleitet, in der die erforderlichen Berechnungen stattfinden. Die ECU erhält auch Informationen von anderen Quellen, zum Beispiel die Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl etc. Beim Einsatz herkömmlicher planarer Hall-Effekt-Sensoren ergeben sich hier Nachteile, da diese ein Magnetfeld nur senkrecht zur Oberfläche erfassen können. Ein System, das solche Sensoren verwendet, benötigt deshalb mehrere Sensorelemente, die so angeordnet sind, dass sie senkrecht zueinander stehen. Dies erhöht nicht nur die Kosten, sondern belegt auch wertvollen Platz auf der Leiterplatte.
Magnetsensoren für mehrere Richtungen
In den letzten Jahren kamen verschiedene mehrdimensionale Sensoren auf den Markt. Die Hall-basierten Bausteine nutzen die neue, aber noch nicht ganz ausgereifte vertikale Hall-Technik. Obwohl diese Sensoren das gleiche physikalische Prinzip nutzen, befindet sich die Integration dieser Technologie noch in einem sehr frühen Stadium – verglichen zur lang etablierten planaren Hall-Technik. Melexis geht einen anderen Weg mit seiner eigenen, patentierten Technologie und hat Hall-Effekt-Sensoren für mehrere Richtungen entwickelt. Diese bieten eine Mischung aus hoher Leistungsfähigkeit, kompaktem Formfaktor, Widerstandsfähigkeit in rauen Umgebungen durch ein robustes Gehäuse, geringe Stückkosten und eine einfache Implementierung. Die Triaxis-Serie soll Entwicklern helfen, die Probleme bei der Integration mehrerer einzelner Sensoren zu überwinden.
Jeder Triaxis-Sensor verfügt über zwei Paare orthogonaler Sensorelemente, die in beide Richtungen entlang der Oberfläche eines hochintegrierten Mixed-Signal-CMOS-ICs verlaufen. Der ferromagnetische IMC(Integrated Magnetic Concentrator)-Film, der auf den Chip aufgebracht ist, erlaubt das Formen und Verstärken des magnetischen Feldes rund um den IC – und das mit höherer Empfindlichkeit und verbessertem Signal-Rauschabstand (Signal to Noise Ratio, SNR). Zusammen mit speziell entwickelten Algorithmen lassen sich damit die verschiedenen Magnetfeldkomponenten, die horizontal zum Sensor-IC vorliegen (mit BX- und BY-Komponente), zusätzlich zur vertikalen Feldkomponente (BZ) mit hoher Genauigkeit bestimmen.
Diese Technologie sorgt für genauere Magnetfeldkomponenten-Signale, die von den BX/BY/BZ-Sensorelementen erzeugt werden. Jeder der drei erfassten Differentialspannungen wird an den im Sensor integrierten A/D-Wandler weitergeleitet, der eine Signalaufbereitung durchführt. Nach der Datenwandlung folgt eine digitale Signalverarbeitung auf dem Chip, um eine präzise, absolute Positionsmessung zu erhalten.
Dieser Ansatz bietet der Automotive-Industrie eine elegantere und einfachere Methode für die Magnetfelderfassung. Zudem ergeben sich Vorteile gegenüber anderen multi-direktionalen Lösungen am Markt, da diese auf komplexen mathematischen Modellen und einer Sensortechnik beruhen, die noch nicht über die Zuverlässigkeit herkömmlicher CMOS-Hall-Effekt-Sensoren verfügt. Die Triaxis-Sensoren liefern der ECU des EPS-Systems hochqualitative Daten über Dreh- oder dreidimensionale Bewegungen (mit ±1° Genauigkeit bei einer 360°-Drehung).
Multi-direktionale Hall-Effekt-Sensorik ermöglicht effizientere Automotive-EPS-Systeme. Die Integration komplexerer Sensoren wie die der Triaxis-Serie, die mehrere Sensorelemente in einem einzigen Chip vereinen, ermöglicht das schnelle und genaue Erfassen der verschiedenen Lenkkomponenten, die in einem EPS-System erforderlich sind. Damit wird die genaue Positionsbestimmung des Lenkrads sichergestellt und die Leistung des EPS-Systems verbessert, während die Kosten und der Platzbedarf minimal bleiben.
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