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April 2014
Volker Peters
Selbstüberwachung und Autokalibrierung von Hall-Sensoren für die robuste Magnetfeldmessung
Integrierte Hall-Sensoren sind aufgrund vieler Vorteile aus unzähligen technischen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Mit der Analyse ihrer Eigenschaften sowie der Verbesserung ihrer Signalqualität und Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten beschäftigt sich diese Dissertation.
Einleitend werden neben dem Hall-Effekt auch andere Prinzipien zur Magnetfeldmessung erklärt und in einen geschichtlichen Kontext bedeutender Erfindungen und Entdeckungen eingeordnet.
In der folgenden Analyse der Eigenschaften von Hall-Sensoren zeigt sich, dass nach dem herstellungsbedingten Offset die Querempfindlichkeit auf Temperatur- und Stress-Einflüsse einen dominierenden Einfluss auf die Messwertqualität Hall-basierter Systeme darstellt. Die physikalischen Mechanismen des zu Grunde liegenden Piezo-Hall-Effekts werden erläutert und eigene Messergebnisse und Simulationen zur Stress-Entstehung dargestellt. Neben Maßnahmen zur Vermeidung des Stresses wird ein selbstentwickeltes Verfahren für eine sehr genaue Online-Kalibrierung integrierter Hall-Sensoren vorgestellt und die Messergebnisse eines Testchips mit bestehenden Lösungen verglichen und bewertet.
Es zeigt sich, dass sich die integrierten Spulen auch hervorragend zur Erzeugung eines Referenzsignals für die Selbstüberwachung des Sensors in sicherheitskritischen Anwendungen eignen. Die Wirksamkeit der Selbstüberwachung wird mit Hilfe einer aufwändigen simulierten Fehlerinjektion überprüft und durch Experimente an realen Testchips bestätigt.
Einleitend werden neben dem Hall-Effekt auch andere Prinzipien zur Magnetfeldmessung erklärt und in einen geschichtlichen Kontext bedeutender Erfindungen und Entdeckungen eingeordnet.
In der folgenden Analyse der Eigenschaften von Hall-Sensoren zeigt sich, dass nach dem herstellungsbedingten Offset die Querempfindlichkeit auf Temperatur- und Stress-Einflüsse einen dominierenden Einfluss auf die Messwertqualität Hall-basierter Systeme darstellt. Die physikalischen Mechanismen des zu Grunde liegenden Piezo-Hall-Effekts werden erläutert und eigene Messergebnisse und Simulationen zur Stress-Entstehung dargestellt. Neben Maßnahmen zur Vermeidung des Stresses wird ein selbstentwickeltes Verfahren für eine sehr genaue Online-Kalibrierung integrierter Hall-Sensoren vorgestellt und die Messergebnisse eines Testchips mit bestehenden Lösungen verglichen und bewertet.
Es zeigt sich, dass sich die integrierten Spulen auch hervorragend zur Erzeugung eines Referenzsignals für die Selbstüberwachung des Sensors in sicherheitskritischen Anwendungen eignen. Die Wirksamkeit der Selbstüberwachung wird mit Hilfe einer aufwändigen simulierten Fehlerinjektion überprüft und durch Experimente an realen Testchips bestätigt.
Keywords: Hall-Sensor; Magnetfeldsensor; Autokalibrierung; Selbsttest
Aktuelle Berichte aus der Mikrosystemtechnik – Recent Developments in MEMS
Edited by Prof. Dr. Andreas Schütze and Prof. Dr. Helmut Seidel, Saarbrücken
Volume 25
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