Sensorhäusung

Arbeitsgruppe "Sensorhäusung"
Sprecher: Prof. Wilde, IMTEK-AVT

Aufgabenverteilung innerhalb der Arbeitsgruppe:
Micronas: Definition und Realisierung der Demonstratoren, Bereitstellung der Meßdaten
IMTEK-AVT: Modellierung der Häusungseinflüsse auf physikalischer Ebene mit ANSYS, Modellreduktion, Schnittstelle zur Schaltungsebene über VHDL-AMS

Ziele

Ziel dieser Arbeitsgruppe ist die Betrachtung der Effekte, die bei der Häusung von Sensoren auftreten und die Bestimmung welche Auswirkungen diese Effekte auf den Sensor und dessen Sensorsignal haben.

Als Demosstrator wurde ein Hall-Sensor verwendet, der auf Materialspannungen und Geometrieänderungen empfindlich reagiert.

Häusungsprozeß und Simulation auf physikalischer Ebene

Die nachfolgende Abbildung zeigt eine typische Abfolge eines Häusungprozesses mit der Simulation der dabei auftretenden Temperaturen.

Abbildung 1: Häusungprozeß

Wichtige Simulationsergebnisse, die mit Hilfe der FEM gewonnen wurden, sind beispielsweise die mechanischen Spannungen im Silizium während und nach den Klebeprozessen bei unterschiedlichen Siliziumdicken, die einen direkten Einfluß auf das spätere Sensorverhalten haben.

Abbildung 2: Mechanische Spannungen im Siliziumchip

Die mechanischen Spannungen führen zu einer Biegung der Chipfläche. Über Bestimmung des Biegeradiusses kann die Position der sensitiven Fläche im Hall-Sensor somit optimal bestimmt werden, um Häusungseinflüsse zu minimieren. Zudem können die gewonnenen Geometriedaten und die mechanischen Spannungen im Bereich der sensitiven Fläche den Simulationen auf Schaltungsebene übergeben werden, um dessen Resteinflüsse im Systementwurf berücksichtigen zu können.

Abbildung 3: Simulation und Messung des inversen Biegeradiusses im Siliziumchip

Simulation im Schaltungssimulator

Abbildung 4 zeigt die Simulation des Hallspannungsverlaufs der VHDL-AMS Implementation eines Hall-Sensors in einem sich sinusförmig änderndem Magnetfeld.

Abbildung 4: Hallspannungsverlauf im Schaltungssimulator

Die folgende Abbildung zeigt die Integration des Hallsensormodells in ein komplettes mechatronisches System, d.h. ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor, der von einer "intelligenten" Elektronik angesteuert wird, treibt eine Last an. Der Hallsensor wird von einem am Motorläufer angebrachten Permanentmagneten diskontinuierlich, einmal kurzfristig pro Umdrehung, mit einem Magnetfeld versorgt. So kann über die Hallspannung Rückschluß auf die Motorumdrehungen und die Rotorgeschwindigkeit gewonnen werden und der Elektronik zur weiteren Nutzung zugeführt werden.

Abbildung 5: Mechatronisches System mit Hallsensor

Die zu Abbildung 5 gehörige Systemsimulation ist in Abbildung 6 dargestellt. Die erste Zeile zeigt die dreiphasige Spannungsversorgung. Die zweite die Hallspannung, die einen Peak pro Umdrehung darstellt. Die dritte Zeile zeigt die Anzahl der Umdrehungen und die letzte Zeile die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motorrotors.

Abbildung 6 :Systemsimulation mit Hallsensor

Fazit

Unter Einbeziehung der Häusungseinflüsse in den Sensorentwurf können Sensoren optimiert werden. Die gewonnenen Geometriedaten und die mechanischen Spannungen im Bereich der sensitiven Fläche des Hallsensors können Simulationen auf Schaltungsebene übergeben werden, um dessen Resteinflüsse im Systementwurf zu berücksichtigen.

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