HIGH PRECISION MINIATURIZED MAGNETIC ANGULAR ENCODER



Documents pareils
REMOTE DATA ACQUISITION OF EMBEDDED SYSTEMS USING INTERNET TECHNOLOGIES: A ROLE-BASED GENERIC SYSTEM SPECIFICATION

Design and Realization of Fiber. Monitoring Applications

Exemple PLS avec SAS

Photoactivatable Probes for Protein Labeling

03/2013. Mod: WOKI-60IP/TR. Production code: DTWIC 6000

The new consumables catalogue from Medisoft is now updated. Please discover this full overview of all our consumables available to you.

Forthcoming Database

APPENDIX 6 BONUS RING FORMAT

Improving the breakdown of the Central Credit Register data by category of enterprises

NORME INTERNATIONALE INTERNATIONAL STANDARD. Dispositifs à semiconducteurs Dispositifs discrets. Semiconductor devices Discrete devices

La solution idéale de personnalisation interactive sur internet

THÈSE. présentée à TÉLÉCOM PARISTECH. pour obtenir le grade de. DOCTEUR de TÉLÉCOM PARISTECH. Mention Informatique et Réseaux. par.

An Ontology-Based Approach for Closed-Loop Product Lifecycle Management

Stéphane Lefebvre. CAE s Chief Financial Officer. CAE announces Government of Canada participation in Project Innovate.

RÉSUMÉ DE THÈSE. L implantation des systèmes d'information (SI) organisationnels demeure une tâche difficile

Archived Content. Contenu archivé

Instructions Mozilla Thunderbird Page 1

L. Obert, T. Lascar, A. Adam

CLIM/GTP/27/8 ANNEX III/ANNEXE III. Category 1 New indications/ 1 re catégorie Nouvelles indications

INSTITUT MARITIME DE PREVENTION. For improvement in health and security at work. Created in 1992 Under the aegis of State and the ENIM

THE EVOLUTION OF CONTENT CONSUMPTION ON MOBILE AND TABLETS

Frequently Asked Questions

NEW Fin Fan / Air cooled condenser cleaning

COPYRIGHT Danish Standards. NOT FOR COMMERCIAL USE OR REPRODUCTION. DS/EN 61303:1997

Paxton. ins Net2 desktop reader USB

Institut français des sciences et technologies des transports, de l aménagement

Présentation par François Keller Fondateur et président de l Institut suisse de brainworking et M. Enga Luye, CEO Belair Biotech

Revision of hen1317-5: Technical improvements

Mesure chimique. Chemical measurement. Sonde de température Pt 1000 Inox Pt 1000 stainless steel. Ref : Français p 1.

BNP Paribas Personal Finance

Editing and managing Systems engineering processes at Snecma

Lean approach on production lines Oct 9, 2014

DOCUMENTATION MODULE BLOCKCATEGORIESCUSTOM Module crée par Prestacrea - Version : 2.0

Francoise Lee.

Macro-to-Microchannel Transition in Two-Phase Flow and Evaporation

Face Recognition Performance: Man vs. Machine

Utiliser une WebCam. Micro-ordinateurs, informations, idées, trucs et astuces

Comprendre l impact de l utilisation des réseaux sociaux en entreprise SYNTHESE DES RESULTATS : EUROPE ET FRANCE

WEB page builder and server for SCADA applications usable from a WEB navigator

MEMORANDUM POUR UNE DEMANDE DE BOURSE DE RECHERCHE DOCTORALE DE LA FONDATION MARTINE AUBLET

PIB : Définition : mesure de l activité économique réalisée à l échelle d une nation sur une période donnée.

physicien diplômé EPFZ originaire de France présentée acceptée sur proposition Thèse no. 7178

ICA Congress, Brisbane 2012 Thème général : Les temps qui changent. La confiance et les archives*

Application Form/ Formulaire de demande

RULE 5 - SERVICE OF DOCUMENTS RÈGLE 5 SIGNIFICATION DE DOCUMENTS. Rule 5 / Règle 5

Fabricant. 2 terminals

Contents Windows

COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Brussels, 18 September 2008 (19.09) (OR. fr) 13156/08 LIMITE PI 53

PeTEX Plateforme pour e-learning et expérimentation télémétrique

SMALL CITY COMMERCE (EL PEQUEÑO COMERCIO DE LAS PEQUEÑAS CIUDADES)

Le No.1 de l économie d énergie pour patinoires.

Tier 1 / Tier 2 relations: Are the roles changing?

Deadline(s): Assignment: in week 8 of block C Exam: in week 7 (oral exam) and in the exam week (written exam) of block D

EN UNE PAGE PLAN STRATÉGIQUE

IDENTITÉ DE L ÉTUDIANT / APPLICANT INFORMATION

INDIVIDUALS AND LEGAL ENTITIES: If the dividends have not been paid yet, you may be eligible for the simplified procedure.

Small Businesses support Senator Ringuette s bill to limit credit card acceptance fees

Gestion des prestations Volontaire

First Nations Assessment Inspection Regulations. Règlement sur l inspection aux fins d évaluation foncière des premières nations CONSOLIDATION

Support Orders and Support Provisions (Banks and Authorized Foreign Banks) Regulations

Stratégie DataCenters Société Générale Enjeux, objectifs et rôle d un partenaire comme Data4

APPENDIX 2. Provisions to be included in the contract between the Provider and the. Holder

Moteur DC: Comment faire varier sa vitesse?

Projet de réorganisation des activités de T-Systems France

Le passé composé. C'est le passé! Tout ça c'est du passé! That's the past! All that's in the past!

English Q&A #1 Braille Services Requirement PPTC Q1. Would you like our proposal to be shipped or do you prefer an electronic submission?

«Rénovation des curricula de l enseignement supérieur - Kazakhstan»

Université de XY University of XY. Faculté XY Faculty of XY

This is a preview - click here to buy the full publication NORME INTERNATIONALE INTERNATIONAL STAN DARD. Telecontrol equipment and systems

Notice Technique / Technical Manual

Services à la recherche: Data Management et HPC *

MEMORANDUM POUR UNE DEMANDE DE BOURSE DE RECHERCHE DOCTORALE DE LA FONDATION MARTINE AUBLET

Instructions pour mettre à jour un HFFv2 v1.x.yy v2.0.00

Compléter le formulaire «Demande de participation» et l envoyer aux bureaux de SGC* à l adresse suivante :

Natixis Asset Management Response to the European Commission Green Paper on shadow banking

Relions les hommes à l entreprise Linking people to companies

RISK-BASED TRANSPORTATION PLANNING PRACTICE: OVERALL METIIODOLOGY AND A CASE EXAMPLE"' RESUME

iqtool - Outil e-learning innovateur pour enseigner la Gestion de Qualité au niveau BAC+2

Nouveautés printemps 2013

LOI SUR LA RECONNAISSANCE DE L'ADOPTION SELON LES COUTUMES AUTOCHTONES ABORIGINAL CUSTOM ADOPTION RECOGNITION ACT

POSITION DESCRIPTION DESCRIPTION DE TRAVAIL

MANAGEMENT SOFTWARE FOR STEEL CONSTRUCTION

AVOB sélectionné par Ovum

Township of Russell: Recreation Master Plan Canton de Russell: Plan directeur de loisirs

DOCUMENTATION - FRANCAIS... 2

Scénarios économiques en assurance

Judge Group: P Title: Quel est meilleur: le compost ou le fertilisant chimique? Student(s): Emma O'Shea Grade: 6

INSERTION TECHNIQUES FOR JOB SHOP SCHEDULING

Quatre axes au service de la performance et des mutations Four lines serve the performance and changes

Discours du Ministre Tassarajen Pillay Chedumbrum. Ministre des Technologies de l'information et de la Communication (TIC) Worshop on Dot.

Networking Solutions. Worldwide VSAT Maintenance VSAT dans le Monde Entretien. Satellite Communications Les Communications par Satellite

Dans une agence de location immobilière...

: Machines Production a créé dès 1995, le site internet

PEINTAMELEC Ingénierie

Mon Service Public - Case study and Mapping to SAML/Liberty specifications. Gaël Gourmelen - France Telecom 23/04/2007

Cell-Based Deformation Monitoring via 3D Point Clouds

ETABLISSEMENT D ENSEIGNEMENT OU ORGANISME DE FORMATION / UNIVERSITY OR COLLEGE:

calls.paris-neuroscience.fr Tutoriel pour Candidatures en ligne *** Online Applications Tutorial

CLIQUEZ ET MODIFIEZ LE TITRE

Convergy : la conversion d énergie par excellence

Transcription:

HIGH PRECISION MINIATURIZED MAGNETIC ANGULAR ENCODER ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ES SCIENCES TECHNIQUES PAR Frederic BURGER, lngenieur en microtechnique diplbme EPF de nationalite suisse et originaire de Freienwil (AG) acceptee sur proposition du jury: Prof. R. S. Popovic, directeur de these Dr F. Gueissaz, rapporteur Prof. J. Korvink, rapporteur Prof. R. Siegwart, rapporteur Lausanne, EPFL 2000

Abstract... 1 1 Introduction... 5 1.1 Motivations... 5 1.2 How to Measure an Angular Position?... 6 Mechanical... 7 Resistive...-8 Inductive... 9 Capacitive... 10 Optical... 11 Magnetic... 12 Solutions summary... 15 1.3 Theconcept... 16 1.4 The Challenge... 18 1.5 The Content of the Thesis Research... 19 2 Basics of the Hall Effect... 23 2.1 Hall Effect: Plate as Sensor... 23 2.2 Hall Effect: Material Properties... 26 Modified resistivity... 27 Scattering effect... 29 Anisotropy effect... 31 Mean s-power of the relaxation times... 34 Numerical values... 35

2.3 Hall Effect: from Material Properties to Device Sensitivity... 37 2.4 Design of Vertical Hall Sensors... 40 2.5 Conform Mapping and Geometrical Correction Factor... 43 Conform mapping... 43 Geometrical correction factor... 44... 2.6 Junction Field Effect 45... 2.7 Conclusions 46 3 Angular Encoder Microsystem....,... 49 3.1 Optimized Magnetization and Sensor Position... 49 Magnet characteristics... 49 Sensors centered below the magnet... 50 Sensors off-centered below the magnet... 52 Sensors at the periphery of the magnet... 54 Ourchoice... 55 3.2 Multidimensional Hall Sensors... 56 2-D vertical Hall sensor (VH2D)... 57 3-D Hall sensor (VH3D)... 58 Stability and strain influence... 59 Symmetrical sensor design... 61 Electronic solutions for the sensor use... 62 Sensor characteristics... 63 Prototype of an angular position encoder... 67 3.3 Signal Processing of the Angular Position... 69 Mathematical method (arctangente)... 69 Phase shift method... 72 CordicAlgorithm... 74 Sum ary... 75 3.4 Improvements of the Measurement Precision... 76... Magnet influences 76 Mechanical Influences... 77 Sensor behavior influences... 79 Error source summary... 83 3.5 Contactless Potentiometer: an Industrial Product... 83 3.6 Conclusion... 86

4 Control of Brushless Micromotors... 87 4.1 Brushless Micromotors... 87 4.2 VH-Sensor with 3 Branches (VH120)... 90 Prototype with discrete sensors... 90 New integrated Y -shaped VH-sensor... 91... 4.3 Sensor Assembly 99... 4.4 Electronic Circuit 102 4.5 Performances Improvements... 105 4.6 Conclusion... 110 5 Other Applications... 111... 5.1 Compass 111 5.2 Measurements in Hostile Environment... 114 5.3 Angular Position Encoder with Crossing Shaft... 117 5.4 Inclinometer... 120 5.5 Joystick... 123 Single sensor solution for pitch and roll measurement... 123 Multiple sensors solution with force feedback... 125 6 Anisotropy in Silicon Hall Sensors... 131 6.1 Measurements Definitions... 132 Unidimensional vertical Hall sensors... 132... Unidimensional CMOS Hall plates sensors 133 6.2 Vertical Hall Sensor Measurements... 135 Sensitivity for perpendicular magnetic field... 135 Rotation of the magnetic field... 137 Angular shift as function of the magnetic field amplitude... 139 Practical considerations... 139 6.3 CMOS Hall Plate Measurements... 141 Sensitivity for perpendicular magnetic field... 141 Rotation of the magnetic field... 142 Planar Hall effect... 143 Practical considerations... 145

6.4 Modeling of Material-Related Non-Linearities for Hall Devices in Anisotropic Material 146 Anisotropy effect at high magnetic fields... 146 Scattering effect at high magnetic fields... 148 Mean values of the relaxation times Tis... 149 Total current... 150 Special case: weak magnetic field... 151 Simulation strategy... 152 6.5 Simulation on the Vertical Hall Device... 153 Sensitivity for perpendicular magnetic field... 153 Angular shift as function of the magnetic field amplitude... 155 6.6 Simulation on the CMOS Hall Plate... 156 Sensitivity for perpendicular magnetic field... 156 Rotation of the magnetic field... 157 Planar Hall effect... 159 6.7 Conclusion... 160 7 Conclusions and Outlook... 163 Appendices... 167 A.l Vectorial Permutation... 167 A.2 Vectorial to Matrix Equivalence... 169 A.3 Electronic Set-Ups... 171 A.4 Absolute Contactless Potentiometer... 177 AS Feedback Sensor for the Control of Micromotors... 183 A.6 Compass Integrated in a Watch... 185 References... 189 Symbols and Abbreviations... 197 Acknowledgments... 203 Curriculum Vitae... 205

In this thesis work we have developed new knowledge in the field of magnetic angular position encoders. Particularly, new Hall sensors have been designed and fully characterized. These are 2-D Vertical Hall sensors with three branches and 3-D Hall sensors. With these analyses, we have measured the influence of the silicon anisotropy on the Hall effect for the first time. This has been confirmed theoretically. We demonstrate that the use of a magnetic solution for our angular encoders allows them to be miniaturized and contactless. They are able to measure an absolute angular position with an accuracy of more than 1 %O over 360". The presented novelties also make it possible to simplify the electronic control of brushless micromotors as well as to at least double the efficiency of such motors with 5 mm diameter. The measurement principle we use to obtain an angular position consists of measuring the magnetic field direction with Hall sensors. This magnetic field can be created in different ways, but in our case it is created by a permanent magnet. We have compared this principle with other technologies available on the market. From this review of the state of the art, we have determined that our solution is the most promising. It combines a high accuracy, small size, the contactless principle, and the 360" absolute measurement range. The requirements of such a realization imply a detailed analysis of the components of this system. We can classify these components in three categories: the permanent magnet, the sensor, and the signal processing. A poor alignment between the permanent magnet and the sensor introduces measurement error. This can be reduced through the sensor's disposition. Regarding this consideration, we have optimized the sensor's positioning as well as the magnet geometry. The goal is to have the sensor positioned in the best homogeneous area. This is under the permanent magnet aligned with the rotation axis and the magnetic field components measurement has to be done in a single point. To this purpose, we have designed and fabricated new multidimensional Hall sensors based on the vertical Hall technology, allowing the system to fulfill the "point like" measurement requirement.

Abstract From the sensor point of view, the offset voltage, the noise, and the nonlinearities are the limiting factors for a high accuracy. The influences of the first two effects can be strongly decreased by increasing the magnetic field. However, the third one then becomes significant. That is, the high-field phenomena in the Hall element become important. The study of the high-field phenomena has allowed us to highlight the influences of the silicon anisotropy on the Hall effect. These have been successfully explained by comparing the performed measurements with the simulation results obtained by our new model. In this model we have included the anisotropy effect as well as the scattering effect. We have adapted the simulation parameters to our applications. The parameters are the sensor orientation regarding the silicon crystal axes and the direction of the magnetic field with respect to the current direction. For the last category of the system components, different possibilities of signal processing have been analyzed. Some effects such as that of the temperature, of the offset, and of the junction field effect can be reduced or cancelled out with adapted electronic modules. These are already well known. On the other hand, many possibilities to calculate the angular position from sine shape signals exists. What emerges from this analysis is that the numerical processing is the most adapted thanks to its high accuracy, its low cost, and its low component number. The excellent performances reached by our angular position encoder have been illustrated with three commercial applications which are partially based on the results of this thesis. These are: an absolute contactless potentiometer with + 0.35" accuracy over 360". This will be soon commercialized by Novotechnik, Germany. a patented feedback sensor which significantly improves the performance of smoovym micromotors. This is already commercialized by RMB, Switzerland. a compass integrated in a watch where a very small size and low power are required. This watch will be soon commercialized by Tissot, Switzerland.

Au cours de ce travail de thkse, nous avons dkveloppk de nouvelles connaissances dans le domaine des encodeurs magnktiques de position angulaire. En particulier, de nouveaux capteurs Hall ont kt6 dessinks et entikrement caractkrisks, tels que des capteurs Hall verticaux 2-D B trois branches et des capteurs Hall 3-D. Leur ktude a permis de mettre en kvidence pour la premikre fois l'influence de l'anisotropie du silicium sur l'effet Hall. Cette observation a d'ailleurs kt6 confirmee thkoriquement. Nous dkmontrons que pour mesurer une position angulaire, la solution magnktique est sans contacts et peut &re miniaturiske. Cette mkthode est capable d'effectuer une mesure absolue de la position angulaire avec un prkcision meilleure que 1 %O sur 360". Les nouveautks que nous prksentons rendent kgalement possible la simplification de l'klectronique de contr6le d'un micromoteur "sans-balais" tout en doublant au moins le rendement d'un tel moteur de 5 mm de diamktre. Le principe de mesure que nous utilisons pour mesurer la position angulaire est bask sur la determination de la direction d'un champ magnktique a l'aide d'un capteur B effet Hall. Ce champ peut etre crkk de diffkrentes manikres; pour notre cas, il est gknkrk par un aimant permanent. Nous avons compark ce principe h d'autres technologies disponibles sur le marchk, cela nous a permis de constater que notre solution est la plus prometteuse. En effet, elle combine une haute prkcision, un faible encombrement, la mesure sans contacts et la mesure absolue d'un angle sur 360". La rkalisation d'un tel systkme exige une analyse dktaillke de tous ses composants. Nous pouvons les classer en trois catkgories: l'aimant permanent, le capteur et le traitement du signal. Un mauvais alignement entre l'aimant permanent et le capteur gknhre une erreur de mesure. Elles peuvent Ztre rkduites en fonction de la disposition du capteur. Suite h cette considkration, nous avons optimisk le positionnement du capteur ainsi que la gdomktrie de l'aimant, le but est que les capteurs soient dispose's dans la zone ou l'homogknkitk du champ est la meilleure. C'est-&dire que cette position se situe sous l'aimant et est alignke avec l'axe de rotation, de plus le champ magnktique doit Ztre mesurk en un point. C'est pour cette raison que nous avons conp et re'alise' des nouveaux capteurs Hall verticaux

Rksumk multidimensionnels, ils sont en effet capables de mesurer les trois composantes du champ en un seul point. Du point de vue capteur, la tension d'offset, le bruit et les non-linkaritks sont des facteurs empechant une mesure B haute prkcision. Les influences des deux premiers effets sont fortement diminukes en augmentant le champ magnktique. Mais, B ce moment le troisikme effet devient significatif. C'est-B-dire que les phknomhnes B haut champ magnktique des kl6ments Hall deviennent importants. Cette ktude nous a permis de mettre en kvidence les effets de l'anisotropie du silicium sur l'effet Hall. Nous avons pu les expliquer avec succks en comparant les mesures effectukes avec les rksultats de simulation obtenus B partir de notre nouveau modkle. Nous avons inclus dans ce modhle les effets de l'anisotropie ainsi que ceux de la "scattering". Les paramktres de simulation ont kt6 adaptks B notre application. En effet, nous tenons compte de l'orientation du capteur avec le rkseau cristallin du silicium et de la direction du champ magnktique en fonction de la direction du courant. Pour la derni2re catkgorie des composants du systkme, nous avons analysk plusieurs possibilitks de traitement des signaux. Les influences de la tempdrature, de l'offset et de l'effet de champ peuvent Etre rkduits ou annulks B l'aide de modules klectroniques adaptks. Ceux-ci sont dkja bien connus. Par contre, il existe plusieurs manikres de calculer une position angulaire B partir de signaux sinuso~daux. I1 ressort de cette analyse que le traitement numkrique des signaux est le mieux adapt6 grace B sa haute prkcision, son faible coat et au petit nombre de composants necessaires. Les excellentes performances obtenues avec notre encodeur de position angulaire ont kt6 illustrkes par la commercialisation de trois applications partiellement baskes sur les rksultats obtenus dans cette thhse. Elles sont les suivantes:. un potentiomktre absolu sans contact prkcis B k 0.35' sur 360". I1 sera prochainement commercialisk par Novotechnik, Allemagne.. un capteur brevet6 de contre-rkaction pour l'amklioration des performances @ des micromoteurs smoovy. I1 est dkjb commercialisk par RMB, Suisse. une boussole nkcessitant trks peu de place ainsi qu'une faible consommation a kt6 intkgr6e dans une montre. Cette montre va Etre sous peu commercialiske par Tissot, Suisse.