Halbleiterlösungen für die Automobil- und Industrieelektronik

Hall-Sensoren im Automobilbau: Lösungen für die Entwicklung

| Autor / Redakteur: Julia Andris * / Gerd Kucera

Bild 1: Unterschiedliche Gehäuseformen für Hall-Effekt-Sensoren.
Bild 1: Unterschiedliche Gehäuseformen für Hall-Effekt-Sensoren. (Bild: Micronas)

In einem Kfz erfassen je nach Fahrzeugmodell rund 100 Sensoren etwa ein Dutzend physikalische Größen. Hall-Sensor-Chips punkten in der Anwendung nicht nur durch Robustheit und Lebensdauer.

Moderne Fahrzeugelektronik basiert auf einer Steuereinheit und einer Reihe von Sensoren, die im gesamten Fahrzeug verteilt sind. Sie liefern Informationen, die bei der Motorsteuerung, Fahrwerkstechnik, Fahrerassistenzsystemen, Klimatechnik, Sicherheitssystemen, Zugangstechnik und vielem mehr im Automobil benötigt werden. Physikalische Messgrößen wie etwa Position, Temperatur, Drehzahl oder Druck werden von den Sensoren in elektrische Signale umgewandelt und an das Steuergerät weitergeleitet. Alle eingehenden Daten wertet ein Mikrocontroller aus, der anschließend die Ansteuerung der entsprechenden Aktoren (z.B. Elektromotoren) veranlast.

Je nach Einsatzort im Fahrzeug, sind Sensoren oft extremen Belastungen ausgesetzt und müssen dort vielerlei Beanspruchung standhalten: hierzu zählen mechanische (Vibration, Stöße), klimatische (Temperatur, Feuchte), chemische (beispielsweise Spritzwasser, Salznebel, Kraftstoff, Motoröl, Batteriesäure) oder elektrische (Einstrahlung, Störimpulse auf Leitungen, Überspannung, Verpolung) Einflüsse.

Die Fahrzeugelektronik ist insbesondere auf eine zuverlässige Funktion der Sensoren angewiesen. Der Einsatz von Halbleiterbauelementen im Automobil stellt an die Entwicklungsingenieure also zahlreiche Herausforderungen hinsichtlich Chip- und Gehäusedesign. Die rauen Bedingungen unter der Motorhaube führen zu extremen Belastungen (Gehäusestress) und beeinflussen die Lebensdauer des Bauteils.

Wirksame Gegenmaßnahmen erfordern ein hohes Maß an spezifischem Know-how beim Gehäusedesign. Hier können verschiedene Maßnahmen, wie eine schwingungsarme Platzierung, die Verwendung resistenter Materialien oder entsprechender EMV-Schutz Abhilfe schaffen. Bild 1 zeigt einige gängige Gehäuseformen für die Oberflächenmontage auf Leiterplatten durch Löten sowie bedrahtete Gehäuse, die auch zum Schweißen auf Stanzgitter geeignet sind.

Beim Sensor-Design wurden jüngst Konzepte zur Erhöhung der Funktionssicherheit, wie Redundanzfunktionen, integrierte EMV-Schutzmaßnahmen und interne Selbstüberwachung realisiert. Moderne Fahrzeugentwicklung führt zu kompakteren Automobilen, wobei der Innenraumkomfort für den Passagier gleichbleiben soll. Neben einem widerstandsfähigen Gehäuse müssen also auch die Platzverhältnisse berücksichtigt werden, die nur wenig Raum für elektronische Komponenten übrig lassen.

Ein wichtiges Ziel der Automobilindustrie ist die Senkung des Kraftstoffverbrauchs ihrer Fahrzeuge; das ist u.a. durch Senken des Fahrzeuggewichts möglich. Folglich ist auch die Miniaturisierung einzelner Funktionsgruppen notwendig, was zu immer kleineren Sensor-Lösungen führt. Hinzu kommen steigende Anforderungen an die Sensorgenauigkeit bei zunehmendem Kostendruck; das beeinflusst massiv die Entwicklung der Fahrzeug-Sensorik.

Sensoren im Kraftfahrzeug lassen sich in drei Aufgabenbereiche einteilen: Chassis und Sicherheit (hierzu zählen Lenkung, Bremsen und Passagierschutz), Body und Komfort“ (zu verstehen sind hierzu sämtliche Komfort- und Diagnosefunktionen sowie Informationsbereitstellung, Diebstahlsicherung sowie Antriebsstrang, worunter alle Motor und Getriebe aber auch Fahrwerk und Reifen fallen.

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