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EINSATZ, ANFORDERUNGEN UND TRENDS
Intelligente Sensoren im
Automobil
Im folgenden Artikel der Firma Infineon Technologies
werden neue Sensoren und damit mögliche Applikationen
aus dem Bereich Drucksensorik, Reifendruckkontrolle
und Energiemanagement vorgestellt.
Käufer von modernen Kraftfahrzeugen orientieren
sich neben subjektiven Kriterien bei der Auswahl
der Fahrzeugmarke auch an geringem Kraftstoffverbrauch,
Schadstoffemission, hoher Sicherheit
und individuellem Komfort. Durch diese Motivationsfaktoren
beim Kraftfahrzeugkauf und durch legislative Vorgaben
steigt der Bedarf an intelligenten Sensoren für
Kfz-Anwendungen weiter stetig an.
Heutige Kraftfahrzeugsysteme erfassen und verarbeiten
eine Vielzahl von sensorischen Eingangsgrößen, wie z.B.
Druck, Temperatur, Drehzahl, Drehrate, Winkel, Kraft,
Beschleunigung, Abstand, Füllstände, Stromlast bzw. Verbrauch
und chemische Zusammensetzungen (Luftgüte
oder Ölqualität). Ein wesentliches Verbesserungspotential
bringen moderne Sensoren mit der Möglichkeit, Sensorelemente
und Auswerteelektronik (Temperatur-Kompensation,
AD-Wandlung, MCU, usw.) auf einem Chip zu integrieren.
Drucksensoren - Technologie und
Applikationen
Der Einsatzort der Sensoren mit den jeweils vorherrschenden
Temperaturen, Drücken und Umgebungsmedien
bestimmt die Auswahl der Sensorelement- und Package-
Technologien. Bild 1 gibt einen exemplarischen Überblick
über die Sensoren im Bereich Motormanagement.
Für die Anwendungen im Bereich Drucksensorik kann
davon ausgegangen werden, dass für Drücke >10 bar der

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Sensor in einem Fluid betrieben wird oder der Druck über
ein Fluid an den Sensor übertragen bzw. herangeführt wird.
In diesem Fall sind hohe Ansprüche an das Package bzgl.
Medienresistenz gegeben. Für Anwendungen

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Bild 3: Drucksensor zur Seitenaufprallerkennung.
bei ca. drei Millionen Stück weltweit, so erwartet man am
Ende dieses Jahrzehntes einen Anstieg des Bedarfs bis auf
100 Millionen Drucksensoren pro Jahr. Dieses ungewöhnlich
hohe jährliche Wachstum von ca. 85% basiert auf einer
Gesetzgebung, die in den USA verabschiedet wurde.
Hintergrund ist eine Reihe von tödlichen Unfällen in den
USA durch geplatzte Reifen im Sommer 2000. Die Gesetzgebung
sieht vor, dass jedes neu zugelassene Fahrzeug mit
einem Warnsystem für Druckverlust im Reifen ausgestattet
sein muss (NHTSA Final Ruling). Auch in Europa
gewinnt diese Applikation immer mehr an Bedeutung und
die Anwendung hält als Steigerung im Bereich Komfort und
Sicherheit derzeit Einzug in die Kraftfahrzeugmittelklasse.
Neben dem Reifenluftdruck misst der Sensor die Temperatur
des Reifens und die Batteriespannung des Sensormoduls.
Ein Beschleunigungssensor überwacht das System
und meldet eine physikalische Bewegung aus der Ruhephase.
Dies ist wichtig, um das System aus einem stromsparenden
Zustand zu reaktivieren, wenn das Fahrzeug längere
Zeit gestanden ist. Die Anforderungen an die Batterielebensdauer
beträgt für diese Applikation
mehr als zehn Jahre. Die Empfangseinheit
bildet eine zentrale Empfängereinheit, die
neben den TPMS-Signalen auch die Signale
der geläufigen Applikation Remote Keyless
Entry (RKE) empfangen und verarbeiten
kann.
Bild 4 zeigt den Aufbau eines TPMS-Sensors.
Die hier verwendete Sensortechnologie
unterscheidet sich von der Oberflächenmikromechanik
in der Weise, dass die
Herstellungsprozesse nicht nur auf der
Chipoberfläche angewandt werden. Vielmehr
werden Strukturierungsprozesse
ebenso auf der Rückseite angewandt
(Bulkmikromechanik), um die Durchführungen
zu erhalten. Der Vorteil dabei ist,
dass sie besonders robust gegenüber möglichen
aggressiven Medieneinflüssen ist. In
diesem Fall trifft das Medium über das „Pressure
Inlet“ nicht auf die Sensorelektronik, sondern
auf die robuste Siliziummembran.
Lineare Hall-Effekt-Sensoren
Hall-Effekt-Sensoren sind aus dem Bereich der
Automobilsensorik nicht mehr wegzudenken.
Die Haupteinsatzgebiete sind die klassischen
Applikationen wie Drehzahlerfasssung, lineare
Positionsdetektion und Drehwinkelmessung,
wie z.B. bei Gaspedal, Drosselklappenstellung,
Fahrwerksregelung, Sitzpositionierung und
Lenkwinkelerfassung.
Da im modernen Automobil immer mehr Steuergeräte
ihren Dienst tun, wird der Einsatz eines
Energie- bzw. Verbrauchermanagements nötig.
Systeme messen ihren aktuellen Stromverbrauch
und teilen diesen anderen Steuergeräten
mit. Dies führt verstärkt zum Einsatz von linearen
Hall-Sensoren im Bereich der Strommessung,
wo über die gemessene Magnetfeldstärke am stromdurchflossenen
Leiter auf die aktuelle Stromstärke geschlossen
werden kann. Im Vergleich zur herkömmlichen Shunt-
Strommessungen, bietet dieses Messprinzip entscheidende
Vorteile:
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■ sämtliche Signalaufbereitung wird innerhalb des
Sensors erledigt
■ Lastkreis und Signalausgang sind galvanisch getrennt
■ Keine Verlustleistung bzw. Eigenerwärmung
■ Interne Temperaturkompensation
■ Hohe Genauigkeit
■ 100% Schutz bei Überlast
■ AC- und DC-Messung möglich
■ Programmierbar í Verstärkungsfaktor, Messbereich,
Filtereigenschaften
In Bild 5 wird der prinzipielle Aufbau bei der Verwendung
von linearen Hall-Effekt Sensoren bei der Strommessung
verdeutlicht. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades bzw. der
Bild 4: Aufbau eines TPMS-Sensorelements.
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Bild 5: Prinzip der Strommessung mit einem linearen
Hall-Sensor.
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Genauigkeit bei der Detektion des magnetischen Feldes,
wird der Einsatz von Kernen, sogenannten Feldkonzentratoren
empfohlen. Diese bündeln die konzentrischen Magnetfeldlinien
und führen sie gezielt auf die empfindlichen
Sensorbereiche, wo sich die Hall-Platten befinden.
Anforderungen und Trends
Anhand von Beispielen aus verschieden Anwendungsbereichen
und unterschiedlicher Marktreife wurde gezeigt,
dass diese Art von Sensoren bereits fest im Automobil etabliert
und für künftige Anwendungen nicht mehr wegzudenken
sind. Zukünftige Trends und Hauptanforderungen
innerhalb der Entwicklung von Sensoren für Automobil-
Applikationen werden vorwiegend im Bereich der Erhöhung
der Zuverlässigkeit und Genauigkeit, sowie Verkleinerung
der Bauweise und letztendlich der Systemkosten liegen.
Alexander Schmidt (Dipl.-Ing., FH) ist Marketing-Manager
für Distributionskunden im
Geschäftsbereich Automobil-, Industrieelektronik
& Multimarket bei Infineon Technologies.
Seine Themenschwerpunkte sind Leistungshalbleiter
und Halbleiter-Sensoren für
Automobilanwendungen
(alexander.schmidt@infineon.com) .
Infineon Technologies
@ www.infineon.com/sensors
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