CN105612404A - 具有传感器元件的传感器以及用于制造传感器元件的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使用一磁场来进行路径或距离测量的电感传感器的传感器元件，该磁场根据到测量对象的距离而变化但在时间上是恒定的，其中薄铁磁材料被集成到基板中。此外，本发明涉及包含该传感器元件的传感器以及用于制造该传感器元件的过程。

Description

具有传感器元件的传感器以及用于制造传感器元件的工艺

本发明涉及用于路径或距离测量的电感传感器的传感器元件、包含该传感器元件的传感器、以及用于制造该传感器元件以及该传感器的工艺。

实践中，用于标准应用的用PCB基板上的平面线圈实现的MDS传感器是令人熟知的。在该MDS变体中，薄铁磁箔附接于测量线圈或附接于发射机。这可以以各种方式发生。以下是以前的解决方案，因为它们在实际应用中是令人熟知的：

铁磁箔是借助于粘合层(双面胶带或具有粘合层的载带)固定到箔载体的。箔载体优选是具有以下特征的电路板：铜表面(涡电流传感器)或者紧接在该箔将应用于的区域下方的一其他线圈或两个彼此毗邻而置的导电线(发射机)。为了使干扰最小化(例如通过接触)，铜表面必须位于相对于评估电子设备确认的电位上，或者与附加线圈必须有接触。在任一情况下，都有必要创建接触的可能性。人工处理对于小数量而言是实用的。

本发明基于指定以下的任务：用于路径或距离测量的电感传感器的传感器元件、包含该传感器元件的传感器、以及用于制造该传感器元件或该传感器的过程，其中自动化生产(尤其针对较大数量的生产)有可能有重复性结果。

期望传感器元件和传感器在生产起来是成本高效的。

以上提及的目标用协调专利权利要求1、8和13的特征来解决的。相应地，根据本发明的传感器元件表示通过磁场区分的传感器元件，所述磁场根据到测量对象的距离而变化但在时间上是恒定的。铁磁材料在该工艺中被集成到基板中。

有用于以有利的方式提供和实现本发明的教导的各选项。关于该主题，一方面应当对从属于权利要求1的各权利要求作出引用，并且另一面在附图的帮助下对本发明的优选实施例的以下描述作出引用。连同基于附图对本发明的优选示例性实施例的解释，也说明了教导的其他一般优选的实施例和实现方式。附图示出：

图1是具有根据本发明的传感器元件的根据本发明的平面传感器(具体为分别具有两个铁磁箔和两个导电箔的MDS)的示例性实施例的示意图，

图2是就其本身被认为公知的磁导率μ相对于磁场强度H的曲线的示意图，

图3是具有根据本发明的传感器元件的根据本发明的传感器的示例性实施例的示意图，其中箔载体被装配于具有线圈的电路板上，

图4是进一步实施例的示意图，据此箔包被应用于电路板，

图5是电路板层结构的示意图，

图6是在电路板生产期间作为带被插入的箔带的示意图，以及

图7是用于高温应用的MDS的示意图。

平面传感器的实现变得最接近于由底层任务引起的要求。在最简单的情况下，该结构由箔和平面线圈组成。这可以通过在线圈尚未被覆盖的一侧添加其他箔来在传感器灵敏度方面被改进。进一步的扩大效果通过另外将导电的、非铁磁箔(例如，由铜或铝制成)附加于软磁箔远离线圈的相应侧来实现。这在图1中示出。

线圈在一频率范围内工作，在该频率范围内，穿透深度具有与箔厚度相同的大小。在图2中作为示例示出取决于场强、并由此取决于影响磁场的相对磁导率的曲线。随着磁体接近并且经过其最大值后，相对磁导率下降。下降坡度是MDS的工作范围。作为此的结果，如通过计算涡电流的穿透深度而容易理解的，穿透深度在软磁箔中增加。由于软磁箔是导电的，因此涡电流在其内部形成，这些涡电流发展成与涡电流传感器的磁场相反的磁场。为了使由此引起的预衰减保持得尽可能低，箔应当显示出尽可能小的电导率。

在工作范围开始处，也就是说当磁体进一步远离时，磁导率高且穿透深度低，使得涡电流传感器实质上仅受箔的磁导率的影响。这导致线圈的电感升高。在工作范围结束处，也就是说当磁体距离近得多时，磁导率非常低，使得电导率(相反的场)的衰减特征占优势。与此同时，穿透深度增加到超过箔的厚度，其结果是涡电流降低且由此相反的场也变得更弱了。这导致测量效果的减弱。在穿透深度超过软磁箔的厚度的情况下，根据图1中的实施例的附加的导电、非铁磁箔导致附加的涡电流，该附加涡电流具有低特定电阻以及接近1的相对磁导率的优点，并且即使在穿透深度超过铁磁箔时仍会影响线圈。这抵消了通过磁导率变化所确定的测量效果的减少。

然后，涡电流传感器在非常小的磁体距离的情况下以与其在将对具有很小距离的导电材料进行测量的情况下会表现出的方式相当的方式表现，由此就像铁磁箔不存在一样。涡电流传感器线圈于是具有最小的感应率。在涡电流传感器的两侧上的对称结构在磁体的影响下引起非常大的阻抗方面的变化，该变化可以容易地达到超过100％。这样的大测量效果导致高的分辨率及传感器灵敏度。自此可以清楚地理解，所得到的传感器特征也取决于结构相关的参数。通过灵巧的布置线圈和箔的以及通过设计形状及形式，可以用磁导率的下降坡度在磁体距离和测量信号之间产生接近线性关系。

如果被构造为“发射机”，则MDS的功能可以针对穿透深度及因此遮蔽效应被同样地描述。铁磁箔位于两个线圈之间，为了提供经济效益，每一个线圈都是使用印刷电路技术来实现的。根据图2所示的原理特征曲线以及假定工作仅发生在μmax右边，则得到以下效果：

在大的磁体距离的情况下，箔中的有效μr也很大，并因此遮蔽效果也很大。第一线圈(初级线圈)对第二线圈(次级线圈)上的耦合因子很小。因此，所传送的电压幅度也很小。随着磁体靠近，相对磁导率一直下降至最小值，该最小值对应于距该磁铁的最近可能位置。该情况下，相对磁导率最小，并且由此初级侧和次级侧之间的磁耦合最大。于是，次级线圈上可测量的电压幅值处于其最大值。信号放大可以简单地通过两个线圈之间的匝数比来实现。该结构也显示出对磁体的位置的非常大的敏感度，并且提供不需要分析阻抗而是仅需要分析电流或电压幅值的额外好处。这里也能清楚知道，结构公差直接响应于传感器元件的再现性。发射机在最小配置下也可以用仅仅两个带状导体的形式来实现，该两个带状导体并定位成彼此接近并且经由软磁箔耦合。

为了使散射在两个情况下都保持尽可能低并且仍能无削减地实现这一点，有必要在安全生产工艺中实现这一传感器的构造。

如果箔载体被实现为如图3所示的电路板，则这可以包含层叠的铜箔。软磁箔被应用于板的相反侧，也就是说被应用于印刷电路板侧。板被装配为电路板。线圈是集成的。通过焊接剂或通过焊接工艺，板的距离且因此箔到线圈的距离仅仅有条件地可再现的。

如果箔载体被实现为板，则焊接表面可以被横向地附接或附接于相反侧。应当注意，这些焊接表面取决于粘合层和铁磁箔而表征出距测量平面线圈的特定间隙。这仅可以通过相应地将焊接剂应用于上述实施例上来桥接。据此，自动化的、标准化的组件是可行的。由于测量线圈到铁磁箔之间的间隔直接反映测量结果，因此由于视工艺波动以及焊接剂的增加应用而定的间隙公差，必须考虑以此方式生产的各测量元件之间的增高的散射。焊接工艺期间附加的加权减少或箔载体的支撑可以作出改进。然而，这是附加的努力并且与标准化制造相对。

可以从根据图4的实施例中提取到改进，根据该实施例，软磁箔被安装于铜箔(无板)上作为一个元件。更准确地说，这里箔载体被实现为进一步的导电箔(仅可能在具有附加导电层的变体中)。在上游的工艺步骤中，铁磁箔在粘合层的帮助下被应用于导电箔(铜、铝等等)。这可以发生在例如辊轧工艺中。以此方式得到的箔包可以同样地被自动装配。压力的附加实例有助于工艺稳定性。铜表面的接触通过焊接点到铜箔上的设置而得到。对于此工艺，存在以下可能性：

箔包装覆盖印刷在边缘处的焊接剂，其中铜箔应当投射在铁磁箔上或者附加的局部焊接应当在实际焊接工艺下游。这确保了具有同等尺寸的各箔部分之间的安全导电连接。除了材料变化的影响以外，各传感器元件间的间隔主要受到箔包装相对于测量线圈的布置准确性的影响。但是粘合层的厚度的变化也影响该控制，即使在显著较小程度情况下作为焊接工艺中的上述间隔。

可以参照图5详细描述允许制造工艺在标准化工艺中发生的显著步骤，根据该步骤，线圈、软磁箔、以及铜箔(若可应用的话)被集成在一电路板或板中。这个的目的是创建传感器模块，该传感器模块与结构组件一样可被置于任意电路板或更一般地被置于任意电路载体上。线圈被再次通过电路板构造产生：

在线圈层以及一个或多个绝缘层之后，铺设铁磁箔(参照图6)。一个(或多个)其他绝缘层被定位在铁磁箔顶部。以此方式可以构建最简单的传感器模块。其他导电层或(诸)线圈层允许如同在开始处描述的结构(发射机或涡电流传感器)。

为了进一步增加具有附加铜层的传感器模块的敏感度，该层结构可以按与线圈层对称的方式在另一方向上被补充。外部铜表面可以借助于附加的清漆(阻焊)来保护。线圈和箔的几何形状以及模块尺寸和传感器模块的各功能部件之间的间隔可以根据可应用的测量要求来调整。针对导电表面的线圈连接和接触表面可以通过金属化边缘或者也在表面上金属化来横向地实现。横向接触选项简化了自动化工艺中的装配之后的光学测试，通过对各个别层的附加连接稳定了该结构，并且可以仅用传感器模块的最小扩容来产生。两个接触变体都允许表面上的自动化安装(SMD)。铁磁材料为带状的，或者为平面箔的形式。

如果是带状的，则在最简单的情况下，该材料应当在被引入之前被切割成适当的条，其中条长度可以对应于传感器模块长度的倍数。切割成期望模块长度是通过在生产面板中分隔已完成的传感器模块而发生。如果箔的区域内的贯穿连接是必须的并且到该箔的电接触必须被避免(如果信号线要被运行或者箔在另一位置继续，则情况是这样的)，则铁磁条必须在相应的区域中被处理，例如通过穿孔(punching-out)来处理。然而，生产线圈所必需的贯穿连接也可以被实现为“盲通孔”，使对箔的进一步机械处理变得不必要。铺设附加的条或自由形式特别在生产所谓的“刚柔电路板”时是惯用的。

如果材料是平的，则所需结构可以被穿孔，并且可以考虑针对整个生产面板的对齐标记。然后，该材料可以被直接铺设作为个别层。以此方式，确保了现有的数量工艺用于构造和处理传感器模块并且仅需要进行最小程度的调整。该技术也可用于将传感器模块和评估电路集成到同一个电路板上。因此，传感器元件的附加组件变得不必要。然而应当考虑的是，两个功能单元的分隔是有帮助的，这取决于电路的设计和数量。

用于集成到电路板中的进一步相关特征包括：

-对传感器元件的保护/箔到电路板中的集成、保护不受环境影响；

-自动化工艺允许更低的公差；公差更小，可再现性，箔与线圈之间限定的间隔；

-即使在中等数量时也成本有效的批量生产；

-传感器元件连同评估电路一起被集成在一个电路板中；

-更大的小型化和集成(评估电路在传感器元件顶部)；传感器元件到电路板中的集成允许将评估电子设备置于电路板的表面上。这导致所需空间的减小；

-用于提高敏感度的附加铜箔已经成为该工艺的一个组件；将铜层引入板对应于制造中的标准，从而得到成本优势；

-通过箔的定向，可以影响线性度；可以使用箔或线圈的长度、宽度或形状以便选择性地设置或影响特征曲线；

-条状导体传感器(两个平行的条状导体也是可行的)的生产；盲变换器被实现为发射机。

通过将测量所必需的铁磁材料与陶瓷电路载体组合可实现传感器模块的进一步可能性：即该传感器模块可以用已建立的标准工艺来制造，但还达到了增加温度范围的开发目的。为了能实现这一点，有必要使用可以覆盖更大温度范围的铁磁材料。非晶材料在远低于居里温度的温度下已经显示出根本的磁属性方面的变化。纳米晶体材料具有相当的属性并且适用于高温下使用。这些额外地显示出仍旧较高的饱和感应，因此允许在相当几何形状(线圈和箔)的情况下测量区域的扩展。然而，这些材料具有以下缺点，即尽管在热处理之后确保了它们的所需磁属性，但是它们在机械上变得非常不稳定。该状态下的进一步处理是困难的，并且妨碍了用于生产高温传感器元件的安全工艺。然而，如果箔可以在热处理之前以最大可能的程度被处理，则由于纳米晶体箔的基本材料在热处理之前处于非晶态并且在机械方面彻底耐用，因此该缺点就不会起作用，因此处理起来容易得多。

在集成到电路板中时，它可以用以下标准技术来生产：

在陶瓷基板上，使用熟知的薄膜技术，期望的线圈几何形状被根据图7图示被施加和“烧制”。最终的绝缘层(例如，玻璃罩)覆盖该线圈。随后，在线圈周边以及纳米晶体箔的稍后位置周围施加还印刷有“玻璃罩”(玻璃油灰－实际上用于保护陶瓷作为最终层)的一个或几个层。施加的厚度应当将其自身定向到之前被切割为适当尺寸的纳米晶体箔的厚度。箔块被沉积到因此保持自由的区域中。进一步的陶瓷基板应当覆盖所描述的区域。第二陶瓷基板可以像第一陶瓷基板那样印刷有线圈，以使电感通过一系列连接而上升，或者“发射机”结构可以被实现。非晶基底的必要热处理同时造成“玻璃罩”的后续硬化，使得在后来，不透气密封的纳米晶体箔块结果被集成在陶瓷中。该方法的进一步优势在于在热处理期间对遮罩气体的需求不是强制性的。通过陶瓷中的气密密封，热处理期间材料腐蚀的危险得到非常显著地降低。

也满足与高温相关的要求的结构是使用LTCC技术的传感器元件的产物。这里，同样存在产生线圈相对于铁磁材料的相对位置的可能性。在理想情况下，铁磁材料是用非晶材料取代的陶瓷箔，该陶瓷箔烧结有使用LTCC技术中惯用的多层结构的传感器线圈。在该情况下，优势同样是使用标准技术以便能用可靠的工艺提供有效解决方案。如在电路板构造的情况下，层结构可以被进一步优化。例如，层的序列在针对传感器的变换器结构的情况下如下：

允许LTCC技术的开始为表面层、(诸)线圈层、(诸)绝缘层、铁磁层、(诸)绝缘层、(诸)线圈层、表面层，然而也允许以下电路板生产中描述的构造，该构造仅具有一个线圈但却有导电层的有用补充：表面层、导电层、(可能的(诸)绝缘层――对于功能来说不必要)、铁磁层、(诸)绝缘层、(诸)线圈层、(诸)绝缘层、(可能的(诸)绝缘层――对于功能来说不必要)、导电层、表面层。

由于铁磁材料的处理总是使新方法变得可能，因此IC中传感器原理的集成是下一步骤。集成的电感在单独考虑时的领域已熟知，根据MDS原理，该集成的电感可以被用作传感器模块的基础。线圈是以标准化工艺来制造的。将铁磁层直接施加在晶圆上完成了传感器方法。例如，在所属领域中，允许仅为150μm高的电感的新磁性材料是已知的。以此方式，集成于芯片上的电源几乎可达到。该材料代表非晶铁钴合金(用于Fe-Co合金的FCA)。有趣的是，FCA材料可以通过电化学工艺非常容易地分隔于硅晶圆上――如同生产硬盘时熟知的。在该工艺的帮助下，生产成本可以被保持在低水平。完全涂覆的晶片被隔离在磁管芯中，并且这些管芯迁移至其上已施加了铜螺旋线的基板上。现在，只剩将控制器IC和集成MOSFET设置在该基板上或者将其直接设置到磁铁芯片上。电源在芯片上被完成。直到现在为止一直限定开关电源的尺寸的传统线圈或者相应地电感不再必须。如果使用该技术，集成电路可以被生产为使得传感器线圈和铁磁材料一起在一个芯片上，并且变得可用于大多数市场(例如对于AMR/GMR传感器可用)。集成温度、补偿、线性化和校准是方便的。通过尺寸的显著减小，传感器将具有较高敏感度以及较小测量范围的特征。然而，传感器元件可以被容易地级联和偏移。由于取决于评估电路电感的质量并非是关键的，因此线圈也可以被直接制造于硅上。

对于根据本发明的传感器元件、或具有传感器元件的传感器、以及用于制造传感器元件的工艺的进一步有利实施例，出于避免重复的目的，此处引用说明书以及所附权利要求书的一般部分。

最后，明确引用以下事实，即以上描述的根据本发明的传感器元件、或者具有传感器元件的传感器、以及用于制造传感器元件的工艺的各实施例仅用于解释所要求保护的示教，但该示教不限于这些实施例。

Claims (19)

1.用于使用磁场来进行路径或距离测量的电感传感器的传感器元件，所述磁场根据到测量对象的距离而变化但在时间上是恒定的，其中薄铁磁材料被集成到基板中。

2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，平面线圈以及用于覆盖所述平面线圈的软磁箔。

3.根据权利要求2所述的传感器元件，其特征在于，软磁箔被置于所述平面线圈的两侧上。

4.根据权利要求2或3所述的传感器元件，其特征在于，至少在一侧上，在背离所述线圈的一侧上，形成由例如铜或铝制成的软磁箔。

5.根据权利要求1至4之一所述的传感器元件，其特征在于，所述平面线圈被形成在一层或多层内。

6.根据权利要求1至5之一所述的传感器元件，其特征在于，提供了优选使用印刷电路技术实现的两个平面线圈，且铁磁箔被布置在所述两个线圈之间。

7.根据权利要求1至6之一所述的传感器元件，其特征在于，导电箔充当箔载体，尤其是其上施加有所述软磁箔的铜箔。

8.根据权利要求1至7之一所述的传感器元件，其特征在于，包含优选层叠的铜线圈的电路板充当箔载体。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，软磁箔被安装于、具体被贴附至所述印刷电路板侧上所述板的相反侧上。

10.根据权利要求8或9所述的传感器，其特征在于，所述线圈使用焊接技术，优选地用桥接焊接剂，被集成到所述印刷电路板配置中。

11.具有根据权利要求8至10之一所述的传感器元件的传感器，其特征在于，所述线圈、所述软磁箔、以及在适用的情况下所述铜箔被集成到电路板或板中。

12.根据权利要求8至11之一的传感器，其特征在于，所述传感器形成一传感器模块，所述传感器模块或被置于电路板上、或被置于电路载体上、或被集成到电路板或电路载体任一个中。

13.用于使用如权利要求1至7之一所述的传感器元件来制造传感器的工艺，其特征在于，产生多层布置，根据所述多层布置，铁磁箔被至少插在(诸)线圈层以及一个或多个绝缘层之后。

14.根据权利要求13所述的工艺，其特征在于，其他绝缘层被施加在所述铁磁箔上。

15.根据权利要求13或14所述的工艺，其特征在于，所述层结构以与一个或多个线圈层对称的方式在两侧上在两个方向上被补充，例如通过布置在此上的铁磁箔或铜表面/铜箔在两侧上在两个方向上被补充。

16.根据权利要求13至15之一所述的工艺，其特征在于，所述层布置优选在两侧上受到附加清漆层的保护。

17.根据权利要求13至16之一所述的工艺，其特征在于，针对导电表面的线圈连接和接触区域通过金属化边缘横向地产生或借助于金属贯穿连接来产生。

18.根据权利要求13至17之一所述的工艺，其特征在于，所述材料初始为带状并且被切割成适当的条，其中条长度可以对应于所述传感器模块的长度的倍数。

19.根据权利要求18所述的工艺，其特征在于，切割成期望模块长度通过在生产面板中分隔已完成的传感器模块而发生。