DE102004060298A1

DE102004060298A1 - Magnetsensoranordnung

Info

Publication number: DE102004060298A1
Application number: DE102004060298A
Authority: DE
Inventors: Rasmus Rettig; Christian Bauer; Birgit Vogelgesang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-06-22
Also published as: JP2006170999A

Abstract

Es wird eine Magnetsensoranordnung mit mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement (2) vorgeschlagen, dessen elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von einem Magnetfeld eines Arbeitsmagneten (10) veränderbar sind, das durch ein bewegtes Geberelement beeinflussbar ist. Das magnetfeldempfindliche Sensorelement (2) ist auf einem flussleitenden Leadframe (1; 9) aufgebracht, wobei die elektrische Kontaktierung und die mechanische Halterung des Sensorelements (2) über Teile des Leadframes (1; 9) erfolgt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung, insbesondere zur Sensierung einer Bewegung oder einer Position von linear oder rotatorisch bewegten Geberelementen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist an sich bekannt, dass magnetfeldempfindliche Sensoren in vielen Bereichen Anwendung finden, bei denen eine robuste berührungsfreie Detektierung einer Bewegung oder einer Position gewünscht ist. Beispielsweise wird bei passiven Geberelementen, die aus einem weichmagnetischen Material bestehen, das magnetische Feld durch einen Arbeitsmagneten erzeugt, der fest mit dem Sensorelement verbunden ist. Das Sensorelement misst die Beeinflussung des Magnetfeldes des Arbeitsmagneten, die durch die Bewegung der Geberelemente hervorgerufen wird.

Zur Verbesserung des Arbeitsmagnetfeldes am Sensorort kommen bei vielen magnetfeldempfindlichen Sensoren Flussleitstücke oder Flussleitscheiben zwischen dem feldgebenden Magneten und dem sensorischen Bauelement zum Einsatz. Diese Flussleitstücke bestehen in der Regel aus festen, weichmagnetischen Materialien und werden in vielerlei Formen und Größen verwendet.

Aus der DE 197 53 775 A1 ist beispielsweise bekannt, dass bei einer Magnetsensoranordnung mit einem Hallelement als Wegsensor auch Flussleitstücke aus magnetisch leitendem Material zur Lenkung der Magnetflusslinien verwendet werden. Eine Anwendung als Nockenwellesensor in einem Kraftfahrzeug ist zum Beispiel aus der WO 2001 63213 A1 zu entnehmen.

Auf diese an sich bekannten Flussleitstücke oder Flussleitscheiben werden dann die entsprechenden sensitiven Elemente als sogenannte Mess-Chips verpackt positioniert. Nachteilig bei einer solchen Sensorfertigung ist die hohe Anzahl an Prozessschritten, die begrenzte Verfügbarkeit von Blechen beliebiger Abmaße als Flussleitstück oder -scheibe, die schwierige Bearbeitbarkeit der zumeist dünnen Werkstoffe, z.B. ein unerwünschtes Verbiegen beim Stanzvorgang, und die schwierige Positionierung bzw. Fixierung der sensitiven Elemente relativ zum Magneten.

Die zuvor erwähnten Mess-Chips, die ein magnetisches Messprinzip nutzen, werden häufig zur Kontaktierung und Verpackung auf ein nichtmagnetisches Stanzgitter aufgeklebt. Die elektrische Kontaktierung erfolgt dann beispielsweise durch sogenanntes Dünndrahtbonden. Abschließend wird der Mess-Chip samt Bonddrähten und Stanzgitter in einem Niederdruckpressverfahren in einem formgebenden Kunststoff eingebunden, so dass nur noch die elektrischen Anschlussbeinchen des Stanzgitters außerhalb der Kunststoffverpackung liegen.

Die magnetischen Flussleitstücke oder -scheiben müssen vor dem zuvor genannten Kunststoffverpackungsschritt unter dem Stanzgitter oder nachträglich unter der Kunststoffverpackung positioniert und befestigt werden, um einen flussverbesserenden Einfluss zu erreichen.

Vorteile der Erfindung

Eine Magnetsensoranordnung der eingangs angegebenen Art weist mindestens ein magnetfeldempfindliches Sensorelement auf, dessen elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von einem Magnetfeld eines Arbeitsmagneten veränderbar sind. Es wird erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise das magnetfeldempfindliche Sensorelement auf einem flussleitenden Leadframe aufgebracht, wobei die elektrische Kontaktierung und die mechanische Halterung des Sensorelements über Teile des Leadframes erfolgt. Das Leadframe kann hierbei aus einem Stanzgitter aus mindestens teilweise weichmagnetischem Material gebildet werden.

Mit der Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise die Kombination der üblicherweise separat angeordneten magnetischen Flussleitelemente und des das Sensorelement mechanisch tragenden Stanzgitters zu einem Bauteil ermöglicht, das damit sowohl die elektrische Kontaktierung als auch den magnetisch flussverbessernden Einfluss übernimmt. Hier ist neben reinem weichmagnetischen auch eine Kombination von hart- und weichmagnetischem oder nicht- und weichmagnetischem Material verwendbar.

Durch die Erfindung lassen sich auf einfache Weise auch Kosten im Herstellungsprozess von solchen magnetischen Sensoranordnungen durch Reduktion der Montageteile und -schritte einsparen. Das magnetfeldempfindliche Sensorelement kann auf einfache weise in einen am Leadframe gehaltenen Mess-Chip integriert sein, der über Bonddrähte mit zu Anschlussbeinen ausgebildeten Bereichen des Leadframes kontaktiert ist. Die Anschlussbeine können symmetrisch und planar zur Ebene des den Mess-Chip tragenden Leadframes oder auch symmetrisch und nichtplanar zur Ebene des den Mess-Chip tragenden Leadframes geführt werden.

Das Leadframe kann im den Mess-Chip tragenden Bereich rund oder rechteckig ausgeführt werden und auch aus zwei symmetrisch unter dem Mess-Chip liegenden Teilen bestehen. Hiermit lässt sich eine bessere Positionierung des Mess-Chips zum feldbeeinflussenden Geberelement erreichen.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Ansicht auf ein magnetisches Leadframe bzw. ein Stanzgitter mit einem runden Aufnahmebereich für einen über planare Anschlussbeine kontaktierbaren Mess-Chip einer Magnetsensoranordnung,
2 eine Ansicht auf ein Leadframe mit einem in Abweichung von der 1 rechteckigen Aufnahmebereich,
3 eine Ansicht auf ein Leadframe mit einem in Abweichung von der 2 symmetrisch geteilten rechteckigen Aufnahmebereich,
4 eine Ansicht auf ein Leadframe mit in Abweichung von der 1 abgewinkelten Anschlussbeinen,
5 eine Ansicht auf ein Leadframe mit in Abweichung von der 4 mehrfach abgewinkelten Anschlussbeinen,
6 eine Ansicht auf ein Magnetsensoranordnung mit einem Leadframe in Verbindung mit einem Magneten,
7 eine Ansicht auf ein Magnetsensoranordnung mit einem über Anschlussbeine kontaktierten Leadframe in Verbindung mit einem Magneten und
8 ein Diagramm eines durch einen Zahnradwinkel beeinflusstes differentielles Magnetfeld bei einer Anordnung nach der 6 und nach der 7.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors mit einem magnetischen Stanzgitter oder Leadframe 1, dass bei dem in der Regel in einer integrierten Schaltung oder Mess-Chip 2 integrierten Sensorelement die mechanische Aufgabe hat, den Mess-Chip 2 zu tragen und eine stabile Montagefläche zu bieten.
Weiterhin besteht die elektrische Aufgabe, die Zuführungen und Bondflächen für die elektrische Kontaktierung über sogenannte Bonddrähte 4 und 5 und für Anschlussbeine 6 und 7 zur Verfügung zu stellen. Daher muss das Material des Leadframes 1 eine hohe mechanische Festigkeit, eine gute Bondbarkeit im Bereich der Bonddrähte 4 und 5 aufweisen und eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen.
Für das magnetische Stanzgitter (Leadframe) 1 können unterschiedliche magnetische Materialien zum Einsatz kommen. Wichtig ist, dass das Material ein möglichst weichmagnetisches Verhalten ohne magnetische Hysterese zeigt, damit ein Hystereseverhalten die Sensorfunktion nicht beeinträchtigt. Zu berücksichtigen ist bei der Auslegung der Konstruktion des Stanzgitters 1, dass die magnetfeldbeeinflussende Fläche größer sein sollte als die Teile des Stanzgitters, die keinen magnetischen Einfluss haben sollten.
So sind z.B. in der 1 mögliche Einflusse der Anschlussbeine 6 und 7 auf das Magnetfeld reduziert, indem sie sehr schmal ausgelegt sind. Prinzipiell sind viele konstruktive Varianten des Stanzgitters 1 denkbar, so auch eine rechteckige Form nach 2.
Eine symmetrisch geteilte Anordnung eines Leadframes 9 nach 3 hat den Vorteil, dass der unerwünschte Beitrag der Anschlussbeine 6 und 7 zur Magnetfeldbeeinflussung sich symmetrisch zur Mitte des Mess-Chips 2 aufteilt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die elektrische Trennung beider Bonddrähte 4 und 5 gewährleistet ist. Im Beispiel nach der 3 sollte daher der Mess-Chip 2 nichtleitend auf mindestens eine Seite des Leadframes 9 geklebt sein.
Die geometrischen Auslegungen des Leadframes 1 oder 9 lassen sich somit leicht an die Geometrie des eingesetzten Magneten anpassen. So ist nach der 1 ein runder Träger und nach den 2 und 3 ein rechteckiger Leadframe 1 oder 9 je nach verwendeter Magnetgeometrie für den Mess-Chip 2 vorgeschlagen.
Des Weiteren lassen sich außer den planaren Stanzgittergeometrien nach den 1 bis 3 auch beliebige dreidimensionale Anordnungen, wie in 4 und 5 dargestellt, realisieren, bei denen die Anschlussbeine 6 und 7 entsprechend der weiteren Verwendung im Sensorumfeld bereits nach hinten geknickt sind.
Anhand 6 und 7 soll ein Diagramm nach 8 erläutert werden, bei dem Simulationsergebnisse der beiden Magnetsensoranordnungen nach den 6 und 7 dargestellt sind. In der 6 ist eine Seitenansicht auf einen Magneten 10 als Arbeitsmagneten mit dem davor angeordneten Leadframe 1 und in der 7 ist zusätzlich ein Anschlussbein 6 zu erkennen.
Aus dem Verlauf des differentiellen Magnetfeldes Delta By über dem Zahnradwinkel eines Geberrades ist anhand der 8 einmal ohne Anschlussbein (gestrichelt und Punkte als Messwerte) und einmal mit Anschlussbein 6 (durchgezogene Linie mit Quadraten als Messpunkte) zu erkennen, dass ein einzelnes Anschlussbein 6 keinen relevanten Einfluss auf die zu messende Magnetfeldänderung hat und damit vernachlässigbar ist.

Claims

Magnetsensoranordnung mit – mindestens einem magnetfeldempfindlichen Sensorelement (2) dessen elektrische Eigenschaften in Abhängigkeit von einem Magnetfeld eines Arbeitsmagneten (10) veränderbar sind, das durch ein bewegtes Geberelement beeinflussbar ist und mit – einem Flussleitelement (1; 9) zwischen dem Sensorelement (2) und dem Arbeitsmagneten (10), dadurch gekennzeichnet, dass – das magnetfeldempfindliche Sensorelement (2) auf einem flussleitenden Leadframe (1; 9) aufgebracht ist, wobei die elektrische Kontaktierung und die mechanische Halterung des Sensorelements (2) über Teile des Leadframes (1; 9 erfolgen.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Leadframe (1; 9) als Stanzgitter aus mindestens teilweise weichmagnetischem Material gebildet ist.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Kombination von hart- und weichmagnetischem oder nicht- und weichmagnetischem Material verwendet wird.
Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das magnetfeldempfindliche Sensorelement in einen am Leadframe (1; 9) gehaltenen Mess-Chip (2) integriert ist, der über Bonddrähte (4, 5) mit zu Anschlussbeinen (6, 7) ausgebildeten Bereichen des Leadframes (1; 9) kontaktiert ist.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anschlussbeine (6, 7) symmetrisch und planar zur Ebene des den Mess-Chip (2) tragenden Leadframes (1; 9) geführt sind.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anschlussbeine (6, 7) symmetrisch und nichtplanar zur Ebene des den Mess-Chip (2) tragenden Leadframes (1; 9) geführt sind.
Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Leadframe (1; 9) im den Mess-Chip (2) tragenden Bereich rund oder rechteckig ausgeführt ist.
Magnetsensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – das Leadframe (9) aus zwei symmetrisch unter dem Mess-Chip (2) liegenden Teilen besteht.
Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das magnetfeldempfindliche Sensorelement mit einer Mehrzahl von Anschlussbeinen (6, 7) kontaktiert ist.