DE102007025000B3

DE102007025000B3 - Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102007025000B3
Application number: DE102007025000A
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-05-31
Also published as: US20210302512A1; US20090322325A1; US20140266179A1; US11592500B2; US10996290B2; US20150331069A1; US10338159B2; US8773124B2

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors (100) umfasst eine Magnetfeldsensoranordnung (120) und einen Magnetkörper (110), der beispielsweise eine nicht-konvexe Querschnittsfläche (150) bezüglich einer Querschnittsebene durch den Magnetkörper (110) aufweist, wobei der Magnetkörper (110) eine inhomogene Magnetisierung aufweist.

Description

Technisches Feld
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Magnetfeldsensor mit einem Magneten, der auch als Backbiasmagnet bezeichnet wird.
In vielen Bereichen der Technik werden Magnetfeldsensoren eingesetzt, um beispielsweise Bewegungen von Objekten zu detektieren. Hierbei werden in manchen Anwendungen durch die Bewegung der betreffenden Objekte ein auf den Magnetfeldsensor einwirkendes Magnetfeld derart beeinflusst, dass auf Basis der von dem Magnetfeldsensor erfassten Magnetfeldänderung Rückschlüsse auf die Bewegung des Objekts bezogen werden können.
Beispiele kommen u. a. aus dem Bereich automobilen Anwendungen, wobei mit Hilfe entsprechender Magnetfeldsensoren beispielsweise die Bewegung von Rädern im Rahmen einer ABS-Anwendung (ABS = Antiblockiersystem) überwacht werden. Andere Anwendungen im Bereich der Automobiltechnologie liegen in der Beobachtung bzw. Überwachung der Bewegung von Kurbelwellen, Nockenwellen und anderer Wellen im Kfz-Bereich.
Je nach konkreter Ausführung entsprechender Magnetfeldsensoren weisen diese einen sogenannten Backbiasmagneten auf, der bezogen auf die eigentlichen magnetischen Sensorelemente des Magnetfeldsensors in einer fixierten Anordnung sich befindet. In einem solchen Magnetfeldsensor kann also wenigstens teilweise das von dem Magnetfeldsensor selbst detektierte Magnetfeld durch den Backbiasmagneten hervorgerufen werden. Das Objekt, dessen Bewegung über den Magnetfeldsensor beispielsweise überwacht werden soll, beeinflusst und/oder ergänzt gegebenenfalls durch eigene Magneten oder magnetische Komponenten das Gesamtmagnetfeld, das von dem Magnetfeldsensor dann detektiert wird.
Je nach eingesetzter Technologie im Rahmen der eigentlichen Magnetfeldsensorelemente stellen die häufig als Permanentmagneten ausgeführten Backbiasmagneten unterschiedliche Anforderungen. Dies erklärt sich unter anderem daraus, dass manche Magnetfeldsensorelemente-Technologien auf unterschiedliche Magnetfeldkomponenten empfindlich sind, ein unterschiedliches Ansprechverhalten auf Magnetfelder und andere für den jeweiligen Typ jeweilige Magnetfeldgrenzen aufweisen.
Die DE 28 15 360 C2 bezieht sich auf einen magnetfeldabhängigen Widerstandsmessumformer mit Hall-Effekt. Der Widerstandsumformer weist einen Dauermagneten in der Form eines rechteckigen Parallelepipeds sowie drei Polschuhe auf, wobei zwischen zwei symmetrischen Polschuhen eine integrierte Schaltung mit einem Kristall mit Hall-Effekt angeordnet ist. Hierdurch befindet sich die integrierte Schaltung zwischen zwei Polfacetten. An der Rückseite des Dauermagneten ist der dritte Polschuh als flacher Polschuh auf den hinteren Polflächen des Permanentmagneten befestigt. Durch die Bewegung eines entsprechenden weichmagnetischen Elements kommt es zu einer Beeinflussung der magnetischen Feldlinien, die von der integrierten Schaltung detektiert werden kann.
Die DE 102 21 340 A1 bezieht sich auf eine Sensoranordnung zur Detektierung eines Drehwinkels einer Welle. Eine solche Sensoranordnung beinhaltet ein Magnetelement und ein entsprechendes Messelement, das das Magnetfeld des Magnetelements, der zumindest teilweise am Umfang der Welle angeordnet ist, detektiert. Dieses Magnetfeld hat eine axiale und eine tangentiale Komponente.
Die DE 100 39 216 A1 bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur berührungslosen Erfassung des Drehwinkels oder eines Weges. Die Messvorrichtung weist einen Magneten und ein magnet empfindliches Element auf, wobei der Magnet wenigstens an einer Polseite einen Polschuh umfasst. Der Polschuh ist hierbei so ausgebildet, dass sich seine Querschnittsfläche kontinuierlich über seine Länge verändert, d. h. verkleinert oder vergrößert. Bei einer Relativbewegung zwischen dem magnetfeldempfindlichen Element und dem Polschuh ändert sich das Magnetfeld im Bereich des magnetfeldempfindlichen Elements, was als Größe zur Bestimmung des Drehwinkels bzw. des Verschiebewegs herangezogen werden kann.
Die DE 40 25 837 A1 bezieht sich auf einen Hall-Sensor mit mindestens einem Hall-Element, das einer Magnetfelderzeugungseinrichtung benachbart angeordnet ist. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung beinhaltet auf der dem Hall-Element zugewandten Seite eine konturierte Polfläche auf.
Die DE 196 12 337 A1 bezieht sich auf einen Drehzahlsensor und beschreibt einen Aufbau eines entsprechenden Drehzahlsensors, bei dem zwei Halssensoren zum Einsatz kommen. Der Drehzahlsensor weist hierbei einen Zylindermagneten auf, der in einem Kunststoffkäfig untergebracht ist und an dem ein Hall-Chip mit den bereits erwähnten Hall-Sensoren angebracht ist.
Die Veröffentlichung „Design of Planar Magnetic Concentrators for High Sensitivity Hall Devices" in „Sensors and Actuators", A97–98 (2002), 10–14 beschreibt eine Untersuchung mit Hilfe numerischer Simulationen und experimenteller Untersuchungen im Hinblick auf verschiedene Konzentratoren für magnetischen Fluss. Das Dokument führt hierbei aus, dass Konzentratoren für magnetischen Fluss üblicherweise aus amorphen Legierungen mit einer hohen Permeabilität und einem geringen Koerzitivfeld hergestellt werden.
Zusammenfassung
Ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors umfasst eine Magnetfeldsensoranordnung und einen Magnetkörper, der eine nicht-konvexe Querschnittsfläche bezüglich einer Querschnittsebene durch den Magnetkörper aufweist, wobei der Magnetkörper eine inhomogene Magnetisierung aufweist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors umfasst eine Magnetfeldsensoranordnung, einen ersten Magnetkörper, der eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist, und einen zweiten Magnetkörper, der eine zweite Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei die erste Magnetisierungsrichtung und die zweite Magnetisierungsrichtung sich unterscheiden.
Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Magnetfeldsensors umfasst ein Bereitstellen eines Magnetkörpers, der eine nicht-konvexe Querschnittsfläche bezüglich einer Querschnittsebene durch den Magnetkörper aufweist, wobei der Magnetkörper eine inhomogene Magnetisierung aufweist, wobei ein erster und ein zweiter Raumbereich bezüglich des Magnetkörpers existieren, so dass innerhalb des ersten Raumbereiches eine magnetische Flussdichte hervorgerufen durch den Magnetkörper bezüglich einer vorbestimmten Raumrichtung in nerhalb eines ersten Flussdichtebereiches liegt und so dass innerhalb des zweiten Raumbereiches eine magnetische Flussdichte durch den Magnetkörper bezüglich der vorbestimmten Raumrichtung hervorgerufen wird, die innerhalb eines zweiten Flussdichtebereiches liegt, und ein Anordnen einer Magnetfeldsensoranordnung mit einem ersten und einem zweiten Magnetfeldsensorelement, so dass das erste Magnetfeldsensorelement in dem ersten Raumbereich und das zweite Magnetfeldsensorelement in dem zweiten Raumbereich angeordnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Magnetfeldsensors umfasst ein Bereitstellen eines ersten Magnetkörpers, der eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist, und einen zweiten Magnetkörper, der eine zweite Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei die erste Magnetisierungsrichtung und die zweite Magnetisierungsrichtung sich unterscheiden, wobei ein erster Raumbereich und ein zweiter Raumbereich bezüglich des ersten Magnetkörpers und des zweiten Magnetkörpers existiert, so dass innerhalb des ersten Raumbereiches eine magnetische Flussdichte durch den ersten Magnetkörper und den zweiten Magnetkörper bezüglich einer vorbestimmten Raumrichtung hervorgerufen wird, die innerhalb eines ersten Flussdichtebereiches liegt, und so dass innerhalb des zweiten Raumbereiches eine magnetische Flussdichte durch den ersten Magnetkörper und den zweiten Magnetkörper bezüglich der vorbestimmten Raumrichtung hervorgerufen wird, die innerhalb eines zweiten Flussdichtebereiches liegt, und ein Bereitstellen einer Magnetfeldsensoranordnung mit einem ersten und einem zweiten Magnetfeldsensorelement, so dass das erste Magnetfeldsensorelement in dem ersten Raumbereich und das zweite Magnetfeldsensorelement in dem zweiten Raumbereich angeordnet ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1a zeigt eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors;
1b zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines möglichen Anwendungsbeispiels eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors;
3a und 3b zeigen Querschnittsansichten weiterer Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren;
4 zeigt ein Ergebnis einer numerischen Simulation einer resultierenden magnetischen Fluiddichte im Falle eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors und seinem Backbiasmagneten;
5 zeigt eine Darstellung einer x-Komponente der magnetischen Flussdichte im Falle des in 4 gezeigten Backbiasmagneten;
6a und 6b zeigen Querschnittsansichten weiterer Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren;
7 zeigt ein Ergebnis einer numerischen Simulation einer magnetischen Flussdichte für ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors bzw. seines Backbiasmagneten;
8 zeigt einen Verlauf von x-Komponenten der magnetischen Flussdichte für die in 7 gezeigte numerische Simulation;
9 zeigt eine vergrößerte Darstellung der in 8 gezeigten Verläufe;
10a und 10b zeigen Querschnittsdarstellungen weiterer Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren;
11 zeigt ein Ergebnis einer numerischen Simulation, bezogen auf eine magnetische Flussdichte eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors;
12a und 12b zeigen verschiedene Verläufe von x-Komponenten der magnetischen Flussdichte für die in 11 gezeigte numerische Simulation; und
13 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1a bis 13 zeigen schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren mit ihren Magnetkörpern oder Backbiasmagneten, sowie Ergebnisse numerischer Simulationen in Form von Verläufen und anderer Darstellungen. Bevor jedoch im Zusammenhang mit 2 ein mögliches Anwendungsszenario eines Magnetfeldsensors näher beschrieben wird, wird zunächst im Zusammenhang mit 1a ein erstes Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors zusammen mit einem Magnetkörper oder Backbiasmagneten beschrieben.
1a zeigt so ein erstes Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 mit einem Magnetkörper bzw. Backbiasmagneten 110 und einer Magnetfeldsensoranordnung 120. Der Magnetkörper 110 in 1a weist eine der Magnetfeldsensoranordnung 120 zugewandte Aussparung 130 auf, die einen polygonalen Querschnitt bezüglich einer Querschnittsebene durch den Magnetkörper, wie sie in 1a dargestellt ist.
Hierbei weist die Aussparung 130 bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel einen polygonalen Querschnitt mit insgesamt sieben Eckpunkten 140-1 bis 140-7 auf. Abweichend von der in 1a gezeigten Querschnittsform des Magnetkörpers 110 können in anderen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 die Aussparung 130 des Magnetkörpers 110 auch eine von sieben abweichende Anzahl von Eckpunkten 140 aufweisen. Beispielsweise könnte im Fall einer dreieckigen Aussparung, bezogen auf die entsprechende Querschnittsebene durch den Magnetkörper 110 dieser lediglich 3 Eckpunkte 140 aufweisen. Grundsätzlich können jedoch beliebig viele Eckpunkte 140 die entsprechende Querschnittsform der Aussparung 130, bezogen auf die Querschnittsebene definieren.
Hinsichtlich der Erstreckung und der Ausformung des Magnetkörpers 110 senkrecht zu der in 1a gezeigten Querschnittsebene kann ein entsprechender Magnetkörper 110 beispielsweise dieselbe Querschnittsform bezüglich einer aus der in 1a gezeigten Querschnittsebene hinausragenden bzw. zu dieser senkrecht stehenden Querschnittsebene aufweisen. Mit anderen Worten kann sich je nach konkreter Ausgestaltung der Aussparung 130 die Form der Aussparung bezogen auf eine beliebige Querschnittsebene durch einen Mittelpunkt oder einen anderen ausgezeichneten Punkt die gleiche Form der Aussparung ergeben. In einem solchen Fall würde beispielsweise, bezogen auf eine senkrecht zu der in 1a gezeigten Ebene verlaufende Ebene, die Menge aller möglichen Eckpunkte 140 jeweils eine kreisförmige und/oder eine ellipsenförmige bzw. gegebenenfalls eine teil-kreisförmige oder eine teil-ellipsenförmige Menge von Punkten bilden.
Bei anderen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 können die Magnetkörper 110, bezogen auf eine nicht der Querschnittsebene entsprechende Ebene andere Formen der Aussparung 130 zeigen. So kann beispielsweise eine solche Aussparung 130, bezogen auf eine Ebene senkrecht zu der in 1a gezeigten Ebene eine hiervon abweichende Querschnittsform aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, dass die betreffende Aussparung 130 in dem Magnetkörper 110 in Form einer Nut ausgeführt ist, so dass in diesem Fall ein entsprechender Querschnitt durch den entsprechenden Magnetkörper 110 eine beispielsweise rechteckige Form, quadratische Form oder andere Form aufweist, die konvex ist.
Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen eines Magnetkörpers 110 eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100, bei denen die betreffenden Querschnitte senkrecht zu der in 1a gezeigten Ebene ebenfalls eine polygonale, ellipsenförmige oder eine andere Querschnittsform aufweisen.
Darüber hinaus können natürlich auch andere Ausführungsformen eines inhomogen magnetisierten Magnetkörpers 110 bei Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 verwendet werden. So kann beispielsweise der inhomogen magnetisierte Magnetkörper 110 bezüglich der in 1a als gepunktete Linie eingezeichneten Verbindungsgrade 160 und/oder bezüglich der hierin allgemein definierten nicht-konvexen Querschnittsform auch eine „als dazu gespiegelt anzusehende" Querschnittsform annehmen, solange der Magnetkörper 110 inhomogen magnetisiert ist.
Bei den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen wird aber zur Vereinfachung der Beschreibung vor allem auf nicht-konvexe Magnetkörper 110 bezug genommen, wobei die nachfolgenden Ausführungen aber auf im wesentlichen alle inhomogen magnetisierten Magnetkörper 110 anwendbar sind.
Der Magnetkörper 110, wie er beispielsweise in 1a gezeigt ist, weist somit bezogen auf eine Querschnittsebene durch den Magnetkörper 110 eine Querschnittsfläche 150 auf, die nicht-konvex ist. Hierbei ist eine Menge in einer Ebene, also beispielsweise auch die Querschnittsflächen, wie die Querschnittsfläche 150, genau dann konvex, wenn für jeweils zwei beliebige Punkte der betreffenden Menge gilt, dass auch die direkte Verbindungsgerade dieser beiden Punkte vollständig innerhalb der betreffenden Menge, also der Querschnittsfläche 150 verläuft. Anders ausgedrückt, ist eine Menge in einer Ebene genau dann konvex, wenn alle möglichen Verbindungsgraden aller möglichen Punkte der betreffenden Menge vollständig in ihrem Inneren verlaufen.
Wie zuvor erläutert wurde, ist die Querschnittsfläche 150 des Magnetkörpers 110 nicht-konvex, da beispielsweise eine in 1a als gepunktete Linie eingezeichnete Verbindungsgrade 160, deren Endpunkte beide im Inneren der Querschnittsfläche 150 liegen, also Elemente der betreffenden Menge sind, jedoch nicht vollständig in der betreffenden Menge, also der Querschnittsfläche 150 liegt. Die Verbindungsgrade 160 schneidet vielmehr die Aussparung 130. Die Querschnittsfläche 150 ist folglich nicht-konvex, so dass sie auch als konkav bezeichnet werden kann. Gegebenenfalls können also die Begriffe konkav und nicht-konvex synonym gebraucht werden.
Der Magnetkörper 110, des in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 kann beispielsweise aus einem permanent-magnetischen Material hergestellt sein. Je nach Randbedingungen, unter denen ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors eingesetzt werden soll, also nicht zuletzt im Hinblick auf mögliche Einsatztemperaturen, Kosten, benötigte Magnetfelder und andere Parameter, kann der Magnetkörper 110 beispielsweise aus Eisen, Kobalt, Nickel oder auch aus anderen komplexeren Verbindungen und Legierungen hergestellt sein, die gegebenenfalls die zuvor genannten Metalle als Komponenten umfassen. So können grundsätzlich entsprechende Magnetkörper bzw. Backbiasmagneten 110 aus Ferriten, Aluminium-Nickel-Kobalt (AlNiCo), außerdem Samarium-Kobalt (SmCo) oder auch Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) gefertigt werden. Selbstverständlich sind auch andere Materialkombinationen o der Materialien als Einsatzgebiet für die betreffenden Magnetkörper 110 denkbar.
Der Magnetkörper bzw. der Backbiasmagnet 110 weist, wie dies in 1a auch durch die Pfeile 170 angedeutet ist, eine inhomogene Magnetisierung auf. Die Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 ist hierbei gezielt inhomogen erzeugt worden, wobei insbesondere im Innern der Querschnittsfläche 150 an verschiedenen Punkten unterschiedliche Magnetisierungen auftreten, die sich wenigstens hinsichtlich ihrer Größe bzw. Stärke und/oder ihrer Richtung unterscheiden.
Anders ausgedrückt, ist eine Magnetisierung eines Magnetkörpers inhomogen, wenn sie in weiten Teilen nicht homogen ist, wobei im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter einer homogenen Magnetisierung eine Magnetisierung verstanden wird, die bezüglich ihrer Richtung und ihrer Stärke konstant und gleichgerichtet ist. Anders ausgedrückt, weist der Magnetkörper 110 eine inhomogene Magnetisierung auf, wie dies die Pfeile 170 zeigen, da seine Magnetisierung im vektoriellen Sinne nicht über den gesamten Magnetkörper bzw. über einen wesentlichen Anteil des gesamten Magnetkörpers eine konstante Richtung und/oder einen konstanten Betrag der Magnetisierung M aufweist. Hierbei wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter einem wesentlichen Anteil des gesamten Magnetkörpers 110 bzw. des Magnetkörpers 110 ein Volumenanteil des Magnetkörpers 110 im Bereich von 50% bis 100%, also beispielsweise 95%, 90%, 80%, 75%, 70% oder 60% verstanden, wobei sich die betreffenden Volumenanteile je nach unterschiedlichem Anwendungsgebiet und Implementierungen eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors ergeben können.
Darüber hinaus sollte an dieser Stelle angemerkt werden, dass bei vielen Magneten, die eine betrags- und richtungsmäßig konstante Magnetisierung im gesamten Volumen aufweisen, die also homogen magnetisiert sind, das daraus resultierende Magnetfeld sowohl im Außenbereich des Magneten als auch im In nenbereich des Magneten inhomogen sein kann. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit das Vorhandensein eines inhomogenen Magnetfeldes im Außen- und/oder im Innenraum eines Magneten nicht notwendiger ein Indiz dafür, dass auch die Magnetisierung inhomogen ist. Homogene Magnetisierungen sind in vielen Fällen besonders deshalb schon attraktiv, da diese vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar sind.
Der Magnetkörper 110 bzw. der Backbiasmagnet 110 des Ausführungsbeispiels des Magnetfeldsensors 100, wie er beispielsweise in 5a gezeigt ist, weist je nach Anwendungsbeispiel häufig eine remanente magnetische Flussdichte im Bereich zwischen einigen hundert Millitesla ( > 100 mT) und einigen wenigen Tesla (3 T) auf. Je nach konkreter Implementierung und Spezifizierung eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 kann so beispielsweise der Magnetkörper 100 eine „Magnetisierung" bzw. eine aufgrund der Magnetisierung herrschenden remanenten magnetischen Flussdichte Brem von typischerweise 500 mT oder auch von 1 T aufweisen. Allerdings sollte in diesem Zusammenhang angemerkt werden, dass die zuvor genannten Flussdichtebereiche nicht einschränkend zu verstehen sind. Es sind vielmehr lediglich Beispiele, wie sie in manchen Anwendungsgebieten von Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 verwendet werden können. Grundsätzlich können auch andere Magnetisierungen in Abhängigkeit verschiedener Parameter, also etwa der Technologie der einzelnen Magnetfeldsensorelemente, der Abmessungen des betreffenden Magnetfeldsensors und anderer Parameter verwendet werden.
Neben dem Magnetkörper bzw. dem Backbiasmagneten 110 weist das in 1a gezeigte Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 darüber hinaus auch die Magnetfeldsensoranordnung 120 auf, die beispielsweise als optionale Komponenten ein Substrat bzw. einen Chip 180 und ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente 190 auf. Bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel weist so die Sensoranordnung 120 wenigstens zwei in 1a eingezeichnete Magnetfeldsensorelemente 190-1, 190-2 auf. Je nach verwendeter Technologie kann es sich bei den Magnetfeldsensorelementen 190 beispielsweise um magneto-resistive Sensorelemente (xMR-Sensorelemente), um Hall-Sensorelemente oder andere auf einen magnetischen Einfluss reagierende Sensorelemente, wie etwa magnetische Dioden oder magnetische Transistoren handeln.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass diese vor allem bei solchen Sensoren bzw. Sensorelementen vorteilhaft einsetzbar ist, die ein Sättigungsverhalten zeigen, d. h. beispielsweise bei xMR-Sensorelementen.
Dagegen haben beispielsweise Halssonden praktisch keine Sättigung. Da aber die der Hallsonde nachgeschalteten Verstärker immer ein Sättigungsverhalten (weil außerhalb des Aussteuerbereichs des Verstärkers dieser eben in Sättigung geht), kann es auch bei Hallsonden von Vorteil sein kann, die hier beschriebenen Magnetkörper zu verwenden.
Zu den magnetoresistiven Sensorelementen seien so u. a. AMR-Sensorelemente (AMR = anisotropic magneto resistance = anisotroper Magnetwiderstand), GMR-Sensorelemente (GMR = giant magneto resistance = Riesenmagnetwiderstand), CMR-Sensorelemente (CMR = colossal magneto resistance = kolossaler Magnetwiderstand), EMR-Sensorelemente (EMR = extraordinary magneto resistance = außergewöhnlicher Magnetwiderstand), TMR-Sensorelemente (TMR = tunnel magneto resistance = Tunnelmagnetwiderstand) oder Spin-Valve-Sensorelemente, die auch als Spin-Ventil-Sensorelemente bezeichnet werden. Im Falle von Hall-Sensoren kann es so um horizontale oder vertikale Hall-Sensoren handeln.
Je nach konkreter Implementierung kann die Magnetfeldsensoranordnung 120 weitere Komponenten umfassen, wie etwa eine Auswerteschaltung, Sensorschaltung oder auch eine entspre chende Vergussmasse zum Schutz der einzelnen Magnetfeldsensorelemente 190.
In manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100, wie dies beispielsweise in 1a gezeigt ist, weist die Magnetisierung M bezüglich einer in 1a gezeigten Symmetrielinie 195 bei einer x-Koordinate (x = Null) bezüglich der x-Komponente M der Magnetisierung M und der y-Komponente M der Magnetisierung die folgenden Symmetriebedingungen auf: Mx (x) = –Mx (–x) My (x) = My (x) (1)
Das bedeutet, dass die x-Komponente der Magnetisierung M eine ungerade Symmetrie bezüglich der Symmetrielinie 195 bei x = 0 und die y-Komponente M eine gerade Symmetrie bezüglich der x-Koordinate und der Symmetrielinie 195 aufweist. Allgemeiner gesagt, weist die Magnetisierung M bei manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors mit Bezug auf den zugehörigen Magnetkörper 110 in Bezug auf eine Komponente eine ungerade Symmetriebeziehung und in Bezug auf eine andere Komponente eine gerade Symmetriebeziehung auf. Genauer gesagt, weist bei einigen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors die Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 bezüglich einer Vektorkomponente eine gerade Symmetriebeziehung und bezüglich einer senkrecht zu der Vektorkomponente eine gerade Symmetriebeziehung und bezüglich einer stehenden Vektorkomponente eine gerade Symmetriebeziehung und bezüglich einer eine ungerade Symmetriebeziehung auf.
Bevor im Zusammenhang mit den 1b bis 13 weitere Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren beschrieben und erläutert werden, sollte darauf hingewiesen werden, dass Objekte, Strukturen und Komponenten mit den gleichen oder ähnlichen funktionalen Eigenschaften und Merkmalen mit denselben Be zugszeichen bezeichnet sind. Sofern nicht explizit anderweitig angegeben, kann daher die Beschreibung bezüglich von Objekten, Strukturen und Komponenten mit ähnlichen oder gleichen funktionalen Eigenschaften und Merkmalen gegeneinander ausgetauscht werden. Darüber hinaus werden im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen und Komponenten verwendet, die identisch oder ähnlich in einem Ausführungsbeispiel mehrfach auftreten, oder die in verschiedenen Figuren, Ausführungsbeispielen in ähnlicher Art und Weise auftreten, sofern nicht Merkmale oder Eigenschaften eines ganz speziellen Objekts, einer ganz speziellen Struktur oder einer ganz speziellen Komponente erörtert und diskutiert werden. Die Verwendung zusammenfassender Bezugszeichen ermöglicht daher insbesondere daher auch eine kompaktere und klarere Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
1b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100, das sich von dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiels nur geringfügig unterscheidet. So weist das auch in 1b gezeigte Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 wiederum einen Magnetkörper 110 auf, bei dem durch die Pfeile 170 wiederum die Magnetisierung M angedeutet ist. Auch bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Magnetisierung M in einem wesentlichen Anteil des Magnetkörpers inhomogen, wie der Verlauf der Pfeile 170 zeigt. Genauer gesagt, weist die Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 wiederum die im Zusammenhang mit Gleichung (1) wiedergegebenen Symmetriebedingungen auf.
Im Unterschied zu dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Magnetkörper 110 des in 1b gezeigten Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 eine im Hinblick auf eine obere Kante unterschiedlichen Verlauf auf. Genauer gesagt ist bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel eine obere Kante des Magnetkörpers 110 durch eine gerade Linie begrenzt, während bei dem Magnetkörper 110 in 1b der Magnetkörper sich über den in 1b dargestellten Bereich nach oben hinaus erstreckt. Unabhängig davon ist jedoch bei dem in 1b dargestellten Magnetkörper die Querschnittsfläche 150 bezüglich der in 1b wiedergegebenen Querschnittsebene nicht-konvex, da wiederum die direkte Verbindungsgerade 160, deren Endpunkte im Innern der Querschnittsfläche 150 liegen, selber die Aussparung 130 schneidet und somit sich dem Innern der Querschnittsfläche 150 liegt. Mit anderen Worten ist unabhängig von der oberen Form bzw. der äußeren Form die Querschnittsfläche 150 des Magnetkörpers 110 unabhängig von der genauen Ausformung der äußeren, der oberen oder der seitlichen Begrenzungsflächen des Magnetkörpers 110 die Querschnittsfläche 150 nicht-konvex.
Darüber hinaus unterscheidet sich das in 1b gezeigte Ausführungsbeispiel bezüglich der Aussparung 130. Während bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel diese einen polygonalen Querschnitt aufgewiesen hat, ist bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel der dort gezeigte Querschnitt der Aussparung ellipsenförmig.
Darüber hinaus unterscheiden sich die in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100 kaum. So kann auch bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel bezüglich einer Ebene senkrecht zu der in 1b gezeigten Querschnittsebene ein Querschnitt des Magnetkörpers 110 andere Formen aufweisen, oder eine ähnliche Form bzw. sogar die gleiche Form aufweisen.
In beiden Ausführungsbeispielen, die in den 1a und 1b gezeigt sind, ist die Magnetfeldsensoranordnung 120 so bezüglich des Magnetkörpers 110 angeordnet, dass diese im Idealfall bezüglich der Symmetrielinie 195 ebenfalls mit einem Schwerpunkt bzw. Mittelpunkt der Magnetfeldsensoranordnung 120 auch auf der Symmetrielinie 195 liegt. Darüber hinaus ist im Idealfall die Magnetfeldsensoranordnung 120 bezüglich der Symmetrielinie 195 derart ausgerichtet, dass eine in den 1a und 1b nicht eingezeichnete Verbindungslinie der beiden dort gezeigten Magnetfeldsensorelemente 190 die Symmetrielinie 195 sich in einem rechten Winkel schneidet. Anders ausgedrückt, ist die Magnetfeldsensoranordnung 120 idealerweise so angeordnet, dass dieser die zuvor beschriebene Symmetrie der Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 nachbildet bzw. übernimmt. Selbstverständlich kann es im Falle realer Implementierungen eines entsprechenden Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 zu Abweichungen hinsichtlich der Verschiebungen in x-Richtung und/oder in y-Richtung sowie hinsichtlich einer Rotation um eine dieser Achsen bzw. einer dazu senkrecht stehenden Achse kommen.
Wie im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung noch erläutert werden wird, ermöglicht gerade die zuvor beschriebene inhomogene Magnetisierung M des Magnetkörpers 110 im Zusammenhang mit seiner Querschnittsform in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors unter Berücksichtigung der verwendeten Technologie der Magnetfeldsensorelemente 190 eine Verbesserung bzw. Vergrößerung der Positionstoleranz der Magnetfeldsensoranordnung 120 bezüglich des Magnetkörpers 110. Mit anderen Worten kann in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 eine größere Toleranz bezüglich der genauen Anordnung der Magnetfeldsensoranordnung 120 erreicht werden, ohne dass in einem späteren Betrieb des Ausführungsbeispiels des Magnetfeldsensors 100 nachteilige Effekte hinsichtlich der Messgenauigkeit, der Funktionstüchtigkeit oder anderer Parameter in Kauf genommen werden müssen, die gegebenenfalls durch nachteilig positionierte Magnetfeldsensorelemente 190 bezüglich des Magnetkörpers 110 hervorgerufen werden können.
Gerade im Falle magnetoresistiver Magnetfeldsensorelemente 190 kann es so in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 ein Vorteil sein, einen Magnetkörper 110 zu implementieren, wie er im Rahmen eines Ausführungsbeispiels umfasst ist. So kann, wie später noch erläutert wird, gegebe nenfalls in manchen Ausführungsbeispielen eine Übersteuerung der betreffenden magnetoresistiven Sensorelemente 190 unterbunden werden bzw. die Positionierungstoleranz der betreffenden Sensorelemente vergrößert werden, während für den eigentlichen Messbetrieb keine bzw. kaum negative Folgen zu befürchten sind.
2 zeigt ein typisches Anwendungsgebiet eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 im Zusammenhang mit einer Bestimmung einer Drehrate bzw. Drehgeschwindigkeit einer Wellen. Genauer gesagt, ist in 2 ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 gezeigt, der neben einem, beispielsweise als Permanentmagnet ausgeführtem Magnetkörper 110 und der Magnetfeldsensoranordnung 120 auch über ein Schutzgehäuse verfügt, das in dem Magnetfeldsensor 100 umfasst ist. Wie bereits zuvor erläutert wurde, weist darüber hinaus die Magnetfeldsensoranordnung 120 wiederum zwei Magnetfeldsensorelemente 190 auf, bei denen es sich beispielsweise um magnetoresistive magnetisch-sensitive Sensorelemente handeln kann. Wie zuvor erläutert wurde, ist in 2 der Magnetkörper 110 vereinfacht gezeichnet worden, ohne dass die zuvor erläuterten Merkmale des Magnetkörpers hinsichtlich der Magnetisierung und des Querschnitts bezüglich des in 2 gezeigten Querschnittsebene dargestellt sind. Diese sind in 2 lediglich zur Vereinfachung der Darstellung nicht wiedergeben worden.
In einem Abstand von einer Ebene der Magnetfeldsensorelemente 190, der durch einen Pfeil 200 in 2 markiert ist und die auch als magnetischer Luftspalt bzw. Luftspalt bezeichnet wird, ist ein Geberobjekt 210 unterhalb des Ausführungsbeispiels des Magnetfeldsensors 100 angebracht, bei dem es sich um ein Zahnrad handelt, das gelegentlich auch als permeables Geberrad bezeichnet wird. Andere Geberobjekte 210 umfassen so Lochräder, Polräder und andere runde oder ellipsenförmige Objekte, die geeignet sind, aufgrund ihrer Materialwahl und/oder ihrer Topologie ein von dem Magnetkörper 110 hervor gerufenes Magnetfeld bei einer Bewegung des Geberobjekts 210 zu beeinflussen bzw. gegebenenfalls im Falle eines Polrades selbst eine magnetische Flussdichte zu erzeugen.
Je nach konkreter Implementierung und Anwendungsszenario kann ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 auch im Zusammenhang mit anderen Geberobjekten 210 zum Einsatz kommen. So kann beispielsweise ein entsprechendes Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit einer Polstange, Lochstange oder Zahnstange als Geberobjekt 210 verwendet werden, um beispielsweise eine lineare Bewegung zu erfassen bzw. erfassbar zu machen. In sehr vielen Fällen weisen die Geberobjekte 210 hierbei eine periodische Struktur bezüglich der Magnetisierung, der Topologie oder anderer Merkmale auf, so dass im Falle einer Bewegung der Geberobjekte 210 eine periodische Änderung des Magnetfeldes (u. a. das des Magnetkörpers 110) hervorgerufen wird. Die betreffenden Geberobjekte 210 sind häufig entweder als Teil einer entsprechenden sich bewegenden Komponente ausgeführt oder sind mit dieser verbunden.
Im Falle eines Zahnrades als Geberobjekt 210, wie es in 2 gezeigt ist, kann so beispielsweise dieses mit einer Welle, also etwa einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, gekoppelt sein oder auch mit einem Rad. Wird so das Geberobjekt 210 bewegt, also im Falle des in 2 dargestellten Zahnrades rotiert, wies dies der Fall 220 andeutet, kommt es zu einer Änderung des Magnetfeldes, das der Magnetfeldsensor 100 detektieren kann.
Somit kann, je nach Aufgabenstellung im Bereich des Einsatzes eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 beispielsweise eine Bewegung von Rädern mittels magnetischer Sensoren detektiert werden, wie es beispielsweise im Rahmen eines ABS-Systems erwünscht sein kann. Andere Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100 können beispielsweise im Bereich einer Motorsteuerung und -überwachung, beispielsweise als Kurbelwellensensoren oder Nockenwellensensoren eingesetzt werden. Hierbei werden u. a. Zahnräder 210 im Zusammenhang mit kleinen Permanentmagneten als Magnetkörper 110 an der Rückseite der eigentlichen Sensoren bzw. der Magnetfeldsensoranordnung 120 verwendet. Durch die Bewegung bzw. Rotation des Rades entsteht dann im Bereich der Magnetfeldelemente 190 ein sinusförmiges Magnetfeld, wobei im Falle magnetoresistiver Sensoren (xMR-Sensoren) dabei die Komponente des Magnetfeldes in der Chip-Ebene bzw. Substratebene ausgewertet wird. Zugleich kann gegebenenfalls durch einen weiteren Sensor oder durch andere technische Maßnahmen auch die Richtung der Drehbewegung des Rades ausgewertet und erfasst werden.
In vielen Anwendungen wird also ein kleiner Permanentmagnet als Magnetkörper 110 an einer Magnetfeldsensoranordnung 120 angebracht, so dass beide vor einer zahnradförmigen permeablen Scheibe angeordnet werden können, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist. Wird die Scheibe rotiert, passieren die Zähne des Zahnrades 210 die Ebene der Magnetfeldsensorelemente 190 in dem Abstand des magnetischen Luftspalts und erzeugen so eine kleine Feldvariation, die von dem Ausführungsbeispiel des Magnetfeldsensors 100 detektiert werden kann und die Informationen bezüglich der Winkelposition und der Drehgeschwindigkeit der Scheibe aufweist. Hierbei ist in vielen Fällen die Wellenform der Magnetfeldvariation nahezu sinusförmig und ihre Amplitude verringert sich drastisch als Funktion eines wachsenden (magnetischen) Luftspalts.
Im Falle eines Zahnrades als Geberobjekt 210, wie dies in 2 gezeigt ist, nimmt so die Amplitude der Wellenform häufig etwa expotentiell, proportional zu einem Verhältnis des magnetischen Luftspalts und des sogenannten Pitch-Abstand (gegebenenfalls multipliziert mit dem Faktor 2 π) ab. Hierbei ist der sogenannte Pitch-Abstand definiert als der Quotient des halben Umfangs des Zahnrads dividiert durch die Zahl der Zähne, wenn diese äquidistant über den Umfang des Zahnrades verteilt sind. Der Pitch-Abstand stellt somit die halbe Periode des Zahnrades dar. Aus diesem Grund kann es in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 und in verschiedenen Anwendungsgebieten derselben ratsam sein, dass Ausführungsbeispiele möglichst nah an dem Geberobjekt 190 zu betreiben, um beispielsweise magnetische Luftspalte, die größer sind als etwa eine Zahnbreite, zu umgehen und zu verhindern. Eine Vergrößerung des magnetischen Luftspalts von etwa einer Zahnbreite zu etwa 150% der Zahnbreite kann so beispielsweise je nach genauen Umständen eine magnetische Feldamplitude um mehr als einen Faktor 5 reduzieren. So geht beispielsweise die Amplitude mit exp(–2Pi·z/lamda) ein, wobei lamda die magnetische Periode ist, d. h. also lamda/2 ist eine Zahnbreite bzw. eine Zahnlückenbreite. Wenn z = lamda/2 auf z = 1.5·lamda/2, so ändert sich die Amplitude folglich um Faktor exp(–Pi)/exp(–Pi·1.5) = 4,8.
Im Falle magnetoresistiver Sensorelemente, also beispielsweise GMR-Sensorelementen 190, kann es dazu kommen, dass eine entsprechende Magnetanordnung bezüglich der Magnetfeldkomponenten in der Ebene des Substrats bzw. des Chips die einzelnen GMR-Sensorelemente 190 übersteuert. In einem solchen Fall kann es dazu kommen, dass der oder die betroffenen Magnetfeldsensorelemente 190 keine verwertbaren oder kaum noch verwertbaren Messsignale liefern.
Selbst wenn also beispielsweise das Zahnrad 210 symmetrisch zu dem Chip der Magnetfeldsensoranordnung 120 steht, wenn also zum Beispiel eine Zahnmitte oder eine Lückenmitte des Zahnrads 210 direkt in einer in 2 auch eingezeichneten (xx = 0)-Position steht, kann es passieren, dass die Flusslinien des Magneten divergieren, wodurch unzulässig große Bx-Komponenten auf die beiden in 2 gezeigten (magnetoresistiven) Magnetfeldsensorelemente 190 einwirken. Wie bereits im Zusammenhang mit den 1a und 1b erläutert wurde, ist hierbei die (x = 0)-Position durch die Symmetrielinie 195 definiert, die sich im Zusammenhang mit 2 auf die Position exakt zwischen die beiden in 2 gezeigten magnetoresistiven Sensorelementen 190 bezieht.
In einem solchen Fall werden beide magnetoresistiven Sensorelemente 190 in die Sättigung getrieben und können kein (verwertbares) Signal mehr abgeben. In manchen Applikationen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100 eingesetzt wird, ist eine übliche Remanenz der verwendeten Magnetkörper bzw. Backbiasmagnete 110 in einem Bereich von knapp über einem Tesla (T). Typische Zahnräder als Geberobjekte 210 weisen etwa 3 mm breite Zähne und Lücken auf, wobei die Lückentiefe ebenfalls etwa 3 mm entspricht. Selbstverständlich können in anderen Anwendungsbeispielen andere Dimensionierungen entsprechender Zahnräder oder anderer Geberobjekte auftreten. Ebenfalls sind die entsprechenden Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100 nicht auf diese Werte beschränkt. Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung wird darauf hingewiesen, dass große Magnetfelder am xMR-Element beispielsweise mit großen Magneten oder auch mit großen Remanenzen oder mit kleinem Entmagnetisierungsfaktor erzielt werden können.
Je nach konkreter Applikation sind hierbei die magnetoresistiven Sensorelemente 190 typischerweise etwa im Bereich von etwa 1 mm vor dem Magneten bzw. Magnetkörper 110 angeordnet und das Zahnrad selber ist etwa 1 bis 4 mm vor dem magnetoresistiven Sensorelementen 190 angeordnet, so dass der magnetische Luftspalt ebenfalls in diesem Bereich liegt. Der Magnet bzw. Magnetkörper 110 hat in manchen Applikationen und damit in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 einen Querschnitt von 5 mm in x-Richtung und 6 mm in y-Richtung, wobei die magnetoresistiven Sensorelemente 190 am Chip etwa 2,5 mm voneinander beabstandet sind. In einem solchen Fall kann es passieren, dass die Bx-Komponente der magnetischen Feldstärke auf dem rechten der beiden Magnetofeldelemente 190 im Bereich von ca. 95 bis 117 mT liegt, wobei die unterschiedlichen Werte je nach (magnetischem) Luftspalt ergeben. Entsprechend im Falle einer symmetrischen Auslegung wirken auf das linke Sensorelement 190 Bx-Komponenten im Be reich zwischen –95 bis –117 mT. Je nach konkreter Implementierung an das Magnetfeldsensorelement 190, insbesondere im Falle eines GMR-Magnetfeldsensorelements, hat ein solches Sensorelement häufig einen linearen Ansteuerbereich im Bereich von bis zu +/–15 mT. Wird ein solches GMR-Sensorelement 190 durch den Magneten weit übersteuert, so funktioniert dieses nicht mehr sinnvoll und ist nicht mehr in der Lage, sinnvolle Messsignale zur Verfügung zu stellen.
Bei anderen GMR-Sensorelementen 190 kann es dazu kommen, dass diese bereits bei einer magnetischen Flussdichte von etwa 10 mT in Sättigung gehen. Liegen also beispielsweise Magnetfeldkomponenten bzw. magnetische Flussdichtkomponenten von mehr als 100 mT an dem Ort der GMR-Sensorelemente 190 vor, so werden diese in die Sättigung getrieben, so dass kleine überlagerte magnetische Wechselfelder, wie sie von dem Geberobjekt 210 hervorgerufen werden können, nicht mehr detektierbar sein. In einem solchen Fall kann es daher notwendig sein, die zuvor beschriebene magnetische Flussdichte um einen Faktor von 15 zu reduzieren.
Wird also beispielsweise bei einer Sättigungsfeldstärke von etwa 10 mT eines GMR-Sensorelements durch einen Zahn lediglich eine Modulation zwischen 12 mT und 14 mT hervorgerufen, kann in vielen Fällen das betreffende GMR-Sensorelement kein verwertbares Ausgangssignal mehr liefern, so dass der Sensor insgesamt nicht mehr notwendigerweise in der Lage ist, die Rotation des Geberobjekts 210 zu detektieren.
Wie bereits zuvor erläutert wurde, dienen die zuvor gemachten numerischen Angaben insbesondere der Illustration und sind nicht als einschränkend zu verstehen. So können Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100 in einem sehr breiten Bereich von Magneten bzw. Magnetkörpern 110 und in einem sehr weiten Bereich verschiedener Magnetfeldsensorelementen 190 eingesetzt werden. Ebenso können im Falle entsprechender Anwendungsszenarien Ausführungsbeispiele mit sehr vielen ver schiedenen Geberobjekten 210 kombiniert werden, um beispielsweise Geschwindigkeitssensoren oder andere magnetischbasierte Sensoren zu bilden.
Die 3a und 3b zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100. Genauer gesagt, sind die beiden Ausführungsbeispiele zusammen mit einem Geberobjekt 210 jeweils dargestellt, wobei es sich bei dem Geberobjekt 210 beispielsweise um eine Zahnstange oder um ein Zahnrad handeln kann, das zur Vereinfachung der Darstellung in den 3a und in den 3b ohne Krümmung wiedergegeben ist.
Die in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100 weisen so jeweils einen Magnetkörper 110 auf, der wiederum bezogen auf den in den 3a und 3b gezeigte Querschnittsebene einen nicht-konvexen Querschnitt mit einer Aussparung 130 aufweist, die im Falle in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiele kreisförmig ausgebildet ist. Selbstverständlich ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die Bezeichnung kreisförmig bzw. ellipsenförmig auch auf entsprechende Sektoren und Abschnitte der betreffenden geometrischen Figuren, also eines Kreises oder einer Ellipse anzuwenden ist.
Bei den in 3a und 3b dargestellten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 weisen die Magnetkörper 110 bzw. die beiden Backbiasmagneten 110 wiederum eine inhomogene Magnetisierung auf, wie dies durch die Pfeile 170 in beiden Figuren dargestellt ist. Je nach konkreter Ausgestaltung eines Ausführungsbeispiels kann auch hier wiederum die Magnetfeldsensoranordnung 120 gegebenenfalls neben dem Chip bzw. Substrat 180 und den (magnetoresistiven) Magnetfeldsensorelementen 190, also beispielsweise GMR-Magnetfeldsensorelementen, ein Gehäuse, das auch als Package bezeichnet wird, umfassen.
Der Magnet bzw. Magnetkörper 110 ist bei den in den 3a und 3b dargestellten Ausführungsbeispielen als Teil eines Rings ausgeführt und im Wesentlichen radial magnetisiert, wie dies die Pfeile 170 zeigen. Genauer gesagt ist hier der Magnetkörper 110 kreisringförmig, kann jedoch in anderen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 auch andere Formen, etwa eine flache oder hochgestellte Ellipse, haben. Wie bereits im Zusammenhang mit 1b erläutert wurde, kann es genügen, dass der Magnetkörper 110 eine innere Aussparung aufweist, damit die zuvor beschriebene Magnetisierung des Magnetkörpers 110 vorgenommen werden kann. Grundsätzlich kann so im Prinzip eine beliebige äußere Begrenzungskurve vorgesehen werden. Wie zuvor erläutert wurde, kann in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 die innere Aussparung kreisrund, elliptisch oder polygon-förmig sein. Mit anderen Worten kann in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors der Magnetkörper bezüglich einer Querschnittsebene einen Querschnitt oder eine Querschnittsfläche aufweisen, die nicht-konvex ist.
So zeigt 3a ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Magnetkörper 110 sich über 180° erstreckt und als Kreisring ausgeführt wird. Im Unterschied hierzu erstreckt sich bei dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel der als Kreisring dargestellte Magnetkörper 110 über weniger als 180°. Je nach konkreter Implementierung kann sich der Magnetkörper 110 auch über mehr als 180° erstrecken.
Der Sensor-IC (IC = integrated circuit = integrierte Schaltung) bzw. die Magnetfeldsensoranordnung 120 kann dabei sowohl „in das Innere des Magneten", also in den Bereich der Aussparung 130 geschoben oder verlagert werden, wie dies in 3a gezeigt ist. Im Falle kleinerer Magneten 110 oder auch im Falle eines begrenzten Bauraums kann der Magnet 110 auch auf die Hinterseite des Sensors-IC platziert werden, wobei je nach konkreter Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 eine Vorderseite und eine Unterseite des ICs 120 im Hinblick auf die beschriebene Fixierung in vielen Fällen gleich gut verwendet werden können.
In manchen Anwendungsfällen mag es jedoch ratsam sein, wie GMR-Sensorelemente 190 möglichst nahe an das Zahnrad bzw. das Geberobjekt 210 zu bringen, so dass es in einem solchen Fall gegebenenfalls ratsam sein kann, den Magneten 110 auf jener Seite des Chips 120, der keine Bauteile enthält (z. B. die Magnetfeldsensorelemente 190) zu befestigen. In einem solchen Fall kann es also ratsam sein, die Magnetfeldsensoranordnung 120 im Vergleich zu der Darstellung der 3a und 3b um 180° gedreht im Hinblick auf den Magnetkörper 110 an diesem zu befestigen, also genau umgekehrt zu der Darstellung in den 3a und 3b. Die Magnetfeldsensorelemente 190 kann so also in Bezug auf das Substrat 180 und das Geberobjekt 210 um 180° gedreht liegen.
Je nach konkreter Ausgestaltung kann so eine typische Abmessung im Falle von Ausführungsbeispielen, wie sie in den 3a und 3b gezeigt sind, einen Außendurchmesser von etwa 9 mm und einen Innendurchmesser von etwa 5 mm, bezogen auf die Form des Magnetkörpers 110, aufweisen. Eine Stärke der remanenten Magnetisierung mag wiederum, je nach konkretem Ausgestaltung eines Ausführungsbeispiels, oberhalb von etwa 500 mT oder oberhalb von etwa 1 mT liegen.
Die beiden Sensorelemente 190 sind in manchen Ausführungsbeispielen, grob gesagt, etwa so weit beabstandet, wie etwa ein Zahn oder eine Zahnlücke eines Geberobjekts 210 groß ist. In manchen Ausführungsbeispielen bzw. in manchen Anwendungsfällen können dies beispielsweise 2,5 mm für die Entfernung der beiden in den 3a und 3b gezeigten äußeren Sensorelemente sein. Je nach konkreter Implementierung kann beispielsweise ein mittleres Sensorelement zur Richtungserkennung eingesetzt werden, dass gegebenenfalls in der Mitte zwischen dem linken und dem rechten Sensorelement angeordnet sein kann. Allerdings werden auch andere Entfernungen der besagten Sensorelemente 190 in manchen Anwendungsgebieten erfordert. So können beispielsweise auch andere Entfernungen, etwa 1,7 mm, verwendet werden.
Die Oberfläche des Chips 180 ist in vielen Fällen im Bereich von ca. 0,5 mm bis ca. 2 mm vor dem Magneten 110 angeordnet, wobei Entfernungen von etwa 0,7 mm häufig einen brauchbaren Kompromiss darstellen, der einerseits der Magnet 110 möglichst nah am Chip 180 und somit am Polrad 210 sein sollte und andererseits eine Dicke aus Montagekomponenten (Gehäuseunterseite, Leadframe-Dicke, Die-Attach-Dicke und Siliziumdicke) häufig im Bereich von etwa 0,7 mm liegt. Eine Entfernung des Chips 180 vom Geberobjekt 210, die auch als Luftspalt bezeichnet wird, kann minimal einige Zehntel mm betragen, sollte in manchen Anwendungsgebieten, maximal jedoch einem Abstand von etwa vier Zahnbreiten bzw. vier Zahnlücken nicht überschreiten, da bei größeren Luftspalten die Magnetfeldsignalamplitude exponentiell absinkt.
4 zeigt ein Ergebnis einer numerischen Simulation eines magnetischen Feldstärkeverlaufs und magnetischer Feldlinien, wie sich diese im Falle eines Magnetkörpers 110 ergeben, wie er im Zusammenhang mit der 3a und dem dort diskutierten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Eine Berechnung von Magnetfeldern, wie sie beispielsweise zu dem in 4 gezeigten Magnetfeldverlaufs geführt haben, ist in vielen Fällen alles andere als trivial und läuft grundsätzlich immer auf die Lösung der vier Maxwell'schen Differenzialgleichung für elektromagnetische Felder hinaus. Es gibt zwar für Spezialfälle vereinfachte Formen, die gegebenenfalls in geschlossener Form gelöst werden können, aber gerade für die Berechnung von Magnetfeldern, magnetischen Flussdichten und anderen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung erörterten Verläufen und Kennzahlen ist im Allgemeinen eine numerische Simulation unabdingbar, die beispielsweise auf Basis einer 2-dimensionalen oder 3-dimensionalen Simulation unter Verwendung der Methode finiter Elemente durchgeführt werden kann. Entsprechende Simulationen und Berechnungen können unter Berücksichtigung der entsprechenden Randbedingungen beispielsweise auf Basis der Gleichung
wobei B die magnetische Induktion bzw. die magnetische Flussdichte als vektorielle Größe, μ₀ die Permeabilität des Vakuums, rot M die Rotation der (vektoriellen) Magnetisierung, grad_A r der Gradient der Ortskoordinate bezüglich des Aufpunkts A ist und wobei r der Abstand zwischen dem Aufpunkt und dem Quellpunkt ist. Die Integration wird hierbei über den gesamten Raum durchgeführt, also nicht nur im Innern des Materials des Magnetkörpers 110, sondern auch über dessen Oberfläche, was durch die „Integrationsgrenze" V in Gleichung (2) angedeutet ist.
Neben dem Magnetkörper 110 ist in 4 darüber hinaus schematisch das in den 3a und 3b gezeigte Geberobjekt 210 dargestellt. Neben einer Vielzahl von Feldlinien 230 ist darüber hinaus in 4 für einige Bereiche die jeweilige magnetische Flussdichte zwischen 0,2 T bis maximal 0,5 T dargestellt. Hierbei kennzeichnet ein Pfeil 240 im Inneren der Darstellung in 4 eine Abnahme der magnetischen Feldstärke, wie sie durch einen Pfeil 250 im Bereich der Legende dargestellt ist.
4 stellt somit also den Querschnitt des Magnetkörpers in Form eines Kreisrings, der sich über 180° erstreckt und in radialer Richtung magnetisiert ist, wie dies bereits im Zusammenhang mit 3a beschrieben wurde. Das Zahnrad als Geberobjekt 210 ist hierbei symmetrisch zu dem Magneten 110 positioniert. In dieser Position sollte idealerweise die Bx-Komponente der magnetischen Flussdichte am Ort der Magnetfeldsensorelemente 190 (nicht gezeigt in 4) möglichst nahe bei Null liegen, zumindest jedoch innerhalb des linearen Ansteuerbereichs eines GMR-Sensorelements, also beispielsweise zwischen ca. –15 mT und +x15 mT.
Dem in 4 gezeigten Ergebnis einer numerischen Simulation liegt im Hinblick auf den Magnetkörper 110 eine Remanenz des Magnetkörpers 110 von 1 T vor, die betragsmäßig homogen sich über den gesamten Magnetkörper 110 erstreckt. Ausgenommen hiervon ist jedoch die Richtung der Magnetisierung, die aufgrund ihrer radialen Ausprägung inhomogen ist.
Darüber hinaus sind in 4 zwischen den Endflächen des Magneten waagerechte Linien 260 eingezeichnet, im Bereich derer die magnetische Feldstärke Bx als Funktion der x-Koordinate im Rahmen in der in der nachfolgenden 5 dargestellten Verläufe ausgewertet wurde.
5 zeigt so insgesamt elf Verläufe 270-1 bis 270-11, die die magnetische Flussdichte Bx in Tesla (T) für die in 4 dargestellten Linien 260 wiedergeben. Die Kurven bzw. Verläufe 270 entsprechen hierbei in aufsteigender Reihenfolge ihrer Nummern, die hinter dem Bindestrich im Rahmen des Bezugszeichens angegeben sind, den y-Positionen y = –0,5 mm, –0,4 mm, –0,3 mm, –0,2 mm, –0,1 mm, 0 mm, +0,1 mm, +0,2 mm, +0,3 mm, +0,4 mm und +0,5 mm.
Die Verläufe 270 zeigen so, dass aufgrund der Symmetrie der Anordnung die x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx als Funktion der x-Koordinate x für den Fall y = 0 (Verlauf 270-6) nahezu identisch verschwindet und somit eine im Prinzip ideale Position für die GMR-Sensorelemente darstellen würde. Liegen beispielsweise die Magnetfeldsensorelemente 190 symmetrisch verteilt um x = 0 in einem Abstand von 1,25 mm, also bei den x-Positionen x = +/–1,25 mm, so sind y-Positionen im Bereich zwischen y = –0,1 mm und y = +0,1 mm durchaus geeignet, um x-Komponenten der magnetischen Feldstärke von betragsmäßig weniger als 20 mT sicherzustellen (|Bx| < 20 mT), wie die Verläufe 270-5, 270-6, 270-7 für die y-Positionen y = –0,1 mm, 0 mm, +0,1 mm zeigen. Die Verläufe 270 weisen hierbei im Wesentlichen eine Spiegelsymmetrie bezüglich des Punktes (x, Bx) = (0m, 0T). Gegenüber einem einfachen quaderförmigen Magneten mit einer durchgängig homogenen Magnetisierung kann so durch Verwendung eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 eine Reduktion der x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx erzielt werden, die manchmal sogar eine Größenordnung betragen kann.
Die 6a und 6b zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100, die den Ausführungsbeispielen aus den 3a und 3b ähneln, sich jedoch von diesen dadurch unterscheiden, dass die Magnetkörper 110 azimutal magnetisiert sind, wie dies die Pfeile 170 zeigen. Bei dieser Möglichkeit eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 100 kann, wie beispielsweise in 6a gezeigt ist, der Magnetkörper 110 einen ringförmigen Querschnitt aufweisen, der sich über 180° erstreckt. Ebenso kann, wie dies 6b zeigt, einen Querschnitt aufweisen, der sich über weniger als 180° erstreckt. Der Magnet 110 aus dem in 6b gezeigten Ausführungsbeispiel kann daher als „in radialer Richtung abgeschnitten" betrachtet werden, wobei selbstverständlich auch andere Formen des Magnetkörpers 110 möglich sind. So sind beispielsweise auch Magnetkörper 110 denkbar, bei denen die Endflächen beispielsweise in x-Richtung oder auch in y-Richtung abgeschnitten sind. Wie bereits zuvor im Zusammenhang mit den 1a, 1b, 3a und 3b erläutert wurde, ist in diesem Zusammenhang die äußere Form des Magnetkörpers weniger ausschlaggebend. Daher können selbstverständlich auch andere Richtungen, zu den zuvor genannten Richtungen schiefe Richtungen als „Abschnittsrichtungen" des Magnetkörpers 110 möglich.
Abgesehen von der Magnetisierung M, wie sie durch die Pfeile 170 in den 6a und 6b gezeigt werden, unterscheiden sich die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100 hinsichtlich der weiteren Komponenten nicht bzw. kaum von den in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispielen. Aus diesem: Grund wird insbesondere im Hinblick auf die weiteren Komponenten auf die betreffende Beschreibung derselben hiermit verwiesen.
Die Magnetisierung des Magnetkörpers 110, wie er in den 6a und 6b gezeigt ist, gehorcht somit hinsichtlich der x-Komponente M_x (x) und der y-Komponente M_y (x) den folgenden Symmetriebedingungen: Mx (x) = Mx (–x) My (x) = –My (–x) (3)
Das heißt, dass in diesem Fall die x-Komponente der Magnetisierung eine gerade Symmetriebeziehung bezüglich der Symmetrielinie 195 (x = 0) aufweist, während die y-Komponente der Magnetisierung in diesem Fall eine ungerade Symmetriebeziehung bezüglich x erfüllt. Auch in diesem Fall kann also in manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 gesagt werden, dass eine der beiden Magnetisierungskomponenten M_x und M_y eine ungerade Symmetriebezierung bezüglich x erfüllt, während die andere eine gerade Symmetriebeziehung bezüglich der x-Koordinate erfüllt.
7 zeigt eine Darstellung eines Ergebnisses einer numerischen Simulation, der ein Magnetkörper 110 mit einer Erstreckung von mehr als 180°, der in azimutaler Richtung magnetisiert ist, wobei der Betrag der Magnetisierung über das Volumen des Magnetkörpers 110 als konstant angesetzt ist. Anders ausgedrückt basieren die Ergebnisse der in 7 gezeigten Simulation auf einem Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors mit einem Magnetkörper 110, der mit einem konstanten Betrag in azimutaler Richtung magnetisiert ist, so dass ebenfalls wiederum aufgrund der sich verändernden Richtung der Magnetisierung diese inhomogen ist. Hierbei zeigt wiederum
7 eine Mehrzahl von Feldlinien 230, sowie einen Pfeil 240 im Inneren der Darstellung, der eine Richtung entlang einer geringer werdenden magnetischen Flussdichte im Bereich zwischen 0,5 T und 0,2 T entspricht, wie dies durch den Fall 250 angezeigt ist. Darüber hinaus sind wiederum in 7 verschiedene Linien 260 eingezeichnet, auf die sich die in den 8 und 9 wiedergegebenen Verläufe 270 beziehen. Anders ausgedrückt wird also im Rahmen der folgenden 8 und 9 eine Eignung der verschiedenen Linien 260 im Hinblick auf eine mögliche Position für die Magnetfeldsensorelemente 190 untersucht.
8 zeigt Verläufe 270-1 bis 270-8 der x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx als Funktion der x-Koordinate für verschiedene y-Koordinaten. Genauer gesagt entspricht hierbei der Verlauf 270-1 einer y-Koordinate von y = –0,8 mm, wobei mit steigender Nummer des betreffenden Verlaufs, der hinter dem Bindestrich im Rahmen des Bezugszeichens wiedergegeben ist, die y-Koordinate jeweils um 0,1 mm verringert wird. Folglich entspricht also der Verlauf 270-2 einer y-Koordinate von y = –0,9 mm und beispielsweise der Verlauf 270-8 einer y-Koordinate von y = –1,5 mm. Hierbei zeigt 8 zunächst die betreffenden Verläufe 270 in einem groben Maßstab in einem Bereich zwischen x = –2 mm bis x = +2 mm, während in 9 eine Vergrößerung des dargestellten Bereichs von etwa x = 1,0 mm bis x = 1,85 mm dargestellt ist.
8 zeigt so zunächst, dass fast unabhängig von dem jeweilig gewählten y-Parameter alle Verläufe bzw. Kurven 270 im Bereich zwischen etwa x = 1,3 mm und x = 1,4 mm einer x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx im Bereich zwischen etwa +/–(20 mT–40 mT) aufweisen. In geringerer Entfernung von dem Magneten bzw. Magnetkörper 110, also für größere y-Werte, gegen die Verläufe bzw. Kurven 270 im Bereich bei etwa x = +/–1,4 mm durch die B_xX = x0-Linie, so dass dies einen durchaus geeigneten Ort für magnetoresistive Sen sorelemente 190, also beispielsweise GMR-Sensorelemente 190 darstellen kann.
Entsprechend ist in 9 der Bereich der in 8 gezeigten Verläufe im Bereich um x = 1,4 mm vergrößert dargestellt. So zeigt beispielsweise 9, dass insbesondere die Verläufe 270-2, 270-3 und 270-4, die den y-Parametern y = –0,9 mm, –1,0 mm und –1,1 mm entsprechen, im Bereich um x = 1,4 mm die „Bx = 0"-Linie schneiden, wie dies das Detailbild in 9 zeigt.
Bevor im Zusammenhang mit den 10a und 10b weitere Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 100 beschrieben werden, soll zunächst ein Verfahren, mit dem die in den vorangegangenen Figuren erläuterten inhomogenen Magnetisierungen realisiert werden können, kurz skizziert werden. Im Falle der Magnetkörper 110, die eine radiale oder quasi radiale Magnetisierung aufweisen, wie sie also beispielsweise in den 1a, 1b, 3a und 3b gezeigt sind, kann in die Aussparung 130 des jeweiligen Magnetkörpers ein entsprechend geformtes Gegenstück, beispielsweise aus Eisen, aufgesetzt werden, das nahtlos an die entsprechend geformte Oberfläche des Magnetkörpers 110 ansetzt. Ebenso kann von außen ein entsprechend geformtes Eisenteil an die äußere Oberfläche gesetzt werden, so dass der spätere Magnetkörper 110 von außen und innen durch entsprechende Eisenteile bedeckt wird. Anschließend können die beiden Eisenteile durch einen fast beliebig geformten Bügel miteinander verbunden werden. Um den Bügel kann dann eine Wicklung gewickelt werden, die zur Erzeugung der Magnetisierung dann bestromt wird.
Im Falle eines Magnetkörpers mit einer azimutalen Magnetisierung kann ein kreisrunder Leiter in das Innere des Magneten, also in die Aussparung 130 des Magnetkörpers 110 gesetzt werden, und ein kreisförmiger Leiter kann außen herum, Idealerweise nahtlos an den Magnetkörper 130 angeschmiegt werden. Wird nun ein Strom in dem innenliegenden metallischen Leiter aus der in 6a bzw. 6b gezeichneten Zeichenebene heraus und im Außenleiter ein entsprechender Strom in die Zeichenebene hineingeschickt, so wird die betreffende Magnetisierung im Magneten 110 in azimutaler Richtung im Gegenuhrzeigersinn ausgerichtet.
Die 10a und 10b zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300, der sich von den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen entsprechend der Magnetfeldsensoren 100 darin unterscheidet, dass die hier gezeigten Ausführungsbeispiele einen ersten Magnetkörper 310 und einen zweiten Magnetkörper 320 aufweisen, wobei der erste Magnetkörper 310 eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist, die in 10a und 10b jeweils durch einen Pfeil 330 gekennzeichnet ist. Der zweite Magnetkörper 320 weist ebenso eine Magnetisierungsrichtung auf, die in den 10a und 10b durch jeweils einen Pfeil 340 eingetragen ist. Die beiden Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetkörper 310, 320 sind hierbei hinsichtlich ihrer Magnetisierungsrichtungen unterschiedlich und schließen einen Winkel miteinander ein.
Bezüglich einer Symmetrielinie 195, die wiederum einer x-Koordinate von x = 0 entspricht, schließen die Magnetisierungsrichtungen (Pfeile 330, 340) der beiden Magnetkörper 310, 320 mit der Symmetrielinie 195 jeweils einen Winkel ein, der betragsmäßig für die beiden Magnetkörper 310, 320 identisch ist bzw. voneinander um nicht mehr als typischerweise 20°, 10°, 5° oder 20° abweichen, je nach konkreter Ausgestaltung eines entsprechenden Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300 und seiner Spezifikationen. Mit anderen Worten weisen die beiden Magnetkörper 310, 320 bezogen auf die Symmetrielinie 195 in vielen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 eine symmetrische Magnetisierung bezüglich der Symmetrielinie 195 auf.
Darüber hinaus weisen die in den 10a und 10b dargestellten Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300 wiederum eine Magnetfeldsensoranordnung 120 mit einem Substrat 180 und einem oder mehrerer Magnetfeldsensorelemente 190 auf. Wie bereits im Zusammenhang mit den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 beschrieben wurde, kann die Magnetfeldsensoranordnung ein einzelnes Magnetfeldsensorelement 190 oder auch eine Mehrzahl entsprechender Magnetfeldsensorelemente 190 aufweisen. Bei dem in 10a und 10b dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Magnetfeldsensoranordnung 120 jeweils zwei, im Wesentlichen symmetrisch zur Symmetrielinie 195 angeordneter Magnetfeldsensorelemente 190, bei denen es sich beispielsweise um die bereits zuvor erläuterten möglichen Magnetfeldsensorelement-Technologien handelt. So können auch in diesem Fall die Magnetfeldsensorelemente Hall-Sensorelemente, magnetoresistive Sensorelemente oder andere entsprechende Magnetfeldsensorelemente umfassen.
In diesem Zusammenhang sollte darauf hingewiesen werden, dass aufgrund der zuvor geschilderten Problematik der Positionierungstoleranz im Falle realer Implementierungen von Ausführungsbeispielen von Magnetfeldsensoren 100, 300 die zuvor beschriebenen Symmetrieeigenschaften der verschiedenen Komponenten hinsichtlich der Symmetrielinie 195 nur innerhalb einer vorgegebenen Toleranzgrenze, also beispielsweise innerhalb einer je nach Anwendung abhängigen Positionierungstoleranz in lateraler Richtung oder auch in vertikaler Richtung abweichen darf. Anders ausgedrückt, bezieht sich die Symmetrielinie 195 auf eine Mitte beispielsweise zweier Magnetfeldsensorelemente 190 auf dem Substrat 180 der Magnetfeldsensoranordnung 120, so können gegebenenfalls die beiden Magnetkörper 310, 320, die zusammen den Backbiasmagneten bilden, gegebenenfalls innerhalb vorgegebener Positionierungstoleranzen von ihrer jeweiligen Position abweichen. Die entsprechenden Positionierungstoleranzen sind hierbei in vielen Fällen anwendungs-spezifisch und werden beispielsweise von der Technologie der verwendeten Magnetfeldsensorelemente 190 durchaus beeinflusst.
In den 10a und 10b ist darüber hinaus wiederum ein Geberobjekt 210 eingezeichnet, bei dem es sich beispielsweise wiederum um eine Zahnstange, eine Polstange, eine Lochstange, ein Zahnrad, ein Lochrad oder ein Polrad handeln kann. Je nach konkreter Anwendung können auch andere Geberobjekte 210 zum Einsatz kommen, wobei je nach konkreter Ausgestaltung in vielen Fällen lediglich es hilfreich sein kann, das betreffende Geberobjekt 210 derart auszubilden, dass dieses in der Lage ist eine Modulation, etwa eine periodische oder sinusförmige Modulation eines Magnetfeldes hervorzurufen, das (unter anderem) von dem häufig als Permanentmagneten ausgeführten ersten Magnetkörper 310 und dem zweiten Magnetkörper 320 der Backbiasmagnetanordnung bzw. des Backbiasmagneten in diesem Fall erzeugt wird.
Bezogen auf die Symmetrielinie 195 sind so in vielen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 der erste Magnetkörper und der zweite Magnetkörper 320 symmetrisch zu dieser ausgeführt bzw. angeordnet. Neben der zuvor erwähnten Möglichkeit, einer Definition der Symmetrielinie 195 bezüglich einer Mittenposition von Magnetfeldsensorelementen 190 vorzunehmen, wenn diese in einer entsprechenden Anzahl und Anordnung vorhanden sind, besteht natürlich ebenfalls die Möglichkeit, die Symmetrielinie 195 bezüglich eines Mittenpunkts oder einer anderen entsprechenden Linie oder Markierung bezogen auf das Substrat 180 zu definieren. Unter Berücksichtigung der beispielsweise durch Fertigungstoleranzen hervorgerufenen Positionierungsabweichungen bzw. Positionierungstoleranzen der einzelnen Magnetkörper 310, 320 die sie jeweils eine symmetrische Einbauposition bezüglich der Symmetrielinie 195 auf.
Hierbei können, wie zuvor erläutert wurde, je nach konkreter Definition der Lage der Symmetrielinie 195 die beiden Magnetkörper 310, 320 und/oder die Lage der einzelnen Magnetfeldsensorelemente 190 entsprechende Einbautoleranzen oder Posi tionierungstoleranzen gegenüber der Symmetrielinie 195 aufweisen. Anders ausgedrückt, kann beispielsweise ein Schwerpunkt der beiden Magnetkörper 310, 320 um eine Distanz von der Symmetrielinie 195 entfernt liegen, die typischerweise kleiner ist als eine entsprechende Positionierungstoleranz.
Entsprechendes gilt nicht nur in der x-Richtung, sondern ebenso in der senkrecht dazu verlaufenden y-Richtung, wie dies in den 10a und 10b eingezeichnet ist. Je nach verwendeter Fertigungstechnik, insbesondere der Befestigungstechnik der Magnetkörper bezogen auf die Magnetfeldsensoranordnung 120 können so in x-Richtung und/oder y-Richtung, sowie in der in 10a und 10b nicht gezeigten z-Richtung Positionierungsfehler auftreten, die im Bereich einiger 100 μm bis in den Bereich einiger weniger Millimeter liegen. Mit anderen Worten können die entsprechenden Positionierungstoleranzen im Bereich bis einige 100 μm bzw. im Bereich bis einige wenige Millimeter, also im Bereich bis etwa 1.000 μm oder im Bereich bis etwa 2 mm liegen.
Bezogen auf die Positionierung der einzelnen Magnetfeldsensorelemente 190 zu jeweils einem Magnetkörper der beiden Magnetkörper 310, 320 gilt, dass in vielen Ausführungsbeispielen eines entsprechenden Magnetfeldsensors 300, eine symmetrische Anordnung der Magnetfeldsensorelemente 190 und/oder der Magnetkörper 310, 320 vorausgesetzt, die Magnetfeldsensorelemente 190 jeweils x-Koordinaten aufweisen, die in dem Bereich der x-Koordinaten eines der beiden Magnetkörper 310, 320 liegen. Mit anderen Worten liegen in solchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 die zugehörigen Magnetfeldsensorelemente 190 oberhalb oder unterhalb der betreffenden Magnetkörper 310, 320.
Hinsichtlich der Winkel, die die Magnetisierungsrichtung der einzelnen Magnetkörper 310, 320 mit der Symmetrielinie 195 bzw. der ebenfalls in 10a und 10b eingezeichneten, dazu senkrecht verlaufenden Linie 350 einschließen, gilt für viele Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300, dass ein Winkel der Magnetisierung eines der beiden Magnetkörper 310 mit der Symmetrielinie 195 in vielen Fällen betragsmäßig einen Winkel zwischen 10° und 80° einschließt. In vielen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 verläuft die Symmetrielinie 195 senkrecht zu einer Hauptoberfläche oder Oberfläche des Substrats 180, auf der die Magnetfeldsensorelemente 190 angeordnet sind. Entsprechend schließen die betreffenden Magnetisierungen bezüglich der Linie 350 ebenfalls betragsmäßig einen Winkel im Bereich zwischen 10° und 80° ein. Darüber hinaus schließen im Falle einer symmetrischen Auslegung der beiden Magnetkörper 310, 320 die betreffenden Magnetisierungen jeweils zueinander ein, der betragsmäßig im Bereich zwischen 20° und 160° liegt. Je nach konkretem Anwendungsgebiet, können in Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 auch andere Winkelbereiche auftreten, die im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung im Rahmen von numerischen Simulationen noch näher erläutert werden.
Die in den 10a und 10b dargestellten Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300 unterscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich der Anordnung der beiden Magnetkörper 310, 320 zueinander. Während bei dem in 10a gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden Magnetkörper 310, 320 direkt unmittelbar aneinander angrenzen, indem sie beispielsweise aneinander durch eine Verklebung fixiert sind, sind bei dem in 10b gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden Magnetkörper 310, 320 durch einen entsprechenden Spalt voneinander getrennt. Der Spalt zwischen den beiden Magnetkörpern 310, 320 kann beispielsweise mit einem magnetischen oder nichtmagnetischen Material gefüllt sein, das beispielsweise zur Befestigung oder zum Gesamtaufbau des Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300 gehört. So kann beispielsweise teilweise oder vollständig zwischen den beiden Magnetkörpern 310, 320 eine Kunststoffbefestigung eingebracht werden, an die die beiden Magnetkörper 310, 320 geklebt oder anderweitig befestigt werden. Alternativ oder ergänzend kann auch im Rah men der Gesamtmontage der Magnetfeldsensoranordnung 120 und der beiden Magnetkörper 310, 320 durch ein Vergießen miteinander fixiert werden, so dass in dem Spalt zwischen den beiden Magnetkörpern 310, 320 wenigstens teilweise Vergussmasse eindringt.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem in den 3a, 3b gezeigten Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100, kann auch bei Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 die Magnetfeldsensoranordnung 120 mit ihrem Substrat 180 und den Magnetfeldsensorelementen 190 ihrerseits ein Gehäuse (Package) umfassen.
Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch möglich, dass zwischen den beiden Magnetkörpern 310, 320, wie dies in 10b gezeigt ist, kein festes Material eingefügt ist, sondern das vielmehr die beiden Magnetkörper 310, 320 mit der Magnetfeldsensoranordnung 120 direkt verbunden oder verklebt sind. In einem solchen Fall kann gegebenenfalls ein Einbringen eines Materials zwischen die beiden Magnetkörper 310, 320 entfallen.
Bei den in den 10a und 10b gezeigten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 werden also zwei Einzelmagnete als Magnetkörper 310, 320 zu einem neuen Magneten bzw. Backbiasmagneten so zusammengesetzt, dass wiederum für die Magnetisierungskomponenten der Gesamtanordnung der beiden Magnetkörper die in Gleichung (1) gegebenen Symmetriebedingungen vorliegen. Auch dies entspricht wiederum bezogen auf die Gesamtanordnung der beiden Magnetkörper 310, 320 einer inhomogenen (Gesamt-) Magnetisierung. Genauer gesagt entspricht dies einem inhomogenen magnetisierten Gesamtmagneten, der jeweils etwa zur Hälfte des Volumens aus zwei homogen magnetisierten Magnetkörpern bzw. zwei homogenen Bereichen besteht. In den 10a und 10b ist bei den dort gezeigten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors so als viel leicht einfachstes Beispiel jeweils ein zweier Quader mit jeweils einer schiefen Magnetisierung zusammengefügt.
Je nach konkreter Implementierung, können so beispielsweise die beiden Magnetkörper 310, 320 als zwei Blockmagnete mit einer Breite von etwa 2 mm und einer Höhe von etwa 5 mm ausgeführt und mit ihren Rücken aneinander geklebt werden. Beide einzelnen Magnetkörper 310, 320 sind hierbei homogen magnetisiert, wobei wiederum je nach konkreter Ausführung beispielsweise eine Remanenz von etwa Brem = 1 T in der betreffenden Richtung vorherrscht, die durch die Magnetisierung bzw. die Pfeile 330, 340 wiedergegeben ist. In manchen Ausführungsbeispielen kann so beispielsweise die Magnetisierungsrichtung einen Winkel von +/–50°, bezogen auf die Symmetrielinie 195, also die vertikale Richtung aufweisen.
Manche Ausführungsbeispiele eines Magnetfeldsensors 300, die den Anordnungen aus den 10a und 10b entsprechen, liefern so sehr gute Ergebnisse im Hinblick auf eine Kombination mit einer Magnetfeldsensoranordnung mit magnetoresistiven Sensorelementen. Darüber hinaus können diese häufig besonders einfach hergestellt werden, da die betreffenden Magnetkörper 310, 320 als homogen magnetisierte Einzelmagnete vergleichsweise leicht herstellbar sind.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100, kann auch in diesem Fall es je nach konkreter Implementierung sinnvoll sein, die Magnetfeldsensoranordnung 120 bezüglich der Linie 350 gespiegelt zu implementieren, so dass die Magnetfeldsensorelemente 190 im Rahmen des fertigen Magnetfeldsensors dem Geberobjekt 210 zugewandt sind.
Wie in 10b schematisch dargestellt ist, können die beiden Magnetkörper 310, 320 auch durch einen nicht-magnetischen Spalt voneinander beabstandet werden. Je nach konkreter Implementierung kann dies beispielsweise der Montage dienlich sein, da ein entsprechender Abstand als Klebefläche aufgeführt sein kann. Darüber hinaus besteht ebenfalls die Möglichkeit, durch das Einbringen eines solchen nicht-magnetischen Spalts eine Wechselwirkung der beiden Magnetkörper 310, 320 zu beeinflussen, so dass diese sich beispielsweise nicht so stark überlagern bzw. beeinflussen können.
Manchen Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 im Hinblick auf den durch die beiden Magnetkörper 310, 320 gebildeten Backbiasmagneten liegt so die Idee zugrunde, dass, wenn die Feldlinien eines Magneten divergieren, ein zweiter Magnet daneben angeordnet werden kann, der die unerwünschten Komponenten des ersten Magneten aufhebt.
11 zeigt so ein Ergebnis einer numerischen Simulation einer magnetischen Flussdichteverteilung eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300, wie er in 10a schematisch gezeigt ist. 11 zeigt so neben einer Anzahl von Feldlinien 230 eine im Bereich der beiden Magnetkörper 310, 320 berechnete magnetische Flussdichteverteilung in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,5 T. Wie dies bereits in 10a schematisch gezeigt ist, weisen hierbei die beiden Magnetkörper 310, 320 eine Magnetisierung mit einer magnetischen Remanenz von Brem = 1 T auf, die durch die Pfeile 330, 340 in 11 ebenfalls angedeutet ist. Die hieraus resultierende magnetische Flussdichteverteilung ist gemäß der rechts in 11 dargestellten Graustufenverteilung wiedergegeben, wobei an einer Berührungsfläche der beiden Magnetkörper 310, 320 eine, maximale magnetische Flussdichte herrscht, während außerhalb der beiden Magnetkörper 310, 320 eine deutlich darunter liegende magnetische Flussdichte vorherrscht.
Darüber hinaus ist in 11 eine Linie 260 wiedergegeben, bezüglich der in 12a eine x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx in einem Bereich von x = –2 mm bis x = +2 mm für eine y-Koordinate von y = –1 mm dargestellt ist. Hierbei liegen der in 11 gezeigten numerischen Simulation zwei quaderförmige Magnete bzw. Magnetkörper 310, 320 mit jeweils einer homogenen Magnetisierung zugrunde, die jedoch mit der vertikal nach unten laufenden y-Achse bzw. By-Achse einen Winkel von +/–35° einschließt. Folglich liegt zwischen den beiden Magnetisierungen der beiden Magnetkörper 310, 320 und der Horizontalen betragsmäßig ein Winkel von 55° vor.
Wie zuvor kurz angedeutet wurde, ist in 12a die x-Komponente Bx als Funktion der x-Koordinate für einen y-Wert von y = –1 mm gezeigt, was der in 11 gezeigten Linie 260 entspricht. In 12b sind anschließend die entsprechenden x-Komponenten der magnetische Flussdichte Bx als Funktion der x-Koordinate für einen y-Wert von y = –1,5 mm dargestellt, der jedoch in 11 nicht eingezeichnet ist.
Für den Fall eines y-Wertes y = –1 mm zeigt so 12a die x-Komponente der magnetischen Flussdichte Bx im Bereich von x = –2 mm bis x = +2 mm für verschiedene Winkel der Magnetisierung der beiden Magnetkörper 310, 320. Hierbei liegt den Simulationen die zuvor erläuterte Symmetrie der Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetkörper 310, 320 zugrunde, wobei diese betragsmäßig jeweils mit der Horizontalen, die im Rahmen der Bezugszeichen der einzelnen Verläufe 270 wiedergegebenen Winkel einschließen. So liegt beispielsweise dem Verlauf 270-70 ein Winkel der Magnetisierungen der beiden Magnetkörper 310, 320 mit der Horizontalen von 70° zugrunde, so dass für diese Simulation bzw. Berechnung die Magnetisierungen der beiden Magnetkörper mit der Symmetrielinie 195 aus 10a einen Winkel von 20° einschließen. Entsprechend entspricht der Verlauf 270-55 dem in 11 gezeigten Fall eines Winkels zwischen der senkrecht verlaufenden Symmetrielinie 195 von 35° bzw. einem Winkel der Magnetisierung mit der Horizontalen von 55°.
12b zeigt entsprechend mehrere Verläufe 270 für Winkel zwischen 40° und 70°, die die Magnetisierungen der beiden Magnetkörper 310, 320 mit der Horizontalen einschließen.
Folglich entsprechen die in 12b dargestellten Verläufe 270-40 bis 270-70 Winkeln der Magnetisierungen der Magnetkörper 310, 320 bezüglich der in 10a gezeigten senkrecht verlaufenden Symmetrielinie 195 zwischen 20° (Verlauf 270-70) und 50° (Verlauf 270-40). Gerade bei dem in 12b gezeigten Fall eines vertikalen Abstands der Magnetfeidsensorelemente 190 von der Unterkante der beiden Magnetkörper 310, 320 von 1,5 mm (y = –1,5 mm; der Magnet endet bei y = 0 mm) ist ersichtlich, dass die Bedingung |Bx| < 20 mT für weite Bereiche der x-Koordinaten im Fall y = –1,5 mm erfüllt werden kann. Da dies auch für den in 12a gezeigten Fall im Bereich weiter x-Koordinaten erfüllt werden kann, besteht so insbesondere die Möglichkeit, mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300, wie er schematisch beispielsweise in den 10a oder 10b gezeigt ist, magnetoresistive Magnetfeldsensorelemente 190 zu implementieren, ohne dass diese durch die betreffenden x-Komponenten der durch die Magnetkörper 310, 320 hervorgerufenen Magnetfelder in die Sättigung getrieben werden.
Anders ausgedrückt kann somit mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors 300 in einem vergleichsweise weiten Bereich von x-Koordinaten und y-Koordinaten eine horizontale Komponente einer magnetischen Flussdichte (zum Beispiel x-Komponente) Bx erzeugt werden, die nicht zu einer Sättigung magnetoresistiver Sensorelemente 190 führt. Im Falle von GMR-Sensorelementen zeigen somit also die 12a und 12b, dass eine für viele GMR-Sensorelemente gültige Bedingung |Bx| < 20 mT für weite Bereiche von x-Koordinaten und y-Koordinaten erfüllt werden kann.
Darüber hinaus zeigen die 12a und 12b, dass durch eine Variation der Richtung der beiden Magnetkörper 310, 320 die betreffenden Bereiche so verschoben werden können, dass unterschiedliche Abstände zwischen Magnetfeldsensorelementen 190 realisiert werden können. Somit ist es möglich, verschiedene Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 300 zu schaffen, die unterschiedliche Abstände der Magnetfeldsensorelemente 190 zueinander aufweisen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch den Einsatz entsprechender Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 300 mit (wenigstens) zwei Magnetkörpern 310, 320, Magnetsysteme aufgebaut werden können, so dass die entsprechenden Magnetfeldsensorelemente 190 auch im Falle empfindlicher magnetoresistiver Sensorelemente, also etwa GMR-Sensorelemente, nicht in eine Sättigung getrieben werden.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 300, der sich von den in den 10a und 10b dargestellten Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 300 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die beiden Magnetkörper 310, 320 nicht mehr, bezogen auf ihre geometrische Form, eine schiefe Magnetisierung bzw. schräge Magnetisierung aufweisen, sondern dass diese vielmehr bezogen auf eine Stirnfläche senkrecht magnetisiert sind. In diesem Fall sind die beiden Magnetkörper 310, 320 nicht mehr parallel bezüglich ihrer Seitenflächen angeordnet, wie dies der Fall in den Ausführungsbeispielen in den 10a und 10b war. Vielmehr sind zur Erzielung der zwei unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetkörper 310, 320 diese nunmehr ihrerseits in einem entsprechenden Winkel bezüglich der Symmetrielinie 195 bzw. der dazu senkrecht verlaufenden Linie 350 angeordnet.
Somit weisen auch in diesem Fall der erste Magnetkörper 310 und der zweite Magnetkörper 320 eine erste Magnetisierungsrichtung bzw. eine zweite Magnetisierungsrichtung auf, wobei diese sich hinsichtlich ihrer Richtung unterscheiden. Somit wird auch im Falle einer solchen Anordnung von Magnetkörpern 310, 320 eine inhomogene Gesamtmagnetisierung durch eine Überlagerung der Magnetfelder der beiden (homogen magnetisierten) Magnetkörper 310, 320 erzielt.
Mit anderen Worten, lassen sich entsprechende Anordnungen von Magnetkörpern 310, 320 mit entsprechend unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen dadurch finden, dass anstelle zweier schräg oder schief magnetisierter Magnetkörper 310, 320 zwei quaderförmige Magnete bzw. Magnetkörper zum Einsatz kommen, die in Längsrichtung magnetisiert sind und um einen entsprechenden Winkel, so beispielsweise +/–35° zur y-Achse gekippt, implementiert und eingebaut sind. Mit anderen Worten ist es für Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 300 unerheblich, ob die zwei unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetkörper 310, 320, wie sie durch die Pfeile 330 und 340 dargestellt werden, dadurch erzeugt werden, dass Magnetkörper mit unterschiedlicher, schräger Magnetisierung eingesetzt werden oder ob Magnetkörper mit identischer Magnetisierung verwendet werden, die jedoch im Rahmen des jeweiligen Ausführungsbeispiels des Magnetfeldsensors 300 entsprechend schräg bzw. mit entsprechenden Einbaurichtungen eingebaut sind.
Hinsichtlich der genaueren Einbaulagen der einzelnen Magnetkörper 310, 320 bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in 13 gezeigt ist, gelten selbstverständlich die vorherigen Ausführungen ebenso, wobei in diesem Fall der einzige Unterschied darin besteht, dass die betreffenden Magnetkörper 310, 320 nunmehr entsprechend gedreht werden müssen.
Ohnehin gelten hinsichtlich der genauen Ausformung der einzelnen Magnetkörper 310, 320 sehr weite Freiheiten. So können grundsätzlich alle erdenklichen Formen entsprechender Magnetkörper eingesetzt werden. So sind beispielsweise quaderförmige, zylinderförmige oder andere, beispielsweise spitz zulaufende Magnetkörper denkbar. Darüber hinaus können selbstverständlich im Rahmen der beiden Magnetkörper 310, 320 nicht nur homogen magnetisierte Magnetkörper eingesetzt werden, wie dies implizit bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen angenommen wurde, sondern es können selbstverständlich auch inhomogenmagnetisierte Magnetkörper Verwendung finden.
Anders ausgedrückt, können die Magnetkörper 310, 320 auch hinsichtlich ihrer Magnetisierungsrichtungen und/oder ihrer Magnetisierungsstärke inhomogen ausgeführt sein.
Ausführungsbeispiele von Magnetfeldern 100, 300 erlauben es also, horizontale Magnetfeldkomponenten bzw. horizontale Komponenten der magnetischen Flussdichte durch Verwendung einer inhomogenen Magnetisierung des Magnetkörpers 110 bzw. des Backbiasmagneten, der wenigstens die beiden Magnetkörper 310, 920 umfasst, so weit zu reduzieren, dass beispielsweise magnetoresistive Sensoren (xMR-Sensoren) nicht mehr übersteuert, also in Sättigung getrieben werden. Wie zuvor erläutert wurde, ermöglichen es Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100 daher, die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung etwas salopp als Bx-Feld des Backbiasmagneten bezeichnete Flussdichtekomponente durch die beschriebenen inhomogenen Magnetisierungen so weit zu reduzieren, dass eine entsprechende Übersteuerung der Sensoren bzw. Sensorelemente nicht auftritt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Form von Magnetfeldsensoren 100, 300 erzielen einen gewünschten Feldlinienverlauf also unter anderem dadurch, dass durch eine inhomogene Magnetisierung der Magnetkörper 110, 310, 320 die betreffenden Komponenten der resultierenden magnetischen Flussdichte beschränkt werden. Entsprechend können Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100, 300 ggf. auch ohne eine Implementierung von Magnetkörpern mit extrem filigranen Ausformungen oder Aussparungen erzeugt werden, bzw. es können entsprechende Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren 100, 300 ggf. auch ohne einen Einsatz hochpermeabler Teile vor Feldlinienverformung als magnetische Linsen entwickelt und gebaut werden. Ausführungsbeispiele von entsprechenden Magnetfeldsensoren 100, 300 können so unter Verwendung entsprechender Backbiasmagnet-Schaltungen in Form der Magnetkörper 110, 310, 320 unter anderem für magnetoresistive Geschwindigkeitssensoren herangezogen werden. Anwendungsbei spiele entsprechender Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren entstammen dem Automobilensektor ebenso wie anderen Sektoren aus dem Maschinenbau, dem Anlagenbau, dem Flugzeugbau, dem Schiffsbau und anderen Technologiebereichen, bei denen Magnetfeldern zur Detektion gebracht werden müssen.
Abhängig von den Gegebenheiten können Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Verfahren in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette, CD oder DVD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wird. Allgemein besteht ein Ausführungsbeispiel einer Erfindung somit auch in einem Software-Programm-Produkt bzw. einem Computer-Programm-Produkt bzw. einem Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Software-Programm-Produkt auf einem Rechner oder einem Prozessor abläuft. In anderen Worten, kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung somit als ein Computer-Programm bzw. ein Software-Programm bzw. Programm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens realisiert werden, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft. Der Prozessor kann jeweils von einem Computer, einer Chipkarte (Smartcard), einem Zentralprozessor (CPU = Central Processing Unit), einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) oder einer anderen integrierten Schaltung gebildet sein.
Computer-Programme, Software-Programme oder Programme können hierbei beispielsweise im Rahmen des Herstellungsverfahrens, also beispielsweise zur Steuerung der Herstellung entsprechender Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren eingesetzt werden. Entsprechende Programme können also im Rahmen von Fertigungsanlagen zur Steuerung dieser, jedoch auch im Rahmen des Designs und im Rahmen der Auslegung entsprechender Ausführungsbeispiele von Magnetfeldsensoren eingesetzt und verwendet werden. Unter Prozessoren werden also, wie bereits die vorangegangene Aufstellung gezeigt hat, nicht nur im Sinne klassischer Computer Prozessoren verstanden, sondern auch im Sinne von anwendungsspezifischen Prozessoren, wie sie beispielsweise im Rahmen von Werkzeugmaschinen und anderen fertigungsrelevanten Anlagen auftreten.

100: Magnetfeldsensor
110: Magnetkörper
120: Magnetfeldsensoranordnung
130: Aussparung
140: Eckpunkte
150: Querschnittsfläche
160: Verbindungsgerade
170: Pfeil
180: Chip oder Substrat
190: Magnetfeldsensorelement
195: Symmetrielinie
200: Pfeil
210: Geberobjekt
220: Pfeil
230: Feldlinien
240: Pfeil
250: Pfeil
260: Linie
270: Verlauf
300: Magnetfeldsensor
310: Erster Magnetkörper
320: Zweiter Magnetkörper
330: Pfeil
340: Pfeil
350: Linie

Claims

Magnetfeldsensor (100) mit folgenden Merkmalen: einer Magnetfeldsensoranordnung (120); und einem Magnetkörper (110), wobei der Magnetkörper (110) eine inhomogene Magnetisierung aufweist, wobei die Magnetfeldsensoranordnung (120) ein erstes magnetoresistives Sensorelement (190) und ein zweites magnetoresistives Sensorelement (190) aufweist; wobei das erste magnetoresistives Sensorelement (190) bezogen auf den Magnetkörper (110) so angeordnet ist, dass das erste magnetoresistives Sensorelement (190) hinsichtlich einer vorbestimmten Raumrichtung einer magnetischen Flussdichte, die durch den Magnetkörper (110) hervorgerufen wird, ausgesetzt wird, die innerhalb eines ersten Flussdichtebereiches liegt; wobei das zweite magnetoresistives Sensorelement (190) bezogen auf den Magnetkörper (110) so angeordnet ist, dass das zweite magnetoresistives Sensorelement (190) hinsichtlich der vorbestimmten Raumrichtung einer magnetischen Flussdichte, die von dem Magnetkörper (110) hervorgerufen wird, ausgesetzt wird, die innerhalb eines zweiten Flussdichtebereiches liegt; wobei der erste Flussdichtebereich und der zweite Flussdichtebereich so ausgebildet sind, dass das erste magnetoresistives Sensorelement und das zweite magnetoresistive Sensorelement außerhalb eines Sättigungsbereiches derselben betreibbar sind; und wobei die Magnetfeldsensoranordnung (120) an dem Magnetkörper (110) befestigt ist.
Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 1, wobei der Magnetkörper (110) eine nicht-konvexe Querschnittsfläche (150) bezüglich einer Querschnittsebene durch sich aufweist
Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 2, bei der der Magnetkörper (110) eine Aussparung (130) aufweist, die zu der nicht-konvexen Querschnittsfläche (150) führt.
Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 3, bei dem die Aussparung (130) bezogen auf den Querschnitt eine wenigstens teilweise ellipsenförmige, kreisförmige oder polygonale Begrenzungslinie aufweist.
Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 4, bei dem der polygonale Querschnitt wenigstens drei Eckpunkte aufweist.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Begrenzungslinie der Aussparung spiegelsymmetrisch bezogen auf eine in der Querschnittsebene verlaufende Symmetrielinie (195) ist.
Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 6, bei dem die Magnetfeldsensoranordnung (100) ein Substrat (180) mit einer Hauptoberfläche umfasst, wobei die Symmetrielinie (195) die Hauptoberfläche des Substrats (180) in einem Winkel bezogen auf die Hauptoberfläche des Substrats (180) zwischen 75° und 105° schneidet.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem der Magnetkörper (110) die Aussparung (130) auf einer der Magnetfeldsensoranordnung (120) zugewandten Seite aufweist.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetkörper (110) die inhomogene Magnetisierung in wenigstens 50% eines Volumens des Magnetkörpers (110) aufweist.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetkörper (110) eine radiale, auf einen zentralen Punkt gerichtete Magnetisierung aufweist.
Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 9, bei dem der Magnetkörper (110) die radiale Magnetisierung in wenigstens 50% eines Volumens des Magnetkörpers (110) aufweist.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetkörper (110) eine azimutale, bezogen auf eine Verbindungslinie zu einem zentralen Punkt tangential gerichtete Magnetisierung aufweist.
Magnetfeldsensor (100) nach Anspruch 12, bei dem der Magnetkörper (110) die azimutale Magnetisierung in wenigstens 50% eines Volumens des Magnetkörpers (110) aufweist.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetkörper (110) eine maximale Abweichung eines Betrages der inhomogenen Magnetisierung des Magnetkörpers (110) aufweist, die kleiner oder gleich 20% eines maximalen Betrages der inhomogenen Magnetisierung des Magnetkörpers (110) ist.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Flussdichtebereich und der zweite Flussdichtebereich nur Werte umfasst, die betragsmäßig kleiner oder gleich 20 mT sind.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (190) auf einem Substrat (180) angeordnet ist, und wobei die vorbestimmte Raumrichtung parallel zu einer Hauptoberfläche des Substrats (180) liegt.
Magnetfeldsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Magnetkörper ringförmig ist oder einen ringförmigen Ausschnitt umfasst.
Magnetfeldsensor (300) mit folgenden Merkmalen: einer Magnetfeldsensoranordnung (120); einem ersten Magnetkörper (310), der eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist; und einem zweiten Magnetkörper (320), der eine zweite Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei die erste Magnetisierungsrichtung und die zweite Magnetisierungsrichtung sich unterscheiden wobei die Magnetfeldsensoranordnung (120) ein erstes magnetoresistives Sensorelement (190) und ein zweites magnetoresistives Sensorelement (190) aufweist; wobei das erste magnetoresistive Sensorelement bezogen auf den ersten Magnetkörper (310) und den zweiten Magnetkörper (320) so angeordnet ist, dass das erste magnetoresistive Sensorelement (190) bezogen auf eine vorbestimmte Raumrichtung einer magnetischen Flussdichte ausgesetzt wird, die innerhalb eines ersten Flussdichtebereiches liegt; wobei das zweite magnetoresistive Sensorelement (190) bezogen auf den ersten Magnetkörper (310) und den zweiten Magnetkörper (320) so angeordnet ist, dass das zweite magnetoresistive Sensorelement (190) bezogen auf die vorbestimmte Raumrichtung einer magnetischen Flussdichte ausgesetzt wird, die innerhalb eines zweiten Flussdichtebereiches liegt; wobei der erste Flussdichtebereich und der zweite Flussdichtebereich so ausgebildet sind, dass das erste magnetoresisti ves Sensorelement und das zweite magnetoresistive Sensorelement außerhalb eines Sättigungsbereiches derselben betreibbar sind; und wobei die Magnetfeldsensoranordnung (120) an dem ersten und dem zweiten Magnetkörper (310, 320) befestigt ist.
Magnetfeldsensor (300) nach Anspruch 18, bei dem der erste Magnetkörper und der zweite Magnetkörper so angeordnet sind, dass durch eine Überlagerung eines von dem ersten Magnetkörper (310) vorgerufenen ersten Magnetfeldes und eines von dem zweiten Magnetkörper (320) hervorgerufenen Magnetfeldes eine zumindest teilweise gegenseitige Kompensation einer Komponente des ersten Magnetfeldes und des zweiten Magnetfeldes eintritt.
Magnetfeldsensor (300) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, bei dem der erste Magnetkörper (310) eine Magnetisierung bezüglich der ersten Magnetisierungsrichtung in einem Volumen von wenigstens 50% eines Volumens des ersten Magnetkörpers (310) aufweist, und wobei der zweite Magnetköper (320) eine Magnetisierung in Richtung der zweiten Magnetisierungsrichtung in einem Volumen von wenigstens 50% eines Volumens des zweiten Magnetkörpers (320) aufweist.
Magnetfeldsensor (300) nach Anspruch 20, bei dem der erste Magnetkörper (310) und der zweite Magnetkörper (320) die Magnetisierung bezüglich der ersten Magnetisierungsrichtung bzw. der zweiten Magnetisierungsrichtung in einem Volumen von wenigstens 90% des Volumens des ersten Magnetkörpers (310) bzw. des zweiten Magnetkörpers (320) aufweist.
Magnetfeldsensor (300) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem der erste Magnetkörper (310) und der zweite Magnetkörper (320) bezüglich einer Symmetrielinie (195) spiegelbildlich angeordnet sind.
Magnetfeldsensor (300) nach Anspruch 22, bei dem die erste Magnetisierungsrichtung einen ersten Winkel mit der Symmetrielinie (195) einschließt, bei dem die zweite Magnetisierungsrichtung einen zweiten Winkel mit der Symmetrielinie (195) einschließt, und wobei der erste Winkel und der zweite Winkel sich betragsmäßig um weniger als 5° unterscheiden.
Magnetfeldsensor (300) nach Anspruch 23, bei dem die erste Magnetfeldrichtung und die zweite Magnetfeldrichtung einen Winkel von weniger als 170° miteinander einschließen.
Magnetfeldsensor (300) nach einem der Ansprüche 18 bis 24, bei dem eine maximale Abweichung eines Betrages der Magnetisierung des ersten Magnetkörpers (310) und eine maximale Abweichung eines Betrages der Magnetisierung des zweiten Magnetkörpers (320) kleiner oder gleich 20 eines maximalen Betrages der Magnetisierung des ersten Magnetkörpers (310) und des zweiten Magnetkörpers (320) ist.
Magnetfeldsensor (300) nach einem der Ansprüche 18 oder 25, bei dem die Magnetfeldsensoranordnung (120) ein Substrat (180) umfasst, auf dem das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (190) angeordnet sind, wobei eine Symmetrielinie (195) bezüglich derer der erste Magnetkörper (310) und der zweite Magnetkörper (320) symmetrisch angeordnet sind, eine Hauptoberfläche des Substrats (180) in einem Winkel zwischen 75° und 105° schneidet.
Magnetfeldsensor (300) nach einem der Ansprüche 18 bis 26, bei dem das erste und das zweite Magnetfeldsensorelement (190) auf einem Substrat (180) angeordnet sind, und wobei die vorbestimmte Raumrichtung parallel zu einer Haupteroberfläche des Substrats (180) liegt.
Magnetfeldsensor (300) nach einem der Ansprüche 18 bis 26, bei dem der erste Magnetkörper (310) und der zweite Mag netkörper (320) beide quaderförmig oder zylinderförmig und parallel zueinander angeordnet sind.
Magnetfeldsensor (300) nach Anspruch 28, bei dem der erste Magnetkörper (310) und der zweite Magnetkörper (320) aneinander angrenzend angeordnet sind.
Magnetfeldsensor (300) nach Anspruch 28, bei dem der erste Magnetkörper (310) und der zweite Magnetkörper (320) durch einen Spalt voneinander beabstandet angeordnet sind.
Magnetfeldsensor (300) nach Anspruch 30, bei dem der Spalt ein Klebemittel, ein Befestigungsmittel oder eine Halterung umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors (100), umfassend: Bereitstellen eines Magnetkörpers (110), wobei der Magnetkörper (110) eine inhomogene Magnetisierung aufweist, wobei ein erster und ein zweiter Raumbereich bezüglich des Magnetkörpers (110) existieren, so dass innerhalb des ersten Raumbereiches eine magnetische Flussdichte hervorgerufen durch den Magnetkörper (110) bezüglich einer vorbestimmten Raumrichtung innerhalb eines ersten Flussdichtebereiches liegt und so dass innerhalb des zweiten Raumbereiches eine magnetische Flussdichte durch den Magnetkörper (110) bezüglich der vorbestimmten Raumrichtung hervorgerufen wird, die innerhalb eines zweiten Flussdichtebereiches liegt, und wobei der erste Flussdichtebereich und der zweite Flussdichtebereich so ausgebildet sind, dass ein erstes magnetoresistives Sensorelement (190) und ein zweites magnetoresistive Sensorelement außerhalb eines Sättigungsbereiches derselben betreibbar sind; und Anordnen und Befestigen einer Magnetfeldsensoranordnung (120) mit dem ersten und dem zweiten magnetoresistivem Sensorelement (190), so dass das erste magnetoresistive Sensorelement (190) in dem ersten Raumbereich und das zweite magnetoresistive Sensorelement (190) in dem zweiten Raumbereich angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Magnetkörper mit einer nicht-konvexen Querschnittsfläche (150) bezüglich einer Querschnittsebene durch den Magnetkörper (110) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, das ferner ein Bestimmen des ersten Raumbereiches und des zweiten Raumbereiches bezüglich des Magnetkörpers (110) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, bei dem der erste Raumbereich und der zweite Raumbereich quaderförmig sind, wobei der erste Raumbereich und der zweite Raumbereich bezüglich der vorbestimmten Raumrichtung eine Länge zwischen 300 μm und 2000 μm aufweisen, und wobei der erste Raumbereich und der zweite Raumbereich bezüglich einer zu der vorbestimmten Raumrichtung senkrechten Raumrichtung eine Länge von wenigstens 100 μm aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors (300), umfassend: Bereitstellen eines ersten Magnetkörpers (310) der eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist, und eines zweiten Magnetkörpers (320), der eine zweite Magnetisierungsrichtung aufweist, wobei die erste Magnetisierungsrichtung und die zweite Magnetisierungsrichtung sich unterscheiden, wobei ein erster Raumbereich und ein zweiter Raumbereich bezüglich des ersten Magnetkörpers (310) und des zweiten Magnetkörpers (320) existiert, so dass innerhalb des ersten Raumbereiches eine magne tische Flussdichte durch den ersten Magnetkörper (310) und den zweiten Magnetkörper (320) bezüglich einer vorbestimmten Raumrichtung hervorgerufen wird, die innerhalb eines ersten Flussdichtebereiches liegt, und so dass innerhalb des zweiten Raumbereiches eine magnetische Flussdichte durch den ersten Magnetkörper (310) und den zweiten Magnetkörper (320) bezüglich der vorbestimmten Raumrichtung hervorgerufen wird, die innerhalb eines zweiten Flussdichtebereiches liegt, und wobei der erste Flussdichtebereich und der zweite Flussdichtebereich so ausgebildet sind, dass ein erstes magnetoresistives Sensorelement (190) und ein zweites magnetoresistive Sensorelement außerhalb eines Sättigungsbereiches derselben betreibbar sind; und Bereitstellen und Befestigen einer Magnetfeldsensoranordnung (120) mit dem ersten und dem zweiten magnetoresistivem Sensorelement (190), so dass das erste magnetoresistive Sensorelement (190) in dem ersten Raumbereich und das zweite magnetoresistive Sensorelement (190) in dem zweiten Raumbereich angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 36, das ferner ein Bestimmen des ersten Raumbereiches und des zweiten Raumbereiches bezüglich des ersten Magnetkörpers (310) und des zweiten Magnetkörpers (320) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36 oder 37, bei dem der erste Raumbereich und der zweite Raumbereich quaderförmig sind, wobei der erste Raumbereich und der zweite Raumbereich bezüglich der vorbestimmten Raumrichtung eine Länge zwischen 300 μm und 2000 μm aufweisen, und wobei der erste Raumbereich und der zweite Raumbereich bezüglich einer zu der vorbestimmten Raumrichtung senkrechten Raumrichtung eine Länge von wenigstens 100 μm aufweist.
Programm mit einem Programmcode zum Durchführen eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 32 oder 36, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft.