DE102008015861A1

DE102008015861A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102008015861A1
Application number: DE102008015861A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fritz; Peter Lohberg; Uwe Loreit
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Sensitec GmbH; Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-01

Abstract

Sensoranordnung, welche einen Sensor (2, 5) und einen magnetischen Encoder (7, 19) aufweist und der Sensor das durch den Encoder erzeugte und/oder modulierte magnetische Feld erfasst, wobei der Sensor (2, 5) wenigstens ein Sensorelement (Sa, Sb) mit einer sensitiven Hauptebene und zumindest ein magnetisches Mittel (4, 23) zur Erzeugung eines magnetischen Stützfeldes mit einer Hauptmagnetisierungsrichtung im Wesentlichen parallel zur sensitiven Hauptebene umfasst, wobei das Sensorelement (Sa, Sb) wenigstens eine sensitive Struktur (6, 6a, 6b, 6c, 6d) umfassend mindestens ein magnetoresistives Leitersegment (9, 10), aufweist, wobei die zumindest eine sensitive Struktur (6, 6a, 6b, 6c, 6d) zwei oder mehr magnetoresistive Leitersegmente (9, 10) umfasst, von denen wenigstens zwei im Wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet und in Reihe geschaltet, miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie die Verwendung der Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen.
In Druckschrift DE 10 2006 036 197 A1 wird eine Sensoranordnung vorgeschlagen, welche einen magnetischen Encoder und einen Sensor mit zwei Sensorelementen aufweist, die jeweils eine Brücke aus magnetoresistiven, sensitiven Strukturen umfassen. Diese sensitiven Strukturen sind dabei alternativ, in abhängig der Ausrichtung des jeweiligen Sensorelements zum Encoder, mit Barberpolen versehen oder ohne Barberpole ausgebildet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sensoranordnung vorzuschlagen, welche Sensorelemente mit magnetoresistiven Strukturen ohne Barberpole umfasst und dabei relativ kostengünstig und/oder kompakt und/oder robust ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Sensoranordnung gemäß Anspruch 1.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, ausgehend vom Stand der Technik die sensitven Strukturen der Sensorelemen te so auszubilden, dass diese zwei oder mehr magnetoresistive Leitersegmente umfassen, welche im Wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet sind und dabei elektrisch leitend, in Reihe geschaltet, verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist vorzugsweise zur Erfassung relativer Weg- und/oder Winkelverschiebungen bzw. -auslenkungen und/oder zur Erfassung entsprechender Geschwindigkeiten ausgelegt.
Unter einem Encoder wird vorzugsweise ein magnetischer Encoder bzw. ein Maschinenelement verstanden, das einen, insbesondere inkrementalen, magnetisch codierten Winkelmaßstab und/oder Längenmaßstab trägt. Als Encoder können auch ferromagnetische Zahnräder und/oder Zahnstangen oder Lochscheiben und/oder Lochstangen dienen, die in Kombination mit einem Permanentmagneten einen veränderlichen magnetischen Luftspalt erzeugen. Andererseits können es magnetische Encoder sein, die eine Encoderspur mit einem magnetisch encodierten Muster aufweisen, insbesondere kann solch ein Muster eine ganzzahlige Folge permanent magnetisierter Nord/Südpol-Areale sein, die in alternierender Folge eine sich im Wesentlichen gerade erstreckende oder eine zum Kreis geschlossene Encoderspur bilden, welche beispielsweise in eine Radlagerdichtung eingebracht ist. Insbesondere dient der magnetische Encoder als Impulsgeber innerhalb des Drehzahlerfassungssystems und/oder der Anordnung zur Drehzahlerfassung.
Unter einer Hauptmagnetisierungsrichtung eines magnetischen Mittels wird vorzugsweise die erste Hauptmagnetisierungs richtung und damit die Richtung einer magnetischen Vorspannung bzw. des Stützmagnetfeldes für das wenigstens eine Sensorelement verstanden. Zusätzlich weist das magnetische Mittel besonders bevorzugt eine zweite Hauptmagnetisierungsrichtung auf, welche insbesondere senkrecht zur Messrichtung und/oder senkrecht zur Encoderspur und/oder senkrecht zur ersten Hauptmagnetisierungsrichtung ausgebildet ist. Das Magnetfeld dieser zweiten Hauptmagnetisierungsrichtung wird vorzugsweise durch den Encoder moduliert und wird vorzugsweise dann verwendet, wenn der Encoder als Zahnrad ausgebildet ist.
Die eine oder mehreren sensitiven Strukturen weisen bevorzugt keine Barberpole auf. Dies ist vorteilhaft, da diese aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet sind und somit eine sensitive Struktur bei gleichbleibender Länge des nutzbaren magnetoresistiven Anteils verlängern. Ohne Barberpole kann die volle Länge der sensitiven Struktur entlang des Stromflusses zur Erfassung eines Magnetfeldes genutzt werden, was beispielsweise einer Verdopplung der Weglänge des Stromflusses durch das magnetoresistive Material, alleine durch den Verzicht auf Barberpole, bewirkt. Zusätzlich entfallen Fertigungsungenauigkeiten der Barberpolestrukturen, was sich vorteilhaft auf das Offsetverhalten des Sensors auswirkt.
Die Ausbildung einer sensitiven Struktur mit zwei oder mehr magnetoresistiven Leitersegmenten verlängert zusätzlich den Weg des Stromflusses durch die sensitive Struktur, bei gleichbleibender Länge bzw. Fläche und gleichbleibender Ver lustleistung der gesamten sensitiven Struktur und erhöht somit die Wirksamkeit und/oder die Empfindlichkeit der sensitiven Struktur, bzw. bei gleichbleibender Verlustleistung und gleichbleibender Wirksamkeit wird eine geringere Fläche benötigt, wodurch Kosten und benötigter Platz relativ gering gehalten werden können.
Es ist zweckmäßig, dass der Sensor als Feldsonde bzw. im Schwachfeldbetrieb gegenüber dem Encoder betrieben wird. Dies hat den Vorteil, dass der Luftspalt nicht sehr gering gehalten werden muss, wie dieses beispielsweise für einen Starkfeldbetrieb nötig ist.
Die Sensoranordnung ist vorzugsweise mittels einer Zwei- oder Dreidrahtleitung mit einer elektronischen Kontrolleinheit verbunden und wird insbesondere über diese Leitungen mit elektrischer Energie versorgt. Der Sensor ist dem entsprechend als aktiver Sensor ausgebildet.
Das magnetische Mittel ist bevorzugt als Permanentmagnet oder alternativ vorzugsweise als Spule ausgebildet.
Die magnetoresistiven Leitersegmente sind zweckmäßigerweise im Wesentlichen in einem Winkel mit einem Winkelbetrag von 45° zur relativen Bewegungsrichtung des Encoders ausgerichtet.
Die magnetoresistiven Leitersegmente wenigstens einer sensitiven Struktur sind vorzugsweise verteilt und/oder ineinander verschachtelt und/oder entlang der Bewegungsrichtung des Encoders örtlich angepasst, insbesondere hinsichtlich der Ausprägung der Encoderspur, angeordnet.
Es ist bevorzugt, dass die Hauptmagnetisierungsrichtung des magnetischen Mittels im Wesentlichen senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des Encoders und/oder zur Messrichtung ausgebildet ist.
Die magnetoresistiven Leitersegmente zumindest einer sensitiven Struktur werden während eines definierten Messbetriebs bzw. eines Normalbetriebs vorzugsweise von einem elektrischen Strom durchflossen, wobei die Richtung dieses Stroms und die Hauptmagnetisierungsrichtung des magnetischen Mittels zueinander einen Stromwinkel mit einem Betrag zwischen 35° und 55°, insbesondere einen Stromwinkel von im Wesentlichen 45°, aufweisen. Hierdurch kann der Sensor im Wesentlichen in einem linearen Arbeitsbereich betrieben werden.
Es ist zweckmäßig, dass das Sensorelement zwei oder mehr sensitive Strukturen aufweist, insbesondere zwei oder vier, deren magnetoresistive Leitersegmente jeweils so ausgerichtet sind, dass diese zur Hauptmagnetisierungsrichtung einen Winkel mit einem Betrag zwischen 30° und 60°, insbesondere einen Winkel von im Wesentlichen 45°, aufweisen und/oder dass deren magnetoresistive Leitersegmente bezüglich der Hauptmagnetisierungsrichtung, insbesondere paarweise, gegenüberliegend mit einem im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag zur Hauptmagnetisierungsrichtung ausgerichtet sind. Durch diese Ausbildung des Sensors kann eine relativ hohe sensorische Empfindlichkeit erzielt werden oder unter Beibehaltung einer üblichen Empfindlichkeit eine stärkere Ausbildung des magnetischen Stützfeldes durch das magnetische Mittel, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zur relativen Bewegungsrichtung des magnetischen Encoders, ermöglicht werden, wodurch der Sensor robuster gegenüber Störeffekten wird, welche beispielsweise aus magnetischen Störfeldern oder einer unerwünschten bzw. ungünstigen Relativposition zwischen magnetischem Encoder und Sensor resultieren.
Einige oder alle der magnetoresistiven Leitersegmente weisen bevorzugt eine größere Länge als Breite auf. Die Länge der magnetoresistiven Leitersegmente ist dabei insbesondere im Wesentlichen in Richtung des sie durchfließenden Stroms ausgebildet.
Die magnetoresistiven Leitersegmente sind zweckmäßigerweise als magnetoresistive, im Wesentlichen gerade, Streifenleiter ausgebildet, wodurch eine relativ präzise Stromführung erreicht werden kann. Alternativ vorzugsweise sind zumindest einige magnetoresistive Leitersegmente elliptisch ausgebildet oder weisen einen Knick auf. Insbesondere sind zumindest einige der magnetoresistiven Leitersegmente aus Nickel-Eisen oder Kobalt-Eisen oder Nickel-Kobalt-Eisen, als Werkstoff ausgebildet.
Die elektrischen Verbindungsleitungen bzw. Verbindungssegmente bzw. Verbindungselemente zwischen den magnetoresistiven Leitersegmenten sind vorzugsweise kürzer ausgebildet als die durch diese jeweils verbundenen magnetoresistiven Leitersegmente selbst, wodurch die Gesamtfläche der jeweiligen sensitiven Struktur relativ gering gehalten werden kann.
Es ist zweckmäßig, dass der Sensor so ausgebildet und ausgerichtet ist, dass dessen sensitive Hauptebene zu einer Codierebene bzw. des Außenfläche einer Encoderspur einen Winkelbetrag von weniger als 45°, insbesondere 10°, aufweist. Besonders bevorzugt ist die sensitive Hauptebene zur Codierebene im Wesentlichen parallel ausgerichtet.
Es ist bevorzugt, dass der magnetische Encoder und der Sensor im Wesentlichen so ausgebildet und ausgerichtet sind, dass eine Orthogonale im Wesentlichen vom Mittelpunkt der sensitiven Hauptebene des Sensors auf eine Mittellinie der Encoderspur oder einen Mittelpunkt des Encoders zeigt.
Der Sensor umfasst insbesondere eine elektronische Signalverarbeitungsschaltung, welche zumindest zwei Signalpfade aufweist, denen jeweils wenigstens eine sensitive Struktur zugeordnet ist, wobei die Ausgangssignale der sensitiven Strukturen der unterschiedlichen Signalpfade eine im Wesentlichen gleiche Signalfrequenz aufweisen, welche im Wesentlichen von einer Relativgeschwindigkeit zwischen Encoder und Sensor abhängig ist. Jedem Signalpfad ist dabei besonders bevorzugt jeweils ein Sensorelement zugeordnet, welches eine Halb- oder Vollbrücke sensitiver Strukturen umfasst, beispielsweise zur Temperaturkompensation.
Der Sensor umfasst bevorzugt einen Leiterrahmen bzw. einen „Leadframe”, mit wenigstens einer Anbringungsfläche, wobei auf der einen Seite der Anbringungsfläche das magnetische Mittel, insbesondere als Permanentmagnet ausgebildet, angeordnet ist und auf der anderen Seite der Anbringungsfläche das wenigstens eine Sensorelement und eine Signalverarbeitungsschaltung, welche insbesondere als „ASIC” ausgebildet ist. Das magnetische Mittel, das wenigstens eine Sensorelement und die Signalverarbeitungsschaltung sind gemeinsam mit einem Teil des Leiterrahmens von einem, insbesondere aus Vollmaterial gebildeten, Gehäuse umgeben, wobei weitere Teile des Leiterrahmens und dieses Gehäuse besonders bevorzugt zusätzlich gemeinsam mit einem Kunststoff umspritzt sind.
Es ist zweckmäßig, dass der Sensor zusätzlich ein magnetisches Mittel, insbesondere einen relativ großen Permanentmagneten, aufweist, welcher besonders bevorzugt an einem Gehäuse des Sensors extern angeordnet ist, und welcher insbesondere bei einer Ausbildung des magnetischen Encoders als ferromagnetisches Zahnrad erforderlich ist, da dieses ganz besonders bevorzugt das Magnetfeld des zusätzlichen Magneten im Zuge von Relativbewegungen zwischen Sensor und Encoder moduliert und der Sensor diese Feld-Modulationen erfasst.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem Raddrehzahlsensorsystem, welches besonders bevorzugt Teil eines elektronischen Bremssystems ist.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann in allen Bereichen verwendet werden, in denen die Relativbewegungen zwischen einem Encoder und einem Sensor bzw. die Bewegungen von Kör gern, welche magnetische Encoder aufweisen, von Sensoren erfasst werden. Dies betrifft sowohl die Erfassung linearer Bewegungen als auch die Erfassung von Rotationsbewegungen und Kombinationsbewegungen, beispielsweise die Bewegung eines Transportbandes. Es ist bevorzugt ein Einsatz der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in der Automatisierungstechnik, insbesondere in Industrieanwendungen, vorgesehen. Alternativ vorzugsweise wird eine Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Drehzahlerfassung und insbesondere in Anordnungen und/oder Systemen zur Raddrehzahlerfassung vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist dabei aufgrund ihrer Auslegung für sicherheitskritische Anwendungen ganz besonders bevorzugt für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Raddrehzahlerfassungssystemen von Kraftfahrzeugen, Krafträdern, Lastkraftwagen und Anhängern geeignet.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 Ausführungsbeispiele zur Verbindung einer Sensoranordnung mit einer elektronischen Kontrolleinheit,
2 eine beispielhafte Sensoranordnung in dreidimensionaler Darstellung,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Sensors und beispielhaft ausgebildete sensitive Strukturen mit magnetoresistiven Leitersegmenten,
4 zwei beispielhafte Sensoranordnungen mit unterschiedlich angeordneten sensitiven Strukturen,
5 verschiedene, alternativ ausgebildete Ausführungsbeispiele von Sensoranordnungen, und
6 eine beispielhafte Sensoranordnung mit einem als ferromagnetisches Zahnrad ausgebildeten Encoder.
1a) zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung zur Erfassung von Raddrehzahlen eines Kraftfahrzeugs, welche mittels einer Zwei-Draht-Schnittstelle mit einer elektronischen Kontrolleinheit ECU eines Kraftfahrzeugbremssystems verbunden ist. Raddrehzahlsensor AWS erfasst das Magnetfeld des magnetischen Encoders E und erzeugt mittels einer Signalverarbeitungsschaltung ein Stromsignal Is in Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit des Encoders als Sensorausgangssignal, welches die ECU empfängt und auswertet. Die ECU stellt an den Klemmen K1, K2 Versorgungsspannung Vb zur elektrischen Energieversorgung des aktiven Sensors bereit. In 1b) wird ein Ausführungsbeispiel zur Erfassung von Motor- oder Getriebedrehzahlen dargestellt, wobei Rotationssensor RS mit einer elektronischen Kontrolleinheit ECU über drei Leitungen verbunden ist. Sensor RS wird über Klemmen K3, K5 von der ECU mit elektrischer Energie versorgt und erzeugt in Abhängigkeit der erfassten Bewegungen des magnetischen Enco ders E ein Spannungssignal Vs, welches die ECU auswertet. 1c) stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, das einen Positionssensor PS zur präzisen Erfassung von Drehbewegungen des magnetischen Encoders E umfasst. Sensor PS wird seitens einer ECU mit elektrischer Energie Vb versorgt und liefert als Sensorausgangssignale ein im Wesentlichen sinusförmiges und ein im Wesentlichen cosinusförmiges Ausgangssignal an die ECU. Die ECU umfasst beispielgemäß einen Interpolator, der die Auswertung relativ kleiner Winkelteilungen ermöglicht.
2 zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung, umfassend einen Sensor bzw. Sensorchip 2, der sensitive Strukturen mit magnetoresistiven Leitersegmenten 3 aufweist. Codierebene bzw. Encoderspur 1 eines permanentmagnetischen Encoders 7 bewegt sich zu ortsfestem Sensorchip 2 in y-Richtung, wobei Codierebene 1 parallel zu einer sensitiven Hauptebene, welche parallel zur x-y-Ebene ausgebildet ist, des Sensors 2 ausgerichtet ist. Der Luftspalt in z-Richtung zwischen Sensor 2 und Codierebene 1 wird von einem magnetischen Feld durchdrungen, dessen Komponenten in y-Richtung in der sensitiven Hauptebene von magnetoresistiven Leitersegmenten 3 beispielgemäß erfasst werden. Zusätzlich weist diese Sensoranordnung einen Permanentmagneten 4, als magnetisches Mittel, zur Erzeugung eines magnetischen Stützfeldes auf, der im Wesentlichen, also hinsichtlich seiner Hauptmagnetisierungsrichtung, in x-Richtung magnetisiert ist.
3a) veranschaulicht den schematischen Aufbau einer beispielhaften Sensoranordnung. Diese umfasst Sensor 5, wel cher als integrierter Chip ausgebildet ist und der zwei Sensorelemente Sa und Sb aufweist, welche die sensitiven Strukturen 6b, 6c und 6a, 6d umfassen. Diese sensitiven Strukturen 6a bis 6d bestehen jeweils aus mehreren, zueinander parallel angeordneten, in Reihe geschalteten magnetoresistiven Leitersegmenten, welche an dieser Stelle nicht dargestellt sind. Sensitive Strukturen 6b, 6c und 6a, 6d symbolisieren beispielhaft mit ihrer jeweiligen Ausrichtung die Ausrichtung der mindestens zwei parallelen magnetoresistiven Leitersegmente, die sie jeweils umfassen. Mit anderen Worten sind sensitive Strukturen 6b, 6c, 6a, 6d in Richtung ihrer magnetoresistiven Leitersegmente ausgerichtet. Beispielgemäß sind sensitive Strukturen 6b, 6c, 6a, 6d dabei jeweils paarweise bezüglich der, durch die Pfeile dargestellten, Hauptmagnetisierungsrichtung gegenüberliegend mit dem gleichen Winkelbetrag zur Hauptmagnetisierungsrichtung, welche insbesondere eine Symmetrieachse durch die Mitte des Sensors 5 bildet, ausgerichtet. Winkel α, α' und β, β' weisen also paarweise den gleichen Betrag auf. Magnetischer Encoder 7 bewegt sich relativ zu Sensor 5 in y-Richtung. Sensor 5 umfasst einen nicht dargestellten Permanentmagneten zur Erzeugung eines magnetischen Stützfeldes 8 in x-Richtung. Sensitive Strukturen 6a bis 6b weisen gegenüber der Bewegungsrichtung Encoders 7 einen Winkelbetrag von 45° auf. Die Maße der abgebildeten Sensorfläche, welche der sensitiven Hauptebene entspricht, sind relativ klein gegenüber der N-S-Periodenlänge des Encoders 7. Aus diesem Grund wird die gezeigte Codierebene des Encoders 7 annähernd punktförmig abgetastet. Sensitive Strukturen 6a bis 6d der Sensorelemente Sa und Sb bilden eine Brückenschaltung, welche über die An schlösse Vb und GND mit elektrischer Energie versorgt wird. An den Anschlüssen S1 und S2 wird das Ausgangssignal des jeweiligen Sensorelements Sa und Sb abgegriffen. Anhand 3b) ist ein Ausführungsbeispiel einer sensitiven Struktur 6 mit Klemmen A und B veranschaulicht, bei welcher magnetoresistive Leitersegmente 9 unterschiedlicher Länge um 45° bezogen auf die Längsseite sensitiver Struktur 6 angeordnet, mit unterschiedlicher Länge ausgebildet, elektrisch zwischen Klemmen A und B in Reihe geschaltet und parallel zueinander angeordnet sind. 3c) zeigt hingegen ein Ausführungsbeispiel einer sensitiven Struktur 6, mit Klemmen C und D, bei welcher magnetoresistive Leitersegmente 10 ebenfalls um 45° bezogen auf die Längsseite sensitiver Struktur 6 angeordnet und elektrisch zwischen Klemmen C und D in Reihe geschaltet sind. Allerdings weisen magnetoresistive Leitersegmente 10 dieses Ausführungsbeispiels eine gleiche Länge bzw. gleiche Abmessungen auf und sind zweireihig innerhalb sensitiver Struktur 6 angeordnet.
In 4 wird Codierebene 1 mit alternierenden N-S-Polpaaren eines magnetischen Encoders 7 zwei alternativen Ausführungsbeispielen von Sensoren 5 mit sensitiven Strukturen (4a) und b)) gezeigt. Zur Erfassung einer Weg- und/oder Winkelgröße sind diese Ausführungsbeispiele hinsichtlich der Anordnung ihrer sensitiven Strukturen an die Nord-/Südpol-Periodenlänge von Codierebene 1 bzw. der Encoderspur des Encoders angepasst, damit jeweils zwei zueinander um 90° phasenverschobene Signale erzeugt werden können. Das in 4a) abgebildete Ausführungsbeispiel weist dazu acht, gegenüber der Encoder-Bewegungsrichtung, welche der y- Richtung entspricht, um einen Winkelbetrag von 45° gedreht angeordnete sensitive Strukturen 12a bis d und 13a bis d auf. Diese bilden zwei Sensorelemente Sa und Sb, welche jeweils eine Brückenschaltung der sensitiven Strukturen umfasst, die über die Anschlüsse Vb und GND mit elektrischer Energie versorgt werden. Die linken und rechten Stränge der beiden Brücken sind gegeneinander jeweils um eine Viertelperiode bezogen auf die N-S-Polpaar-Periode des magnetischen Encoders versetzt angeordnet, wodurch an den Ausgängen SS1, SS2 und SC1, SC2 der Sensorelemente Sa, Sb beziehungsweise der beiden Brücken um 90° gegeneinander phasenverschobene Signale durch Encoderbewegungen hervorgerufen werden. Aus diesen Signalen lässt sich beispielsweise in einer elektronischen Kontrolleinheit der relative Verstellwinkel/-weg zwischen Encoder und Sensor durch Interpolation bestimmen. Das in 4b) veranschaulichte Ausführungsbeispiel weist keine Brückenschaltungen aus den acht sensitiven Strukturen 14a bis d und 15a bis d auf. Die sensitiven Strukturen sind jeweils benachbart gegeneinander um die Länge einer Viertelperiode, bezogen auf die N-S-Polpaar-Periode des magnetischen Encoders, zueinander versetzt angeordnet und damit über den Längenbereich zwei voller N-S-Polpaar-Perioden gleichmäßig verteilt angeordnet. Über Klemmen Vb und GND werden die sensitiven Strukturen mit elektrischer Energie versorgt. An Klemmen SS1, SS2 und SC1, SC2 resultieren in Abhängigkeit einer Relativbewegung zwischen Sensor 5 und Encoder 7 ebenfalls um 90° zueinander phasenverschobene Signale.
In 5 sind verschiedene beispielhafte Sensoranordnungen abgebildet, welche jeweils einen magnetischen Encoder und einen integrierten Sensor mit mindestens einem magnetoresistiven Sensorelement MRS, ein magnetisches Mittel zur Erzeugung eines Stützfeldes sowie eine elektronische Auswerteschaltung, die als ASIC ausgebildet ist, umfassen. Das magnetische Mittel ist dabei beispielgemäß jeweils als Permanentmagnetschicht ausgebildet. Anhand von 5h) sind die Kennzeichnungen oben genannter Bauteile in den 5a) bis g) veranschaulicht. Dabei bedeutet: Flip-Chip eine galvanische Kontaktverbindung; Bond eine galvanische Bonddrahtverbindung; Schutz eine elektrische isolierende Schutzschicht; Via eine Durchkontaktierung, beispielsweise aus dem Bereich der Mikromechanik; Silizium eine Silizium-Wafer-Fläche; Encoder einen Encoder mit einer Encoderspur bzw. einer Codierebene, welcher ein Magnetfeld zumindest mit einer Feldkomponente in Pfeilrichtung erzeugt. Dabei zeigen 5a), b), c) und d) Ausführungsbeispiele bei denen jeweils Sensorelement/e MRS mit einer Vormagnetisierung als Submodul mit eigenem Siliziumfundament 16 ausgebildet sind und dann dieses Submodul auf einem Silizium-Chip mit ASIC 17 aufgesetzt ist und über Bond- bzw. FlipChip-Verbindungen mit diesem kontaktiert ist. Die Bondverbindungen 18 symbolisieren bei allen Varianten von 5 die Verbindung zu einem externen Kabel- oder Steckeranschluss. Bei dem in 5a) dargestellten Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung ist der ASIC der Codierfläche 1 des Encoders 7 gegenüberliegend angeordnet. Dabei ist MRS-Submodul 25 auf dem ASIC angeordnet. ASIC und MRS-Submodul sind durch Bonddrähte miteinander galvanisch verbunden. Die Magnetschicht des MRS-Submoduls ist oberhalb der MRS-Schicht aufgebracht. Das in 5b) gezeigte Aus führungsbeispiel ist zu dem in 5a) die Magnetschicht unterhalb des Siliziumfundamentes des MRS-Submoduls angeordnet. Die beispielhafte Sensoranordnung aus 5c) verwendet ein MRS-Submodul nach 5b). Allerdings ist das ASIC oberhalb bzw. auf dem MRS-Submodul angeordnet und mit ihm mittels FlipChip-Technologie verbunden. Das in 5d) gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine Ausführungsvariante nach 5a) unter Verwendung von FlipChip-Technologie. Das MRS-Submodul ist daher „über Kopf” angeordnet.
Die in den 5e), f) und g) abgebildeten, beispielhaften Sensoranordnungen weisen nicht oben beschriebenes, speziell ausgebildetes MRS-Submodul auf. MRS und ASIC sind hier direkt cointegriert. Dabei ist in 5e) beispielhaft die Magnetschicht oberhalb des MRS und in 5f) unterhalb des ASIC angeordnet. 5g) zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung, bei welcher der ASIC über elektrisch leitende Kanalverbindungen (Via) mit dem MRS und den externen Anschlüssen verbunden ist. Die Kanalverbindungen sind mikromechanisch ausgebildet. Die Magnetschicht ist über dem ASIC angeordnet. Es ist alternativ beispielhaft vorgesehen die Magnetschicht innerhalb eines MRS-Submoduls 25, wie in 5a) veranschaulicht anzuordnen.
6 zeigt eine beispielhafte Sensoranordnung mit einem Encoder 19, welcher als ferromagnetisches Zahnrad ausgebildet ist, der ein Magnetfeld durch seine geometrische Ausbildung im Zuge einer Relativbewegung zwischen Encoder 19 und Sensor 5 moduliert. Encoder 19 bewegt sich dabei rotatorisch mit der Winkelgeschwindigkeit ω gegenüber ortsfestem und ge häustem Sensor 5. Innerhalb des Gehäuses 20 befindet sich eine Bauteil-Anordnung 21, welche vergleichbar mit der in 5a) beschriebenen ist. Diese ist über Bonddrähte galvanisch mit externen Pins 22 gekoppelt. Bauteil-Anordnung weist einen Permanentmagneten 21 zur magnetischen Vorspannung in Pfeilrichtung des zumindest einen magnetoresistiven Sensorelements auf. Zusätzlich weist Sensor 5 noch einen extern an Gehäuse 20 befestigten Permanentmagneten 24 auf, welcher in Richtung der Encoderspur Encoders 19, wie mit einem Pfeil angezeigt, magnetisiert ist und ein magnetisches Feld erzeugt, welches von Encoder 19 durch Bewegungen moduliert wird und dann von Sensor 5 erfasst wird. Beispielgemäß wird ein Zusammenwirken der Magnete 23 und 24 genutzt. Beispielsweise zur Kompensation eines Offsets.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006036197 A1 [0002]

Claims

Sensoranordnung, welche einen Sensor (2, 5) und einen Encoder (7, 19) aufweist und der Sensor das durch den Encoder erzeugte und/oder modulierte magnetische Feld erfasst, wobei der Sensor (2, 5) wenigstens ein Sensorelement (Sa, Sb) mit einer sensitiven Hauptebene und zumindest ein magnetisches Mittel (4, 23) zur Erzeugung eines magnetischen Stützfeldes mit wenigstens einer ersten Hauptmagnetisierungsrichtung im Wesentlichen parallel zur sensitiven Hauptebene umfasst, wobei das Sensorelement (Sa, Sb) wenigstens eine sensitive Struktur (6, 6a, 6b, 6c, 6d) umfassend mindestens ein magnetoresistives Leitersegment (9, 10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine sensitive Struktur (6, 6a, 6b, 6c, 6d) zwei oder mehr magnetoresistive Leitersegmente (9, 10) umfasst, von denen wenigstens zwei im Wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet und in Reihe geschaltet, miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven Leitersegmente (9, 10) zumindest einer sensitiven Struktur (6, 6a, 6b, 6c, 6d) während eines definierten Messbetriebs von einem elektrischen Strom durchflossen werden und die Richtung dieses Stroms und die Hauptmagnetisierungsrichtung des magnetischen Mittels (4, 23) zueinander einen Stromwinkel mit einem Betrag zwischen 30° und 60°, insbesondere einen Stromwinkel von im Wesentlichen 45°, aufweisen.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (Sa, Sb) zwei oder mehr sensitive Strukturen (6, 6a, 6b, 6c, 6d) aufweist, insbesondere zwei oder vier, deren magnetoresistive Leitersegmente (9, 10) jeweils so ausgerichtet sind, dass diese zur Hauptmagnetisierungsrichtung einen Winkel mit einem Betrag zwischen 30° und 60°, insbesondere einen Winkel von im Wesentlichen 45° aufweisen und/oder dass deren magnetoresistive Leitersegmente (9, 10) bezüglich der Hauptmagnetisierungsrichtung, insbesondere paarweise, gegenüberliegend mit einem im Wesentlichen gleichen Winkelbetrag zur Hauptmagnetisierungsrichtung ausgerichtet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass einige oder alle der magnetoresistiven Leitersegmente (9, 10) eine größere Länge als Breite aufweisen, wobei die Länge der magnetoresistiven Leitersegmente im Wesentlichen in Richtung des sie durchfließenden Stroms ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven Leitersegmente (9, 10) als magnetoresistive, insbesondere im Wesentlichen gerade, Streifenleiter ausgebildet sind.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den magnetoresistiven Leitersegmenten (9, 10) kürzer sind als die durch diese jeweils verbundenen magnetoresistiven Leitersegmente.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2, 5) so ausgebildet und ausgerichtet ist, dass dessen sensitive Hauptebene zu einer Codierebene (1) des Encoders (7, 19) einen Winkelbetrag von weniger als 45°, insbesondere 10°, aufweist.
Sensoranordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Encoder (7, 19) und der Sensor (2, 5) im Wesentlichen so ausgebildet und ausgerichtet sind, dass eine Orthogonale im Wesentlichen vom Mittelpunkt der sensitiven Hauptebene des Sensors (2, 5) auf eine Mittellinie der Encoderspur (1) oder einen Mittelpunkt des Encoders (7, 19) zeigt.
Sensoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2, 5) eine elektronische Signalverarbeitungsschaltung (ASIC) umfasst, welche zumindest zwei Signalpfade aufweist, denen jeweils mindestens eine sensitive Struktur (6, 6a, 6b, 6c, 6d) zugeordnet ist, wobei die Ausgangssignale der sensitiven Strukturen der unterschiedlichen Signalpfade eine im Wesentlichen gleiche Signalfrequenz aufweisen, welche im Wesentlichen von einer Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor (2, 5) und Encoder (7, 19) abhängig ist.
Verwendung der Sensoranordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 in Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem Raddrehzahlsensorsystem.