DE102008058895B4 - Magnetfeldsensor, System mit einem Magnetfeldsensor und Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors - Google Patents

Magnetfeldsensor, System mit einem Magnetfeldsensor und Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors Download PDF

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Abstract

Magnetfeldsensor (106; 107; 170c, 170d, 170e; 200), der folgende Merkmale umfasst: eine Magnetfeldsensoranordnung, die einen Leiterrahmen (152) auf einer zweiten Seite und einen Chip (158) auf einer ersten Seite, der mit dem Leiterrahmen (152) gekoppelt ist, aufweist, wobei der Chip (158) ein magnetfeldempfindliches Element (160) umfasst, ein Spritzgussmagnetmaterial (162), das über zumindest einen Teil der Magnetfeldsensoranordnung spritzgegossen ist, wobei ein Abschnitt des Spritzgussmagnetmaterials (162) an der zweiten Seite der Magnetfeldsensoranordnung angeordnet ist und eine bezüglich einer Mittellinie zentrierte Ausnehmung aufweist, wobei das magnetfeldempfindliche Element (160) von der Mittellinie versetzt ist.

Description

  • Magnetfeldsensoren werden bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet zum Erfassen der Drehung eines Rads und/oder einer Welle, wie z. B. bei Antiblockierbremssystemen, Kurbelwellensensoren, Nockenwellensensoren usw. Magnetfeldsensoren werden auch zum Erfassen von vertikaler und/oder winkelmäßiger Bewegung verwendet. Typischerweise ist ein Permanentmagnet an der Rückseite eines Magnetfeldsensorgehäuses befestigt, das vor ein magnetisch permeables Zahnrad platziert wird. Die Drehung des Zahnrads erzeugt ein sinusförmig variierendes Magnetfeld auf dem Magnetfeldsensor. Magnetoresistive(XMR-)Sensorelemente in dem Magnetfeldsensorgehäuse erfassen die Komponente des Magnetfelds, die parallel zu der Oberfläche des Magnetfeldsensorgehäuses ist und die in die Bewegungsrichtung des Zahnrads zeigt (d. h. die Tangentialrichtung). Die erfasse Magnetfeldabweichung liefert Informationen über die Winkelposition und Drehgeschwindigkeit des Zahnrads.
  • Der Permanentmagnet, der an der Rückseite des Magnetfeldsensorgehäuses befestigt ist, hat eine Anzahl von Nachteilen. Erstens hat der Permanentmagnet Positionstoleranzen bezüglich des Magnetfeldsensorgehäuses, da der Permanentmagnet typischerweise nach dem Abschluss der Herstellung des Magnetfeldsensorgehäuses befestigt wird. Zweitens muss der Klebstoff, der verwendet wird, um den Permanentmagnet an dem Magnetfeldsensor zu befestigen, sorgfältig gewählt werden, da die Sensoranordnung typischerweise einem großen Temperaturbereich (z. B. –50°C–180°C) ausgesetzt wird.
  • Drittens wird der Permanentmagnet typischerweise durch jemand anderen als den Halbleiterhersteller, der das Magnetfeldsensorgehäuse hergestellt hat, an dem Magnetfeldsensorgehäuse befestigt. Daher wird der Permanentmagnet nach dem Endtest des Magnetfeldsensorgehäuses bei dem Halbleiterhersteller an dem Magnetfeldsensorgehäuse befestigt. Der Halbleiterhersteller testet das Magnetfeldsensorgehäuse typischerweise bei mehreren Temperaturen. Daher wird der Permanentmagnet typischerweise nicht bei mehreren Temperaturen getestet, da die thermisch wirksame Masse der gesamten Sensoranordnung normalerweise zu groß ist, um einen ökonomischen Mehrtemperaturtest durchzuführen.
  • Viertens wird der Permanentmagnet typischerweise magnetisiert, nachdem derselbe an dem Magnetfeldsensorgehäuse befestigt wurde, unter Verwendung eines großen Magnetisierungsfelds. Aufgrund des großen Magnetisierungsfelds gibt es ein Risiko, dass die Sensorleistung verschlechtert wird. Diese Sensorleistungsverschlechterung wird typischerweise vor der Lieferung des Sensors nicht erfasst. Häufig sind ein oder mehrere der Anschlussstifte des Magnetfeldsensorgehäuses nicht zugänglich, sobald die gesamte Sensoranordnung hergestellt ist, was somit die Aktivierung von Testmodi des Sensors verhindert. Schließlich erzeugt ein typischer Permanentmagnet bei einigen XMR-Sensoren, wie z. B. Giant-magnetoresistive(GMR-)Sensoren, divergierende Magnetfelder oder Flusslinien. Die divergierenden Flusslinien können die XMR-Sensoren in die Sättigung treiben.
  • Aus diesen und anderen Gründen gibt es einen Bedarf an der vorliegenden Erfindung.
  • Die JP 2000-298134 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetfeldsensors, bei dem ein Harz mit einem magnetischen Pulver um einen in ein Harz gegossenen integrierten Schaltungschip spritzgegossen wird.
  • Die US 2004/0174164 A1 zeigt einen Magnetsensor, bei dem auf einen externen Permanentmagneten verzichtet werden soll, indem ein Teil eines Spritzgussmaterials magnetisiert wird. Ein magnetischer Sensorchip, der auf einem Leiterrahmen angebracht ist, wird in ein Spritzgussmaterial eingegossen, das magnetisches Pulver, wie z. B. Ferrit, enthält. Nachfolgend wird ein vorbestimmter Abschnitt des Spritzgussmaterials selektiv magnetisiert.
  • Aus der JP 63-084176 A ist ein Hall-Element bekannt, bei dem ein Harz, das ferromagnetisches Pulver enthält, auf einem Chip angeordnet ist.
  • Die JP 11-087797 A zeigt einen Hall-Element-Chip, der auf einem Leiterrahmen angebracht ist und unter Verwendung eines Spritzgussmaterials, in dem Pulver eines magnetischen Materials angeordnet ist, gehäust ist.
  • Aus der JP 2002-286765 A ist ein Stromsensor bekannt, bei dem Epoxidharz mit einem Ferritpulver auf einer Rückseite einer flachen Membran um einen Leiterrahmen vorgesehen ist.
  • Die US 4 188 605 A offenbart ein gekapseltes Hall-Effekt-Bauelement, bei dem ein nichtmagnetischer Abschnitt eines Kapselungsmaterials auf der Erfassungsseite eines Chips vorgesehen ist und ein magnetisch aktiver Abschnitt des Kapselungsmaterials auf einer der Erfassungsseite gegenüberliegenden Seite vorgesehen ist.
  • Die DE 32 43 039 A1 offenbart ein magnetempfindliches Hallleiterbauelement, welches in einen Isolierstoff eingebettet ist, der ferromagnetische Partikel enthält, die die Magnetempfindlichkeit erhöhen.
  • Die US 5 963 028 A offenbart ein Gehäuse für einen Magnetfeldsensor, bei dem ein Magnet in der Nähe des Sensors befestigt ist.
  • Die US 6 107 793 A offenbart einen Sensor, bei dem eine einem Sensorelement zugewandte eines Magneten oder einer magnetischen Führung nicht planar ist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetfeldsensor, ein System und ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 1, ein System gemäß Anspruch 9 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • In den beiliegenden Zeichnungen sind die Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgerecht zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Systems darstellt, das zur Erläuterung von isolierten oder zusätzlichen Aspekten der Erfindung dient;
  • 2 ein Diagramm, das ein Beispiel eines Systems darstellt, das zur Erläuterung von isolierten oder zusätzlichen Aspekten der Erfindung dient;
  • 3A eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Magnetfeldsensors, das zur Erläuterung von isolierten oder zusätzlichen Aspekten der Erfindung dient;
  • 3B eine Draufsicht eines Beispiels eines Magnetfeldsensors, das zur Erläuterung von isolierten oder zusätzlichen Aspekten der Erfindung dient;
  • 4 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Magnetfeldsensors, das zur Erläuterung von isolierten oder zusätzlichen Aspekten der Erfindung dient;
  • 5 eine Querschnittsansicht eines weiteren nicht beanspruchten Beispiels eines Magnetfeldsensors;
  • 6 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
  • 7 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
  • 8 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors;
  • 9 eine Querschnittsansicht eines weiteren nicht beanspruchten Beispiels eines Magnetfeldsensors;
  • 10 eine Querschnittsansicht eines weiteren nicht beanspruchten Beispiels eines Magnetfeldsensors;
  • 11 eine Querschnittsansicht eines weiteren nicht beanspruchten Beispiels eines Magnetfeldsensors;
  • 12 eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors; und
  • 13 ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Magnetfeldsensors darstellt, das zur Erläuterung von isolierten oder zusätzlichen Aspekten der Erfindung dient.
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Diesbezüglich wird mit Bezugnahme auf die Ausrichtung der beschriebenen Figuren Richtungsterminologie, wie z. B. „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vordere”, „hintere” usw., verwendet. Weil Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl von unterschiedlichen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie zu Darstellungszwecken verwendet und ist insoweit nicht begrenzend.
  • Es ist klar, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, es sei denn, dies ist speziell anderweitig angemerkt.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Systems 100 darstellt. Das System 100 umfasst eine Steuerung 102 und einen Magnetfeldsensor 106. Bei einem Beispiel wird der Magnetfeldsensor 106 in einem Automobil verwendet zum Erfassen der Drehung eines Rads und/oder einer Welle, wie z. B. bei Antiblockierbremssystemen, Kurbelwellensensoren, Nockenwellensensoren usw. Bei einem anderen Beispiel wird der Magnetfeldsensor 106 verwendet zum Erfassen einer vertikalen und/oder winkelmäßige Bewegung.
  • Die Steuerung 102 ist durch den Signalweg 104 elektrisch mit dem Magnetfeldsensor 106 gekoppelt. Die Steuerung 102 umfasst einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder eine andere geeignete Logikschaltungsanordnung zum Steuern des Betriebs des Magnetfeldsensors 106. Bei einem Beispiel empfängt die Steuerung 102 Sensorsignale von dem Magnetfeldsensor 106, die Komponenten eines Magnetfelds darstellen, das durch den Magnetfeldsensor 106 erfasst wird.
  • Der Magnetfeldsensor 106 umfasst Hallsensorelemente, magnetoresistive(XMR-)Sensorelemente, wie z. B. anisotrope magnetoresistive(AMR-)Sensorelemente, Giantmagnetoresistive(GMR-)Sensorelemente, Tunnelmagnetoresistive(TMR-)Sensorelemente, oder andere geeignete magnetfeldempfindliche Sensorelemente. Bei einem Beispiel umfasst der Magnetfeldsensor 106 ein Gehäuse, das ein Spritzgussmagnetmaterial umfasst. Bei einem anderen Beispiel umfasst der Magnetfeldsensor 106 ein Gehäuse, das sowohl ein Spritzgusskunststoffmaterial als auch ein Spritzgussmagnetmaterial umfasst. Das Spritzgussmagnetmaterial ersetzt den Permanentmagnet, der bei typischen Magnetfeldsensoren verwendet wird.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Magnetfeldsensors 107 darstellt. Bei einem Beispiel liefert der Magnetfeldsensor 107 den vorher beschriebenen Magnetfeldsensor 106, der mit Bezugnahme auf 1 dargestellt wurde. Bei einem Beispiel ist der Magnetfeldsensor 107 eine integrierte Schaltung oder Teil einer integrierten Schaltung. Der Magnetfeldsensor 107 umfasst eine Schutzabdeckung 108, einen Magneten 110 und ein Magnetfeldsensorgehäuse 114, das einen Chip mit magnetfeldempfindlichen Magneten 116 und einen Formkörper umfasst.
  • Die magnetfeldempfindlichen Elemente 116 sind in dem Magnetfeldsensorgehäuse 114 hergestellt. Die magnetfeldempfindlichen Elemente 116 umfassen Hallsensorelemente, XMR-Sensorelemente oder andere geeignete magnetfeldempfindliche Elemente. Der Magnet 110 berührt die Rückseite des Magnetfeldsensorgehäuses 114. Der Magnet 110 ist senkrecht zu dem Magnetfeldsensorgehäuse 114 magnetisiert, wie es durch die Pfeile 112 angezeigt ist. Der Magnet 110 und das Magnetfeldsensorgehäuse 114 sind durch die Schutzabdeckung 108 umschlossen.
  • Bei einem Beispiel ist der Magnetfeldsensor 107 nahe einem permeablen Zahnrad 120 platziert, das eine Mehrzahl von Zähnen 122 umfasst. Der Magnetfeldsensor 107 und das permeable Zahnrad 120 sind zueinander in der y-Richtung 126 ausgerichtet, um einen geeigneten magnetischen oder effektiven Luftzwischenraum 118 zwischen den magnetfeldempfindlichen Elementen 116 und den Zähnen 122 des permeablen Zahnrads 120 bereitzustellen. Wenn der magnetische Luftzwischenraum 118 erhöht wird, verringert sich die Amplitude des Signals von dem Magnetfeldsensor 107.
  • Beim Betrieb dreht sich das permeable Zahnrad 120, wie es bei 124 angezeigt ist. Ansprechend auf die Drehung des permeablen Zahnrads 120 erzeugt das permeable Zahnrad 120 ein sinusförmig variierendes Magnetfeld auf dem Magnetfeldsensor 107. Magnetfeldempfindliche Elemente 116 erfassen die Komponente des Magnetfelds, die parallel zu der Oberfläche des Magnetfeldsensorgehäuses 114 ist (d. h. die Komponente des Magnetfelds in der negativen oder positiven x-Richtung 128). Die Variation in dem erfassten Magnetfeld liefert Informationen über die Winkelposition und Drehgeschwindigkeit des permeablen Zahnrads 120. Bei einem anderen Beispiel erfassen die magnetfeldempfindlichen Elemente 116 die Komponente des Magnetfelds, die senkrecht zu der Oberfläche des Magnetfeldsensorgehäuses 114 ist (d. h. die Komponente des Magnetfelds in der negativen oder positiven y-Richtung 126).
  • 3A stellt eine Querschnittsansicht dar und 3B eine Draufsicht eines Beispiels eines Magnetfeldsensors 150. Bei einem Beispiel stellt der Magnetfeldsensor 150 den Magnetfeldsensor 106 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Bei einem Beispiel ist der Magnetfeldsensor 150 konfiguriert, um mit einem permeablen Zahnrad verwendet zu werden, wie z. B. dem permeablen Zahnrad 120, das vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Bei einem Beispiel ist der Magnetfeldsensor 150 eine integrierte Schaltung oder Teil einer integrierten Schaltung.
  • Der Magnetfeldsensor 150 umfasst einen Leiterrahmen 152, Anschlussstifte 154, einen Magnetfeldsensorchip 158, der magnetfeldempfindliche Elemente 160 umfasst, Bonddrähte 164 und Spritzgussmagnetmaterial 162. Magnetfeldempfindliche Elemente 160 sind in dem Magnetfeldsensorchip 158 hergestellt. Bei einem Beispiel sind magnetfeldempfindliche Elemente 160 auf der Oberfläche des Magnetfeldsensorchips 158 gebildet. Magnetfeldempfindliche Elemente 160 umfassen Hallsensorelemente, XMR-Sensorelemente oder andere geeignete magnetfeldempfindliche Elemente. Der Magnetfeldsensorchip 158 ist durch eine Chipbondstelle 156 an dem Leiterrahmen 152 befestigt. Der Magnetfeldsensorchip 158 ist durch Bonddrähte 164 elektrisch gekoppelt mit Anschlussstiften 154.
  • Das Spritzgussmagnetmaterial 162 umfasst den Leiterrahmen 152, den Magnetfeldsensorchip 158, Bonddrähte 164 und Abschnitte von Anschlussstiften 154. Das Spritzgussmagnetmaterial 162 stellt einen kunststoffgebondeten Magneten bereit. Um einen kunststoffgebondeten Magneten bereitzustellen, wird ein Permanentmagnetmaterial, wie z. B. ein Hartferritmaterial mit Ba oder Sr, ein Seltenerdmaterial (z. B. NdFeB, Sm2Col7) oder ein anderes geeignetes Magnetmaterial zu einem feinen Pulver gemahlen. Bei einem Beispiel hat das feine Pulver eine Korngröße in dem Bereich von etwa 1 μm–10 μm. Das feine Pulver wird mit einem Epoxydbindemittel, wie z. B. einem Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS) oder einem anderen geeigneten Epoxydbindemittel gemischt. Bei einem Beispiel umfasst die Mischung etwa 60 Volumenprozent Magnetmaterial. Bei anderen Beispielen werden andere geeignete Prozentsätze von Magnetmaterial, das für Spritzgießen geeignet sind, verwendet. Die Mischung wird in einen Hohlraum eingespritzt, der um den Leiterrahmen 152, den Magnetfeldsensorchip 158, Bonddrähte 164 und Abschnitte von Anschlussstiften 154 gebildet ist, um das Spritzgussmagnetmaterial 162 zu liefern.
  • Bei einem Beispiel erstreckt sich das Spritzgussmagnetmaterial 162 im Wesentlichen um einen gleichen Betrag sowohl oberhalb als auch unterhalb der Anordnung, die durch den Magnetfeldsensorchip 158 und den Leiterrahmen 152 gebildet ist. Dadurch, dass sich Magnetmaterial sowohl oberhalb als auch unterhalb der Anordnung befindet, verlaufen das Magnetfeld oder die Flusslinien im Wesentlichen gerade durch die Anordnung. Die im Wesentlichen geraden Flusslinien reduzieren das x-Komponente-Magnetfeld durch die Anordnung im Vergleich zu einer Anordnung, die Magnetmaterial nur auf einer Seite der Anordnung aufweist, wie z. B. auf der Anordnungsrückseite benachbart zu dem Leiterrahmen 152 gegenüber dem Magnetfeldsensorchip 158. Das reduzierte x-Komponente-Magnetfeld verhindert die Sättigung der magnetfeldempfindlichen Elemente 160.
  • 4 stellt eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Magnetfeldsensors 170a dar. Bei einem Beispiel stellt der Magnetfeldsensor 170a den Magnetfeldsensor 106 bereit, der vorher mit Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt wurde. Bei einem Beispiel ist der Magnetfeldsensor 170a konfiguriert, um mit einem permeablen Zahnrad verwendet zu werden, wie z. B. dem permeablen Zahnrad 120, das vorher mit Bezugnahme auf 2 beschrieben und dargestellt wurde. Bei einem Beispiel ist der Magnetfeldsensor 170a eine integrierte Schaltung oder Teil einer integrierten Schaltung.
  • Der Magnetfeldsensor 170a umfasst einen Leiterrahmen 152, Anschlussstifte (nicht gezeigt), einen Magnetfeldsensorchip 158, der magnetfeldempfindliche Elemente 160 umfasst, Bonddrähte (nicht gezeigt) und Spritzgussmagnetmaterial 162. Die magnetfeldempfindlichen Elemente 160 sind in dem Magnetfeldsensorchip 158 hergestellt. Bei einem Beispiel sind die magnetfeldempfindlichen Elemente 160 auf der Oberfläche des Magnetfeldsensorchips 158 gebildet. Die magnetfeldempfindlichen Elemente 160 umfassen Hall-Sensorelemente, XMR-Sensorelemente oder andere geeignete magnetfeldempfindliche Elemente. Der Magnetfeldsensorchip 158 ist durch eine Chipbondstelle 156 mit dem Leiterrahmen 152 befestigt. Der Magnetfeldsensorchip 158 ist durch die Bonddrähte elektrisch mit den Anschlussstiften gekoppelt.
  • Das Spritzgussmagnetmaterial 162 umschließt die Anordnung, die durch den Leiterrahmen 152, Magnetfeldsensorchip 158, die Bonddrähte und Abschnitte der Anschlussstifte bereitgestellt wird. Das Spritzgussmagnetmaterial 162 stellt einen kunststoffgebondeten Magneten bereit, wie er vorher mit Bezugnahme auf 3A und 3B beschrieben wurde. Magnetmaterial wird in einen Hohlraum um die Anordnung herum eingespritzt, um Spritzgussmagnetmaterial 152 bereitzustellen, das auf der Vorderseite der Anordnung eine erste Dicke 172 aufweist, und auf einer Rückseite der Anordnung eine zweite Dicke 174 aufweist. Bei einem Beispiel ist die erste Dicke 172 geringer als die zweite Dicke 174.
  • Das Spritzgussmagnetmaterial 162 ist senkrecht zu dem Magnetfeldsensorchip 158 magnetisiert, wie es durch die Pfeile 178 angezeigt ist. Die Magnetisierung des Spritzgussmagnetmaterials 162 liefert Flusslinien 176, die weg von einer Mittellinie 186 des Spritzgussmagnetmaterials 162 divergieren. Auf der rechten Seite der Mittellinie 186 divergieren die Flusslinien in der positiven x-Richtung 128. Auf der linken Seite der Mittellinie 186 divergieren die Flusslinien (nicht gezeigt) in der entgegengesetzten oder negativen x-Richtung 128.
  • Spritzgussmagnetmaterial 162 erzeugt ein Magnetfeld, wie es bei 180 angezeigt ist, an den magnetfeldempfindlichen Elementen 160. Das Magnetfeld 180 umfasst eine y-Komponente (By) 184 und eine x-Komponente (Bx) 182. Die y-Komponente By 184 ist im Wesentlichen gleich an dem magnetfeldempfindlichen Element 160 rechts von der Mittellinie 186 und an dem magnetfeldempfindlichen Element 160 links von der Mittellinie 186. Die x-Komponente Bx 182 an dem magnetfeldempfindlichen Element 160 rechts von der Mittellinie 186 ist positiv, und die x-Komponente Bx 182 an dem magnetfeldempfindlichen Element 160 links von der Mittellinie 186 ist negativ.
  • Die Dicke 174 des Spritzgussmagnetmaterials 162 ist eingestellt, um eine geeignete Menge an magnetischem Moment anzusammeln. Die Dicke 172 des Spritzgussmagnetmaterials 162 ist eingestellt, um die x-Komponente Bx 182 an den magnetfeldempfindlichen Elementen 160 auf einen geeigneten Wert einzustellen. Die x-Komponente Bx 182 an den magnetfeldempfindlichen Elementen 160 sollte klein genug sein, so dass magnetfeldempfindliche Elemente 160 nicht gesättigt werden. Außerdem ist die Dicke 172 des Spritzgussmagnetmaterials 162 eingestellt, um den effektiven Luftzwischenraum zwischen den magnetfeldempfindlichen Elementen 160 und dem permeablen Zahnrad auf einen geeigneten Wert einzustellen. Der effektive Luftzwischenraum sollte klein genug sein, so dass durch die magnetfeldempfindlichen Elemente 160 ein geeigneter Signalhub geliefert wird.
  • Wenn sich die Dicke 172 des Spritzgussmagnetmaterials 162 erhöht, erhöht sich der effektive Luftzwischenraum und die x-Komponente Bx 182 verringert sich. Wenn sich die Dicke 172 des Spritzgussmagnetmaterials verringert, verringert sich der effektive Luftzwischenraum und die x-Komponente Bx 182 erhöht sich. Daher wird die Dicke 172 des Spritzgussmagnetmaterials 162 gewählt, um ein geeignetes Gleichgewicht zwischen dem effektiven Luftzwischenraum und der x-Komponente Bx 182 bereitzustellen.
  • 5 stellt eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines Magnetfeldsensors 170b dar. Der Magnetfeldsensor 170b ist ähnlich wie der Magnetfeldsensor 170a, der vorher mit Bezugnahme auf 4 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass der Magnetfeldsensor 170b ein erstes Spritzgussmagnetmaterial 162a und ein zweites Spritzgussmagnetmaterial 162b umfasst, statt dem Spritzgussmagnetmaterial 162 des Magnetfeldsensors 170a.
  • Bei diesem Beispiel hat das erste Spritzgussmagnetmaterial 162a eine erste Remanenz und das zweite Spritzgussmagnetmaterial 162b eine zweite Remanenz. Die erste Remanenz des ersten Spritzgussmagnetmaterials 162a ist geringer als die zweite Remanenz des zweiten Spritzgussmagnetmaterials 162b. Daher kann die Dicke 172 des zweiten Spritzgussmagnetmaterials 162b bezüglich der Dicke 174 des ersten Spritzgussmagnetmaterials 162a reduziert werden, um den effektiven Luftzwischenraum zu reduzieren, während gleichzeitig die x-Komponente Bx 182 reduziert wird. Der minimale Wert für die x-Komponente Bx 182 wird erhalten, wenn die Dicke 174 des ersten Spritzgussmagnetmaterials 162a mal der ersten Remanenz gleich der Dicke 172 des zweiten Spritzgussmagnetmaterials 162b mal der zweiten Remanenz ist. Mit diesen Werten für die Dicke 172 und die Dicke 174 verlaufen die Flusslinien 176 im Wesentlichen senkrecht durch den Magnetfeldsensorchip 158.
  • Bei einem Beispiel umfassen das erste Spritzgussmagnetmaterial 162a und das zweite Spritzgussmagnetmaterial 162b unterschiedliche Magnetmaterialien. Bei einem anderen Beispiel umfassen das erste Spritzgussmagnetmaterial 162a und das zweite Spritzgussmagnetmaterial 162b das gleiche Magnetmaterial, aber in unterschiedlichen Konzentrationen.
  • 6 stellt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors 170c dar. Der Magnetfeldsensor 170c ist ähnlich wie der Magnetfeldsensor 170a, der vorher mit Bezugnahme auf 4 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass der Magnetfeldsensor 170c eine Öffnung oder Ausnehmung 188 in dem Spritzgussmagnetmaterial 162 benachbart zu der Rückseite des Leiterrahmens 152 umfasst. Die Ausnehmung 188 in dem Spritzgussmagnetmaterial 162 ist auf der Mittellinie 186 zentriert. Die Ausnehmung 188 stellt Flusslinien 176 ein, um die x-Komponente Bx 182 zu reduzieren, während der effektive Luftzwischenraum beibehalten wird, der durch die Dicke 172 des Spritzgussmagnetmaterials 162 eingestellt wird.
  • 7 stellt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors 170d dar. Der Magnetfeldsensor 170d ist ähnlich zu dem Magnetfeldsensor 170a, der vorher mit Bezugnahme auf 4 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass der Magnetfeldsensor 170d zusätzlich zu dem Spritzgussmagnetmaterial 162 ein Spritzgusskunststoffmaterial 190 umfasst.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Spritzgusskunststoffmaterial 190 ähnlich wie die Spritzgussmaterialien, die für kunststoffgekapselte Mikroschaltungen (PEMs; PEM = plastic encapsulated microcircuit) verwendet werden. Das Spritzgusskunststoffmaterial 190 umfasst ein Füllmaterial, wie z. B. Quarzmehl, und ein Epoxydbindemittel, wie z. B. O-Cresol Novolak (OCN), Biphenyl, Dicyclopentadien (DCPD), ein multiaromatisches Harz oder ein anderes geeignetes Material. Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Quarzmehl Teilchengrößen innerhalb eines Bereichs von etwa 10 μm–30 μm und liefert etwa 70–90 Gew.-% des Spritzgusskunststoffmaterials 190. Der Füllmaterialgehalt ist maximiert, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE; CTE = coefficient of thermal expansion) des Spritzgusskunststoffmaterials auf einen Wert zwischen etwa 10 ppm/°C–17 ppm/°C zu reduzieren. Der CTE des Spritzgusskunststoffmaterials 190 liegt zwischen dem CTE von Silizium, der etwa 2,3 ppm/°C beträgt, und dem CTE des Leiterrahmens 152, der bei einem Ausführungsbeispiel etwa 17 ppm/°C beträgt, abhängig von der genauen verwendeten Legierungszusammensetzung.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel liegt der CTE des Spritzgussmagnetmaterials 162 innerhalb des Bereichs des CTE des Spritzgusskunststoffmaterials 190. Der spezifische elektrische Widerstand für Spritzgusskunststoffmaterial 192 ist in der Größenordnung von 109 Ohm·m, während der spezifische elektrische Widerstand für reine Seltenerdmagneten in der Größenordnung von 10–6 Ohm·m ist und für reine Ferrite höher als 10–2 Ohm·m ist. Für das Spritzgussmagnetmaterial 162 erhöht sich der spezifische elektrische Widerstand um etwa drei Größenordnungen über die reinen Seltenerdmagneten oder die puren Ferrite. Daher liefert das Spritzgussmagnetmaterial 162 weniger elektrische Isolierung als das Spritzgusskunststoffmaterial 190. Um die elektrische Isolierung innerhalb eines Magnetfeldsensors zu verbessern, können die Bonddrähte und die Bondanschlussflächen nach dem Bonding-Prozess durch ein Isoliermaterial bedeckt werden, oder eine Zweikomponentenspritzgusstechnik kann verwendet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Zweikomponentenspritzgusstechnik verwendet, um den Magnetfeldsensor 170d herzustellen.
  • Mit der Zweikomponentenspritzgusstechnik wird ein erster Formmassetyp (z. B. ein Kunststoffformmaterial) in einen ersten Hohlraum eingespritzt. Nachdem sich die Formmasse festigt, wird ein zweiter Formmassentyp (z. B. ein magnetisches Formmaterial) in einen zweiten Hohlraum eingespritzt, der größer ist als der erste Hohlraum und den ersten Hohlraum umfasst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die zweite Formmasse an der ersten Formmasse befestigt und/oder umgibt die erste Formmasse teilweise. Falls die erste und die zweite Formmasse ähnliche Schmelzpunkte aufweisen, kann zwischen der ersten und der zweiten Formmasse eine chemische Verbindung gebildet werden, um die erste und die zweite Formmasse an der Oberfläche zu schmelzen. Falls die erste und die zweite Formmasse ungleiche Schmelzpunkte aufweisen, sollten die erste und die zweite Formmasse eine mechanische Verbindung aufweisen, um die erste und die zweite Formmasse zusammenzuhalten.
  • Die Zwei komponentenspritzgusstechnik reduziert Toleranzen und liefert eine bessere Ausrichtung zwischen den einzelnen Sensorteilen, da die Sensoranordnung nach dem ersten Einspritzgussprozess in Position bleibt. Das zweite Formmaterial wird mit vernachlässigbaren Positionstoleranzen an dem ersten Formmaterial befestigt, die durch das Arbeitswerkzeug selbst verursacht werden, das typischerweise äußerst akkurat ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Kunststoffmaterial um den Leiterrahmen 152, den Magnetfeldsensorchip 158, die Bonddrähte (nicht gezeigt) und Abschnitte der Anschlussstifte (nicht gezeigt) spritzgegossen, um Spritzgusskunststoffmaterial 190 zu liefern. Das Spritzgusskunststoffmaterial 190 umfasst einen erweiterten Abschnitt benachbart zu der Rückseite des Leiterrahmens 152 mit einer Dicke, die bei 192 angezeigt ist. Der erweiterte Abschnitt ist auf der Mittellinie 186 zentriert. Magnetmaterial wird auf das Spritzgusskunststoffmaterial 190 spritzgegossen, um Spritzgussmagnetmaterial 162 zu liefern. Das Spritzgussmagnetmaterial 162 wird durch eine chemische Verbindung an der Oberfläche verschmolzen mit dem Spritzgusskunststoffmaterial 190.
  • Aufgrund des erweiterten Abschnitts des Spritzgusskunststoffmaterials 190 umfasst das Spritzgussmagnetmaterial 162 eine entsprechende Ausnehmung. Die Ausnehmung hat eine Tiefe, wie sie bei 192 angezeigt ist, und ist auf der Mittellinie 186 zentriert. Die Ausnehmung des Spritzgussmagnetmaterials 162 um die Mittellinie 186 herum stellt Flusslinien 176 ein, um die x-Komponente Bx 182 zu reduzieren. Die x-Komponente Bx 182 ist reduziert, ohne irgendwelches Spritzgussmagnetmaterial 162 benachbart zu dem Magnetfeldsensorchip 158 zu liefern.
  • 8 stellt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors 170e dar. Der Magnetfeldsensor 170e ist ähnlich wie der Magnetfeldsensor 170d, der vorher mit Bezugnahme auf 7 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass das Spritzgussmagnetmaterial 162 des Magnetfeldsensors 170e mechanisch verbunden ist mit dem Spritzgusskunststoffmaterial 190. Das Spritzgusskunststoffmaterial 190 umfasst einen erweiterten Abschnitt benachbart zu der Rückseite des Leiterrahmens 152 mit einem ersten Abschnitt, der bei 194 angezeigt ist, und einem zweiten Abschnitt, der bei 196 angezeigt ist. Der zweite Abschnitt 196 ist breiter als der erste Abschnitt 194, so dass Spritzgussmagnetmaterial 162 mechanisch in Position verriegelt wird an dem Spritzgusskunststoffmaterial 190 durch den zweiten Abschnitt 196. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Spritzgussmagnetmaterial 162 auch chemisch mit dem Spritzgusskunststoffmaterial 190 verbunden.
  • 9 stellt eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines Magnetfeldsensors 170f dar. Der Magnetfeldsensor 170f ist ähnlich wie der Magnetfeldsensor 170a, der vorher mit Bezugnahme auf 4 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass der Magnetfeldsensors 170f Spritzgusskunststoffmaterial 190 über dem Magnetfeldsensorchip 158 umfasst. Bei diesem Beispiel wird Spritzgussmagnetmaterial 162 mechanisch mit dem Leiterrahmen 152 verbunden, durch Erweitern um einen Abschnitt der Vorderseite des Leiterrahmens 152, wie es bei 198 angezeigt ist, während die Rückseite des Leiterrahmens 152 bedeckt wird.
  • 10 stellt eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines Magnetfeldsensors 170g dar. Der Magnetfeldsensor 170g ist ähnlich wie der Magnetfeldsensor 170a, der vorher mit Bezugnahme auf 4 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass Spritzgussmagnetmaterial 162 des Magnetfeldsensors 170g in der negativen x-Richtung 128 magnetisiert ist, wie es durch die Pfeile 178 angezeigt ist. Bei anderen Beispielen wird Spritzgussmagnetmaterial 162 in jeder geeigneten Richtung magnetisiert.
  • 11 stellt eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines Magnetfeldsensors 170h dar. Der Magnetfeldsensor 170h ist ähnlich wie der Magnetfeldsensor 170f, der vorher mit Bezugnahme auf 9 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass Spritzgussmagnetmaterial 162 des Magnetfeldsensors 170h eine multipolare Magnetisierung aufweist, wie es durch die Pfeile 178 angezeigt ist. Bei einem Beispiel ist das Spritzgussmagnetmaterial 162 in der positiven y-Richtung links von der Mittellinie 186 magnetisiert, und in der negativen y-Richtung rechts von der Mittellinie 186 magnetisiert. Bei diesem Beispiel sind Flusslinien 176 um die Mittellinie 186 zentriert. Daher ist die x-Komponente Bx 182 an dem magnetfeldempfindlichen Element 160 rechts von der Mittellinie 186 negativ, und die x-Komponente Bx 182 an dem magnetfeldempfindlichen Element 160 links von der Mittellinie 186 ist positiv.
  • 12 stellt eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors 200 dar. Der Magnetfeldsensor 200 ist ähnlich wie der Magnetfeldsensor 170d, der vorher mit Bezugnahme auf 7 beschrieben und dargestellt wurde, außer dass der Magnetfeldsensor 200 ein zusätzliches magnetfeldempfindliches Element 160 auf der Mittellinie 186 umfasst. Der Magnetfeldsensor 200 ist konfiguriert, um eine vertikale Bewegung, wie sie bei 206 angezeigt ist, und/oder eine winkelmäßige Bewegung, wie es bei 204 angezeigt ist, eines eisenhaltigen oder anderen geeigneten Teils 202 zu erfassen. Ansprechend auf eine Änderung bei dem vertikalen Abstand zwischen dem Magnetfeldsensor 200 und dem Teil 202 ändert sich die Flussdichte auf dem magnetfeldempfindlichen Element 160 auf der Mittellinie 186. Ansprechend auf eine Änderung bei der Winkelposition des Teils 202 mit Bezugnahme auf den Magnetfeldsensor 200 ändert sich das Flussverhältnis auf dem linken und rechten magnetfeldempfindlichen Element 160. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Flussänderungen erfasst und mit einem Schwellenwert verglichen, um den Magnetfeldsensor 200 als einen Schalter zu verwenden.
  • 13 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens 300 zum Herstellen eines Magnetfeldsensors darstellt, der ein Spritzgussmagnetmaterial umfasst. Bei 302 werden Leiterrahmen, die Anschlussstifte umfassen, auf ein Leiterrahmenband gestanzt. Bei 304 wird an jedem Leiterrahmen ein Magnetfeldsensorchip befestigt. Bei 306 werden Bonddrähte zwischen dem Magnetfeldsensorchip und den Anschlussstiften verbunden, um eine Sensoranordnung zu liefern. Bei 308 wird ein Kunststoffeinkapselungsmaterial optional um zumindest einen Teil jeder Sensoranordnung spritzgegossen. Bei 310 wird ein Magnetmaterial um zumindest einen Teil jeder Sensoranordnung spritzgegossen. Bei 312 wird jeder Leiterrahmen aus dem Leiterrahmenband gestanzt und das Magnetmaterial wird magnetisiert, um fertige Magnetfeldsensoren zu schaffen.
  • Ausführungsbeispiele liefern Magnetfeldsensoren, die Spritzgussmagnetmaterial umfassen. Das Spritzgussmagnetmaterial ersetzt Permanentmagneten, die in typischen Magnetfeldsensoren verwendet werden. Das Spritzgussmagnetmaterial kann konfiguriert werden, um gewünschte Magnetfeldsensoreigenschaften zu liefern. Außerdem sind die Herstellung und die Testprozesse für die Magnetfeldsensoren durch Spritzgießen des Magnetmaterials im Vergleich zu typischen Magnetfeldsensoren verbessert.

Claims (13)

  1. Magnetfeldsensor (106; 107; 170c, 170d, 170e; 200), der folgende Merkmale umfasst: eine Magnetfeldsensoranordnung, die einen Leiterrahmen (152) auf einer zweiten Seite und einen Chip (158) auf einer ersten Seite, der mit dem Leiterrahmen (152) gekoppelt ist, aufweist, wobei der Chip (158) ein magnetfeldempfindliches Element (160) umfasst, ein Spritzgussmagnetmaterial (162), das über zumindest einen Teil der Magnetfeldsensoranordnung spritzgegossen ist, wobei ein Abschnitt des Spritzgussmagnetmaterials (162) an der zweiten Seite der Magnetfeldsensoranordnung angeordnet ist und eine bezüglich einer Mittellinie zentrierte Ausnehmung aufweist, wobei das magnetfeldempfindliche Element (160) von der Mittellinie versetzt ist.
  2. Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 1, bei dem das Spritzgussmagnetmaterial (162) folgende Merkmale umfasst: ein erstes Spritzgussmagnetmaterial (162a), das an die erste Seite des Magnetfeldsensors angrenzt; und ein zweites Spritzgussmagnetmaterial (162b), das an die zweite Seite des Magnetfeldsensors gegenüber der ersten Seite angrenzt, wobei das zweite Spritzgussmagnetmaterial (162b) die Ausnehmung umfasst.
  3. Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Spritzgussmagnetmaterial (162) folgende Merkmale umfasst: ein erstes Spritzgussmagnetmaterial (162a) mit einer ersten Dicke, das an die erste Seite des Magnetfeldsensors angrenzt; und ein zweites Spritzgussmagnetmaterial (162b) mit einer zweiten Dicke außerhalb der Ausnehmung, die größer ist als die erste Dicke, wobei das zweite Spritzgussmagnetmaterial an die zweite Seite des Magnetfeldsensors gegenüber der ersten Seite angrenzt.
  4. Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 1, der ferner folgendes Merkmal umfasst: ein Spritzgusskunststoffmaterial (190), das zumindest einen Teil des Magnetfeldsensors umschließt.
  5. Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 4, bei dem das Spritzgusskunststoffmaterial (190) den Magnetfeldsensor umschließt, und bei dem das Spritzgussmagnetmaterial (162) mit zumindest einem Teil des Spritzgusskunststoffmaterials (190) gekoppelt ist.
  6. Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 5, bei dem das Spritzgussmagnetmaterial (162) entweder mechanisch oder chemisch mit dem Spritzgusskunststoffmaterial (190) gekoppelt ist.
  7. Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das magnetfeldempfindliche Element entweder ein Hallsensorelement oder ein magnetoresistives Sensorelement umfasst.
  8. Magnetfeldsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der folgende Merkmale umfasst: Anschlussstifte (154); und Bonddrähte, die den Chip (158) elektrisch mit den Anschlussstiften (154) koppeln.
  9. System (100), das folgende Merkmale umfasst: einen Magnetfeldsensor (106) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8; und eine Steuerung (102), die mit dem Magnetfeldsensor (106) gekoppelt ist.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors gemäß einem der Anspruche 1 bis 8, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen der Magnetfeldsensoranordnung; und Spritzgießen von Magnetmaterial über zumindest einen Teil des Magnetfeldsensoranordnung.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner folgenden Schritt umfasst: Spritzgießen von Kunststoffmaterial über zumindest einen Teil der Magnetfeldsensoranordnung.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem das Spritzgießen des Kunststoffmaterials das Spritzgießen des Kunststoffmaterials umfasst, um die Magnetfeldsensoranordnung zu umschließen, und bei dem das Spritzgießen des Magnetmaterials das Spritzgießen des Magnetmaterials über das Kunststoffmaterial auf einer Seite der Magnetfeldsensoranordnung umfasst.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen (302) eines Leiterrahmenbands, das den Leiterrahmen (152) und Anschlussstifte (154) umfasst; Befestigen (304) des Chips an dem Leiterrahmen; elektrisches Koppeln (306) des Chips mit den Anschlussstiften (154), um die Magnetfeldsensoranordnung zu liefern; Spritzgießen (310) von Magnetmaterial über zumindest einen Teil der Magnetfeldsensoranordnung, um den Magnetfeldsensor zu liefern; und Entfernen (312) des Magnetfeldsensors von dem Leiterrahmenriemen.
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