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Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung, ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung, einen Magnetfeldsensor und ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschaltung.
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Magnetfeldsensoren wie z. B. magnetoresistive (XMR) Sensoren werden beispielsweise in einer Vielfalt von Anwendungen zum Erfassen der Drehung eines Rades und/oder einer Welle, wie z. B. in Antiblockier-Bremssystemen, Kurbelwellensensoren, Nockenwellensensoren usw., und zum Erfassen einer vertikalen und/oder Winkelbewegung verwendet. XMR-Sensoren sind beispielsweise Sensoren vom anisotropen magnetoresistiven (AMR) Typ, magnetoresistive Sensoren mit Tunneleffekt (TMR-Sensoren), riesen-magnetoresistive (GMR) Sensoren und überdimensional-magnetoresistive (CMR) Sensoren. Typischerweise weisen Magnetfeldsensoren vom XMR-Typ ein oder mehrere Sensorelemente wie z. B. GMR-Sensorelemente auf, die als Teil eines Halbleiterchips ausgebildet sind, der ferner eine integrierte Schaltungsanordnung zum Auswerten von Parametern des Sensors (z. B. des Widerstandes der GMR-Sensorelemente) aufweist. Der Halbleiterchip ist wiederum typischerweise an einen Träger wie beispielsweise einen Kupferleiterrahmen gebondet, um einen Magnetfeldsensorbaustein auszubilden.
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Im Fall von Drehzahl- und/oder Winkelsensoren weist der Baustein ferner einen Permanentmagneten auf, der ein entgegengesetztes Vormagnetisierungsfeld für die XMR-Sensorelemente vorsieht. Der Magnetfeldsensor wird vor einem magnetisch permeablen Zahnrad angeordnet, dessen Drehung ein sinusförmig veränderliches Magnetfeld am Magnetfeldsensor erzeugt. Die XMR-Sensorelemente detektieren Veränderungen in der Komponente des Magnetfeldes, die zur Oberfläche des Magnetfeldsensors parallel ist, wobei die detektierten Magnetfeldveränderungen Informationen über die Winkelposition, die Drehrichtung und die Drehzahl des Zahnrades bereitstellen.
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Häufig ist der Permanentmagnet ein Permanentmagnet, der an der Rückseite des Magnetfeldsensors, wie z. B. an einer Oberfläche des Leiterrahmens entgegengesetzt zum Halbleiterchip, befestigt ist. Die Befestigung eines Permanentmagneten in dieser Weise weist jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf. Der Permanentmagnet weist beispielsweise Positionstoleranzen in Bezug auf den Magnetfeldsensorbaustein auf, da der Permanentmagnet typischerweise nach der Vollendung der Herstellung des Magnetfeldsensorbausteins befestigt wird. Der zum Befestigen des Permanentmagneten am Magnetfeldsensor verwendete Klebstoff muss auch sorgfältig ausgewählt werden, da die Sensoranordnung typischerweise einem breiten Temperaturbereich (z. B. –50°C–170°C) ausgesetzt wird. Außerdem wird der Permanentmagnet typischerweise am Magnetfeldsensorbaustein durch irgendjemand anderen als den Halbleiterhersteller, der den Magnetfeldsensorbaustein hergestellt hat, befestigt, so dass der Permanentmagnet am Magnetfeldsensorbaustein nach dem Endtest des Magnetfeldsensorbausteins beim Halbleiterhersteller befestigt wird. Ferner testet der Halbleiterhersteller typischerweise den Magnetfeldsensorbaustein bei verschiedenen Temperaturen. Der Permanentmagnet wird jedoch typischerweise nicht bei mehreren Temperaturen getestet, da die thermische Masse der ganzen Sensoranordnung gewöhnlich zu groß ist, um einen wirtschaftlichen Test bei mehreren Temperaturen durchzuführen.
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Bei Versuchen, solche Nachteile zu beseitigen, werden anstelle der Befestigung eines Permanentmagneten an der Rückseite des Leiterrahmens der Halbleiterchip und der Leiterrahmen von einigen XMR-Sensoren in ein geformtes magnetisches Material eingebettet. Obwohl eine solche Vorgehensweise viele der vorstehend beschriebenen Probleme beseitigt, wurde festgestellt, dass das ferromagnetische Material des Leiterrahmens (z. B. Kupfer) Verzerrungen in den Magnetfeld- oder Flusslinien an den XMR-Elementen erzeugt, was zu einer horizontalen Komponente des Magnetfeldes, die zur Oberfläche des Magnetfeldsensors (d. h. der erfassten Komponente) parallel ist, mit einer Größe führt, die dazu führt, dass sich die XMR-Sensoren in Sättigung befinden, wodurch der Sensor funktionsunfähig gemacht wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung mit einem Magnetfeldsensorelement und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, sodass im Betrieb eine korrekte Funktion und Operation des Sensorelements sichergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von nebengeordneten Ansprüchen und Unteransprüchen.
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Eine Ausführungsform schafft eine integrierte Schaltung. Die integrierte Schaltung weist einen Leiterrahmen und einen Chip mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche und mehreren Umfangsseiten und mit mindestens einem Magnetfeldsensorelement, das nahe der oberen Oberfläche angeordnet ist, auf, wobei die untere Oberfläche an den Leiterrahmen gebondet ist. Ein geformtes magnetisches Material kapselt den Chip und mindestens einen Abschnitt des Leiterrahmens ein und schafft ein Magnetfeld, das zur oberen Oberfläche des Chips im Wesentlichen senkrecht ist. Ein nichtmagnetisches Material ist zwischen dem Chip und dem geformten magnetischen Material zumindest entlang Umfangsseiten des Chips angeordnet, die eine seitliche Magnetfeldkomponente schneiden, die zur oberen Oberfläche des Chips parallel ist.
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Die begleitenden Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen zu schaffen, und sind in diese Patentbeschreibung integriert und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen stellen Ausführungsformen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien von Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen und viele der vorgesehenen Vorteile der Ausführungsformen werden leicht erkannt, wenn sie mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich relativ zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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1 stellt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Magnetfeldsensors dar.
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2 ist eine Draufsicht, die Abschnitte des Magnetfeldsensors von 1 darstellt.
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3 ist ein Graph, der eine Simulation der Größe der seitlichen Magnetfeldkomponente des herkömmlichen Magnetfeldsensors von 1 und 2 darstellt.
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4 stellt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors dar.
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5 ist eine Draufsicht, die Abschnitte des Magnetfeldsensors von 4 darstellt.
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6 ist ein Graph, der eine Simulation der Größe der seitlichen Magnetfeldkomponente des Magnetfeldsensors gemäß der Ausführungsform von 4 und 5 darstellt.
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7 stellt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Magnetfeldsensors dar.
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8 ist ein Graph, der eine Simulation der Größe der seitlichen Magnetfeldkomponente des Magnetfeldsensors gemäß der Ausführungsform von 7 darstellt.
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9 stellt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Magnetfeldsensors dar.
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10 ist eine Draufsicht, die Abschnitte des Magnetfeldsensors von 9 darstellt.
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11 ist ein Graph, der eine Simulation der Größe der seitlichen Magnetfeldkomponente des Magnetfeldsensors gemäß der Ausführungsform von 9 und 10 darstellt.
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12A–12D sind Diagramme, die einen Prozess zur Herstellung eines Magnetfeldsensors gemäß einer Ausführungsform darstellen.
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13 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess zur Herstellung eines Magnetfeldsensors gemäß einer Ausführungsform darstellt.
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14 ist ein Diagramm, das im Allgemeinen einen Drehzahlsensor darstellt, der einen Magnetfeldsensor gemäß einer Ausführungsform verwendet.
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15 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Systems darstellt, das einen Magnetfeldsensor verwendet.
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Erläuterung spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann, gezeigt sind. In dieser Hinsicht wird die Richtungsterminologie, wie z. B. ”oben”, ”unten”, ”vorn”, ”hinten”, ”vordere”, ”hintere” usw., mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da die Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen angeordnet sein können, wird die Richtungsterminologie für Erläuterungszwecke verwendet und ist keineswegs begrenzend. Selbstverständlich können andere Ausführungsformen verwendet werden und strukturelle oder logische Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in einer begrenzenden Hinsicht aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Selbstverständlich können die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, wenn nicht spezifisch anders angegeben.
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Obwohl ein spezielles Merkmal oder ein spezieller Aspekt einer Ausführungsform in Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart werden kann, kann außerdem ein solches Merkmal oder ein solcher Aspekt mit einem oder mehreren anderen Merkmalen oder Aspekten der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für irgendeine gegebene oder spezielle Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. In dem Umfang, in dem die Begriffe ”besitzen”, ”aufweisen”, ”mit” oder andere Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, sollen ferner solche Begriffe in einer Weise ähnlich dem Begriff ”einschließen” einschließend sein. Der Begriff ”beispielhaft” ist auch nur vielmehr als Beispiel als am besten oder optimal gemeint. Die folgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in einer begrenzenden Hinsicht aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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Die Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung können verschiedene Typen von Halbleiterchips oder Halbleitersubstraten verwenden, darunter logische integrierte Schaltungen, analoge integrierte Schaltungen, integrierte Mischsignal-Schaltungen, Sensorschaltungen, MEMS (mikroelektromechanische Systeme), integrierte Leistungsschaltungen, Chips mit integrierten passiven Elementen, diskrete passive Elemente und so weiter. Im Allgemeinen kann der Begriff ”Halbleiterchip”, wie in dieser Anmeldung verwendet, verschiedene Bedeutungen aufweisen, von denen eine ein Halbleiterchip oder Halbleitersubstrat mit einer elektrischen Schaltung ist.
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In verschiedenen Ausführungsformen werden Schichten aufeinander aufgebracht oder Materialien werden auf Schichten aufgebracht oder abgeschieden. Es sollte erkannt werden, dass beliebige solche Begriffe wie ”aufgebracht” oder ”abgeschieden” wörtlich alle Arten und Verfahren zum Aufbringen von Schichten aufeinander abdecken sollen. In einer Ausführungsform sollen sie Verfahren, in denen Schichten auf einmal als Ganzes aufgebracht werden, beispielsweise in Laminierungsverfahren; sowie Verfahren, in denen Schichten in einer sequentiellen Weise abgeschieden werden, beispielsweise in Sputter-, Plattierungs-, Formverfahren, Verfahren zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), abdecken. Ein Beispiel für eine aufzubringende Schicht ist eine Umverteilungsschicht (RDL), die in elektrischer Verbindung mit Kontakten eines Chips strukturiert ist. Die Umverteilungsschicht kann in Form einer Mehrfachschicht, insbesondere einer Mehrfachschicht mit einer sich wiederholenden Schichtsequenz, vorliegen.
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Die Halbleiterchips können Kontaktelemente oder Kontaktstellen auf einer oder mehreren ihrer äußeren Oberflächen aufweisen, wobei die Kontaktelemente zum elektrischen Kontaktieren der Halbleiterchips dienen. Die Kontaktelemente können aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material hergestellt werden, z. B. aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium, Gold oder Kupfer, oder einer Metalllegierung, wie z. B. einer Lötlegierung, oder einem elektrisch leitenden organischen Material oder einem elektrisch leitenden Halbleitermaterial.
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In einigen Ausführungsformen sind die Halbleiterchips mit einem Einkapselungsmaterial bedeckt. Das Einkapselungsmaterial ist irgendein elektrisch isolierendes Material, wie beispielsweise irgendeine Art von Formmaterial, irgendeine Art von Epoxidmaterial oder irgendeine Art von Harzmaterial mit oder ohne irgendeine Art von Füllmaterialien. In speziellen Fällen könnte es vorteilhaft sein, ein leitendes Einkapselungsmaterial zu verwenden. Im Prozess des Bedeckens der Halbleiterchips oder -plättchen mit dem Einkapselungsmaterial wird eine Ausgangsverzweigung von eingebetteten Chips hergestellt. Die Ausgangsverzweigung von eingebetteten Chips ist in einer Anordnung mit der Form eines Wafers angeordnet und wird als ”umkonfigurierter Wafer” bezeichnet. Es sollte jedoch erkannt werden, dass die Ausgangsverzweigung von eingebetteten Chips nicht auf die Form und Gestalt eines Wafers begrenzt ist, sondern eine beliebige Größe und Form und eine beliebige geeignete Anordnung von darin eingebetteten Halbleiterchips aufweisen kann.
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In den Ansprüchen und in der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung als spezielle Sequenz von Prozessen oder Maßnahmen, insbesondere in den Ablaufdiagrammen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Ausführungsformen nicht auf die beschriebene spezielle Sequenz begrenzt werden sollten. Spezielle oder alle der verschiedenen Prozesse oder Maßnahmen können auch gleichzeitig oder in irgendeiner anderen nützlichen und geeigneten Sequenz durchgeführt werden.
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen schaffen einen Magnetfeldsensor, der ein nichtmagnetisches Material verwendet, um ein geformtes magnetisches Material, das ein Vormagnetisierungsfeld schafft, von einem oder mehreren magnetoresistiven (XMR) Elementen zu beabstanden, so dass eine Größe einer Komponente des Vormagnetisierungsfeldes parallel zu dem einen oder den mehreren XMR-Elementen geringer ist als ein Schwellenpegel, wie z. B. ein Sättigungspunkt des einen oder der mehreren XMR-Elemente.
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1 und 2 stellen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht eines Beispiels eines herkömmlichen Magnetfeldsensors 100 dar. Der Magnetfeldsensor 100 weist einen Leiterrahmen 102 und einen Magnetfeldsensorchip 104 mit einem oder mehreren XMR-Elementen 106, wie z. B. XMR-Elementen 106a und 106b, der am Leiterrahmen 102 über ein Chipbondmaterial 108 (z. B. einen leitenden Klebstoff) befestigt ist, auf. Der Magnetfeldsensorchip 104 ist mit Stiften 110 des Leiterrahmens 102 über Bonddrähte 112 elektrisch gekoppelt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Leiterrahmen 102 aus einem ferromagnetischen Material wie beispielsweise Kupfer ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform sind die XMR-Elemente 106a und 106b riesen-magnetoresistive (GMR) Elemente, die auf einer oberen Oberfläche 116 des Magnetfeldsensorchips 104 hergestellt sind. In anderen Ausführungsformen sind die XMR-Elemente 106a und 106b andere Typen von XMR-Elementen wie beispielsweise anisotrope magnetoresistive (AMR) Elemente, riesen-magnetoresistive (GMR) Sensoren, überdimensionalmagnetoresistive (CMR) Elemente und magnetoresistive Elemente mit Tunneleffekt (TMR-Elemente).
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Der Leiterrahmen 102, der Magnetfeldsensorchip 104, die Bonddrähte 112 und Abschnitte der Stifte 110 sind innerhalb eines geformten magnetischen Materials 120 umhüllt, das, wie nachstehend beschrieben, magnetisiert wird, um einen mit Kunststoff gebondeten Magneten auszubilden. Für Erläuterungszwecke wird angemerkt, dass nur Abschnitte des geformten magnetischen Materials 120 in der Draufsicht von 2 gezeigt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform besitzt das geformte magnetische Material 120 ein feines Pulver eines Permanentmagnetmaterials, wie z. B. ein hartes Ferritmaterial mit Ba oder Sm, ein Seltenerdmetall (z. B. NdFeB, Sm2Co17) oder ein anderes geeignetes magnetisches Material, das mit einem Epoxidbindemittel wie z. B. einem Polymid (PA), Polyphenylensulfid (PPS) oder einem anderen geeigneten Epoxidbindemittel vermischt ist. Gemäß einer Ausführungsform weist das Gemisch ungefähr 60 Volumen magnetisches Material auf, obwohl andere geeignete Prozentsätze verwendet werden können. Das geformte magnetische Material kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Formprozesses, einschließlich beispielsweise Spritzgießen, Formpressen und Transferpressen, aufgebracht werden.
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Nachdem es um den Leiterrahmen 102 und den Magnetfeldsensorchip 104 aufgebracht ist, wird das geformte magnetische Material 120 in einer Richtung, die zur oberen Oberfläche 116 des Feldsensorchips 104 im Wesentlichen senkrecht ist, magnetisiert. Die Magnetisierung des geformten magnetischen Materials 120 führt dazu, dass das geformte magnetische Material 120 ein Vormagnetisierungsfeld B 124 mit Magnetfeld- oder Flusslinien 126 schafft, die zur oberen Oberfläche 116 im Wesentlichen senkrecht sind, wenn sie nahe einer Mittellinie 128 des geformten magnetischen Materials 120 liegen, die jedoch in den positiven und negativen x-Richtungen auf der rechten und linken Seite der Mittellinie 128 divergieren, wie jeweils durch die Flusslinien 130 und 132 dargestellt.
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Folglich weist das Magnetfeld an den GMR-Elementen 106a und 106b sowohl eine y- oder vertikale Komponente By 136, die zur oberen Oberfläche 116 senkrecht ist, als auch eine x- oder seitliche Komponente Bx 138, die zur oberen Oberfläche 116 parallel ist, auf. Die vertikalen Komponenten By 136 sind an den GMR-Elementen 106a und 106b im Wesentlichen gleich. Ebenso sind die Größen der seitlichen Komponenten Bx 138 an den GMR-Elementen 106a und 106b im Wesentlichen gleich, aber die Komponente Bx 138 am GMR-Element 106a ist positiv, während die Komponente Bx 138 am GMR-Element 106b negativ ist.
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Das geformte magnetische Material 120 wird derart aufgebracht, dass eine Dicke 142 über einer Mittellinie 140 der GMR-Elemente 106a und 106b im Wesentlichen dieselbe wie eine Dicke 144 unter der Mittellinie 140 ist. Indem das geformte magnetische Material 120 über und unter der Mittellinie 140 gleich angeordnet ist, ist die vertikale Komponente By 136 des Magnetfeldes B 124 im Wesentlichen gleichmäßig und die Magnetfeld- oder Flusslinien, wie z. B. durch Flusslinien 126 dargestellt, verlaufen durch den Magnetsensorchip 104 in einer senkrechteren Weise relativ zur oberen Oberfläche 116. Je senkrechter die Flusslinien sind, desto mehr wird die seitliche Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 an den GMR-Elementen 106a, 106b (d. h. die Vektorkomponente des Magnetfeldes B 124, die zur oberen Oberfläche 116 parallel ist) verringert. Das Verringern der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 hilft, die Sättigung der GMR-Elemente 106a, 106b zu verhindern, und hilft, die korrekte Funktion und Operation der GMR-Elemente 106a, 106b und des Magnetfeldsensors 100 sicherzustellen.
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Ungeachtet der Sorgfalt, die aufgewendet wird, um das geformte magnetische Material 120 in einer gleichen Weise über und unter den GMR-Sensorelementen 106a, 106b aufzubringen, verursacht jedoch der ferromagnetische Leiterrahmen 102 Verzerrungen im Magnetfeld B 124, insbesondere entlang der Umfangsseiten des Feldsensorchips 104. Von größter Bedeutung sind Magnetfeldverzerrungen entlang der Umfangsseiten des Magnetfeldsensorchips 104, die zur seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 senkrecht sind, wie z. B. die Seiten 150 und 152, die das Magnetfeld B 124 an den GMR-Elementen 106a, 106b verzerren und die Größe der seitlichen Komponente Bx 138 erhöhen. Wenn die Größe der seitlichen Komponente Bx 138 zu groß wird, kann sie die Sättigung der GMR-Elemente 106a und 106b verursachen und den Magnetfeldsensor 100 funktionsunfähig machen.
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3 ist ein Graph 160, der eine Simulation der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 über die obere Oberfläche 116 des Magnetfeldsensorchips 104 des herkömmlichen Magnetfeldsensors 100 von 1 und 2 darstellt. Gemäß dem Graphen 160 ist der GMR-Sensor 106b ungefähr bei 0 mm entlang der x-Achse angeordnet und der GMR-Sensor 106a ist ungefähr bei 2,5 mm angeordnet. Gemäß der Simulation von 3 ist der Bereich der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 über den Magnetfeldsensorchip 104 ungefähr +/–40 Millitesla (mT). Ein solcher Bereich liegt gut oberhalb des zulässigen Bereichs von +/–5 mT von vielen GMR-Erfassungselementen und führt zur Sättigung der GMR-Erfassungselemente 106a und 106b.
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4 und 5 stellen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensors 200, der nichtmagnetische Abstandhalter verwendet, gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. Gemäß einer Ausführungsform ist ein nichtmagnetisches Material 170 am Leiterrahmen 102, entlang zumindest eines Abschnitts der Umfangsseiten des Magnetfeldsensorchips 104 angeordnet, um das geformte magnetische Material 120 von den Umfangsseiten des Magnetfeldsensorchips 104 zu beabstanden. Gemäß einer Ausführungsform, wie durch 4 und 5 dargestellt, ist das nichtmagnetische Material 170 entlang der Seiten 150 und 152 des Magnetfeldsensorchips 104 angeordnet, die zu den Vektorkomponenten des zur oberen Oberfläche 116 parallelen Vormagnetisierungsfeldes B 124 (d. h. die seitliche Komponente Bx 138 in 1) senkrecht sind oder diese schneiden. Für Erläuterungszwecke wird angemerkt, dass nur Abschnitte des geformten magnetischen Materials 120 in der Draufsicht von 5 gezeigt sind.
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Die Verwendung des nichtmagnetischen Materials 170, um das geformte magnetische Material vom Magnetfeldsensorchip 104 zu beabstanden oder weg zu verschieben, hat den Effekt, dass die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes B 124 in Richtung der Seiten des Magnetfeldsensorchips 104 verschoben werden. Folglich werden die divergenten Flusslinien, wie z. B. die Flusslinien 132 und 134, vom Magnetfeldsensorchip 104 weg verschoben, wodurch die seitliche Komponente Bx 138 über die Oberfläche 116 verringert wird. Gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann das nichtmagnetische Material 170 dazu konfiguriert sein, die Größe der seitlichen Komponente Bx 138 auf ein Niveau zu verringern, das eine korrekte Operation des Magnetfeldsensors 200 sicherstellt. Gemäß einer Ausführungsform weist das nichtmagnetische Material 170 eine Abmessung Dx 172 auf, die das geformte magnetische Material 120 von den GMR-Elementen 106 in der Richtung der seitlichen Komponente Bx 138 um ein Ausmaß beabstandet, das die Größe der seitlichen Komponente Bx 138 über die obere Oberfläche 116 des Magnetfeldsensorchips 104 auf einem Niveau hält, das zumindest unter einem Sättigungspunkt der GMR-Elemente 106a, 106b liegt.
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Die erforderliche Abmessung Dx 172 des nichtmagnetischen Materials 170 kann in Abhängigkeit von einer Vielfalt von Faktoren variieren, einschließlich der Stärke des Magnetfelds B 124, der physikalischen Größe des durch das geformte magnetische Material 120 gebildeten Magneten und der Konstruktion und Konfiguration der GMR-Elemente 106a, 106b. Gemäß einer Ausführungsform ist das nichtmagnetische Material 170 in einer symmetrischen Weise um die Mittellinie 128 des Magnetfeldsensorchips 104 angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform weist das nichtmagnetische Material 170 eine Abmessung Dy 174 auf, so dass es ungefähr auf die obere Oberfläche 116 des Magnetfeldsensorchips 104 ausgerichtet ist.
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Das nichtmagnetische Material 170 kann ein beliebiges geeignetes nichtmagnetisches Material sein. Beispiele von Materialien, die für die Verwendung als nichtmagnetisches Material 170 geeignet sein können, sind Silizium, Glas, Keramik, Polyamidkunststoff, Polyphenylensulfid-Kunststoff, vernetzte Siliziumklebstoffe, gehärtete Novolakmaterialien, Polyimide, gehärtete Kresol-Materialien, Polybenzoxazole und Materialien auf Epoxidbasis. Gemäß einer Ausführungsform weist das nichtmagnetische Material 170 Silizium auf, das wegen seiner Temperaturstabilitätseigenschaften ausgewählt wird.
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Obwohl die magnetischen Partikel innerhalb des geformten magnetischen Materials 120 mit einem Polymermaterial gebunden sind, ist das geformte magnetische Material 120 immer noch elektrisch leitend, so dass die magnetischen Partikel von den Oberflächen des Leiterrahmens 102, des Magnetfeldsensorchips 104, der Bonddrähte 112 und das nichtmagnetische Material 170 vom geformten magnetischen Material 120 getrennt oder isoliert werden müssen. Gemäß einer Ausführungsform wird vor dem Aufbringen des geformten magnetischen Materials 120 eine Isolationsschicht 180 aufgebracht, um den Leiterrahmen 102, den Magnetfeldsensorchip 104, die Bonddrähte 112 und das nichtmagnetische Material 170 zu bedecken und vom geformten magnetischen Material 120 zu isolieren. Gemäß einer Ausführungsform ist die Isolationsschicht 180 ein isolierendes Harzmaterial. Gemäß einer Ausführungsform ist die Isolationsschicht 180 eine SiOx-Schicht, die über den Oberflächen wie beispielsweise über Plasmaabscheidungsprozesse abgeschieden wird. Gemäß einer Ausführungsform wird die Isolationsschicht 180 vor dem Aufbringen des nichtmagnetischen Materials 170 aufgebracht. Gemäß einer Ausführungsform, die hierin nicht dargestellt ist, werden als Alternative zum Aufbringen der Isolationsschicht 180 die magnetischen Partikel innerhalb des geformten magnetischen Materials 120 mit einem Isolationsmaterial wie beispielsweise Silan beschichtet, um die magnetischen Partikel von den Vorrichtungsoberflächen elektrisch zu isolieren. Es wird angemerkt, dass wegen der leichten Darstellung die Isolationsschicht 180 in 5 nicht gezeigt ist.
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6 ist ein Graph 210 einer Simulation der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 über den Magnetfeldsensorchip 104 des Magnetfeldsensors 200 von 4 und 5, der das nichtmagnetische Material 170 verwendet, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Gemäß dem Graphen 210 ist der GMR-Sensor 106b bei ungefähr 0 mm entlang der x-Achse angeordnet und der GMR-Sensor 106a ist bei ungefähr 2,5 mm angeordnet. Gemäß der Simulation von 3 ist der Bereich der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 über den Magnetfeldsensorchip 104 ungefähr +/–3 Millitesla (mT), was geringer ist als der maximale zulässige Bereich von +/–5 mT von vielen GMR-Erfassungselementen. An sich ermöglicht der Magnetfeldsensor 100, der das nichtmagnetische Material 170 gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet, dass der Magnetfeldsensor 200 korrekt funktioniert, wohingegen die GMR-Sensorelemente 106a, 106b des Magnetfeldsensors 100 gemäß der herkömmlichen Implementierung von 1 und 2 sich in Sättigung befinden und folglich funktionsunfähig sind.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das nichtmagnetische Material 170 während eines Montageprozesses, wie beispielsweise in Form von Silizium- oder Epoxid-Klebstoffen, ausgegeben und gehärtet werden. Gemäß einer solchen Ausführungsform härtet das nichtmagnetische Material 170 zu einer endgültigen ”Glob top”- oder ”Globe top”-Form, wie z. B. vorstehend durch die Ausführungsform von 4 und 5 dargestellt. Gemäß anderen Ausführungsformen kann jedoch das nichtmagnetische Material 170 vorgeformt und in einer Endform auf den Leiterrahmen 102 wie beispielsweise durch die Verwendung von Klebstoffen aufgebracht werden.
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7 stellt den Magnetfeldsensor 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, wobei nichtmagnetische Abstandhalter 170 zu einer endgültigen rechteckigen Form vorgeformt sind und auf den Leiterrahmen 102 so aufgebracht sind, dass sie sich entlang der Seiten 150 und 152 des Magnetfeldsensorchips 104 erstrecken, die zur seitlichen Magnetfeldkomponente Bx 138 senkrecht sind. Gemäß einer Ausführungsform werden Lücken 212 zwischen den nichtmagnetischen Abstandhaltern 170 und den Seiten 150 und 152 wie beispielsweise mit einem nicht leitenden Klebstoff gefüllt.
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8 ist ein Graph 220 einer Simulation der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 über die obere Oberfläche 116 des Magnetfeldsensorchips 104 des Magnetfeldsensors 200 von 7. Gemäß dem Graphen 220 ist der GMR-Sensor 106b bei ungefähr 0 mm angeordnet und der GMR-Sensor 106a ist bei ungefähr 2,5 mm entlang der x-Achse angeordnet. Gemäß der Simulation von 8 ist der Bereich der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 über den Magnetfeldsensorchip 104 ungefähr +/–2 Millitesla (mT), was wieder geringer ist als der maximale zulässige Bereich von +/–5 mT von vielen GMR-Erfassungselementen.
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Obwohl es vorstehend hauptsächlich als entlang nur derjenigen Umfangsseiten 150 und 152 des Magnetfeldsensorchips 104 angeordnet beschrieben ist, die zur seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 senkrecht sind oder diese schneiden, kann gemäß einer anderen Ausführungsform das nichtmagnetische Material 170 ebenso um den Magnetfeldsensorchip 104 in anderen Konfigurationen aufgebracht werden. Gemäß einer Ausführungsform (nicht explizit hierin dargestellt) kann das nichtmagnetische Material 170 beispielsweise vielmehr in einer Weise ähnlich zu der von 4 und 5 dargestellten um alle Umfangsseiten des Magnetfeldsensorchips 104 als nur entlang der Umfangsseiten 150 und 152 angeordnet werden.
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9 und 10 stellen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht des Magnetfeldsensors 200 gemäß einer Ausführungsform dar, wobei das nichtmagnetische Material den Magnetfeldsensorchip 104 und den Leiterrahmen 102 abgesehen vom Abschnitt der Stifte 110 vollständig umhüllt. Ähnlich wie vorstehend beschrieben ist gemäß einer Ausführungsform das nichtmagnetische Material 170 um den Leiterrahmen 102 und den Magnetfeldsensorchip 104 derart geformt, dass eine Dicke 142 des geformten magnetischen Materials 120 über der Mittellinie 140 der GMR-Elemente 106a, 106b im Wesentlichen dieselbe wie eine Dicke 144 des geformten magnetischen Materials 120 unter der Mittellinie 140 ist. Für Erläuterungszwecke wird angemerkt, dass nur Abschnitte des geformten magnetischen Materials 120 in der Draufsicht von 10 gezeigt sind.
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11 ist ein Graph 230 einer Simulation der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 über die obere Oberfläche 116 des Magnetfeldsensorchips 104 des Magnetfeldsensors 200 von 9 und 10. Gemäß dem Graphen 230 ist der GMR-Sensor 106b bei ungefähr 0 mm angeordnet und der GMR-Sensor 106a ist bei ungefähr 2,5 mm entlang der x-Achse angeordnet. Gemäß der Simulation von 11 ist der Bereich der Größe der seitlichen Komponente Bx 138 des Magnetfeldes B 124 über den Magnetfeldsensorchip 104 ungefähr +/–1 Millitesla (mT), was wieder geringer ist als der maximale zulässige Bereich von +/–5 mT von vielen GMR-Erfassungselementen.
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12A bis 12E stellen ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetfeldsensors 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, insbesondere des Magnetfeldsensors 200, der vorstehend durch 7 dargestellt wurde, dar. Mit Bezug auf 12A beginnt das Verfahren mit dem Kleben eines gehärteten und vorgeformten nichtmagnetischen Materials 170 an einen Leiterrahmen 120 wie z. B. über einen Klebstoff 232. Gemäß einer Ausführungsform, die zu der von 7 dargestellten ähnlich ist, ist das nichtmagnetische Material 170 ein Paar von rechteckigen Formen, die zueinander im Wesentlichen parallel sind und um einen Abstand voneinander beabstandet sind, der inkremental größer ist als eine Breite des Magnetfeldsensorchips 104.
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In 12B wird der Magnetfeldsensorchip 104 über eine untere Oberfläche an den Leiterrahmen 104 zwischen dem Paar von rechteckigen Formen des nichtmagnetischen Materials 170 unter Verwendung von Klebstoff 108 gebondet. Gemäß einer Ausführungsform werden irgendwelche Lücken zwischen dem Magnetfeldsensorchip 104 und dem nichtmagnetischen Material 170 mit Klebstoff ähnlich wie durch 7 dargestellt gefüllt. Bonddrähte 112 werden dann zwischen den Magnetfeldsensorchip 104 und den Leiterrahmen 102 ähnlich wie durch 5 dargestellt gebondet.
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In 12C wird magnetisches Material 120 aufgebracht, um den Magnetfeldsensorchip 104, das nichtmagnetische Material 170 und zumindest einen Abschnitt des Leiterrahmens 102 zu umhüllen. Das magnetische Material 120 kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Formprozesses wie beispielsweise Spritzgießen aufgebracht werden. In 12D wird das geformte magnetische Material magnetisiert, um das Magnetfeld B 124 zu erzeugen, das zur oberen Oberfläche 116 des Magnetfeldsensorchips 104 im Wesentlichen senkrecht ist und eine seitliche Magnetfeldkomponente aufweist, die zur oberen Oberfläche 116 parallel ist und in einer Richtung liegt, die das nichtmagnetische Material 170 schneidet.
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13 ist ein Ablaufdiagramm, das im Allgemeinen eine Ausführungsform eines Prozesses 240 zur Herstellung eines Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt. Der Prozess 240 beginnt bei 242 mit der Befestigung eines Magnetfeldsensorchips an einem Leiterrahmen wie z. B. Bonden des Feldsensorchips 104 an den Leiterrahmen 102 über Klebstoff 108, wie durch 4 dargestellt. Bonddrähte wie z. B. Bonddrähte 112 werden auch zwischen den Magnetfeldsensorchip 104 und den Leiterrahmen 102, wie z. B. Leiterrahmenstifte 110, wie durch 5 dargestellt, gebondet.
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Bei 244 wird das nichtmagnetische Material 170 zumindest entlang ausgewählter Umfangsseiten des Magnetfeldsensors 104 angeordnet, wie z. B. durch 4 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, wird das nichtmagnetische Material 170 zuerst in einer nicht gehärteten Form aufgebracht und dann über einen Härtungsprozess gehärtet. Gemäß einer Ausführungsform, wie durch 9 und 10 dargestellt, wird anstelle dessen, dass es nur entlang ausgewählter Umfangsseiten angeordnet wird, das nichtmagnetische Material 170 so geformt, dass es den Magnetfeldsensorchip 104 und mindestens einen Abschnitt des Leiterrahmens 102 umhüllt.
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Bei 246 wird das magnetische Material 120 unter Verwendung irgendeines geeigneten Formverfahrens so geformt, dass es den Magnetfeldsensorchip 104, das nichtmagnetische Material 170 und alles bis auf die Stifte 110 des Leiterrahmens 102 umhüllt. Bei 248 wird das geformte magnetische Material 120 magnetisiert, um ein Magnetfeld zu schaffen, das zu einer oberen Oberfläche des Magnetfeldsensorchips 104 im Wesentlichen senkrecht ist, und derart, dass irgendeine seitliche Komponente davon in einer Richtung zu den Umfangsseiten des Magnetfeldsensorchips 104 hin liegt, entlang derer das nichtmagnetische Material 170 angeordnet wurde, wie z. B. durch 4 und 5 dargestellt. Wie vorstehend beschrieben, wird das nichtmagnetische Material 170 so aufgebracht, dass es eine Abmessung von einer Umfangsseite des Magnetfeldsensorchips 104 zum geformten magnetischen Material 170 in der Richtung der seitlichen Magnetfeldkomponente aufweist, die dazu führt, dass eine Größe der seitlichen Magnetfeldkomponente über die Oberseite des Magnetfeldsensorchips 104 geringer ist als ein Sättigungspegel der daran angeordneten magnetoresistiven Elemente.
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Gemäß einer Ausführungsform, wie durch 14 dargestellt, wird der Magnetfeldsensor 200 als Teil eines Drehzahlsensors 250 zum Erfassen der Drehzahl eines ferromagnetischen Zahnrades 252 verwendet. Der Magnetfeldsensor 200 ist vom Zahnrad 252 um einen Luftspaltabstand DG getrennt, wobei die GMR-Erfassungselemente 106 um einen Abstand DS getrennt sind und auf einer Mittellinie C des Zahnrades 252 zentriert sind. Wie vorstehend beschrieben, stellt das geformte magnetische Material 120 ein Vormagnetisierungsfeld B 124 in der y-Richtung senkrecht zur Oberfläche 116 des Magnetfeldsensorchips 104 bereit, wobei die GMR-Erfassungselemente 106 gegen Änderungen in der x-Richtung (seitlichen Richtung) des Vormagnetisierungsfeldes B 124 empfindlich sind.
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Im Betrieb, wenn sich das Zahnrad 252 dreht, wie bei 254 angegeben, laufen die Zähne vor den GMR-Erfassungselementen 106 vorbei und erzeugen sinusförmige Magnetfeldveränderungen im seitlichen Magnetfeld B 138, die durch die GMR-Erfassungselemente 106 detektiert werden. Die detektierten Magnetfeldveränderungen liefern Informationen über die Winkelposition und Drehzahl des Zahnrades 252.
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Gemäß einer Ausführungsform, wie durch 15 dargestellt, kann der Magnetfeldsensor 200 als Teil eines Systems 260 mit einer Steuereinheit 262 verwendet werden, wobei der Magnetfeldsensor 200 auf der Basis der vorstehend mit Bezug auf 7 beschriebenen Prinzipien verwendet wird, um die Drehung eines Rades und/oder einer Welle, wie beispielsweise in einem Antiblockier-Bremssystem, einem Kurbelwellensensor und einem Nockenwellensensor eines Kraftfahrzeugs, zu erfassen. Die Steuereinheit 262 ist mit dem Magnetfeldsensor 200 über einen Signalpfad 264 elektrisch gekoppelt. Die Steuereinheit 262 besitzt einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder eine andere geeignete Logikschaltungsanordnung zum Steuern der Operation des Magnetfeldsensors 200 und zum Bestimmen der Drehzahl- und Positionsinformationen aus den durch die GMR-Erfassungselemente 106 detektierten Magnetfeldveränderungen. Obwohl nicht dargestellt, wird angemerkt, dass gemäß einer Ausführungsform Abschnitte und/oder alles der Steuereinheit 262 als integrierte Schaltungen als Teil des Magnetfeldsensorchips 104 ausgebildet sein können.
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Unter Verwendung des nichtmagnetischen Materials 170, um das geformte magnetische Material 120 von zumindest ausgewählten Umfangsseiten des Magnetfeldsensorchips 104 zu beabstanden, um Magnetfeldverzerrungen zu verringern und/oder zu beseitigen, die durch den ferromagnetischen Leiterrahmen 102 verursacht werden, wie vorstehend beschrieben, können die physikalischen Abmessungen des geformten magnetischen Materials 120 verringert werden, während immer noch ein Magnetfeld mit einer seitlichen Komponente bereitgestellt wird, die unter einem Sättigungspegel der magnetoresistiven Erfassungselemente liegt. An sich können die Größe, das Gewicht und die Kosten des Magnetfeldsensors 200 relativ zu herkömmlichen Sensoren verringert werden.
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Obwohl spezifische Ausführungsformen hierin dargestellt und beschrieben wurden, ist für den Fachmann auf dem Gebiet zu erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen gegen eine Vielfalt von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen ausgetauscht werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hierin erörterten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist vorgesehen, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.
