DE102011077228A1

DE102011077228A1 - Durchgangs-vorspannungs-pol für igmr-geschwindigkeitserfassung

Info

Publication number: DE102011077228A1
Application number: DE102011077228A
Authority: DE
Inventors: James Sterling
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2011-12-08
Also published as: US9170309B2; US20110298451A1; US20150377651A1; US9383227B2

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Erfassungssystem, das ein Magnetcodiererrad mit abwechselnden magnetischen Polbereichen entlang eines Umfangs desselben umfasst. Das Magnetcodiererrad ist konfiguriert, um sich um eine erste Achse zu drehen. Das Erfassungssystem umfasst ferner ein Magnetfelderfassungselement in räumlichen Beziehung zu dem Magnetcodiererrad, das ausgerichtet ist, um Magnetfeldkomponenten zu erfassen, die sich im Allgemeinen in einer Richtung parallel zu einer zweiten Achse erstrecken, die senkrecht zu der ersten Achse ist. Das Erfassungssystem umfasst ferner ein magnetflussbeeinflussendes Element, das konfiguriert ist, um Magnetfeldkomponenten zu beeinflussen, die den abwechselnden magnetischen Polbereichen des magnetischen Codierers zugeordnet sind, um Magnetfeldkomponenten zu reduzieren, die der ersten Achse zugeordnet sind.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Magneterfassungssysteme, wie z. B. für Drehgeschwindigkeit, Beschleunigung und Drehrichtung eines Drehelements, wie z. B. einer Welle oder eines Getrieberades bei Anwendungen im Automobilbau oder Anwendungen anderer Art.
Bei vielen Anwendungen ist es nützlich, Änderungen des Magnetfeldes zu erfassen, um eine Translationsbewegung, Rotationsbewegung, Nähe, Geschwindigkeit und ähnliches zu verfolgen. Dementsprechend werden Magnetfeldsensoren bei einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet, um feine (oder grobe) Änderungen des Magnetfeldes zu erfassen.
Magnetfeldsensoren werden häufig bei industriellen Anwendungen im großen Stil verwendet, wie z. B. bei Automobilen. Zum Beispiel werden Magnetfeldsensoren häufig verwendet, um den Winkel einer Kurbelwelle oder Nockenwelle zu erfassen, und können ferner verwendet werden, um die Reifendrehgeschwindigkeit und einer Menge anderer Bedingungen zu messen. Magnetfeldsensoren werden ferner in kleinen Vorrichtungen verwendet, wie z. B. Computer. Zum Beispiel sind magnetoresistive Sensoren gegenwärtig die vorherrschende Technik, die für Leseköpfe bei Computerfestplatten verwendet wird. Aufgrund des großen Anwendungsbereichs sind Verbesserungen an Magnetfeldsensoren ein wertvoller Beitrag auf dem Markt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Erfassungssystem und einen Magnetfeldsensor mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die nachfolgende Beschreibung zeigt eine vereinfachte Zusammenfassung der Offenbarung, um ein grundlegendes Verständnis einiger Aspekte der Offenbarung zu geben. Diese Zusammenfassung ist keine umfassende Übersicht der Offenbarung und soll auch nicht wesentliche oder kritische Elemente der Offenbarung identifizieren oder den Schutzbereich der Offenbarung abgrenzen. Stattdessen ist es der Zweck der Zusammenfassung, einige Konzepte der Offenbarung auf vereinfachte Weise als Einleitung für die detailliertere Beschreibung vorzulegen, die später gegeben wird.
Es wird ein Erfassungssystem geliefert und dieses weist ein Magnetcodiererrad auf, das wechselnde magnetische Polbereiche entlang eines Umfangs desselben aufweist, wobei das Magnetcodiererrad konfiguriert ist, um sich um eine erste Achse zu drehen. Das System weist ferner ein Magnetfelderfassungselement in räumlicher Beziehung zu dem Magnetcodiererrad auf und ist ausgerichtet, um Magnetfeldkomponenten zu erfassen, die sich im Wesentlichen in einer Richtung parallel zu einer zweiten Achse erstrecken, die senkrecht zu der ersten Achse ist. Das System weist ferner ein magnetflussbeeinflussendes Element auf, das konfiguriert ist, um Magnetfeldkomponenten zu beeinflussen, die den wechselnden magnetischen Polbereichen des magnetischen Codierers bzw. Magnetcodierers zugeordnet sind, um Magnetfeldkomponenten zu reduzieren, die der ersten Achse zugeordnet sind.
Die nachfolgende Beschreibung und beiliegende Zeichnungen zeigen detailliert bestimmte darstellende Aspekte und Implementierungen der Offenbarung. Diese sind darstellend für einige der verschiedenen Möglichkeiten, wie die Prinzipien der Offenbarung eingesetzt werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Giant-Magnetoresistenz-Erfassungselement;
2a und 2b wie die Streuungswahrscheinlichkeit unterschiedliche Magnetoresistenzen für zwei unterschiedliche erfasste externe Magnetfelder erklärt;
3 einen Graphen, der unterschiedliche Magnetoresistenzen für unterschiedliche Beträge einer bestimmten Magnetfeldkomponente darstellt;
4 eine perspektivische Ansicht eines Magnetsensorsystems, das ein Magnetcodiererrad und ein Magnetfelderfassungselement einsetzt;
5 eine fragmentarische Ansicht eines Magnetfeldsensors in der Nähe eines Magnetcodiererrades, das ein Magnetfeld liefert, und die verschiedenen Feldkomponenten, die als Flusslinien dargestellt sind;
6 ein axial verschobenes Magnetfelderfassungselement in der Nähe eines Magnetcodiererrades;
7 eine fragmentarische Ansicht einer Magnetfelderfassungseinrichtung, die weg von der Achse geneigt ist, in der Nähe zu einem Magnetcodiererrad, das ein Magnetfeld liefert, und die verschiedenen Feldkomponenten, die als Flusslinien dargestellt sind;
8 fragmentarische Ansichten eines Magnetfeldsensors in der Nähe zu einem Magnetcodiererrad, das ein Magnetfeld liefert, und einen Magnetfeldsensor mit einem zugeordneten Durchgangspol, und die verschiedenen Feldkomponenten, die als Flusslinien dargestellt sind, die zu einer bevorzugten Achse umgeleitet sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9a und 9b isometrische Ansichten, die ein Durchgangspolstück darstellen, das um eine integrierte Schaltung gewickelt ist, die einen Magnetfeldsensor enthält, und das allein stehende Durchgangspolstück, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 fragmentarische Ansichten eines gekippten Magnetfeldsensors in der Nähe zu einem Magnetcodiererrad, das ein Magnetfeld liefert, und einen gekippten Magnetfeldsensor mit einem zugeordneten Durchgangspol, und die verschiedenen Feldkomponenten, die als Flusslinien dargestellt sind und zu einer bevorzugten Achse gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umgeleitet sind;
11 einen Graphen, der die Verbesserung bei dem Jitter-Verhalten darstellt, geliefert durch das Polstück für Situationen, in denen das Magnetfelderfassungselement eine axiale Verschiebung im Hinblick auf seine nominale Position erfährt;
12 ein Querschnittdiagramm, das ein Gehäuse für eine integrierte Schaltung darstellt mit einem Chip, der ein Magnetfelderfassungselement auf demselben enthält, und einem Polstück, das in das Gehäuse integriert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
13 ein Querschnittdiagramm, das einen integrierten Schaltungschip mit einem Magnetfelderfassungselement aufweist, der darauf gebildet ist, und ein Polstück, das in die integrierte Schaltung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel integriert ist.
Die vorliegende Offenbarung wird nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um durchgehend Bezug auf die gleichen Elemente zu nehmen, und in denen die dargestellten Strukturen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Obwohl verschiedene dargestellte Ausführungsbeispiele als eine Hardwarestruktur beschrieben und dargestellt sind, können die Funktionalität und die entsprechenden Merkmale des vorliegenden Systems auch durch entsprechende Softwareroutinen oder eine Kombination aus Hardware und Software ausgeführt werden. Somit sollte die vorliegende Offenbarung nicht auf eine bestimmte Implementierung begrenzt sein und kann aufgebaut sein, um jegliche Implementierung abzudecken, die in das Wesen und den Schutzbereich der Ansprüche fällt. Nichts in dieser detaillierten Beschreibung ist als Stand der Technik zugelassen.
Erfassungssysteme, die einen Magnetfeldsensor verwenden, wie z. B. einen Giant-Magnetoresistenz-Sensor (GMR-Sensor; GMR = giant magnetoresistance), sind zahlreich. Ein beispielhaftes Erfassungssystem, das einen solchen Magnetfeldsensor verwendet, ist eine Magnetcodiereranwendung. Bei einer Magnetcodiereranwendung wird ein Magnetcodiererrad verwendet, um die Drehgeschwindigkeit, Position, Beschleunigung und Drehrichtung einer Welle oder eines Getrieberades zu erfassen. Das Codiererrad weist mehrere magnetische Bereiche (z. B. kleine Dauermagneten) entlang des Reifenumfangs auf, und solche Bereiche erzeugen eine Magnetfeldstruktur. Wenn sich das Codiererrad dreht, wodurch verursacht wird, dass die Magnetbereiche lokal einen Magnetfeldsensor passieren, erfasst der Sensor die Änderung bei der Magnetfelddichte.
Es gibt verschiedene Typen von Magnetfeldsensoren und alle solchen Magnetfeldsensoren werden derart betrachtet, dass sie in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen. Ein Typ eines Magnetfeldsensors ist der GMR-Sensor, wobei ein vereinfachter Teil eines solchen GMR-Sensors in 1 bei Bezugszeichen 10 dargestellt ist. Der GMR-Sensor 10 weist zumindest drei Schichten auf und üblicherweise mehrere solcher Schichten, wobei solche Schichten eine festgelegte Schicht (pinned layer) 12, eine Abstandhalterschicht 14 und eine freie Schicht 16 aufweisen. Die festgelegte Schicht 12, die auch manchmal die Hartschicht genannt wird, weist eine feste magnetische Ausrichtung auf, deren Richtung nicht durch ein extern angelegtes Magnetfeld geändert werden kann. Der Sensor 10 weist ferner die freie Schicht 16 auf, die manchmal als Weichschicht bezeichnet wird, die eine variable magnetische Ausrichtung aufweist, die im Wesentlichen der Richtung eines extern angelegten Magnetfeldes folgt. Die festgelegte Schicht 12 und die freie Schicht 16 sind getrennt und magnetisch voneinander durch die nichtmagnetische Abstandhalterschicht 14 entkoppelt, die zwischen denselben angeordnet ist.
Der GMR-Sensor 10 aus 1 arbeitet basierend auf der GMR-Wirkung, was eine quantenmechanische Magnetoresistenz-Wirkung ist, die bei Dünnfilmstrukturen beobachtet wird, die aus abwechselnden ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten bestehen. Das Bewegen durch den Stapel aus Magnetschichten, die durch nichtmagnetische Schichten getrennt sind, kann als Schnittstellenstreuung von leitenden Elektronen gesehen werden. Wie in 2a und 2b dargestellt ist, weist jedes Elektron 20 einen Spin auf, der entweder „aufwärts” oder „abwärts” gerichtet sein kann (basierend auf der Spindrehung). Die Streuungswahrscheinlichkeit der Elektronen hängt von der Ausrichtung des Spins und der Magnetbewegung der Schicht ab. Eine parallele Ausrichtung (parallele Ausrichtung zwischen der festgelegten Schicht 12 und der freien Schicht 16) ergibt eine niedrige Streuungswahrscheinlichkeit (d. h. einen niedrigen Widerstandswert), wie in 2a gezeigt ist, während eine antiparallele Ausrichtung, wie in 2b dargestellt ist, zu einer hohen Streuungswahrscheinlichkeit führt und daher zu einem hohen elektrischen Widerstandswert. Die Struktur, die in 1 hervorgehoben ist, wird manchmal als Spinventil-GMR bezeichnet.
Wie gezeigt ist, variiert der elektrische spezifische Widerstand der Struktur basierend auf der Magnetisierungsausrichtung der festgelegten Schicht 12 im Hinblick auf die freie Schicht 16. Somit variiert die Richtung eines extern angelegten Magnetfeldes den elektrischen spezifischen Widerstand des Sensors basierend auf seiner Richtung oder der Vektorkomponentenrichtung. Auf die obige Weise ist die GMR eine Magnetoresistenz, deren Wert eine erfasste Richtung eines externen Magnetfeldes reflektiert. Genauer gesagt kann der elektrische spezifische Widerstand in 3 genauer charakterisiert werden. Wie gezeigt ist, erreicht der Widerstand für ein extern angelegtes Magnetfeld +Bk, das in der im Allgemeinen entgegengesetzten Richtung (antiparallel) zu der Ausrichtung der festgelegten Schicht 12 (ausgerichtet in der -x-Richtung) ausgerichtet ist, einen maximalen Betrag (Rmax), wonach der Widerstandswert sättigt. Auf ähnliche Weise erreicht der Widerstandswert für ein extern angelegtes Magnetfeld, das im Allgemeinen parallel zu der festgelegten Schicht 12 in der -x-Richtung erzeugt wird, ein Minimum, Nicht-Null-Betrag (Rmin), wonach der Widerstandswert ebenfalls sättigt. Zwischen solchen Sättigungsbereichen (–Bk < Bx < +Bk) ist das Magnetoresistenz-Widerstandswertprofil (resistance Profile) des Sensors 10 im Allgemeinen eine lineare Funktion.
Bezug nehmend allgemein auf 4 wird ein Erfassungssystem 30 mit einem Magnetcodiererrad 32 und einem Magnetfelderfassungselement 34 bereitgestellt. Zu Zwecken der Erklärung wird ein kartesisches Koordinatenachsensystem bereitgestellt, um bei der Erklärung zu helfen, wie die verschiedenen Feldkomponenten der Magnetfelder durch das Magnetfelderfassungselement erfasst werden. Wie in 4 gezeigt ist, umfasst das Magnetcodiererrad abwechselnde Polmagnetbereiche 36 entlang eines Umfangs desselben. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die Magnetbereiche 36 Dauermagneten auf, die so ausgerichtet sind, dass ihre jeweiligen Pole um den Umfang des Rades wechseln. Das Magnetcodiererrad dreht sich um eine erste Achse 38 z. B. in einer Richtung 40 im Uhrzeigersinn, wie gezeigt ist. Bei diesem bestimmten Beispiel entspricht die erste Achse 40 der y-Achse und zeigt in die Seite hinein.
Wie deutlich in der Figur gezeigt ist, führen die abwechselnden Magnetbereiche 36 zu Magnetfeldern 42, die genauer als Magnetfeldlinien oder Flusslinien 44 dargestellt sind. Wie gezeigt ist, entspringen die Magnetfeldlinien 44 an dem ersten oder Nord-Pol 46 und enden oder terminieren an dem zweiten oder Süd-Pol 48. Das Magnetfelderfassungselement 34 ist in räumlicher Nähe zu dem Codiererrad 32 derart, dass die Magnetfeldlinien 44 dort erfasst werden, wenn sich das Rad 32 um die erste Achse 38 in der Richtung 40 im Uhrzeigersinn dreht. Bei diesem Beispiel ist ein einzelnes Magnetfelderfassungselement innerhalb eines Sensorgehäuses 50 dargestellt, wie z. B. eines Gehäuses einer integrierten Schaltung, jedoch können mehrere Sensoren eingesetzt werden (bei einem einzelnen IC-Gehäuse oder bei mehreren Gehäusen), und solche alternativen Ausführungsbeispiele werden derart betrachtet, dass sie in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
Wie in 4 dargestellt ist, sind die Magnetfeldkomponenten der Magnetfelder 42 an dem Sensorelement 34 primär in einer Richtung parallel zu der zweiten Achse (z. B. der x-Achse) oder einer dritten Achse (z. B. der z-Achse), wobei die erste, zweite und dritte Achse zueinander senkrecht oder orthogonal zueinander sind. Daher ist die Drehachse des Rades parallel zu der ersten oder y-Achse, während die Pole 36 an dem Punkt, an dem sie das Magnetfeldsensorelement 34 passieren, sich im Allgemeinen tangential zu und in einer Richtung parallel zu der zweiten oder x-Achse bewegen.
Idealerweise weist das Magnetfeld 42, das an dem Magnetfeldsensor 34 erfasst wird, nur eine x-Achsen-Komponente Bx auf, während die anderen Feldkomponenten By = Bz = 0 sind. Somit, wenn sich das Rad z. B. bei einer konstanten Geschwindigkeit dreht, ist die Zeitabhängigkeit von Bx, das an dem Magnetfelderfassungselement 32 erfasst wird, sinusförmig. Wenn sich die Drehgeschwindigkeit ändert, werden solche Änderungen in Phasen- und/oder Frequenzänderungen des resultierenden Signals erfasst. Ideale Bedingungen jedoch existieren nicht, und By und Bz sind nicht gleich 0. Genauer gesagt führt die By-Magnetfeldkomponente ungleich Null, die durch das Magnetfelderfassungselement erfasst wird, zu Jitter, was die Messempfindlichkeit des Erfassungssystems 30 verunglimpft. Genauer gesagt hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckt, dass verschiedene Positionierungsfragen des Erfassungsmagnetfeldsensors 34 im Hinblick auf das Codiererrad 32 das Systemverhalten beeinflussen.
5 stellt das Erfassungssystem 30 aus 4 gedreht um 90 Grad derart dar, dass die zweite Achse (d. h. die x-Achse) nun in die Seite gerichtet ist. Diese Drehung des Systems 30 hilft dabei, die Rolle des Orts des Magneterfassungselements 34 im Hinblick auf das Codiererrad 32 besser zu verstehen. In der Darstellung von 5 liegt das Magnetfelderfassungselement 34 in einer Sollposition bzw. nominalen Position, wobei der Sensor 34 mit der Mitte des Codiererrades 32 in der x-Richtung ausgerichtet ist, zentriert in der y-Richtung und nominal beabstandet (im Hinblick auf den Luftzwischenraum) in der z-Richtung. In einer solchen Sollposition sind die Bx-Komponente und die Bz-Komponente ungefähr gleich und By ist ungefähr null (aufgrund der symmetrischen Aufhebung aufgrund der Überlagerung).
6 stellt einen Systemzustand dar, in dem das Magnetfelderfassungselement 34 in der y-Richtung verschoben ist, derart, dass das Erfassungselement 34 nicht in der y-Richtung im Hinblick auf das Codiererrad 32 ausgerichtet ist. Genauer gesagt, wie in 6 gezeigt ist, ist die Sensorsollposition in gestrichelten Linien gezeigt, während die neue Versatzposition von der Sollposition in der +y-Richtung versetzt ist. Eine solche axiale Verschiebung hat eine Auswirkung darauf, wie die Magnetfelder, die durch das Codiererrad 32 erzeugt werden, den Sensor 34 beeinflussen. Im Vergleich zu den Feldern von der Sollposition (z. B. Bx₀, By₀, Bz₀) sind die Feldkomponenten, die durch den Sensor 34 an der versetzten Position erfasst werden Bx, By und Bz, wobei Bx < Bx₀, By ≫ By₀ und Bz < Bz₀ (als absolute Werte). Abhängig von verschiedenen Faktoren, wie z. B. Codiererradentwurf, wie z. B. Radgewicht, kann eine solche Verschiebung Phasenjitter erhöhen, wodurch das Verhalten verschlechtert wird. Eine solche Verschiebung kann ferner Geschwindigkeits- und Richtungssignaldaten negativ beeinflussen.
7 stellt einen Systemzustand dar, in dem das Magnetfelderfassungselement 34 einen Drehfehler um die x-Achse zeigt. Dieser Drehfehler beeinträchtigt die Magnetfeldkomponenten, die durch den Sensor erfasst werden (Bx, By, Bz) wie folgt: Bx ≈ Bx₀, By ≫ By₀ und Bz < Bz₀. Aufgrund der dargestellten Kippung oder dem x-Achsen-Drehfehler ist die z-Komponente der Sollposition jetzt in der y-Ebene, was zu einer wesentlichen Erhöhung bei der y-Komponente By führt. Wie oben angegeben ist, beeinträchtigt die Erhöhung von By Phasenjitter negativ und potentiell die Geschwindigkeits- und Richtungssignale.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat die obigen Probleme erkannt und erkannte ferner, dass eine Reduzierung der By-Feldkomponenten trotz axialer Verschiebung und Sensorkippung wesentliche Verbesserungen bei einem solchen Magnetfeldsensor liefern würde. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Pol in Verbindung mit dem Magnetfelderfassungselement, um die problematischen y-Achsen-Feldkomponenten zu der bevorzugten x-Achse zu drängen oder umzuleiten.
8 stellt ein Magnetfelderfassungselement 34 mit einem Pol 60 dar, der an einen Abschnitt des Sensorgehäuses angrenzt und diesen bei einem Ausführungsbeispiel umgibt. Bei dem in 8 dargestellten Beispiel erstreckt sich der Pol 60 entlang dem Sensor in der x-Richtung (in die Seite), während er die Seiten des Gehäuses in der z-Richtung umgibt. Somit liefert ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Eisenpolmaterial mit einer z-Achsen-Umfassung, die zu der Rückseite des Magnetsensorgehäuses hinzugefügt ist, was funktioniert, um die problematischen By-Feldkomponenten zu der bevorzugten x-Richtung zu leiten oder zu übertragen. Wie in 8 gezeigt ist, ist auf der linken Seite ein Bild eines Erfassungselements 34 ohne ein Polstück 60 gezeigt. In der Figur sind die Magnetfeldlinien 44 gezeigt und wie sie in der positiven und negativen y-Richtung driften. Wie auf der rechten Seite der Figur gezeigt ist, verursacht das Polstück 60, dass die Magnetfeldlinien 62 verlängert werden, und die y-Komponenten der Felder werden zu der gewünschten x-Achse gezogen. Diese Umleitung der Magnetfelder führt zu einer besseren Luftzwischenraumfähigkeit und einem verbesserten Jitter-Verhalten. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Verhalten des Pols optimiert, dadurch dass er sich entlang der vollen Länge 64 des Sensors (z. B. GMR-Sensors) innerhalb des Gehäuses 66 erstreckt, und das Polstück 60 oder die Hülle entlang der gesamten Breite des IC-Gehäuses verläuft (in die Seite). Alternativ kann sich das Polstück 60 entlang der gesamten Länge des Gehäuses erstrecken und andere Formen oder Geometrien aufweisen.
9a und 9b sind isometrische Ansichten des Magneterfassungselements in einem Gehäuse 70 mit einem Polstück 60, das das Gehäuse in Eingriff nimmt, z. B. einen Teil des Gehäuses umgibt. 9b stellt nur das Polstück 60 in isometrischer Ansicht dar. Bei dem Beispiel, das in 9a und 9b gegeben ist, ist das Eisenpolstück 60 zu der Rückseite der integrierten Schaltung hinzugefügt und ist physisch daran befestigt. Alternativ wird jedes Polstück in physischer Nähe zu dem Magnetfeldsensor, das wirksam ist, die y-Komponenten-Felder hin zu der x-Achse umzuleiten, derart betrachtet, dass es in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fällt.
10 stellt die Wirkung dar, die das Polstück 60 auf die Magnetfeldlinien 62 hat und wie die x-Achsen-Kippwirkungen durch die vorliegende Erfindung verringert werden. Wie gezeigt ist, sind die Magnetfeldlinien 62 verlängert und hin zu der dichten, bevorzugten x-Achse gerichtet.
11 ist ein Graph, der das Jitter-Verhalten für ein Codiererradsensorsystem für variierende Beträge an Versatz oder axialer Verschiebung darstellt. Der Jitter-Verhalten-Graph liefert zwei unterschiedliche Zustände, einen für das Magnetfelderfassungselement ohne ein Polstück 100 und einen für das Magnetfelderfassungselement mit einem Polstück 102. Wie durch die zwei Graphen gezeigt ist, liefert das Polstück eine wesentliche Verbesserung bei dem Jitter-Verhalten, wenn der Sensor an seinem optimalen Ort (ohne Versatz) ist, sowie bei allen Versatzbeträgen. Tatsächlich, wenn der Versatzbetrag oder die axiale Verschiebung zunimmt, nimmt der Betrag der Verbesserung gegenüber der Kein-Pol-Lösung zu, wobei bei einer Verschiebung von ±2 mm das Jitter-Verhalten ungefähr 3–4 X besser ist mit Durchgangspol 60 als ohne ihn.
Bei den oben erörterten und dargestellten Ausführungsbeispielen z. B. in 9a und 9b wurde das Polstück 90 extern und benachbart zu dem Magneterfassungselement befestigt oder positioniert, das in einem Gehäuse einer integrierten Schaltung vorliegt. Alternativ kann ein Polstück oder ein anderer Typ eines magnetflussbeeinflussenden Elements innerhalb des Gehäuses einer integrierten Schaltung vorliegen. Zum Beispiel, wie in 12 dargestellt ist, ist ein Gehäuse einer integrierten Schaltung 110 dargestellt. Während eine typische Gehäusekonfiguration in 12 dargestellt ist, ist ein unterschiedlicher Gehäusetyp in 9a dargestellt, und es sollte darauf hingewiesen werden, dass jeglicher Typ einer Gehäusekonfiguration einer integrierten Schaltung derart betrachtet wird, dass er in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fällt.
Das Gehäuse 110 weist einen Deckel einer Formmasse bzw. eines Formverbunds 112 oder aus Keramik oder einen anderen Typ eines Deckels auf, der einen integrierten Schaltungschip 114 abdeckt. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Chip ein oder mehrere Magnetfelderfassungselemente auf, die darauf integriert sind. Bonddrähte 115 verbinden die Schaltung von dem Chip 114 elektrisch mit entsprechenden Anschlussleitungen auf einem Leitungsrahmen 116. Alternativ können die Bonddrähte 115 durch Lötkugeln oder andere Anbringelemente ersetzt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine elektrisch isolierende Schicht 118 an eine Rückseite des Leitungsrahmens 116 angebracht oder dort anderweitig gebildet und ein Eisenmaterial, das ein Polstück 120 aufweist, ist daran angebracht, wodurch es elektrisch von dem Leitungsrahmen 116 isoliert ist. Auf die obige Weise kann das Polstück 120 kundenspezifisch im Hinblick auf seine Form hergestellt werden und zuverlässig im Hinblick auf das eine oder die mehreren Magnetfelderfassungselemente positioniert werden, um das Sensorverhalten zu optimieren. Es wird darauf hingewiesen, dass in 12 die Ansicht ein Querschnitt ist, folglich die Polstück-Schleifen- oder Ohrabschnitte nicht dargestellt sind. Würde man das Gehäuse um 90 Grad drehen, waren solche Schleifen- oder Ohrabschnitte bei zumindest einem Ausführungsbeispiel sichtbar, die hochstehen und einen Seitenabschnitt des Schaltungschips 114 abdecken.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Struktur von 12 ist die Leitungsrahmenstruktur 116 selbst aus Eisenmaterial gebildet oder damit abgedeckt, entweder vollständig oder teilweise. Mit dieser Struktur wird das Polstück 120 ein ganzstückiger Teil des Leitungsrahmens 116, wodurch die Gesamtanzahl von Teilen reduziert wird und eine Flexibilität bei der Gestaltung seiner Form und Struktur gegeben wird.
Bei einem anderen, alternativen Ausführungsbeispiel ist ein Polstück in den Chip integriert, der das Magnetfelderfassungselement enthält, wie in 13 dargestellt ist. 13 zeigt eine Draufsicht eines Chips 130 mit einem Halbleiter oder einem Substrat 132 eines anderen Typs, auf dem ein oder mehrere Magnetfelderfassungselemente 134 aufgebaut sind, zusammen mit einer anderen Stützschaltungsanordnung, falls erwünscht. Eine isolierende, dielektrische Schicht ist über und um das Substrat 132 und die Schaltungsanordnung 134 gebildet. In der dielektrischen Schicht sind ein oder mehrere Polstücke 138 gebildet, die aus einem Eisenmaterial bestehen. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Polstück 138 wie ein Schild, eine Abdeckung oder eine Hülle gebildet, die das Magnetfelderfassungselement 134 umgibt. Alternativ nähert sich das Polstück 138 einfach den Abmessungen des einen oder der mehreren Sensoren an. Ferner, während 13 das Polstück 138 auf einer vorderen oder oberen Seite des Chips darstellt, kann eine alternative Anordnung mit einer Konfiguration vom Typ eines Flip-Chips eingesetzt werden, bei dem die Oberseite des Chips umgedreht wurde und mit einem Leitungsrahmen oder einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB; printed circuit board) z. B. über Lötkugeln gekoppelt ist. Bei einer solchen Anordnung kann eine dielektrische Schicht 136 das Polstück 138 auf oder in dem Rückseitenabschnitt des Chips enthalten oder umfassen, je nach Wunsch. Jeglicher solcher Typ einer Integrationsalternative wird derart betrachtet, dass er in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fällt.
Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen ausgeführt werden (Einheiten, Knoten, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme etc.), sollen die Ausdrücke (was eine Bezugnahme auf eine „Einrichtung” umfasst), die zum Beschreiben solcher Komponenten verwendet werden, außer anderweitig angegeben, jeglicher Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (die z. B. funktional entsprechend ist), obwohl sie nicht entsprechend der offenbarten Struktur strukturiert ist, die die Funktion in den hierin dargestellten exemplarischen Implementierungen der Offenbarung ausführt. Zusätzlich dazu, während möglicherweise ein bestimmtes Merkmal der Offenbarung im Hinblick auf nur eine von verschiedenen Implementierungen offenbart wurde, kann ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie es für jegliche gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Ferner, falls die Ausdrücke „umfassen”, „umfasst”, „haben”, „hat”, „mit” oder Varianten derselben entweder in der detaillierten Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, sollen solche Ausdrücke ähnlich zu dem Ausdruck „aufweisen” umfassend sein.

Claims

Erfassungssystem (30), das folgende Merkmale aufweist: ein Magnetcodiererrad (32), das abwechselnde magnetische Polbereiche (36) entlang eines Umfangs desselben aufweist, wobei das Magnetcodiererrad (32) konfiguriert ist, um sich um eine erste Achse (38) zu drehen; ein Magnetfelderfassungselement (34) in räumlicher Beziehung zu dem Magnetcodiererrad (32) und ausgerichtet, um Magnetfeldkomponenten zu erfassen, die sich im Allgemeinen in einer Richtung parallel zu einer zweiten Achse erstrecken, die senkrecht zu der ersten Achse ist; und ein magnetflussbeeinflussendes Element, das konfiguriert ist, um Magnetfeldkomponenten zu beeinflussen, die den abwechselnden magnetischen Polbereichen des Magnetcodierers zugeordnet sind, um Magnetfeldkomponenten zu reduzieren, die der ersten Achse zugeordnet sind.
Erfassungssystem (30) gemäß Anspruch 1, bei dem das magnetflussbeeinflussende Element eine Struktur aufweist, die einen Eisenweg aufweist, der konfiguriert ist, um Magnetfelder umzuleiten, um dadurch Komponenten der Magnetfelder zu verringern, die einer Richtung zugeordnet sind, die parallel zu der ersten Achse ist, und um gleichzeitig Komponenten der Magnetfelder in einer Richtung zu verstärken, die parallel zu der zweiten Achse ist.
Erfassungssystem (30) gemäß Anspruch 2, bei dem das magnetflussbeeinflussende Element eine Struktur aufweist, die ein Polstück aufweist, das sich in einer Richtung parallel zu der ersten Achse eine erste Distanz erstreckt, und sich in einer Richtung parallel zu der zweiten Achse eine zweite Distanz erstreckt, wobei die zweite Distanz größer ist als die erste Distanz.
Erfassungssystem (30) gemäß Anspruch 3, bei dem die erste Distanz des Polstücks ungefähr gleich zu einer Breite des Magnetfelderfassungselements ist.
Erfassungssystem (30) gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem sich das Polstück um zumindest einen Teil des Magnetfelderfassungselements wickelt, wodurch ein Weg mit relativ gesehen niedrigerem magnetischem Widerstandswert durch das Magnetfelderfassungselement geliefert wird im Vergleich zu Wegen, die lateral von dem Magnetfelderfassungselement in Richtungen parallel zu der ersten Achse versetzt sind.
Erfassungssystem (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Magnetfelderfassungselement einen Giant-Magnetoresistenz-Sensor (GMR-Sensor) oder einen anisotropen Magnetoresistenz-Sensor (AMR-Sensor) aufweist.
Erfassungssystem (30) gemäß Anspruch 6, bei dem das Magnetfelderfassungselement einen GMR-Sensor aufweist, das folgende Merkmale aufweist: eine festgelegte Schicht (12) mit einer festen magnetischen Ausrichtung; eine freie Schicht (16) mit einer magnetischen Ausrichtung, die variiert, um einer Richtung eines externen Magnetfeldes zu folgen; und eine Abstandhalterschicht (14), die zwischen der festgelegten Schicht und der freien Schicht angeordnet ist und konfiguriert ist, um die festgelegte Schicht und die freie Schicht zu trennen und magnetisch zu entkoppeln, wobei eine magnetische Ausrichtung der freien Schicht basierend auf einem externen Magnetfeld und der festgelegten Schicht eine Streuungswahrscheinlichkeit von Elektronen beeinflusst, wenn sie sich durch den GMR-Sensor bewegen, wodurch ein elektrischer spezifischen Widerstand derselben beeinflusst wird.
Erfassungssystem (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Magnetfelderfassungselement in einem Gehäuse einer integrierten Schaltung vorliegt, und bei dem das magnetflussbeeinflussende Element ein Eisenpolstück aufweist, das an eine externe Oberfläche des Gehäuses der integrierten Schaltung angebracht ist.
Erfassungssystem gemäß Anspruch 8, bei dem das Eisenpolstück im Hinblick auf das Gehäuse der integrierten Schaltung ausgerichtet ist, um eine Magnetflussdichte von Magnetfeldkomponenten in der zweiten Richtung zu erhöhen.
Erfassungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Magnetfelderfassungselement und ein Eisenpolstück innerhalb eines Gehäuses einer integrierten Schaltung vorliegen, und bei dem das Gehäuse der integrierten Schaltung im Hinblick auf das Magnetcodiererrad ausgerichtet ist, um eine Magnetflussdichte von Magnetfeldkomponenten in der zweiten Richtung zu erhöhen.
Erfassungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Magnetfelderfassungselement und das magnetflussbeeinflussende Element beide auf einem einzelnen integrierten Schaltungschip integriert sind.
Erfassungssystem gemäß Anspruch 11, bei dem das magnetflussbeeinflussende Element ein Eisenmaterial aufweist, das in einer oder mehreren oberen Metallisierungsschichten des einzelnen integrierten Schaltungschips gebildet ist.
Magnetfeldsensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Magnetfelderfassungselement, das konfiguriert ist, um Magnetfeldkomponenten zu erfassen, die sich im Allgemeinen in einer Richtung parallel zu einer bevorzugten Achse erstrecken; und ein magnetflussbeeinflussendes Element, das konfiguriert ist, um Magnetfeldkomponenten zu beeinflussen, die einer Magnetfeldquelle zugeordnet sind, um Magnetfeldkomponenten zu reduzieren, die zumindest einer von einer oder mehreren orthogonalen Achsen zugeordnet sind, die sich von der bevorzugten Achse unterscheiden und orthogonal zu derselben sind.
Sensor gemäß Anspruch 13, bei dem das magnetflussbeeinflussende Element eine Struktur aufweist, die einen Eisenweg aufweist, der konfiguriert ist, um Magnetfelder umzuleiten, um dadurch Komponenten der Magnetfelder zu verringern, die einer Richtung zugeordnet sind, die parallel zu zumindest einer von einer oder mehreren orthogonalen Achsen ist, und gleichzeitig Komponenten der Magnetfelder in einer Richtung verstärkt, die parallel zu der bevorzugten Achse ist.
Sensor gemäß Anspruch 14, bei dem das magnetflussbeeinflussende Element, das eine Struktur aufweist, ein Polstück aufweist, das sich in einer Richtung parallel zu der bevorzugten Achse um eine erste Distanz erstreckt und sich in einer Richtung parallel zu der zumindest einen der einen oder mehreren orthogonalen Achsen um eine zweite Distanz erstreckt, wobei die zweite Distanz größer ist als die erste Distanz.
Sensor gemäß Anspruch 15, bei dem die erste Distanz des Polstücks ungefähr gleich einer Breite des Magnetfelderfassungselements ist.
Sensor gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem sich das Polstück um zumindest einen Teil des Magnetfelderfassungselements wickelt, wodurch ein Weg mit relativ gesehen niedrigerem magnetischem Widerstandswert durch das Magnetfelderfassungselement geliefert wird im Vergleich zu Wegen, die lateral von dem Magnetfelderfassungselement in Richtungen parallel zu der einen oder den mehreren orthogonalen Achsen angeordnet sind.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem das Magnetfelderfassungselement einen Giant-Magnetoresistenz-Sensor (GMR-Sensor) oder einen anisotropen Magnetoresistenz-Sensor (AMR-Sensor) aufweist.
Sensor gemäß Anspruch 18, bei dem das Magnetfelderfassungselement einen GMR-Sensor aufweist, der folgende Merkmale aufweist: eine festgelegte Schicht mit einer festen magnetischen Ausrichtung; eine freie Schicht mit einer magnetischen Ausrichtung, die variiert, um einer Richtung eines externen Magnetfeldes zu folgen; und eine Abstandhalterschicht, die zwischen der festgelegten Schicht und der freien Schicht angeordnet ist und konfiguriert ist, um die festgelegte Schicht und die freie Schicht zu trennen und magnetisch zu entkoppeln, wobei eine magnetische Ausrichtung der freien Schicht basierend auf einem externen Magnetfeld und der festgelegten Schicht eine Streuungswahrscheinlichkeit von Elektronen beeinflusst, wenn sie sich durch den GMR-Sensor bewegen, wodurch ein elektrischer spezifischen Widerstand derselben beeinflusst wird.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem das Magnetfelderfassungselement innerhalb eines Gehäuses einer integrierten Schaltung vorliegt, und bei dem das magnetflussbeeinflussende Element ein Eisenpolstück aufweist, das an eine externe Oberfläche des Gehäuses der integrierten Schaltung angebracht ist.
Sensor gemäß Anspruch 20, bei dem das Eisenpolstück im Hinblick auf das Gehäuse der integrierten Schaltung ausgerichtet ist, um eine Magnetflussdichte von Magnetfeldkomponenten in einer Richtung parallel zu der bevorzugten Achse zu verstärken.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 21, bei dem das Magnetfelderfassungselement und ein Eisenpolstück innerhalb eines Gehäuses einer integrierten Schaltung vorliegen.
Sensor gemäß Anspruch 22, bei dem das Eisenpolstück zumindest einen Teil eines Leitungsrahmens innerhalb des Gehäuses der integrierten Schaltung aufweist.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 23, bei dem das Magnetfelderfassungselement und das magnetflussbeeinflussende Element beide auf einem einzelnen, integrierten Schaltungschip integriert sind.