DE102014004625A1 - Sensorvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Sensorvorrichtung zur Unterdrückung eines magnetischen Streufeldes, aufweisend, einen Halbleiterkörper mit einer in einer x-y Ebene ausgebildeten Oberfläche und einer Rückfläche, wobei die x-Richtung und die y-Richtung zueinander orthogonal ausgebildet sind, und der Halbleiterkörper oder die Rückfläche auf einem Träger angeordnet ist, und die Sensorvorrichtung eine erste Pixelzelle und eine zweite Pixelzelle aufweist, wobei beide Pixelzellen in der Oberfläche des Halbleiterkörpers gemeinsam mit einer Schaltungsanordnung integriert sind und jede Pixelzelle einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor aufweist und wobei der erste Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in x-Richtung und der zweite Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in y-Richtung detektiert, und die erste Pixelzelle von der zweiten Pixelzelle entlang einer Verbindungsgeraden beabstandet sind, und wobei der Träger und der Halbleiterkörper in einem gemeinsamen IC-Gehäuse angeordnet sind, und eine in einer z-Richtung ausgebildeten Achse vorgesehen ist, wobei die z-Richtung orthogonal auf der x-y-Ebene ausgebildet ist, und ein Magnet vorgesehen ist, wobei der Magnet eine plane Haupterstreckungsfläche in Richtung der x-y Ebene aufweist und in Richtung der x-y-Ebene eine Magnetisierung mit vier Magnetpolen aufweist, und die Oberfläche des Halbleiterkörpers parallel zu der Haupterstreckungsfläche des Magneten ausgerichtet ist und wobei der Magnet gegenüber der dem IC-Gehäuse um die z-Richtung drehbar gelagert ist, und eine gedachte Verlängerung der Achse die Verbindungsgerade in der Mitte und den Magneten in dem Flächenschwerpunkt der Haupterstreckungsfläche des Magneten durchdringt, wobei das IC-Gehäuse von der Haupterstreckungsfläche des Magneten in z-Richtung beabstandet ist, oder der Magnet als ein in der x-y-Ebene ausgebildeter Ringmagnet ausgebildet ist und das IC-Gehäuse wenigstens teilweise innerhalb des Ringmagneten angeordnet ist und die Magnetpole segmentartig angeordnet sind und die Achse durch die Mitte des Ringes des Ringmagneten verläuft.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der EP 0 916 074 B1 ist eine Sensorvorrichtung für eine Bestimmung des Drehwinkel einer Welle bekannt. Des Weiteren ist aus der WO 2010/060607 A2 ein IC-Gehäuse mit einer integrierten Schaltung und einem magnetischen Sensor bekannt. Benachbart zu dem Gehäuse ist ein Permanentmagnet, dessen magnetischer Fluss den Sensor durchdringt, angeordnet.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
  • Die Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Unterdrückung eines magnetischen Streufeldes bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung aufweist, einen Halbleiterkörper mit einer in einer x-y Ebene ausgebildeten Oberfläche und einer Rückfläche, wobei die x-Richtung und die y-Richtung zueinander orthogonal ausgebildet sind, und der Halbleiterkörper oder insbesondere die Rückfläche des Halbleiterkörpers mit einem Träger verbunden ist, und die Sensorvorrichtung eine erste Pixelzelle und eine zweite Pixelzelle aufweist, wobei beide Pixelzellen in der Oberfläche des Halbleiterkörpers gemeinsam mit einer Schaltungsanordnung integriert sind und jede Pixelzelle einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor aufweist und wobei der erste Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in x-Richtung und der zweite Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in y-Richtung detektiert, und die erste Pixelzelle von der zweiten Pixelzelle entlang einer Verbindungsgeraden beabstandet sind, und wobei der Träger und der Halbleiterkörper in einem gemeinsamen IC-Gehäuse angeordnet sind, und eine in einer z-Richtung ausgebildeten Achse vorgesehen ist, wobei die z-Richtung orthogonal auf der x-y-Ebene ausgebildet ist, und ein Magnet vorgesehen ist, wobei der Magnet eine plane Haupterstreckungsfläche in Richtung der x-y Ebene aufweist und in Richtung der x-y-Ebene eine Magnetisierung mit vier Magnetpolen aufweist, und die Oberfläche des Halbleiterkörpers parallel zu der Haupterstreckungsfläche des Magneten ausgerichtet ist und wobei der Magnet gegenüber der dem IC-Gehäuse um die z-Richtung drehbar gelagert ist, und eine gedachte Verlängerung der Achse die Verbindungsgerade in der Mitte und den Magneten in dem Flächenschwerpunkt der Haupterstreckungsfläche des Magneten durchdringt, wobei das IC-Gehäuse von der Haupterstreckungsfläche des Magneten in z-Richtung beabstandet ist, oder der Magnet als ein in der x-y-Ebene ausgebildeter Ringmagnet ausgebildet ist und das IC-Gehäuse wenigstens teilweise innerhalb des Ringmagneten angeordnet ist und die Magnetpole segmentartig angeordnet sind und die Achse durch die Mitte des Ringes des Ringmagneten verläuft.
  • Es sei ausgeführt, dass die Anordnung mit vier Magnetpolen sich als Quatropolanordnung bezeichnen lässt. Des Weiteren versteht sich, dass durch den Magneten in den Magnetfeldsensoren ein von der Stärke des Magnetfeldes abhängiges Signal induziert wird. Sofern sich die Magnet oder das IC-Gehäuse dreht, weisen die Signale der Magnetfeldsensoren einen sinus- oder kosinusförmigen Verlauf auf.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass durch die Beabstandung von zwei Pixelzellen mit der jeweiligen zweidimensionalen Ausführung der Magnetfeldsensoren in Verbindung mit der Quatropolanordnung des Magneten sowohl der Drehwinkel einer ruhenden Achse oder insbesondere Welle als auch der Drehwinkel einer sich drehenden Welle bestimmen lässt. Anders ausgedrückt die Sensorvorrichtung lässt sich zur Detektion des Drehwinkels der Welle verwenden. Hierzu werden die Signale der Magnetfeldsensoren mit einem differentiellen Auswerteverfahren verarbeitet, d. h. aus den Signalunterschieden zwischen der ersten Pixelzelle und der zweiten Pixelzelle und der vorgegebenen Magnetpolanordnung lässt sich der Drehwinkel der Welle bestimmen. Insbesondere bei einer Start-Stop Automatik eines Kraftfahrzeugs lässt sich hierdurch die Stellung der Kurbelwelle bzw. die Stellung der Nockenwelle auch bei einem ruhenden Motor bestimmen. Ein Anschalten des Motors lässt sich hierdurch erleichtern. Ein anderer Vorteil ist, dass sich durch die doppelte Ausführung von den Magnetfeldsensoren sowohl in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung sich Streufeldeinwirkungen, beispielsweise durch das Erdmagnetfeld oder von Stromleitungen in Elektro-/Hybridkraftfahrzeugen, welche hohe Ströme beispielsweise oberhalb 10 Ampere aufweisen, auf einfache und zuverlässige Weise unterdrücken lassen. Hierdurch lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Unterdrückung von magnetischen Gleichfeldanteilen verwenden.
  • In einer Weiterbildung umfasst jede Pixelzelle einen dritten Magnetfeldsensor, wobei der dritte Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in z-Richtung detektiert und hierbei die z-Richtung orthogonal zu der x-Richtung und orthogonal zu der y-Richtung ausgebildet ist, so dass jede Pixelzelle als ein 3-dimensionaler Magnetfeldsensor ausgeführt ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die beiden Pixelzellen jeweils in der Nähe eines äußeren Rands des Halbleiterkörpers anzuordnen, um hierdurch einen großen Abstand zu einander auszubilden. Es zeigt sich nämlich, dass mit einem wachsenden Abstand zwischen den beiden Pixelzellen die Genauigkeit der Winkelbestimmung der Welle erhöhen lässt. In einer anderen Weiterbildung ist auf dem Halbleiterkörper zwischen und/oder neben den beiden Pixelzellen eine integrierte Schaltung ausgebildet, wobei die integrierte Schaltung in einer elektrischen Wirkverbindung mit den beiden Pixelzellen steht. Insbesondere lassen sich mit der integrierten Schaltung die Magnetfeldsensoren mit einem Betriebsstrom versorgen und das durch das anliegende Magnetfeld induzierte Signal auswerten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Pixelzelle, sowie die Magnetfeldsensoren in der Pixelzelle einen gemeinsamen Schwerpunkt auf, um den magnetischen Fluss in dem jeweils gleichen Punkt je Pixelzelle zu bestimmen. Unter dem jeweiligen gemeinsamen Schwerpunkt wird vorliegend der Kreuzungspunkt der beiden Magnetfeldsensoren in einer der Pixelzellen verstanden. Es versteh sich, dass der Kreuzungspunkt in der Mitte des jeweiligen Magnetfeldsensors liegt, d. h. die verbleibenden Längen des jeweiligen Sensors sind auf beiden Seiten des Kreuzungspunktes gleich lang. In einer Weiterbildung weisen die Magnetfeldsensoren jeweils eine Haupterstreckungsfläche auf, wobei die Haupterstreckungsflächen der Magnetfeldsensoren zu einander orthogonal oder paarweise zueinander rechtwinklig ausgebildet sind.
  • Untersuchungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Magnetfeldsensoren als zueinander orthogonal ausgebildete Hallsensoren auszubilden und hierbei zwei der Hallsensoren als vertikale Hallsensoren anzuordnen, d. h. die Haupterstreckungsfläche der beiden vertikalen Hallsensoren ist jeweils senkrecht zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet. Insbesondere ist es bevorzugt, die Hallsensoren jeweils als Hallplatten auszuführen.
  • In einer anderen Ausführungsform ist der Magnet in der X-Y-Ebene als Kreis ausgebildet ist, wobei der Radius des Kreises größer als die Hälfte der Länge der Verbindungsgeraden ist oder sofern der Magnet nicht als Ringmagnet der Magnet ausgebildet ist, der Magnet als Quadrat ausgebildet ist und die Hälfte der Diagonale des Quadrats größer als die Hälfte der Länge der Verbindungsgeraden ist. Hierdurch werden die Pixelzellen, in einer Projektion entlang einer gedachten Verlängerung in z-Richtung, von der Fläche des Magneten überdeckt und die Empfindlichkeit der Vorrichtung wird erhöht. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Magnetpole als vier gleich große Kreissegmente auszuführen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d. h. die Abstände und die laterale und die vertikale Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:
  • 1 eine Draufsicht auf einen Magneten mit vier Magnetpolen,
  • 2 ein Schnitt entlang einer Achse in einer Z-Richtung,
  • 3a eine perspektivische Ansicht auf einen Ringmagneten entlang einer Achse in einer Z-Richtung
  • 3b eine Schnitt durch den Ringmagneten dargestellt in der Abbildung der 3a.
  • Die Abbildung der 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Magneten 10 mit vier Magnetpolen 12, 14, 16, 18, wobei die einzelnen Kreissegmente der Magnetpole gleich groß ausgeführt sind. Es versteht sich, dass bei den vier Magnetpolen 12, 14, 16 und 18 jeweils zwei Magnetpole 12 und 16 als Nordpole und die zwei weiteren Magnetpole 14 und 18 als Südpole ausgeführt sind. Des Weiteren ist eine erste Pixelzelle 20 mit einem in einer X-Richtung ausgebildeten ersten Magnetfeldsensor 24 und einem in einer Y-Richtung ausgebildeten zweiten Magnetfeldsensor 28 und eine zweite Pixelzelle 30 mit einem in der X-Richtung ausgebildeten ersten Magnetfeldsensor 34 und einem in der Y-Richtung ausgebildeten zweiten Magnetfeldsensor 38 ausgebildet. Die jeweils ersten Magnetfeldsensoren 24 und 34 sind orthogonal zu den jeweils zweiten Magnetfeldsensoren 28 und 38 ausgebildet und weisen einen in der ersten Pixelzelle 20 ausgebildeten ersten Schwerpunkt 42 und einen in der zweiten Pixelzelle 30 ausgebildeten weiteren ersten Schwerpunkt 43 auf.
  • Die Hallplatten weisen jeweils eine in einer Z-Richtung ausgebildete Haupterstreckungsfläche auf, wobei in der dargestellten X-Y-Ebene jeweils nur eine Projektion auf eine schmale Seitenfläche der Hallplatten sichtbar ist. Die erste Pixelzelle 20 und die zweite Pixelzelle 30 sind in der Oberfläche eines Halbleiterkörpers ausgebildet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Halbleiterkörper vorliegend jedoch nicht dargestellt.
  • In der Abbildung der 2 ist ein Schnitt entlang einer Achse 45 dargestellt. Die Achse 45 ist vorliegend als Welle ausgebildet und in Z-Richtung ausgebildet. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1 erläutert. Vorliegend ist der Magnet 10 an einer Stirnseite der Welle angeordnet. In einer gedachten Verlängerung durchstößt die Längsachse der Welle bzw. die Achse 45 den Magneten 10 und einen Halbleiterkörper 50. Der Halbleiterkörper 50 weist eine Oberfläche 52 und eine Rückfläche 54 auf. Der Halbleiterkörper 50 ist in Richtung der Längsachse von dem Magneten 10 beabstandet. Die Pixelzellen 20 und 30 sind an der Oberfläche 52 ausgebildet und voneinander beabstandet. An der Oberfläche 52 des Halbleiterkörpers 50 ist zwischen der ersten Pixelzelle 20 und der zweiten Pixelzelle 30 eine nicht dargestellte integrierte Schaltung ausgebildet. Der Halbleiterkörper 50 ist in einem IC-Gehäuse angeordnet.
  • Sobald sich die Welle mit dem Magneten 10 dreht, wird in den Hallplatten eine Hallspannung induziert, sofern die Hallplatten von einem Betriebsstrom durchflossen sind.
  • In der Abbildung der 3a ist eine perspektivische Ansicht auf einen Ringmagneten 100 ausgebildeten Magneten 10 entlang der Achse 45 in der Z-Richtung dargestellt. Ferner ist in der 3b eine Schnittdarstellung durch den Ringmagneten 100 entsprechend der Abbildung der 3a dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu den vorangegangenen Abbildungen erläutert. Vorliegend sind die vier Magnetpole 12, 14, 16 und 18 und als Kreissegmente des Ringmagneten 100 ausgeführt. In der Mitte weist der Ringmagnet 100 ein Loch 110 mit einem Durchmesser 120 auf, d. h. die Form des Ringmagneten 100 ist vergleichbar mit einem niedrigen in der z-Richtung ausgebildeten Hohlzylinder, wobei jedoch in der Haupterstreckungsebene, d. h. in der x-y-Ebene die Magnetisierung wechselt. Es sei angemerkt, dass in einer nicht dargestellten Ausführungsform der Ringmagnet 100 auch an der Stirnseite einer Welle angeflanscht ist.
  • Die Abbildung der 3b zeigt, dass in dem Loch 110 das IC-Gehäuse mit dem Halbleiterkörper 50 angeordnet ist. Es zeigt sich, dass bei einem Schnitt in z-Richtung durch den Mittelpunkt des Ringmagneten 100 die beiden einander gegenüberliegende Kreissegmente jeweils paarweise die gleiche Magnetisierung aufweisen. Vorliegend liegen sich die beiden Südpole 14 und 18 einander gegenüber. Es versteht sich, dass sowohl der Ringmagnet als auch das IC-Gehäuse gegeneinander um die Achse 45 verdrehbar sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0916074 B1 [0002]
    • WO 2010/060607 A2 [0002]

Claims (13)

  1. Sensorvorrichtung zur Unterdrückung eines magnetischen Streufeldes, aufweisend, einen Halbleiterkörper (50) mit einer in einer x-y Ebene ausgebildeten Oberfläche (52) und einer Rückfläche (54), wobei die x-Richtung und die y-Richtung zueinander orthogonal ausgebildet sind, und der Halbleiterkörper (50) auf einem Träger angeordnet ist, und einer ersten Pixelzelle (20) und einer zweiten Pixelzelle (30), wobei beide Pixelzellen (20, 30) in der Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (50) gemeinsam mit einer Schaltungsanordnung integriert sind und jede Pixelzelle (20, 30) einen ersten Magnetfeldsensor (24, 34) und einen zweiten Magnetfeldsensor (28, 38) aufweist, wobei der erste Magnetfeldsensor (24, 34) ein Magnetfeld in x-Richtung und der zweite Magnetfeldsensor (28, 38) ein Magnetfeld in y-Richtung detektiert, und die erste Pixelzelle (20) von der zweiten Pixelzelle (30) entlang einer Verbindungsgeraden beabstandet ist, und wobei der Träger und der Halbleiterkörper (50) in einem gemeinsamen IC-Gehäuse angeordnet sind, und eine in einer z-Richtung ausgebildeten Achse (45), wobei die z-Richtung orthogonal auf der x-y-Ebene ausgebildet ist, und ein Magnet (10, 100) vorgesehen ist, wobei der Magnet (10, 100) eine plane Haupterstreckungsfläche in Richtung der x-y Ebene aufweist und in Richtung der x-y-Ebene eine Magnetisierung mit vier Magnetpolen (12, 14, 16, 18) aufweist, und die Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (50) parallel zu der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) ausgerichtet ist und wobei der Magnet (10, 100) gegenüber der dem IC-Gehäuse um die z-Richtung drehbar gelagert ist, und eine gedachte Verlängerung der Achse (45) die Verbindungsgerade in der Mitte und den Magneten (10) in dem Flächenschwerpunkt der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) durchdringt, wobei das IC-Gehäuse von der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) in z-Richtung beabstandet ist, oder der Magnet (10, 100) als ein in der x-y-Ebene ausgebildeter Ringmagnet ausgebildet ist und das IC-Gehäuse wenigstens teilweise innerhalb des Ringmagneten angeordnet ist und die Magnetpole (12, 14, 16, 18) segmentartig angeordnet sind und die Achse (45) durch die Mitte des Ringes des Ringmagneten verläuft.
  2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Pixelzelle (20, 30) einen dritten Magnetfeldsensor umfasst, wobei der dritte Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in z-Richtung detektiert und die z-Richtung orthogonal zu der x-Richtung und orthogonal zu der y-Richtung ausgebildet ist, so dass jede Pixelzelle (20, 30) als ein 3-dimensionaler Magnetfeldsensor ausgebildet ist.
  3. Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Pixelzellen (20, 30) jeweils in der Nähe eines äußeren Rands des Halbleiterkörpers (50) ausgebildet sind, um einen großen Abstand zu einander auszubilden.
  4. Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleiterkörper (50) zwischen und/oder neben den beiden Pixelzellen (20, 30) eine integrierte Schaltung ausgebildet ist und die integrierte Schaltung in einer elektrischen Wirkverbindung mit den beiden Pixelzellen (20, 30) steht.
  5. Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (24, 28) in der Pixelzelle (20), sowie die Magnetfeldsensoren (34, 38) in der Pixelzelle (30) einen gemeinsamen Schwerpunkt aufweisen, um den magnetischen Fluss in dem jeweils gleichen Punkt je Pixelzelle zu bestimmen.
  6. Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (24, 28, 34, 38) jeweils eine Haupterstreckungsfläche aufweisen und die Haupterstreckungsflächen der Magnetfeldsensoren (24, 28, 34, 38) paarweise zueinander rechtwinklig ausgebildet sind.
  7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (24, 28, 34, 38) als Hallsensoren ausgebildet sind, wobei zwei der Hallsensoren als vertikale Hallsensoren ausgebildet sind und die Haupterstreckungsfläche der beiden vertikalen Hallsensoren jeweils senkrecht zu der Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (50) ausgebildet ist.
  8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Magnetfeldsensor je Pixelzelle als Hallplatten ausgebildet ist.
  9. Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10, 100) in der X-Y-Ebene als Kreis ausgebildet ist, wobei der Radius des Kreises größer als die Hälfte der Länge der Verbindungsgeraden ist oder sofern der Magnet (10, 100) nicht als ein Ringmagnet (100) ausgebildet ist, der Magnet (10, 100) als Quadrat ausgebildet ist und die Hälfte der Diagonale des Quadrats größer als die Hälfte der Länge der Verbindungsgeraden ist.
  10. Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (12, 14, 16, 18) als vier gleich große Kreissegmente ausgebildet sind.
  11. Verwendung der nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Sensorvorrichtung zur Detektion des Drehwinkels des Drehwinkels des mit der Achse (45) oder mit einer Welle verbunden Magneten.
  12. Verwendung der nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Sensorvorrichtung zur Ermittlung des Drehwinkels bei des Drehwinkels des mit einer ruhenden Achse (45) oder mit einer Welle verbunden Magneten.
  13. Verwendung der nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Sensorvorrichtung für einen differentiellen Betrieb zur Detektion des Drehwinkels einer Achse und einer Welle.
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