DE102018114131A1

DE102018114131A1 - Streufeld-robuste magnetische Positionssensor-Anordnung

Info

Publication number: DE102018114131A1
Application number: DE102018114131.9A
Authority: DE
Inventors: Armin Satz; Gernot Binder; Dirk Hammerschmidt; Helmut Koeck
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2018-12-20
Also published as: CN109141482A; CN109141482B; US20180364066A1

Abstract

Magnetfeldpositionssensoren und Erfassungsverfahren werden bereitgestellt. Ein Magnetfeld-Positionssensor umfasst zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente, die ausgebildet sind, um Sensorsignale ansprechend auf ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente empfindlich für eine gleiche Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes sind, und eine Sensorschaltung, die ausgebildet ist, um ein differentielles Messsignal im Wesentlichen unabhängig von homogenen externen magnetischen Streufeldern basierend auf den Sensorsignalen zu erzeugen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine magnetische Positionserfassung und insbesondere auf Streufeld-robuste magnetische Positionssensoren.
HINTERGRUND
Magnetsensoren umfassen zum Beispiel magnetoresistive Sensoren und Hall-Effekt-Sensoren (Hall-Sensoren). Magnetoresistenz ist eine Eigenschaft eines Materials, den Wert seines elektrischen Widerstands zu ändern, wenn ein externes Magnetfeld an dasselbe angelegt wird. Einige Beispiele von magnetoresistiven Effekten sind Riesenmagnetowiderstand (GMR; GMR = Giant Magneto-Resistance), der ein quantenmechanischer Magnetowiderstandseffekt ist, der bei Dünnfilmstrukturen beobachtet wird, die aus abwechselnden ferromagnetischen und nicht-magnetischen leitfähigen Schichten zusammengesetzt sind, Tunnelmagnetowiderstand (TMR; TMR = Tunnel Magneto-Resistance), der ein magnetoresistiver Effekt ist, der bei einem Magnettunnelübergang (MTJ; MTJ = magnetic tunnel junction) auftritt, der eine Komponente bestehend aus zwei durch einen dünnen Isolator getrennten Ferromagneten ist, oder anisotroper Magneto-Widerstand (AMR; AMR = Anisotropie Magneto-Resistance), der eine Eigenschaft eines Materials ist, bei der eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von dem Winkel zwischen der Richtung des elektrischen Stroms und der Richtung der Magnetisierung beobachtet wird. Die Mehrzahl von unterschiedlichen magnetoresistiven Effekten wird gemeinhin als xMR abgekürzt, wobei das „x“ als Platzhalter für die verschiedenen magnetoresistiven Effekte steht. xMR-Sensoren können die Ausrichtung eines angelegten Magnetfeldes durch Messen von Sinus- und Cosinus-Winkelkomponenten mit monolithisch integrierten magnetoresistiven Sensorelementen detektieren.
Ein Hall-Effekt-Sensor ist ein Wandler, der seine Ausgangsspannung (Hall-Spannung) ansprechend auf ein Magnetfeld variiert. Er basiert auf dem Hall-Effekt, der die Lorentz-Kraft nutzt. Die Lorentz-Kraft lenkt sich bewegende Ladungen in der Präsenz eines Magnetfeldes ab, das perpendikulär zu dem Stromfluss durch den Sensor oder die Hall-Platte ist. Dabei kann eine Hall-Platte ein dünnes Stück Halbleiter oder Metall sein. Die Ablenkung verursacht eine Ladungstrennung, die ein elektrisches Hall-Feld verursacht. Dieses elektrische Feld wirkt auf die Ladung in der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die Lorentz-Kraft. Beide Kräfte gleichen einander aus und schaffen eine Potentialdifferenz perpendikulär zu der Richtung des Stromflusses. Die Potentialdifferenz kann als eine Hall-Spannung gemessen werden und variiert in einer linearen Beziehung mit dem Magnetfeld für kleine Werte. Hall-Effekt-Sensoren können für Näherungsschalt-, Positionierungs-, Geschwindigkeitsdetektions- und Stromerfassungs-Anwendungen verwendet werden.
Aktuell kann bei Näherungsschalt-, Bewegungserfassungs- und Positionserfassungs-Anwendungen eine Hall-Monozellen-Konfiguration verwendet werden. Zum Beispiel erzeugt ein magnetisierter Backbias-Magnet in Kombination mit einem Hall-Monozellen-Sensor ein Signal, wenn sich ein eisenhaltiges Ziel (d.h. das erfasste Objekt) vor dem Sensor bewegt.
Auf der Unterseite haben Hall-Monozellen-Sensoren einen Nachteil im Hinblick auf Streufeld-Robustheit. Streufelder sind Magnetfelder, die durch magnetische raue Umgebungen oder andere externe Mittel eingeführt werden, die in der unmittelbaren Umgebung des Sensors angeordnet sind. Eine magnetische raue Umgebung kann durch große Stromdichten in der Nähe des Sensors (Hybridisierung von Fahrzeugen) oder elektrische Motoren neben dem Erfassungsort verursacht werden. Zum Beispiel können Komponenten innerhalb des Fahrzeugs (z.B. für Hybridautos aufgrund von Stromschienen, die hohe elektrische Ströme nahe an dem Erfassungsbauelement treiben oder aufgrund einer induktiven Batterieladung) eine magnetische raue Umgebung erzeugen. Zusätzlich dazu können Ströme, die durch eine Schiene eines Zugsystems fließen, die ein Magnetfeld erzeugen, eine Streufeldstörung verursachen, die detektierbar ist, wenn ein Fahrzeug in der Nähe der Schiene ist. Eine Streufeldstörung kann zu dem gemessenen Erfassungssignal beitragen. Dies kann Ungenauigkeiten bei den Signalen verursachen, die durch den Sensor erzeugt werden, und kann das Gesamtverhalten des Sensorsystems beeinträchtigen.
Daher kann ein verbessertes Bauelement, das eine höhere Toleranz für Streufelder hat, wünschenswert sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Es kann ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für einen Magnetfeld-Positionssensor und ein Magnetfelderfassungsverfahren bestehen.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt werden.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Magnetfeld-Positionssensor, umfassend zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente, die ausgebildet sind, um Sensorsignale ansprechend auf ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente empfindlich für eine gleiche Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes sind, und eine Sensorschaltung, die ausgebildet ist, um ein differentielles Messsignal basierend auf den Sensorsignalen zu erzeugen.
Optional ist dieselbe Magnetfeldkomponente eine Magnetfeldkomponente in der Ebene.
Wiederum optional verwenden die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente eine Empfindlichkeitsachse gemeinschaftlich.
Optional umfassen die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente ein erstes Magnetfeldsensorelement, das an einer ersten Sensorposition angeordnet ist, und ein zweites Magnetfeldsensorelement, das an einer zweiten Sensorposition angeordnet ist, wobei das differentielle Messsignal eine Differenz zwischen dem Magnetfeld an der ersten Sensorposition und der zweiten Sensorposition repräsentiert.
Wiederum optional umfassen die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente ein erstes Magnetfeldsensorelement, ein zweites Magnetfeldsensorelement und ein drittes Magnetfeldsensorelement gruppiert in ein erstes differentielles Paar und ein zweites differentielles Paar, und die Sensorschaltung ist ausgebildet, um eine erste Differenz zwischen den Sensorsignalen zu erzeugen, die durch das erste differentielle Paar erzeugt werden, eine erste Differenz zwischen den Sensorsignalen zu erzeugen, die durch das zweite differentielle Paar erzeugt werden, und das differentielle Messsignal basierend auf einer Differenz zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz zu erzeugen.
Optional ändert sich eine Charakteristik des Magnetfeldes ansprechend auf eine Position eines Zielobjekts und das differentielle Messsignal ist repräsentativ für die Position des Zielobjekts im Hinblick auf die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente.
Wiederum optional ist die Sensorschaltung ferner ausgebildet, um ein Ausgangssignal als eine Funktion einer linearen Position des ferromagnetischen Ziels relativ zu dem Magnetfeldpositionssensor basierend auf dem differentiellen Messsignal zu erzeugen.
Optional ist die Sensorschaltung ausgebildet, um ein Ausgangssignal basierend auf einer linearen Bewegung des ferromagnetischen Ziels relativ zu den zumindest zwei Magnetfeldsensorelementen zu erzeugen, wobei die Sensorschaltung ausgebildet ist, um das differentielle Messsignal zu überwachen und einen logischen Zustand des Ausgangssignals ansprechend auf ein Auslöseereignis zu ändern.
Wiederum optional ist das Auslöseereignis ein Kreuzen einer Schwelle durch das differentielle Messsignal, wobei die Schwelle einer vorbestimmten Distanz des ferromagnetischen Ziels von den zumindest zwei Magnetfeldsensorelementen entspricht.
Optional ist das Zielobjekt ausgebildet, um sich lateral über den Magnetfeldpositionssensor in einem linearen Pfad zu bewegen, und wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente eine Empfindlichkeitsachse gemeinschaftlich verwenden und der lineare Pfad orthogonal oder parallel zu der Empfindlichkeitsachse ist.
Wiederum optional umfasst der Magnetfeldpositionssensor ferner einen Backbias-Magneten, der ausgebildet ist, um zumindest einen Teil des Magnetfeldes zu produzieren, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente und die Sensorschaltung auf einem Halbleiterchip integriert sind, und der Halbleiterchip und der Backbias-Magnet in ein Halbleitergehäuse eingebracht sind.
Optional ist die Sensorschaltung ausgebildet, um das differentielle Messsignal durch Löschen einer ersten, externen magnetischen Streufeldkomponente, gemessen durch ein erstes Magnetfeldsensorelement, und einer zweiten, externen magnetischen Streufeldkomponente, gemessen durch ein zweites Magnetfeldsensorelement, zu erzeugen.
Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Magnetfelderfassungsverfahren, umfassend das Messen einer gleichen Magnetfeldkomponente eines Magnetfeldes an zumindest zwei Erfassungsorten, Erzeugen von Sensorsignalen, umfassend ein Sensorsignal für jeden Erfassungsort, basierend auf dem Messen derselben Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes an den zumindest zwei Erfassungsorten, und Erzeugen eines differenziellen Messsignals basierend auf den Sensorsignalen.
Optional ist dieselbe Magnetfeldkomponente eine Magnetfeldkomponente in der Ebene.
Wiederum optional verwenden die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente eine Empfindlichkeitsachse gemeinschaftlich.
Optional repräsentiert das differentielle Messsignal eine Differenz zwischen dem Magnetfeld an einem ersten Erfassungsort und dem Magnetfeld an einem zweiten Erfassungsort.
Wiederum optional umfasst das Magnetfelderfassungsverfahren ferner das Gruppieren eines ersten Magnetfeldsensorelements, eines zweiten Magnetfeldsensorelements und eines dritten Magnetfeldsensorelements in ein erstes differentielles Paar und ein zweites differentielles Paar, und das Erzeugen des differentiellen Messsignals umfasst das Erzeugen einer ersten Differenz zwischen den Sensorsignalen, die durch das erste differentielle Paar erzeugt werden, das Erzeugen einer zweiten Differenz zwischen den Sensorsignalen, die durch das zweite differentielle Paar erzeugt werden, und das Erzeugen des differentiellen Messsignal basierend auf einer Differenz zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz.
Optional ändert sich eine Charakteristik des Magnetfeldes ansprechend auf eine Position eines Zielobjekts und das differentielle Messsignal ist repräsentativ für die Position des Zielobjekts im Hinblick auf die zumindest zwei Erfassungsorte.
Wiederum optional umfasst das Magnetfelderfassungsverfahren ferner das Erzeugen eines Ausgangssignals als eine Funktion einer linearen Position des ferromagnetischen Ziels relativ zu den zumindest zwei Erfassungsorten basierend auf dem differentiellen Messsignal.
Optional umfasst das Magnetfelderfassungsverfahren ferner das Erzeugen eines Ausgangssignals basierend auf einer linearen Bewegung des ferromagnetischen Ziels relativ zu den zumindest zwei Erfassungsorten, umfassend ein Überwachen des differentiellen Messsignals und Ändern eines logischen Zustands des Ausgangssignals ansprechend auf ein Auslöseereignis.
Wiederum optional ist das Auslöseereignis ein Kreuzen einer Schwelle durch das differentielle Messsignal, wobei die Schwelle einer vorbestimmten Distanz des ferromagnetischen Ziels von den zumindest zwei Erfassungsorten entspricht.
Optional umfasst das Erzeugen des differentiellen Messsignals ein Löschen einer ersten, externen magnetischen Streufeldkomponente, gemessen an einem ersten Erfassungsort, und einer zweiten, externen magnetischen Streufeldkomponente, gemessen an einem zweiten Erfassungsort.
Magnetfeldpositionssensoren und Erfassungsverfahren werden bereitgestellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Magnetfeld-Positionssensor zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente, die ausgebildet sind, um Sensorsignale ansprechend auf ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente empfindlich für eine gleiche Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes sind, und eine Sensorschaltung, die ausgebildet ist, um ein differentielles Messsignal im Wesentlichen unabhängig von homogenen externen magnetischen Streufeldern basierend auf den Sensorsignalen zu erzeugen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst ein Magnetfelderfassungsverfahren das Messen eines Magnetfeldes unter Verwendung von zumindest zwei Magnetfeldsensorelementen, die ausgebildet sind, um Sensorsignale ansprechend auf das Magnetfeld zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente empfindlich für eine gleiche Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes sind, und das Erzeugen eines differenziellen Messsignals im Wesentlichen unabhängig von homogenen externen magnetischen Streufeldern basierend auf den Sensorsignalen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele werden hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

1A-C stellen schematische Diagramme eines Magnetfelderfassungsprinzips von einem oder mehreren ferromagnetischen Zielen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
1D stellt ein graphisches Diagramm eines Ausgangssignals gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Sensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
3 zeigt ein schematisches Diagramm einer Sensorschaltung implementiert gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
4 zeigt ein schematisches Diagramm eines Sensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
5 zeigt ein schematisches Diagramm eines anderen Sensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
6 zeigt ein schematisches Diagramm eines anderen Sensorsystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen; und
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Magnetfelderfassungsverfahrens gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden Details ausgeführt, um eine ausführlichere Erklärung der beispielhaften Ausführungsbeispiele zu geben. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform oder in einer schematischen Ansicht und nicht im Detail gezeigt, um das Verunklaren der Ausführungsbeispiele zu vermeiden. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nachfolgend miteinander kombiniert werden können, außer dies ist spezifisch anderweitig angegeben.
Ferner werden entsprechende oder gleiche Elemente oder Elemente mit entsprechender oder gleicher Funktionalität in der nachfolgenden Beschreibung mit entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Da den entsprechenden oder gleichen Elementen in den Figuren dieselben Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind, weggelassen werden. Somit sind Beschreibungen für Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen gegenseitig austauschbar.
Es wird darauf hingewiesen, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, kann das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein oder Zwischenelemente können vorhanden sein. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ etc.).
Bei Ausführungsbeispielen, die hierin beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt sind, kann jede direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d.h. jegliche Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischen liegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d.h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren dazwischen liegenden Elementen sein, oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel, das Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder das Übertragen einer bestimmten Art von Information im Wesentlichen beibehalten wird. Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können auch Abänderungen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme, und das Erhalten von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine physikalische Größe, die gemessen werden soll, in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel, ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Die physikalische Größe kann zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt.
Ein Magnetfeldsensor umfasst zum Beispiel ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente, die eine oder mehrere Charakteristika eines Magnetfeldes messen (z.B. einen Betrag einer Magnetfeld-Flussdichte, eine Feldstärke, einen Feldwinkel, eine Feldrichtung, eine Feldausrichtung, etc.), entsprechend dem Detektieren und/oder Messen des Magnetfeldmusters eines Elements, das das Magnetfeld erzeugt (z.B. ein Magnet, ein stromtragender Leiter (z.B. , ein Draht), die Erde oder eine andere Magnetfeldquelle). Jedes Magnetfeldsensorelement ist ausgebildet zum Erzeugen eines Sensorsignals ansprechend auf ein oder mehrere Magnetfelder.
Zum Beispiel kann ein Sensorsignal (z.B. ein Spannungssignal), das durch jedes Magnetfeldsensorelement erzeugt wird, proportional zu der Größe des Magnetfeldes sein. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Sensor“ und „Erfassungselement“ in dieser Beschreibung durchgehend austauschbar verwendet werden können, und die Begriffe „Sensorsignal“ und „Messwert“ in dieser Beschreibung durchgehend austauschbar verwendet werden können.
Magnetfeldsensorelemente umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Hall-Effekt-Sensoren (Hall-Sensoren) oder magnetoresistive xMR-Sensoren, wie beispielsweise AMR-, GMR- oder TMR-Sensorelemente.
Bei einigen Beispielen können Hall-Sensorelemente als vertikale Hall-Sensorelemente implementiert sein. Ein vertikaler Hall-Sensor ist ein Magnetfeldsensor, der empfindlich ist für eine Magnetfeldkomponente ist, die sich parallel zu ihrer Oberfläche erstreckt. Dies bedeutet, sie sind empfindlich für Magnetfelder parallel zu oder in der Ebene mit der IC-Oberfläche. Die Empfindlichkeitsebene kann hierin als „Empfindlichkeitsachse“ oder „Erfassungsachse“ bezeichnet werden und jede Erfassungsachse hat eine Referenzrichtung. Für Hall-Sensorelemente ändern sich Spannungswerte, die durch die Sensorelemente ausgegeben werden, gemäß der Magnetfeldstärke in der Richtung der Erfassungsachse.
Bei anderen Beispielen können Hall-Sensorelemente als laterale Hall-Sensorelemente implementiert sein. Ein lateraler Hall-Sensor ist empfindlich für eine Magnetfeldkomponente senkrecht zu seiner Oberfläche. Dies bedeutet, sie sind empfindlich für Magnetfelder vertikal zu oder außerhalb der Ebene der IC-Oberfläche (IC = integrated circuit; integrierte Schaltung). Die Empfindlichkeitsebene kann hierin als „Empfindlichkeitsachse“ oder „Erfassungsachse“ bezeichnet werden und jede Erfassungsachse hat eine Referenzrichtung. Für Hall-Sensorelemente ändern sich Spannungswerte, die durch die Sensorelemente ausgegeben werden, gemäß der Magnetfeldstärke in der Richtung der Erfassungsachse.
Bei anderen Beispielen können xMR-Sensorelemente verwendet werden. Jedes xMR-Sensorelement kann beispielsweise ein Einzelachsen- oder ein Mehrachsen-xMR-Sensorelement sein, das eine Erfassungsachse aufweist, die zum Messen eines Magnetfeldes verwendet wird. Diese Erfassungsachse kann zum Beispiel mit einer der Magnetfeldkomponenten innerhalb der Ebene zum Messen dieser Feldkomponente ausgerichtet sein. Jedes xMR-Sensorelement kann eine Referenzschicht mit einer Referenzrichtung aufweisen, die eine Erfassungsrichtung bereitstellt, die der Erfassungsachse entspricht. Dementsprechend, wenn eine Magnetfeldkomponente in genau dieselbe Richtung wie die Referenzrichtung zeigt, ist ein Widerstandswert des xMR-Sensorelements auf einem Maximum, und wenn eine Magnetfeldkomponente genau in die entgegengesetzte Richtung zu der Referenzrichtung zeigt, ist der Widerstandswert des xMR-Sensorelements auf einem Minimum.
Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen können möglicherweise ein Magnetfeldsensor und eine Sensorschaltung beide in demselben Chipgehäuse untergebracht (d. h. integriert) sein (z.B. ein gekapseltes Kunststoff-Gehäuse, wie beispielsweise mit Anschlussleitung versehenes Gehäuse oder Gehäuse ohne Anschlussleitungen, oder ein Gehäuse eines oberflächenmontierten Bauelements (SMD; surface mounted device). Dieses Chipgehäuse kann auch als Sensorgehäuse bezeichnet werden. Das Sensorgehäuse kann mit einem Back-Bias-Magneten kombiniert werden, um ein Sensormodul, Sensorbauelement oder ähnliches zu bilden.
Die Sensorschaltung kann als eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine Signalkonditionierungsschaltung bezeichnet werden, die ein oder mehrere Signale (d.h. Sensorsignale) von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensorelementen in der Form von Rohmessdaten empfängt und aus dem Sensorsignal ein Messsignal herleitet, das das Magnetfeld repräsentiert. Signalkonditionierung, nach hiesigem Gebrauch, bezieht sich auf das Manipulieren eines analogen Signals auf solche Weise, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zur weiteren Verarbeitung erfüllt. Signalkonditionierung kann das Umwandeln von analog zu digital (z.B. über einen Analog-zu-Digital-Wandler), Verstärkung, Filtern, Umwandeln, Vorspannen, Bereichsanpassung, Isolation und viele andere Prozesse umfassen, die erforderlich sind, um eine Sensorausgabe nach der Konditionierung geeignet zur Verarbeitung zu machen.
Somit kann die Sensorschaltung einen Digital-Wandler (ADC) umfassen, der das analoge Signal aus dem einen oder den mehreren Sensorelementen in ein digitales Signal umwandelt. Die Sensorschaltung kann auch einen digitalen Signalprozessor (DSP) umfassen, der eine Verarbeitung an dem digitalen Signal ausführt, wie nachfolgend erörtert wird. Daher umfasst das Sensorgehäuse eine Schaltung, die das Kleinsignal des Magnetfeldsensorelements über Signal-Verarbeitung und/oder Konditionierung konditioniert und verstärkt.
Ein Sensorbauelement, nach hiesigem Gebrauch, kann sich auf ein Bauelement beziehen, das einen Sensor und eine Sensorschaltung umfasst, wie vorangehend beschrieben wurde. Ein Sensorbauelement kann auf einem einzelnen Halbleiterchip (z. B. Silizium-Chip oder -Die) integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Chips zum Implementieren eines Sensorbauelements verwendet werden kann. Somit sind der Sensor und die Sensorschaltung entweder auf demselben Halbleiterchip oder auf mehreren Chips in demselben Gehäuse angeordnet. Zum Beispiel kann der Sensor auf einem Chip sein und die Sensorschaltung auf einem anderen Chip, derart, dass sie elektrisch innerhalb des Gehäuses miteinander verbunden sind. In diesem Fall können die Chips aus demselben oder aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien sein, wie zum Beispiel GaAs und Si, oder der Sensor könnte auf ein Keramik- oder Glas-Plättchen gesputtert sein, das kein Halbleiter ist.
1A-D stellen ein Magnetfelderfassungsprinzip von einem oder mehreren ferromagnetischen Zielen 1 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Genauer gesagt ist das eine oder die mehreren ferromagnetischen Ziele aus einem ferromagnetischen Material (z.B. Eisen) hergestellt, das Magnetfelder anzieht. Zusätzlich ist eine Sensoranordnung 4 ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erfassen, das durch einen Backbias-Magneten 5 erzeugt wird, wobei die Sensoranordnung 4 und der Backbias-Magnet 5 ein Sensormodul 6 aufweisen. Die Sensoranordnung 4 kann hierin allgemein als ein Sensor oder eine integrierte Sensorschaltung (IC) bezeichnet werden und kann zwei oder mehr Magnetfeldsensorelemente und eine Sensorschaltung umfassen. Ferner kann die Sensoranordnung 4 in einem Sensorgehäuse angeordnet sein.
Sensoren 4, gezeigt in 1A-C, sind ausgebildet, um magnetische oder magnetisch codierte Informationen in elektrische Signale zum Verarbeiten durch Sensorschaltungen umzuwandeln und können bei verschiedenen Anwendungstypen verwendet werden, wie beispielsweise bei der Erfassung von Position, Nähe, Geschwindigkeit, Schnelligkeit oder Richtungsbewegung. Genauer gesagt werden Magnetfeldlinien des Vorspannungsmagnetfeldes, das durch den Backbias-Magneten 5 erzeugt wird, stärker in Richtung des ferromagnetischen Ziels 1 gezogen, wenn die Position des ferromagnetischen Ziels 1 näher an den Backbias-Magneten 5 gelangt. Umgekehrt entspannen sich die Magnetfeldlinien des Vorspannungsmagnetfeldes mehr (d.h. weniger Zug), wenn sich die Position des ferromagnetischen Ziels 1 weiter von dem Backbias-Magneten entfernt oder kein Backbias-Magnet 5 vorhanden ist.
Somit ändern sich Richtungsfeldkomponenten des Vorspannungsmagnetfeldes abhängig von der Position und/oder Bewegung des ferromagnetischen Ziels 1. Da der Sensor 4 benachbart oder in der Nähe zu dem Backbias-Magneten 5 platziert ist, ist der Sensor 4 in der Lage, eine Änderung zu detektieren, betreffend Ausrichtung und/oder Stärke, bei einer oder mehreren Richtungsfeldkomponenten des Vorspannungsmagnetfeldes (bias magnetic field).
Die Richtungsfeldkomponenten können eine Magnetfeldkomponente Bx (d.h. das Magnetfeld in der x-Ebene), eine Magnetfeldkomponente By (d.h. das Magnetfeld in der y-Ebene) oder eine Magnetfeldkomponente Bz (d.h. das Magnetfeld in der z-Ebene) umfassen. Die Magnetfeldkomponenten Bx und By können als Feldkomponenten in der Ebene bezeichnet werden, da sie in der Ebene zu der Hauptoberfläche der Sensoranordnung 4 sind (d.h. der Sensor-IC). Umgekehrt kann die Magnetfeldkomponente Bz als eine Feldkomponente außerhalb der Ebene bezeichnet werden, da sie außerhalb der Ebene zu der Hauptoberfläche der Sensoranordnung 4 ist (d.h. der Sensor-IC).
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass bei einigen Ausführungsbeispielen das Ziel 1 selbst magnetisiert sein kann. In diesem Fall kann ein Backbias-Magnet verwendet werden oder nicht, da der Sensor 4 ausgebildet sein kann, um das Magnetfeld zu detektieren, das durch das Ziel 1 erzeugt wird. In anderen Fällen kann ein ferromagnetisches Material verwendet werden, um den Backbias-Magneten zu ersetzen, um beim Erfassen eines Magnetfeldes eines magnetisierten Ziels zu helfen.
1A zeigt ein Beispiel einer linearen Bewegung zwischen dem Sensormodul 6 (d.h. der Sensoranordnung 4 in Kombination mit dem Backbias-Magneten 5) und dem ferromagnetischen Ziel 1. Genauer gesagt bewegt sich das ferromagnetische Ziel 1 auf einem zurück-und-vor- oder oszillierenden Pfad zwischen zwei Extrempositionen in der z-Richtung. Wenn sich das ferromagnetische Ziel 1 entlang seinem Pfad in der z-Richtung bewegt, ändert sich ein Luftzwischenraum zwischen dem Sensormodul 6 und dem ferromagnetischen Ziel 1 (d.h. der Luftzwischenraum wird kleiner oder größer) und ändert zumindest eine Richtungsfeldkomponente des Vorspannungsmagnetfeldes basierend auf seiner Position.
Zum Beispiel, wenn sich das ferromagnetische Ziel 1 näher an das Sensormodul 6 bewegt und der Luftzwischenraum abnimmt, werden die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes, die durch den Backbias-Magneten 5 erzeugt werden, in die z-Richtung in Richtung des ferromagnetischen Ziels 1 gezogen. Somit werden die Magnetfeldlinien weg von der x- und y-Achse gezogen (d.h. den x- und y- Sensorebenen) und die Magnetfeldstärke in der x- und y-Richtung wird reduziert. In der Zwischenzeit wird die Magnetfeldstärke in der z-Richtung erhöht. Das entgegengesetzte Phänomen tritt auf, wenn sich das ferromagnetische Ziel 1 weiter weg von dem Sensormodul 6 bewegt. Somit kann ein mechanisches Bewegungsparameterausgabeprotokoll der Sensoranordnung 4 auf lineare Wiese derart codiert werden, dass die Ausgabe (d.h. ein Messsignal) der Sensorschaltung der Sensoranordnung 4 linear im Hinblick auf die Position und Bewegung des ferromagnetischen Ziels 1 ist.
1B zeigt ein anderes Beispiel einer linearen Bewegung eines ferromagnetischen Ziels 1. Genauer gesagt bewegt sich das ferromagnetische Ziel 1 auf einem zurück-und-vor- oder oszillierenden Pfad zwischen zwei Extrempositionen in der x-Richtung, parallel zu der Hauptoberfläche der Sensoranordnung 4.. Wiederum ändert sich Ausrichtung und/oder Stärke von einer oder mehreren der Richtungsfeldkomponenten gemäß der Position des ferromagnetischen Ziels 1 relativ zu der Sensoranordnung 4. Somit kann ein mechanisches Bewegungsparameterausgabeprotokoll der Sensoranordnung 4 auf lineare Wiese derart codiert werden, dass die Ausgabe (d.h. ein Messsignal) der Sensorschaltung der Sensoranordnung 4 linear im Hinblick auf die Position und Bewegung des ferromagnetischen Ziels 1 ist.
1C zeigt ein anderes Beispiel einer Rotationsbewegung von mehreren ferromagnetischen Zielen la-d (allgemein bezeichnet als ferromagnetisches Ziel 1). Die ferromagnetischen Ziele lad können separate Objekte sein oder Teil eines einzelnen, integralen Bauglieds sein, wie beispielsweise Zähne an einem Zahnrad oder einer Welle. Wenn sich die ferromagnetischen Ziele la-d drehen, alternieren sie vorbei an dem Sensormodul 6, wodurch verursacht wird, dass ein oder mehrere Richtungsfeldkomponenten zwischen zwei Extrema oszillieren. Zum Beispiel können die Magnetfeldsensorelemente innerhalb der Sensoranordnung 4 eine Änderung bei der x-Achsen- und y-Achsen-Magnetfeld-Stärke und/oder -Ausrichtung erfassen, die als eine sinusförmige Wellenform (d.h. als eine Signalmodulation) variiert, deren Frequenz einer Rotationsgeschwindigkeit der ferromagnetischen Ziele la-d entspricht und die möglicherweise ferner einer Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle (z.B. Nockenwelle) entspricht, die die Rotation des Rades antreibt (in dem Fall, in dem die ferromagnetischen Ziele la-d Zähne eines Zahnrads sind). Somit kann die Sensorschaltung der Sensoranordnung 4 ausgebildet sein, Signale (d.h. Sensorsignale) von den Magnetfeldsensorelementen zu empfangen und aus den Sensorsignalen ein Messsignal herzuleiten, das das Magnetfeld repräsentiert, als eine Signalmodulation.
Bei jedem Beispiel, das hierin bereitgestellt wird, kann die Sensorschaltung dieses Messsignal ferner in ein Ausgangssignal umwandeln, das eine Funktion der Position des ferromagnetischen Ziels 1 ist. Somit kann das Ausgangssignal die lineare Position von jedem ferromagnetischen Ziel 1 im Hinblick auf das Sensormodul 6 repräsentieren. Das Ausgangssignal kann auch an eine externe Steuerung, eine Steuerungseinheit oder einen Prozessor (z.B. eine elektronische Steuerungseinheit (ECU; Electronic Control Unit) ausgegeben werden.
1D zeigt ein Beispiel eines Ausgangssignals als eine lineare Funktion einer Position des ferromagnetischen Ziels 1 relativ zu der Sensoranordnung 4.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Sensorsystems 200 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Genauer gesagt zeigt 2 ein Sensorsystem 200 umfassend eine Sensoranordnung 4 und einen Back-Bias-Magneten 5 bei Vorliegen eines homogenen, externen StreuMagnetfeldes, ausgebildet, um die (lineare) Bewegung des ferromagnetischen Ziels 1 zu verfolgen. Es wird darauf hingewiesen, dass eine vergrößerte Querschnittsansicht der Sensoranordnung 4 rechts gezeichnet ist, verbunden durch gestrichelte Erweiterungslinien mit dem Sensorelement 4, das in den Magnetfeldlinien zwischen dem Backbias-Magneten 5 und dem Ziel 1 gezeichnet ist.
Die Sensoranordnung 4 umfasst zwei Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R, die beabstandet sind, die dieselbe Empfindlichkeitsachse (z.B. x-Achse) aufweisen aber in entgegengesetzten Erfassungsrichtungen ausgerichtet sind. Genauer gesagt weist das Magnetfeldsensorelement 7L eine Erfassungsrichtung in der -Bx-Richtung auf, während das Magnetfeldsensorelement 7R eine Erfassungsrichtung in der +Bx-Richtung aufweist. Somit sind beide Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R empfindlich für Magnetfelder in der x-Ebene, erzeugen aber Signale mit entgegengesetzten Vorzeichen relativ zu der Magnetfeldkomponente Bx innerhalb der Ebene.
Die Sensoranordnung 4 umfasst ferner eine Sensorschaltung 8, die ausgebildet ist, um die Sensorsignale von den Magnetfeldsensorelementen 7L und 7R zu empfangen und ein analoges Signal zu erzeugen, das als ein differentielles Messsignal bezeichnet wird, aus dem eine differentielle Berechnung verwendet wird. Das differentielle Messsignal kann zum Beispiel eine Differenz (d.h. einen Wert Delta Bx) zwischen den Sensorwerten (Sensorsignalen) repräsentieren, die durch die Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R aufgrund der Tatsache erzeugt werden, dass die Magnetfeldkomponente Bx auf jeden Sensorelementort auftrifft.
Die differentielle Gleichung für das in 2 dargestellte Beispiel kann eine differentielle Gleichung erster Ordnung sein, wie beispielsweise: $SE Δ = SER - SEL$
wobei SER einem Widerstandswert (z.B. für ein xMR-Sensorelement) oder einem Spannungswert (z.B. für ein Hall-Effekt-Sensorelement) erzeugt durch das Magnetfeldsensorelement 7R entspricht, SEL einem Widerstandswert oder einem Spannungswert erzeugt durch das Magnetfeldsensorelement 7L entspricht und SEΔ einem Delta-Messwert entspricht und einen Wert des differentiellen Messsignals repräsentiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass während die Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R in 2 ausgebildet sind, um eine Magnetfeldkomponente Bx innerhalb der Ebene in entgegengesetzten Erfassungsrichtungen zu erfassen, die Ausführungsbeispiele nicht darauf beschränkt sind. Ein differentielles Messsignal kann erzeugt werden, solange die Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R ausgebildet sind, um Magnetfeldkomponenten in derselben Ebene zu detektieren (z.B. Feldkomponenten in der x- oder y-Ebene oder Feldkomponenten außerhalb der z-Ebene). Ferner können die Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R ausgebildet sein, um entgegengesetzte Erfassungsrichtungen zu haben, wie in 2, oder die gleiche Erfassungsrichtung. Dementsprechend kann die differentielle Gleichung eingestellt werden, um parallele oder antiparallele Erfassungsrichtungen zu berücksichtigen, solange daraus ein Deltawert erzeugt wird.
Die Sensorschaltung 8 kann ferner das differentielle Messsignal in ein Ausgangssignal basierend auf einer Funktion der Position des ferromagnetischen Ziels 1 umwandeln (z.B. basierend auf der linearen Position des ferromagnetischen Ziels 1 relativ zu dem Sensor, wie am besten aus 1D ersichtlich ist). Zum Beispiel kann die Sensorschaltung 8 einen Schaltmechanismus aufweisen, der einen logischen Zustand (z.B. von niedrig zu hoch oder von hoch zu niedrig) des Ausgangssignals gemäß dem Delta-Bx-Wert des differentiellen Messsignals schaltet, das einen Auslösezustand erfüllt.
Alternativ kann der Schaltmechanismus ein Pulsmechanismus sein, derart, dass ein Signalpuls bei einem Auslöseereignis erzeugt wird, das verursacht, dass das Ausgangssignal der Sensoranordnung 4 moduliert wird, im Gegensatz zu einem einzelnen, logischen Zustands-Übergang. In diesem Fall kann die Sensorschaltung 8 einen Puls einer bekannten Länge liefern, wenn ein Auslöseereignis detektiert wird. Bei einigen Systemen kann die Pulslänge über eine Pulsweitenmodulation variiert werden, zum Beispiel um zusätzliche Informationen zu liefern, wie beispielsweise eine Anzeige einer ausreichenden Magnetfeldstärke, Bewegungsrichtung oder Fehlerkennungen (error flag).
Wiederum weiter kann die Sensorschaltung 8 das differentielle Messsignal als das Ausgangssignal ausgeben oder kann das differentielle Messsignal in einen anderen Typ eines modulierten Signals (z.B. lineares Signal) basierend auf einer Funktion eines Delta-Bx-Werts und der Position des ferromagnetischen Ziels umwandeln.
Ein Auslöseereignis kann sich auf das Kreuzen eines Schwellenwertes beziehen. Zum Beispiel kann der Delta-Bx-Wert, der durch die Sensorschaltung 8 erzeugt wird, abnehmen, wenn das ferromagnetische Ziel 1 näher an die Sensorelemente 7L und 7R gelangt (z.B. der Luftzwischenraum abnimmt), und der Delta-Bx-Wert kann zunehmen, wenn das ferromagnetische Ziel 1 weiter weg von den Sensorelementen 7L und 7R gerät (z.B. der Luftzwischenraum zunimmt).
Somit kann ein Schwellenwert oder ein Schaltpunkt derart eingestellt werden, dass das Ausgangssignal basierend auf dem Delta-Bx-Wert moduliert wird. Der Schwellenwert kann ausgebildet sein, um einer spezifischen Distanz oder einer spezifischen Position des ferromagnetischen Ziels 1 im Hinblick auf die Sensoranordnung 4 (z.B. von einem Mittelpunkt zwischen Sensorelementen) zu entsprechen. Ferner kann der Schaltpunkt richtungsabhängig sein, derart, dass das Auslöseereignis nur auftritt, während sich das ferromagnetische Ziel 1 in einer bestimmten Richtung bewegt (z.B. wenn es sich näher zu oder weiter weg von der Sensoranordnung 4 bewegt).
Die Sensorschaltung 8 kann ferner ausgebildet sein, um mehrere Auslöseereignisse zu überwachen, wie beispielsweise Schwellenkreuzungen von zwei oder mehr Schwellenwerten (z.B. einem minimalen Schwellenwert oder einem maximalen Schwellenwert) und das Ausgangssignal basierend auf jedem Auslöseereignis oder ausgewählten Auslöseereignissen zu erzeugen.
Im Hinblick auf das oben genannte kann darauf hingewiesen werden dass, aufgrund der Geometrie des Backbias-Magneten 5, ein differentielles Magnetfeld an den zwei Positionen der Sensorelemente 7L und 7R erzeugt wird, aufgrund der Komponente Bx in der Ebene des Magnetfeldes, die an diesen zwei Positionen auftrifft. Ein differentielles Messsignal kann durch die Sensorschaltung 8 unter Verwendung einer Differenzialrechnung an den zwei Sensorsignalen erzeugt werden und ein Ausgangssignal kann basierend auf einer Position oder einer Funktion der Position des ferromagnetischen Ziels 1 erzeugt werden. Ein externes Bauelement kann das Ausgangssignal verwenden, um eine Position des ferromagnetischen Ziels 1 im Hinblick auf das Sensormodul 6 zu berechnen, um zu bestimmen, ob das ferromagnetische Ziel 1 innerhalb oder außerhalb eines gewünschten nahen Bereichs von dem Sensormodul 6 ist und/oder um eine Geschwindigkeit des ferromagnetischen Ziels 1 zum Beispiel durch Zählen einer Anzahl von Pulsen des modulierten Ausgangssignals zu bestimmen.
Es wird nun berücksichtigt, dass ein externes Streumagnetfeld vorhanden ist. Wenn ein externes Streumagnetfeld vorhanden ist, addiert das externe Streumagnetfeld einen kumulativen Effekt zu dem bereits erzeugten Backbias-Feld, wodurch ein Gesamtmagnetfeld erzeugt wird (Zielmagnetfeld + Streumagnetfeld), das durch die Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R detektierbar ist. Das heißt, jedes Magnetfeldsensorelement 7L und 7R kann die Bx-Komponente des externen Streumagnetfeldes erfassen, zusätzlich zu der Bx-Komponente des Backbias-Magnetfeldes. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das externe Streumagnetfeld jedes Magnetfeldsensorelement 7L und 7R auf ähnliche Weise beeinflusst.
Genauer gesagt kann das Streumagnetfeld eine Verschiebung bei dem erfassten Gesamtmagnetfeld jedes Magnetfeldsensorelement 7L und 7R um denselben oder einen ähnlichen Betrag verursachen (d.h. innerhalb einer akzeptablen Toleranz). Somit ändert sich der Sensorwert, der durch jedes Magnetfeldsensorelement 7L und 7R erzeugt wird, um denselben oder einen ähnlichen positiven oder negativen Betrag abhängig von der Ausrichtung und/oder Stärke der Bx-Komponente des Streumagnetfeldes. Folglich bleibt die Differenz (d.h. Delta Bx) zwischen den Sensorwerten im Wesentlichen die gleiche im Vergleich zu der Differenz, die bei Abwesenheit des Streumagnetfeldes realisiert werden würde. Da Delta-Bx im Wesentlichen gleich bleibt, kann das Streufeld in der x-Richtung unter Verwendung der oben beschriebenen Differentialrechnung ausgelöscht werden.
Dementsprechend ist die Sensorschaltung 8 ausgebildet, um Sensorsignale von den Magnetfeldsensorelementen 7L und 7R zu empfangen und ein differentielles Messsignal daraus unter Verwendung einer differentiellen Berechnung zu erzeugen, die die homogenen Streufelder in der x-Richtung auslöscht. Die Berechnung konzentriert sich auf die x-Komponente der Streufelder, da die Erfassungsachse, die zur Positionserfassung des ferromagnetischen Ziels 1 verwendet wird, die x-Achse ist, während die y- und z-Komponenten die Positionserfassung bei diesem Beispiel nicht beeinflussen.
3 stellt ein schematisches Diagramm einer Sensorschaltung 8 implementiert gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Die Sensorschaltung umfasst räumlich verteilte Magnetfeldsensorelemente 7, die ausgebildet sind, um ein Sensorsignal ansprechend auf ein Magnetfeld zu erzeugen, das auf diese auftrifft. Zumindest zwei der Magnetfeldsensorelemente 7 sind mit einem differentiellen Signalverstärker 11 verbunden, der ausgebildet ist, um ein differentielles Messsignal aus den Sensorsignalen zu erzeugen, die von den Magnetfeldsensorelementen 7 empfangen werden. Zum Beispiel können zwei der Magnetfeldsensorelemente 7 den Sensorelementen 7L und 7R entsprechen, die in 2 gezeigt sind.
Die Sensorschaltung 8 umfasst ferner einen ADC und eine digitale Kern-Logik 12, die ausgebildet sind, um eine Signalkonditionierung an dem differentiellen Messsignal auszuführen. Genauer gesagt können der ADC und die digitale Kern-Logik 12 ausgebildet sein, um das differentielle Messsignal in ein digitales Ausgangssignal basierend auf einer oder mehreren Signalerzeugungstechniken umzuwandeln. Zum Beispiel können der ADC und die digitale Kern-Logik 12 einen oder mehrere Prozessoren und/oder eine digitale Logik umfassen, um das Ausgangssignal basierend auf einem Auslöseereignis oder basierend auf einer linearen Funktion des differentiellen Messsignals und der Position des ferromagnetischen Ziels 1 zu erzeugen.
Die Sensorschaltung 8 umfasst ferner eine Ausgangsstufe 13, die ausgebildet ist, um das Ausgangssignal von dem ADC und der digitalen Kern-Logik 12 zu empfangen und das Ausgangssignal an einen oder mehrere Ausgangsstifte 14 der Sensorschaltung 8 bereitzustellen (d.h. Ausgangsstifte des Sensorchips). Somit kann das Ausgangssignal an ein externes Bauelement zur weiteren Verwendung bereitgestellt werden.
Die Sensorschaltung 8 umfasst ferner einen Spannungsregler 15, der ausgebildet ist, um eine Spannung zu regeln und zu stabilisieren, die an eine oder mehrere Schaltungskomponenten bereitgestellt wird (z.B. Magnetfeldsensorelemente 7, differentiellen Signalverstärker 11, ADC und digitale Kern-Logik 12 und Ausgangsstufe 13). Der Spannungsregler 15 kann Leistung von einer Spannungsquelle empfangen, wie beispielsweise einer Batterie, über den Eingangsstift 16, und kann eine oder mehrere Verbindungen zu Masse GND aufweisen.
4 zeigt ein schematisches Diagramm eines Sensorsystems 400 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Es wird daraufhingewiesen, dass eine vergrößerte Querschnittsansicht der Sensoranordnung 4 rechts gezeichnet ist, verbunden durch gestrichelte Erweiterungslinien mit dem Sensorelement 4, das in den Magnetfeldlinien gezeichnet ist.
Genauer gesagt, ähnlich zu dem Sensorsystem 200, das in 2 gezeigt ist, umfasst das Sensorsystem 400 eine Sensoranordnung 4, einen Backbias-Magneten 5 und zwei Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R, die beabstandet sind, die dieselbe Empfindlichkeitsachse (z.B. x-Achse) aufweisen aber in entgegengesetzten Erfassungsrichtungen ausgerichtet sind.
Anstatt dass sich das ferromagnetische Ziel 1 linear vor dem Sensormodul (d. h. der Sensoranordnung 4 und dem Backbias-Magneten 5) bewegt, bewegt sich das ferromagnetische Ziel 1 jedoch linear entlang einem Pfad, der eines Seite des Sensormoduls quert. Trotz der Verschiebung bei der Platzierung des ferromagnetischen Ziels 1 relativ zu dem Sensormodul jedoch kann Gleichung (1) verwendet werden, um das differentielle Messsignal basierend auf den Sensorsignalen zu berechnen, die durch die Magnetfeldsensorelemente 7L und 7R erzeugt werden.
5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Sensorsystems 500 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Es wird daraufhingewiesen, dass eine vergrößerte Querschnittsansicht der Sensoranordnung 4 rechts gezeichnet ist, verbunden durch gestrichelte Erweiterungslinien mit dem Sensorelement 4, das benachbart zu den Magnetfeldlinien gezeichnet ist.
Genauer gesagt, ähnlich zu dem Sensorsystem 200, das in 2 gezeigt ist, umfasst das Sensorsystem 500 eine Sensoranordnung 4 und einen Backbias-Magneten 5. Die Sensoranordnung 4 ist jedoch entlang einer Seite des Backbias-Magneten 5 angeordnet und kann lateral über beide Magnetpole des Backbias-Magneten 5 gespannt sein.
Zusätzlich dazu umfasst das Sensorsystem drei Magnetfeldsensorelemente 7L, 7C und 7R, die beabstandet sind, die dieselbe Empfindlichkeitsachse (z.B. x-Achse) ausgerichtet entlang derselben Erfassungsrichtung (z.B. der -Bx-Richtung) aufweisen. Somit kann eine differentielle Gleichung zweiter Ordnung verwendet werden, um das differentielle Messsignal aus den Sensorsignalen zu erzeugen, die durch die Magnetfeldsensorelemente 7L, 7C und 7R erzeugt werden. Zum Beispiel kann die Sensorschaltung 8 Gleichung (2) verwenden, um das differentielle Messsignal zu erzeugen: $SE Δ = (SEC-SEL) - (SEC-SER)$
wobei SER einem Widerstandswert (z.B. für ein xMR-Sensorelement) oder einem Spannungswert (z.B. für ein Hall-Effekt-Sensorelement) erzeugt durch das Magnetfeldsensorelement 7R entspricht, SEL einem Widerstandswert oder einem Spannungswert erzeugt durch das Magnetfeldsensorelement 7L entspricht, SEC einem Widerstandswert oder einem Spannungswert erzeugt durch das Magnetfeldsensorelement 7C entspricht und SEΔ einem Delta-Messwert entspricht und einen Wert des differentiellen Messsignals repräsentiert.
6 zeigt ein schematisches Diagramm eines Sensorsystems 600 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Es wird daraufhingewiesen, dass eine vergrößerte Querschnittsansicht der Sensoranordnung 4 rechts gezeichnet ist, verbunden durch gestrichelte Erweiterungslinien mit dem Sensorelement 4, das benachbart zu den Magnetfeldlinien gezeichnet ist.
Genauer gesagt, ähnlich zu dem Sensorsystem 500, das in 5 gezeigt ist, umfasst das Sensorsystem 600 eine Sensoranordnung 4 und einen Backbias-Magneten 5. Zusätzlich dazu umfasst das Sensorsystem drei Magnetfeldsensorelemente 7L, 7C und 7R, die beabstandet sind, die dieselbe Empfindlichkeitsachse (z.B. x-Achse) ausgerichtet entlang derselben Erfassungsrichtung (z.B. der -Bx-Richtung) aufweisen. Somit kann Gleichung (2) durch die Sensorschaltung 8 verwendet werden, um das differentielle Messsignal zu erzeugen.
Während die obigen Beispiele die Verwendung von zwei oder drei Magnetfeldsensorelementen umfassen, wird darauf hingewiesen, dass mehr als drei Magnetfeldsensorelemente verwendet werden können, solange sie ausgebildet sind, um dieselbe Magnetfeldkomponente zur Positionserfassung zu erfassen.
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Magnetfelderfassungsverfahrens 700 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Genauer gesagt umfasst das Erfassungsverfahren 700 das Erzeugen von Sensorsignalen unter Verwendung von zwei oder mehr Sensorelementen (Schritt 705), das Erzeugen eines differenziellen Messsignals unter Verwendung der Sensorsignale (Schritt 710) und das Erzeugen eines Ausgangssignals basierend auf dem differentiellen Messsignal und einer Position eines ferromagnetischen Ziels (Schritt 715).
Im Hinblick auf die obigen Ausführungsbeispiele sind xMR-Sensorelemente oder das Hall-Sensorelement empfindlich für die gleichen Magnetfeldkomponenten, z.B. Magnetfeldkomponenten innerhalb der Ebene (parallel zu einer Hauptoberfläche der Sensorelemente) oder Magnetfeldkomponenten außerhalb der Ebene (perpendikulär zu der Hauptoberfläche der Sensorelemente), und werden verwendet, um ein differentielles Messsignal zu erzeugen, das im Wesentlichen unabhängig (d.h. innerhalb einer akzeptablen Toleranz) von homogenen externen Streufeldern ist, jedoch eine Position eines ferromagnetischen Ziels im Hinblick auf die Sensorelemente repräsentiert.
Eine zusätzliche Signalverarbeitung und -konditionierung kann ausgeführt werden, um ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen. Das digitale Ausgangssignal kann eine Position des ferromagnetischen Ziels anzeigen oder kann anzeigen, dass das ferromagnetische Ziel innerhalb oder außerhalb einer Ziel-Nähe der Sensorelemente ist (z.B. einer voreingestellten Distanz von den Sensorelementen). Das digitale Ausgangssignal kann ferner im Hinblick auf eine Bewegung des ferromagnetischen Ziels linearisiert sein.
Während die obigen Ausführungsbeispiele in dem Kontext des Detektierens einer Rad- oder einer Nockenwellen-Geschwindigkeit beschrieben sind, kann der Sensor verwendet werden, um die Rotationsgeschwindigkeit von jeglichem sich drehenden Bauglied oder Objekt zu detektieren, das sinusförmige Schwankungen bei einem Magnetfeld erzeugt, wenn es sich dreht, und das durch einen Sensor erfasst werden kann. Zum Beispiel kann eine Kombination aus einem Eisenrad und einem Back-Bias-Magneten verwendet werden, um ein zeitlich variierendes Magnetfeld zu erzeugen. Alternativ kann ein aktives Codiererrad (ohne einen Backbias-Magneten) verwendet werden, um ein zeitlich variierendes Magnetfeld zu erzeugen.
Ferner, während verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, ist es für Durchschnittsfachleute offensichtlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen innerhalb der Tragweite der Erfindung möglich sind. Dementsprechend soll die Erfindung nicht eingeschränkt sein, außer im Hinblick auf die angehängten Ansprüche und ihre Entsprechungen. Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen ausgeführt werden (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.) sollen die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, außer anderweitig angegeben, jeglicher Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z.B. die funktional äquivalent ist), obwohl sie strukturell nicht äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion bei den hierin dargestellten exemplarischen Implementierungen der Erfindung ausführt.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass in der Beschreibung oder in den Patentansprüchen offenbarte Verfahren können durch eine Vorrichtung implementiert werden, die ein Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Ferner versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Beispiel ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte umfassen oder in mehrere Teilschritte aufgeteilt sein. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.

Claims

Ein Magnetfeldpositionssensor, umfassend: zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente, die ausgebildet sind, um Sensorsignale ansprechend auf ein Magnetfeld zu erzeugen, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente empfindlich für eine gleiche Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes sind; und eine Sensorschaltung, die ausgebildet ist, um ein differentielles Messsignal basierend auf den Sensorsignalen zu erzeugen.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß Anspruch 1, wobei dieselbe Magnetfeldkomponente eine Magnetfeldkomponente in der Ebene ist.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente eine Empfindlichkeitsachse gemeinschaftlich verwenden.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente umfassend ein erstes Magnetfeldsensorelement, das an einer ersten Sensorposition angeordnet ist, und ein zweites Magnetfeldsensorelement, das an einer zweiten Sensorposition angeordnet ist, wobei das differentielle Messsignal eine Differenz zwischen dem Magnetfeld an der ersten Sensorposition und an der zweiten Sensorposition repräsentiert.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente ein erstes Magnetfeldsensorelement, ein zweites Magnetfeldsensorelement und ein drittes Magnetfeldsensorelement gruppiert in ein erstes differentielles Paar und ein zweites differentielles Paar umfassen, und wobei die Sensorschaltung ausgebildet ist, um eine erste Differenz zwischen den Sensorsignalen zu erzeugen, die durch das erste differentielle Paar erzeugt werden, eine zweite Differenz zwischen den Sensorsignalen zu erzeugen, die durch das zweite differentielle Paar erzeugt werden, und das differentielle Messsignal basierend auf einer Differenz zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz zu erzeugen.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Charakteristik des Magnetfeldes sich ansprechend auf eine Position eines Zielobjekts ändert und das differentielle Messsignal repräsentativ für die Position des Zielobjekts im Hinblick auf die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente ist.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß Anspruch 6, wobei die Sensorschaltung ferner ausgebildet ist, um ein Ausgangssignal als eine Funktion einer linearen Position des ferromagnetischen Ziels relativ zu dem Magnetfeldpositionssensor basierend auf dem differentiellen Messsignal zu erzeugen.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Sensorschaltung ferner ausgebildet ist, um ein Ausgangssignal basierend auf einer linearen Bewegung des ferromagnetischen Ziels relativ zu den zumindest zwei Magnetfeldsensorelementen zu erzeugen, wobei die Sensorschaltung ausgebildet ist, um das differentielle Messsignal zu überwachen und einen logischen Zustand des Ausgangssignals ansprechend auf ein Auslöseereignis zu ändern.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß Anspruch 8, wobei das Auslöseereignis ein Kreuzen einer Schwelle durch das differentielle Messsignal ist, wobei die Schwelle einer vorbestimmten Distanz des ferromagnetischen Ziels von den zumindest zwei Magnetfeldsensorelementen entspricht.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Zielobjekt ausgebildet ist, um sich lateral über den Magnetfeldpositionssensor in einem linearen Pfad zu bewegen, und wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente eine Empfindlichkeitsachse gemeinschaftlich verwenden und der lineare Pfad orthogonal oder parallel zu der Empfindlichkeitsachse ist.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Backbias-Magneten, der ausgebildet ist, um zumindest einen Teil des Magnetfeldes zu produzieren, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente und die Sensorschaltung auf einem Halbleiterchip integriert sind, und der Halbleiterchip und der Backbias-Magnet in ein Halbleitergehäuse eingebracht sind.
Der Magnetfeldpositionssensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensorschaltung ausgebildet ist, um das differentielle Messsignal durch Löschen einer ersten, externen magnetischen Streufeldkomponente, gemessen durch ein erstes Magnetfeldsensorelement, und einer zweiten, externen magnetischen Streufeldkomponente, gemessen durch ein zweites Magnetfeldsensorelement, zu erzeugen.
Ein Magnetfelderfassungsverfahren, umfassend: Messen einer gleichen Magnetfeldkomponente eines Magnetfeldes an zumindest zwei Erfassungsorten; Erzeugen von Sensorsignalen, umfassend ein Sensorsignal für jeden Erfassungsort, basierend auf dem Messen derselben Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes an den zumindest zwei Erfassungsorten; und Erzeugen eines differenziellen Messsignals basierend auf den Sensorsignalen.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß Anspruch 13, wobei dieselbe Magnetfeldkomponente eine Magnetfeldkomponente in der Ebene ist.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente eine Empfindlichkeitsachse gemeinschaftlich verwenden.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das differentielle Messsignal eine Differenz zwischen dem Magnetfeld an dem ersten Erfassungsort und dem Magnetfeld an dem zweiten Erfassungsort repräsentiert.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, ferner umfassend: Gruppieren eines ersten Magnetfeldsensorelements, eines zweiten Magnetfeldsensorelements und eines dritten Magnetfeldsensorelements in ein erstes differentielles Paar und ein zweites differentielles Paar, und Erzeugen des differentiellen Messsignals umfassend: Erzeugen einer ersten Differenz zwischen den Sensorsignalen, die durch das erste differentielle Paar erzeugt werden; Erzeugen einer zweiten Differenz zwischen den Sensorsignalen, die durch das zweite differentielle Paar erzeugt werden; und Erzeugen des differentiellen Messsignals basierend auf einer Differenz zwischen der ersten Differenz und der zweiten Differenz.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei eine Charakteristik des Magnetfeldes sich ansprechend auf eine Position eines Zielobjekts ändert und das differentielle Messsignal repräsentativ für die Position des Zielobjekts im Hinblick auf die zumindest zwei Erfassungsorte ist.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß Anspruch 18, ferner umfassend: Erzeugen eines Ausgangssignals als eine Funktion einer linearen Position des ferromagnetischen Ziels relativ zu den zumindest zwei Erfassungsorten basierend auf dem differentiellen Messsignal.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, ferner umfassend: Erzeugen eines Ausgangssignals basierend auf einer linearen Bewegung des ferromagnetischen Ziels relativ zu den zumindest zwei Erfassungsorten, umfassend ein Überwachen des differentiellen Messsignals und Ändern eines logischen Zustands des Ausgangssignals ansprechend auf ein Auslöseereignis.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Auslöseereignis ein Kreuzen einer Schwelle durch das differentielle Messsignal ist, wobei die Schwelle einer vorbestimmten Distanz des ferromagnetischen Ziels von den zumindest zwei Erfassungsorten entspricht.
Das Magnetfelderfassungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei: das Erzeugen des differentiellen Messsignals ein Löschen einer ersten, externen magnetischen Streufeldkomponente, gemessen an einem ersten Erfassungsort, und einer zweiten, externen magnetischen Streufeldkomponente, gemessen an einem zweiten Erfassungsort, umfasst.