DE102018210595A1

DE102018210595A1 - Sensorvorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Sensorvorrichtungen

Info

Publication number: DE102018210595A1
Application number: DE102018210595.2A
Authority: DE
Inventors: Gernot Binder
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-01-02
Also published as: US11150260B2; CN110658354B; CN110658354A; US20200003797A1

Abstract

Eine Sensorvorrichtung umfasst einen Magneten mit einer Magnetisierung in einer ersten Richtung. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung einen auf dem Magneten angeordneten differentiellen Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement, wobei die Sensorelemente in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beabstandet sind. Das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement sind dazu ausgelegt, eine Magnetfeldkomponente in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung zu erfassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Sensorvorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Sensorvorrichtungen.
HINTERGRUND
In automotiven Anwendungen können Radgeschwindigkeiten mittels einer Kombination aus einem ferromagnetischen Rad und einem magnetisch-sensitiven Sensor gemessen werden. Beispielsweise werden solche magnetischen Geschwindigkeitssensoren verwendet in sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie z.B. ABS (Antiblockiersystem), Motoren oder Getrieben. Naturgemäß können magnetische Sensoren anfällig für magnetische Streufelder sein. Durch die fortschreitende Elektrifizierung und Hybridisierung moderner Fahrzeuge sind die Anforderungen hinsichtlich einer Unempfindlichkeit magnetischer Sensoren gegenüber magnetischen Streufeldern gestiegen und werden auch in Zukunft steigen. Hersteller von Sensorvorrichtungen sind ständig bestrebt, ihre Produkte und die Verfahren zur Herstellung derselben zu verbessern. Es kann daher wünschenswert sein, Sensorvorrichtungen zu entwickeln, die eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei vorliegenden magnetischen Streufeldern bereitstellen.
KURZDARSTELLUNG
Ein Aspekt der Offenbarung betrifft eine Sensorvorrichtung, umfassend einen Magneten mit einer Magnetisierung in einer ersten Richtung, und einen auf dem Magneten angeordneten differentiellen Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement, wobei die Sensorelemente in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beabstandet sind, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement dazu ausgelegt sind, eine Magnetfeldkomponente in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung zu erfassen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren, umfassend ein Bereitstellen eines Magneten mit einer Magnetisierung in einer ersten Richtung, und ein Anordnen eines differentiellen Magnetfeldsensors mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement auf dem Magneten, wobei die Sensorelemente in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beabstandet sind, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement dazu ausgelegt sind, eine Magnetfeldkomponente in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung zu erfassen.
Figurenliste
Sensorvorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen.

1 enthält die 1A und 1B, welche schematisch eine Querschnittseitenansicht und eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 100 gemäß der Offenbarung zeigen. Die Sensorvorrichtung 100 ist relativ zu einem ferromagnetischen Rad angeordnet.
2 enthält die 2A und 2B, welche schematisch eine Querschnittseitenansicht und eine Frontansicht einer Sensorvorrichtung 200 gemäß der Offenbarung zeigen. Die Sensorvorrichtung 200 ist relativ zu einem ferromagnetischen Rad angeordnet.
3 enthält die 3A und 3B und zeigt seitliche Querschnittsansichten von Sensorvorrichtungen 300A und 300B gemäß der Offenbarung, die jeweils einen Magneten mit Aussparung aufweisen. 3A zeigt eine im Querschnitt rechteckige Aussparung. 3B zeigt eine im Querschnitt dreieckige Aussparung.
4 enthält die 4A bis 4C und zeigt Magnetfeldverteilungen eines Magneten einer Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung entlang einer y-Achse. 4A zeigt die Magnetfeldverteilung einer y-Komponente B_y eines Magnetfelds. 4B zeigt die Magnetfeldverteilung der x-Komponente B_x des Magnetfelds. 4C zeigt die Magnetfeldverteilung der z-Komponente B_z des Magnetfelds.
5 enthält die 5A und 5B und verdeutlicht ein Simulationsmodell, welches den Einfluss eines Streufelds auf verschiedene Magnetfeldsensoren bei einer kleinen Luftspaltbreite verdeutlicht. 5A zeigt einen Gesamtüberblick über das Simulationsmodell. 5B zeigt eine detaillierte Darstellung eines ferromagnetischen Streifens, der in dem Simulationsmodell ein Zahnrad darstellt.
6 enthält die 6A und 6B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit von der Position. 6A zeigt Signalverläufe für einen xMR-Sensor unter dem Einfluss verschiedener Streufelder. 6B zeigt Signalverläufe für einen Hall-Sensor unter dem Einfluss verschiedener Streufelder.
7 enthält die 7A und 7B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sensorelementen einer Sensorvorrichtung. 7A zeigt Signalverläufe für einen xMR-Sensor unter dem Einfluss verschiedener Streufelder. 7B zeigt Signalverläufe für einen Hall-Sensor unter dem Einfluss verschiedener Streufelder.
8 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 800 gemäß der Offenbarung. Die Sensorvorrichtung 800 steht unter dem Einfluss eines magnetischen Streufelds in Richtung des Luftspalts zwischen der Sensorvorrichtung 800 und einem ferromagnetischen Rad.
9 enthält die 9A und 9B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit von der Luftspaltbreite unter dem Einfluss eines magnetischen Streufeldes in Richtung des Luftspalts für verschiedene Magnetfeldsensoren. In der 9A sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen ein in der z-Richtung sensitiver Hall-Sensor fehlerfrei arbeitet. In der 9B sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen ein in der y-Richtung sensitiver xMR-Sensor fehlerfrei arbeitet.
10 enthält die 10A bis 10C und verdeutlicht den Einfluss eines magnetischen Streufeldes in Richtung des Luftspalts auf die Funktionsweise verschiedener Magnetfeldsensoren. 10A zeigt den Einfluss für einen in der x-Richtung sensitiven xMR-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes. 10B zeigt den Einfluss für einen in der y-Richtung sensitiven xMR-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes. 10C zeigt den Einfluss für einen in der z-Richtung sensitiven Hall-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes.
11 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 1100 gemäß der Offenbarung. Die Sensorvorrichtung 1100 steht unter dem Einfluss eines magnetischen Streufelds in einer Richtung tangential zu einem ferromagnetischen Rad.
12 enthält die 12A und 12B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit von der Luftspaltbreite unter dem Einfluss eines magnetischen Streufeldes in der tangentialen Richtung für verschiedene Magnetfeldsensoren. In der 12A sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen ein in der z-Richtung sensitiver Hall-Sensor fehlerfrei arbeitet. In der 12B sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen ein in der y-Richtung sensitiver xMR-Sensor fehlerfrei arbeitet.
13 enthält die 13A bis 13C und verdeutlicht den Einfluss eines magnetischen Streufeldes in der tangentialen Richtung auf die Funktionsweise verschiedener Magnetfeldsensoren. 13A zeigt den Einfluss für einen in der x-Richtung sensitiven xMR-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes. 13B zeigt den Einfluss für einen in der y-Richtung sensitiven xMR-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes. 13C zeigt den Einfluss für einen in der z-Richtung sensitiven Hall-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes.
14 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 1400 gemäß der Offenbarung. Die Sensorvorrichtung 1400 steht unter dem Einfluss eines magnetischen Streufelds in Richtung einer Rotationsachse eines ferromagnetischen Rads.
15 enthält die 15A und 15B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit von der Luftspaltbreite unter dem Einfluss eines magnetischen Streufeldes in der axialen Richtung für verschiedene Magnetfeldsensoren. In der 15A sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen ein in der z-Richtung sensitiver Hall-Sensor fehlerfrei arbeitet. In der 15B sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen ein in der y-Richtung sensitiver xMR-Sensor fehlerfrei arbeitet.
16 enthält die 16A bis 16C und verdeutlicht den Einfluss eines magnetischen Streufeldes in der axialen Richtung auf die Funktionsweise verschiedener Magnetfeldsensoren. 16A zeigt den Einfluss für einen in der x-Richtung sensitiven xMR-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes. 16B zeigt den Einfluss für einen in der y-Richtung sensitiven xMR-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes. 16C zeigt den Einfluss für einen in der z-Richtung sensitiven Hall-Sensor für unterschiedliche Stärken des magnetischen Streufeldes.
17 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 enthält die 1A und 1B und zeigt ein Beispiel einer Sensorvorrichtung 100 gemäß der Offenbarung. 1A zeigt eine Querschnittseitenansicht der Sensorvorrichtung 100. 1B zeigt eine Draufsicht der Sensorvorrichtung 100. Die Sensorvorrichtung 100 ist in einem rechtwinkligen Koordinatensystem mit drei Achsen (x, y, z) gezeigt. Die folgenden Bemerkungen bezüglich der Sensorvorrichtung 100 können auch auf andere Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung angewendet werden.
Die Sensorvorrichtung 100 enthält einen Magneten 2 und einen auf dem Magneten 2 angeordneten differentiellen Magnetfeldsensor 4. Der Magnetfeldsensor 4 weist ein erstes Sensorelement 6A und ein zweites Sensorelement 6B auf. Beispielsweise kann jedes der differentiellen Sensorelemente 6A und 6B für sich als Widerstandsbrücke mit z.B. vier Widerständen implementiert sein. Der Magnetfeldsensor 4 kann auf einem Metallträger 8 angeordnet sein. Der Metallträger 8 und der Magnetfeldsensor 4 können zumindest teilweise mit einem ersten Verkapselungsmaterial 10 verkapselt sein und mit diesem ein Sensorpackage ausbilden. Die Sensorvorrichtung 100 kann ferner zumindest teilweise mit einem zweiten Verkapselungsmaterial 12 verkapselt sein. Die Sensorvorrichtung 100 kann relativ zu einem ferromagnetischen Rad 14 angeordnet sein.
Der Magnet 2 ist in der x-y-Ebene angeordnet und in der y-Richtung magnetisiert. Im Beispiel der 1 befindet sich der Nordpol des Magneten 2 links, und der Südpol des Magneten 2 befindet sich rechts. In einem weiteren Beispiel können die Pole des Magneten 2 vertauscht sein. Bei dem Magneten 2 kann es sich insbesondere um einen Blockmagneten handeln. Beispielsweise kann der Magnet 2 eine Abmessung in einem Bereich von (6 ± 0,6) mm in der x-Richtung, eine Abmessung in einem Bereich von (7 ± 0,7)mm in der y-Richtung und eine Abmessung in einem Bereich von (3 ± 0,3) mm in der z-Richtung aufweisen. Der Magnet 2 kann dazu ausgelegt sein, ein magnetisches Stützfeld für den Betrieb der Sensorvorrichtung 100 bereitzustellen.
Bei dem Magnetfeldsensor 4 kann es sich um einen differentiellen Magnetfeldsensor handeln. Der Magnetfeldsensor 4 kann eine Differenz der bei dem ersten Sensorelement 6A erfassten Magnetfeldstärke und der bei dem zweiten Sensorelement 6B erfassten Magnetfeldstäke erfassen. Bei dem Magnetfeldsensor 4 kann es sich um einen integrierten Schaltkreis bzw. einen Halbleiterchip handeln, so dass auch von einem Magnetfeldsensor-IC bzw. einem Magnetfeldsensorchip die Rede sein kann. Die Hauptflächen des Magnetfeldsensorchips 4 liegen in der x-y-Ebene. Die Sensorelemente 6A und 6B sind in der x-Richtung, d.h. senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des Magneten 2, beabstandet. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den Sensorelementen 6A und 6B in der x-Richtung einen Wert in einem Bereich von (1,8±0,2)mm aufweisen. Das erste Sensorelement 6A und das zweite Sensorelement 6B sind jeweils dazu ausgelegt, eine Magnetfeldkomponente in der z-Richtung zu erfassen. Mit anderen Worten sind die Sensorelemente 6A und 6B sensitiv bezüglich Magnetfeldkomponenten in der z-Richtung.
In einem Beispiel kann der Magnetfeldsensor 4 ein in der z-Richtung sensitiver Hall-Magnetfeldsensor sein. In weiteren Beispielen kann der Magnetfeldsensor 4 ein in der z-Richtung sensitiver xMR-Sensor sein, insbesondere ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor oder ein TMR-Sensor. Im Falle eines Hall-Sensors kann es sich bei den Sensorelementen 6A und 6B um Hall-Elemente bzw. Hall-Sensorelemente handeln, die in einen Schaltkreis des Chips integriert sein können. In einem solchen Hall-IC kann ferner eine Signalverstärkung, eine Analog-Digital-Umsetzung, eine digitale Signalverarbeitung und/oder eine Offset- und Temperaturkompensation erfolgen. Neben Hall-Platten des Hall-Sensors können Komponenten für die Signalverstärkung und/oder der Analog-Digital-Umsetzung als Teil der Sensorelemente 6A und 6B angesehen werden oder nicht. Im Beispiel der 1 kann sich bei dem Hall-Sensor insbesondere um einen lateralen Hall-Sensor handeln, der Magnetfelder senkrecht zu den Chiphauptoberflächen erfasst.
Der Magnetfeldsensor 4 kann mit einer Hauptoberfläche auf dem Metallträger 8 montiert sein. Der Metallträger 8 kann zum Beispiel aus Kupfer, Nickel, Aluminium oder Edelstahl hergestellt sein. In einem Beispiel kann der Metallträger 8 ein Leiterrahmen mit einem Diepad und einem oder mehreren Anschlussleitern 16 sein. Der Magnetfeldsensor 4 kann elektrisch mit einem oder mehreren der Anschlussleiter 16 verbunden sein. Die Anschlussleiter 16 können zumindest teilweise aus dem ersten Verkapselungsmaterial 10 herausstehen, so dass der Magnetfeldsensor 4 von außerhalb des ersten Verkapselungsmaterials 10 elektrisch kontaktiert werden kann. Ferner können die Anschlussleiter 16 zumindest teilweise aus dem zweiten Verkapselungsmaterial 12 herausstehen, so dass der Magnetfeldsensor 4 auch von außerhalb des zweiten Verkapselungsmaterials 12 elektrisch kontaktiert werden kann. Die Verkapselungsmaterialien 10 und 12 können beispielsweise aus einem Laminat, einem Epoxidharz, einem Thermoplast oder einem wärmehärtenden Polymer gefertigt sein.
Aufgrund der gezeigten relativen Anordnung des Magnetfeldsensors 4 und dem Magneten 2 können die Anschlussleiter 16 in der y-Richtung einen vollständig geraden Verlauf aufweisen. Das bedeutet, dass die Anschlussleiter 16 nicht um den Magneten 2 gebogen werden müssen, um an der in der 1 gezeigten Stelle des ersten Verkapselungsmaterials 10 herauszustehen. Aufgrund des geradlinigen Verlaufs der Anschlussleiter 16 kann die Anordnung der 1 im Vergleich zu Anordnungen mit gebogenen Anschlussleitern kleinere Abmessungen aufweisen. Ferner können die Herstellungskosten der gezeigten Anordnung verringert sein, da die Anschlussleiter 16 nicht in zusätzlichen Herstellungsschritten gebogen werden müssen.
Das den Magnetfeldsensor 4 enthaltende Sensorpackage kann beispielsweise durch einen Kleber (nicht dargestellt) an dem Magneten 2 befestigt sein. Im Beispiel der 1 ist eine Achse der gezeigten Anordnung durch eine waagrechte gestrichelte Linie angedeutet. Der Magnetfeldsensor 4 kann wie der Magnet 2 in der x-y-Ebene angeordnet sein und einen Abstand a in einem beispielhaften Bereich von (0,7±0,1) = von der Symmetrieachse bzw. der benachbarten Hauptoberfläche des Magneten 2 aufweisen. Allgemein kann der Abstand a in einem Bereich von 0,2mm bis 1,2mm liegen.
In den 1A und 1B ist jeweils durch eine senkrecht gestrichelte Linie angedeutet, dass die Sensorelemente 6A und 6B mit einer in der x-Richtung verlaufenden Seitenkante 18 des Magneten 2 ausgerichtet sind. Genauer sind die Sensorelemente 6A und 6B und die Seitenkante 18 des Magneten 2 in einer Projektion entlang der z-Richtung deckungsgleich zueinander angeordnet (vgl. 1B). Noch genauer sind die Mitten der Sensorelemente 6A und 6B und die Seitenkante 18 des Magneten 2 in einer Projektion entlang der z-Richtung deckungsgleich zueinander angeordnet (vgl. 1B). Dabei können das erste Sensorelement 6A und das zweite Sensorelement 6B einen gleichen Abstand zum Mittelpunkt der Seitenkante 18 des Magneten 2 aufweisen. Handelt es sich bei den Sensorelementen 6A und 6B um Hall-Sensorelemente, können insbesondere die (lateralen) Hall-Platten der Sensorelemente 6A und 6B mit der Seitenkante 18 des Magneten 2 ausgerichtet bzw. deckungsgleich sein.
Aufgrund der deckungsgleichen Anordnung können die Sensorelemente 6A und 6B an gleichen magnetischen Arbeitspunkten des Magneten 2 angeordnet sein. Die Sensorelemente 6A und 6B können dem gleichen magnetischen Offset ausgesetzt sein, so dass das von dem Magnetfeldsensor 4 erfasste differentielle Signal keinen magnetischen Offset aufweist. Hierdurch kann eine weitere Signalverarbeitung des differentiellen Signals bzw. das hierfür implementierte Signalpfaddesign vereinfacht sein. Beispielsweise muss das Design einer Analog-Digital-Umsetzung keinen Offset berücksichtigen. Aus der später diskutierten 4C geht zudem hervor, dass die Sensorelemente 6A und 6B in einer Magnetfeldverteilung der B_z -Magnetfeldkomponente des Magneten 2 entlang der y-Richtung bei einem lokalen Extremum angeordnet sind.
Die Sensorvorrichtung 100 und das ferromagnetische Rad 14 können durch einen Luftspalt 20 voneinander getrennt sein. Eine Breite des Luftspalts kann hierbei beispielsweise kleiner als 2,7mm, kleiner als 2,5mm, kleiner als 2,0mm, kleiner als 1,5mm, kleiner als 1,0mm oder kleiner als 0,7mm sein. In weiteren Beispielen kann die Breite des Luftspalts auch größer sein. Die gemessene Signalamplitude kann abhängig von der Zahnradgeometrie und der Magnetstärke sein. Das ferromagnetische Rad 14 ist dazu ausgelegt, sich um eine in der z-Richtung verlaufende Rotationsachse zu drehen. In der 1A ist eine solche Rotationsachse durch eine senkrechte punkt-gestrichelte Linie angedeutet, wobei aus darstellerischen Gründen lediglich die rechte Hälfte des ferromagnetischen Rads 14 dargestellt ist.
Bei dem ferromagnetischen Rad 14 kann es sich insbesondere um ein ferromagnetisches Zahnrad handeln. Der Magnet 2 erzeugt ein Stützfeld für den Magnetfeldsensor 4. Aufgrund der ungleichmäßigen Form des ferromagnetischen Rads 14 ändert sich während einer Rotation des ferromagnetischen Rads 14 das von dem Magnetfeldsensor 4 erfasste magnetische Feld und der Magnetfeldsensor 4 erzeugt Ausgabeimpulse. Eine Steuereinheit (nicht dargestellt) kann die Ausgabeimpulse zählen und die Geschwindigkeit des rotierenden ferromagnetischen Rads 4 berechnen. In einem Beispiel kann die Sensorvorrichtung 100 ein drittes Sensorelement (nicht dargestellt) aufweisen, welches zum Beispiel zwischen dem ersten Sensorelement 6A und dem zweiten Sensorelement 6B angeordnet sein kann. Das dritte Sensorelement kann dazu ausgelegt sein, eine Drehrichtung des ferromagnetischen Rads 14 zu erfassen. Die Sensorvorrichtung 100 kann zum Beispiel in automotiven Applikationen zur Bestimmung von Radgeschwindigkeiten verwendet werden, insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie z.B. ABS (Antiblockiersystem), Motoren oder Getrieben.
Das differentielle Abtastprinzip des Magnetfeldsensors 4 kann dazu dienen, magnetische Streufelder bei der erwünschten Erfassung von Magnetfeldern aufzuheben. Magnetische Streufelder können in automotiven Anwendungen aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung und Hybridisierung moderner Autos vermehrt auftreten. Das ferromagnetische Rad 14 kann aufgrund seiner unregelmäßigen Form als ein Konzentrator des magnetischen Flusses wirken und neben dem durch den Magneten 2 erzeugten magnetischen Stützfeld auch unerwünschte magnetische Streufelder modulieren. Eine solche Modulation von Streufeldern ist insbesondere bei einem Luftspalt 20 mit geringer Breite vorhanden. Ein homogenes Streufeld kann durch die unregelmäßige Form des ferromagnetischen Rads 14 verzerrt werden. Daher kann das Streufeld bei kleinen Luftspaltbreiten nicht mehr homogen sein. Dadurch können das erste Sensorelement 6A und das zweite Sensorelement 6B verschiedenen Offset-Feldern ausgesetzt sein. Das Differentialsensorprinzip beruht jedoch auf homogenen, identischen Feldern an den Positionen der Sensorelementen 6A und 6B. Der Magnetfeldsensor 4 kann die Streufelder also nicht mehr gegeneinander aufheben. Im schlimmsten Fall kann das Streufeld falsche Impulse einführen und/oder zu zusätzlichen Impulsen führen und/oder zu fehlenden Impulsen führen.
Die Sensorvorrichtung 100 kann dazu ausgelegt sein, den beschriebenen Einfluss inhomogener magnetischer Streufelder bei einer kleinen Luftspaltbreite zu unterbinden. Die 8 bis 16 verdeutlichen die Einflüsse magnetischer Streufelder auf die Funktionsweise unterschiedlicher Sensoren. Aus den 8 bis 16 geht unter anderem hervor, dass solche Sensorvorrichtungen für Messungen bei kleinen Luftspaltbreiten geeignet sind, bei denen die Richtung der Sensitivität der Sensorelemente mit der Richtung der Rotationsachse des ferromagnetischen Rads übereinstimmt.
2 enthält die 2A und 2B und zeigt ein Beispiel einer Sensorvorrichtung 200 gemäß der Offenbarung. 2A zeigt eine Querschnittseitenansicht der Sensorvorrichtung 200. 2B zeigt eine Frontansicht der Sensorvorrichtung 200. Die Sensorvorrichtung 200 ist in einem rechtwinkligen Koordinatensystem mit drei Achsen (x, y, z) gezeigt. Die Sensorvorrichtung 200 kann der Sensorvorrichtung 100 der 1 zumindest teilweise ähnlich sein, so dass Ausführungen zur 1 auch für die 2 gelten können.
Die Sensorvorrichtung 200 enthält einen Magneten 2 und einen auf dem Magneten 2 angeordneten differentiellen Magnetfeldsensor 4. Der Magnetfeldsensor 4 weist ein erstes Sensorelement 6A und ein zweites Sensorelement 6B auf. Der Magnetfeldsensor 4 kann auf einem Metallträger 8 angeordnet sein. Der Metallträger 8 kann ein Diepad und einen oder mehrere Anschlussleiter 16 aufweisen. Der Metallträger 8 und der Magnetfeldsensor 4 können zumindest teilweise mit einem ersten Verkapselungsmaterial 10 verkapselt sein und mit diesem ein Sensorpackage ausbilden. Die Sensorvorrichtung 200 kann relativ zu einem ferromagnetischen Rad 14 angeordnet sein. Die Sensorvorrichtung 200 und das ferromagnetische Rad 14 können durch einen Luftspalt 20 voneinander getrennt sein.
Bei dem Magnetfeldsensor 4 kann es sich um einen integrierten Schaltkreis bzw. einen Halbleiterchip handeln. Die Hauptoberflächen des Magnetfeldsensors 4 sind in der x-y-Ebene angeordnet. Die Sensorelemente 6A und 6B sind in der x-Richtung beabstandet. Das erste Sensorelement 6A und das zweite Sensorelement 6B sind dazu ausgelegt, eine Magnetfeldkomponente in der y-Richtung zu erfassen. Mit anderen Worten sind die Sensorelemente 6A und 6B sensitiv bezüglich Magnetfeldkomponenten in der y-Richtung. In der 2B ist die Sensitivität der Sensorelemente 6A und 6B in der y-Richtung durch kleine Dreiecke an den Positionen der Sensorelemente 6A und 6B angedeutet. Beispielsweise kann der Magnetfeldsensor 4 ein in der y-Richtung sensitiver xMR-Sensor sein, insbesondere ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor oder ein TMR-Sensor. Alternativ kann es sich bei dem Magnetfeldsensor 4 um einen entsprechenden vertikalen Hall-Sensor handeln. Ein Abstand zwischen den Sensorelementen 6A, 6B und der rechten Hauptoberfläche des Sensorpackage bzw. des Verkapselungsmaterials 10 kann einen Wert in einem beispielhaften Bereich von (0,3±0,05)mm haben. Allgemein kann der Abstand in einem Bereich von 0,05mm bis 0,55mm liegen.
Der Magnet 2 ist in der x-z-Ebene angeordnet und in der z-Richtung magnetisiert. Im Beispiel der 2 ist die Magnetisierungsrichtung durch einen Pfeil angedeutet. Der Nordpol des Magneten 2 kann sich somit links und der Südpol des Magneten 2 rechts befinden. In einem weiteren Beispiel können die Pole des Magneten 2 vertauscht sein. In der 2A ist eine Symmetrieachse des Magneten 2 durch eine waagrechte gestrichelte Linie angedeutet. Damit das Stützfeld des Magneten 2 für den Betrieb der Sensorvorrichtung 200 wirksam ist, sollten die Sensorelemente 6A und 6B nicht auf der Symmetrieachse des Magneten 2 angeordnet sein, sondern zu dieser leicht versetzt sein. In einem weiteren Beispiel können die Sensorelemente 6A und 6B auf der Symmetrieachse des Magneten 2 angeordnet sein. In diesem Fall sollte die Magnetisierungsrichtung des Magneten 2 nicht genau in der z-Richtung verlaufen, sondern zu dieser etwas geneigt sein. Die Sensorelemente 6A und 6B sind dann leicht zur Magnetisierungsrichtung des Magneten 2 versetzt und das Stützfeld des Magneten 2 kann für den Betrieb der Sensorvorrichtung 200 wirksam sein. In noch einem weiteren Beispiel können die Sensorelemente 6A und 6B nicht auf der Symmetrieachse des Magneten 2 angeordnet sein und zusätzlich kann die Magnetisierungsrichtung des Magneten 2 nicht genau in der z-Richtung verlaufen, sondern zu dieser geneigt sein.
Im Beispiel der 2 weisen die Anschlussleiter 16 in der y-Richtung einen vollständig geraden Verlauf auf. In einem weiteren Beispiel können die Anschlussleiter 16 um den Magneten 2 herum gebogen sein, um dadurch links neben dem Magneten 2 in der z-Richtung zu verlaufen.
Das ferromagnetische Rad 14 ist dazu ausgelegt, sich um eine in der y-Richtung verlaufende Rotationsachse zu drehen. In der 2A ist eine solche Rotationsachse durch eine senkrechte punkt-gestrichelte Linie angedeutet. In der 2A ist aus darstellerischen Gründen lediglich die linke Hälfte des ferromagnetischen Rads 14 dargestellt.
Die Sensorvorrichtung 200 kann eine ähnliche relative Anordnung der Magnetisierungsrichtung des Magneten 2, der Richtung der Sensitivität der Sensorelemente 6A, 6B und der Richtung der Rotationsachse des ferromagnetischen Rads 4 aufweisen wie in der 1 beschrieben. Ähnlich zur Sensorvorrichtung 100 der 1 kann die Sensorvorrichtung 200 der 2 deshalb ebenfalls dazu ausgelegt sein, einen Einfluss inhomogener Streufelder bei einer kleinen Luftspaltbreite zu unterbinden.
3 enthält die 3A und 3B und zeigt Beispiele von Sensorvorrichtungen 300A und 300B gemäß der Offenbarung. 3A zeigt eine Querschnittsansicht der Sensorvorrichtung 300A. 3B zeigt eine Querschnittsansicht der Sensorvorrichtung 300B.
Die Sensorvorrichtungen 300A und 300B können der Sensorvorrichtung 200 der 2 ähnlich sein. Im Gegensatz zu dieser enthalten die Sensorvorrichtungen 300A und 300B einen Magneten 2 mit einer oder mehreren Aussparungen 22. Um Sättigungseffekte der Sensoren (linearer Bereich) zu vermeiden, kann es notwendig sein, den magnetischen Arbeitspunkt niedrig zu halten. Dies kann durch die Aussparung(en) 22 im Magneten 2 erreicht werden. Die Aussparung(en) 22 können insbesondere unter den Sensorelemente 6A und 6B angeordnet sein. Genauer gesagt kann/können die Aussparung(en) 22 in einer Orthogonalprojektion oder Draufsicht auf die (in der 3 rechts befindliche) Fläche des Magneten 2 unterhalb der Sensorelemente 6A und 6B angeordnet sein. In einem Beispiel kann der Magnet 2 zwei Aussparungen 22 aufweisen, wobei unter jedem der Sensorelemente 6A und 6B jeweils eine der beiden Aussparungen 22 angeordnet ist. In einem weiteren Beispiel kann der Magnet 2 genau eine Aussparung 22 aufweisen, wobei die Aussparung 22 sowohl unter dem ersten Sensorelement 6A als auch unter dem zweiten Sensorelement 6B angeordnet ist. Im Allgemeinen kann die Form der Aussparungen 22 von der Geometrie des Sensors abhängen. Im Beispiel der 3A weist ein Querschnitt der Aussparung 22 eine rechteckige Form auf. Im Beispiel der 3B weist ein Querschnitt der Aussparung 22 eine dreieckige Form auf.
4 enthält die 4A bis 4C und zeigt Magnetfeldverteilungen eines Magneten entlang einer y-Achse des Magneten. Der Magnet kann Teil einer Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung sein. Beispielsweise kann es sich um den Magneten 2 in der 1 handeln. Im Beispiel der 4 hat der Magnet eine Länge von 7mm. Die linke Kante des Magneten befindet sich bei der y-Position 0,001m und die rechte Kante bei der y-Position 0,008m. Ein Magnetfeldsensor der Sensorvorrichtung bzw. seine Sensorelemente sind in einem Abstand von 0,7mm zum Magneten angeordnet (vgl. z.B. 1A). Der Magnet weist eine Remanenz Br von 1,2T auf. Die beiden Sensorelemente des Magnetfeldsensors sind einem gleichen B_z-Offset ausgesetzt.
4A zeigt die Magnetfeldverteilung der y-Komponente B_y des Magnetfelds. In der 4A ist die Stärke der Magnetfeldkomponente B_y gegenüber der y-Position des Magneten aufgetragen.
4B zeigt die Magnetverteilung der x-Komponente B_x des Magnetfelds. In der 4B ist die Stärke der Magnetfeldkomponente B_x gegenüber der y-Position des Magneten aufgetragen.
4C zeigt die Magnetfeldverteilung der z-Komponente B_z des Magnetfelds. In der 4C ist die Stärke der Magnetfeldkomponente B_z gegenüber der y-Position des Magneten aufgetragen. An der y-Position der linken Kante des Magneten (y=0,001) weist die z-Komponente des Magnetfelds ein lokales Maximum auf. An der y-Position der rechten Kante des Magneten (y=0,008) weist die z-Komponente des Magnetfelds ein lokales Minimum auf. Im Beispiel der 4 können sich die Sensorelemente des Magnetfeldsensors an der y-Position 0,008 des lokalen Minimums befinden.
Bei der Herstellung einer Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung kann der Magnetfeldsensor in der Praxis mittels eines Pick-and-Place Verfahrens auf dem Magneten angeordnet werden. Dabei kann es aufgrund von Ungenauigkeiten des Verfahrens zu einer Abweichung zwischen der gewünschten Positionierung und der tatsächlichen Positionierung des Magnetfeldsensors relativ zum Magneten kommen. Falls die Sensorelemente durch eine solche Abweichung einem unterschiedlichen magnetischen Arbeitspunkt ausgesetzt werden, kann dies zu einer Verfälschung von Messergebnissen des Sensors führen. Durch die Anordnung der Sensorelemente des Magnetfeldsensors bei einem lokalen Extremum können derartige Verfälschungen vermieden werden. An der Position eines lokalen Extremums führt eine leichte Verschiebung der Sensorelemente (zum Beispiel) in der y-Richtung nur zu einer geringen Veränderung des Magnetfeldes, da die Steigung des Magnetfeldverlaufs an der Position des Extremums gleich Null ist. Im Beispiel der 4C können die Sensorelemente demnach bevorzugt an der Stelle des lokalen Maximums bei der y-Position 0,001 oder an der Stelle des lokalen Minimums bei der y-Position 0,008 positioniert werden.
5 enthält die 5A und 5B und verdeutlicht ein Simulationsmodell, welches den Einfluss eines Streufelds auf die Messergebnisse verschiedener Magnetfeldsensoren bei kleiner Luftspaltbreite verdeutlicht. In der Simulation wird ein homogenes Streufeld durch die unregelmäßige Form eines ferromagnetischen Zahnrads gestört. Die Ergebnisse des Simulationsmodells sind in den 6 und 7 gezeigt.
5A zeigt das simulierte Szenario in einem rechtwinkligen dreidimensionalen Koordinatensystem mit x-, y- und z-Achse. Im Beispiel der 5 wird ein Szenario ohne ein durch einen Magneten bereitgestelltes Stützfeld betrachtet. Ein ein Zahnrad darstellender ferromagnetischer Streifen bewegt sich entlang der x-Achse. Ferner verläuft ein homogenes magnetisches Streufeld Bz_Streufeld entlang der z-Achse. Im Beispiel der 5 wird eine ideale Streufeldquelle angenommen, welche DC-Felder von 0mT, 1mT, 2mT, 3mT, 4mT und 5mT an der Position der Sensorelemente eines Magnetfeldsensors erzeugen kann.
In der 5B ist eine detaillierte Darstellung des ferromagnetischen Streifens gezeigt. Der ferromagnetische Streifen weist einen kammförmigen Verlauf auf, wobei eine Breite eines simulierten Zahnrads einen beispielhaften Wert von 3,92 und eine Höhe des Zahnrads einen beispielhaften Wert von 4,32 hat. Im Beispiel der 5 hat der ferromagnetische Streifen eine Permeabilitätszahl µ_r von 4000.
6 enthält die 6A und 6B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit von der Position des ferromagnetischen Streifens. Im Beispiel der 6 hat der Abstand zwischen den Sensorelementen (Sensor Pitch) einen Wert von 2mm, und die Luftspaltbreite hat einen Wert von 0,5mm. Das vom jeweiligen Magnetfeldsensor erfasste differentielle Signal ist in mT gegen die Position des ferromagnetischen Streifens in mm aufgetragen. Es sind die Signalverläufe bei magnetischen Streufeldern in der z-Richtung mit den Werten 0mT, 1mT, 2mT, 3mT, 4mT und 5mT gezeigt.
6A zeigt die von einem differentiellen xMR-Sensor erfassten Signalverläufe für die magnetischen Streufelder der verschiedenen Stärken. Die Signale entsprechen jeweils einer Differenz zwischen dem am rechten Sensorelement (vgl. „BxRechts“) und dem am linken Sensorelement (vgl. „BxLinks“) erfassten Magnetfeld in der x-Richtung. Alternativ kann es sich bei dem Sensor um einen vertikalen Hall-Sensor handeln.
6B zeigt die von einem differentiellen Hall-Sensor erfassten Signalverläufe für die magnetischen Streufelder der verschiedenen Stärken. Die Signale entsprechen jeweils einer Differenz zwischen dem am rechten Sensorelement (vgl. „BzRechts“) und dem am linken Sensorelement (vgl. „BzLinks“) erfassten Magnetfeld in der z-Richtung. Alternativ kann es sich bei dem Sensor um einen in der z-Richtung sensitiven xMR-Sensor handeln.
6A und 6B verdeutlichen, dass die Funktion beider Sensoren durch das magnetische Streufeld beeinflusst wird. Dies wird insbesondere durch den Signalverlauf bei dem magnetischen Streufeld von 5mT deutlich. Ein differentieller Sensor sollte idealerweise eine Auswirkung des magnetischen Streufelds auf das Messergebnis unterdrücken. Bei einer geringen Luftspaltbreite wird das Streufeld durch das ferromagnetische Zahnrad jedoch abgelenkt und verstärkt. Anstatt einen Signalwert von Null zu erhalten, schlägt das vom Sensor erfasste Signal bis zu einem Wert des differentiellen Signals von etwa 3mT aus.
7 enthält die 7A und 7B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Sensorelementen einer Sensorvorrichtung (Sensor Pitch). 7A zeigt Signalverläufe für einen xMR-Sensor unter dem Einfluss verschiedener magnetischer Streufelder. Alternativ kann es sich bei dem Sensor um einen entsprechenden vertikalen Hall-Sensor handeln. 7B zeigt Signalverläufe für einen Hall-Sensor unter dem Einfluss verschiedener magnetischer Streufelder. Alternativ kann es sich bei dem Sensor um einen entsprechenden xMR-Sensor handeln. Im Beispiel der 7 hat die Luftspaltbreite hat einen Wert von 0,5mm. Das vom jeweiligen Magnetfeldsensor erfasste differentielle Signal ist in mT gegen den Abstand der Sensorelemente in mm aufgetragen. Es sind die Signalverläufe bei magnetischen Streufeldern in der z-Richtung mit den Werten 0mT, 1mT, 2mT, 3mT, 4mT und 5mT gezeigt.
7A und 7B verdeutlichen, dass der Einfluss des magnetischen Streufeldes auf die Funktion der Magnetfeldsensoren mit einer Vergrößerung des Abstands zwischen den Sensorelementen zunimmt.
8 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 800 gemäß der Offenbarung. Die Sensorvorrichtung 800 kann beispielsweise der Sensorvorrichtung 100 der 1 ähnlich sein. Ein magnetisches Streufeld in Richtung des Luftspalts zwischen der Sensorvorrichtung 800 und einem ferromagnetischen Rad 14 (y-Richtung) ist durch einen Pfeil dargestellt. Die Einflüsse des magnetischen Streufelds auf die Funktion der Sensorvorrichtung 800 im Falle verschiedener Magnetfeldsensoren sind in den 9 und 10 gezeigt.
9 enthält die 9A und 9B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit von der Luftspaltbreite unter dem Einfluss eines magnetischen Streufeldes in Richtung des Luftspalts (vgl. 8). Es sind Signalverläufe für einen in der x-Richtung sensitiven xMR-Sensor, für einen in der y-Richtung sensitiven xMR-Sensor und einen in der z-Richtung sensitiven Hall-Sensor gezeigt. Das vom jeweiligen Magnetfeldsensor erfasste differentielle Signal ist in T gegen die Luftspaltbreite in mm aufgetragen. Eine waagrechte gestrichelte Linie stellt ein dB-Limit dar. Der jeweilige Sensor arbeitet, wenn seine differentielle Signalamplitude oberhalb des dB-Limits verläuft. Unterschreitet die Signalamplitude den dB-Limit-Wert, werden keine weiteren Schaltpulse durch den Sensor ausgegeben. Aus der 9 ist ersichtlich, dass die differentiellen Signalamplituden der xMR-Sensoren stärker als die differentielle Signalamplitude des Hall-Sensors sind.
In der 9A sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen der in der z-Richtung sensitive Hall-Sensor fehlerfrei arbeitet (vgl. nicht-schraffierter Bereich). Demnach arbeitet der Hall-Sensor fehlerfrei für Luftspaltbreiten von 0,5mm bis etwa 2,8mm, also in einem Bereich von etwa 2,3mm (vgl. LS Bereich). In diesem Bereich verläuft die differentielle Signalamplitude des Hall-Sensors oberhalb des dB-Limits. Ferner hat das Streufeld einen zu vernachlässigenden Einfluss, wie aus der unten diskutierten 10C hervorgeht.
In der 9B sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen der in der y-Richtung sensitive xMR-Sensor fehlerfrei arbeitet (vgl. nicht-schraffierter Bereich). Der xMR-Sensor arbeitet demnach fehlerfrei für Luftspaltbreiten von etwa 2,4mm bis etwa 4,2mm, also in einem Bereich von etwa 1,8mm (vgl. LS Bereich). In diesem Bereich verlaufen die differentiellen Signalamplituden des xMR-Sensors oberhalb des dB-Limits. Ferner hat das Streufeld einen zu vernachlässigenden Einfluss, wie aus der unten diskutierten 10B hervorgeht.
10 enthält die 10A bis 10C und verdeutlicht den Einfluss eines magnetischen Streufeldes in Richtung des Luftspalts (vgl. 8) auf die Funktionsweise verschiedener Magnetfeldsensoren. In den 10A bis 10C ist jeweils die Abweichung vom nominalen Mapping in mT gegen die Luftspaltbreite in mm aufgetragen. Es sind Verläufe für Streufelder in Richtung des Luftspalts in Höhe von 0mT, 2,5mT und 5mT dargestellt. Eine waagrechte gestrichelte Linie bei einem beispielhaften Wert von etwa 0,8mT stellt ein dB-Limit dar. Der Einfluss des Streufeldes auf die Funktionsweise des jeweiligen Sensors ist vernachlässigbar, wenn der jeweils gezeigte Signalverlauf unterhalb des dB-Limits verläuft.
10A verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in Richtung des Luftspalts auf die Funktionsweise eines in der x-Richtung sensitiven xMR-Sensors. Aus der Kurve für ein Streufeld von 5mT wird deutlich, dass das Streufeld bei einer Luftspaltbreite von kleiner als etwa 2,5mm das dB-Limit überschreitet, so dass der Sensor nicht fehlerfrei arbeiten kann. Das bedeutet, dass der Sensor in Gegenwart eines Streufeldes von 5mT für einen Betrieb mit einer Luftspaltbreite von unter 2,5mm nicht geeignet ist.
10B verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in Richtung des Luftspalts auf die Funktionsweise eines in der y-Richtung sensitiven xMR-Sensors. Aus der Kurve für ein Streufeld von 5mT wird deutlich, dass das Streufeld bei einer Luftspaltbreite von kleiner als etwa 2,4mm das dB-Limit überschreitet, so dass der Sensor nicht fehlerfrei arbeiten kann. Der Sensor ist in Gegenwart eines Streufeldes von 5mT für einen Betrieb mit einer Luftspaltbreite von unter 2,4mm demnach nicht geeignet (vgl. hierzu auch 9B).
10C verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in Richtung des Luftspalts auf die Funktionsweise eines in der z-Richtung sensitiven Hall-Sensors. Aus den Kurven der 10C wird deutlich, dass die Streufeldsignale über den gesamten Bereich der Luftspaltbreite unterhalb des dB-Limits verlaufen. Diesbezüglich ist der Hall-Sensor demnach für einen Betrieb mit einer beliebigen Luftspaltbreite in dem dargestellten Bereich geeignet (vgl. hierzu auch 9A). Aus der 9A ging bereits hervor, dass der Hall-Sensor bezüglich der differentiellen Signalamplitude fehlerfrei für Luftspaltbreiten kleiner als etwa 2,8mm arbeitet.
11 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 1100 gemäß der Offenbarung. Die Sensorvorrichtung 1100 kann beispielsweise der Sensorvorrichtung 100 der 1 ähnlich sein. Ein magnetisches Streufeld in einer Richtung tangential zu einem ferromagnetischen Rad 14 (x-Richtung) ist durch einen Pfeil dargestellt. Die Einflüsse des magnetischen Streufelds auf die Funktion der Sensorvorrichtung 1100 im Falle verschiedener Magnetfeldsensoren sind in den 12 und 13 gezeigt.
12 enthält die 12A und 12B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit von der Luftspaltbreite unter dem Einfluss des magnetischen Streufeldes in tangentialer Richtung (vgl. 11) für verschiedene Sensoren.
In der 12A sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen der in der z-Richtung sensitiver Hall-Sensor fehlerfrei arbeitet (vgl. nicht-schraffierter Bereich). Demnach arbeitet der Hall-Sensor fehlerfrei für Luftspaltbreiten von 0,5mm bis etwa 2,8mm.
In der 12B sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen der in der y-Richtung sensitive xMR-Sensor fehlerfrei arbeitet. Der xMR-Sensor arbeitet demnach fehlerfrei für Luftspaltbreiten von etwa 2,5mm bis etwa 4,2mm.
13 enthält die 13A bis 13C und verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in tangentialer Richtung (vgl. 11) auf die Funktionsweise verschiedener Magnetfeldsensoren. Die in Verbindung mit der 10 gemachten Bemerkungen gelten auch für die 13.
13A verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in tangentialer Richtung auf die Funktionsweise eines in der x-Richtung sensitiven xMR-Sensors. Aus der 13A wird deutlich, dass die Streufeldsignale über den gesamten Bereich der Luftspaltbreite unterhalb des dB-Limits verlaufen.
13B verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in tangentialer Richtung auf die Funktionsweise eines in der y-Richtung sensitiven xMR-Sensors. Aus der Kurve für ein Streufeld von 5mT wird deutlich, dass das Streufeld bei einer Luftspaltbreite von kleiner als etwa 2,5mm das dB-Limit überschreitet, so dass der Sensor nicht fehlerfrei arbeiten kann.
13C verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in tangentialer Richtung auf die Funktionsweise eines in der z-Richtung sensitiven Hall-Sensors. Aus der 13C wird deutlich, dass die Streufeldsignale über den gesamten Bereich der Luftspaltbreite unterhalb des dB-Limits verlaufen.
14 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 1400 gemäß der Offenbarung. Die Sensorvorrichtung 1400 kann beispielsweise der Sensorvorrichtung 100 der 1 ähnlich sein. Ein magnetisches Streufeld in Richtung einer Rotationsachse eines ferromagnetischen Rads 14 (z-Richtung) ist durch einen Kreis mit Punkt dargestellt. Die Einflüsse des magnetischen Streufelds auf die Funktion der Sensorvorrichtung 1400 im Falle verschiedener Magnetfeldsensoren sind in den 15 und 16 gezeigt.
15 enthält die 15A und 15B und zeigt Verläufe differentieller Signalamplituden in Abhängigkeit von der Luftspaltbreite unter dem Einfluss eines magnetischen Streufeldes in axialer Richtung (vgl. 14). Die in Verbindung mit der 9 gemachten Bemerkungen gelten auch für die 15.
In der 15A sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen der in der z-Richtung sensitive Hall-Sensor fehlerfrei arbeitet. Demnach arbeitet der Hall-Sensor fehlerfrei für Luftspaltbreiten von 0,5mm bis etwa 2,8mm.
In der 15B sind die Werte für die Luftspaltbreite veranschaulicht, bei denen der in der y-Richtung sensitive xMR-Sensor fehlerfrei arbeitet. Der xMR-Sensor arbeitet demnach fehlerfrei für Luftspaltbreiten von 0,5mm bis etwa 4,2mm.
16 enthält die 16A bis 16C und verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in axialer Richtung (vgl. 14) auf die Funktionsweise verschiedener Magnetfeldsensoren. Die in Verbindung mit der 10 gemachten Bemerkungen gelten auch für die 16.
16A verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in axialer Richtung auf die Funktionsweise eines in der x-Richtung sensitiven xMR-Sensors. Aus der 16A wird deutlich, dass die Streufeldsignale über den gesamten Bereich der Luftspaltbreite unterhalb des dB-Limits verlaufen.
16B verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in axialer Richtung auf die Funktionsweise eines in der y-Richtung sensitiven xMR-Sensors. Aus der 16B wird deutlich, dass die Streufeldsignale über den gesamten Bereich der Luftspaltbreite unterhalb des dB-Limits verlaufen.
16C verdeutlicht den Einfluss eines Streufeldes in axialer Richtung auf die Funktionsweise eines in der z-Richtung sensitiven Hall-Sensors. Aus der 16C wird deutlich, dass die Streufeldsignale über den gesamten Bereich der Luftspaltbreite unterhalb des dB-Limits verlaufen.
17 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung. Bei 24 wird ein Magnet mit einer Magnetisierung in einer ersten Richtung bereitgestellt. Bei 26 wird ein differentieller Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement auf dem Magneten angeordnet. Die Sensorelemente sind in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beabstandet. Das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement sind dazu ausgelegt, eine Magnetfeldkomponente in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung zu erfassen.
BEISPIELE
Beispiel 1 ist eine Sensorvorrichtung, umfassend: einen Magneten mit einer Magnetisierung in einer ersten Richtung; und einen auf dem Magneten angeordneten differentiellen Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement, wobei die Sensorelemente in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beabstandet sind, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement dazu ausgelegt sind, eine Magnetfeldkomponente in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung zu erfassen.
Beispiel 2 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 1, wobei die Sensorvorrichtung relativ zu einem ferromagnetischen Rad angeordnet ist, wobei das ferromagnetische Rad dazu ausgelegt ist, sich um eine in der dritten Richtung verlaufende Rotationsachse zu drehen.
Beispiel 3 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement dazu ausgelegt sind, eine Geschwindigkeit des ferromagnetischen Rads zu erfassen.
Beispiel 4 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Sensorvorrichtung und das ferromagnetische Rad durch einen Luftspalt getrennt sind.
Beispiel 5 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei eine dem Magneten zugewandte Hauptfläche des differentiellen Magnetfeldsensors parallel zu einer durch die erste Richtung und die zweite Richtung aufgespannten Ebene angeordnet ist.
Beispiel 6 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der differentielle Magnetfeldsensor einen in der dritten Richtung sensitiven Hall-Sensor umfasst.
Beispiel 7 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Magnet eine in der zweiten Richtung verlaufende Seitenkante aufweist, wobei sich ein jeweiliges Zentrum der beiden Sensorelemente und die Seitenkante in einer Projektion entlang der dritten Richtung schneiden.
Beispiel 8 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 7, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement einen gleichen Abstand zum Mittelpunkt der Seitenkante des Magneten aufweisen.
Beispiel 9 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement einem gleichen magnetischen Arbeitspunkt des Magneten ausgesetzt sind.
Beispiel 10 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement in einer Magnetfeldverteilung einer Magnetfeldkomponente des Magneten entlang der dritten Richtung bei einem lokalen Extremum angeordnet sind, wobei die Magnetfeldverteilung entlang der ersten Richtung verläuft.
Beispiel 11 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Magnetfeldsensor auf einem Leiterrahmen angeordnet ist und die Anschlussleiter des Leiterrahmens in der ersten Richtung einen im wesentlichen geraden Verlauf aufweisen.
Beispiel 12 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei eine dem Magneten zugewandte Hauptfläche des differentiellen Magnetfeldsensors parallel zu einer durch die zweite Richtung und die dritte Richtung aufgespannten Ebene angeordnet ist.
Beispiel 13 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 12, wobei der differentielle Magnetfeldsensor in der dritten Richtung sensitive xMR-Sensorelemente umfasst.
Beispiel 14 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 12 oder 13, wobei der Magnet eine Aussparung aufweist.
Beispiel 15 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 13, wobei der Magnet einen Blockmagneten umfasst.
Beispiel 16 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der Beispiele 2 bis 15, ferner umfassend ein drittes Sensorelement des Magnetfeldsensors, wobei das dritte Sensorelement zwischen dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Drehrichtung des ferromagnetischen Rads zu erfassen.
Beispiel 17 ist ein Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Magneten mit einer Magnetisierung in einer ersten Richtung; und Anordnen eines differentiellen Magnetfeldsensors mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement auf dem Magneten, wobei die Sensorelemente in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beabstandet sind, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement dazu ausgelegt sind, eine Magnetfeldkomponente in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung zu erfassen.
Beispiel 18 ist ein Verfahren nach Beispiel 17, ferner umfassend ein Anordnen der Sensorvorrichtung relativ zu einem ferromagnetischen Rad, wobei das ferromagnetische Rad dazu ausgelegt ist, sich um eine in der dritten Richtung verlaufende Rotationsachse zu drehen.
Beispiel 19 ist ein Verfahren nach Beispiel 17 oder 18, ferner umfassend ein Anordnen des differentiellen Magnetfeldsensors auf dem Magneten, wobei eine dem Magneten zugewandte Hauptfläche des differentiellen Magnetfeldsensors parallel zu einer durch die erste Richtung und die zweite Richtung aufgespannten Ebene angeordnet ist.
Beispiel 20 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 17 oder 18, ferner umfassend ein Anordnen des differentiellen Magnetfeldsensors auf dem Magneten, wobei eine dem Magneten zugewandte Hauptfläche des differentiellen Magnetfeldsensors parallel zu einer durch die zweite Richtung und die dritte Richtung aufgespannten Ebene angeordnet ist.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, ist es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Umsetzungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Sensorvorrichtung, umfassend: einen Magneten mit einer Magnetisierung in einer ersten Richtung; und einen auf dem Magneten angeordneten differentiellen Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement, wobei die Sensorelemente in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beabstandet sind, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement dazu ausgelegt sind, eine Magnetfeldkomponente in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung zu erfassen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung relativ zu einem ferromagnetischen Rad angeordnet ist, wobei das ferromagnetische Rad dazu ausgelegt ist, sich um eine in der dritten Richtung verlaufende Rotationsachse zu drehen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement dazu ausgelegt sind, eine Geschwindigkeit des ferromagnetischen Rads zu erfassen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung und das ferromagnetische Rad durch einen Luftspalt getrennt sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dem Magneten zugewandte Hauptfläche des differentiellen Magnetfeldsensors parallel zu einer durch die erste Richtung und die zweite Richtung aufgespannten Ebene angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der differentielle Magnetfeldsensor einen in der dritten Richtung sensitiven Hall-Sensor umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnet eine in der zweiten Richtung verlaufende Seitenkante aufweist, wobei sich ein jeweiliges Zentrum der beiden Sensorelemente und die Seitenkante in einer Projektion entlang der dritten Richtung schneiden.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement einen gleichen Abstand zum Mittelpunkt der Seitenkante des Magneten aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement einem gleichen magnetischen Arbeitspunkt des Magneten ausgesetzt sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement in einer Magnetfeldverteilung einer Magnetfeldkomponente des Magneten entlang der dritten Richtung bei einem lokalen Extremum angeordnet sind, wobei die Magnetfeldverteilung entlang der ersten Richtung verläuft.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensor auf einem Leiterrahmen angeordnet ist und die Anschlussleiter des Leiterrahmens in der ersten Richtung einen im wesentlichen geraden Verlauf aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine dem Magneten zugewandte Hauptfläche des differentiellen Magnetfeldsensors parallel zu einer durch die zweite Richtung und die dritte Richtung aufgespannten Ebene angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der differentielle Magnetfeldsensor in der dritten Richtung sensitive xMR-Sensorelemente umfasst.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Magnet eine Aussparung aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Magnet einen Blockmagneten umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, ferner umfassend ein drittes Sensorelement des Magnetfeldsensors, wobei das dritte Sensorelement zwischen dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Drehrichtung des ferromagnetischen Rads zu erfassen.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Magneten mit einer Magnetisierung in einer ersten Richtung; und Anordnen eines differentiellen Magnetfeldsensors mit einem ersten Sensorelement und einem zweiten Sensorelement auf dem Magneten, wobei die Sensorelemente in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung beabstandet sind, wobei das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement dazu ausgelegt sind, eine Magnetfeldkomponente in einer dritten Richtung senkrecht zur ersten Richtung und senkrecht zur zweiten Richtung zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Anordnen der Sensorvorrichtung relativ zu einem ferromagnetischen Rad, wobei das ferromagnetische Rad dazu ausgelegt ist, sich um eine in der dritten Richtung verlaufende Rotationsachse zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, ferner umfassend: Anordnen des differentiellen Magnetfeldsensors auf dem Magneten, wobei eine dem Magneten zugewandte Hauptfläche des differentiellen Magnetfeldsensors parallel zu einer durch die erste Richtung und die zweite Richtung aufgespannten Ebene angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, ferner umfassend: Anordnen des differentiellen Magnetfeldsensors auf dem Magneten, wobei eine dem Magneten zugewandte Hauptfläche des differentiellen Magnetfeldsensors parallel zu einer durch die zweite Richtung und die dritte Richtung aufgespannten Ebene angeordnet ist.