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Das vorliegende Konzept betrifft ein Stator-Package zur Verwendung in einem induktiven Winkelsensor sowie ein zugehöriges Rotor-Package zur Verwendung in einem induktiven Winkelsensor. Das vorliegende Konzept betrifft ferner einen induktiven Winkelsensor mit einem derartigen Rotor-Package und einem derartigen Stator-Package sowie entsprechende Verfahren zum Herstellen der Packages sowie des induktiven Winkelsensors.
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Positionssensoren werden eingesetzt, um die Position zwischen zwei sich zueinander rotierenden Komponenten, wie zum Beispiel einem Rotor und einem Stator, zu bestimmen. Derartige Winkelsensoren werden beispielweise zur Bestimmung eines Lenkwinkels oder zur Bestimmung der Position einer Motorwelle und dergleichen eingesetzt.
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Zur Bestimmung des Winkels zwischen zwei Komponenten gibt es unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen. Das hierin beschriebene Konzept beschäftigt sich mit Sensoren auf dem technischen Gebiet der induktiven Winkelmessung.
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Bei Sensoren, die das induktive Messprinzip nutzen, ist auf einer ersten Sensorkomponente, zum Beispiel auf einem Stator, eine Erregerspule angeordnet. Die Erregerspule wird mit einem Wechselstrom angeregt und erzeugt daraufhin ein entsprechendes Induktions- bzw. Magnetfeld. Eine zweite Sensorkomponente, beispielsweise ein Rotor, ist relativ zu der ersten Sensorkomponente drehbar. Auf der zweiten Sensorkomponente ist ein sogenanntes induktives Target vorgesehen. Dieses induktive Target empfängt das von der Erregerspule erzeugte Induktions- bzw. Magnetfeld. Das induktive Target ist elektrisch leitfähig, sodass sich in Reaktion auf das empfangene Induktions- bzw. Magnetfeld ein Induktionsstrom in dem induktiven Target ausbildet. Dieser induzierte Induktionsstrom wiederum verursacht ein entsprechendes Induktions- bzw. Magnetfeld in dem Target. Die erste Sensorkomponente, also beispielsweise der Stator, weist eine Empfangsspule auf, die das von dem Target erzeugte Induktions- bzw. Magnetfeld empfängt und in Reaktion hierauf ein Induktionssignal, zum Beispiel einen entsprechenden Induktionsstrom beziehungsweise eine Induktionsspannung, erzeugt. Die Signalstärke dieses Induktionssignals hängt dabei in erster Linie von der Position der beiden Sensorkomponenten zueinander ab und variiert somit in Abhängigkeit von der Position der beiden Sensorkomponenten zueinander. Somit kann, basierend auf einer Auswertung der Signalstärke des in der Empfangsspule induzierten Induktionssignals, die Position der beiden Sensorkomponenten zueinander bestimmt werden.
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Dieses induktive Sensorprinzip unterscheidet sich somit von herkömmlichen Magnetfeldsensoren, die die Magnetfeldstärke eines, insbesondere permanenten, Magnetfelds messen. Dabei variiert die Magnetfeldstärke in Abhängigkeit der Position der beiden Sensorkomponenten zueinander. Ein weiterer Unterschied besteht beispielsweise in der Auswahl der Materialien. Während bei einem Magnetfeldsensor ferromagnetische Materialien verwendet werden, können bei induktiven Sensoren auch nicht-ferromagnetische Materialien mit elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Aluminium, verwendet werden.
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Magnetfeldsensoren können mit sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden. Allerdings sind Magnetfeldsensoren anfällig gegenüber externen Störgrößen, die insbesondere aus der Anwesenheit von ferromagnetischen Materialien resultieren können. Somit kann die Zuverlässigkeit von Magnetfeldsensoren in Umgebungen mit vielen magnetischen Bauteilen teilweise stark variieren.
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Induktive Winkel- und/oder Positionssensoren sind hingegen unempfindlich gegenüber ferromagnetischen Materialien. Der Einsatzbereich von induktiven Sensoren ist somit gegenüber dem Einsatzbereich von zuvor beschriebenen Magnetfeldsensoren deutlich erweitert. Außerdem sind induktive Sensoren im Wesentlichen unanfällig gegenüber äußeren Einflüssen wie zum Beispiel Staub, Schmutz oder Flüssigkeiten.
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Je nachdem, wie empfindlich der induktive Sensor sein soll, oder wie groß die gewünschten Messdistanzen des induktiven Sensors sind, werden teils hohe Ströme in den jeweiligen Spulen induziert. Um eine gewünschte hohe Empfindlichkeit eines induktiven Sensors zu gewährleisten, sollten die Verluste und parasitären Induktivitäten hierbei möglichst gering gehalten werden. Dementsprechend sollten die Abmessungen der Wicklungen der jeweiligen Spulen auf die teils hohen Ströme ausgelegt sein. Die Spulen werden daher für gewöhnlich in Form von strukturierten Leiterbahnen auf Printplatten, sogenannten PCBs (PCB: Printed Circuit Board), hergestellt. Auf dem PCB wird lateral neben den strukturierten Leiterbahn-Spulen zusätzlich ein Chip-Package mit einer entsprechenden Schaltung zum Betrieb des induktiven Sensors auf dem PCB angeordnet. Wunschgemäß sollten induktive Sensoren möglichst klein sein. Jedoch benötigt sowohl die auf dem PCB strukturierte Leiterbahn-Spule als auch das daneben platzierte Chip-Gehäuse eine gewisse Mindest-Montagefläche. Zudem ist auch die auf einem PCB minimal realisierbare Leiterbahndicke ein zusätzlicher limitierender Faktor beim Miniaturisierungsgrad des Sensors.
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Die Spulen auf dem PCB sollten prinzipiell sehr exakt gefertigt werden, wobei bereits kleine Abweichungen vom gewünschten Layout zu Fehlern in der Winkelmessung führen können. Beispielsweise können einzelne Spulen untereinander mittels Vias im PCB verbunden sein. Diese Vias können entlang des Außenumfangs sowie entlang des Innenumfangs der Spulen angeordnet sein. Allerdings können Abweichungen bei der Anordnung und Größe der Vias zu Fehlern höherer Ordnung (in der Winkeldomäne) führen, wobei diese Fehler wiederum sehr schwierig zu kompensieren sein können. Die Durchmesser derartiger Vias in einem PCB sind zudem meist deutlich größer als die Breite einzelner Leiterbahnen auf dem PCB. So können zum Beispiel bei einer Spule mit 15 mm Innendurchmesser die am Innendurchmesser angeordneten Vias derart nah zueinander angeordnet sein, dass beispielsweise eine für die Rotation benötigte drehbare Welle keinen Platz mehr findet, oder eine weitere Verkleinerung des Innendurchmessers nicht mehr möglich ist. Hinzu kommt, dass der verhältnismäßig hohe Metallisierungsanteil aller Vias zu spürbaren Fehlern bei der Winkelmessung führen kann, beispielsweise aufgrund von unerwünschten Wirbelströmen in den Vias oder aufgrund kapazitiver Kopplung.
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Induktive Sensorsysteme mit mehreren Komponenten, zum Beispiel mit mehreren Spulen, können in PCB-Technik einfach hergestellt werden. Hierfür können beispielsweise Multilayer-PCBs mit mehreren integrierten Metallschichten verwendet werden. Allerdings führt eine Erhöhung der Anzahl an hierfür benötigten Metallschichten zu einer Erhöhung der Produktionskosten. Als Alternative können die Metallschichten auf der Vorder- und Rückseite eines PCBs angeordnet werden, was gegenüber der Verwendung von Multilayer-PCBs kostengünstiger ist. Allerdings erhöht sich dadurch der vertikale Abstand zwischen den Spulen auf der Vorder- und Rückseite. Dieser Abstand kann beispielsweise 0,5 mm betragen, was etwa 40% des nominalen Luftspalts zwischen Rotor und Stator entspricht, was wiederum spürbare Auswirkungen auf die Messgenauigkeit haben kann. Außerdem kann die eingeschränkte Ausrichtungsgenauigkeit von Metallschichten im PCB zu Winkelfehlern führen.
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Abgesehen davon können PCBs anfällig für Delamination aufgrund thermo-mechanischem oder hygro-mechanischen Stress sein, was auch zu Brüchen in den Kupfer-Leiterbahnen führen kann. Daher kann es notwendig sein, die Spulenintegration im Feld zu prüfen, wofür beispielsweise präzise Widerstände in den Spulenwindungen eingesetzt werden können, wobei im laufenden Betrieb überprüft werden kann, ob diese Widerstände zwischen unterschiedlichen Anschlüssen noch vorhanden sind. Diese Widerstände können als SMD-Bauteile ausgeführt sein, die sehr genau auf den Spulen-Leiterbahnen platziert werden. Zudem weisen diese SMD-Bauteile ein Höhe von 1 mm bis 2 mm auf. Auch dies kann, insbesondere bei kleinen Spulen, zu Winkelfehlern führen. Zudem besteht dadurch ein potentielles Risiko einer Kollision zwischen dem Rotor und dem Stator, was die Spulen beschädigen könnte.
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Das Herstellen von induktiven Winkelsensoren bzw. deren Einzelkomponenten in PCB-Technik ist demnach also einfach durchführbar und kostengünstig, kann jedoch insbesondere bei steigendem Miniaturisierungsgrad der Spulen zu den oben erwähnten Problemen und zu den damit verbundenen Messungenauigkeiten führen.
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Es wäre demnach wünschenswert, einen induktiven Winkelsensor bzw. einzelne Sensorkomponenten für einen derartigen induktiven Winkelsensor bereitzustellen, die möglichst geringe Abmessungen aufweisen, die dabei aber dennoch sehr präzise Messergebnisse liefern und gleichzeitig kostengünstig herstellbar sind.
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Daher wird als eine derartige Sensorkomponente ein Stator-Package mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Ferner wird als eine weitere Sensorkomponente ein Rotor-Package mit den Merkmalen von Anspruch 16 vorgeschlagen. Zudem wird ein Winkelsensor gemäß Anspruch 17 mit einem derartigen Stator-Package und einem derartigen Rotor-Package vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte der jeweiligen Vorrichtungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Stator-Package zur Verwendung in einem induktiven Winkelsensor vorgeschlagen, wobei das Stator-Package, unter anderem, ein Substrat aufweist, auf dem mindestens zwei in unterschiedlichen Ebenen angeordnete Metallisierungslagen angeordnet sein können. Das Stator-Package kann ferner eine Empfangsspulen-Anordnung mit mindestens zwei elektrisch leitfähigen Empfangsspulen aufweisen, die ausgestaltet sind, um ein von einer relativ zum Stator-Package drehbaren induktiven Target-Anordnung ausgesendetes Magnetfeld zu empfangen und in Reaktion hierauf Induktionssignale zu erzeugen. Das Stator-Package kann außerdem einen Halbleiterchip aufweisen, der elektrisch leitend mit der Empfangsspulen-Anordnung verbunden ist, wobei der Halbleiterchip eine integrierte Schaltung aufweist, die ausgestaltet ist, um die Induktionssignale auszuwerten und basierend auf den Induktionssignalen einen Rotationswinkel zwischen den Empfangsspulen und der relativ dazu drehbaren induktiven Target-Anordnung zu ermitteln. Eine elektrisch isolierende Vergussmasse kann das Substrat einschließlich des Halbleiterchips und der Empfangsspulen umgeben. Gemäß dem hierein beschriebenen innovativen Konzept können die zwei Empfangsspulen in Dünnschichttechnik in den zwei Metallisierungslagen implementiert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Stator-Packages vorgeschlagen, wobei das Verfahren, unter anderem, einen Schritt des Bereitstellens eines Substrats und Anordnen von mindestens zwei in unterschiedlichen Ebenen angeordneten Metallisierungslagen auf dem Substrat aufweist. Verfahrensgemäß kann eine Empfangsspulen-Anordnung mit mindestens zwei elektrisch leitfähigen Empfangsspulen erzeugt werden, die ausgestaltet sind, um ein von einer relativ zum Stator-Package drehbaren induktiven Target-Anordnung ausgesendetes Magnetfeld zu empfangen und in Reaktion hierauf Induktionssignale zu erzeugen. Ein Halbleiterchip kann auf oder neben dem Substrat angeordnet und mit der Empfangsspulen-Anordnung elektrisch kontaktiert werden, wobei der Halbleiterchip eine Schaltung aufweisen kann, die ausgestaltet ist, um die Induktionssignale auszuwerten und einen Rotationswinkel zwischen den Empfangssputen und der relativ dazu drehbaren induktiven Target-Anordnung basierend auf den Induktionssignalen zu ermitteln. Verfahrensgemäß kann außerdem eine elektrisch isolierende Vergussmasse aufgetragen werden, die das Substrat einschließlich des Halbleiterchips und der Empfangsspulen umgibt. Gemäß dem hierein beschriebenen innovativen Konzept können die zwei Empfangsspulen in Dünnschichttechnik in den zwei Metallisierungslagen implementiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Rotor-Package zur Verwendung in einem induktiven Winkelsensor vorgeschlagen, wobei das Rotor-Package, unter anderem ein Substrat aufweist, auf dem mindestens eine Metallisierungslage angeordnet sein kann. Das Rotor-Package kann ferner eine induktive Target-Anordnung mit mindestens einem elektrisch leitfähigen induktiven Target aufweisen, das ausgestaltet ist, um in Reaktion auf ein von einer Erregerspule ausgesendetes Magnetfeld einen Induktionsstrom zu generieren und ein dem Induktionsstrom entsprechendes Magnetfeld zu erzeugen und dieses in Richtung des Stator-Packages auszusenden. Außerdem kann das Rotor-Package eine elektrisch isolierende Versiegelung oder Vergussmasse aufweisen, die das Substrat einschließlich der Target-Anordnung umgibt. Das Rotor-Package kann drehfest an einer drehbaren Welle angeordnet und relativ zu dem Stator-Package drehbar sein. Außerdem kann das mindestens eine induktive Target der Target-Anordnung in der mindestens einen Metallisierungslage implementiert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Rotor-Packages vorgeschlagen, wobei das Verfahren, unter anderem, einen Schritt des Bereitstellens eines Substrats und Anordnen von mindestens einer Metallisierungslage auf dem Substrat aufweist. Verfahrensgemäß kann eine induktive Target-Anordnung mit mindestens einem elektrisch leitfähigen induktiven Target erzeugt werden, welches ausgestaltet ist, um in Reaktion auf ein von einer Erregerspule ausgesendetes Magnetfeld einen Induktionsstrom zu generieren und ein dem Induktionsstrom entsprechendes Magnetfeld zu erzeugen und dieses in Richtung des Stator-Packages auszusenden. Das mindestens eine induktive Target der Target-Anordnung kann in der mindestens einen Metallisierungslage implementiert werden. In einem weiteren Verfahrensschritt kann eine elektrisch isolierende Versiegelung oder Vergussmasse aufgetragen werden, die das Substrat einschließlich der Target-Anordnung umgibt. Außerdem kann das Rotor-Package drehfest an einer drehbaren Welle angeordnet werden, sodass das Rotor-Package relativ zu dem Stator-Package drehbar ist.
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Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
- 1 eine seitliche Schnittansicht eines induktiven Winkelsensors mit einem Stator-Package und einem Rotor-Package gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Draufsicht auf ein Stator-Package gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 3A eine seitliche Schnittansicht eines induktiven Winkelsensors mit einem Stator-Package und einem Rotor-Package gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 3B eine seitliche Schnittansicht eines induktiven Winkelsensors mit einem Stator-Package und einem Rotor-Package gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 4 eine seitliche Schnittansicht eines induktiven Winkelsensors in einer End-of-Shaft Ausführung mit einem Stator-Package, einem Rotor-Package und einem separaten Komponentenboard gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 5 eine seitliche Schnittansicht eines induktiven Winkelsensors in einer Through-Shaft Ausführung mit einem Stator-Package, einem Rotor-Package und einem separaten Komponentenboard gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 6 ein schematisches Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen eines Stator-Packages gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 7 ein schematisches Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen eines Rotor-Packages gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
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Verfahrensschritte, die in einem Blockdiagramm dargestellt und mit Bezugnahme auf das selbige erläutert werden, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
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Die Bezeichnungen Stator-Package und Rotor-Package werden hierin hauptsächlich zur besseren Verständlichkeit so verwendet. Beide Packages können sich relativ zueinander drehen. Ob sich hierbei das Rotor-Package dreht und das Stator-Package ortsfest ist, oder ob sich gegebenenfalls das Stator-Package dreht und das Rotor-Package ortsfest ist, ist hierbei unerheblich.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines induktiven Winkelsensors 1000 mit einem Stator-Package 10 gemäß einer beispielhaften und nicht limitierenden Ausführungsform sowie mit einem Rotor-Package 100 gemäß einer beispielhaften und nicht limitierenden Ausführungsform.
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Das hier abgebildete Stator-Package 10 weist eine Empfangsspulen-Anordnung 30 mit mindestens zwei elektrisch leitfähigen Empfangsspulen 31, 32 auf. Die Empfangsspulen-Anordnung 30 kann aber auch mehr als zwei elektrisch leitfähige Empfangsspulen aufweisen. Vorzugsweise kann die Empfangsspulen-Anordnung 30 eine gerade Anzahl an Empfangsspulen aufweisen.
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Das relativ zum Stator-Package 10 drehbare Rotor-Package 100 weist eine induktive Target-Anordnung 130 auf. Die induktive Target-Anordnung 130 kann mindestens ein elektrisch leitfähiges induktives Target 131 aufweisen. Die induktive Target-Anordnung 130 kann aber auch mehrere elektrisch leitfähige induktive Targets aufweisen. Beispielsweise kann die induktive Target-Anordnung 130 bei induktiven Winkelsensoren, die das Vernier- bzw. Nonius-Prinzip anwenden, zwei elektrisch leitfähige induktive Targets aufweisen. Die Target-Anordnung 130 kann prinzipiell aber auch mehr als zwei elektrisch leitfähige induktive Targets aufweisen. Die Anzahl der elektrisch leitfähigen induktiven Targets der Target-Anordnung 130 kann beispielsweise abhängig von der Anzahl der Empfangsspulen 31, 32 in der Empfangsspulen-Anordnung 30 sein. Beispielsweise kann für je zwei Empfangsspulen 31, 32 je ein elektrisch leitfähiges induktives Target vorgesehen sein.
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Eine (hier nicht abgebildete) Erregerspule, die beispielsweise in dem Stator-Package 10 oder auf einem zusätzlichen Komponentenboard (siehe 4 und 5) angeordnet sein kann, kann ein Magnetfeld in Richtung des induktiven Targets 131 aussenden. Das induktive Target 131 kann ausgestaltet sein, um in Reaktion auf das von der Erregerspule ausgesendete Magnetfeld einen Induktionsstrom zu generieren und ein dem Induktionsstrom entsprechendes Magnetfeld zu erzeugen, welches dann wiederum in Richtung des Stator-Packages 10, und insbesondere in Richtung der Empfangsspulen-Anordnung 30, ausgesendet wird.
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Die Empfangsspulen 31, 32 können ausgestaltet sein, um das von der relativ zum Stator-Package 10 drehbaren induktiven Target-Anordnung 131 ausgesendete Magnetfeld zu empfangen und in Reaktion hierauf Induktionssignale zu erzeugen. Basierend auf diesen Induktionssignalen kann der Drehwinkel zwischen dem Stator-Package 10 und dem Rotor-Package 100 bestimmt werden.
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Hierfür kann das Stator-Package 10 einen Halbleiterchip 21 aufweisen. Der Halbleiterchip 21 kann, beispielsweise mittels Bonddrähten 22, elektrisch leitend mit der Empfangsspulen-Anordnung 30 verbunden sein und eine integrierte Schaltung, z.B. eine ASIC (Application Specific Integrated Circuit) aufweisen. Die integrierte Schaltung kann ausgestaltet sein, um die oben genannten, von der Empfangsspulen-Anordnung 30 empfangenen, Induktionssignale auszuwerten und basierend auf diesen Induktionssignalen den Rotationswinkel zwischen der im Stator-Package 10 angeordneten Empfangsspulen-Anordnung 30 und der relativ dazu drehbaren, im Rotor-Package 100 angeordneten, induktiven Target-Anordnung 130 zu ermitteln.
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Das Stator-Package 10 kann ein Substrat 20 aufweisen. Das Substrat 20 kann beispielsweise mindestens ein anorganisches Material aus der Gruppe von Silizium, Glas oder Keramik aufweisen, oder daraus gefertigt sein. Das Substrat kann eine Dicke zwischen 50 µm und 800 µm, und vorzugsweise zwischen 200 µm und 500 µm aufweisen.
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Auf dem Substrat 20 können mindestens zwei Metallisierungslagen 11, 12 angeordnet sein. Zumindest eine der mindestens zwei Metallisierungslagen 11, 12 kann auch, zumindest teilweise, in dem Substrat 20 integriert sein. Bei den Metallisierungslagen 11, 12 kann es sich um in das Substrat integrierte Metallschichten handeln, beispielsweise bei anorganischen Substraten. Es wäre ebenfalls denkbar, dass das Substrat 20 in Form eines WLB-Substrats bzw. eWLB-Substrats ((e)WLB: (Embedded) Wafer Level Ball Grid Array) ausgeführt ist. Hierbei können die Metallisierungslagen 11, 12, beispielsweise in der Umverdrahtung, dem sogenannten Redistribution Layer, kurz RDL, vorhanden sein.
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Die mindestens zwei Metallisierungslagen 11, 12 können in zwei unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein. Der Querschnitt des Schichtstapels kann derart sein, dass die mindestens zwei Metallisierungslagen 11, 12 auf dem Grundsubstrat 20 vorgesehen sind. In anderen Worten kann das Stator-Package 10 einen vertikalen Schichtstapel mit mindestens zwei vertikal übereinanderliegenden Ebenen aufweisen, wobei in jeder Ebene jeweils mindestens eine Metallisierungslage 11, 12 angeordnet ist. Somit weist der Schichtstapel mindestens zwei vertikal voneinander beabstandete Metallisierungslagen 11, 12 auf. Das heißt, die mindestens zwei Metallisierungslagen 11, 12 sind nicht lateral nebeneinander sondern vertikal übereinander angeordnet.
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Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept können die mindestens zwei oben genannten Empfangsspulen 31, 32 der Empfangsspulen-Anordnung 30 in Dünnschichttechnik in den zuvor erwähnten mindestens zwei Metallisierungslagen 11, 12 des vertikalen Schichtstapels implementiert sein.
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Beispielsweise können die mindestens zwei voneinander beabstandeten Metallisierungslagen 11, 12 zum Erzeugen der Empfangsspulen 31, 32 mittels Dünnschichttechnik strukturiert werden. Unter dem Begriff der Dünnschichttechnik kann eine strukturierte Metallisierungsabscheidung (z.B. mittels Sputtern oder Aufdampfen - mit Strukturierung durch Lithographie) verstanden werden. Es kann ebenfalls unter den Begriff der Dünnschichttechnik fallen, wenn ein so hergestellter dünner sogenannter Seed-Layer im Nachhinein noch durch einen Plating-Prozess verstärkt wird - dies kann galvanisch oder stromlos erfolgen. Dielektrische Lagen können durch Spin-On Technik hergestellt oder laminiert werden. In der Dünnschichttechnik können unter anderem aus der Mikroelektronik bekannte Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen.
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Unter den Begriff der Dickschichttechnik hingegen würden beispielsweise Subtraktivtechniken fallen, wie zum Beispiel in der Leiterplattenfertigung (z. B. Ätzen kupferkaschierter Lagen) oder auch das Drucken von Leitpasten mit nachfolgendem Curing. Strukturell können somit Metallisierungslagen, die in Dünnschichttechnik erzeugt wurden, von in Dickschichttechnik hergestellten Metallisierungslagen unterschieden werden.
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Die Vorteile der Dünnschichttechnik bestehen in der Möglichkeit, kleinere Strukturen (sowohl Strukturbreiten als auch Struktur-Abstände) zu realisieren. Bei Spulen lassen sich somit beispielsweise auf gleicher Fläche mehr Windungen darstellen.
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Die in der vorliegenden Offenbarung beschriebene Anwendung der Dünnschichttechnik bei der Herstellung von induktiven Winkelsensoren erlaubt es demnach, die oben erwähnten Empfangsspulen 31, 32 der Empfangsspulen-Anordnung 30 in sehr miniaturisierter Form, aber trotzdem mit sehr hoher Genauigkeit, herzustellen. Das gesamte Stator-Package 10 kann beispielsweise einen Footprint (d.h. äußere Abmessungen) von weniger als 15 mm, oder von weniger als 10 mm aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Metallisierungslagen 11, 12 jeweils eine Schichtdicke von 100 nm bis 5 µm aufweisen. Außerdem können die aus den Metallisierungslagen 11, 12 in Dünnschichttechnik herstellbaren Empfangsspulen 31, 32 der Empfangsspulen-Anordnung 30 ein oder mehrere Windungen mit einer Breite von 10 µm oder weniger aufweisen.
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Zwischen den mindestens zwei voneinander beabstandeten Metallisierungslagen 11, 12 kann mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 13 angeordnet sein. Aufgrund der anwendbaren Dünnschichttechnik kann sich auch hier der Vorteil ergeben, dass diese elektrisch isolierende Schicht 13 sehr dünn sein kann. Die elektrisch isolierende Schicht 13 kann beispielsweise eine Schichtdicke von etwa 100 nm bis etwa 10 µm, und bevorzugt von etwa 300 nm aufweisen. Dadurch kann das Matching, das heißt die Paarungstoleranz der beiden Empfangsspulen 31, 32 begünstigt werden.
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Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept kann das Stator-Package 10 ferner eine elektrisch isolierende Versiegelung oder Vergussmasse 23 aufweisen. Die Vergussmasse 23 kann das Substrat 20 einschließlich des Halbleiterchips 21 und der Empfangsspulen 31, 32 umgeben. Dies bietet einen weiteren entscheidenden Vorteil. Mittels der Vergussmasse 23 können die zahlreichen Verbindungen (z.B. Bonddrähte 22) zwischen den Empfangsspulen 31, 32 und dem Halbleiterchip 21, bzw. der integrierten Schaltung, verkapselt werden. Das gesamte Stator-Package 10 kann damit wesentlich zuverlässiger und robuster als im Stand der Technik ausgeführt werden. Bei herkömmlichen Winkelsensoren gemäß dem Stand der Technik werden verlötete Leiterbahnen auf einer Printplatte vorgesehen. Diese Leiterbahnen können sich lösen und sie neigen zu Korrosion. Außerdem besteht die Gefahr von sogenannten kalten Lötstellen. Printplatten neigen außerdem zu Delamination der einzelnen Schichten aufgrund von thermischem oder mechanischem Stress.
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Das hierin beschriebene voll verkapselte Stator-Package 10 weist demgegenüber deutliche Vorteile auf. Die einzelnen Elemente des Stator-Packages 10 sind durch die Vergussmasse 23 vor äußeren Einflüssen weitestgehend geschützt. In Kombination mit der Anwendung der Dünnschichttechnik zur Herstellung der einzelnen Empfangsspulen 31, 32 der Empfangsspulen-Anordnung 30 kann somit ein sehr miniaturisiertes, hochpräzises und robustes Stator-Package 10 erzeugt werden, welches zudem kostengünstig herstellbar ist.
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Selbiges gilt im Übrigen auch für das hierin beschriebene Rotor-Package 100. Auch das Rotor-Package 100 kann ein Substrat 120 aufweisen, auf bzw. in dem mindestens eine Metallisierungslage 111 angeordnet sein kann. Auch hier kann das Substrat 120 beispielsweise mindestens ein anorganisches Material aus der Gruppe von Silizium, Glas oder Keramik aufweisen oder daraus gefertigt sein. Das Substrat 120 kann eine Dicke zwischen 50 µm und 800 µm, und vorzugsweise zwischen 200 µm und 500 µm aufweisen.
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Auch das Rotor-Package 100 kann in miniaturisierter Form erzeugt werden. Das gesamte Rotor-Package 100 kann beispielsweise einen Footprint (d.h. äußere Abmessungen) von weniger als 15 mm, oder von weniger als 10 mm, oder sogar von weniger als 5 mm aufweisen. In einer Ausführungsform kann das Rotor-Package 100 äußere Abmessungen von etwa 5 x 5 mm aufweisen. Das Rotor-Package 100 kann ringförmig oder rund bzw. oval ausgestaltet sein. Das Rotor-Package 100 kann in diesem Fall einen Durchmesser von etwa 6 mm bis 12 mm aufweisen.
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Die zuvor erwähnte induktive Target-Anordnung 130 kann in der mindestens einen Metallisierungslage 111 implementiert sein. Auch hier kann gegebenenfalls Dünnschichttechnik zur Erzeugung der Target-Anordnung 130 angewendet werden. Die Target-Anordnung 130 kann eine Spulenform aufweisen oder in Form eines soliden Metallformteils ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Target-Anordnung 130 aus einem dünnen Blech, beispielsweise einem Kupferblech, hergestellt sein. Die Target-Anordnung 130 kann beispielsweise aus dem Blech gestanzt oder geätzt sein. Dabei kann auf die Anwendung der Dünnschichttechnik verzichtet werden, sodass eine verhältnismäßig dickere Target-Anordnung 130 mit einer Stärke bzw. Dicke von etwa 0,1 mm bis 0,5 mm erzeugt werden kann. Eine solche Target-Anordnung 130 wäre resistenter gegenüber größeren elektrischen Strömen.
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Die bei einem induktiven Winkelsensor 1000 auftretenden elektrischen Induktionsströme können nämlich in der Erregerspule sowie in dem induktiven Target 130 deutlich höher sein als die in den Empfangsspulen 31, 32 der Empfangsspulen-Anordnung 30 induzierten Ströme. Dies ist mitunter ein Grund, weshalb die Empfangsspulen 31, 32 gemäß dem hierin beschriebenen Konzept besonders vorteilhaft in Dünnschichttechnik gefertigt werden können.
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Wie oben erwähnt, kann bei der Herstellung der Target-Anordnung 130 auf das Anwenden der Dünnschichttechnik verzichtet werden, um die teils hohen elektrischen Ströme besser leiten zu können. Zur Herstellung der Target-Anordnung 130 kann beispielsweise ein Metallblech bevorzugt sein (z.B. Zahnscheibe oder Leiterrahmen). Für Nonius-Prinzipien wird beispielsweise eine Target-Anordnung 130 mit mindestens zwei induktiven Targets mit unterschiedlicher Polteilung benötigt (z.B. 3 und 4 Zähne bzw. Schleifen der Windung). In einem solchen Fall kann es hingegen vorteilhaft sein, ein Substrat zu verwenden und darauf dickere Metallschichten aufzubringen, beispielsweise mittels Galvanik. Beispielsweise kann zunächst mittels Sputtertechnik eine dünne Schicht aufgebracht werden, und diese Schicht kann man dann beispielsweise durch galvanisches Abscheiden dicker wachsen lassen.
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Von der Form her kann die Target-Anordnung 130 als eine Spule ausgestaltet sein, wobei sie dann wiederum beispielsweise mittels Dünnschichttechnik erzeugbar wäre. Die geometrische Form der Target-Anordnung 130 kann beispielsweise ähnlich oder identisch zur geometrischen Form der Empfangsspulen 31, 32 der Empfangsspulen-Anordnung 30 sein. Insbesondere wenn die Target-Anordnung 130 als eine Spule ausgestaltet ist, wäre es eine Option, das Substrat 120 in Form eines WLB-Substrats bzw. eWLB-Substrats ((e)WLB: (Embedded) Wafer Level Ball Grid Array) auszuführen. Hierbei kann die Metallisierungslage 111, aus welcher die Target-Anordnung 130 erzeugbar ist, beispielsweise eine Metallisierungslage in der Umverdrahtung, dem sogenannten Redistribution Layer, kurz RDL, sein.
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Auch das Rotor-Package 100 kann mittels einer Versiegelung bzw. einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 123 vergossen sein. Das heißt, die Vergussmasse 123 kann das Substrat 120 einschließlich der Metallisierung 111 bzw. der daraus erzeugbaren induktiven Target-Anordnung 130 umgeben. Somit kann auch das Rotor-Package 100 zuverlässig vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Das Rotor-Package 100 kann von seiner äußeren Erscheinungsform her im Wesentlichen einer Pille ähneln.
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Ein solches pillenförmiges Rotor-Package 100 kann beispielsweise auch absichtlich etwas dicker ausgeführt sein und eine Dicke von etwa 5 mm aufweisen. Dies könnte einen ausreichend großen Abstand zwischen den Spulen und einer metallischen drehbaren Welle 200 in einem sogenannten End-of-Shaft System (siehe 4) gewährleisten, oder dies könnte es erlauben, die Spulen in einem rechten Winkel zur Drehachse 201 anzuordnen.
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Eine derartige drehbare Welle 200 ist ebenfalls in 1 gezeigt. Die drehbare Welle 200 kann sich um ihre Drehachse 201 drehen. Bei dem hier beispielhaft abgebildeten induktiven Winkelsensor 1000 handelt es sich um ein sogenanntes Through-Shaft System. Dabei verläuft die drehbare Welle 200, in Verlaufsrichtung ihrer Drehachse 201 betrachtet, drehbar durch das gesamte Stator-Package 10 hindurch.
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Beispielsweise kann das Stator-Package 10 hierfür eine sich durch das Substrat 20 hindurch erstreckende Durchgangsöffnung 25 aufweisen. Die Welle 200 kann sich dann durch diese Durchgangsöffnung 25 hindurch erstrecken. Somit kann sich die Welle 200 unabhängig von dem Stator-Package 10 drehen. Oder in anderen Worten ausgedrückt kann sich die durch das Stator-Package 10 hindurch erstreckende Welle 200 drehen, während das Stator-Package 10 stehenbleibt und sich nicht mit der Welle 200 mitdreht. Die Welle 200 kann sich in gleicher Weise auch durch die Vergussmasse 23 hindurch erstrecken.
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2 zeigt schematisch, und nicht maßstabsgetreu, eine Draufsicht auf das Stator-Package 10 mit durchlaufender Welle 200. Die Welle 200 erstreckt sich durch die Durchgangsöffnung 25 im Substrat 20. Die Durchgangsöffnung 25 kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 2 mm bis 5 mm aufweisen. Die Welle 200 kann einen geringfügig, z.B. wenige Zehntel Millimeter, kleineren Durchmesser aufweisen, sodass sie drehbar durch die Durchgangsöffnung 25 geführt werden kann. Die Welle 200 kann beispielsweise einen Durchmesser von 1 mm bis 4 mm aufweisen.
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Außerdem ist in 2, ebenfalls rein schematisch und nicht maßstabsgetreu, ein Ausschnitt von zwei vertikal voneinander beabstandeten Metallisierungslagen 11, 12 gezeigt, in denen die Empfangsspulen 31, 32, der Empfangsspulen-Anordnung 30 erzeugbar sind. Die Empfangsspulen-Anordnung 30 kann ringförmig ausgestaltet sein und die Durchgangsöffnung 25 umfassen bzw. umringen.
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Die unterschiedlichen Ebenen der Metallisierungslagen 11, 12 sind hier rein schematisch mittels durchgezogener und gestrichelter Linien angedeutet. Dies soll kenntlich machen, dass sich die einzelnen Empfangsspulen 31, 32 abwechselnd über beide Metallisierungslagen 11, 12 bzw. über beide Ebenen erstrecken und somit ineinander verwoben sein können. Das heißt, es ist nicht zwangsläufig so zu verstehen, dass die erste Empfangsspule 31 ausschließlich in einer ersten Metallisierungslage 11, und die zweite Empfangsspule 32 ausschließlich in einer zweiten Metallisierungslage 12 erzeugt wird. Vielmehr können beide Metallisierungslagen 11, 12 zum Erzeugen beider Empfangsspulen 31, 32 verwendet werden, wobei sich einzelne Spulen-Segmente zwischen der ersten (oberen) Metallisierungslage 11 und der zweiten (unteren) Metallisierungslage 12 abwechseln, sodass die beiden Empfangsspulen 31, 32 schlussendlich ineinander verwoben sind. Das heißt, der Draht einer Spule 31 fädelt durch eine Schleife der jeweils anderen Spule 32 hindurch. So können beispielsweise auch vier Spulen in nur zwei Lagen gefertigt werden.
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Diese Abwechslung der Spulen-Segmente zwischen den beiden Ebenen der Metallisierungslagen 11, 12 kann beispielsweise in speziell dafür vorgesehenen vertikalen Durchkontaktierungen bzw. Vias 210, 220 erfolgen. Das heißt, in diesen Vias 210, 220 wechselt die Spulenstruktur einer Empfangsspule 31, 32 zwischen einer ersten (oberen) Ebene und einer zweiten (unteren) Ebene. Die beiden Empfangsspulen 31, 32 kreuzen sich in diesen Vias 210, 220 sozusagen gegenseitig aus, und wechseln ihre jeweilige Ebene, sodass es zu keiner gegenseitigen Überschneidung der Empfangsspulen 31, 32 kommt.
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Die Vias 210, 220 können sowohl am äußeren Umfang der Empfangsspulen-Anordnung 30 (siehe die Vias 220), als auch am inneren Umfang der Empfangsspulen-Anordnung 30 (siehe die Vias 210) angeordnet sein. Das Erzeugen der Empfangsspulen 31, 32 in Dünnschichttechnik bietet hierbei einen weiteren Vorteil zur Miniaturisierung des Stator-Packages 10. Die Vias 210, 220 können nämlich ebenfalls in Dünnschichttechnik hergestellt werden. Die Vias 210, 220 können hierbei einen Durchmesser von weniger als 10 µm aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass insbesondere die am Innenumfang der Empfangsspulen-Anordnung 30 angeordneten Vias 210 sehr nahe nebeneinander angeordnet werden können. Das heißt, die Vias 210 brauchen, im Vergleich zu herkömmlichen Vias in Leiterplatten, wie sie bisher im Stand der Technik ausgeführt werden, deutlich weniger Platz. Dementsprechend kann der Innendurchmesser der hierin beschriebenen, in Dünnschichttechnik gefertigten, Empfangsspulen-Anordnung 30 deutlich gegenüber herkömmlichen, in PCB-Technik gefertigten Systemen reduziert werden.
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Je weiter nun der Innendurchmesser einer Empfangsspulen-Anordnung reduziert wird, umso näher rücken die entlang des Innendurchmessers verteilten Vias aneinander. Vias in Leiterplatten weisen einen Durchmesser von 100 µm oder mehr auf. Das heißt, je weiter sich der Innendurchmesser einer Empfangsspulen-Anordnung verkleinert, umso mehr stehen die einzelnen entlang des Innendurchmessers verteilten Vias aneinander an und begrenzen somit die überhaupt mögliche Verkleinerung des Innendurchmessers der Empfangsspulen-Anordnung. So ist beispielsweise der Innendurchmesser einer in PCB-Technik herstellbaren Empfangsspulen-Anordnung auf etwa 15 mm begrenzt. Der Außendurchmesser beläuft sich hierbei auf etwa 25 mm. Dabei ist der Innendurchmesser der Empfangsspulen-Anordnung mit einer derart hohen Dichte an Vias besiedelt, dass eine weitere Verkleinerung nicht mehr möglich ist und auch eine drehbare Welle keinen Platz mehr findet, um hindurchgeführt zu werden.
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Das hierin offenbarte Stator-Package 10 hingegen, bei welchem die Empfangsspulen 31, 32 in Dünnschichttechnik erzeugt werden können, umgeht dieses Problem. Wie eingangs erwähnt, können auch die Vias 210, 220 in Dünnschichttechnik mit einem Durchmesser von etwa 10 µm oder weniger erzeugt werden. Hierdurch kann der Innendurchmesser der Empfangsspulen-Anordnung 30 auf bis zu 5 mm reduziert werden, wobei trotzdem noch eine Welle 200 durch das Stator-Package 10 hindurch passt. Auch der Außendurchmesser kann auf etwa 16 mm oder weniger reduziert werden, sodass insgesamt ein deutlich kleineres Stator-Package 10 herstellbar ist.
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Wie in 2 beispielhaft gezeigt ist, kann die Empfangsspulen-Anordnung 30 ringförmig ausgestaltet sein und sich um die Welle 200 herum erstrecken. Die am Innendurchmesser der Empfangsspulen-Anordnung 30 angeordneten Vias 210 können sich demnach ebenso ringförmig um die Welle 200 herum erstrecken. Die Vias 210 können hierbei sehr nahe bis an die Durchgangsöffnung 25 heran geführt werden.
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Die Durchgangsöffnung 25 kann eine Form aufweisen, die es erlaubt, dass die Welle 200 (mit einem Durchmesser von z.B. 1 mm bis 5 mm) hindurch gesteckt werden kann und dabei noch wenigstens einige Zehntel Millimeter Luft bleiben um eine direkte Berührung und Abrieb zu verhindern. Die Durchgangsöffnung 25 kann kreisrund sein, oder aber auch quadratisch, oval oder mehreckig, z.B. dreieckig, rechteckig, fünfeckig, sechseckig, usw., gegebenenfalls mit und ohne Verrundung der Ecken. Eine solche Durchgangsöffnung 25 kann in einigen Substraten möglicher Weise schwierig herstellbar sein, woraus sich dann beispielsweise eine der oben genannten speziellen geometrischen Formen (z.B. Sechseck) ergeben könnte, die von einer hier rein beispielhaft dargestellten kreisrunden Form abweichen kann.
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Die 3A und 3B zeigen jeweils ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel eines induktiven Winkelsensors 1000. Diese Ausführungsbeispiele sind ähnlich zu dem zuvor unter Bezugnahme auf 1 diskutierten Ausführungsbeispiel, weshalb Elemente mit ähnlicher oder gleicher Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Während in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Halbleiterchip 21 asymmetrisch, d.h. lateral zu der Empfangsspulen-Anordnung 30 versetzt, angeordnet ist, kann der Halbleiterchip 21 bei den in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsbeispielen im Wesentlichen zentral bzw. mittig angeordnet sein.
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3A zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Halbleiterchip 21 auf der Empfangsspulen-Anordnung 30 angeordnet ist. Zwischen dem Halbleiterchip 21 und der Empfangsspulen-Anordnung 30 kann beispielsweise eine (hier nicht dargestellte) dielektrische Schicht vorgesehen sein. Die Welle 200 kann sich durch den Halbleiterchip 21 hindurch erstrecken. Das heißt, auch der Halbleiterchip 21 kann eine Durchgangsöffnung 25 aufweisen, durch die sich die Welle 200 hindurch erstreckt. In Draufsicht betrachtet würde die Empfangsspulen-Anordnung 30 hier, zumindest mit deren Außendurchmesser, um den Halbleiterchip 21 herum angeordnet sein. Der Halbleiterchip 21 kann zentrisch mit Bezug auf die Welle 200 beziehungsweise die Empfangsspulen-Anordnung 30 angeordnet sein.
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3B zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel. Hier kann der Innendurchmesser der Empfangsspulen-Anordnung 30 vergrößert sein, sodass der Halbleiterchip 21 innerhalb der Empfangsspulen-Anordnung 30 auf dem Substrat 20 angeordnet werden kann. Auch hier kann sich die Welle 200 wieder durch den Halbleiterchip 21 hindurch erstrecken. In Draufsicht betrachtet würde die Empfangsspulen-Anordnung 30 hier, sowohl mit deren Außen- als auch mit deren Innendurchmesser, um den Halbleiterchip 21 herum angeordnet sein. Der Halbleiterchip 21 kann zentrisch mit Bezug auf die Welle 200 beziehungsweise die Empfangsspulen-Anordnung 30 angeordnet sein.
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Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann es sich bei den hier vorgestellten induktiven Winkelsensoren 1000 um sogenannte End-of-Shaft Systeme oder Thorugh-Shaft Systeme handeln. Bisher wurden rein beispielhaft Through-Shaft Systeme beschrieben.
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4 zeigt ein Beispiel eines End-of-Shaft Systems. Zusätzlich zu den bisher diskutierten Ausführungsformen ist hier ein externes Komponentenboard 300 gezeigt. Das Komponentenboard 300 kann beispielsweise ein PCB sein. In, an oder auf dem Komponentenboard 300 kann eine Erregerspule 40 angeordnet sein. Die Erregerspule 40 kann mittels geeigneter galvanischer Verbindungen, zum Beispiel mittels Bonddrähten 220, elektrisch leitfähig mit dem in dem Stator-Package 10 angeordneten Halbleiterchip 21 bzw. der integrierten Schaltung verbunden sein.
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Alternativ wäre es denkbar, dass die Erregerspule 40 in dem Stator-Package 10 vorgesehen ist. Hierbei könnte die Erregerspule 40 in zumindest einer der mindestens zwei Metallisierungslagen 11, 12 in Dünnschichttechnik ausgestaltet sein, oder die Erregerspule 40 könnte in mindestens einer dritten, auf dem Substrat 20 angeordneten, Metallisierungslage in Dünnschichttechnik ausgestaltet sein. In diesem Fall könnte auch die Erregerspule 40 in der Vergussmasse 23 vergossen und elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip 21 verbunden sein. und mit einem Wechselstrom anregbar ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen.
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Wie in 4 zu sehen ist, kann das Stator-Package 10 auf dem Komponentenboard 300 angeordnet und optional darauf fixiert sein. Beispielsweise kann das Stator-Package 10 auf das Komponentenboard 300 gebondet, geklebt oder anderweitig auf dem Komponentenboard 300 befestigt sein. Das Stator-Package 10 selbst kann also Leiterplatten-los ausgeführt sein. Optional kann, beispielsweise falls die Erregerspule 40, wie in 4 dargestellt, in dem externen Komponentenboard 300 vorgesehen sein sollte, das Leiterplatten-lose Stator-Package 10 auf einer solchen externen Leiterplatte (bzw. Komponentenboard) 300 angeordnet sein. Nichtsdestotrotz wäre das Stator-Package 10 selbst in diesem Fall Leiterplatten-los ausgestaltet.
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Das Stator-Package 10 kann unbeweglich bzw. nicht drehbar sein. Das Rotor-Package 100 hingegen kann beweglich bzw. drehbar sein und sich relativ zu dem nicht drehbaren Stator-Package 10 drehen. Hierfür kann das Rotor-Package 100 an einem Endabschnitt einer drehbaren Welle 200 angeordnet sein. Beispielsweise kann das Rotor-Package 100 mittels eines Klebstoffes 28 an das Ende der Welle 200 montiert werden. Das Rotor-Package 100 kann sich somit zusammen mit der drehbaren Welle 200 drehen. Dabei können das Rotor-Package 100 und das Stator-Package 10 voneinander beabstandet sein, sodass sie sich nicht berühren. Das heißt, es besteht ein axialer Luftspalt 29 zwischen dem Stator-Package 10 und dem Rotor-Package 100, der einen ungewollten direkten Kontakt zwischen dem Stator-Package 10 und dem Rotor-Package 100 verhindert.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines induktiven Winkelsensors 1000 nach dem Through-Shaft Prinzip. Die drehbare Welle 200 kann sich hier sowohl durch das Stator-Package 10 als auch durch das Rotor-Package 100 sowie optional durch das Komponentenboard 300 hindurch erstrecken. Dabei können das Komponentenboard 300 einschließlich der darin vorgesehenen Erregerspule 40 jeweils eine Durchgangsöffnung 25 aufweisen, durch die sich die drehbare Welle 200 hindurch erstreckt.
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Die Durchgangsöffnung 25 kann einen geringfügig größeren Durchmesser aufweisen als die drehbare Welle 200, sodass sich die Welle 200 innerhalb der Durchgangsöffnung 25 drehen kann. Das heißt, sowohl das Stator-Package 10 als auch das Komponentenboard 300 können zwischen der Welle 200 und der Durchgangsöffnung einen radialen Luftspalt 27 aufweisen, der einen direkten Kontakt zwischen der Welle 200 und dem Stator-Package 10 bzw. zwischen der Welle 200 und dem Komponentenboard 300 verhindert.
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Auch das Rotor-Package 100 kann eine Durchgangsöffnung 25 aufweisen, deren Durchmesser geringfügig größer sein kann als der Durchmesser der Welle 200. Das Rotor-Package 100 kann drehfest an der Welle 200 montiert werden. Beispielsweise kann das Rotor-Package 100 mittels eines Klebstoffs 26 auf die Welle 200 geklebt werden. Somit dreht sich das Rotor-Package 100 gemeinsam mit der Welle 200, während sich die Welle 200 in dem stehenden Stator-Package 10 dreht.
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Das Stator-Package 10 und das Rotor-Package 100 sind vorzugsweise stets berührungslos. Weiters kann das Stator-Package 10 vorteilhafter Weise zentriert zur Rotationsachse 121 der drehbaren Welle 120 ausgerichtet sein. In der End-of-Shaft Ausführung (4) kann das Rotor-Package 100 auf die Stirnseite eines Wellenendes geklebt sein und das Stator-Package 10 kann in einem axialen Abstand von etwa 1 mm bis 2 mm davor angeordnet sein. In der Through-Shaft Ausführung (5) kann die Welle 120 beispielsweise „unendlich lang“ sein, d.h. das Wellenende ist nicht verfügbar für den Winkelsensor 100. Dann können das Rotor-Package 100 und das Stator-Package 10 beide ein Loch 25 haben, durch das die Welle 120 durchläuft. Das Rotor-Package100 kann ringförmig sein und an der Welle 120 fixiert sein. Das Stator-Package 10 kann ebenfalls ringförmig und im Abstand von 1 mm bis 2 mm vom Rotor-Package 100 entfernt angeordnet sein.
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6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines hierin beschriebenen Stator-Packages 10.
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In Schritt 601 wird ein Substrat 20 bereitgestellt und es werden mindestens zwei in unterschiedlichen Ebenen angeordnete Metallisierungslagen 11, 12 auf dem Substrat 20 angeordnet.
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In Schritt 602 wird eine Empfangsspulen-Anordnung 30 mit mindestens zwei elektrisch leitfähigen Empfangsspulen 31, 32 erzeugt, die ausgestaltet sind, um ein von einer relativ zum Stator-Package 10 drehbaren induktiven Target-Anordnung 130 ausgesendetes Magnetfeld zu empfangen und in Reaktion hierauf Induktionssignale zu erzeugen.
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In Schritt 603 wird ein Halbleiterchip 21 auf oder neben dem Substrat 20 angeordnet und der Halbleiterchip 21 wird elektrisch mit der Empfangsspulen-Anordnung 30 kontaktiert, wobei der Halbleiterchip 21 eine Schaltung aufweist, die ausgestaltet ist, um die Induktionssignale auszuwerten und einen Rotationswinkel zwischen den Empfangsspulen 31, 32 und der relativ dazu drehbaren induktiven Target-Anordnung 130 basierend auf den Induktionssignalen zu ermitteln.
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In Schritt 604 wird eine elektrisch isolierende Vergussmasse 23 aufgetragen, sodass diese das Substrat 20 einschließlich des Halbleiterchips 21 und der Empfangsspulen 31, 32 umgibt.
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Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept werden die zwei Empfangsspulen 31, 32 beim Herstellen des Stator-Packages 10 in Dünnschichttechnik in den zwei Metallisierungslagen 11, 12 implementiert.
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7 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines hierin beschriebenen Rotor-Packages 100.
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In Schritt 701 wird ein Substrat 120 bereitgestellt und es wird mindestens eine Metallisierungslage 111 auf dem Substrat 120 angeordnet.
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In Schritt 702 wird eine induktive Target-Anordnung 130 mit mindestens einem elektrisch leitfähigen induktiven Target 131 erzeugt, das ausgestaltet ist, um in Reaktion auf ein von einer Erregerspule 40 ausgesendetes Magnetfeld einen Induktionsstrom zu generieren und ein dem Induktionsstrom entsprechendes Magnetfeld zu erzeugen und dieses in Richtung des Stator-Packages 10 auszusenden. Dabei wird das mindestens eine induktive Target 131 der Target-Anordnung 130 in der mindestens einen Metallisierungslage 111 implementiert.
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In Schritt 703 wird eine elektrisch isolierende Versiegelung oder Vergussmasse 123 aufgetragen, sodass diese das Substrat 120 einschließlich der Target-Anordnung 130 umgibt.
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In Schritt 704 wird das Rotor-Package 100 drehfest an einer drehbaren Welle 200 angeordnet, sodass das Rotor-Package 100 relativ zu dem Stator-Package 10 drehbar ist.
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Nachfolgend soll das hierin beschriebene innovative Konzept nochmals in anderen Worten zusammengefasst und dessen Vorteile genannt werden.
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Ein Ziel des hierein beschriebenen Konzepts ist es, ein Stator-Package 10 mit einer Größe von etwa 5 mm bis 15 mm, und vorzugsweise von weniger als 10 mm, herzustellen, welches einen Chip 21 mit Schaltung und Empfangsspulen 31, 32 (und optional auch mit einer Erregerspule 40) aufweist. Ein weiteres Ziel des hierein beschriebenen Konzepts ist es, ein Rotor-Package 100 mit einer Größe von etwa 5 mm bis 15 mm, und vorzugsweise von weniger als 10 mm, herzustellen, welches eine Target-Anordnung 130 mit ein oder mehreren induktiven Targets 131 aufweist. Das induktive Target 131 kann beispielsweise ein einfaches leitendes Bauteil oder eine planare Spule mit jeweils n-facher Symmetrie sein (mit n > 1, d.h. mit mindestens zwei radialen Vorsprüngen mit 360°/n Symmetrie).
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In den Empfangsspulen 31, 32 werden keine hohen Ströme induziert. Deshalb können die Empfangsspulen 31, 32 sehr kleine Leitungsabmessungen aufweisen ohne signifikante Einbußen hinsichtlich der Signalqualität aufzuweisen. Lediglich die Impedanz kann geringfügig darunter leiden. Jedoch kann diesbezüglich mit der effektiven Bandbreite des Sensors gegengesteuert werden. Parasitäre Effekte wie Leckströme, elektrostatische Entladungen und Induktivitäten an den Spulen beziehungsweise an den Verbindungen zwischen den Spulen und dem Halbleiterchip sind weniger kritisch.
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Die Herstellung der Spulen 31, 32 in Dünnschichttechnik erlaubt es, eine vollumfängliche Kontrolle über den hochgenauen Herstellungsprozess der Empfangsspulen 31, 32 zu behalten. Die Anwendung der Dünnschichttechnik erlaubt eine bessere Kontrolle über die Reinheit der zu verwendenden Materialien und der Prozessparameter, was wiederum zu einer erhöhten Zuverlässigkeit bei der Herstellung der Spulen 31, 32 gegenüber herkömmlichen PCB-Techniken führt. Ein End-of-Line Test kann an dem kompletten Subsystem aus Chip 21 und Empfangsspulen 31, 32 durchgeführt werden. Darüber hinaus sind die Spulen 31, 32 von der Vergussmasse 23 umgeben, was die Spulen 31, 32 zuverlässig vor äußeren Einflüssen schützt. Aus diesen Gründen benötigen die Spulen 31, 32 keine Widerstände, um Integritätschecks im laufenden Betrieb durchzuführen, was wiederum die Genauigkeit erhöht und die Herstellungskosten reduziert. Die einzelnen Metallisierungslagen 11, 12 sind besser zueinander ausgerichtet als in der PCB-Technologie. Die exaktere Geometrie der Spulen 31, 32 verbessert die Genauigkeit und reduziert Prozess-Streuung. Die kleinere Gesamtgröße des Stator-Packages 10 reduziert insgesamt die Induktivtäten.
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Die Spulen 31, 32 können auf ein und derselben Seite des Substrats 20 angeordnet und übereinander gestapelt werden. Dies führt zu einer hochpräzisen Ausrichtung. Das Stator-Package 10 kann derart angeordnet werden, dass die darin vorgesehenen Spulen 31, 32 in Richtung des Rotor-Packages 100 weisen, oder dass die Spulen 31, 32 von dem Rotor-Package 100 weg zeigen. Die letztgenannte Anordnung erhöht zwar den vertikalen Abstand zwischen den Empfangsspulen 31, 32 im Stator-Package 10 und der Target-Anordnung im Rotor-Package 100. Allerdings kann dadurch die Sicherheit und Robustheit des Winkelsensors 1000 erhöht werden, da die Kollisionsgefahr vermindert ist.
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Bei PCBs führt eine erhöhte Anzahl an Metallisierungslagen zum Aufspleißen des Substrats. Dies ist in dem hierin beschriebenen Konzept nicht der Fall, weshalb das Vorsehen einer viel größeren Anzahl an Metallisierungslagen denkbar ist. Damit könnten beispielsweise redundante Spulen und elektrostatische Abschirmungen erzeugt werden, was in PCB-Technik wesentlich schwieriger umzusetzen wäre.
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Trotz der relativ geringen Größe der Empfangsspulen 31, 32 mit einem Außendurchmesser von z.B. 12 mm, ist es möglich, ein Loch 25 mit etwa 2 mm bis 4 mm Durchmesser vorzusehen, durch das eine drehbare Welle 200 durchführbar ist. Selbst wenn die Spulen 31, 32 auf einem Siliziumsubstrat 20 erzeugt werden, könnte ein solches Loch 25 in das Silizium gemacht werden. Diesbezüglich könnte es vorteilhaft sein, das Siliziumsubstrat 20 dünner als gewöhnlich herzustellen. Die Ausgangsdicke eines Wafers beträgt etwa 750 µm, und der Wafer wird oft auf bis zu 220 µm rückgedünnt. Um das eingangs erwähnte Loch 25 zu erzeugen, wäre es denkbar, das Substrat 20 auf bis zu 50 µm rückzudünnen. Dies würde es erlauben, eine durchgehende Welle 200 mit einem Durchmesser von etwa 2-3 mm aufzunehmen.
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Sofern es sich bei dem Substrat 20 um ein Siliziumsubstrat handelt, so kann dieses in einem kostengünstigen Halbleiterprozess gefertigt sein, wobei auf einem Roh-Wafer beispielsweise lediglich zwei Metallisierungslagen 11, 12 mit einer groben Auflösung von z.B. etwa 1 µm bis etwa 2 µm sowie eine dazwischen angeordnete Isolationslage 13 sowie optional eine abschließende Passivierungslage aufgetragen werden. Dies wäre deutlich kostengünstiger als übliche, teure Halbleiterprozesse mit einer Auflösung von 125 nm, in denen für die Schaltung zirka 20 bis 35 Lagen aufgetragen werden.
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Aus den weiter oben genannten Gründen kann es für die Herstellung von Empfangsspulen 31, 32 mit einem Außendurchmesser von weniger als 15 mm vorteilhaft sein, eine Herstellungstechnik anzuwenden, die filigraner ist als die PCB-Technik. Die hierin beschriebene Herstellung der Empfangsspulen 31, 32 in Dünnschichttechnik kann vorsehen, z.B. die Metallschichten im Redistribution Layer eines Wafer Level Packages, zum Beispiel eines (e)WLB Packages, zu verwenden, oder aber mikroelektronische Fertigungstechniken anzuwenden, wobei die Empfangsspulen 31, 32 beispielsweise in den Metallisierungsschichten von anorganischen Substraten, wie zum Beispiel Glass, Keramik oder Silizium hergestellt werden, zum Beispiel mit denselben Techniken wie das Herstellen von Verbindungen in mikroelektronischen Schaltkreisen. Beide Technologien ermöglichen Leitungen und Vias im Größenbereich von 10 µm oder weniger (im Vergleich zu mehr als 100 µm dicken Vias bei der PCB-Technik).
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Die zuvor erwähnten (e)WLB Packages sind anfällig gegenüber auf die Lotkugeln ausgeübtem mechanischem Stress, insbesondere wenn das Package größer als 15 x 15 mm und das Temperaturprofil herausfordernd ist. In einem solchen Fall wäre es denkbar, elektrische Verbindungen lediglich zu ein paar wenigen Lotkugeln in einem kleinen Bereich zu führen, d.h. andere Lotkugeln wären trotzdem weiterhin vorhanden, allerdings könnten diese dann lediglich zur mechanischen Abstützung dienen, d.h. sie würden nicht für elektrische Kontakte verwendet und auch nicht auf Lotstellen auf einem Komponentenboard 300 gelötet werden (sie wären lediglich vorhanden, um ein Verkippen des Stator-Packages 10 vor dem Auflöten zu verhindern).
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Auch die Erregerspule 40 könnte innerhalb des Stator-Package 10 vorgesehen werden, zum Beispiel auf demselben Substrat 20 (z.B. Siliziumsubstrat bei (e)WLB Packages) wie die Empfangsspulen 31, 32. Das Erzeugen der Erregerspule 40 ist weniger heikel. Oftmals genügen hier ein paar wenige Draht-Windungen um die Empfangsspulen 31, 32 herum. Außerdem ist der Draht der Erregerspule 40 meist starker als der Draht der Empfangsspulen 31, 32. Daher ist es möglich, die Erregerspule 40 (oder auch mehrere Erregerspulen) auf dem Komponentenboard 300 zu implementieren, auf dem auch das Stator-Package 10 angeordnet werden kann (siehe 4 und 5). Dies bietet den Vorteil einer einfachen Art der Implementierung. Auf der anderen Seite kann es vorteilhaft sein, die Erregerspule(n) 40 in das Stator-Package 10 zu integrieren. Dies bietet den Vorteil von weniger statistischen Ausreißern bezüglich (kapazitiver und/oder induktiver) Kreuzkopplung zwischen der Erregerspule 40 und den Empfangsspulen 31, 32 und bietet die Möglichkeit die Prozesszuverlässigkeit bei der Herstellung der Erregerspule 40 zu erhöhen.
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Es wäre außerdem denkbar, weitere diskrete elektronische Bauteile zu dem Stator-Package 10 hinzuzufügen. Beispielsweise kann der induktive Winkelsensor 1000 um einen Kondensator erweitert werden, um die Erregerspule 40 in Resonanz zu betreiben. Dabei wäre es beispielsweise kostengünstiger, den Kondensator in das Stator-Package 10 (z.B. in ein (e)WLB-Package) zu integrieren. Falls das induktive Target 130 als eine Spule ausgestaltet wäre, könnte eine Reihenkapazität hinzugefügt werden, um das Target 130 in Resonanz zu betreiben. Falls die Empfangsspulen 31, 32 eine n-fache Symmetrie aufweisen, so wäre es vorteilhaft, wenn auch das Target 130 dieselbe n-fache Symmetrie aufwiese.
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Wie weiter oben erwähnt, kann das Rotor-Package 100 im Wesentlichen die Form einer Pille aufweisen. Das etwa pillenförmige Rotor-Package 100 kann einen Durchmesser von etwa 6 mm bis 12 mm aufweisen und an der drehbaren Welle 200 fixiert sein.
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Mit dem hierein beschriebenen Konzept können unterschiedliche Arten von induktiven Winkelsensoren 1000 hergestellt werden. Die mindestens zwei Empfangsspulen 31, 32 können für zweiphasige Winkelsensoren 1000 beispielsweise als Sinus- und Cosinus-Spulen ausgestaltet sein. Bei dreiphasigen Winkelsensoren 1000 können mindestens drei Empfangsspulen 31, 32 vorgesehen sein, beispielsweise u-, v- und w-Spulen. Beispielsweise können auch mehrere Empfangsspulen-Anordnungen mit je zwei oder mehr Empfangsspulen vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Stator-Package 10 zwei Empfangsspulen-Anordnungen aufweisen, wobei die Empfangsspulen einer ersten Empfangsspulen-Anordnung eine n-fache Symmetrie, und die Empfangsspulen einer zweiten Empfangsspulen-Anordnung eine m-fache Symmetrie aufweisen können, z.B. mit n = 1, m » 1, (z.B. 11), oder mit n » 1 (z.B. 11) und m = n + 1. Eine Kombination der Signale beider Empfangsspulen-Anordnungen kann ein Winkel-Messergebnis liefern, das eindeutig über eine volle 360° Winkeldrehung ist. Im Gegensatz dazu können Winkelsensoren 1000 mit einer einzigen Empfangsspulen-Anordnung mit n-facher Symmetrie Winkel-Messergebnisse liefern, die zumindest über 360° / n eindeutig sind. Es kann aber auch aus Gründen der Redundanz auf zwei Empfangsspulen-Anordnungen zurückgegriffen werden.
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Sowohl das Substrat 20 im Stator-Package 10 als auch das Substrat 120 im Rotor-Package 100 kann beispielsweise ein Glas-Substrat mit einer Dicke von 500 µm bis 750 µm sein (z.B. Borofloat). Die Metallisierungslagen 11, 12 können beispielsweise mittels Titan-Metallisierung auf dem Substrat 20 aufgetragen und mittels Hochfrequenz-Ätzen strukturiert werden. Zwischen den Metallisierungslagen 11, 12 können Oxid- oder Nitrid-Isolationsschichten angeordnet werden. Im Rotor-Substrat 120 kann beispielsweise eine Target-Anordnung 130 mit ein oder zwei induktiven Targets in zwei Metallisierungslagen implementiert werden.
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Das Rotor-Package 100 kann beispielsweise eine im Wesentlichen runde bzw. ovale Form aufweisen. Das Stator-Substrat 20 kann vorzugsweise rechteckig sein und es können zwei oder vier Empfangsspulen, sowie optional eine Erregerspule, in zwei oder vier Metallisierungslagen implementiert werden.
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Je nach Ausführungsform (Through-Shaft oder End-of-Shaft) kann optional ein zentral angeordnetes Loch 25 in dem Stator-Package 10 und/oder dem Rotor-Package 100 vorgesehen werden, durch das die drehbare Welle 200 hindurchführbar ist. Der Halbleiterchip 21 kann auf dem Stator-Substrat 20 angeordnet und elektrisch mit den Empfangsspulen, sowie mit der Erregerspule, verbunden werden. Sowohl das Stator-Package 10 als auch das Rotor-Package 100 können jeweils mittels einer Vergussmasse 23, 123 vergossen werden. Auf der Vergussmasse können auf denjenigen Seiten der Packages 10, 100, die sich im Betrieb gegenüberliegen, entsprechende Markierungen angebracht werden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien des vorliegenden Konzepts dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass das hierin beschriebene Konzept lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.