DE102014005247B4

DE102014005247B4 - Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102014005247B4
Application number: DE102014005247.8A
Authority: DE
Inventors: Timo Kaufmann; Jörg Franke
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: US10006969B2; DE102014005247A1; US20150293184A1

Abstract

Sensorvorrichtung zur Unterdrückung eines magnetischen Streufeldes, aufweisend,einen Halbleiterkörper (50) mit einer in einer x-y-Ebene ausgebildeten Oberfläche (52) und einer Rückfläche (54), wobei die x-Richtung und die y-Richtung zueinander orthogonal ausgebildet sind, der Halbleiterkörper (50) auf einem Träger angeordnet ist, undeiner ersten Pixelzelle (20) und einer zweiten Pixelzelle (30), wobei beide Pixelzellen (20, 30) in der Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (50) gemeinsam mit einer Schaltungsanordnung integriert sind und jede Pixelzelle (20, 30) einen ersten Magnetfeldsensor (24, 34) und einen zweiten Magnetfeldsensor (28,38) aufweist, wobei der erste Magnetfeldsensor (24, 34) ein Magnetfeld in x-Richtung und der zweite Magnetfeldsensor (28, 38) ein Magnetfeld in y-Richtung detektiert, unddie erste Pixelzelle (20) von der zweiten Pixelzelle (30) entlang einer Verbindungsgeraden beabstandet sind, undeine in einer z-Richtung ausgebildeten Achse (45), wobei die z-Richtung orthogonal auf der x-y-Ebene ausgebildet ist, undein Magnet (10) vorgesehen ist, wobei der Magnet (10) eine plane Haupterstreckungsfläche in Richtung der x-y-Ebene aufweist und in Richtung der x-y-Ebene eine Magnetisierung mit zwei Magnetpolen (12, 14) aufweist, undwobei der Träger und der Halbleiterkörper in einem gemeinsamen IC-Gehäuse angeordnet sind unddas IC-Gehäuse von der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) derart beabstandet ist, dass die Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (50) parallel zu der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) ausgerichtet ist und wobei der Magnet (10) gegenüber dem IC-Gehäuse um die Achse (45) drehbar gelagert ist, und wobeieine gedachte Verlängerung der Achse (45) den Magneten (10) in dem Flächenschwerpunkt der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) durchdringt,die beiden Pixelzellen (20, 30) bei einer Projektion entlang der gedachten Verlängerung der Achse (45) an dem Rand oder neben der Ausdehnung des Magneten (10) in der x-y-Ebene angeordnet sind unddie Magnetfeldsensoren (24, 28) in der ersten Pixelzelle (20), sowie die Magnetfeldsensoren (34, 38) in der zweiten Pixelzelle (30) einen gemeinsamen Schwerpunkt (42, 43) je Pixelzelle (20, 30) aufweisen, um den magnetischen Fluss in dem jeweils gleichen Punkt je Pixelzelle (20, 30) zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der EP 0 916 074 B1 ist eine Sensorvorrichtung für eine Bestimmung des Drehwinkel einer Welle bekannt. Des Weiteren ist aus der WO 2010 / 060607 A2 ein IC-Gehäuse mit einer integrierten Schaltung und einem magnetischen Sensor bekannt. Benachbart zu dem Gehäuse ist ein Permanentmagnet, dessen magnetischer Fluss den Sensor durchdringt, angeordnet. Sensorvorrichtungen zur Bestimmung eines Drehwinkels sind ferner aus der EP 0 986 162 A1 oder der EP 2 244 070 A1 bekannt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Unterdrückung eines magnetischen Streufeldes bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung aufweist, einen Halbleiterkörper mit einer in einer x-y Ebene ausgebildeten Oberfläche und einer Rückfläche, wobei die x-Richtung und die y-Richtung zueinander orthogonal ausgebildet sind, und vorzugsweise der Halbleiterkörper oder insbesondere die Rückfläche des Halbleiterkörpers mit einem Träger verbunden ist, und die Sensorvorrichtung eine erste Pixelzelle und eine zweite Pixelzelle aufweist, wobei beide Pixelzellen in der Oberfläche des Halbleiterkörpers gemeinsam mit einer Schaltungsanordnung integriert sind und jede Pixelzelle einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor aufweist und wobei der erste Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in x-Richtung und der zweite Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in y-Richtung detektiert, und die erste Pixelzelle von der zweiten Pixelzelle entlang einer Verbindungsgeraden beabstandet sind, und wobei vorzugsweise der Träger und der Halbleiterkörper in einem gemeinsamen IC-Gehäuse angeordnet sind, und eine in einer z-Richtung ausgebildeten Achse vorgesehen ist, wobei die z-Richtung orthogonal auf der x-y-Ebene ausgebildet ist, und wobei ein Magnet vorgesehen ist, wobei der Magnet eine plane Haupterstreckungsfläche in Richtung der x-y Ebene aufweist und in Richtung der x-y-Ebene eine Magnetisierung zwei Magnetpole aufweist, und wobei das IC-Gehäuse von der Haupterstreckungsfläche des Magneten derart beabstandet ist, dass die Oberfläche des Halbleiterkörpers parallel zu der Haupterstreckungsfläche des Magneten ausgerichtet ist und wobei der Magnet gegenüber der dem IC-Gehäuse um die z-Richtung drehbar gelagert ist, und wobei eine gedachte Verlängerung der Achse den Magneten in dem Flächenschwerpunkt der Haupterstreckungsfläche des Magneten durchdringt, und die beiden Pixelzellen bei einer Projektion entlang der gedachten Verlängerung der Achse an dem Rand oder neben der Ausdehnung des Magneten in der X-Y-Ebene angeordnet sind.
Es sei ausgeführt, dass die Anordnung mit zwei Magnetpolen sich als diametrale Magnetisierung bezeichnen lässt. Des Weiteren versteht sich, dass durch den Magneten in den Magnetfeldsensoren ein von der Stärke des Magnetfeldes abhängiges Signal induziert wird. Sofern sich der Magnet oder das IC-Gehäuse dreht, weisen die Signale einen sinus- oder kosinusförmigen Verlauf auf.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass durch die Beabstandung von zwei Pixelzellen mit der jeweiligen zweidimensionalen Ausführung der Magnetfeldsensoren in Verbindung mit der Dipolanordnung des Magneten sowohl der Drehwinkel einer ruhenden Welle als auch der Drehwinkel einer sich drehenden Welle bestimmen lässt. Anders ausgedrückt die Sensorvorrichtung lässt sich zur Detektion des Drehwinkels der Welle verwenden. Hierzu werden die Signale der Magnetfeldsensoren mit einem differentiellen Auswerteverfahren verarbeitet, d.h. aus den Signalunterschieden zwischen der ersten Pixelzelle und der zweiten Pixelzelle und der vorgegebenen Magnetpolanordnung lässt sich der Drehwinkel der Welle bestimmen. Insbesondere bei einer Start-Stop Automatik eines Kraftfahrzeugs lässt sich hierdurch die Stellung der Kurbelwelle bzw. die Stellung der Nockenwelle auch bei einem ruhenden Motor bestimmen. Ein Anschalten des Motors lässt sich hierdurch erleichtern. Ein anderer Vorteil ist, dass sich durch die doppelte Ausführung von den Magnetfeldsensoren sowohl in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung sich Streufeldeinwirkungen, beispielsweise durch das Erdmagnetfeld, oder von Hochstromleitungen beispielsweise in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Elektro- / Hybridkraftfahrzeugen, auf einfache und zuverlässige Weise unterdrücken lassen. Unter Hochstromleitungen werden insbesondere Leitungen verstanden, welche hohe Ströme oberhalb 10 Ampere führen. Hierdurch lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Unterdrückung von magnetischen Gleichfeldanteilen verwenden.
In einer Weiterbildung umfasst jede Pixelzelle einen dritten Magnetfeldsensor, wobei der dritte Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in z-Richtung detektiert und hierbei die z-Richtung orthogonal zu der x-Richtung und orthogonal zu der y-Richtung ausgebildet ist, so dass jede Pixelzelle als ein 3-dimensionaler Magnetfeldsensor ausgeführt ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die beiden Pixelzellen jeweils in der Nähe eines äußeren Rands des Halbleiterkörpers anzuordnen, um hierdurch einen großen Abstand zu einander auszubilden. Es zeigt sich nämlich, dass mit einem wachsenden Abstand zwischen den beiden Pixelzellen die Genauigkeit der Winkelbestimmung der Welle erhöhen lässt. In einer anderen Weiterbildung ist auf dem Halbleiterkörper zwischen und / oder neben den beiden Pixelzellen eine integrierte Schaltung ausgebildet, wobei die integrierte Schaltung in einer elektrischen Wirkverbindung mit den beiden Pixelzellen steht. Insbesondere lassen sich mit der integrierten Schaltung die Magnetfeldsensoren mit einem Betriebsstrom versorgen und das durch das anliegende Magnetfeld induzierte Signal auswerten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Magnetfeldsensoren in der Pixelzelle jeweils einen Schwerpunkt auf, wobei die Schwerpunkte der einzelnen Magnetfeldsensoren zusammenfallen und einen gemeinsamen Schwerpunkt ausbilden, um den magnetischen Fluss der jeweiligen Raumrichtung in dem gleichen Punkt zu bestimmen. Unter dem jeweiligen gemeinsamen Schwerpunkt wird vorliegend der Kreuzungspunkt der beiden Magnetfeldsensoren in einer der Pixelzellen verstanden. Es versteh sich, dass der Kreuzungspunkt in der Mitte des jeweiligen Magnetfeldsensors liegt, d.h. die verbleibenden Längen des jeweiligen Sensors sind auf beiden Seiten des Kreuzungspunktes gleich lang. In einer Weiterbildung weisen die Magnetfeldsensoren jeweils eine Haupterstreckungsfläche auf, wobei die Haupterstreckungsflächen der Magnetfeldsensoren zu einander orthogonal ausgebildet sind. Untersuchungen haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Magnetfeldsensoren als zueinander orthogonale oder paarweise zueinander rechtwinklig ausgebildete Hallsensoren auszubilden und hierbei zwei der Hallsensoren als vertikale Hallsensoren anzuordnen, d.h. die Haupterstreckungsfläche der beiden vertikalen Hallsensoren ist jeweils senkrecht zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers ausgebildet. Insbesondere ist es bevorzugt, die Hallsensoren jeweils als Hallplatten auszuführen.
In einer anderen Ausführungsform ist der Magnet in der X-Y-Ebene als Kreis ausgebildet ist, wobei der Radius des Kreises größer als die Hälfte der Länge der Verbindungsgeraden ist oder der Magnet ist als Quadrat ausgebildet, wobei-die Hälfte der Diagonale des Quadrats größer als die Hälfte der Länge der Verbindungsgeraden ist oder alternativ der Durchmesser des Kreises oder die Diagonale des Quadrats größer als die Hälfte der Länge der Verbindungsgerade ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Magnetpole als zwei gleich große Kreissegmente oder als zwei gleich große Vierecke oder Quadrate auszuführen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die laterale und die vertikale Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:

1a eine Draufsicht auf einen Magneten mit zwei Magnetpolen in einer ersten Ausführungsform,
1b ein Schnitt entlang einer Welle gemäß der ersten Ausführungsform,
2a eine Draufsicht auf einen Magneten mit zwei Magnetpolen in einer zweiten Ausführungsform,
2b ein Schnitt entlang einer Welle gemäß der zweiten Ausführungsform.

Die Abbildung der 1a zeigt eine Draufsicht auf einen Magneten 10 mit zwei Magnetpolen 12, 14 gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei die einzelnen Kreissegmente der Magnetpole gleich groß ausgeführt sind. Es versteht sich, dass bei den zwei Magnetpolen 12, 14 jeweils ein Magnetpol 12 als Nordpol und ein Magnetpol 14 als Südpol ausgeführt ist. Des Weiteren ist eine erste Pixelzelle 20 mit einem in einer X-Richtung ausgebildeten ersten Magnetfeldsensor 24 und einem in einer Y-Richtung ausgebildeten zweiten Magnetfeldsensor 28 und eine zweite Pixelzelle 30 mit einem in der X-Richtung ausgebildeten ersten Magnetfeldsensor 34 und einem in der Y-Richtung ausgebildeten zweiten Magnetfeldsensor 38 ausgebildet. Die jeweils ersten Magnetfeldsensoren 24 und 34 sind orthogonal zu den jeweils zweiten Magnetfeldsensoren 28 und 38 ausgebildet und weisen einen in der ersten Pixelzelle 20 ausgebildeten ersten Schwerpunkt 42 und einen in der zweiten Pixelzelle 30 ausgebildeten weiteren ersten Schwerpunkt 43 auf.
Die Hallplatten weisen jeweils eine in einer Z-Richtung ausgebildete Haupterstreckungsfläche auf, wobei in der dargestellten X-Y-Ebene jeweils nur eine Projektion auf eine schmale Seitenfläche der Hallplatten sichtbar ist. Die erste Pixelzelle 20 und die zweite Pixelzelle 30 sind in der Oberfläche eines Halbleiterkörpers 50 ausgebildet. An der Oberfläche 52 des Halbleiterkörpers 50 ist zwischen der ersten Pixelzelle 20 und der zweiten Pixelzelle 30 eine nicht dargestellte integrierte Schaltung ausgebildet.
In der Abbildung der 1b ist ein Schnitt entlang einer Welle gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt. Es versteht sich, dass der Magnet oder das IC-Gehäuse gegeneinander um die entlang einer Achse 45 verlaufende Welle verdrehbar sind. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1a erläutert. Vorliegend ist der Halbleiterkörper 50 in einer bei einer Projektion entlang der gedachten Verlängerung der Achse 45 neben der Ausdehnung des Magneten 10 in der X-Y-Ebene derart angeordnet, dass die beiden Pixelzellen 20, 30 eine Abstand zu dem äußeren Rand des Magneten 10 aufweisen. Die Welle weist die Längsachse, nämlich die Achse 45, in der Z-Richtung auf. Der Halbleiterkörper 50 weist neben der Oberfläche 52 eine Rückfläche 54 auf. Der Halbleiterkörper 50 mit den beiden Pixelzellen 20 und 30 ist bei einer Projektion entlang der gedachten Verlängerung der Achse 45 neben der Ausdehnung des Magneten 10 in der X-Y-Ebene angeordnet.
Sobald sich die Welle mit dem Magneten dreht, wird in den Hallplatten eine Hallspannung induziert, sofern die Hallplatten von einem Betriebsstrom durchflossen sind.
Die Abbildung der 2a zeigt eine Draufsicht auf einen Magneten 10 mit zwei Magnetpolen 12, 14 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1a erläutert. Der Halbleiterkörper 50 ist bei einer Projektion entlang der gedachten Verlängerung der Achse 45 neben der Ausdehnung des Magneten 10 in der X-Y-Ebene derart angeordnet, dass die beiden Pixelzellen 20, 30 genau am Rand des Magneten 10 angeordnet sind. In der Abbildung der 2b ist zu der vorliegenden Ausführungsform ein Schnitt entlang einer Achse 45 dargestellt.

Claims

Sensorvorrichtung zur Unterdrückung eines magnetischen Streufeldes, aufweisend, einen Halbleiterkörper (50) mit einer in einer x-y-Ebene ausgebildeten Oberfläche (52) und einer Rückfläche (54), wobei die x-Richtung und die y-Richtung zueinander orthogonal ausgebildet sind, der Halbleiterkörper (50) auf einem Träger angeordnet ist, und einer ersten Pixelzelle (20) und einer zweiten Pixelzelle (30), wobei beide Pixelzellen (20, 30) in der Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (50) gemeinsam mit einer Schaltungsanordnung integriert sind und jede Pixelzelle (20, 30) einen ersten Magnetfeldsensor (24, 34) und einen zweiten Magnetfeldsensor (28,38) aufweist, wobei der erste Magnetfeldsensor (24, 34) ein Magnetfeld in x-Richtung und der zweite Magnetfeldsensor (28, 38) ein Magnetfeld in y-Richtung detektiert, und die erste Pixelzelle (20) von der zweiten Pixelzelle (30) entlang einer Verbindungsgeraden beabstandet sind, und eine in einer z-Richtung ausgebildeten Achse (45), wobei die z-Richtung orthogonal auf der x-y-Ebene ausgebildet ist, und ein Magnet (10) vorgesehen ist, wobei der Magnet (10) eine plane Haupterstreckungsfläche in Richtung der x-y-Ebene aufweist und in Richtung der x-y-Ebene eine Magnetisierung mit zwei Magnetpolen (12, 14) aufweist, und wobei der Träger und der Halbleiterkörper in einem gemeinsamen IC-Gehäuse angeordnet sind und das IC-Gehäuse von der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) derart beabstandet ist, dass die Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (50) parallel zu der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) ausgerichtet ist und wobei der Magnet (10) gegenüber dem IC-Gehäuse um die Achse (45) drehbar gelagert ist, und wobei eine gedachte Verlängerung der Achse (45) den Magneten (10) in dem Flächenschwerpunkt der Haupterstreckungsfläche des Magneten (10) durchdringt, die beiden Pixelzellen (20, 30) bei einer Projektion entlang der gedachten Verlängerung der Achse (45) an dem Rand oder neben der Ausdehnung des Magneten (10) in der x-y-Ebene angeordnet sind und die Magnetfeldsensoren (24, 28) in der ersten Pixelzelle (20), sowie die Magnetfeldsensoren (34, 38) in der zweiten Pixelzelle (30) einen gemeinsamen Schwerpunkt (42, 43) je Pixelzelle (20, 30) aufweisen, um den magnetischen Fluss in dem jeweils gleichen Punkt je Pixelzelle (20, 30) zu bestimmen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Pixelzelle (20, 30) einen dritten Magnetfeldsensor umfasst, wobei der dritte Magnetfeldsensor ein Magnetfeld in z-Richtung detektiert und die z-Richtung orthogonal zu der x-Richtung und orthogonal zu der y-Richtung ausgebildet ist, so dass jede Pixelzelle (20, 30) als ein 3-dimensionaler Magnetfeldsensor ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die beiden Pixelzellen (20, 30) jeweils in der Nähe eines äußeren Rands des Halbleiterkörpers (50) ausgebildet sind, um einen großen Abstand zu einander auszubilden.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleiterkörper (50) zwischen und / oder neben den beiden Pixelzellen (20, 30) eine integrierte Schaltung ausgebildet ist und die integrierte Schaltung in einer elektrischen Wirkverbindung mit den beiden Pixelzellen (20, 30) steht.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (24, 28, 34, 38) jeweils eine Haupterstreckungsfläche aufweisen und die Haupterstreckungsflächen der Magnetfeldsensoren (24, 28, 34, 38) paarweise zueinander rechtwinklig ausgebildet sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (24, 28, 34, 38) als Hallsensoren ausgebildet sind, wobei die Hallsensoren als vertikale Hallsensoren ausgebildet, insbesondere als paarweise zueinander rechtwinklig angeordnet sind und die Haupterstreckungsfläche der beiden vertikalen Hallsensoren jeweils senkrecht zu der Oberfläche (52) des Halbleiterkörpers (50) ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Magnetfeldsensor je Pixelzelle als Hallplatten ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (10) in der x-y-Ebene als Kreis oder als Quadrat ausgebildet ist, wobei der Radius des Kreises oder die Hälfte der Diagonalen des Quadrats größer als die Hälfte der Länge der Verbindungsgeraden ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetpole (12, 14) als zwei gleich große Kreissegmente oder als zwei gleich große Vierecke ausgebildet sind.
Verwendung der nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Sensorvorrichtung zur Detektion des Drehwinkels des um die Achse (45) drehenden Magneten (10).
Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten Sensorvorrichtung zur Ermittlung des Drehwinkels bei um die Achse (45) drehbar gelagertem, ruhendem Magneten (10).
Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten Sensorvorrichtung für einen differentiellen Betrieb zur Detektion des Drehwinkels einer Welle.