專利名稱：磁場傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及在權利要求1的特征部分指出的類型的磁場傳感器。
背景技術：
特別適合作為位置換能器的可能是旋轉位置傳感器，通過所述旋轉位置傳感器可以捕獲旋轉本體的角位置。為此，旋轉本體非旋轉性地附接至永磁體陣列或者與永磁體激勵陣列相聯接，所述永磁體激勵陣列的磁場使所述本體精確地重復旋轉。所述磁場的電流方向由三個霍爾元件檢測，所述三個霍爾元件位于相對于被監測本體的旋轉的固定位置。至少兩個近似周期性的測量信號從霍爾元件的輸出信號推導出，使這些測量信號相移以消除這兩個信號所固有的不確定性。從EP I 182 461 Al中已知適用于這種目的的磁場傳感器，在EP I 182461 Al中，霍爾元件被形成并布置在半導體集成電路中，使得它們的有效表面位于與半導體IC的平面表面之一平行的公共表面內。在很多應用中，將永磁體激勵陣列定向成其磁化方向在與霍爾元件的那些有效表面之一平行的平面內移動，這對于結構因素而言是有利的。但是，為了確保它們的有效表面仍然被磁場的垂直分量穿過，至少一個鐵磁性材料偏轉本體被設想、成形和定位為使得從永磁體激勵陣列發射的一部分磁場線以垂直分量穿過所述表面(在沒有所述偏轉本體的情況下，磁場線將平行于霍爾元 件的有效表面延伸)。從前述公開物已知的磁場傳感器存在一些困難，因為對于特定角位置的精確測量，假定從霍爾元件的輸出信號推導出的至少兩個測量信號盡可能地近似正弦。另外，必須基本消除磁場外部的干擾對測量信號的影響。為此，根據現有技術，將4個霍爾元件于半導體IC上以相反對連接成使得有用的磁場分量疊加在一起，同時互相彼此扣除干擾磁場分量。然而，干擾磁場分量只是在干擾磁場以相同強度和相同方向穿過每對的兩個霍爾元件時才是相等因而才相互彼此抵消。從這些理想條件的任何偏離，會保持有影響測量結果的干擾磁場部分，這可能增加霍爾元件的有效表面(或稱為作用表面)彼此定位的距離。而且，在所述現有技術中，其中所述的作為場集中器的偏轉本體相對于霍爾元件需要盡可能精確和對稱地定位，因為需要將正弦/余弦信號作為測量信號。這基本上只能使用與IC制造兼容的技術通過將這種偏轉本體直接施加于IC表面來實現。在這種情況下有利的是，適合應用的只有很少鐵磁性材料(15 μ m至30 μ m級的厚度的薄層)。然而，這么薄的鐵磁本體可能只具有平行于被偏轉磁場的方向的小尺寸，因為若非如此它們將很快變得飽和。偏轉本體固定施加于集成電路表面(其相對于測量操作過程中的旋轉磁場是固定的)還具有的后果是出現恒定的逆磁化。關聯的滯后作用導致測量信號誤差，據認為通過具有低剩磁場強度的偏轉本體使這種誤差最小化。然而，即使是磁性玻璃(同樣只能制成薄層)，也不能完全消除這些誤差。由于所有這些原因，現有技術需要將霍爾元件于半導體IC上彼此盡可能近地定位；這樣的結果是它們只能捕獲磁場的非常小的區域，從而對磁場的不均質性特別敏感。另夕卜，特別小的布置要求偏轉本體的材料具有高的相對導磁率μ κ以生成足夠高的集中在霍爾元件上的場強度。然而，對于相當的矯頑場強度，大的μ !^導致大的剩磁。相比而言，本發明的目的是創造一種上述類型的其中所有這些問題都得到解決的磁場傳感器
發明內容
為了實現該目的，本發明提供了在權利要求1中概括的特征。根據本發明，所述磁場傳感器的兩個特征被省略，這兩個特征被認為在現有技術中是必不可少的，即:將偏轉本體直接定位在IC的表面上，這意味著必須借助于與IC技術兼容的過程來制造偏轉本體；以及在該表面上的霍爾元件之間的間隔極其小。這在構造磁場傳感器方面產生了一系列有利的自由度。所述偏轉本體可以被設計為不僅具有更大的面積，而且明顯比現有技術更厚，因而降低了快速飽和的危險。這允許使用更大并因而更強的永磁體，從而使得可以使用相比于現有技術具有明顯更低的相對導磁率μκ的材料制造所述偏轉本體。通過將與用于制造偏轉本體的IC技術兼容的過程的聯系切斷，可以使用更方便的材料，例如赫斯勒合金、鐵氧體或結合有塑料的鐵氧體，特別是那些具有低剩磁和低抗磁強度的材料，從而獲得低的磁滯誤差。鐵氧體還具有極其寶貴的優點，即它們的在2 μ m尺寸范圍內的研磨微粒是單獨的單個范圍顆粒，這些顆粒在磁體旋轉時通過它們固有的磁性結構僅產生磁滯噪音，這自然明顯小于否則出現剩磁中斷。這是使用“磁滯噪音”來表示單獨顆粒的剩磁中斷的統計學表現。本發明的關鍵方面在于，由于霍爾元件之間具有更大的間隔，所述偏轉本體覆蓋了更大的表面，因此不僅用作磁場集中器和對稱化子，而且在某種意義上還作為磁場積分器，使得所述陣列對磁場不均質性更不敏感。對于最大精度來說，如果期望無磁滯測量，則根據本發明將IC和偏轉本體物理分離允許所述偏轉本體以這樣方式安裝，即:其與待被監測的本體一起旋轉，因而與永磁體陣列一起旋轉。穿過該偏轉本體的磁場因而不改變，并且沒有逆磁化發生。通過根據本發明的措施降低了偏轉本體相對于霍爾元件的定位精度，從而導致可從霍爾元件信號推導出來的測量信號明顯更偏離正弦形式和90°的相移值。上述事實其實并不是缺點，這是因為用于獲取和處理可從DE 102010 010 560.0 Al收集的霍爾元件信號的方法(該方法理想地與根據本發明的磁場傳感器結合使用)僅僅需要半個周期的、其他任意的傳感器可重復性來獲得高度精確的測量，而不需要追蹤幾乎完美的準確正弦路徑，它們也不需精確地相移90°。相反，使用所述傳感器不僅用作地址發生器，而該傳感器的存儲器在校準運行時裝載有借助于高度精確的位置參考標準引導的精確測量值。DE 10 2010010 560.0 Al的技術內容通過參考整體結合于此。
下面參照附圖通過示例性實施方式描述本發明，在附圖中:圖1描繪了旋轉位置傳感器的示意性剖視圖，該旋轉位置傳感器包括根據本發明的磁場傳感器，并且具有固定的偏轉本體以捕獲軸的角位置；以及圖2描繪了與圖1類似的旋轉位置傳感器的剖視圖，該旋轉位置傳感器的磁場傳感器具有與軸一起旋轉的偏轉本體。
具體實施例方式在此明確地指出，圖1和圖2兩個圖都不是按規定比例繪制的，為清楚起見，各個部件的尺寸以及它們之間的間距均部分地顯著放大。相同的部件以及彼此相對應的部件用相同的附圖標記表示。圖1和圖2的示意性視圖描繪了位置換能器的材料部件，它作為所謂的多匝件，既能精細地分辨軸I的各個旋轉，也能計算它們的絕對轉數。在兩種情形下，軸I可以是旋轉本體自身，旋轉位置傳感器旨在監控該旋轉本體，或者軸I可以以其精確地反映其旋轉運動的方式剛性地附接至或者機械地連接至所述旋轉本體。在圖1中，桿狀永磁體2被安裝在軸I的指向上方的前端上，其安裝方式使得永磁體2隨同軸I旋轉,其中旋轉軸線R垂直地穿過永磁體2的北極和南極之間的中部。在永磁體上方,還垂直·于旋轉軸線R延伸一個板材3,其由非磁性材料構造并且在軸I的前端上方的區域中具有貫通開口，由鐵磁性材料制造的平面偏轉本體4插在所述貫通開口中，所述平面偏轉本體4沿旋轉軸線R的方向具有一個厚度，該厚度大于板材3的厚度。替換地，所述開口還可以是盲孔。平面偏轉本體還可以是環形形狀。IC半導體部件5的殼體(未顯示)的上側鄰接所述偏轉本體4的面對軸I前端的平面的平坦側設置。在IC半導體部件5的面朝下表面中形成四個霍爾元件，其中只有兩個霍爾元件6、6在圖1的截面視圖中是可見的，而第三個霍爾元件位于圖平面的后面，第四個霍爾傳感器位于圖平面的前面。如圖所見，通過鐵磁性偏轉本體4使得從永磁體2的北極到南極延伸的一些磁場線偏轉(所述鐵磁性偏轉本體4具有低的磁阻)，其偏轉方式使得所述磁場線以垂直分量穿過四個霍爾元件6，當軸I和永磁體2相對于固定板材3旋轉時，垂直分量的幅度依賴于旋轉角度而改變，從而由四個霍爾元件6發出的信號可以被用于軸I的旋轉角度的高分辨率檢測。在板件3的上表面上，板件3支撐韋根模塊7，韋根模塊7基本上是由在這里水平布置的韋根導線8以及圍繞韋根導線8纏繞的線圈9構成。韋根模塊7以已知的方式用于發出信號脈沖，軸I的旋轉可以通過所述信號脈沖計算。這些信號脈沖另外包含充足的電能以便至少為處理電子裝置的一部分提供電操作能，所述部分對于執行計數操作以及儲存在外部電源失效(例如通過斷開電池)的情況下所獲得的計數值是必要的。所述布置被選擇為使得四個霍爾元件6設置得離永磁體2盡可能地近，從而它們被強磁場穿過，導致高的輸出信號，同時韋根模塊7被設置在永磁體2的顯著弱的遠磁場區域中以便防止韋根導線8的飽和。所述布置的關鍵在于:完全覆蓋四個霍爾元件6的偏轉本體4定位在霍爾元件6與韋根導線8之間，從而由于其高的磁導率的原因，它幾乎使韋根導線8的自身磁場短路，并因此極大地防止四個霍爾元件6免受該磁場的干擾。如果在圖1顯示的配置中，以固定方式布置一種特定類型的偏轉本體4，則由于永磁體2的旋轉，偏轉本體4固定地遭受磁力的逆轉。不可避免地，發生磁滯現象，導致出現信號的中斷，所述信號從用于確定精確角位置的霍爾元件的輸出信號推導出。可以通過將用于偏轉本體4的材料選擇成具有非常低的剩磁和非常低的抗磁力來減少這種中斷，但是仍然限制了利用這種位置換能器可以實現的最大精度。根據本發明，通過使用鐵氧體，通過磁滯噪音忽略了這些中斷，中斷對于測量精度的影響在任何情況下是最小的。如果人們希望完全避免由于偏轉本體4的材料的磁滯現象或磁滯噪音產生的測量信號的這種不利影響，他可以選擇根據圖2的構造，其中偏轉本體4固定地附接至旋轉軸I的前端，從而偏轉本體4與軸I以及與永磁體陣列一起旋轉，所述永磁體陣列通過徑向磁化的永磁體環11形成，所述永磁體環11通過托架14與軸I非旋轉地連接。其磁化方向彼此對準并且垂直于旋轉軸線R延伸，旋轉軸線R延伸通過永磁體環11的內部北極與相同永磁體的相對的內部南極之間的空間的中部。代替永磁體環，也可以使用兩個分離的磁體。這里還設置基板15，基板15距離軸I的前端的軸向距離大于永磁體環11的軸向距離。板材15在其面對軸I的下側上支撐一個由非磁性材料制造的輔助板件16，在所述輔助板件16的下側上設置IC半導體芯片5 (沒有殼體地被顯示)，在所述半導體芯片5的面對軸I以及因此面對偏轉本·體4的表面中形成四個霍爾元件6，其中這里只描繪了兩個霍爾元件。從永磁體環11的中間磁場起的磁場線通過偏轉本體4偏轉，其方式使得所述磁場線大約垂直地穿過所述四個霍爾元件6。雖然要小心對于固定的偏轉本體4，為了獲得小的磁滯誤差，剩磁以及因此4,是小的，但是對于旋轉的偏轉本體，則期望高的μ κ以便盡可能垂直地抽吸掉強磁場并且均質化，以及允許通過軸I進入的不能消除的那些外部干涉磁場垂直地逃脫。這里，如果四個霍爾元件6距離偏轉本體4的軸向距離被保持得盡可能的小，則是特別有利的。這里還設想韋根模塊7，其包括韋根導線8以及圍繞導線8纏繞的線圈9，并且用于計算軸I的旋轉。正如在圖1的示例實施例中，在這種情況下的韋根模塊也定位在永磁體環11的顯著弱的遠磁場中。兩個實施例的基本原理是:從IC上表面上方觀察，四個霍爾兀件6的有效表面均具有近似正方形的覆蓋區，并且共同形成了一個平面，在該平面中，它們位于正方形的四個角部，正方形的邊緣長度包括有效表面的邊緣長度的多倍。在兩種情形下，在四個霍爾元件6的有效表面的平面上，沿旋轉軸線R的方向偏轉本體4的垂直投影比它們形成的正方形的垂直投影更大，并且對稱地且完全地覆蓋它。對于圖1描繪的旋轉編碼器，上述垂直投影可以具有任何對稱的覆蓋區，例如，正方形覆蓋區，但是在圖2的旋轉編碼器的情況下，所述垂直投影是圓形或環形形狀。
權利要求
1.一種用于位置換能器的磁場傳感器，該磁場傳感器具有至少三個霍爾元件(6)，包括用于所述磁場傳感器的輸出信號的處理和控制電子裝置以及永磁體激勵陣列(2 ；11 ；12)，所述永磁體激勵陣列的磁場方向由所述霍爾元件(6)來檢測，這些霍爾元件在具有相互距離的情況下形成并定位在半導體IC (5)上，使得它們的有效表面位于與所述半導體IC(5)的上表面平行的公共平面上，由鐵磁性材料構成的一個單個偏轉本體(4)被布置成使得從所述永磁體陣列(2 ；11 ；12)發射的、在沒有所述偏轉本體(4)的情況下將與所述霍爾元件的有效表面的公共平面平行地延伸的場線接收垂直地穿過這些有效表面的至少一個方向分量，其特征在于， 所述偏轉本體(4)作為與所述半導體IC (5)分離的獨立元件制造和安裝，并且所述半導體IC (5)的表面上的所述霍爾元件的相互距離包括所述霍爾元件(6)自身的最大長度的多倍。
2.根據權利要求1所述的磁場傳感器，其特征在于，所述偏轉本體(4)為板狀，并且以如下方式布置，即:其平面表面中的一個平面表面面向所述半導體IC (5)的承載所述霍爾元件(6)的表面并且與該表面近似平行地延伸。
3.根據權利要求1或2所述的磁場傳感器，其特征在于，所述板狀的偏轉本體(4)布置在所述半導體IC (5)的殼體上。
4.根據權利要求2或3所述的磁場傳感器，其特征在于，所述板狀的偏轉本體(4)的面向所述半導體IC (5)的承載所述霍爾元件(6)的表面的平面表面完全覆蓋所述霍爾元件(6)的有效表面。
5.根據權利要求4所述的磁場傳感器，其特征在于，所述板狀的偏轉本體(4)的面向所述半導體IC (5)的承載所述霍爾元件(6)的表面的表面完全覆蓋所述半導體IC (5)的該表面。
6.根據權利要求2至5中任一項所述的磁場傳感器，其特征在于，所述板狀的偏轉本體(4)插在承載所述磁場傳感器的電子部件的板材(3)中的開口內。
7.根據前述權利要求中任一項所述的磁場傳感器，其特征在于，所述偏轉本體(4)在與所述半導體IC (5)的表面垂直的方向上具有至少0.2mm的厚度。
8.根據前述權利要求中任一項所述的磁場傳感器，其特征在于，所述偏轉本體(4)的材料具有低剩磁。
9.根據前述權利要求中任一項所述的磁場傳感器，其特征在于，所述偏轉本體(4)的材料具有低抗磁力。
10.根據前述權利要求中任一項所述的磁場傳感器，其特征在于，所述偏轉本體的材料由鐵氧體構成。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的磁場傳感器，其特征在于，該磁場傳感器被構造成為用來檢測旋轉軸(I)的角位置的旋轉位置換能器，該旋轉軸(I)承載相對于該旋轉軸的旋轉軸線(R)對稱地安裝并與該旋轉軸一起旋轉的永磁體激勵陣列(2 ;11)。
12.根據權利要求11所述的磁場傳感器，其特征在于，該磁場傳感器還包括用來確定絕對轉數的韋根模塊(7)。
13.根據權利要求12所述的磁場傳感器，其特征在于，所述偏轉本體(4)以相對于所述半導體IC (5)的固定方式布置在所述霍爾元件(6)的有效表面的平面與所述韋根模塊(7)之間，以便將否則將與所述霍爾元件(6)干涉的所述韋根元件自身的磁場短路。
14.根據權利要求12所述的磁場傳感器，其特征在于，所述偏轉本體(4)以與所述旋轉軸(I) 一起旋轉的方式安裝在所述旋轉軸(I)上，其中該偏轉本體(4)在所述半導體IC (5)的承載所述霍爾元件 (6)的表面上的豎直投影具有圓形形狀。
全文摘要
本發明提供一種磁場傳感器。用于位置換能器的磁場傳感器包括用于磁場傳感器的輸出信號的處理和控制電子裝置及永磁體激勵陣列。磁場傳感器具有至少三個霍爾元件，通過它們對永磁體陣列的磁場方向進行配準。霍爾元件形成并布置在半導體IC上，并以使它們的有效表面位于與半導體IC的表面平行的公共平面上的方式間隔開。設置由鐵磁性材料構成的單個偏轉本體，其被布置成使得從永磁體陣列發出的、在沒有偏轉本體的情況下將與霍爾元件的有效表面的公共平面平行地延伸的場線接收垂直穿過這些有效表面的至少一個方向分量。偏轉本體作為與半導體IC分離的獨立部件來制造和安裝，并且半導體IC的表面上的霍爾元件的相互距離包括霍爾元件自身的最大長度的多倍。
文檔編號G01B7/00GK103226000SQ201310032510
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月28日 優先權日2012年1月27日
發明者W·梅納特, T·泰爾 申請人:W·梅納特, T·泰爾
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