专利名称：磁场传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在权利要求1的特征部分指出的类型的磁场传感器。
背景技术：
特别适合作为位置换能器的可能是旋转位置传感器，通过所述旋转位置传感器可以捕获旋转本体的角位置。为此，旋转本体非旋转性地附接至永磁体阵列或者与永磁体激励阵列相联接，所述永磁体激励阵列的磁场使所述本体精确地重复旋转。所述磁场的电流方向由三个霍尔元件检测，所述三个霍尔元件位于相对于被监测本体的旋转的固定位置。至少两个近似周期性的测量信号从霍尔元件的输出信号推导出，使这些测量信号相移以消除这两个信号所固有的不确定性。从EP I 182 461 Al中已知适用于这种目的的磁场传感器，在EP I 182461 Al中，霍尔元件被形成并布置在半导体集成电路中，使得它们的有效表面位于与半导体IC的平面表面之一平行的公共表面内。在很多应用中，将永磁体激励阵列定向成其磁化方向在与霍尔元件的那些有效表面之一平行的平面内移动，这对于结构因素而言是有利的。但是，为了确保它们的有效表面仍然被磁场的垂直分量穿过，至少一个铁磁性材料偏转本体被设想、成形和定位为使得从永磁体激励阵列发射的一部分磁场线以垂直分量穿过所述表面(在没有所述偏转本体的情况下，磁场线将平行于霍尔元 件的有效表面延伸)。从前述公开物已知的磁场传感器存在一些困难，因为对于特定角位置的精确测量，假定从霍尔元件的输出信号推导出的至少两个测量信号尽可能地近似正弦。另外，必须基本消除磁场外部的干扰对测量信号的影响。为此，根据现有技术，将4个霍尔元件于半导体IC上以相反对连接成使得有用的磁场分量叠加在一起，同时互相彼此扣除干扰磁场分量。然而，干扰磁场分量只是在干扰磁场以相同强度和相同方向穿过每对的两个霍尔元件时才是相等因而才相互彼此抵消。从这些理想条件的任何偏离，会保持有影响测量结果的干扰磁场部分，这可能增加霍尔元件的有效表面(或称为作用表面)彼此定位的距离。而且，在所述现有技术中，其中所述的作为场集中器的偏转本体相对于霍尔元件需要尽可能精确和对称地定位，因为需要将正弦/余弦信号作为测量信号。这基本上只能使用与IC制造兼容的技术通过将这种偏转本体直接施加于IC表面来实现。在这种情况下有利的是，适合应用的只有很少铁磁性材料(15 μ m至30 μ m级的厚度的薄层)。然而，这么薄的铁磁本体可能只具有平行于被偏转磁场的方向的小尺寸，因为若非如此它们将很快变得饱和。偏转本体固定施加于集成电路表面(其相对于测量操作过程中的旋转磁场是固定的)还具有的后果是出现恒定的逆磁化。关联的滞后作用导致测量信号误差，据认为通过具有低剩磁场强度的偏转本体使这种误差最小化。然而，即使是磁性玻璃(同样只能制成薄层)，也不能完全消除这些误差。由于所有这些原因，现有技术需要将霍尔元件于半导体IC上彼此尽可能近地定位；这样的结果是它们只能捕获磁场的非常小的区域，从而对磁场的不均质性特别敏感。另夕卜，特别小的布置要求偏转本体的材料具有高的相对导磁率μ κ以生成足够高的集中在霍尔元件上的场强度。然而，对于相当的矫顽场强度，大的μ !^导致大的剩磁。相比而言，本发明的目的是创造一种上述类型的其中所有这些问题都得到解决的磁场传感器
发明内容
为了实现该目的，本发明提供了在权利要求1中概括的特征。根据本发明，所述磁场传感器的两个特征被省略，这两个特征被认为在现有技术中是必不可少的，即:将偏转本体直接定位在IC的表面上，这意味着必须借助于与IC技术兼容的过程来制造偏转本体；以及在该表面上的霍尔元件之间的间隔极其小。这在构造磁场传感器方面产生了一系列有利的自由度。所述偏转本体可以被设计为不仅具有更大的面积，而且明显比现有技术更厚，因而降低了快速饱和的危险。这允许使用更大并因而更强的永磁体，从而使得可以使用相比于现有技术具有明显更低的相对导磁率μκ的材料制造所述偏转本体。通过将与用于制造偏转本体的IC技术兼容的过程的联系切断，可以使用更方便的材料，例如赫斯勒合金、铁氧体或结合有塑料的铁氧体，特别是那些具有低剩磁和低抗磁强度的材料，从而获得低的磁滞误差。铁氧体还具有极其宝贵的优点，即它们的在2 μ m尺寸范围内的研磨微粒是单独的单个范围颗粒，这些颗粒在磁体旋转时通过它们固有的磁性结构仅产生磁滞噪音，这自然明显小于否则出现剩磁中断。这是使用“磁滞噪音”来表示单独颗粒的剩磁中断的统计学表现。本发明的关键方面在于，由于霍尔元件之间具有更大的间隔，所述偏转本体覆盖了更大的表面，因此不仅用作磁场集中器和对称化子，而且在某种意义上还作为磁场积分器，使得所述阵列对磁场不均质性更不敏感。对于最大精度来说，如果期望无磁滞测量，则根据本发明将IC和偏转本体物理分离允许所述偏转本体以这样方式安装，即:其与待被监测的本体一起旋转，因而与永磁体阵列一起旋转。穿过该偏转本体的磁场因而不改变，并且没有逆磁化发生。通过根据本发明的措施降低了偏转本体相对于霍尔元件的定位精度，从而导致可从霍尔元件信号推导出来的测量信号明显更偏离正弦形式和90°的相移值。上述事实其实并不是缺点，这是因为用于获取和处理可从DE 102010 010 560.0 Al收集的霍尔元件信号的方法(该方法理想地与根据本发明的磁场传感器结合使用)仅仅需要半个周期的、其他任意的传感器可重复性来获得高度精确的测量，而不需要追踪几乎完美的准确正弦路径，它们也不需精确地相移90°。相反，使用所述传感器不仅用作地址发生器，而该传感器的存储器在校准运行时装载有借助于高度精确的位置参考标准引导的精确测量值。DE 10 2010010 560.0 Al的技术内容通过参考整体结合于此。
下面参照附图通过示例性实施方式描述本发明，在附图中:图1描绘了旋转位置传感器的示意性剖视图，该旋转位置传感器包括根据本发明的磁场传感器，并且具有固定的偏转本体以捕获轴的角位置；以及图2描绘了与图1类似的旋转位置传感器的剖视图，该旋转位置传感器的磁场传感器具有与轴一起旋转的偏转本体。
具体实施例方式在此明确地指出，图1和图2两个图都不是按规定比例绘制的，为清楚起见，各个部件的尺寸以及它们之间的间距均部分地显著放大。相同的部件以及彼此相对应的部件用相同的附图标记表示。图1和图2的示意性视图描绘了位置换能器的材料部件，它作为所谓的多匝件，既能精细地分辨轴I的各个旋转，也能计算它们的绝对转数。在两种情形下，轴I可以是旋转本体自身，旋转位置传感器旨在监控该旋转本体，或者轴I可以以其精确地反映其旋转运动的方式刚性地附接至或者机械地连接至所述旋转本体。在图1中，杆状永磁体2被安装在轴I的指向上方的前端上，其安装方式使得永磁体2随同轴I旋转,其中旋转轴线R垂直地穿过永磁体2的北极和南极之间的中部。在永磁体上方,还垂直·于旋转轴线R延伸一个板材3,其由非磁性材料构造并且在轴I的前端上方的区域中具有贯通开口，由铁磁性材料制造的平面偏转本体4插在所述贯通开口中，所述平面偏转本体4沿旋转轴线R的方向具有一个厚度，该厚度大于板材3的厚度。替换地，所述开口还可以是盲孔。平面偏转本体还可以是环形形状。IC半导体部件5的壳体(未显示)的上侧邻接所述偏转本体4的面对轴I前端的平面的平坦侧设置。在IC半导体部件5的面朝下表面中形成四个霍尔元件，其中只有两个霍尔元件6、6在图1的截面视图中是可见的，而第三个霍尔元件位于图平面的后面，第四个霍尔传感器位于图平面的前面。如图所见，通过铁磁性偏转本体4使得从永磁体2的北极到南极延伸的一些磁场线偏转(所述铁磁性偏转本体4具有低的磁阻)，其偏转方式使得所述磁场线以垂直分量穿过四个霍尔元件6，当轴I和永磁体2相对于固定板材3旋转时，垂直分量的幅度依赖于旋转角度而改变，从而由四个霍尔元件6发出的信号可以被用于轴I的旋转角度的高分辨率检测。在板件3的上表面上，板件3支撑韦根模块7，韦根模块7基本上是由在这里水平布置的韦根导线8以及围绕韦根导线8缠绕的线圈9构成。韦根模块7以已知的方式用于发出信号脉冲，轴I的旋转可以通过所述信号脉冲计算。这些信号脉冲另外包含充足的电能以便至少为处理电子装置的一部分提供电操作能，所述部分对于执行计数操作以及储存在外部电源失效(例如通过断开电池)的情况下所获得的计数值是必要的。所述布置被选择为使得四个霍尔元件6设置得离永磁体2尽可能地近，从而它们被强磁场穿过，导致高的输出信号，同时韦根模块7被设置在永磁体2的显著弱的远磁场区域中以便防止韦根导线8的饱和。所述布置的关键在于:完全覆盖四个霍尔元件6的偏转本体4定位在霍尔元件6与韦根导线8之间，从而由于其高的磁导率的原因，它几乎使韦根导线8的自身磁场短路，并因此极大地防止四个霍尔元件6免受该磁场的干扰。如果在图1显示的配置中，以固定方式布置一种特定类型的偏转本体4，则由于永磁体2的旋转，偏转本体4固定地遭受磁力的逆转。不可避免地，发生磁滞现象，导致出现信号的中断，所述信号从用于确定精确角位置的霍尔元件的输出信号推导出。可以通过将用于偏转本体4的材料选择成具有非常低的剩磁和非常低的抗磁力来减少这种中断，但是仍然限制了利用这种位置换能器可以实现的最大精度。根据本发明，通过使用铁氧体，通过磁滞噪音忽略了这些中断，中断对于测量精度的影响在任何情况下是最小的。如果人们希望完全避免由于偏转本体4的材料的磁滞现象或磁滞噪音产生的测量信号的这种不利影响，他可以选择根据图2的构造，其中偏转本体4固定地附接至旋转轴I的前端，从而偏转本体4与轴I以及与永磁体阵列一起旋转，所述永磁体阵列通过径向磁化的永磁体环11形成，所述永磁体环11通过托架14与轴I非旋转地连接。其磁化方向彼此对准并且垂直于旋转轴线R延伸，旋转轴线R延伸通过永磁体环11的内部北极与相同永磁体的相对的内部南极之间的空间的中部。代替永磁体环，也可以使用两个分离的磁体。这里还设置基板15，基板15距离轴I的前端的轴向距离大于永磁体环11的轴向距离。板材15在其面对轴I的下侧上支撑一个由非磁性材料制造的辅助板件16，在所述辅助板件16的下侧上设置IC半导体芯片5 (没有壳体地被显示)，在所述半导体芯片5的面对轴I以及因此面对偏转本·体4的表面中形成四个霍尔元件6，其中这里只描绘了两个霍尔元件。从永磁体环11的中间磁场起的磁场线通过偏转本体4偏转，其方式使得所述磁场线大约垂直地穿过所述四个霍尔元件6。虽然要小心对于固定的偏转本体4，为了获得小的磁滞误差，剩磁以及因此4,是小的，但是对于旋转的偏转本体，则期望高的μ κ以便尽可能垂直地抽吸掉强磁场并且均质化，以及允许通过轴I进入的不能消除的那些外部干涉磁场垂直地逃脱。这里，如果四个霍尔元件6距离偏转本体4的轴向距离被保持得尽可能的小，则是特别有利的。这里还设想韦根模块7，其包括韦根导线8以及围绕导线8缠绕的线圈9，并且用于计算轴I的旋转。正如在图1的示例实施例中，在这种情况下的韦根模块也定位在永磁体环11的显著弱的远磁场中。两个实施例的基本原理是:从IC上表面上方观察，四个霍尔兀件6的有效表面均具有近似正方形的覆盖区，并且共同形成了一个平面，在该平面中，它们位于正方形的四个角部，正方形的边缘长度包括有效表面的边缘长度的多倍。在两种情形下，在四个霍尔元件6的有效表面的平面上，沿旋转轴线R的方向偏转本体4的垂直投影比它们形成的正方形的垂直投影更大，并且对称地且完全地覆盖它。对于图1描绘的旋转编码器，上述垂直投影可以具有任何对称的覆盖区，例如，正方形覆盖区，但是在图2的旋转编码器的情况下，所述垂直投影是圆形或环形形状。
权利要求
1.一种用于位置换能器的磁场传感器，该磁场传感器具有至少三个霍尔元件(6)，包括用于所述磁场传感器的输出信号的处理和控制电子装置以及永磁体激励阵列(2 ；11 ；12)，所述永磁体激励阵列的磁场方向由所述霍尔元件(6)来检测，这些霍尔元件在具有相互距离的情况下形成并定位在半导体IC (5)上，使得它们的有效表面位于与所述半导体IC(5)的上表面平行的公共平面上，由铁磁性材料构成的一个单个偏转本体(4)被布置成使得从所述永磁体阵列(2 ；11 ；12)发射的、在没有所述偏转本体(4)的情况下将与所述霍尔元件的有效表面的公共平面平行地延伸的场线接收垂直地穿过这些有效表面的至少一个方向分量，其特征在于， 所述偏转本体(4)作为与所述半导体IC (5)分离的独立元件制造和安装，并且所述半导体IC (5)的表面上的所述霍尔元件的相互距离包括所述霍尔元件(6)自身的最大长度的多倍。
2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述偏转本体(4)为板状，并且以如下方式布置，即:其平面表面中的一个平面表面面向所述半导体IC (5)的承载所述霍尔元件(6)的表面并且与该表面近似平行地延伸。
3.根据权利要求1或2所述的磁场传感器，其特征在于，所述板状的偏转本体(4)布置在所述半导体IC (5)的壳体上。
4.根据权利要求2或3所述的磁场传感器，其特征在于，所述板状的偏转本体(4)的面向所述半导体IC (5)的承载所述霍尔元件(6)的表面的平面表面完全覆盖所述霍尔元件(6)的有效表面。
5.根据权利要求4所述的磁场传感器，其特征在于，所述板状的偏转本体(4)的面向所述半导体IC (5)的承载所述霍尔元件(6)的表面的表面完全覆盖所述半导体IC (5)的该表面。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的磁场传感器，其特征在于，所述板状的偏转本体(4)插在承载所述磁场传感器的电子部件的板材(3)中的开口内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器，其特征在于，所述偏转本体(4)在与所述半导体IC (5)的表面垂直的方向上具有至少0.2mm的厚度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器，其特征在于，所述偏转本体(4)的材料具有低剩磁。
9.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器，其特征在于，所述偏转本体(4)的材料具有低抗磁力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器，其特征在于，所述偏转本体的材料由铁氧体构成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的磁场传感器，其特征在于，该磁场传感器被构造成为用来检测旋转轴(I)的角位置的旋转位置换能器，该旋转轴(I)承载相对于该旋转轴的旋转轴线(R)对称地安装并与该旋转轴一起旋转的永磁体激励阵列(2 ;11)。
12.根据权利要求11所述的磁场传感器，其特征在于，该磁场传感器还包括用来确定绝对转数的韦根模块(7)。
13.根据权利要求12所述的磁场传感器，其特征在于，所述偏转本体(4)以相对于所述半导体IC (5)的固定方式布置在所述霍尔元件(6)的有效表面的平面与所述韦根模块(7)之间，以便将否则将与所述霍尔元件(6)干涉的所述韦根元件自身的磁场短路。
14.根据权利要求12所述的磁场传感器，其特征在于，所述偏转本体(4)以与所述旋转轴(I) 一起旋转的方式安装在所述旋转轴(I)上，其中该偏转本体(4)在所述半导体IC (5)的承载所述霍尔元件 (6)的表面上的竖直投影具有圆形形状。
全文摘要
本发明提供一种磁场传感器。用于位置换能器的磁场传感器包括用于磁场传感器的输出信号的处理和控制电子装置及永磁体激励阵列。磁场传感器具有至少三个霍尔元件，通过它们对永磁体阵列的磁场方向进行配准。霍尔元件形成并布置在半导体IC上，并以使它们的有效表面位于与半导体IC的表面平行的公共平面上的方式间隔开。设置由铁磁性材料构成的单个偏转本体，其被布置成使得从永磁体阵列发出的、在没有偏转本体的情况下将与霍尔元件的有效表面的公共平面平行地延伸的场线接收垂直穿过这些有效表面的至少一个方向分量。偏转本体作为与半导体IC分离的独立部件来制造和安装，并且半导体IC的表面上的霍尔元件的相互距离包括霍尔元件自身的最大长度的多倍。
文档编号G01B7/00GK103226000SQ201310032510
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月28日 优先权日2012年1月27日
发明者W·梅纳特, T·泰尔 申请人:W·梅纳特, T·泰尔