公开/公告号CN112414296A
专利类型发明专利
公开/公告日2021-02-26
原文格式PDF
申请/专利权人 TDK-迈克纳斯有限责任公司;
申请/专利号CN202010841063.5
发明设计人 Y·邦达尔;M·C·迈尔;H·C·P·迪特曼;
申请日2020-08-20
分类号G01B7/30(20060101);G01D5/14(20060101);
代理机构72002 永新专利商标代理有限公司;
代理人郭毅
地址 德国弗赖堡
入库时间 2023-06-19 10:02:03
技术领域
本发明涉及一种集成在用于确定旋转角度的测量系统中的旋转角确定传感器单元。
背景技术
尤其从机动车领域的应用中已知集成的旋转角确定传感器单元。在此，借助磁场传感器例如从磁通量的测量中确定轴的位置。
发明内容
在这种背景下，本发明的任务在于说明一种集成在用于旋转角确定的测量系统中的旋转角确定传感器单元，该旋转角确定传感器单元对现有技术做出扩展，并且尤其提供一种特别故障安全的、简单的且成本有利的替代方案。
该任务通过根据本发明的集成在用于旋转角确定的测量系统中的旋转角确定传感器单元来解决。本发明的有利构型是从属权利要求的主题。
在本发明的主题中，提供集成在用于确定旋转角度的测量系统中的旋转角确定传感器单元。除了集成的旋转角确定传感器单元外，测量系统还包括可绕旋转轴线旋转的轴，其中，在该轴上布置有发生器(Geber)。
通常，发生器实施为永磁体，并且优选布置在轴的端侧上。
旋转角确定传感器单元具有半导体层，该半导体层具有能够垂直于旋转轴线布置的上侧并且具有下侧。
在半导体层中构造有单片构造的第一霍尔传感器系统和单片构造的第二霍尔传感器系统。
每个霍尔传感器系统分别具有至少一个第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和第三霍尔传感器。
第一霍尔传感器系统的三个霍尔传感器布置在第一圆上，该第一圆平行于半导体层的上侧延伸并且围绕旋转轴线同中心地布置。
第二霍尔传感器系统的三个霍尔传感器布置在第二圆上，该第二圆平行于半导体层的上侧并且围绕旋转轴线同中心地布置。
应注意，将第一霍尔传感器系统实施为对于第二霍尔传感器系统冗余。此外应注意，第二圆与第一圆同中心地布置。操控和分析处理单元优选布置在半导体层内。旋转角确定传感器单元的所有传感器优选与操控和分析处理单元保持电有效连接。
操控和分析处理单元优选包括单片集成的处理器单元。半导体层优选构造成硅半导体晶片。
可以理解，集成的旋转角确定传感器单元的概念包括单片地集成在半导体层中的至少一个霍尔传感器系统以及单片地集成在相同的半导体层中的操控和分析处理单元。如果设置其他构件(尤其是用于测量机械应力的传感器和/或其他类型的磁场传感器)作为旋转角确定传感器单元的一部分，则将其他构件布置在公共的IC壳体内。
由于在两个传感器系统中三个霍尔传感器沿着相应的圆线间隔开地构造，在旋转角确定时实现高的分辨率。此外，能够借助差分考虑(differentiellen Betrachtung)来尤其补偿静态干扰场，例如地球磁场。
尤其在安全相关领域的应用中(例如在确定机动车中的方向盘的旋转角时)强制地规定冗余的实施方案。
另一优点在于，霍尔传感器系统中的每个以相同的方式确定以下磁场的相同的分量：该磁场借助发生器产生。
可以理解，旋转轴的假想的延伸穿过第一圆的圆中心点。
第一圆的圆中心点优选与第二圆的圆中心点重合。在一种实施方式中，相比于第一圆，第二圆具有更大的半径或更大的直径。在另一实施方式中，第二圆包围第一圆。
在一种扩展方案中，第一圆和第二圆具有相同的直径。换句话说，第一霍尔传感器系统的霍尔传感器和第二霍尔传感器系统的霍尔传感器构造在同一圆上。在此，第一霍尔传感器系统的霍尔传感器相对于第二霍尔传感器系统的相应的霍尔传感器扭转地(verdreht)或偏移地沿圆线布置。可以理解，选择较小的扭转尺寸。
在另一扩展方案中，旋转角度测量传感器单元具有构造在半导体层的上侧上的磁阻传感器单元，该磁阻传感器单元具有第一磁阻传感器和第二磁阻传感器。
磁阻传感器优选构造成TMR或GMR或AMR传感器。可以理解，磁阻传感器分别具有四个子传感器元件，所述四个子传感器元件优选以惠斯通电桥的形式布置。在此，磁阻传感器布置在借助介电层所钝化的表面上，并且借助印制电导线与构造在硅晶片中的操控和分析处理单元接通。
在另一实施方式中，磁阻传感器彼此并排地、或彼此上下地、或彼此嵌套(ineinander)地布置。磁阻传感器单元优选在垂直于半导体层的上侧的投影中布置在第一圆内。传感器优选具有对称点。对称点优选位于圆中心点。
在一种实施方式中，相对于两个圆的共同的中心点，两个霍尔传感器系统的第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和第三霍尔传感器分别围成相同的偏移角。
优选地，与第二霍尔传感器系统的霍尔传感器相比，第一霍尔传感器系统的霍尔传感器的扭转角或偏移角小20°或小10°。
在一种扩展方案中，两个霍尔传感器系统的三个霍尔传感器彼此分别围成120°的角度，也就是说，霍尔传感器沿着圆线均匀地分布。
在另一扩展方案中，每个霍尔传感器系统的第一霍尔传感器与同一霍尔传感器系统的第二霍尔传感器围成90°的角度，并且与同一霍尔传感器系统的第三霍尔传感器围成180°的角度。
在一种实施方式中，每个霍尔传感器构造成具有至少四个连接部的霍尔板(Hallplatte)。
在另一实施方式中，两个霍尔传感器系统分别具有第四霍尔传感器，或分别具有第四霍尔传感器和第五霍尔传感器，或分别具有第四霍尔传感器、第五霍尔传感器和第六霍尔传感器。
一个优点在于，借助构造多于三个霍尔传感器能够提高角度分辨率。在一种扩展方案中，每个霍尔传感器系统具有最多七个霍尔传感器。
在一种扩展方案中，每个霍尔传感器具有第一主延伸面，其中，该第一主延伸面平行于半导体层的上侧构造。在此，第一主延伸面具有比相应的霍尔传感器的其他面大得多的面积。可以理解，对于每个霍尔传感器，平行于第一主延伸面地构造与第一主延伸面相对置的第二主延伸面。
优选地，借助磁场传感器，即借助霍尔传感器系统的霍尔传感器和必要时所构造的其他类型的磁场传感器来测量磁场的至少一个z分量。
在此，在本发明中将z分量理解为垂直分量，即——垂直于半导体层的上侧或垂直于相应的霍尔传感器的两个主延伸面的分量。
在另一扩展方案中，第一霍尔传感器系统和第二霍尔传感器系统具有相同数量的霍尔传感器。
附图说明
所示出的实施方式是极其示意性的，即——距离、横向和垂直延伸不是成比例的，并且除非另有说明，否则彼此不具有任何可推导的几何关系。其中示出：
图1示出根据本发明的旋转角度测量传感器单元的第一实施方式的图示；
图2示出根据本发明的旋转角度测量传感器单元的第二实施方式的图示；
图3示出图1中的旋转角度测量传感器单元的截面图，该旋转角度测量传感器单元具有集成在表面中的霍尔传感器；
图4示出具有与在图3中示出的实施方式相对应的霍尔传感器和磁阻传感器的实施方式的截面图。
具体实施方式
图1的图像示出根据本发明的集成的旋转角度测量传感器单元10的第一实施方式的图示。
旋转角确定传感器单元10是未更详细示出的用于确定轴的旋转角度的测量系统的一部分。除了可绕旋转轴线15旋转的轴之外，测量系统还包括布置在轴上的发生器。通常，发生器实施成永磁体，并且优选布置在轴的端侧上。
旋转角确定传感器单元10优选具有半导体层20，该半导体层包括硅或由硅组成。半导体层20具有垂直于旋转轴线15构造的上侧30并且具有下侧40。
半导体层20优选构造成硅晶片。在半导体层20中构造未示出的操控和分析处理电路。
在半导体层20中构造单片构造的第一霍尔传感器系统50和单片构造的第二霍尔传感器系统60。操控和分析处理电路与两个霍尔传感器系统50和60电接通。
每个霍尔传感器系统50和60分别具有至少一个第一霍尔传感器52或62、第二霍尔传感器54或64，和第三霍尔传感器56或66。
第一霍尔传感器系统50的三个霍尔传感器52、54和56布置在第一圆70上，该第一圆平行于半导体层20的上侧30延伸并且围绕旋转轴线15同中心地布置。
第二霍尔传感器系统60的三个霍尔传感器62、64和66布置在第二圆80上，该第二圆平行于半导体层20的上侧30并且围绕旋转轴线15同中心地布置。第二圆80与第一圆70同中心地布置。
将第一霍尔传感器系统50实施为对于第二霍尔传感器系统60冗余，并且优选沿着借助发生器产生的磁场的旋转轴线15测量。
操控和分析处理单元优选地布置在第一圆70内。
在两个霍尔传感器系统50和60中，三个霍尔传感器52、62、54、64、56和66分别沿着相应的圆线70和80间隔开地构造。
优选地，两个霍尔传感器系统50和60的三个霍尔传感器52、62、54、64、56和66彼此分别围成120°的角度。
两个霍尔传感器系统50和60的第一霍尔传感器52、62，第二霍尔传感器54、64和第三霍尔传感器56和66分别相对于公共的中心点(即两个圆70和80的旋转轴线15)围成相同的偏移角VW。
霍尔传感器52、62、54、64、56和66优选分别构造成为具有至少四个连接部的霍尔板。
图2的图像示出根据本发明的旋转角度测量传感器单元10的第二实施方式的图示。以下仅阐述与结合图1的图像的实施方式的不同之处。
现在，第二圆80与第一圆70具有相同的直径。
每个霍尔传感器系统50、60的第一霍尔传感器52、62与同一霍尔传感器系统50、60的第二霍尔传感器54、64围成90°的角度，并且与同一霍尔传感器系统的第三霍尔传感器56、66围成180°的角度。
旋转角测量传感器单元10具有构造在半导体层20的上侧上的磁阻传感器单元100，该磁阻传感器单元具有至少两个磁阻传感器110和120。
磁阻传感器110和120彼此并排地布置，并且在垂直于半导体层20的上侧30的投影中布置在第一圆70内。
在一种未示出的实施方式中，磁阻传感器110和120彼此上下地或彼此嵌套地布置。
图3的图像示出根据本发明的旋转角度测量传感器单元10的第一实施方式的截面图。以下仅阐述与结合图1的图像的实施方式的不同之处。
各个第一霍尔传感器52、62和各个第三霍尔传感器56、66单片地集成在半导体层20中，并且同中心地绕着旋转轴线15布置。
图4的图像示出根据本发明的旋转角度测量传感器单元10的第一实施方式的截面图。以下仅阐述与结合图2的图像的实施方式的不同之处。
磁阻传感器单元100布置在半导体层20的上侧30上，其中，旋转轴线15中心地穿过磁阻传感器单元100。
机译： 用于确定旋转角度的测量系统中的集成旋转角度确定传感器单元
机译： 用于确定杠杆系统与杠杆系统支架之间的旋转角度的旋转角度传感器，具有用于检测连接单元或目标相对于传感器壳体和/或传感器单元的位置的传感器单元
机译： 用于旋转角度测量系统的传感器单元和具有这种传感器单元的旋转角度测量系统
