DE102015101635A1

DE102015101635A1 - Axialer und senkrechter Winkelsensor in einem Gehäuse

Info

Publication number: DE102015101635A1
Application number: DE102015101635.4A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2015-08-06
Also published as: CN104833305A; US9470552B2; US20150219472A1; US20160327408A1; US9625276B2; CN104833305B

Abstract

Ausführungsformen beziehen sich auf Magnetfeldwinkelsensoren, die axiale und senkrechte Sensoren gemeinsam verwenden, um einen Drehwinkel abzuleiten. Bei manchen Ausführungsformen umfasst ein Sensorsystem mindestens eine axiale Sensoreinheit und mindestens eine senkrechte Sensoreinheit, die in einem einzelnen Sensorgehäuse oder auf einem einzelnen Substrat angeordnet sind. Die axialen und senkrechten Sensordaten, die beide repräsentativ für die Drehposition sind, können zu einer erheblichen Verbesserung Ausgabewinkelgenauigkeit durch z.B. Kalibrieren des Sensorsystems werdet werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetfeldsensoren und insbesondere auf Magnetfeldsensoren, die sowohl axiale als auch senkrechte Winkelsensoren in einem einzigen Gehäuse umfassen.
HINTERGRUND
Magnetfeldsensoren können verwendet werden, um einen Drehwinkel einer Welle zu erfassen. Beispielsweise kann ein Magnet an der Welle angebracht sein, so dass er sich mit der Welle dreht, und ein Magnetfeldsensor kann neben dem Magneten angeordnet sein, um das Magnetfeld zu erfassen, das durch den Magneten verursacht wird, wenn er sich mit der Welle dreht. Wenn der Magnetfeldsensor neben oder angrenzend an der Welle, d.h. weg von der Drehachse der Welle, angebracht ist, wird der Sensor oft als "off-axis“-Magnetfeldwinkelsensor, d.h. außeraxialer Magnetfeldwinkelsensor bezeichnet. Außeraxiale Magnetfeldwinkelsensoren werden oft implementiert, wenn das Ende der Welle als eine Position des Sensors nicht zur Verfügung steht, oder einfach nicht genug Platz auf der Welle zur Verfügung steht. Ein "on-axis" Magnetfeldsensor ist ein Sensor, bei dem der Sensor auf oder nahe an dem Ende der Welle angebracht ist, d.h. im Allgemeinen in einer Linie mit oder auf der Rotationsachse angebracht ist. Ein "on-axis"-Sensor kann auch als auf der Achse liegender Sensor bezeichnet werden. Beispiele für außeraxiale und auf der Achse liegende Sensoren sind senkrechte Winkelsensoren und axiale Winkelsensoren.
Axiale Winkelsensoren sind Magnetfeldsensoren, die die axiale Magnetfeldkomponente verwenden, um den Drehwinkel abzuleiten. Die Sensoren arbeiten optimal mit Feldern, die linear in zwei Komponenten variieren, und die in einer außeraxialen Konfiguration angeordnet werden müssen, weil die axiale Magnetfeldkomponente für viele der üblichen Magnete, wie beispielsweise diametral magnetisierte rotationsförmige Magnete, nicht auf der Drehachse detektiert werden kann. Ein zusätzliches Merkmal der axialen Winkelsensoren ist, dass die Sensoren robust gegen äußere magnetische Störungen sind. Auf der anderen Seite arbeiten senkrechte Winkelsensoren optimal mit homogenen Magnetfeldern und nutzen radiale und azimutale Magnetfeldkomponenten, um einen Drehwinkel abzuleiten. Die senkrechten Winkelsensoren können so hergestellt werden, dass sie robust gegen Montagetoleranzen sind und in einer auf der Achse liegenden Konfiguration angeordnet sein können. Bei vielen Anwendungen gibt es eine allgemeine Bevorzugung von Magnetfeldwinkelsensoren, die unabhängig davon, ob sie außerhalb der Achse liegend oder auf der Achse liegend oder axial oder senkrecht sind, preiswert sind, während sie auch robust bezüglich äußeren Magnetfeldern und anderen Störungen sind. Ein Nachteil von einigen senkrechten Winkelsensoren besteht dann darin, dass sie nicht robust gegen äußere Magnetfelder und andere Störungen sind. Während axiale Sensoren robuster gegenüber diesen Störungen sind, sind axiale Sensoren empfindlicher bezüglich Montagetoleranzfehlern. Andere Nachteile bezüglich herkömmlicher Ansätze schließen die Unfähigkeit ein, einen robusten Sensor bereitzustellen, der Winkel über einen vollen 360-Grad-Bereich detektiert. Somit gibt es im Allgemeinen zahlreiche Nachteile, die herkömmlichen Magnetfeldwinkelsensoren zugeordnet sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein Magnetfeldsensorsystem bereitzustellen, das möglichst robust gegenüber Störungen und/oder gegenüber Montagetoleranzfehlern ist und zudem Winkel möglichst über in annähernd vollen 360-Grad-Bereich detektieren kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Es werden ein Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 16 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Ausführungsformen beziehen sich auf Magnetfeldsensoren, wie beispielsweise Magnetfeldsensoren, die sowohl axiale als auch senkrechte Winkelsensoren in einem einzigen Gehäuse umfassen.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Magnetfeldsensorsystem eine Stützstruktur; einen ersten Sensor, der auf der Stützstruktur relativ zu einer Drehachse einer Magnetfeldquelle angeordnet ist, und eine erste Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die eingerichtet sind, Magnetfeldkomponenten entlang einer ersten Richtung zu erfassen und einen ersten Drehwinkel eindeutig in einem Bereich von mindestens 90 Grad abzuleiten (d.h. zu erhalten oder zu bestimmen); und einen zweiten Sensor, der auf der Stützstruktur relativ zu der Drehachse angeordnet ist und eine zweite Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die angeordnet sind, um Magnetfeldkomponenten entlang einer zweiten Richtung zu erfassen, die unterschiedlich zu der ersten Richtung ist, und einen zweiten Drehwinkel eindeutig in einem Bereich von mindestens 70 Grad abzuleiten, wobei nur entweder die erste Richtung oder die zweite Richtung senkrecht zu der Drehachse ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren ein Bereitstellen eines Sensorsystems mit einem ersten Sensor und einem zweiten Sensor, die mit einer Stützstruktur verbunden sind; ein Erfassen von Magnetfeldkomponenten entlang einer ersten Richtung durch den ersten Sensor, um einen ersten Drehwinkel eindeutig in einem Bereich von mindestens 90 Grad abzuleiten; ein Erfassen von Magnetfeldkomponenten entlang einer zweiten Richtung, die unterschiedlich von der ersten Richtung ist, durch den zweiten Sensor, um einen zweiten Drehwinkel eindeutig in einem Bereich von mindestens 70 Grad abzuleiten; und Kalibrieren des Sensorsystems unter Benutzung mindestens entweder des ersten Drehwinkels oder des zweiten Drehwinkels.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann vollständiger unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Magnetfeldwinkelsensors gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorgehäuses gemäß einer Ausführungsform.
3 zeigt eine Sicht von oben auf ein Sensorgehäuse, das auf einem Substrat (z.B. um ein Substrat) gemäß einer Ausführungsform angeordnet ist.
4 zeigt eine Sicht von oben auf ein Sensorgehäuse, das auf einem Substrat gemäß einer Ausführungsform angeordnet ist.
5 zeigt eine Draufsicht auf ein Sensorgehäuse, das auf einem Substrat gemäß einer Ausführungsform angeordnet ist.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
7A zeigt eine Schnittansicht von oben eines Sensorsystemgehäuses nach einer Ausführungsform.
7B zeigt eine Schnittansicht von der Seite eines Sensorsystemgehäuses nach einer Ausführungsform.
Während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen zugänglich ist, werden Besonderheiten davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden im Detail beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass nicht die Absicht besteht, die Erfindung auf die bestimmten beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Es ist im Gegenteil die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, im Umfang der Erfindung enthalten sind, abzudecken.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen beziehen sich auf Magnetfeldwinkelsensorsysteme, die axiale und senkrechte Sensoren gemeinsam verwenden, um einen Drehwinkel abzuleiten (d.h. zu bestimmen oder zu erfassen). Bei manchen Ausführungsformen umfasst ein Sensorsystem mindestens einen axialen Sensor und mindestens einen senkrechten Sensor, die in einem einzigen Sensorgehäuse oder auf einem einzigen Substrat angeordnet sind. Die axialen und senkrechten Sensordaten, die beide repräsentativ für die Drehposition sind, können dazu benutzt werden, eine Ausgabewinkelgenauigkeit durch beispielsweise Kalibrieren des Sensorsystems zu verbessern. Zum Beispiel kann bei einer Ausführungsform der senkrechte Sensor eine erste Abschätzung oder Annäherung der Drehlage bereitstellen, und der axiale Sensor kann eine zweite Abschätzung oder eine Annäherung der Drehlage bereitstellen, und das Sensorsystem oder eine damit verbundene Schaltung kann die ersten und zweiten Abschätzungen kombinieren.
Die Begriffe "senkrechte Winkelsensoren" und "axiale Winkelsensoren" werden in Ausserlechner, "A Theory of Magnetic Angle Sensors with Hall Plates and Without Fluxguides" Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 49, 77–106, 2013, erläutert und werden hier in dem dortigen Sinn verwendet, sofern nichts anderes angegeben ist.
Bezug nehmend auf 1 ist ein Beispiel eines Sensorsystems 100 dargestellt. Das Sensorsystem 100 umfasst einen Magneten 102, der auf einer Welle 104 montiert oder anderweitig befestigt ist, so dass der Magnet 102 mit der Welle 104 rotiert. Ein Sensorgehäuse 105 umfasst ein Substrat 106 und ist in der Nähe des Magneten 102 und in der Nähe der Welle 104 angeordnet. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 106 ein Substrat, einen Halbleiterchip, einen Anschlussrahmen, der mit einem oder mehreren Halbleiterchips verbunden ist, einen Steckkartenträger, eine Kombination davon, oder eine andere Stützstruktur umfassen, die in der Lage ist, eine genaue oder relative Platzierung der Sensoren 110 und 111 in Bezug zueinander und/oder zu mindestens einer anderen Komponente einzurichten und/oder aufrecht zu erhalten. Beispielsweise und der Einfachheit halber wird hier der Begriff "Substrat" im Allgemeinen durchgängig verwendet, ist jedoch im Bezug auf alle Ausführungsformen und/oder den Umfang der Ansprüche nicht einschränkend. In dem Sensorsystem 100 ist das Sensorgehäuse 105 koaxial mit der Welle 104 angeordnet, wobei das Substrat 106 senkrecht dazu orientiert ist. Eine Hauptebene des Substrats 106, d.h. die xy-planare Oberfläche, die in der Ausrichtung von 1 nach oben gerichtet ist, ist senkrecht zu der Drehachse der Welle 104, wie dargestellt, angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat 106 mit der xy-planaren Oberfläche nach unten von dem Magneten 102 weg gerichtet angeordnet sein.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst das Sensorgehäuse 105 mindestens zwei axiale Sensoren 110 und mindestens zwei senkrechte Sensoren 111, die auf dem Substrat 106 angeordnet sind. Bei Bezugnahme auf den Sensor 110 bezieht sich "axial" im Allgemeinen auf einen Sensor, der zwei oder mehrere Magnetsensorelemente umfasst, die auf axiale Magnetfeldkomponenten ansprechen, und die Drehposition des Magneten 102 durch Kombination der Ausgangssignale der zwei oder mehr Magnetsensorelemente ableitet. Zusätzlich dazu bezieht sich, bei Bezugnahme auf den Sensor 111, "senkrecht" allgemein auf einen Sensor, der zwei oder mehrere Magnetsensorelemente umfasst, die auf Magnetfeldkomponenten, die senkrecht zu der Drehachse sind, ansprechen. Während der eine oder der andere Sensor 110 oder 111 in den hier angegeben Beispielen als axial oder senkrecht identifiziert werden kann, können diese Bezeichnungen untereinander umgekehrt werden oder können eine andere Konfigurationen in anderen Ausführungsformen haben. Zusätzlich ist die Darstellung des Sensorsystems 100 in 1 nur ein vereinfachtes Diagramm von Basiskomponenten, die nicht maßstabsgerecht sind und deren Platzierung und deren relative Anordnung bei anderen Ausführungsformen variieren kann und variieren wird. Die relative Position des Substrats 106 und des Magneten 102 kann bei manchen Ausführungsformen variieren, ebenso kann die relative Anordnung und Ausrichtung des axialen Sensors 110 und des senkrechten Sensors 111 variieren, wobei 1 beispielhaft für eine Ausführungsform ist. Zum Beispiel können bei anderen Ausführungsformen die Sensoren 110 und 111 des Sensorgehäuses 105 getrennt auf zwei Substraten angeordnet sein, nahe aneinander (beispielsweise konzentrisch, benachbart oder in einer anderen Anordnung) auf einem einzelnen Chip angeordnet sein, in einer Chip-an-Chip Konfiguration angeordnet sein, oder nebeneinander auf beiden Seiten eines Anschlussrahmens (sog. „lead frame“) angeordnet sein. Außerdem ist 1 nicht maßstabsgerecht und ist eine vereinfachte konzeptionelle Darstellung, um die Grundkomponenten und Merkmale einer Ausführungsform des Sensorsystems 100 zu illustrieren. Andere Ausführungsformen werden hier an anderer Stelle diskutiert.
Der Magnet 102 hat eine diametrale Magnetisierung in der in 1 angegebenen Richtung, und erzeugt ein Magnetfeld senkrecht zur Drehachse der Welle 104 und des Magneten 102. Bei anderen Ausführungsformen kann der Magnet 102 eine zusätzliche oder alleinige axiale Magnetisierung aufweisen oder eine andere Art eines Magneten umfassen. Der axiale Sensor 110 ist empfindlich auf Magnetfeldkomponenten, die senkrecht zur xy-planaren Oberfläche des Substrats 106 (d.h. axial bezüglich der Drehachse) liegen. Der senkrechte Sensor 111 ist empfindlich auf Magnetfeldkomponenten, die parallel zur xy-planaren Oberfläche des Substrats 106 (d.h. senkrecht bezüglich der Drehachse) liegen.
Bei manchen Ausführungsformen kann der axiale Sensor 110 und der senkrechte Sensor 111 jeweils mindestens zwei Sensorelemente aufweisen, die eingerichtet sind, die entsprechenden Magnetfeldkomponenten zu erfassen, die jeder Sensor detektieren soll. Beispielsweise kann der axiale Sensor 110 mindestens zwei Sensorelemente umfassen, wie etwa ein Halleffekt Sensorelement (z.B. eine Hall-Platte), einen MAGFET und/oder einen anderen Typ oder andere Typen der Magnetfeldsensorelemente oder Kombinationen davon, die eingerichtet und/oder angeordnet sind, um mindestens eine Magnetfeldkomponente zu detektieren. Auf eine ähnliche Art kann der senkrechte Sensor 111 mindestens zwei Magnetfeldsensorelemente umfassen, wie beispielsweise ein magnetoresistives (MR) Sensorelement (z.B. AMR, GMR, TMR und andere), ein Riesenmagnetoimpedanz-(GMI)Sensorelement, ein Halleffekt-Sensorelement (z.B. vertikales Hallelement und andere) und andere Magnetfeldsensorelemente und Kombinationen davon. Obwohl wie zuvor diskutiert die relative Anordnung der Sensoren 110 und 111 bei den Ausführungsformen variieren kann, kann es vorteilhaft sein, bei einer Ausführungsform eine genaue Platzierung des Sensors 110 in Bezug auf den Sensor 111 derart einzurichten, dass das Sensorgehäuse 105 und/oder das Substrat 106, und die Sensoren 110, 111 entsprechende Montagetoleranzen aufweisen. Somit können verschiedene Verfahren benutzt werden, beispielsweise eine Herstellung von beiden Sensoren 110 und 111 im gleichen Fertigungsablauf, beispielsweise eine mikroelektronische Front-End-Fertigungslinie, die die relative Lage aller Elemente durch lithographische Schritte oder andere ähnliche Verfahren definiert, um Genauigkeiten bis in den Sub-Mikrometerbereich (z.B. besser als etwa 20 µm) einzurichten.
2 zeigt ein Sensorsubstrat 106 gemäß einer Ausführungsform. Das Substrat 106 kann bei manchen Ausführungsformen auf oder in einem Sensorgehäuse (z.B. 105 in 1) angeordnet sein. Bei manchen Ausführungsformen kann der axiale Sensor 110 eine Vielzahl von Sensorelementen 206 umfassen. Die Vielzahl von Sensorelementen 206 können horizontale Hallelemente (HHall), MAGFET-Elemente oder andere geeignete Magnetfeldsensorelemente umfassen. Bei der Ausführungsform der 2 umfasst der axiale Sensor 110 acht Sensorelemente 206, die symmetrisch und in gleichem Abstand winkelförmig entlang einer kreisförmigen Kurve auf dem Substrat 106 beabstandet sind. Die kreisförmige Kurve kann beispielsweise bei einer Ausführungsform auf einer Projektion der Drehachse der Welle 104 und/oder des Magneten 102 auf das Substrat 106 zentriert werden. In 2 sind benachbarte der Vielzahl von Sensorelementen 206 voneinander um ungefähr 45° entlang der Kreislinie beabstandet. Bei manchen Ausführungsformen sind Sensorelemente 206 empfindlich auf eine axiale Magnetfeldkomponente Bz, wobei die Bz-Feldkomponente senkrecht zu der xy-planaren Oberfläche des Substrats 106 orientiert ist. Der axiale Sensor 110 kann bei manchen Ausführungsformen eingerichtet sein, einen Winkelbereich von 360 Grad auszugeben, um eine kontinuierliche und eindeutige Erkennung der axialen Magnetfeldkomponenten bereitzustellen, verglichen mit einigen herkömmlichen Sensorsystemen, bei denen der eindeutige Ausgabebereich nur 180 Grad ist.
Bei manchen Ausführungsformen kann der senkrechte Sensor 111 mindestens zwei Sensorelemente 208 umfassen, beispielsweise vier Sensorelemente 208a–d bei der Ausführungsform der 2, die nahe einem Mittelpunkt einer Projektion der Drehachse der Welle 104 und/oder des Magneten 102 auf dem Substrat 106 angeordnet sind. Die Sensorelemente 208 können bei verschiedenen Ausführungsformen magnetoresistive Sensorelemente oder Hall-Sensorelemente wie beispielsweise TMR, GMR, oder noch andere geeignete Sensorelemente umfassen. Bei manchen Ausführungsformen können die Sensorelemente 208ad des senkrechten Sensors 111 verbunden sein, um erste und zweite Auswerteschaltungen 202, 204 auszubilden. Bei beispielhaften Ausführungsformen können die ersten und zweiten Auswerteschaltungen 202, 204 eingerichtet sein, zwei Halbbrückenschaltungen zu bilden, wie in 2 dargestellt, oder beliebige andere Schaltungen zu bilden, die anwendungsspezifisch oder spezifisch in Bezug auf den Sensorbedarf sind. Jede Auswerteschaltung 202, 204 kann eingerichtet sein, senkrechte Magnetfeldkomponenten zu messen (z.B. Bx, By) und eine entsprechende Kosinus- und Sinusfunktion des Magnetfeldkomponentenwinkels zu berechnen (oder sie zur Berechnung durch eine externe Schaltung oder Vorrichtung bereitzustellen). Alternativ dazu kann die Auswerteschaltung 202, 204 eingerichtet sein, den Kosinus, den Sinus oder das Quadrat des Kosinus oder des Sinus im Fall von AMR’s, eines Winkels zwischen einer Projektion des Magnetfeldes auf die xy-Ebene und einer Referenzrichtung zu messen. Bei einer solchen Konfiguration kann die Bezugsrichtung beispielsweise durch ein Pfeilsymbol angezeigt werden, wie in 2 dargestellt, und die Auswerteschaltung 202 kann ein Ausgangssignal bereitstellen, das proportional zu dem Kosinus des Winkels zwischen der Projektion des Magnetfeldes auf die xy-Ebene und einer positiven x-Richtung ist. Bei anderen Ausführungsformen können die Sensorelemente 208 empfindlich für andere Feldkomponenten in Abhängigkeit der besonderen Anordnung des Substrats 106, der Sensorelemente 208, der Welle 104 und/oder des Magneten 102 sein. Die erste Auswerteschaltung 202 kann Sensorelemente 208a, 208b umfassen, die symmetrisch in einer 180-Grad-Ausrichtung zueinander angeordnet sind (d.h. im Allgemeinen zueinander in einer Linie in zumindest einer Ausführungsform), wobei das Sensorelement 208a elektrisch mit dem Sensorelement 208b verbunden ist, um die Auswerteschaltung 202 auszubilden. Jedes Sensorelement 208a, 208b ist eingerichtet, um auf den Winkel zwischen der Bezugsrichtung (d.h. positive oder negative x-Richtung) und der Projektion innerhalb der Ebene (d.h. xy-Projektion) des angelegten Magnetfelds zu reagieren. Die zweite Auswerteschaltung 204 kann Sensorelemente 208c, 208d umfassen, die symmetrisch in einer 180 Grad-Ausrichtung zueinander angeordnet sind, um eine elektrische Reihenschaltung zu bilden. Jedes Sensorelement 208c, 208d der Auswerteschaltunges 204 kann eingerichtet sein, um auf den Winkel zwischen der Bezugsrichtung (d.h. positive oder negative y-Richtung) und der Projektion innerhalb der Ebene (d.h. xy-Projektion) des angelegten Magnetfelds zu reagieren.
Die Anordnung der Sensorelemente 208a–d ist, wie hier beschrieben, lediglich beispielhaft und kann bei anderen Ausführungsformen variieren, indem beispielsweise mehr oder weniger Sensorelemente bereitgestellt werden können.
Bei einigen Ausführungsformen können die Auswerteschaltungen 202, 204 eingerichtet sein, ein Ausgangssignal Outx und/oder Outy bezogen auf eine Winkelposition des Magneten 102 zu generieren, wobei diese Signale durch die Anwesenheit eines Magnetfeldes hervorgerufen werden, dem radiale und azimutale Feldkomponenten zugeordnet sind. Beispielsweise kann das Vorhandensein eines Magnetfeldes eine Widerstandsänderung in den Sensorelementen 208a–d, verursachen, sodass der Widerstand der Sensorelemente 208a und 208b zunimmt, wenn der Widerstand der Sensorelemente 208c und 208d abnimmt. Als solche kann die Änderung des Widerstandes durch die Signale, die an Outx und Outy bereitgestellt sind, gekennzeichnet werden. Die Größe und die Größenordnung jedes Sensorelements 208a–d kann variieren. Beispielsweise können einzelne Widerstandsgrößen im Bereich von mehreren hundert Ohm bis zu relativ großen Größen von etwa 50 kOhm oder mehr liegen. In ähnlicher Weise kann, wie zuvor diskutiert, der senkrechte Sensor 111 verschiedene magnetoresistive Sensorelemente 208a–d umfassen, wobei die Verwendung von Sensorelementen, wie beispielsweise TMR, größere Ausgangssignale Outx, Outy generieren kann, die es erlauben, dass Rohdaten (d.h. nichtskalierte Daten) von einer externen Verarbeitungseinheit (z.B. Computer, Controller, Prozessor oder andere Schaltungen bei den Ausführungsformen) verarbeitet werden. Zusätzlich dazu kann die Verwendung von TMR-Sensorelementen dadurch vorteilhaft sein, dass: i) keine zusätzliche Chipfläche benötigt wird, da die Sensorelemente oberhalb des Substrats 106 gesputtert werden können, das sowohl den axialen Sensor 110 als auch eine Signalkonditionierungsschaltung umfasst, ii) die Verwendung von Vorspannungsschaltungen vermieden werden kann, da die Sensorelemente in einer Voll- oder Halbbrückenschaltung, die von einer Spannungsquelle versorgt wird, angeordnet werden können, iii) Signalkonditionierung nicht erforderlich ist, da die Ausgangsspannungen hoch sind (z.B. > 100mV), so dass die Spannungen direkt von einem Voltmeter gemessen werden können, der mit dem Sensor verbunden ist, iv) Offset-Fehler wegen der hohen magnetischen Empfindlichkeit vernachlässigbar sind, und andere Fehler (z.B. Synchronität zwischen senkrechten Brücken und Orthogonalitätsfehler oder Temperaturabhängigkeit verschiedener Parameter, die im Ausgangssignal in erster Ordnung ausgeglichen werden) ebenfalls vernachlässigbar sind, und v) die Stromaufnahme auf unter 100 µA bei 2 V Spannungsversorgung reduziert werden kann.
Bei manchen Ausführungsformen können die Auswerteschaltungen 202, 204 eingerichtet sein, im Betrieb den senkrechten Sensor 111 wahlweise ein- und auszuschalten, um die Strommenge zu reduzieren, die durch das Sensorsystem 100 verbraucht wird. Beispielsweise kann während der Installation oder Kalibrierung das System 100 den Sensor 111 verwenden, um die Größenordnung der Montagetoleranzen zu identifizieren, während bei einer Ausführungsform im Normalbetrieb der axiale Sensor 110 alleine verwendet werden kann. Bei manchen Ausführungsformen können die Auswerteschaltungen 202, 204 elektrisch mit einer Versorgungsquelle über ein positives Potential (Vsup) und ein Bezugspotential (Gnd) verbunden werden, die elektrische Leistung an den senkrechten Sensor 111 bereitstellt, wobei das Bezugspotential (Gnd) gemeinsam sowohl durch den axialen Sensor 110 als auch den senkrechten Sensor 111 verwendet werden kann, so dass der Sensor 111 ein eigenes positives Potential (Vsup) hat. Bei einer solchen Konfiguration kann der senkrechte Sensor 111 wahlweise entweder durch Trennen des positiven Potentials (Vsup) oder durch Verbinden des positiven Potentials (Vsup) mit dem Bezugspotential (Gnd) ausgeschaltet werden, während der axiale Sensor 110 eingeschaltet bleibt. Bei anderen Ausführungsformen können die Sensorelemente 208a–d beispielsweise mit relativ hohen Widerständen (z.B. größer als 50 kOhm bei manchen Ausführungsformen) eingerichtet sein, um die Notwendigkeit für eine zusätzliche Schaltung, die Strom am senkrechten Sensor 111 ausschaltet, zu verringern, wobei die hohen Widerstände zu einer gleichzeitigen Verringerung der Menge des Stroms, den das Sensorsystem 100 verbraucht, führen können. Obwohl der senkrechte Sensor 111 erhöhtes Rauschen als Folge der Verwendung von relativ hohen Widerständen erfahren kann, kann dies durch längere Messzeiten (d.h. längere Integrationszeiten) und/oder durch eine größere Anzahl von abgetasteten Daten abgemildert werden, da die Drehzahl während der Kalibrierung verringert werden kann. Diese Ausführungsformen dienen nur Illustrationszwecken und sind in keiner Weise einschränkend im Bezug auf andere oder alle Ausführungsformen.
In den 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. In den 3 und 4 umfasst der axiale Sensor 110 eine Vielzahl von Sensorelementen 310, 410 und der senkrechte Sensor 111 umfasst eine Vielzahl von Sensorelementen 311, 411, wie beispielsweise mindestens drei Sensorelemente, die auf dem Substrat 106 angeordnet sind. Ähnlich den Sensorelementen 206 der Ausführungsform von 2 können die Sensorelemente 310 und 410 symmetrisch und äquidistant winkelförmig beabstandet entlang einer geschlossenen Kurve angeordnet sein, die kreisförmig sein kann, wie in 3 und 4 dargestellt, oder entlang einer anderen geschlossenen Kurve wie bei manchen Ausführungsformen beispielsweise ein Quadrat oder eine andere Form, ein offene Kurve, oder eine andere geeignete Anordnung, und können horizontale Hallelemente (HHall), ein MAGFET-Element oder andere geeignete Magnetfeldsensorelemente umfassen. Bei manchen Ausführungsformen können die Sensorelemente 311a–d vertikale Hall-Sensorelemente umfassen, die auf Magnetfeldkomponenten Bx und By ansprechen, die in Bezug auf die Drehachse parallel zu der xy-planaren Oberfläche des Substrats 106 (d.h. senkrecht in Bezug auf die Rotationsachse) angeordnet sind. Wie in 3 dargestellt, können die Sensorelemente 311a–d nahe einem Mittelpunkt einer Projektion von der Drehachse der Welle 104 und/oder des Magnets 102 auf dem Substrat 106 angeordnet sein, und können in einer 90-Grad-Drehung von benachbarten Sensorelementen 311 ausgerichtet sein, und können äquidistant voneinander winkelförmig beabstandet sein. Die Sensorelemente 311a–d können bei manchen Ausführungsformen relativ kleine Abmessungen haben und in Bezug auf die Projektion der Drehachse zentral angeordnet werden, um die Genauigkeit der gemessenen Magnetfeldwinkel zu erhöhen.
Ein weiteres Verfahren, um die Genauigkeit der gemessenen Winkel zu erhöhen, kann eine Reduktion einer Offset-Spannung (d.h. eine Ausgangsspannung an den Erfassungskontakten einer Sensoreinrichtung in Abwesenheit eines Magnetfelds) an den Sensorelementen 311a–d sein. Um die Offset-Spannung zu reduzieren, können die Sensorelemente 311a–d als dynamische Offset-Kompensationsschaltungen eingerichtet sein (z.B. Spinnstrom („spinning current“), Spinnspannung („spinning voltage“) oder andere geeignete Betriebsarten), wobei die Schaltung eingerichtet sein kann, kontinuierlich die gemessene Ausgangsspannung zu korrigieren oder zu kompensieren. Zum Beispiel kann die Spinnstromtechnik eine Hall-Vorrichtung mit einer Anzahl von symmetrisch angeordneten Kontakten (z.B. vier oder acht Kontakte) verwenden, um einen Spinnstrom hervorzurufen (d.h. Strom, der durch elektrische Kommutierung erzeugt wird, die auf verschiedene Kontakte in unterschiedlichen Phasen angewendet wird, wobei verschiedene Kontakte auch als Referenz- und Signalkontakte in diesen Phasen verwendet werden). Bei einer solchen Konfiguration können Offset-Fehler (z.B. Spannungsfehler) durch Mittelung eines Messausgangssignal der Sensorelemente 311a–d reduziert werden, wobei die Ausgangssignale relativ klein sein können und entweder auf dem Chip oder außerhalb des Chips verarbeitet werden (d.h. Analyse des Ausgangssignals durch eine externe Verarbeitungseinheit oder Schaltung), um eine geschätzte Winkelmessung bereitzustellen. Bei anderen Ausführungsformen kann jedes Sensorelement 311a–d, das vertikale Halleffekt-Vorrichtungen oder andere Magnetsensorelemente umfasst, eingerichtet sein, Schaltungskomponenten wie beispielsweise Verstärker, Digital-Analog-Wandler, Vorspannungsschaltungen usw. zu teilen, was auch zu einer Reduzierung der Herstellungskosten führen kann. Eine solche Betriebsart kann bei anderen Ausführungsformen verwendet werden und/oder auf andere Sensorelemente bei verschiedenen Ausführungsformen angewendet werden.
Bei noch anderen Ausführungsformen, wie in 4 dargestellt, können die Sensorelemente 411a–d AMR-Sensorelemente umfassen, wobei eine Referenzrichtung, die der Magnetfeldkomponente zugeordnet ist, von der Richtung des Stromflusses unabhängig von seiner Polarität bestimmt wird. Die Sensorelemente 411a–d können verbunden sein, um erste und zweite Auswerteschaltungen 402 und 404 ähnlich der in 2 beschriebenen Ausführungsform auszubilden, so dass die Auswerteschaltungen 402, 404 eingerichtet sein können, zwei Halbbrücken A und B (d.h. A1, A2 ... An oder B1, B2 ... Bn) auszubilden, wie in 4 entsprechend einer einzigen Referenzrichtung gezeigt. Bei manchen Ausführungsformen können die Sensorelement-Teilkomponenten in einer abwechselnden Anordnung entlang einer kreisförmigen Kurve angeordnet sein (d.h. A1, B1, A2, B2 ... An, Bn) oder in einer gemeinsamen Schwerpunkt-Anordnung angeordnet sein (d.h. A1, B1 ... B(n–1), A(n–1), An, Bn). Die alternierende Anordnung oder Schwerpunkt-Anordnung der Sensorelemente 411 auf dem Substrat 106 kann zu einer Reduzierung der Winkelfehler aufgrund der endlichen Größe und Abmessungen der Sensorelemente 411 führen. Die Winkelwerte, die vom senkrechten Sensor 111 erzeugt werden, können bei manchen Ausführungsformen auf einen kontinuierlichen 180 Grad Winkelbereich begrenzt werden. Der begrenzte 180 Grad Winkelbereich des senkrechten Sensors 111 kann dazu verwendet werden, den axialen Sensor 110 in einem Bereich von 360 Grad zu kalibrieren. Beispielsweise kann der Winkelbereich von 0° bis 180° von beiden Sensoren gemessen werden, jedoch kann der senkrechte Sensor 111, der die AMR-Sensorelemente umfasst, den Winkelbereich 180° bis 360° auf 0° bis 180° abbilden, während der axiale Sensor 110 einen Winkelbereich von 0° bis 360° eindeutig misst.
Als Ergebnis von Montagetoleranzen können beide Sensoren 110 und 111 leicht unterschiedliche Werte anzeigen. Während der Kalibrierung ist es erwünscht, dass Störfelder vermieden werden, und die Winkelmessung, die von dem Sensor 111 bereitgestellt wird, kann verwendet werden, da sie mindestens in dem Winkelbereich von 0° bis 180° trotz Montagetoleranzen genauer ist. Im Bereich von 180° bis 360° gibt der Sensor 111 beispielsweise 3° aus, während der axiale Sensor 110 181° ausgibt. Die Ausgabe von 3° des Sensors 111 entspricht tatsächlich 183°, die der Sensor 111 auf 3° abbildet, wohingegen der axiale Sensor 110, aufgrund von Montagetoleranzen anstelle der genauen 183º, 181° ausgibt. Als solche können Winkelfehler, die dem axialen Sensor 110 zugeordnet sind, durch die Verwendung des Sensors 111 identifiziert werden, der AMR-Sensorelemente 411 umfasst, obwohl die AMR-Sensorelemente im Winkelbereich von 0 bis 360° nicht eindeutig sind. Um die Winkelgenauigkeit zu verbessern, kann deshalb das System 100 eingerichtet sein, die gemessene Ausgabe des Sensors 110 zu korrigieren, um der gemessenen Ausgabe des Sensors 111 zu entsprechen (z.B. wenn der axiale Sensor 110 181° ausgibt, müssen 2° addiert werden, um die genauen Wert 183° zu erhalten). Während des Betriebs im Feld (d.h. normaler Betrieb) können Störfelder existieren, so dass sich das System 100 ausschließlich auf die Ausgaben des axialen Sensors 110 verlassen kann, da er robust gegenüber Störungen ist. Wenn der senkrechte Sensor 111 beispielsweise 5° anstelle von 3° bei 183° ausgibt, wird das System 100 nur Messwerte des axialen Sensors 110 verwenden und 2° zu dem Messwert addieren, wenn der Messwert ungefähr 183° ist. Obwohl der senkrechte Sensor 111 nicht robust gegen magnetische Störfelder ist, wie der axiale Sensor 110, kann der Sensor 111 immer noch im Feld betrieben werden, um einen zweiten Drehwinkel bereitzustellen, der beispielsweise dazu verwendet werden kann, zu verifizieren, ob der axiale Winkelsensor korrekt arbeitet (z.B. zumindest mit einer Genauigkeit von +/–5°). Somit kann eine Schaltung, wie beispielsweise ein Mikroprozessor, derart eingerichtet sein, beide Winkel zu messen, wobei die Ausgabe des axialen Sensors 110 als eine Schätzung verwendet wird und die Ausgabe des senkrechten Sensors 111 als eine redundante Informationsquelle verwendet wird, um die Zuverlässigkeit des Systems 100 zu erhöhen (d.h. die funktionalen Sicherheitsmerkmale zu erhöhen).
Bezug nehmend auf 5 und unabhängig von der besonderen Konfiguration oder Ausführung des Sensorgehäuses 105, des Substrats 106, des axialen Sensors 110 und/oder des senkrechten Sensors 111, kann das Sensorsystem 100 weiterhin eine Steuereinheit 520 umfassen, die mit einem Ausgang des axialen Sensors 110 und des senkrechten Sensors 111 verbunden ist, und eingerichtet ist, eine Abschätzung eines Drehwinkels zu bestimmen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 520 eine Speicherschaltung 522 umfassen oder damit verbunden sein. Die Steuereinheit 520 und/oder die Auswerteschaltung 522 können extern sein, aber mit dem Sensor 105 verbunden sein, und/oder eine Speicherschaltung 522 kann extern sein, um die Steuereinheit 520 zu steuern, wobei die Darstellung in 5 beispielhaft für nur eine Ausführungsform ist. Bei manchen Ausführungsformen kann die Speicherschaltung 522 verwendet werden, um einen Offset-Wert oder andere Daten, die von der Steuereinheit 520 berechnet werden, zu speichern. Wie zuvor beschrieben, können die Sensoren 110 und 111 eingerichtet sein, ihre jeweiligen Magnetfeldkomponenten, die einer Drehposition des Magneten 102 zugeordnet sind, zu erfassen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 520 eingerichtet sein, die Ausgangssignale Sa und Sb, beispielsweise durch Berechnen der Sinus- und Kosinusfunktionen von Sa und Sb, zu verarbeiten, um den Drehwinkel zu bestimmen, und eine Winkeldifferenz zu berechnen, die von S_a1, S_a2 und S_b1, S_b2 abgeleitet ist.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Winkeldifferenz, die durch die Steuereinheit 520 berechnet wird, verwendet werden, um Ausreißer oder Sonderfälle (d.h. defekte Sensoren oder Sensorelemente) zu identifizieren und/oder um eine Differenz von Winkelschätzungen vom Sensor 110 und dem Sensor 111 zu bestimmen, um die Genauigkeit der Winkelmessungen des Sensorsystems 100 zu verbessern. Beispielsweise vergleicht das System 100 während der Kalibrierung den geschätzten Winkel beider Sensoren 110 und 111, um die Winkeldifferenz zu berechnen. Als solche kann die Winkeldifferenz verwendet werden, um einen Grad der Abweichung der gemessenen Winkel von den tatsächlichen Winkeln aufgrund von Montagetoleranzen zu bestimmen, wobei eine große Winkeldifferenz (z.B. größer als 5 Grad, oder ein anderer geeigneter Schwellenwert bei anderen Ausführungsformen) einen großen Winkelfehler anzeigen kann. Zusätzlich kann während anderer Betriebsbedingungen die Winkeldifferenz als Offset verwendet werden, um Winkelfehler durch Addition des Wertes mit jeder Ausgabe des Sensors 110 zu korrigieren, die dem axialen Sensor 110 zugeordnet sind. Während solcher Betriebsbedingungen kann ausschließlich der axiale Sensor 110 verwendet werden, weil er robust gegen Störungen ist, so wie in Bezug auf 4. erörtert. Mit anderen Worten kann die Verwendung und die Kombination von zwei verschiedenen Sensoren 110, 111 die Vorteile oder Stärken des einen Sensors nutzen, der die Schwächen oder Nachteile des anderen kompensiert oder behebt. Somit können die individuellen Werte und/oder alle Werte, die einem defekten oder schlecht funktionierenden Sensorelement zugeordnet sind, identifiziert werden und/oder aus einer Berücksichtigung in Berechnungen und anderen Bestimmungen entfernt werden. Darüber hinaus kann auf eine weitere grundlegende Erkenntnis der Umstände, in denen der eine oder andere der Sensoren 110 bzw. 111 schwächer oder stärker ist, durch den Betrieb des Sensors in einer Weise eingegangen werden, die die Vorteile der Stärken nutzt, die Schwächen beider Sensoren 110, 111 minimiert und/oder gegenseitig kompensiert.
Bezug nehmend auf 6 ist beispielsweise ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verfahren 600 verwendet werden, um Winkelfehler des axialen Sensors 110 und des senkrechten Sensors 111 zu identifizieren. Bei Schritt 602 wird ein Sensorsystem 100 bereitgestellt, wobei jede Komponente unter Verwendung einer CMOS-Technologie oder anderer Herstellungstechniken hergestellt werden kann. Zusätzlich wird bei Schritt 602 das System 100 installiert und montiert (d.h. das Sensorgehäuse 105 ist in der Nähe des Magneten 102 montiert und der Magnet 102 ist an der Welle 104 angebracht), um Toleranzen zu identifizieren und zu identifizieren, ob das System 100 die Toleranzen ausgleichen kann und/oder ausgleichen sollte. Bei Schritt 604, und im Betrieb der Sensoranordnung 100, kann ein Magnetfeld durch die Drehung des Magneten 102 hervorgerufen werden, wobei Verfahren, wie die temporäre Verwendung magnetischer Abschirmungen und/oder temporäres Sperren des Betriebs von Motoren, dazu verwendet werden können, die Auswirkungen der magnetischen Störfelder zu reduzieren. Materialien mit hoher Permeabilität (d.h. Materialien mit hoher Magnetisierung), wie Legierungen oder andere geeignete Materialien, können beispielsweise dazu verwendet werden, eine externe Sperre oder Abschirmung um den Magneten 102 herum zu schaffen, um durch das Material Magnetfelder anzuziehen und abzulenken, und um zu verhindern, dass die Magnetfelder unbeabsichtigte Störungen verursachen. Ebenso kann die zeitweise Verringerung oder das Abschalten des Stroms zum Motor die Effekte elektromagnetischer Interferenz, die durch die Verwendung der Motoren verursacht wird, verringern. Bei Schritt 606 werden die entsprechenden Messwerte durch Messen der Ausgangssignale Sa und Sb erhalten. Die Winkeldifferenz zwischen Sa und Sb wird bei Schritt 608 berechnet und kann verwendet werden, um beispielsweise Sonderfälle oder Ausreißer (d.h. defekte Sensoren) bei Schritt 608 zu ermitteln und zu eliminieren. Beispielsweise kann die berechnete Winkeldifferenz ausgewertet werden, um das Ausmaß der Winkelfehler zu bestimmen, die aus der Montage oder anderen Toleranzen, oder anderen Quellen resultieren. Diese Winkeldifferenzen können für einen einzelnen Drehwinkel, oder für manche anwendungsrelevanten Rotationswinkel, oder für viele Rotationswinkel innerhalb des vollen Winkelbereichs, der während des Betriebs auftritt, berechnet werden. Wenn die Winkelfehler außerhalb eines vorgegebenen zulässigen Bereichs liegen, dann können bei Schritt 610 defekte Sensorsysteme oder Teile davon verworfen werden.
Wie bezogen auf 2 erörtert wurde, kann das System 100 den senkrechten Sensor 111 verwenden, der beispielsweise TMR-Sensorelemente 208a–d umfasst, um bei einigen Ausführungsformen Winkelfehler zu identifizieren. Die Sensorelemente 208a–d können eingerichtet sein, eine oder mehrere Auswerteschaltungen 202, 204 (d.h. Brückenschaltungen) auszubilden, wobei die Sensorelemente 208a–d große Ausgangssignale (Sb) bereitstellen, die ohne Signalaufbereitung durch externe Schaltungen gemessen werden können (z.B. durch einen Mikroprozessor oder ein Voltmeter). Somit kann die Verwendung von TMR-Sensorelementen vorteilhaft sein, weil die Systemkosten reduziert werden können, ohne die Winkelgenauigkeit zu beeinträchtigen.
Bei einigen Ausführungsformen kann die berechnete Differenz aus Schritt 608 als ein Offset-Wert verwendet werden, der im Schritt 612 im Speicher 522 gespeichert ist. Bei einigen Ausführungsformen können die Schritte 612 bis 618 nach, gleichzeitig mit, anstelle von oder nur während einiger Betriebsperioden ausgeführt werden, wobei die Darstellung des Verfahrens 600 in 6 lediglich verschiedene Vorgänge illustriert, die auf verschiedene Weise bei verschiedenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Bei einer Ausführungsform kann, sobald der Wert in Schritt 612 gespeichert ist, eine Markierung bei Schritt 614 gesetzt werden, wie beispielsweise ein vorbestimmtes Bit eines Registers innerhalb der Steuereinheit 520, um das System 100 zu benachrichtigen, bei Schritt 616 ein Versorgungssignal zum senkrechten Sensor 111 auszuschalten. Wie zuvor erörtert, kann der senkrechte Sensor 111 durch das Entfernen der Versorgungsquelle oder das Verbinden des Versorgungspotentials (Vsup) mit dem Bezugspotential (Gnd) (siehe z.B. 2) ausgeschaltet werden. Der Drehwinkel des Magneten 102 kann dann ausschließlich durch den axialen Sensor 110 bestimmt werden, der eingerichtet sein kann, um bei einigen Ausführungsformen einen kontinuierlichen und eindeutigen Winkelbereich von 360 Grad bereitzustellen. Bei Schritt 618 kann die Steuereinheit 520 jedes Ausgangssignal Sa des axialen Sensors 110 mit dem berechneten Offset-Wert summieren, um Winkelfehler zu reduzieren und um die Genauigkeit der Winkelmessungen zu verbessern, die durch den axialen Sensor 110 gemessen werden.
Wie zuvor erörtert, können beispielsweise die AMR-Sensorelemente auf einen 180-Grad-Winkelbereich begrenzt werden. Die Winkelposition kann durch psi repräsentiert sein, wobei psi der Winkel zwischen einer Stromrichtung und der Magnetisierung einer weichmagnetischen Schicht des AMR-Sensorelements ist. Durch die Verwendung des Offset-Werts, der in Verbindung mit der Ausgabe des axialen Sensors 110 im Schritt 608 berechnet wird, kann die Winkelposition der Sensoranordnung 100 im vollen 360-Grad-Bereich (d.h. psi und psi +180) bestimmt werden. Bei manchen Ausführungsformen kann beispielsweise die Steuereinheit 520 eingerichtet sein, die Ausgaben der Sensoren 110 und 111 auszuwerten, wobei die Ausgabe des axialen Sensors 110 einzeln verwendet werden kann, um Winkelmesswerte größer als 180 Grad zu bestimmen (d.h. psi +180). In solchen Bereichen können die Winkelmesswerte der axialen Sensoren 110 verwendet werden, einen entsprechenden Winkelmesswert des senkrechten Sensors 111 abzuschätzen, wobei die gemessenen Differenzen zwischen den Winkelmesswerten in der Regel klein sind (z.B. weniger als 5 Grad).
Während die hier erörterten Ausführungsformen die Sensoren 110 und 111 auf einem einzigen Substrat in darstellen, können bei anderen Ausführungsformen die Sensoren 110 und 111 auf getrennten Substraten in der gleichen oder in verschiedenen Gehäusen angeordnet werden. Beispielsweise ist in 7A der Sensor 110 auf einem ersten Substrat 702 und der Sensor 111 auf einem zweiten Substrat 704 horizontal angrenzend an das erste Substrat innerhalb des Sensorsystemgehäuses 700 angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen können die Substrate 702 und 704 näher aneinander angeordnet sein und einander berühren, oder weiter voneinander entfernt sein, unterschiedliche Größe haben, usw. Die Substrate 702 und 704 können auch vertikal benachbart zueinander angeordnet werden, wie in 7B dargestellt. Bei anderen Ausführungsformen können die relativen Positionen der Substrate 702 und 704 entweder in 7A oder 7B umgekehrt werden, und/oder kann in 7B eine Chip-auf-Chip-Konfiguration implementiert werden, bei der ein Substrat (oder Chip) auf einem anderen befestigt ist. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das erste Substrat 702 oder ein Chip auf einer ersten Seite eines Anschlussrahmens und das zweite Substrat 704 oder ein Chip kann auf einer zweiten Seite des Anschlussrahmens angeordnet sein. Noch andere Konfigurationen können bei anderen Ausführungsformen implementiert werden, und die beiden Sensoren 110 und 111 sind im Allgemeinen in dem selben Gehäuse angeordnet, brauchen aber nicht bei allen Ausführungsformen oder Konfiguration so angeordnet sein. Manche Ausführungsformen stellen Systeme und Verfahren bereit, die Winkelfehler detektieren können, wie beispielesweise solche, die mit Montagefehlern und Toleranzen zusammenhängen. Mindestens eine erörterte Anwendung von Ausführungsformen der Systeme und Verfahren kann im Bereich der Endlinien-Fertigungsprüfung und Kalibrierung sein, wie zum Beispiel die Bestimmung, ob irgendwelche Fehler, die auf Montagetoleranzen bezogen sind, in einen bestimmten Sensor oder Sensorsystem vorhanden sein können. Beispielsweise kann das Sensorsystem zusammengebaut und in der Nähe einer Magnetfeldquelle montiert sein, wie beispielsweise einem Magnet, der eingerichtet ist, sich auf einer Drehachse zu drehen. Die Magnetfeldquelle kann gedreht werden, und erste und zweite (z.B. axiale und senkrechte) Sensordaten können erhalten werden. Ein Unterschied zwischen den axialen Sensordaten und den senkrechten Sensordaten kann bestimmt werden. Die Daten können dann ausgegeben werden (wie beispielsweise die axialen und/oder senkrechten Sensordaten und/oder die bestimmte Differenz), und die Differenzdaten können wahlweise in dem Sensor für den Einsatz während des Betriebs gespeichert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Sensor so programmiert sein, dass die Daten während des Betriebs berücksichtigt werden. Eine periodische Implementation während des Betriebs nach der Endlinien-Prüfung und der Kalibrierung kann für eine Bestimmung jeder Drift über eine Lebensdauer oder anderer Änderungen, die im Betrieb auftreten können, nützlich sein, brauchen aber nicht in allen Fällen implementiert zu sein.
Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren wurden erörtert. Diese Ausführungsformen sind nur beispielhaft erörtert und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Es sollte darüber hinaus beachtet werden, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben wurden, auf verschiedene Weisen zur Erzeugung zahlreicher zusätzlicher Ausführungsformen kombiniert werden können. Während verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Positionen etc. für die Verwendung bei den offenbarten Ausführungsformen beschrieben wurden, können andere Ausführungsformen, außer diejenigen, die offenbart wurden, verwendet werden, ohne den Umfang der Erfindung zu überschreiten.
Ein Fachmann auf den relevanten Gebieten wird erkennen, dass die Erfindung auch weniger Merkmale umfassen kann, als in jedem einzelnen der oben beschriebenen Ausführungsformen dargestellt ist. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als erschöpfende Darstellung der Wege gedacht, in denen die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen nicht sich gegenseitig ausschließende Kombinationen von Merkmalen; sondern vielmehr kann die Erfindung eine Kombination verschiedener Einzelmerkmale umfassen, die aus verschiedenen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt sind, die ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet versteht. Darüber hinaus können unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform beschriebene Elemente auch bei anderen Ausführungsformen implementiert sein, auch wenn sie nicht für solche Ausführungsformen beschrieben wurden, es sei denn es ist anderweitig angegeben. Obwohl ein Unteranspruch in den Ansprüchen sich auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, können auch andere Ausführungsformen eine Kombination aus dem abhängigen Anspruch mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination von einem oder mehreren Merkmalen mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen enthalten. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, es sei denn es wird explizit angegeben, dass eine bestimmte Kombination nicht vorgesehen ist. Darüber hinaus ist es auch beabsichtigt, Merkmale eines Anspruchs in irgendeinem anderen unabhängigen Anspruch einzuschließen, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht ist.
Jede Einfügung eines Verweises auf oben genannte Dokumente ist derart noch weiter eingeschränkt, dass alle Definitionen in den Dokumentation nicht durch eine Referenz hier aufgenommen sind, sofern dies nicht ausdrücklich hier eingeschlossen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

A Theory of Magnetic Angle Sensors with Hall Plates and Without Fluxguides" Progress in Electromagnetics Research B, Vol. 49, 77–106, 2013 [0020]

Claims

Magnetfeldsensorsystem, umfassend: eine Stützstruktur; ein erster Sensor, der auf der Stützstruktur relativ zu einer Drehachse einer Magnetfeldquelle angeordnet ist und eine erste Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die eingerichtet sind, Magnetfeldkomponenten entlang einer ersten Richtung zu erfassen und einen ersten Drehwinkel in einem Bereich von mindestens 90 Grad eindeutig abzuleiten; und einen zweiten Sensor, der auf der Stützstruktur relativ zu der Drehachse angeordnet ist und eine zweite Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die eingerichtet sind, Magnetfeldkomponenten entlang einer zweiten Richtung, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, zu erfassen und einen zweiten Drehwinkel in einem Bereich von mindestens 70 Grad eindeutig abzuleiten, wobei nur entweder die erste Richtung oder die zweite Richtung senkrecht zu der Drehachse steht.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor einen axialen Sensor umfasst und die erste Richtung im Wesentlichen axial zu der Drehachse ist, und wobei der zweite Sensor einen senkrechten Sensor umfasst und die zweite Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse steht.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Sensor auf einem ersten Abschnitt der Stützstruktur angeordnet ist, die eine xy-Ebene definiert, die senkrecht zu der Drehachse, die parallel zu einer z-Achse ist, steht, und wobei mindestens eine der Magnetfeldkomponenten entlang der zweiten Richtung mindestens entweder eine x-Komponente des Magnetfeldes ist, oder eine y-Komponente des Magnetfeldes ist, oder eine Kombination aus den x- und y-Komponenten des Magnetfelds ist.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 3, wobei mindestens eine der Magnetfeldkomponenten entlang der ersten Richtung eine z-Komponente des Magnetfeldes ist.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der erste Sensor an dem ersten Abschnitt der Stützstruktur angeordnet ist.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der erste Sensor auf einem zweiten Abschnitt der Stützstruktur angeordnet ist und wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt horizontal oder vertikal in Bezug zueinander angeordnet sind.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1–6, wobei die zweite Vielzahl von Sensorelementen magnetoresistive Sensorelemente, Riesenmagnetoimpedanzsensorelemente und/oder Halleffekt-Sensorelemente umfasst.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die erste Vielzahl von Sensorelementen Halleffekt-Sensorelemente und/oder MAGFET-Sensorelemente umfasst.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die erste Vielzahl der Sensorelemente entlang einer geschlossenen Kurve regelmäßig beabstandet angeordnet sind, wobei ein Schwerpunkt der Kurve auf der Drehachse ist.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 9, wobei die geschlossene Kurve eine kreisförmige Kurve ist.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei die zweite Vielzahl von Sensorelementen innerhalb der geschlossenen Kurve angeordnet ist.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1–11, wobei die zweite Vielzahl von Sensorelementen mindestens eine Halbbrückenschaltung umfasst.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die erste und zweite Vielzahl von Sensorelementen konzentrisch zur Drehachse angeordnet sind.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1–13, weiterhin umfassend eine Speicherschaltung, die eingerichtet ist, Daten bezogen auf mindestens entweder den ersten Drehwinkel oder den zweiten Drehwinkel zu speichern.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1–14, wobei das Magnetfeldsensorsystem eingerichtet ist, den zweiten Sensor wahlweise auszuschalten.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Sensorsystems, das einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor umfasst, die mit einer Stützstruktur gekoppelt sind; Erfassen von Magnetfeldkomponenten entlang einer ersten Richtung durch den ersten Sensor, um einen ersten Drehwinkel eindeutig in einem Bereich von mindestens 90 Grad abzuleiten; Erfassen von Magnetfeldkomponenten entlang einer zweiten Richtung, die sich von der ersten Richtung unterscheidet, durch den zweiten Sensor, um einen zweiten Drehwinkel eindeutig in einem Bereich von mindestens 70 Grad abzuleiten; und Kalibrieren des Sensorsystems mit mindestens entweder dem ersten Drehwinkel oder dem zweiten Drehwinkel.
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: Bestimmen einer Differenz zwischen dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: ein Speichern der Differenz in einem Speicher des Sensorsystems.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, weiterhin umfassend: ein Eliminieren eines Beitrags von mindestens einem Sensorelement des ersten Sensors oder des zweiten Sensors auf Grundlage der Differenz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16–19, ferner umfassend: Bereitstellen eines Signals, das über 360 Grad der Drehung eindeutig ist und mindestens entweder ein Winkel bezogen auf die axiale Magnetfeldkomponente ist, oder ein Winkel bezogen auf die senkrechte Magnetfeldkomponente ist, oder eine Differenz zwischen der axialen Magnetfeldkomponente und der senkrechten Magnetfeldkomponente ist.