EP1173728A1 - Elektronische steuerschaltung - Google Patents

Elektronische steuerschaltung

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EP1173728A1
EP1173728A1 EP01909545A EP01909545A EP1173728A1 EP 1173728 A1 EP1173728 A1 EP 1173728A1 EP 01909545 A EP01909545 A EP 01909545A EP 01909545 A EP01909545 A EP 01909545A EP 1173728 A1 EP1173728 A1 EP 1173728A1
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EP
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silicon chip
hall sensor
control circuit
magnetic flux
circuit board
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Withdrawn
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EP01909545A
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Marcus Meyer
Stefan Reck
Stefan Kotthaus
Joerg Wolf
Michael Soellner
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields

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Abstract

Die Erfindung geht von einer elektronischen Steuerschaltung (10) mit einer Leiterplatte (12) aus, auf der mehrere elektronische Bauelemente (14, 16, 18, 20, 22) angeordnet sind mindestens. In einem davon (18) ist ein Hallsensor (20, 22) mit einem zur Steuerelektronik gehörenden Schaltungsteil (18) zusammengefasst. Es wird vorgeschlagen, dass der Hallsensor (20, 22) auf einem Siliziumchip (48, 50) und seine aktive Fläche (52) in einem geringen Abstand (68) zu einem relativ zum Hallsensor (20, 22) bewegbaren Magnetflussgeber (38) angeordnet ist.

Description

Elektronische Steuerschaltunq
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer elektronischen Steuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
Im Automobilbereich werden elektrisch betätigte Stellmotoren für vielfaltige Anwendungsmoglichkeiter eingesetzt. Insbesondere beim Einsatz als Fensterneber oder Schiebedachmotor ist eine elektronische Steuerschaltung mit einem Drehwmkelsen- sor, z.B. Hallsensor, vor Ort notwendig, um Funktionen wie z.B. den Schutz gegen Einklemmen zu realisieren. Durch gesetzliche Vorschriften werden m Zukunft höhere Anforderungen an die Sensoπk gestellt, um den Fall des Einklemmens sicher zu erkennen und zu vermeiden. Hierf r ist eine höhere Polzahl eines als Ringmagneten ausgebildeten Magnetflusswandlers erforderlich. Eine honere Polzahl fuhrt jedoch dazu, dass das Magnetfeld schwacher wird und schwieriger von den Sensoren zu erfassen ist. Aus der DE 195 25 292 AI ist eine Vorrichtung zum Erfassen des Drehwinkels, der Drehzahl und/oder der Drehrichtung eines Drehantriebs bekannt. Ein Permanentmagnet ist auf einer Leiterplatte im Elektronikraum eines Elektromotors angeordnet. Die beiden Pole des Magneten sind mit Magnetflussleitern verbunden, die zu der von dem Elektronikraum entfernt angeordneten Ankerwelle des Elektromotors gef hrt sind, wo j e ein Endabschnitt der Magnetflussleiter m einem geringen Abstand von einem mit Ankerwelle bewegten Magnetflussgeber angeordnet ist. Der Magnetflussgeber umfasst ferromagnetische und diama- gnetische Abschnitte, die auf einem Rotationskörper angeordnet sind. Er rotiert mit der Ankerwelle, wodurch sich der magnetische Fluss in dem durch den Permanentmagneten, die Magnetflussleiter und den Magnetflussgeber gebildeten Mag- netkreis ändert. Ein auf der Leiterplatte über dem Permanentmagneten angeordneter Hallsensor erfasst die Magnetfeldande- rung des sich verändernden Streufelds und erzeugt in Abhängigkeit von der Änderung ein elektrisches Ausgangssignal. Dieses wird einer Steuereinheit zugeführt, z.B. einem Mikro- Controller. Die bekannte Steuεrschaluung beansprucht: viel
Bauraum und beinhaltet auf Grund der zahlreichen Einzelteile und der Anordnung dieser zueinander viele Fertigungstoleranzen, die die Sicherheit und Regelgute negativ beeinflussen.
Aus der DE 197 39 682 AI st ferner eine Sensoreinrichtung bekannt, die einen als Hallsensor ausgebildeten, ortsfest angeordneten Magnetfeldsensor umfasst, der magnetisch mit wenigstens einem ortsfesten Magnetflussleiter gekoppelt ist, welcher ein variables Magnetfeld erfasst und dem Hallsensor zufuhrt. Dieser erzeugt ein von der Magnetfeldanderung abhangiges, elektrisches Ausgangssignal f r eine elektronische Steuereinrichtung. Es können zwei im Abstand voneinander angeordnete Hallsensoren vorgesehen sein, von denen wenigstens einer mit wenigstens einem Teil einer elektronischen Steuerschaltung zu einem anwenderspezifischen integrierten Schalt- kreis zusammengefasst in einem elektronischen Bauelement angeordnet ist. Dieses Bauelement ist auf einer vom Magnetflussgeber entfernten Leiterplatte positioniert und zwischen den Endabschnitten wenigstens zweier Magnetflussleiter angeordnet. Zwar weisen die Leiterplatte und die auf ihr angeord- neten Bauelemente eine größere Integrationsdichte auf, jedoch ergeben sich auch hierbei zahlreiche Fertigungstcleranze .
Vorteile der Erfindung
Nach der Erfindung ist der Hallsensor auf einem Siliziumchip angeordnet, das einen zur Steuerelektronik gehörenden Schaltungsteil, z.B. eine Steuereinrichtung, enthält, wobei die aktive Fläche des Hallsensors in einem geringen Abstand zu einem relativ zum Hallsensor bewegbaren Magnetflussgeber an- geordnet ist, z.B. zu einem Ringmagneten. Durch die Integration der Hallsensoren auf dem Siliziumchip der Steuereinrichtung kann auf externe Hallsensoren verzichtet werden, wocurch sich eine geringere Anzahl an Bauelementen und damit eine kleinere Leiterplatte ergibt. Ferner entfallen mit der Anord- nung der kleinen Leiterplatte in unmittelbarer Nähe zum Mag¬ netflussgeber Magnetflußleiter, wodurch ebenfalls die Anzahl der Bauelemente reduziert und weniger Bauraum beansprucht wird.
Das Siliziumchip kann zweckmäßigerweise in einem Gehäuse untergebracht sein und über Anschlußbeinchen mit Leiterbahnen der Leiterplatte durch Loten kontaktiert werden, wobei die aktive Flache des Hallsensors in vorteilhafter Weise auf der dem Magnetflussgeber zugewandten Seite des Siliziumchips liegt, so dass der Abstand zwischen dem Magnetflussgeber und der aktiven Flache des Hallsensors abgesehen von den Lagetoleranzen der Leiterplatte nur von den Toleranzen des Gehäuses des Bauelements und der Lotfuge zwischen der Leiterbahn und den Anschlußbemchen bestimmt wird. Somit kann ein sehr geringer Abstand realisiert werden, der für das präzise und si- chere Erfassen schwacher Magnetfelder besonders wichtig ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Siliziumchip als Flip-Chip auf der Leiterplatte kontaktiert, wobei die aktive Flache des Hallsensors an der Kontaktierungsseite des Siliziumchips angeordnet ist und vom Magnetflussgeber weg weist. Da die Dicke des Siliziumchips kleiner ist als der normale Abstand zwischen der oberen Flache der Gehauseoberkante bei Gehausebauformen, kann der Abstand zwischen der aktiven Flache des Hallsensors und dem Magnetflussgeber weiter verringert werden. Ferner kann bei der Halbleiterherstellung die Dicke des Siliziumchips sehr genau bestimmt werden, und die Hohe der Lotverbindungen zwischen dem Siliziumchip und der Leiterbahn, der so genannten Bumps, unterliegt nur rela¬ tiv geringen Streuungen, so dass in der Toleranzkette der Ab- stand der Leiterplattenoberflache zur aktiven Flache des
Hallsensors wesentlich genauer bestimmt ist. Somit kann die aktive Flache des Hallsensors naher und präziser an den Mag¬ netflussgeber platziert werden und selbst schwächere magneti¬ sche Felder können mit größerer Sicherheit erfasst werden. Außerdem wird bei der Flip-Chip-Technologie das Siliziumchip m einem Reflow-Lotprozess auf die Leiterplatte aufgebracht, wobei sich durch einen Emschwimmvorgang beim Aufschmelzen des Lots eine Selbstzentrierung ergibt. Damit wird sowohl die horizontale als auch die laterale Toleranz gegenüber einer
Kontaktierung über Anschlußbemchen verbessert. Da ferner ein Gehäuse entfallt, und das Siliziumchip mit den Lotverbindungen statt dessen m einer Unterfutterung eingebettet ist, beansprucht das Siliziumchip einschließlich der Unterfutterung deutlich weniger Bauraum als ein Bauelement mit Gehäuse, wodurch die Leiterplatte kleiner und preiswerter gestaltet werden kann.
Um d e Drehrichtung zu erfassen, werden n der Regel zwei Hallsensoren benotigt, die im Abstand zueinander angeordnet sind. Da das Siliziumchip für die Steuereinheit ausreichend groß ist und großer als Siliziumchips für separate Hallsensoren, kann der Abstand zwischen den Hallsensoren relativ groß gewählt werden, ohne dass eine zusätzliche Siliziumflache er- forderlich ist. Der Abstand kann dadurch zweckmaßigerweise dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe¬ schreibung. In der Zeichnung sind Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale m Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmaßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen .
Es zeigen :
Fig. 1 einen elektrischen Stellmotor nach dem Stand der Technik in einer schematischen Explosionsdarstellung, Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt durch den Bereich eines Hallsensors nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 durch eine erfindungsgemäße Steuerschaltung und Fig. 4 eine Variante zu Fig. 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein Stellmotor 46 nach dem Stand der Technik umfasst ein Polgehäuse 40 mit mehreren Magneten 42, einen Anker 32, dessen Ankerwelle 34 über Lager 44 im Polgehäuse 40 drehbar gelagert ist und an seinem freien Ende eine Getriebeschnecke 36 trägt, eine Bürstenhalterung 24 mit Bürsten 26, die durch Federn 28 gegen einen Kommutator 30 des Ankers 32 gedrückt werden, und eine Steuerschaltung 10. Die Steuerschaltung 10 besitzt eine Leiterplatte 12, die diskrete Bauelemente in Form einer End- stufe 14, einer Steuereinheit 18 und/oder in Form von Hallsensoren 20, 22 und sonstigen Bauelementen 16 trägt. Die Hallsensoren 20, 22 besitzen auf einem Siliziumchip 50 aktive Flächen 52, die mit einem Magnetflussgeber in Form eines Ringmagneten 38 zusammenwirken, der auf der Ankerwelle 34 zwischen dem Kommutator 30 und der Getriebeschnecke 36 sitzt. Bei der bekannten Steuerschaltung nach Fig. 1 ist der Hali- sensor 20 auf dem Siliziumchip 50 angeordnet, das sich in einem separaten Gehäuse 60 befindet und über Anschlussbeinchen 58 mit einer Leiterbahn 54 der Leiterplatte 12 in einer Lct- fuge 56 verlötet ist. Eine solche Steuerschaltung 10 ist sehr aufwändig und beansprucht viel Bauraum, insbesondere sind große Leiterplatten 12 erforderlich. Ferner können auf dem. Siliziumchip 50 mehrere Hallsensoren 20, 22 nur in einem geringen Abstand zueinander angeordnet werden, wenn nicht der Bauraum zusätzlich vergrößert werden soll.
Bei den erfindungsgemäßen Ausführungen nach Fig. 3 und 4 sind die Hallsensoren 20, 22 auf dem Siliziumchip 48 einer Steuereinheit 18 angeordnet. Durch die Integration entfallen sepa- rate Hallsensoren, so dass die Leiterplatte 12 kleiner ausfallen kann. Ferner können auf dem Siliziumchip 48 die Hallsensoren 20, 22 in einem größeren Abstand 70 voneinander angeordnet werden, weil das Siliziumchip 48 für die Steuereinheit 18 von Hause aus relativ groß ist, so dass der Abstand 70 in weiten Grenzen dem konkreten Anwendungsfall angepasst werden kann, ohne zusätzliche Siliziumfläche zu beanspruchen.
Bei einer Bauelementausführung nach Fig. 3 mit einem Gehäuse 62 sind die Hallsensoren 20, 22 auf der dem Magnetflussgeber 38 zugewandten Seite des Siliziumchips 48 angeordnet. Dadurch kann beim einem kleinen Luftspalt 68 zwischen der Oberfläche des Gehäuses 62 und dem Magnetflussgeber 38 ein geringer Ab¬ stand zwischen der aktiven Fläche 52 der Hallsensoren 20, 22 und dem Ringmagneten 38 eingehalten werden, wobei lediglich die Toleranzen der Lötfuge 56 und des Gehäuses 62 zu den La¬ getoleranzen der Leiterplatte 12 zu berücksichtigen sind. Bei der Ausfuhrung nach Fig. 4 entfallt das Gehäuse 62 und das Siliziumchip 48 ist als Flip-Chip auf der Leiterplatte 12 über Lotverbindungen 64 kontaktiert. In diesem Fall sind die Hallsensoren 20, 22 an der Kontaktierungsseite des Silizium- chips 48 angeordnet, wooei die aktiven Flachen 52 vom Ringmagneten 38 weg weisen. Der Abstand der aktiven Flachen 52 vom Ringmagneten 38 wird durch die Dicke αes Siliziumchips 48 und den Luftspalt 68 bestimmt, wobei die Dicke des Siliziumchips 48 m der Halbleitεrfertigung mit sehr geringen Tole- ranzen gefertigt werden kann. Der Luftspalt 68 wird insbesondere durch die Lagetoleranzen der Leiterplatte 12 und der Dickentoleranzen der Lotverbindungen 64 bestimmt.
Das Siliziumchip 48 ist mit seinen Lotverbindungen 64 m ei- ner isolierenden Unterfutterung 66 emgeoettet. Auf Grund des bei der Flip-Chip-Herstellung angewendeten Reflow-Lotpro- zesses wird beim Aufschmelzen des Lots eine Selbstzentrierung erzielt, wodurch sowohl m horizontaler Richtung als auch m lateraler Richtung die Lagetoleranzen zwischen dem Silizium- chip 48 und der Leiterplatte 12 sehr gering sind.
Be zugszeichen
10 Steuersehaltung 50 Siliziumchip
12 Leiterplatte 52 aktive Flache
14 Endstufe 54 Leiterbahn
16 Bauelement 56 Lotfuge
18 Steuereinheit 58 Anschlussbeinchen
20 Hallsensor 60 Gehäuse
22 Hallsensor 62 Gehäuse
24 Burstenhalterung 64 Lotverbindung
26 Bürsten 66 Unterfutterung
28 Feder 68 Luftspalt
30 Kommutator 70 Abstand
32 Anker
34 Ankerwelle
36 GetriebeSchnecke
38 Ringmagnet
40 Polgehause
42 Magnet
44 Lager
46 Stellmotor
48 Siliziumchip

Claims

Ansprüche
1. Elektronische Steuerschaltung (10) mit einer Leiterplatte (12), auf der mehrere elektronische Bauelemente (14, 16, 18, 20, 22) angeordnet sind, von denen mindestens in einem (18) ein Hallsensor (20, 22) mit einem zur Steuerelektronik gehörenden Schaltungsteil (18) zusammengefasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (20, 22) auf einem Siliziumchip (48, 50) und seine aktive Fläche (52) in einem geringen Abstand (68) zu einem relativ zum Hallsensor (20, 22) bewegbaren Magnetflussgeber (38) angeordnet ist.
2. Steuerschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliziumchip (48) in einem Gehäuse (62) untergebracht ist und über Anschlussbeinchen (58) mit Leiterbahnen (54) der Leiterplatte (12) kontaktiert ist, wobei die aktive Fläche (52) des Hallsensors (20, 22) auf der dem Mag- netflussgeber (38) zugewandten Seite des Siliziumchips (48) liegt .
3. Steuerschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliziumchip (50) als Flip-Chip auf der Leiterplatte (12) kontaktiert ist, wobei die aktive Fläche
(52) des Hallsensors (20, 22) an der Kontaktierungsseite des Siliziumchips (50) angeordnet ist und vom Magnetflussgeber (38) weg weist.
4. Steuerschaltung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Lötverbindungen (64) in einer Unterfütterung (66) eingebettet sind.
5. Steuerschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hall- Sensoren (20, 22) im Abstand voneinander auf dem Siliziumchip (48, 50) angeordnet sind.
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