用于旋轉(zhuǎn)或線性距離的絕對(duì)計(jì)數(shù)的磁傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于旋轉(zhuǎn)或線性距離的絕對(duì)計(jì)數(shù)的磁傳感器，所述傳感器在多種
技術(shù)領(lǐng)域、尤其是在汽車制造和工業(yè)自動(dòng)化中能夠得到有利的應(yīng)用。特別地，所提出的傳感 器的新型結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)量級(jí)為4000的高轉(zhuǎn)數(shù)或者數(shù)量級(jí)為20000mm的較大的距離的無 接觸式且無電流式計(jì)數(shù)，運(yùn)對(duì)于多種技術(shù)應(yīng)用而言是有利的。但是為了求取較小的轉(zhuǎn)數(shù)，所 提出的傳感器在同時(shí)最簡(jiǎn)單的構(gòu)造的情況下也明顯是有利的，例如在汽車制造中可用于精 確地確定內(nèi)燃機(jī)的時(shí)鐘并且能夠例如與角度傳感器一起承擔(dān)凸輪軸的功能并且因此取代 昂貴的構(gòu)件。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于根據(jù)不同的物理原理確定角度位置的傳感器廣泛使用。它們的共同點(diǎn)在于， 傳感器信號(hào)在360°之后是周期性的，也就是說該傳感器不能在10°和370°之間進(jìn)行區(qū)分。因 此，對(duì)于在超過360°后還必須確定角度一一例如對(duì)于汽車中的方向盤就是運(yùn)種情況一一的 任務(wù)提出，要求運(yùn)樣的傳感器必須與另一傳感器組合在一起，該另一傳感器必須能夠確定 轉(zhuǎn)數(shù)。然后與旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器組合地，能夠在10°和370°之間進(jìn)行區(qū)分。為了確定轉(zhuǎn)數(shù)已知一些 解決方案，其中，通過具有N條螺線臂的螺線的頭數(shù)(Gang)機(jī)械式地推斷出轉(zhuǎn)數(shù)(例如1至 5)。其他的解決方案利用機(jī)械傳動(dòng)裝置結(jié)合兩個(gè)或者更多個(gè)角度傳感器。根據(jù)對(duì)傳動(dòng)裝置 結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)W及與傳動(dòng)裝置的不同齒輪連接的磁體的角度位置也能夠確定0至5*360°之間 的角度。所有方案的共同點(diǎn)是，它們?yōu)榱诉M(jìn)行實(shí)現(xiàn)都需要一機(jī)械機(jī)構(gòu)，即運(yùn)些方案不是無接 觸式的并且由此不是無磨損的。而對(duì)于許多應(yīng)用、尤其是在汽車中的應(yīng)用而言，需要一種無 接觸式的解決方案。運(yùn)也能夠如此實(shí)現(xiàn)，使得在每個(gè)時(shí)刻(持續(xù))地確定角度位置并且W運(yùn) 樣的方式能夠?qū)?59°至360°的過渡與角度0°進(jìn)行區(qū)分。其前提是，傳感器W及所屬的存 儲(chǔ)元件持續(xù)地被供W電能。運(yùn)與汽車制造中的W下要求相惇：即例如當(dāng)車載電子裝置與電 池?cái)嚅_時(shí)在例如0°至5*360°范圍內(nèi)的絕對(duì)角度的確定也必須是成功的。
[0003] 由Posital公司（WWW.pos1:al.de，公司消息："Kraftwerk im Encoder(編碼裝置中 的發(fā)電裝置開發(fā)了一種轉(zhuǎn)數(shù)的無接觸式計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)原則上已經(jīng)達(dá)到上述要求。在 該計(jì)數(shù)中利用霍耳傳感器來確定角度(0-360°)。在該計(jì)數(shù)中轉(zhuǎn)數(shù)的測(cè)量借助于所謂的韋根 絲(Wieganddraht)來實(shí)現(xiàn)。該絲具有特殊的磁特性，該特殊的磁特性負(fù)責(zé)，通過幾毫米長(zhǎng)的 絲在每一轉(zhuǎn)之后通過磁疇壁的突然運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一個(gè)短促但強(qiáng)度足夠的電壓脈沖，該電壓脈 沖可被寫入一鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(FeRAM),而無需化RAM與電池連接。因此，運(yùn)種解決方案滿足 對(duì)于無磨損和無接觸地確定轉(zhuǎn)數(shù)的要求并且在無需施加電源的情況下也能夠?qū)πD(zhuǎn)進(jìn)行 計(jì)數(shù)，直至所使用的化RAM的最大存儲(chǔ)容量。然而，運(yùn)樣的解決方案被汽車工業(yè)所拒絕，因?yàn)?由于韋根絲的宏觀尺寸的緣故而不能夠?qū)崿F(xiàn)成本有利的制造和成形并且由于FeRAM的高歐 姆輸入端也會(huì)產(chǎn)生電磁兼容性問題。
[0004] 由EP 1 740 909 BUWO 2005/106395)已知另一種滿足上述要求的用于旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù) 的傳感器元件。該傳感器元件具有一個(gè)具有N應(yīng)的縱長(zhǎng)延伸的螺線的形式并且由具有巨磁 阻效應(yīng)(GMR)的層堆疊構(gòu)成。該傳感器元件的GMR層系統(tǒng)基本上由一限定基準(zhǔn)方向的硬磁層 和一軟磁層構(gòu)成，硬磁層與軟磁層通過非磁性的中間層隔開。待檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)外部磁場(chǎng)足夠 強(qiáng)W便通過磁疇壁的運(yùn)動(dòng)來改變軟磁層的磁化方向，但對(duì)于與縱長(zhǎng)延伸的螺線的直段相平 行的硬磁層的磁化方向的改變而言過弱。因此，該傳感器W電阻變化來對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作出反 應(yīng)，其中，在可計(jì)數(shù)范圍O至N轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)W2N+1的電阻值的形式來記錄整轉(zhuǎn)W及半轉(zhuǎn)。在 此，每個(gè)電阻值均一對(duì)一地與半數(shù)或者整數(shù)的旋轉(zhuǎn)值相對(duì)應(yīng)。在此，當(dāng)磁場(chǎng)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其 磁結(jié)構(gòu)保持不變。在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁化方向發(fā)生變化，而與電阻值是否被讀取無關(guān)。也就是說:該 系統(tǒng)在沒有供電或者沒有功率的狀態(tài)下也能夠記錄旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的所有變化并且僅僅對(duì)于讀 取即確定電阻才需要電源。
[0005] 運(yùn)種裝置具有W下缺點(diǎn)，基于所使用的存儲(chǔ)器幾何尺寸的緣故(每一轉(zhuǎn)都需要一 個(gè)完整的螺線應(yīng)），在計(jì)數(shù)較大的轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，螺線必須在幾何尺寸上非常大。由此一方面會(huì)提 高了在螺線制造中出現(xiàn)的缺陷導(dǎo)致失效并且因此導(dǎo)致良品率降低的概率。另一方面也因此 增大忍片面積W及因此提高用于運(yùn)樣的傳感器的成本。此外，EP 1 740 909 Bl所披露的方 案在螺線應(yīng)數(shù)較大時(shí)也會(huì)在確定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)自動(dòng)出現(xiàn)問題。由一轉(zhuǎn)至下一轉(zhuǎn)所得出的可利用的 電壓差會(huì)按1/螺線應(yīng)數(shù)來縮放。對(duì)于N〉10至N〉〉10,該電壓差對(duì)于準(zhǔn)確的分析處理而言明顯 過小。如其在所提及的專利中給出的一個(gè)替代方案那樣雖然在更大轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)允許完整的磁阻 差，但是同樣具有長(zhǎng)的螺線的缺點(diǎn)，并且通過W下方式獲得大差值的優(yōu)點(diǎn)：替代兩個(gè)電接觸 部地，所有形成一個(gè)非封閉式回路的螺線部件必須設(shè)有四個(gè)電接觸部并且被電子式讀取和 處理。在N=IOO時(shí)已經(jīng)得出四百個(gè)接觸部并且因此在電路技術(shù)上的大的耗費(fèi)。此外在前述 的解決方案中還有W下問題，即在達(dá)到在螺線電導(dǎo)軌中可引導(dǎo)的最大磁疇之后該電導(dǎo)軌完 全配有磁疇并且在每個(gè)后續(xù)的半轉(zhuǎn)中一磁疇離開該電導(dǎo)軌，其中，與此同時(shí)再次饋入新的 磁疇。因此，在n應(yīng)和化個(gè)磁疇的情況下旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的單值性結(jié)束。外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反方向旋 轉(zhuǎn)最終將為螺線完全地清空磁疇，從而在超過最大可探測(cè)的轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)后在相反方向中也不再 能夠?qū)崿F(xiàn)任何單值的計(jì)數(shù)。
[0006] 根據(jù)WO 2009/027046 Al的建議已經(jīng)關(guān)注前述的問題的消除，其中，提出了一種磁 性轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)用于單值地確定旋轉(zhuǎn)元件的可預(yù)給定的待確定的轉(zhuǎn)數(shù)，其中，根據(jù)設(shè)有磁系統(tǒng)的 待檢測(cè)元件的待測(cè)量的轉(zhuǎn)數(shù)來設(shè)置多個(gè)傳感器元件，該磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)允許檢測(cè)所設(shè)置的所 有傳感器元件，其中，所述傳感器元件配有可預(yù)先確定的并且保持固定的數(shù)量的磁疇。所述 磁疇根據(jù)本建議被引入到分別自身封閉的環(huán)中，所述環(huán)包括至少一個(gè)鐵磁性的或軟磁性的 層，其中，指向環(huán)內(nèi)部的、尖形終止的翻轉(zhuǎn)與所述環(huán)相對(duì)應(yīng)，并且從一個(gè)環(huán)到一個(gè)環(huán)地相互 有偏差地限定地確定對(duì)于每個(gè)環(huán)所設(shè)置的翻轉(zhuǎn)的數(shù)量。借助于在那設(shè)置的電接觸裝置，允 許檢測(cè)可預(yù)給定的環(huán)區(qū)段在由于所述磁系統(tǒng)的外部旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在所述預(yù)給定的環(huán)區(qū)段中的 作用而發(fā)生磁疇位置變換后的電阻變化，所述電阻值能夠輸送至分析單元用于與旋轉(zhuǎn)元件 的轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。在該建議中設(shè)置的分別自身封閉的環(huán)能夠彼此嵌套或者并排地布置在基 體上。借助于該解決方案能夠解決在一開始描述的在同時(shí)降低總電導(dǎo)軌長(zhǎng)度的情況下所需 要的電壓差和在可預(yù)給定的邊界內(nèi)一對(duì)一地計(jì)數(shù)的問題。然而，在該建議的范圍中所需要 的尖部終止的翻轉(zhuǎn)對(duì)制造技術(shù)提出了巨大的要求。尖部相當(dāng)精確并且必須在小于15°的角 度中實(shí)施。如果為此不想動(dòng)用非常耗費(fèi)的并且由此又昂貴的技術(shù)諸如FIB(focused ion beam:聚焦離子束），則至少在更大的尖部數(shù)量時(shí)借助于微影（Iithograf isch)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù) 非?？焖俚剡_(dá)到在可實(shí)現(xiàn)的良品率方面的邊界。因此，該建議僅僅有條件地適合于具有較 少廢品的大量物美價(jià)廉的傳感器批量生產(chǎn)。
[0007]此外，在先前的解決方案中存在另一個(gè)問題，該問題存在于沒有連續(xù)地相等的磁 疇電導(dǎo)軌寬度。為此，對(duì)于運(yùn)類的所有傳感器適用的是，必須首先指出W下事實(shí):存在用于 作用于傳感器的磁場(chǎng)的向下和向上受限制的磁場(chǎng)范圍，在該磁場(chǎng)范圍中實(shí)現(xiàn)該傳感器或者 傳感器系統(tǒng)的安全功能性。只僅僅在最小磁場(chǎng)(在下面為Hmin)之上，才使磁疇100%運(yùn)動(dòng)通 過該結(jié)構(gòu)并且可靠地阻止兩個(gè)磁疇相遇及其與此伴隨的毀滅并且因此可靠阻止磁疇數(shù)量 的非期望的減小。但同時(shí)，也不允許該磁場(chǎng)過大，W致于產(chǎn)生非期望的磁疇。也就是說存在 一個(gè)不允許被超過的磁場(chǎng)Hmax。因此，傳感器的磁場(chǎng)范圍必須總是在Hmin之上并且在Hmax之 下。對(duì)于傳感器的每個(gè)所設(shè)置的應(yīng)用有利的是，Hmin很小并且Hmax很大而且因此所謂的磁窗 AH = Hmin-Hmax盡可能大。參量Hmax主要與所使用的層堆疊的一部分的橫截面有關(guān)，磁疇在該 層堆疊中運(yùn)動(dòng)。運(yùn)與其厚度成比例并且間接地與其寬度成比例。最小磁場(chǎng)與該層的粗糖度 有關(guān)。在恒定的絕對(duì)粗糖度的情況下隨著寬度的增加 Hmin下降。
[000引在根據(jù)WO 2009/027046 Al的建議中現(xiàn)在看出：在尖部的下端的匯聚的位置，磁疇 電導(dǎo)軌寬度的至少兩倍的擴(kuò)寬是不可避免的，運(yùn)將導(dǎo)致上面的場(chǎng)Hmax的顯著下降。如果為此 在所述尖部的此端部仍然具有典型的可制造的最小曲率半徑200皿(運(yùn)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的DUV晶片 步進(jìn)機(jī)而言為典型可達(dá)到的值），則該寬度上升到~600nm。該擴(kuò)寬將導(dǎo)致在其中該傳感器 工作的磁窗的最大允許的上面的場(chǎng)顯著降低。該值在第一近似中間接地與條帶寬度(在此 = 200nm)成比例，即降低到通過20化m的條帶寬度在理論上真正能夠?qū)崿F(xiàn)的值的~33%的 一個(gè)值上。
[0009] 不同電導(dǎo)軌寬度的影響的最后一個(gè)問題在DE 10 2010 022 611 Al中通過W下方 式解