具有提高的抗干扰磁场能力的用于计数转数的磁性系统

背景技术

磁性传感器可以探测磁场的特性、例如所述磁场的场方向。所述磁性传感器的一个实例是角度传感器。其他类型的磁性传感器可以确定，磁场多久旋转一次。这种转数计可以例如由如同作为充分公知的现有技术那样的GMR转数计或TMR转数计构成。除了传感器功能以外，所述传感器通常也还包含存储功能，也就是说，所述传感器存储，例如永磁体多久旋转一次。转数的数量的确定根据现有技术主要结合角度传感器进行，所述角度传感器确定磁场的准确的方向。因此，要测量例如0°至3600°范围内的角度的测量系统可以例如包括：角度传感器，其用于(例如在使用AMR(各向异性磁阻角度传感器)的情况下)确定0°和180°之间的角度或者(在使用GMR或TMR角度传感器或霍尔传感器或另外的角度传感器的情况下)确定0°和360°之间的角度；以及转数计，所述转数计允许求得转数的数量，其在前述实例中为0至10。两个传感器、即角度传感器和转数计设计为单独制造的元器件并且通常并排地布置在电路板上。附加地，如同已述的那样，包含评估电子元件的元器件可以布置在电路板上。如同例如在EP 3387387 B1中描述的那样，所述元器件可以进行两个传感器的信号的评估、进行电源电压的提供以及也进行故障监测。在角度传感器和转数计上方可以安置旋转的永磁体，所述永磁体的横向延伸这样被确定，以使得在永磁体下方的杂散磁场充分地包围所提及的两个传感器。然而可例如作为磁性尺工作的磁体的线性布置也在转数计运动经过磁性尺时产生旋转的磁场，该磁场可以借助于转数计被用于实现距离测量。

两个元器件(角度传感器和转数计)的具体的布置通过所述两个元器件的特性影响，所述两个元器件同时被永磁体的磁场覆盖。所述两个元器件在此可以例如并排地布置在电路板上。在这个几何结构中，所述两个元器件经受到相同的磁通量B，所述磁通量由永磁体在元器件的平面中产生。

如下所述地，下述布置具有优点，在该布置中，在转数计的位置处的磁通量B小于在角度传感器的位置处的磁通量。这可以例如通过将两个元器件布置在几毫米厚的电路板的对置的侧上实现。由此使永磁体与一个元器件的间距增大电路板的厚度。如果所述转数计布置在电路板下方，则转数计的位置处的磁通量B由于增大的间距而小于角度传感器的位置处的磁通量，该角度传感器更靠近地经受永磁体的场B。一个另外的可能的布置可以通过磁性屏蔽层实现，在该布置中，转数计的位置处的B场小于角度传感器的位置处的B场，所述磁性屏蔽层布置在转数计上方。两个传感器则可以布置在电路板的相同的侧上。然而角度传感器和转数计必须在所述情况中具有较大的间距，因为否则屏蔽层以不期望的方式也减小角度传感器的位置处的B场。

当在传感器的位置处存在由所述的永磁体产生的磁通量B的大的值(≥100mT)时，磁性角度传感器达到其最高的精度。相比之下，所述转数计仅仅可以在磁性窗口内提供对转数的数量的无误差的确定，所述磁性窗口可以例如从15mT延伸到30mT。为了能够借助于角度传感器将角度例如更好地确定为0.05°而需要至少100mT的传感器磁场。而对于转数计则允许传感器磁场仅仅为对于角度传感器最优的值的23％、即23mT，以便自身理想地位于B磁场区域的中心，所述转数计在该B磁场区域中无误差地工作。

由于对影响两个需要的元器件的磁场的不同的要求，对于前面设想的布置出现下述缺点：

两个元器件在无屏蔽层的电路板上的几何相邻的布置不能高度准确地确定角度，因为所述转数计将角度传感器的位置处的B场典型地确定为23mT，否则所述转数计不能在其预定的磁性窗口内工作。

在较厚的电路板的两个对置的侧上的布置允许，两个传感器在所述两个传感器理想的B磁场区域中工作。然而电路板的厚度必须准确地与传感器磁体相匹配并且例如在使用具有另外的几何形状的永磁体(例如用于较小的测量系统)的情况中被改变。两个传感器在芯片壳体中的集成在预定小的结构尺寸的情况中在所述实施方案中是不可能的。

在转数计上方的、由均匀的软磁材料构成的磁性屏蔽层的使用虽然实现两个传感器在相同的电路板侧的布置并且所述两个传感器在最优的B场区域中的相应的运行，但是在共同的小的芯片壳体中的集成由于角度传感器与位于转数计上方的磁性屏蔽层的在此需要的间距而是不可能的，因为所述屏蔽层首先必须以大约60％横向地超出转数计并且还必须附加地与角度传感器横向地以磁性屏蔽层的横向尺寸的至少50％的数量级隔开间距，由此所述屏蔽层作用基本上局限于转数计并且仅仅微不足道地影响角度传感器的位置处的B场。

特别是对于不使用屏蔽层的两个布置的共同之处是，外部对传感器系统起作用的干扰磁场的影响必须通过适合的结构措施而充分强地减小。当大的电流在传感器系统附近流动时，可以例如产生所述干扰场。出现干扰场的另外的可能性在于在传感器系统、例如照明灯附近使用具有粘结磁体的物体。

因此对于所有应用必须在传感器系统的设计中通过下述结构措施确保，在传感器系统的运行中使作用于转数计的B场始终处于磁性窗口的特定的预定区域内。

这在下述实例中说明，其中，例如传感器磁体的在20 -25mT范围内的B场在真实条件下作用于转数计。所述范围例如取决于传感器磁体的磁化的温度相关性以及取决于在运行期间永磁体的可能的不期望的机械运动，所述机械运动微小地改变磁体与转数计所在的平面的间距。这在30mT的最大允许的B场的情况中意味着，整个系统的结构必须这样设计，以使得在转数传感器的位置处的作用于整个系统的干扰磁场始终处于5mT以下。当这在传感器的使用条件下不能被确保时，则这必须借助附加的屏蔽措施实现。这通常要求高的结构花费和材料花费并且与显著的附加成本相关。

为了将转数计的位置处的B场调节到所述转数计的磁性窗口中而在转数计的位置处使用软磁的屏蔽层来改善所述转数计的抗干扰场能力。为此例如实施为软磁的盘的磁性屏蔽层必须具有为传感器的横向延伸的大约30％的垂直间距。屏蔽层自身必须在转数计的2mm的横向延伸的情况中具有至少4mm的横向延伸和0.5mm的厚度，以根据要求确保在转数计的区域内的B场。因为角度传感器不允许被屏蔽层覆盖，以达到所述角度传感器的高的测量精度，所以所述角度传感器必须相对于转数计具有大约6mm的最小间距，这使得两个传感器的横向地窄的布置或者角度传感器、转数计和评估电子元件在芯片上和在通常类型的共同的壳体中的集成不可能。同时永磁体必须横向增大地实施，由此两个传感器处于B场的均匀的区域中。然而大的永磁体引起整个传感器系统的显著的成本份额。如果实现角度传感器和转数传感器彼此非常靠近地定位时，则可以使用较小的永磁体并且由此节省成本。如果还可以至少将角度传感器和转数计集成到壳体中，则这与传感器在单独的壳体中的使用相比降低了总价格。此外节省了装配成本。

如同DE 10 2008 063 226 A1所描述的转数计包含磁性导体，磁畴壁在所述磁性导体中运动。所述磁性导体可以是GMR堆叠(Giant magneto resistance，巨磁阻)的或TMR堆叠(Tunneling magneto resistance，隧道磁阻)的部分并且以螺旋形状制造。这种螺旋体的磁性窗口可以例如通过堆叠中的软磁结构的宽度调设。较窄的宽度实现磁性窗口的下限值和上限值的更大值。对于应在100mT下工作的转数计，结构宽度必须减小到以往使用的～350nm的结构宽度的

发明内容

本发明的任务在于，给出一种具有提高的抗干扰磁场能力的用于计数转数的磁性系统，所述磁性系统可以被使用在磁场区域(B磁场区域)中，该磁场区域明显超过根据现有技术通常的方式所使用的磁场区域。此外，磁性窗口的宽度ΔB、即可允许使用的下限B值和上限B值之间的差应该是尽可能大的。

该任务通过权利要求1的区别特征来解决。本发明的本质在此在于，转数计配置有在其磁性作用方面自动适应的磁阻尼结构，但由匀质软磁材料构成的部分除外，所述磁阻尼结构在外部磁场为零时不具有自身磁场或者仅仅具有可忽略地小的自身磁场。有利的设计方案是从属权利要求的内容。

附图说明

用于具体地阐述本发明应使用下述实施例。附图中：

图1示出角度传感器和转数计的根据现有技术通常的布置；

图2示出根据本发明的一个基本的实施方案；

图3示出角度传感器、转数计和必要时评估电子元件在芯片中的示例性的集成；

图4示出根据本发明使用的磁阻尼结构的第一实施可能性；

图5示出根据本发明使用的磁阻尼结构的第二实施可能性；

图6示出根据本发明使用的磁阻尼结构的第三实施可能性；

图7示出根据本发明的磁阻尼结构的作用的示例性的视图；

图8以俯视图和以横截面图示例性地示出磁阻尼结构的两个不同的几何构型；

图9示出阻尼结构在转数计的磁敏部分上方的示例性的布置；

图10示出阻尼结构在转数计的磁敏部分下方的示例性的布置；

图11示出角度传感器和转数计与评估电子元件一起在电路板上的示例性的布置；和

图12示出角度传感器和转数计在共同的壳体中的示例性的布置。

具体实施方式

图1首先示出现有技术中常见的磁性转数计的基本实施方案，在本发明中原则上也将保留该基本实施方案。在电路板105上示例性地布置角度传感器101、转数计102和具有评估电子元件103的元器件。角度传感器101和转数计102在本实例中由永磁体100覆盖，所述永磁体将两个元器件101和102均匀地覆盖并且能够绕着所述永磁体的轴线X-X旋转，并且角度传感器和转数计被所述永磁体的B磁场以相同的方式覆盖。

图2示出根据本发明的一个基本的实施方案。在此，转数计102在内部集成地被配置磁阻尼结构200，所述磁阻尼结构是智能的，也就是说，在磁性作用方面自动适应。图2在第一实例中示出阻尼结构200在转数计102内部的位置。所述根据本发明的转数计102也可以直接在角度传感器101旁边被安置在电路板105上。于是这两个传感器恰好如同在图1中示出的那样被由永磁体100产生的磁场覆盖。

具有评估电子元件103的芯片同样可以布置在电路板105上。出于成本原因非常有利的是，角度传感器和转数计和必要时评估电子元件集成在共同包含所有所述的元器件的芯片104中，如同在图3中示意性地示出的那样。

磁性的智能的阻尼结构200的作用使得能够明显地增大磁性窗口，例如从以往通常的15mT-30mT(在不使用根据本发明的阻尼结构200的情况下)增大到在使用阻尼结构200的情况下的60mT-120mT。磁性窗口的宽度在这个实例中在此从15mT增大到60mT、即4倍。当传感器在90mT下运行时，最大允许的干扰磁场可以为30mT并且由此大致以倍数6增大。这明显简化了转数计的使用，因为否则根据现有技术通常的单独的、在此未示出的磁性屏蔽层变得更简单或者甚至完全变得多余。这节省了成本并且为磁性转数计开辟了新的应用领域。根据本发明的这个解决方案的一个重要的优点在于，通过新型的阻尼结构200能实现将角度传感器101及转数计102和必要时还有评估电子元件103也集成在芯片104中。这种集成可能性允许使用在其几何尺寸上缩小的永磁体100。这一点以及装配花费的降低导致能与以往根据现有技术实现的解决方案相比更加价廉的解决方案。

下面要借助多个特定的实例阐述根据本发明的磁阻尼结构200的特定的设计方案。根据本发明应在阻尼结构200中使用下述磁性材料，该磁性材料基于其固有特性在外部磁场为B＝0时不产生或者仅仅产生非常小的自身B场并且在该磁性材料反复磁化时不产生磁性损失或者仅仅产生小的磁性损失。

当磁阻尼结构由上下堆叠的、在平面中磁化的并且在此相应地反平行定向的子层402构成，所述子层的相应的厚度选择为使得所述子层相互磁补偿时，这可以如同在图4中对于第一实例和两个随后可能的布置示出的那样实现。当薄的铁磁层402通过例如铜或钌的超薄层401分隔开时，产生层402的反平行的定向。当Ru的厚度处于0.8nm和1nm之间或者Cu的厚度为大约1nm或大约2nm时，例如产生反平行的取向。用于区域402的磁化的完全平行的定向所需的B场B

在图4中在左边示出在这个实施例的框架内的一个另外的可能的布置，其中，上方的铁磁层和下方的铁磁层402仅仅具有另外的铁磁的层的一半厚度。在根据图4的两个配置中，在B＝0时并且由此在所有单个磁化的层402的完全的反平行位态中所述层的向外作用的B场等于零。

在图5中示出磁阻尼结构200的一个另外的根据本发明的设计方案。在本实例中在左边示出3层堆叠，该堆叠包括一个铁磁层502，该铁磁层由两个非铁磁的层501限界。如果层501的材料例如由Pt、Pd、Ta或MgO构成，则层502的垂直的磁化在能量上是优选的。由于磁杂散场能量使相邻的区域在此反平行地在层平面的法线n的方向上定向。由此在外部磁场B＝0时又存在不产生自身B场的层结构。对于1.5nm厚的被包围在MgO中的Fe

图6示出磁阻尼结构200的根据本发明的第三实施可能性。在此示意性地示出由小的超顺磁颗粒602构成的集合，每个超顺磁颗粒自身都具有超顺磁矩并且无序地定向并且被嵌入到非磁性的基体601中。所述层结构在外部磁场B＝0时不具有净磁矩。例如可以使用具有10nm至20nm的直径的磁性颗粒作为颗粒602。随着在层平面中施加磁性B场，净磁化在最近的附近处线性地随着B场增大并且在B

也就是说，根据前面的实施例的、由磁性反平行地或磁性无序地定向的颗粒区域构成的配置的共同之处是，所述颗粒区域在外部磁场B＝0时不产生或者仅仅产生可忽略地小的自身B场。为了将例如设置用于磁阻尼结构200的横向延伸的结构的所有磁性部分区域在一个方向上、例如在平面中磁化而需要饱和磁场B

如果使前述的阻尼结构成为确定的几何形状、例如厚度d和直径D的盘(参见图8)，则在施加磁场时所述盘产生杂散磁场并且具有杂散场能量。所述杂散场能量又影响磁化并且可以借助于磁性形状各向异性(Shape anistropy)来描述。为了消除杂散场能量而需要场B

如果磁性层如同上面在前述的可能性中所描述的那样由层堆叠构成，则两个前述的效应相加地叠加。这意味着，在平面中必须施加更大的B场B

如果使用例如20m厚度和1000μm直径的圆形的盘用于根据本发明的磁阻尼结构200，由15nmCoFe/0.8nmRu/[30nmCoFe/0.8nm Ru]

下面应借助图7描述设计为盘的智能的磁阻尼结构200的作用，所述磁阻尼结构经受均匀的B场。在Y轴上以水平线标出转数计102的B

对于阻尼结构200的圆形的设计方案的在此所述的情况(相应于图8左边)，盘的磁性特性在平面中的所有方向上在是相同的，也就是说，在阻尼结构上方和下方作用的B场在数值上对于B场的在平面中的所有方向是相同的。这对于如同由DE102008063226公知的螺旋状设计的转数计是期望的特性。

在使用例如专利EP 30664218 B1中所述的所谓的ClosedLoop结构的情况中，这是不同的。所述几何形状使用螺旋，所述螺旋的两个端部彼此连接。由此出现磁性线路的交叉。在交叉处，磁性导体的宽度在交叉的对角线的方向上增大大约45％。这导致，在0°方向上的磁性窗口不同于在45°方向上的磁性窗口。当阻尼结构不再是圆形的，而是具有如同在图8中右边示出的形状时，这种差别可以被补偿。根据本发明，因此对于用于基于ClosedLoop结构(EP 30664218 B1)工作的转数计的阻尼结构提出，阻尼结构不再圆形地设计而是如同在图8中右边示出的那样在选择的方向上被改变。以所述方式能够通过选择阻尼盘的几何形状容易地调整关于B场在不同的方向上的差别，在所述几何形状中横向延伸在不同的方向上是不同的。如果盘在一个方向上在直径上增大20％，则B

阻尼结构200紧邻转数计的磁敏部分201的布置示例性地在图2、9和10中被阐述。图2示意性示出地转数计芯片的横截面。转数计的功能部分所在的硅基底204粘接到转数计的壳体206的底板上。转数计的施加在Si基底204上的焊盘结构205的电连接通过焊线207实现，所述焊线将位于Si基底204上的焊盘205与壳体的焊盘208连接。为了将芯片钎焊到电路板105(参见图3)上而使用钎焊触点211。施加到Si基底上的结构包含转数计的功能结构201、金属化结构202以及焊盘205。所述结构至少部分地以绝缘层203覆盖。根据本发明的阻尼层200仅仅被施加在Si基底的部分区域中并且在具有小的横向超出部的情况下完全覆盖对于转数计的功能相关的结构201。因此所述阻尼层的横向总延伸可以小于Si基底204的面积。同样用作平面化层的绝缘层209可以位于阻尼层200下方。

阻尼结构200的层可以如同在图9和10(出自图2的圆形区段210)中示出的那样不仅布置在结构201上方而且布置在该结构下方。这与下述情况相关，即由阻尼结构200产生的B场在阻尼结构200上方和下方是几乎相同的，因为这两个位置的几何间距小于与永磁体的间距。绝缘层如同下面给出的那样即为仅仅几μm厚，GMR或TMR层仅仅为大约70nm并且201与100的间距始终为1mm的最小大小。

从图2出发可看出，阻尼层横向地占据下述范围，所述范围小于本来用于焊盘所需的空间需求。因为绝缘层和中间层203和209的厚度仅仅处于几μm的范围内，所以阻尼结构必须也仅仅以几μm至几十μm横向地超出转数计的磁敏结构201，以便将仅仅在阻尼结构的端部处产生的效应在其影响上充分地减小到最小程度。通常对于根据本发明的所有实施例适用的是，阻尼层200在横向延伸中横向地超出转数计102的软磁的GMR或TMR结构201不大于30％。由此可看出，新的结构型式在空间需求上不超过以往的结构型式，并且现在甚至当角度传感器和转数计不单独地被封装时，通过两个传感器的共同封装甚至可以使所述两个传感器更紧密相邻地(间距<200μm)布置，因为图2中所示的阻尼结构200的延伸明显小于转数计102。在不共同封装的情况下，转数计同样可以在不丢失前述优点的情况下紧密相邻于(间距<200μm)角度传感器布置。由此结果是，通过转数计102紧密相邻于角度传感器101同样如同在将两个部分共同封装在共同的壳体中那样实现较小的永磁体100，这又随之带来明显更小的整个系统并且永磁体的减小的成本。

用于图4和5中所示的系统的阻尼层200的制造技术能够通过阴极溅渡过程实现并且可以由此在与转数计自身的制造相同的生产过程中实施。

通过所提出的阻尼结构200可以实现磁性转数计的明显改善的抗干扰场能力，由此在使用中特别是对于其他情况所需的磁性屏蔽层的成本可以被减小或者甚至可以完全被取消。

附加地，由阻尼层的受限的横向延伸决定地，所提出的解决方案实现如图11和12中所示的角度传感器和转数计以及必要时评估电子元件也(如同在图3中示出的那样)集成在共同的包括所有元器件的共同的严密密封的外壳213中。通过本发明实现，角度传感器101与转数计102的间距确定为小于500μm的数量级。对于外壳213可以使用商业上可提供的芯片壳体。这减小整个系统的结构花费，能实现更紧凑的解决方案并且由此节省显著的成本。通过本发明也可以使用较小的永磁体100，这进一步降低了整个系统的成本。转数计102的通过本发明变宽的磁性窗口同样获得对永磁体100的更低的公差要求。

附图标记列表

100 永磁体

101 角度传感器

102 转数计

103 评估电子元件

104 具有角度传感器和转数计的芯片

105 电路板

200 阻尼结构

201 作为用于引导磁畴的GMR或TMR堆叠的组成部分的软磁导体

202 金属化部

203 绝缘中间层

204 硅基底

205 具有触点开口的触点

206 芯片下方部分(壳体)

207 焊线

208 芯片壳体中的触点盘

209 平面化层

210 标记的圆(用于之后在图9和10中的描述)

211 SMD焊盘

212 作为GMR或TMR角度传感器的组成部分的软磁导体

213 外壳

401 非铁磁的薄层

402 铁磁薄层

501产生层502的磁性垂直各向异性的层

502 铁磁薄层

601 非磁性的基体

602(超顺)磁性颗粒。