传感器轴承中所用的传感器组件制造技术

本发明专利技术涉及一种传感器轴承中所用的传感器组件，该传感器组件包括至少两个传感器单元(12a-12d)，其配置成相对于轴承的旋转轴以不同的角位置设置在传感器轴承的环上，其中传感器单元(12a-12d)的每一个包括至少一个霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)。提出了不同传感器单元(12a-12d)的至少两个霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)在反平行方向上配线，以便补偿霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)的偏移电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】传感器轴承中所用的传感器组件
本专利技术涉及传感器轴承中所用的传感器组件以及制造传感器组件的方法。
技术介绍
包括绝对角传感器的传感器轴承广泛地用来服务运动控制、电动机控制和通讯，特别是在高温和/或高速情况下。这样的电动机应用领域可为矿山、水泥、矿物、油/气钻井、化学和矿物冶炼工艺、越野电动车辆、混合电动汽车和卡车，以及围绕内燃机的用于辅助设备的电动机，辅助设备例如用于电动涡轮压缩的电动机/发电机、电动空气进气压缩机、双离合制动器电动机、涡轮可变几何制动器、涡轮废气阀门制动器、空气加热、冷却和通风压缩机、水泵、启动-停止电动转换器、轻度和全混合电动机-发电机的传感器。轴承中所用的绝对角传感装置通常由具有至少一个北极和一个南极的磁环制成，并且以规则的距离各向同性地分布两个或多个模拟霍尔传感器。附加纠正重量的传感器使其能直接显示输出电压，其表示相对于(通常固定)传感器采集，(通常)旋转的磁环的角度正弦和余弦。具有半导体传感器的角度传感轴承通常限于150-175℃范围以下的环境温度，因为需要高集成度的磁传感器以及产生于硅的模拟和/或数字处理部件(例如，运算放大器、AD转换器等)。信号处理部件可用于的环境温度超过175℃，但是它们比用于工业传感器轴承的汽车级等价物贵100至1000倍。高温磁传感器是可行的，但通常是以取代Si材料的GaAs、GaN或SiC的高温半导体的具有传感器区域(马耳他十字设计的形状)的霍尔板的形式。今天市售的这些霍尔元件可用于GaAs中，但是没有任何的放大、缓冲或板载信号处理(on-boardsignaltreatment)。硅中的所有模拟和数字处理的集成水平已经获得巨大成功以及随后的每年几亿件的产量，从而降低了硅霍尔传感器的成本，但是至今无法用于高温半导体中。可应用于汽车工业的成本制约加强限制用于轴承的绝对角传感器的可能的选择。对于可能发生高温处的应用，例如，靠近刹车的轮子轴承或内燃机中的轴承，这些限制不允许使用信号处理元件，例如放大器，仅可采用单元霍尔传感器和无源部件。采用高温磁传感器时的问题之一在于，例如GaAs基霍尔元件的这些传感器相对于平均参数具有较大的偏移、增益和其它变化。然而，常规的制造工艺能在散布于相同晶片上的所有这样霍尔元件上非常精确地再现错误。这意味着这些霍尔元件的霍尔桥电阻、霍尔电压偏移以及霍尔增益可能一批一批地从典型的规范中严重偏离，但是在一批传感器中，这些数字非常稳定。
技术实现思路
为了在成本和产量方面满足工业需求的传感器轴承中提供用于绝对角传感的设置方案，从而，本专利技术提出采用至少两个霍尔板，特别是从一个半导体晶片中切割的，并且提出配线该霍尔板，以形成补偿电路来补偿导致各霍尔板的偏移、增益或其它参数的变化的公差。对于来自一个晶片的个体，霍尔电阻几乎相同，根据需要能够直接将传感器输出配线成平行或反平行方式。可以将成对的该霍尔板与反平行配线结合，从而两个这样传感器的电路抵消，特别是偏移不需要进一步的校准。在本专利技术的实施例中，提出了分布多个传感器单元，其每一个包括一对霍尔板，其中每对中的个体设定为具有反平行配线的“不同的”磁场传感器，并且以有意义的几何图案围绕该磁环的圆周分布该传感器单元，以具有正弦和余弦输出，同时也抑制或衰减该磁环的磁场的不希望的谐波含量。在本专利技术的优选实施例中，提出了霍尔板是GaAs板。发现偏移电压Voffset在GaAs基单元中有很高的再现性，特别是当来自一个晶片而不像在硅基单元中时。于是，这些单元可围绕磁环设置，以这样的方式使他们取样由于磁环被感应引起的磁场变化。优选地，通过采用一对以反平行方式电连接的传感器来进行偏移的抵消。如果没有磁环是可行的，这可能是物体以一定的速度旋转时的情况，其中离心力禁止使用基于通常可用的材料的磁环，于是可变磁阻的方案原则上也是可能的。该方案可能需要形成不同电桥的传感器对、偏置磁系统以及铁素体钢环，其成型为改变磁场方向和强度，从而易于通过以反平行配线的两个距离接近的霍尔元件来观察。因此，抵消了偏移并且抵消了总偏置场结果，仅磁场尺寸和方向的调整是可见的。于是，组合多个规则间隔的传感器对将允许基于绝对角传感系统的可变磁阻，该系统不仅可以在高于通常可行的温度情况下运行，而且可以以较高的速度来实现。本专利技术优选采用径向磁环来提供(合理的)磁场和围绕该环布置的成对的霍尔传感器，该环遵循奠定在本文中的优化规则。霍尔传感器实际上提供的电压输出是来自具有传感器灵敏度轴的环的磁矢量的乘积(in-product)。因此，该电压是角度的函数，其可以由表示角度α的(所需)正弦函数及其(通常不希望的)较高谐波(即sin(n*α)，式中n≥2)的傅里叶之和来表示。对于较好情况的磁环，场是对称的，因此平均谐波通常非常小。环也可具有一个以上的磁极对。为了说明本专利技术，假设一个磁极对。当本专利技术概括为具有一个以上的磁极时，相对于环的磁性图案的周期，在下面给出的相位延迟与相位角相关，其中，以周期的模来取相位角。已知的硅基模拟霍尔传感器被大量使用，并且包含所有的性质，其中，CMOS和以标准硅晶片制造的混合信号可以带来除了处于高温时的性能之外的性能。实际上，超过175摄氏度时，泄漏电流支配着信号，并且传感器不再起作用。在高温情况下可用的传感器通常由具有足够带隙的半导体材料制造，该带隙在价带与导带之间，从而高温下的热产生的泄漏电流是足够小的。当前可用的装置包括由GaAs制成的霍尔传感器。如此制成的霍尔元件仅包括以单片半导体材料方式的霍尔板，并且它通常不包含类似于可操作放大器、多路器等的有源电子部件。然而，在未来，这样的部件可能以合理的费用用于高温应用。电压可作为差分输出。这些传感器的行为像下面详细描述的电阻器桥和电压源。很多应用中的进一步的问题在于，信号基本上为敏感的DC信号，其作为来自附图中所示的设置方案的输出，这在例如具有矢量驱动的电动机的高电磁噪声水平的环境下是不可行的。因此，根据本专利技术的一个方面，提出了霍尔传感器设置方案用AC电源来驱动，AC电源具有由需要说明它的控制器单元产生的载波频率。该AC驱动可在这样的条件下应用，霍尔传感器的基板用DC偏压来形成良好的非导电和低电容屏障，避免了霍尔元件和基板之间的电流泄漏。差分AC信号可被滤波和放大，然后使用振幅响应的同步检测可被解调返回到与计算的角度成比例的代表值。这样，半导体有效地模拟更加复杂和庞大的感应单元，例如常规所用的RVDT和解析器，同时与这些已知的和设计式部件向后兼容。本专利技术的上述描述以及所附权利要求、附图和下面优选实施例的描述以特定的组合方式示出了本专利技术的多个特征。本领域的技术人员能够容易地想到这些特征的其它组合或子组合，以使限定在权利要求中的本专利技术适用于其的特定需求。附图说明图1是本专利技术的设置方案中所用的配线高温霍尔传感器板的示意图。图2是图1的配线高温霍尔传感器板的等效电路图。图3是本专利技术第一实施例的示意图。图4是根据图3的传感器设置方案的配线方案的示意图。图5a-5c是示出图3和4中各霍尔传感器板的输出电压和图4中电路的差分输出的曲线图。图6是本专利技术第二实施例的示意图。图7是根据图5的传感器设置方案的配线方案的示意图。具体实施方式图1示出了本专利技术的设置方案中所用的配线高温霍尔传感器板10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器轴承中所用的传感器组件，该传感器组件包括至少两个传感器单元(12a‑12d)，其配置成相对于该轴承的旋转轴以不同的角位置设置在该传感器轴承的环上，其中该传感器单元(12a‑12d)的每一个包括至少一个霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)，其特征在于，不同传感器单元(12a‑12d)的至少两个霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)在反平行方向上配线，以便补偿该霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)的偏移电压。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.05.22 EP PCT/EP2013/0604861.一种传感器轴承中所用的传感器组件，该传感器组件包括至少两个传感器单元(12a-12d)，其配置成相对于该轴承的旋转轴以不同的角位置设置在该传感器轴承的环上，其中该传感器单元(12a-12d)的每一个包括至少一个霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)，其特征在于，不同传感器单元(12a-12d)的至少两个霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)在反平行方向上配线，以便补偿该霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)的偏移电压；第一传感器板的正输出与第二传感器板的负输出连接，反之亦然。2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，该霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)形成为GaAs半导体板。3.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其中，该至少两个霍尔传感器板(IC1、IC2、IC11、IC12)由相同的半导体晶片制造。4.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，该至少两个传感器单元(12a、12b；12c、12d)以90°至180°之间，不包括90°和180°，的角距离来设置。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：HA莫尔，
申请(专利权)人：斯凯孚公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE