[发明专利]传感器轴承中所用的传感器组件

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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-board signal treatment)。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。

发明内容

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，本发明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。

在本发明的实施例中，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。

在本发明的优选实施例中，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。