用于旋转或线性距离的绝对计数的磁传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种用于旋转或线性距离的绝对计数的磁传感器，所述传感器在多种
技术领域、尤其是在汽车制造和工业自动化中能够得到有利的应用。特别地，所提出的传感 器的新型结构应能够实现数量级为4000的高转数或者数量级为20000mm的较大的距离的无 接触式且无电流式计数，运对于多种技术应用而言是有利的。但是为了求取较小的转数，所 提出的传感器在同时最简单的构造的情况下也明显是有利的，例如在汽车制造中可用于精 确地确定内燃机的时钟并且能够例如与角度传感器一起承担凸轮轴的功能并且因此取代 昂贵的构件。
【背景技术】
[0002] 用于根据不同的物理原理确定角度位置的传感器广泛使用。它们的共同点在于， 传感器信号在360°之后是周期性的，也就是说该传感器不能在10°和370°之间进行区分。因 此，对于在超过360°后还必须确定角度一一例如对于汽车中的方向盘就是运种情况一一的 任务提出，要求运样的传感器必须与另一传感器组合在一起，该另一传感器必须能够确定 转数。然后与旋转计数器组合地，能够在10°和370°之间进行区分。为了确定转数已知一些 解决方案，其中，通过具有N条螺线臂的螺线的头数(Gang)机械式地推断出转数(例如1至 5)。其他的解决方案利用机械传动装置结合两个或者更多个角度传感器。根据对传动装置 结构的认识W及与传动装置的不同齿轮连接的磁体的角度位置也能够确定0至5*360°之间 的角度。所有方案的共同点是，它们为了进行实现都需要一机械机构，即运些方案不是无接 触式的并且由此不是无磨损的。而对于许多应用、尤其是在汽车中的应用而言，需要一种无 接触式的解决方案。运也能够如此实现，使得在每个时刻(持续)地确定角度位置并且W运 样的方式能够将从359°至360°的过渡与角度0°进行区分。其前提是，传感器W及所属的存 储元件持续地被供W电能。运与汽车制造中的W下要求相惇：即例如当车载电子装置与电 池断开时在例如0°至5*360°范围内的绝对角度的确定也必须是成功的。
[0003] 由Posital公司（WWW.pos1:al.de，公司消息："Kraftwerk im Encoder(编码装置中 的发电装置开发了一种转数的无接触式计数，该计数原则上已经达到上述要求。在 该计数中利用霍耳传感器来确定角度(0-360°)。在该计数中转数的测量借助于所谓的韦根 丝(Wieganddraht)来实现。该丝具有特殊的磁特性，该特殊的磁特性负责，通过几毫米长的 丝在每一转之后通过磁畴壁的突然运动而产生一个短促但强度足够的电压脉冲，该电压脉 冲可被写入一铁电随机存储器(FeRAM),而无需化RAM与电池连接。因此，运种解决方案满足 对于无磨损和无接触地确定转数的要求并且在无需施加电源的情况下也能够对旋转进行 计数，直至所使用的化RAM的最大存储容量。然而，运样的解决方案被汽车工业所拒绝，因为 由于韦根丝的宏观尺寸的缘故而不能够实现成本有利的制造和成形并且由于FeRAM的高欧 姆输入端也会产生电磁兼容性问题。
[0004] 由EP 1 740 909 BUWO 2005/106395)已知另一种满足上述要求的用于旋转计数 的传感器元件。该传感器元件具有一个具有N应的纵长延伸的螺线的形式并且由具有巨磁 阻效应(GMR)的层堆叠构成。该传感器元件的GMR层系统基本上由一限定基准方向的硬磁层 和一软磁层构成，硬磁层与软磁层通过非磁性的中间层隔开。待检测的旋转外部磁场足够 强W便通过磁畴壁的运动来改变软磁层的磁化方向，但对于与纵长延伸的螺线的直段相平 行的硬磁层的磁化方向的改变而言过弱。因此，该传感器W电阻变化来对旋转磁场作出反 应，其中，在可计数范围O至N转的范围内W2N+1的电阻值的形式来记录整转W及半转。在 此，每个电阻值均一对一地与半数或者整数的旋转值相对应。在此，当磁场没有转动时，其 磁结构保持不变。在转动时磁化方向发生变化，而与电阻值是否被读取无关。也就是说:该 系统在没有供电或者没有功率的状态下也能够记录旋转磁场的所有变化并且仅仅对于读 取即确定电阻才需要电源。
[0005] 运种装置具有W下缺点，基于所使用的存储器几何尺寸的缘故(每一转都需要一 个完整的螺线应），在计数较大的转数时，螺线必须在几何尺寸上非常大。由此一方面会提 高了在螺线制造中出现的缺陷导致失效并且因此导致良品率降低的概率。另一方面也因此 增大忍片面积W及因此提高用于运样的传感器的成本。此外，EP 1 740 909 Bl所披露的方 案在螺线应数较大时也会在确定转数时自动出现问题。由一转至下一转所得出的可利用的 电压差会按1/螺线应数来缩放。对于N〉10至N〉〉10,该电压差对于准确的分析处理而言明显 过小。如其在所提及的专利中给出的一个替代方案那样虽然在更大转数时允许完整的磁阻 差，但是同样具有长的螺线的缺点，并且通过W下方式获得大差值的优点：替代两个电接触 部地，所有形成一个非封闭式回路的螺线部件必须设有四个电接触部并且被电子式读取和 处理。在N=IOO时已经得出四百个接触部并且因此在电路技术上的大的耗费。此外在前述 的解决方案中还有W下问题，即在达到在螺线电导轨中可引导的最大磁畴之后该电导轨完 全配有磁畴并且在每个后续的半转中一磁畴离开该电导轨，其中，与此同时再次馈入新的 磁畴。因此，在n应和化个磁畴的情况下旋转计数的单值性结束。外部旋转磁场的反方向旋 转最终将为螺线完全地清空磁畴，从而在超过最大可探测的转旋转后在相反方向中也不再 能够实现任何单值的计数。
[0006] 根据WO 2009/027046 Al的建议已经关注前述的问题的消除，其中，提出了一种磁 性转数计用于单值地确定旋转元件的可预给定的待确定的转数，其中，根据设有磁系统的 待检测元件的待测量的转数来设置多个传感器元件，该磁系统的磁场允许检测所设置的所 有传感器元件，其中，所述传感器元件配有可预先确定的并且保持固定的数量的磁畴。所述 磁畴根据本建议被引入到分别自身封闭的环中，所述环包括至少一个铁磁性的或软磁性的 层，其中，指向环内部的、尖形终止的翻转与所述环相对应，并且从一个环到一个环地相互 有偏差地限定地确定对于每个环所设置的翻转的数量。借助于在那设置的电接触装置，允 许检测可预给定的环区段在由于所述磁系统的外部旋转磁场在所述预给定的环区段中的 作用而发生磁畴位置变换后的电阻变化，所述电阻值能够输送至分析单元用于与旋转元件 的转数进行对应。在该建议中设置的分别自身封闭的环能够彼此嵌套或者并排地布置在基 体上。借助于该解决方案能够解决在一开始描述的在同时降低总电导轨长度的情况下所需 要的电压差和在可预给定的边界内一对一地计数的问题。然而，在该建议的范围中所需要 的尖部终止的翻转对制造技术提出了巨大的要求。尖部相当精确并且必须在小于15°的角 度中实施。如果为此不想动用非常耗费的并且由此又昂贵的技术诸如FIB(focused ion beam:聚焦离子束），则至少在更大的尖部数量时借助于微影（Iithograf isch)的标准技术 非常快速地达到在可实现的良品率方面的边界。因此，该建议仅仅有条件地适合于具有较 少废品的大量物美价廉的传感器批量生产。
[0007]此外，在先前的解决方案中存在另一个问题，该问题存在于没有连续地相等的磁 畴电导轨宽度。为此，对于运类的所有传感器适用的是，必须首先指出W下事实:存在用于 作用于传感器的磁场的向下和向上受限制的磁场范围，在该磁场范围中实现该传感器或者 传感器系统的安全功能性。只仅仅在最小磁场(在下面为Hmin)之上，才使磁畴100%运动通 过该结构并且可靠地阻止两个磁畴相遇及其与此伴随的毁灭并且因此可靠阻止磁畴数量 的非期望的减小。但同时，也不允许该磁场过大，W致于产生非期望的磁畴。也就是说存在 一个不允许被超过的磁场Hmax。因此，传感器的磁场范围必须总是在Hmin之上并且在Hmax之 下。对于传感器的每个所设置的应用有利的是，Hmin很小并且Hmax很大而且因此所谓的磁窗 AH = Hmin-Hmax尽可能大。参量Hmax主要与所使用的层堆叠的一部分的横截面有关，磁畴在该 层堆叠中运动。运与其厚度成比例并且间接地与其宽度成比例。最小磁场与该层的粗糖度 有关。在恒定的绝对粗糖度的情况下随着宽度的增加 Hmin下降。
[000引在根据WO 2009/027046 Al的建议中现在看出：在尖部的下端的汇聚的位置，磁畴 电导轨宽度的至少两倍的扩宽是不可避免的，运将导致上面的场Hmax的显著下降。如果为此 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径200皿(运对于标准的DUV晶片 步进机而言为典型可达到的值），则该宽度上升到~600nm。该扩宽将导致在其中该传感器 工作的磁窗的最大允许的上面的场显著降低。该值在第一近似中间接地与条带宽度(在此 = 200nm)成比例，即降低到通过20化m的条带宽度在理论上真正能够实现的值的~33%的 一个值上。
[0009] 不同电导轨宽度的影响的最后一个问题在DE 10 2010 022 611 Al中通过W下方 式解