DE112010004674B4

DE112010004674B4 - Verfahren und Vorrichtung für ein erhöhtes Frequenzansprechverhalten von magnetischen Fühlern

Info

Publication number: DE112010004674B4
Application number: DE112010004674.3T
Authority: DE
Inventors: John Sauber
Original assignee: Allegro Microsystems Inc
Current assignee: Allegro Microsystems Inc
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2030-11-13
Also published as: JP5676635B2; DE112010004674T5; US20110133732A1; JP2013513104A; WO2011068653A1

Abstract

Gerät mit integrierter Schaltungspackung, umfassend: einen leitfähigen Leiterrahmen (102); und ein magnetisches Fühlerelement, welches auf dem Leiterrahmen (102) angeordnet ist; wobei der Leiterrahmen (102) eine T-Förmige Schlitzkonfiguration (150) aufweist, um einen Wirbelstromfluss um das magnetische Fühlerelement zu vermindern und die Schlitzkonfiguration (150) einen ersten Schlitz (152) enthält, welcher im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Schlitz (154) verläuft und sich der erste Schlitz (152) unter dem Fühlerelement erstreckt, wobei sich der zweite Schlitz (154) nicht unter dem Hallelement (104) erstreckt, um Wirbelströme von dem Hallelement wegzuhalten, und wobei die Schlitzkonfiguration (150) derart angeordnet ist, dass diese den kreisförmigen Weg um den Außenrand des Leiterrahmens (102) unterbricht, und wobei die Schlitzkonfiguration (150) derart angeordnet ist, dass diese die Wirbelströme (50) zu einem Fluss über den oberen Rand (158) des Fühlers (104) zwingt, anstatt zu einem Fluss um den gesamten Sensor herum in einem kreisförmigen Weg.

Description

HINTERGRUND
Wie in der Technik bekannt enthalten magnetische Fühler typischerweise ein Halleffekt-Zellenelement auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung, welches auf einem metallischen Leiterrahmen angeordnet ist. Der Fühler ist mit dem Leiterrahmen über Drähte verbunden und mit thermisch härtendem Kunststoff überdeckt. Während solche magnetischen Fühler für die Detektierung statischer Magnetfelder geeignet sein können, werden bei höheren Frequenzen zunehmend Wirbelströme in den leitfähigen Leiterrahmen in Abhängigkeit von der Änderung des Magnetfeldes erzeugt. Typischerweise fließt der Wirbelstrom in kreisförmiger Richtung um den Leiterrahmen, wie dies in 1 gezeigt ist. Die Wirbelströme fließen in kreisförmigen Schleifen senkrecht zu der Richtung des magnetischen Flussvektors. Die Wirbelströme erzeugen ein entgegengesetztes Magnetfeld unterhalb des Halleffektelements, welches unannehmbar große Fehler in der vom Fühler detektierten magnetischen Feldstärke verursachen kann.
Während Versuche nach dem Stande der Technik gemacht wurden, Schlitze in dem Leiterrahmen vorzusehen, um den Wirbelstromfluss zu vermindern, liefern solche Schlitze nur begrenzte Verminderung der Wirbelstrompegel. Das an Hayat-Dawoodi erteilte US-Patent, US 6 853 178 B2 , zeigt beispielsweise verschiedene Schlitze durch den Leiterrahmen und gekreuzte Schlitze. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Schlitzkonfigurationen nach dem US-Patent, US 6 853 178 B2 , weniger effektiv als einfachere bekannte Schlitzkonfigurationen waren, beispielsweise ein linearer Schlitz von dem Rand eines Leiterrahmens aus.
US 2008/0 013 298 A1 offenbart Verfahren und Vorrichtungen, welche einen Sensor vorsehen, der eine integrierte Komponente aufweist, der mit einem Trägerrahmen (Leadframe) gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform beinhaltet der Trägerrahmen Schlitze, um Wirbelströme zu verringern.
EP 1 891 452 B1 offenbart einen Stromsensor mit einem Trägerrahmen mit einer Mehrzahl von Anschlüssen, wobei der Sensor eine elektromagnetische Schirmung aufweist, die in der Nähe zu einem oder mehreren Feldwandler(n) angeordnet ist, wobei die Schirmung einen Schlitz aufweist, um Wirbelströme zu verringern.
DE 10 2004 054 317 A1 offenbart eine Strommessvorrichtung zur Messung eines Stromes, welcher in einem Stromkanal fließt, der mit einem der Strommessung bedürfenden Stromkreis verbunden ist, in dem der Stromkanal so angeordnet ist, dass er einen vorbestimmten Punkt auf einem Substrat mit darauf gebildetem Stromkreis umgibt, und ein magnetisches Messelement zur Umwandlung eines magnetischen Flusses, der entsprechend der Größe eine am vorbestimmten Punkt oder in seine Nähe auftretenden Stromes erzeugt wird, in eine Spannung, so dass die Strommessvorrichtung eine Verringerung der Kosten und der Zahl der Montageschritte ermöglicht, notwendigen Platz spart, und Strommessung mit einem hohen Grad an Stabilität und Genauigkeit zur Verfügung stellt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Gerät gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung schafft Verfahren und Vorrichtungen für einen magnetischen Fühler mit einer Schlitzkonfiguration in einem Leiterrahmen, welche in wirksamer Weise den Wirbelstromfluss vermindert und eine gleichförmige magnetische Feldstärke über die Breite eines Fühlerelements hin, beispielsweise einer Halleffektzelle, schafft. In einer beispielsweisen Ausführungsform enthält die Schlitzkonfiguration einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz, welche zusammen eine T-Form ergeben. Während beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung mit bestimmten Geometrien, Bauteilen und Anwendungen gezeigt und beschrieben sind, versteht es sich, dass die Ausführungsformen der Erfindung auf magnetische Fühler im allgemeinen anwendbar sind, bei welchen es wünschenswert ist, den Wirbelstromfluss zu vermindern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Gerät mit integrierter Schaltungspackung einen leitfähigen Leiterrahmen und ein magnetisches Fühlerelement, welches auf dem Leiterrahmen angeordnet ist, wobei der Leiterrahmen eine Schlitzkonfiguration aufweist, um den Wirbelstromfluss um den magnetischen Fühler herum zu reduzieren, wobei die Schlitzkonfiguration einen ersten Schlitz aufweist, der im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Schlitz verläuft und wobei der erste Schlitz sich unter dem Fühlerelement erstreckt.
Das Gerät kann weiter eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten: der zweite Schlitz ist im Allgemeinen parallel zu einem Rand des Fühlerelements, der erste Schlitz erstreckt sich zu einem Rand des Leiterrahmens hin, der erste Schlitz ist länger als der zweite Schlitz, der zweite Schlitz liegt nicht unter dem Fühlerelement, ein Abschnitt des zweiten Schlitzes befindet sich unter dem Fühlerelement, die Enden des zweiten Schlitzes sind gerundet, und das Gerät erzeugt eine im Allgemeinen gleichförmige magnetische Flussdichte über eine Breite des Fühlerelements hin.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren die Schaffung eines Geräts mit integrierter Schaltungspackung, wobei das Verfahren Folgendes vorsieht: Bereitstellen eines leitfähigen Leiterrahmens und Bereitstellen eines magnetischen Fühlerelements, welches auf dem Leiterrahmen angeordnet ist, wobei der Leiterrahmen eine Schlitzkonfiguration enthält, um den Wirbelstromfluss um den magnetischen Fühler zu vermindern und die Schlitzkonfiguration einen ersten Schlitz enthält, der im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Schlitz verläuft, und wobei der erste Schlitz sich unter dem Fühlerelement erstreckt.
Das Verfahren kann weiter eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen: der zweite Schlitz ist im Wesentlichen parallel zu einem Rand des Fühlerelements, der erste Schlitz erstreckt sich zu einem Rand des Leiterrahmens hin, der erste Schlitz ist länger als der zweite Schlitz, der zweite Schlitz liegt nicht unter dem Fühlerelement, ein Teil des zweiten Schlitzes befindet sich unter dem Fühlerelement, Enden des zweiten Schlitzes sind gerundet, und das Gerät erzeugt eine im Wesentlichen gleichförmige magnetische Flussdichte über eine Breite des Fühlerelements hin.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorgenannten Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie diese selbst werden voll umfänglich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen verständlich. In diesen stellen dar:
1 eine schematische Abbildung des Wirbelstromflusses in einem magnetischen Fühler nach dem Stande der Technik;
2A bis 2D schematische Darstellungen eines magnetischen Fühlers mit einer Schlitzkonfiguration in einem Leiterrahmen gemäß beispielsweisen Ausführungsformen der Erfindung;
2E bis 2G schematische Abbildungen von alternativen Schlitzkonfigurationen;
3 eine schematische Abbildung des Wirbelstromflusses um ein magnetisches Fühlerelement und die Schlitzkonfiguration; und
4 eine graphische Darstellung der magnetischen Flussdichte für bekannte Schlitzkonfigurationen und eine Schlitzkonfiguration nach der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung schafft Verfahren und Einrichtungen für die Verminderung von Wirbelströmen in einem magnetischen Fühler durch Schaffung einer Schlitzkonfiguration in einem Leiterrahmen. In einer beispielsweisen Ausführungsform enthält die Schlitzkonfiguration einen ersten Schlitz und einen zweiten Schlitz, welche zusammen eine T-Form bilden. Es versteht sich, dass die Schlitze im Leiterrahmen so gebildet sind, dass sie den Fluss der Wirbelströme verhindern. Mit dieser Anordnung werden Wirbelströme im Vergleich zu Schlitzkonfigurationen nach dem Stande der Technik vermindert.
Die 2A bis 2C zeigen ein Beispiel eines magnetische Fühlers 100, welcher einen leitfähigen Leiterrahmen 102 mit einem auf diesem angeordneten magnetischen Fühlerelement 104 umfasst. In einer Ausführungsform ist das magnetische Fühlerelement 104 als ein Hallelement ausgebildet. Der Fühler 104 kann mit dem Leiterrahmen über Drähte gekoppelt sein. Die zusammengebaute Anordnung kann mit einem thermisch gehärteten Kunststoff oder einem anderen Material umkleidet sein, um eine integrierte Schaltungspackung zu erhalten, wie dies in der Technik bekannt ist.
Der Fühler 100 enthält eine Schlitzkonfiguration 150, um Wirbelströme zu vermindern, welche um das magnetische Fühlerelement 104 herum fließen. In einer beispielsweisen Ausführungsform enthält die Schlitzkonfiguration 150 einen ersten Schlitz 152 und einen zweiten Schlitz 154, welche zusammen im Wesentlichen eine T-Form bilden. Das bedeutet, der erste Schlitz 152 verläuft im Wesentlichen senkrecht zu dem zweiten Schlitz 154. Es versteht sich, dass der Ausdruck ”im Wesentlichen senkrecht”, wie er hier gebraucht wird, bedeutet, dass der Winkel des zweiten Schlitzes 54 relativ zu dem ersten Schlitz 152 90° plus oder minus 20° beträgt.
In einer beispielsweisen Ausführungsform erstreckt sich der erste Schlitz 152 unter dem Hallelement 104 zu einem Rand des Leiterrahmens. In einer Ausführungsform ist eine Längsachse 170 des ersten Schlitzes 152 auf die Mitte des Hallelements ausgerichtet. Im Allgemeinen verhindert der erste Schlitz 152 den Fluss von Wirbelströmen unterhalb des Fühlers 104, um Fehler zu reduzieren.
In einer Ausführungsform verläuft eine Längsachse 160 des zweiten Schlitzes 154 im Wesentlichen parallel zu einem Rand 180 des quadratischen oder rechteckigen Hallelements 104. In der dargestellten Ausführungsform befindet sich der zweite Schlitz 154 nicht unter dem Hallelement 104. In anderen Ausführungsformen liegt mindestens ein Teil des zweiten Schlitzes 154 unter dem Hallelement, wie dies in 2D gezeigt ist. In beispielsweisen Ausführungsformen sind Enden des Schlitzes 154 zur Vermeidung von Ecken gerundet.
Während der erste und der zweite Schlitz mit geradlinigen Seiten gezeigt sind, versteht es sich, dass die Schlitze auch durch bogenförmige Seiten begrenzt sein können. Das bedeutet, die Schlitze können konkave und konvexe Krümmungen aufweisen, wie dies die 2E und 2F zeigen.
Weiter können in anderen Ausführungsformen der erste und/oder der zweite Schlitz sich in der Breite ändern. Wie etwa in der Ausführungsform gemäß 2G dargestellt ist, kann der erste Schlitz 152'; sich bei seinen Übergängen in den zweiten Schlitz erweitern.
Es versteht sich, dass bestimmte bauliche Begrenzungen eingehalten werden müssen, um die strukturelle Integrität eines Geräts einzuhalten. In einer besonderen Ausführungsform hat der erste Schlitz 152 eine maximale Breite von etwa 0,3 mm, um ein GaAs-Hallelement auf dem Leiterrahmen befestigen zu können, so dass der erste Schlitz 152 überbrückt wird. Zusätzlich mag ein Kompromiss bei der Anordnung des zweiten Schlitzes 154 getroffen werden. So kann es wünschenswert sein, den zweiten Schlitz 154 weiter oben am Leiterrahmen (ein längerer erster Schlitz 152 ist vorgesehen) anzuordnen, um Wirbelströme von dem Hallelement wegzuhalten, doch begrenzt die mechanische Bearbeitung der Anordnung die Lage des zweiten Schlitzes auf einem vorbestimmten Abstand von einem entfernten Rand 175 des Leiterrahmens. Dieser Abstand von dem Rand 175 kann erforderlich sein, um die strukturelle Integrität aufrechtzuerhalten, wenn beispielsweise die Verbindungsstücke 177 am Leiterrahmen während des Vereinzelungsvorgangs entfernt werden.
Wie in 3 gezeigt unterbricht die Schlitzkonfiguration 150 den kreisförmigen Weg um den Außenrand des Leiterrahmens 102 (siehe 1) und zwingt die Wirbelströme 50 zu einem Fluss über den oberen Rand 158 des Fühlers 104 anstatt zu einem Fluss um den gesamten Sensor herum in einem kreisförmigen Weg. Dies vermindert wesentlich das entgegengerichtete Magnetfeld, welches durch die Wirbelströme 50 verursacht wird und vermindert dadurch wesentlich einen Ausgangsfehler bei hohen Frequenzen; beispielsweise erzeugt die Konfiguration gemäß 1 nach dem Stande der Technik Fehler von mehr als 10% bei Frequenzen bis hinunter zu 1 kHz.
4 zeigt einen graphischen Vergleich der magnetischen Flussdichte, welche auf einen magnetischen Fühler für eine Reihe von verschiedenen Schlitzkonfigurationen wirkt. Eine erste Kurvenlinie 400 der Flussdichte gilt für einen geradlinigen Schlitz von 0,2 mm Breite. Eine zweite Kurve 402 gilt für einen geradlinigen Schlitz 8 von 0,2 mm Breite und einer Länge, welche größer ist als diejenige des Schlitzes der ersten Kurve. Eine dritte Kurve 404 gilt für einen geraden Schlitz von 0,3 mm Breite. Eine vierte Kurve 406 gilt für einen T-förmigen Schlitz entsprechend den beispielsweisen Ausführungsformen der Erfindung.
Man erkennt, dass Fehler in der magnetischen Feldstärke über die Halleffektzelle am niedrigsten für die T-Schlitzkonstruktion 406 und für die Konstruktion gemäß Kurve 4 des ersten 0,2 mm breiten Schlitzes sind. Obwohl die Fehler geringfügig niedriger für die Konstruktion gemäß Kurve 400 mit dem ersten, 0,2 mm breiten Schlitz als für den T-förmigen Schlitz gemäß Kurve 406 sind, besteht mehr ein Bereich, welcher mehr parametrische Streuung bei einer statistischen Verteilung der Fühleranordnung erzeugt. Zusätzlich herrscht für die erste Schlitzkonstruktion mit 0,2 mm breitem Schlitz gemäß Kurve 400 ein wesentlich größerer Magnetflussgradient über die Hallzelle hin im Vergleich zu der erfindungsgemäßen T-Form-Schlitzkonfiguration nach Kurve 406. Es ist leicht zu erkennen, dass der Gradient die Genauigkeit des Fühlerausgangs herabsetzt. Mindestens aus diesen Gründen ergibt sich ohne weiteres, dass die erfindungsgemäße Schlitzkonfiguration in T-Form den linearen Schlitzkonfigurationen überlegen ist.
In einer beispielsweisen Ausführungsform hat der erste Schlitz eine Breite von etwa 0,2 mm und eine Länge von etwa 1,1 mm und der zweite Schlitz hat eine Breite von etwa 0,2 mm und eine Länge von 0,8 mm. Die Schlitze können so schmal sein, wie die Herstellungstechnologie des Leiterrahmens (Stanzung oder Ätzung) es erlaubt. Die Schlitze müssen lang genug sein, um die Wirbelströme daran zu hindern, unter der Zelle zu zirkulieren, jedoch kurz genug, um nicht die bauliche Integrität des Leiterrahmens zu gefährden. In einer beispielsweisen Ausführungsform bestimmt sich ein geeigneter Kompromiss durch eine elektromagnetische Analyse, um den Fehler aufgrund von Wirbelströmen zu bestimmen, und eine bauliche Analyse, um sicherzustellen, dass die Festigkeit der Konstruktion für die Bearbeitung und die Anforderungen im endgültigen Gebrauch ausreichen.
Es versteht sich, dass jedes geeignete magnetische Fühlerelement, welches das Magnetfeld senkrecht zu dem Fühler detektiert, als das hier genannte Gerät dienen kann. Beispiele für Elemente umfassen: Hall-Zellen, GaAs-Zellen und dergleichen.
Nach der Beschreibung beispielsweiser Ausführungsformen der Erfindung ergibt es sich für die Fachleute auf diesem Gebiete, dass andere Ausführungsformen mit entsprechenden Konzepten ebenfalls verwendet werden können. Die hier enthaltenen Ausführungsformen sind nicht im Sinne einer Beschränkung auf die offenbarten Ausführungen zu verstehen, sondern sind nur durch die anliegenden Ansprüche definiert. Sämtliche Veröffentlichungen und Bezugnahmen, welche hier ausdrücklich genannt sind, seien hier in ihrer Gesamtheit einbezogen.

Claims

Gerät mit integrierter Schaltungspackung, umfassend: einen leitfähigen Leiterrahmen (102); und ein magnetisches Fühlerelement, welches auf dem Leiterrahmen (102) angeordnet ist; wobei der Leiterrahmen (102) eine T-Förmige Schlitzkonfiguration (150) aufweist, um einen Wirbelstromfluss um das magnetische Fühlerelement zu vermindern und die Schlitzkonfiguration (150) einen ersten Schlitz (152) enthält, welcher im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Schlitz (154) verläuft und sich der erste Schlitz (152) unter dem Fühlerelement erstreckt, wobei sich der zweite Schlitz (154) nicht unter dem Hallelement (104) erstreckt, um Wirbelströme von dem Hallelement wegzuhalten, und wobei die Schlitzkonfiguration (150) derart angeordnet ist, dass diese den kreisförmigen Weg um den Außenrand des Leiterrahmens (102) unterbricht, und wobei die Schlitzkonfiguration (150) derart angeordnet ist, dass diese die Wirbelströme (50) zu einem Fluss über den oberen Rand (158) des Fühlers (104) zwingt, anstatt zu einem Fluss um den gesamten Sensor herum in einem kreisförmigen Weg.
Gerät nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Schlitz (154) im Wesentlichen parallel zu einem Rand des Fühlerelementes verläuft.
Gerät nach Anspruch 1, bei welchem der erste Schlitz (152) sich zu einem Rand des Leiterrahmens (102) hin erstreckt.
Gerät nach Anspruch 1, bei welchem der erste Schlitz (152) länger als der zweite Schlitz (154) ist.
Gerät nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Schlitz (154) nicht unter dem Fühlerelement liegt.
Gerät nach Anspruch 1, bei welchem ein Teil des zweiten Schlitzes (154) unter dem Fühlerelement liegt.
Gerät nach Anspruch 1, bei welchem die Enden des zweiten Schlitzes (154) gerundet sind.
Gerät nach Anspruch 1, bei welchem das Gerät eine im Wesentlichen gleichförmige Intensität des Magnetflusses über eine Breite des Fühlerelementes hin erzeugt.
Verfahren, welches folgendes umfasst: Bereitstellen eines Gerätes mit integrierter Schaltungspackung, welches einen Leiterrahmen (102) enthält; und Bereitstellen eines auf dem Leiterrahmen (102) angeordneten magnetischen Fühlerelementes; wobei der Leiterrahmen (102) eine Schlitzkonfiguration (150) aufweist, um Wirbelstromfluss um den magnetischen Fühler herum zu vermindern, wobei die Schlitzkonfiguration (150) einen ersten Schlitz (152) im Wesentlichen senkrecht zu einem zweiten Schlitz enthält (154) und der erste Schlitz (152) sich unterhalb des Fühlerelements erstreckt, wobei sich der zweite Schlitz (154) nicht unter dem Hallelement (104) erstreckt, um Wirbelströme von dem Hallelement wegzuhalten, und wobei die Schlitzkonfiguration (150) derart angeordnet ist, dass diese den kreisförmigen Weg um den Außenrand des Leiterrahmens (102) unterbricht, und wobei die Schlitzkonfiguration (150) derart angeordnet ist, dass diese die Wirbelströme (50) zu einem Fluss über den oberen Rand (158) des Fühlers (104) zwingt, anstatt zu einem Fluss um den gesamten Sensor herum in einem kreisförmigen Weg.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der zweite Schlitz (154) im Wesentlichen parallel zu einem Rand des Fühlerelements verläuft.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der erste Schlitz (152) sich zu einem Rand des Leiterrahmens (102) hin erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der erste Schlitz (152) länger als der zweite Schlitz ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der zweite Schlitz (154) sich nicht unter dem Fühlerelement befindet.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem ein Teil des zweiten Schlitzes (154) sich unter dem Fühlerelement befindet.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Enden des zweiten Schlitzes (154) gerundet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Gerät eine im Wesentlichen gleichförmige Intensität des magnetischen Flusses über eine Breite des Fühlerelements hin erzeugt.