Sensoren mit integrierten Back-Bias-Magneten zur genauen Geschwindigkeitsmessung im Kraftfahrzeug Präzision ist gefragt - AutomobilKONSTRUKTION

Sensoren mit integrierten Back-Bias-Magneten zur genauen Geschwindigkeitsmessung im Kraftfahrzeug

Präzision ist gefragt

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Für die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlmessung in der Fahrzeugtechnik haben sich magnetische Sensorsysteme durchgesetzt, da sie eine geringe Verschleißanfälligkeit zeigen und hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit genügen, auch unter sehr rauen Umwelt- bedingungen.

Der Autor: Michael Westpfahl, Manager Product Marketing, Infineon Technologies AG, München

Mit den iBB (integrated Back Bias)-Lösungen von Infineon stehen sehr empfindliche Magnetsensoren zur Verfügung, die den erforderlichen Bias-Magneten bereits vormontiert haben und zwar optimal positioniert bzw. geformt. Damit entfällt das Risiko, dass während der nachträglichen Montage der Arbeitspunkt des Sensormoduls verschlechtert wird.
Magnet-basierte Sensoren sind ideal für die präzise Geschwindigkeitsmessung in rauen Umgebungen – robuster und zuverlässiger als optische Lösungen. Wichtige Zielanwendungen sind die Messung der Radgeschwindigkeiten als Eingangsgrößen für Sicherheitssysteme (z. B. ABS, ASR, ESP), die Ermittlung der Posi- tion und Drehzahl von Kurbel- und Nockenwelle oder die Messung von Zahnradgeschwindigkeiten in automatischen Getrieben.
Digitales Schaltsignal
Drehzahlsensoren liefern ein digitales Schaltsignal, das die mechanischen Zahnflanken (dafür ist ein zusätzlicher Permanentmagnet erforderlich) oder bei einem Polrad die magnetischen Domänen abbildet. Dabei ist das erstere Verfahren das gängigere und deutlich kostengünstigere. In ca. 70 % aller Nockenwellensensor-Applikationen und ca. 85 % aller Getriebesensor-Applikationen kommen daher Zahnrad-Lösungen mit externem Permanentmagneten zum Einsatz. Dieser Magnet wird üblicherweise auf der Rückseite des Sensor ICs angebracht, weshalb er als „Back-Bias“-Magnet bezeichnet wird.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen mit externem Back-Bias-Magneten wird bei dem iBB-Konzept von Infineon ein polymergebundener Permanentmagnet als Teil des Sensorgehäuses mittels eines innovativen Parallel-Spritzgussprozesses in das Bauelement integriert. Er stellt das für Magnetsensoren notwendige magnetische Bias-Feld zur Verfügung. Eine speziell geformte, isolierende Chipumhüllung, z. B. in Dach- oder Säulenform, definiert die räumliche Magnetfeldverteilung, wodurch der Arbeitspunkt des Bauelements optimiert wird.
Insbesondere bei hochempfindlichen Sensoren ist die Positioniergenauigkeit des Permanentmagneten eine Herausforderung. Das Magnetfeld eines Permanentmagneten in der Nähe seiner Polfläche ist stark inhomogen. Sowohl vertikale als auch horizontale Abweichungen von der Sollposition des Magneten relativ zum Sensorchip beeinflussen das Magnetfeld am Sensorort signifikant. Entsprechend verschiebt sich der Arbeitspunkt der Sensorkennlinie. Herstellungsbedingte Fluktuationen des Sensors werden üblicherweise vor der Magnetmontage im Rahmen einer Kalibrierung berücksichtigt. Dies ist die übliche Lieferform; erst die Kunden der Sensorlieferanten montieren den Magneten. Arbeitspunktverschiebungen durch unbefriedigende Magnetpositionierung sind dann nicht mehr korrigierbar.
Optimierte Magnetfeld-Formung
Im Vergleich zu anderen Sensor-Technologien besitzen die auf dem GMR-Effekt basierten Drehzahlsensoren von Infineon eine höhere Sensitivität und einen hervorragenden Signal-Rausch-Abstand (SNR). Damit können höchste Genauigkeitsanforderungen zukünftiger Motoren- und Getriebegenerationen erfüllt und Kosten für Magnetkreise gesenkt werden. Zusätzlich kann ein höherer Leseabstand des Sensors erreicht werden. So kann der Sensor außerhalb des Getriebegehäuses angebracht werden. Allerdings erfordert der Einsatz von GMR Sensoren in Back-Bias-Anwendungen eine optimale Platzierung und Form des Permanentmagneten.
Die gängige Verkaufsform für die Magnetsensoren ist ein Standard-Plastikgehäuse: Der Sensorchip wird auf ein metallisches Stanzgitter (Leadframe) montiert, drahtkontaktiert und per polymerer Pressmasse umhüllt. Ein Kondensator wird als optionaler EMV-Schutz eingesetzt. Die weitere Verarbeitung erfolgt z. B. durch Einlegen dieses Sensors zusammen mit dem Magneten in einen Zwischenträger. Diese Anordnung wird nach Kontaktierung des Kabels erneut Kunststoff umspritzt. In dieser Form kann das Sensormodul dann ins Fahrzeug eingebaut, z. B. geschraubt, werden.
Bei dem iBB-Konzept von Infineon erfolgt die primäre Pressmassen-Einhüllung des Sen- sorchips in einer Geometrie, welche die gewünschte Magnetfeldformung für die jeweilige Applikation bereits berücksichtigt. Der polymergebundene Magnet wird auf diese Anordnung gespritzt. Die spritztechnische Anpassung der vorgeformten Chipumhüllung ermöglicht also, die räumliche Magnetfeldverteilung so zu formen, dass ein optimaler Arbeitspunkt erreicht wird.
Zu den verschiedenen applikationsspezifischen Magnetfeldformungen zählt die Standardgeometrie, die vor allem für Hallsensoren verwendet wird, für die meist ein maximales Bias-Feld angestrebt wird. Eine andere Geometrie führt zu einem möglichst senkrechten Durchgang des Magnetflusses durch den Sensor. (Eliminierung der Lateralkomponente – vor allem relevant für GMR-Anwendungen). Bei einer säulenförmigem Chipeinhüllung beim Magnetspritzen kann auch ein hohlzylindrischer Permanentmagnet erzeugt werden. Als Folge wird ohne äußere Feldmanipulation – z. B. durch Bewegung eines Zahnrades – das Bias-Feld am Ort des Sensors minimal. Für bestimmte Applikationen ist dies die optimale Konfiguration, beispielsweise für Nockenwellen-Anwendungen. Das iBB-Lösungskonzept bringt auch signifikante Vorteile in Mono-Hall-basierten Nockenwellen-Sensoren mit Ringmagnet, insbeson- dere im Hinblick auf die Präzision. Denn um die Motor-Performance (z. B. Einspritzzeitpunkt etc.) und damit auch die Effizienz bzw. Emission zu verbessern, muss die komplette Systemgenauigkeit optimiert werden. Und hier geht die präzise Erfassung der Magnetposition bzw. die genaue Messung des jeweiligen Zahnes/Lücke sowie der Offset mit ein. Außerdem ist für das iBB-Design keine spezielle IP erforderlich.
Innovatives Fertigungskonzept
Der Sensorchip wird mit Standard-Montageprozessen auf ein Stanzgitter (Leadframe) platziert und kontaktiert. Danach erfolgt die Chipumhüllung mit üblichen Duroplast-Pressmassen. Die erforderliche Geometrie ist durch einfache Anpassung des Spritzwerkzeuges realisierbar. Neben der zur Magnetfeldformung erforderlichen Pressmassengeometrie besteht der eigentlich innovative Fertigungsschritt in der direkten Anspritzung von polymergebundenem, magnetischem Verbundmaterial an das vorgeformte Gehäuse. Das Material besteht aus einer Thermoplastmatrix, die hochgefüllt ist mit Magnetpartikeln, z. B. auf Basis von Hartferrit oder NdFeB. Das Spritzgießwerkzeug wird dabei so ausgelegt, dass ein simultaner Verguss von mehreren auf einem Leadframestreifen angeordneten Bauteilen möglich ist (Parallel-Prozessierung). Nach erfolgtem Vereinzeln der Teile aus dem Stanzgitterverbund, der Aufmagnetisierung und einem elektrischen Endtest können die Bauelemente ausgeliefert werden.
Halle 4, Stand 550
Infineon, Tel.: 089 234-24497,
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