旋转部件的转数和/或位置的探测装置.pdf

本发明提供了一种旋转部件(1)的转数和/或位置的探测装置，该装置包括至少一个与旋转部件(1)固定连接的磁性传感元件(4)和一个与传感元件(4)共同作用的磁场传感器(5)，该磁场传感器用来探测磁场变化并与一个分析电路连接。磁场传感器(5)包括至少一个传感元件，该传感元件用一种具有CMR(Collosal磁阻)效应的传感材料制成。

1.  旋转部件(1)的转数和/或位置的探测装置，包括至少一个与旋转部件(1)固定连接的磁性的传感元件(4)和一个与该传感元件(4)共同作用的磁场传感器(5)，该磁场传感器用来探测磁场变化并与一个分析电路连接，其特征为，磁场传感器(5)包括至少一个传感元件(51至54)，该传感元件用一种具有CMR(Collosal磁阻)效应的传感材料制成。

2.  按权利要求1的装置，其特征为，该传感材料包括一种具有Heusler相的金属间化合物，例如Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al、Co₂Cr_0.2Fe_0.4Ga和/或Co₂Cr_0.2Mn_0.8Al。

3.  按权利要求1或2的装置，其特征为，该传感材料包括一种电绝缘的化合物，例如Al₂O₃。

4.  按权利要求1至3任一项的装置，其特征为，传感元件(51至54)是一个惠斯登桥电路(30)的组成部分。

5.  按权利要求4的装置，其特征为，惠斯登桥电路(30)配置四个用传感材料制成的传感元件(51至54)。

6.  按权利要求1至5任一项的装置，其特征为，至少一个传感元件(51至54)呈螺旋状设置在磁场传感器(5)上。

7.  按权利要求1至6任一项的装置，其特征为，传感元件(51至54)布置在一种载体材料上并形成一层或一个层叠。

8.  按权利要求7的装置，其特征为，该载体材料由一个硅晶片或陶瓷衬底构成。

9.  按权利要求1至8任一项的装置，其特征为，在该传感元件上作用一个辅助磁场。

10.  按权利要求9的装置，其特征为，该辅助磁场通过一个安装在该磁场传感器上的辅助磁铁来产生。

11.  按权利要求10的装置，其特征为，该辅助磁铁由一层淀积在该传感元件上的薄层构成。

旋转部件的转数和/或位置的探测装置
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1前序部分详细定义的旋转部件的转数和/或位置的探测装置。
背景技术
这种装置例如在DE 196 47 420 A1中已知，用来探测汽车内燃机的旋转部件的转数。
这种公知的装置设计成磁阻式装置并表示一种所谓的GMR(巨磁阻)传感器，这种传感器包括一个由铁磁性和非磁性的若干薄层组成的层序列，该层序列与一个设计成磁极转子的传感轮共同作用。这种传感器按一个惠斯登电桥电路的原理构成，其中，桥电路的四个单独电阻分别由一个GMR传感元件构成。传感轮和传感器相互这样布置，使桥电路的两半电桥位于不同的磁场内，所以在电桥输出端上有一个电压差。在传感轮旋转时，与两半电桥配置的磁场发生变化，所以电桥输出端上的电压差也发生变化。
GMR传感器存在的问题是，设置由多层薄层组成的层序列需要花费高昂的设备费用。
在汽车技术和工业自动化的领域中，磁场传感器目前以多种多样的方式用来探测旋转部件的转数和位置。例如，磁场传感器用来探测在防抱死制动系统和行驶动力学系统时的车轮转数、变速器的旋转部件的转数或用来确定内燃机的曲轴或凸轮轴的转数和/或位置。在这些使用场合中，一般对借助一个传感磁铁作用到传感器上的磁场的变化和失真进行探测和分析。该传感磁铁例如是一个运动的铁磁部件，如一个齿轮或一个在传感器旁边运动的确定的磁性刻度尺、例如一个多磁极转子。
目前的电磁式敏感元件一般按磁感应的原理、霍耳效应工作或借助磁阻作用机理使部件在旋转时不断变化的传感磁场引起传感元件的电阻变化。在这类敏感元件时，在一种半导体的磁阻通过作用的洛伦兹力变化的所谓磁极板之间存在所谓的AMR(各向异性的磁阻)传感器和上述的GMR传感器的区别。此外，也可用按TMR(隧道磁阻)效应的原理工作的敏感元件。这种原理特别适用于存储媒体的读出头。
对磁场传感器而言，这类传感器最好是价廉而又可用简单的安装和连接技术制造以及具有简单的测量电子学和高达200℃环境温度的高温稳定性。此外，干扰场最好对测量信号产生尽可能小的和决不可逆的影响。其次，高灵敏度和大的信号摆幅或大的信噪比是未来传感技术的关键性能，其中尤其力求大的磁空气隙和高的控制精度。在这方面，迄今为止的GMR技术具有最好的性能。
但GMR效应也象TMR效应那样是一种非本征的界面效应，对这种效应，传感元件需要昂贵的层技术，因为这种传感元件由多层超薄的、只有几纳米厚的层构成，这些层的一部分可能由一种用贵金属例如铂组成的合金制成。
在多层系统时，产生GMR效应，这种多层系统在最简单的情况中由两层例如用钴制成的磁性层组成，这两层磁性层由一层例如用铜制成的非磁性中间层隔开。当这两层钴层通过铜层进行铁磁耦合时，该层系统的电阻是很小的，因为没有电子自旋的变化，电子可过渡到第二层钴层。而在这两层钴层抗铁磁性耦合时，该层系统的电阻则比较大。通过施加一个外磁场，可降低电阻，因为该磁场强迫电子在一个平行的铁磁方向内自旋。典型的效应值为4％和大于30％之间，视层叠和选用的层厚而定。
在多层系统时，也产生TMR效应，这种多层系统在两层磁性层之间嵌入一层不传导的中间层，该中间层例如用氧化铝制成。如果该不传导地中间层选择得足够薄，则磁性层的电子可隧通磁性层，隧通机率与自旋有关。
此外，作为所谓的本征效应即公知的CMR(Collosal磁阻)效应。对显示出这种效应的材料系统而言，通过施加的磁场，可引起很大的电阻变化，这种变化是由在居里温度TC时金属绝缘子过渡受到抑制所致。居里温度是这样的温度，即在低于该温度的情况下，对铁磁材料产生电子自旋的自发的平行取向，所以存在铁磁性。对于具有相应不平行取向的抗铁磁性材料而言，这个临界温度即所谓的奈耳温度TN。具有CMR效应的材料高于居里温度时为绝缘体或半导体，低于居里温度时，则为铁磁金属。CMR效应首先在混合价的氧化锰例如LaSrMnO₃上验证。氧化物中的电流通过所谓的跃迁被电子带到Mn³⁺和Mn⁴⁺位之间。但只有相应原子的磁矩平行即铁磁性取向时，才可能发生这种跃迁。这种状态通过一个外磁场也可达到低于居里温度，所以可降低材料的电阻。
迄今为止，在技术上利用具有CMR效应的材料的问题处于低于或接近室温的低的居里温度。此外，高的效应只有用很高的外磁场才能达到。所以灵敏度相当小。
具有CMR效应的化合物在多晶试样中显示出所谓的PMR(粉末磁阻)效应。在远低于居里温度的情况下，这类化合物在费米能附近具有很高的电子极化。这就导致具有晶界的试样中高的磁阻。完全自旋极化的电子只可能部分地在相邻颗粒的位置内与别的取向的电子隧通。这种情况的前提是，一层绝缘的氧化层形成了隧道势垒。一个外加磁场足够多晶试样内的全部自旋并降低试样的电阻。
发明内容
根据本发明，一种旋转部件的转数和/或位置的探测装置具有权利要求1前序部分所述的特征，在这种装置中，磁场传感器包括至少一个传感元件，该传感元件用一种具有CMR效应的传感材料制成，该装置的优点是，传感材料不用构成多层系统，而可用简单的方式即例如可用多晶或颗粒材料制成单层，这与具有GMR效应的传感元件的磁场传感器比较，导致了成本的降低。其原因在于，CMR效应是一种本征效应。
根据本发明，这种装置的测量系统是基于借助传感元件作用在磁场传感器上的磁场的变化导致传感元件的电阻的变化。从例如传感元件的电阻的周期性变化中，可推断该旋转元件的转数。否则可通过一个表征旋转元件的一定角度位置的磁场和由此伴生的传感元件的电阻可推导出旋转部件的位置。
CMR效应只是由施加的磁场的幅度的变化产生，而不是由磁场的方向变化所致。
此外，如果把具有CMR效应的多晶形态的传感材料涂敷在载体材料上，则显示出所谓的PMR效应。
本发明装置特别适用于测定汽车内燃机的曲轴转数或测定汽车的车轮转数。这种测定往往是为了稳定化程序或制动支持程序的需要。
根据本发明这种装置的一个优选实施方案，传感材料包括Heusler相的一种金属间化合物，在这种情况下，可用单一化合物，也可用复合材料。
对汽车中可达到200℃的温度范围来说，作为具有CMR效应的特别有利的金属间化合物例如可用Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al、Co₂Cr_0.2Fe_0.4Ga和/或Co₂Cr_0.2Mn_0.8Al。这些化合物特别是在远高于室温的情况下也可使用。例如在室温时，Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al具有的磁阻效应在磁场到100mT(毫特斯拉)时大约为30％。由Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al和加入氧化铝组成的复合材料作为绝缘材料在室温时提供的磁阻变化在灵敏度约为2.5％/mT的情况下大约为700％。由于这种材料超过300℃的高的居里温度，所以这种复合材料特别适用于汽车用的磁场传感器。
为了能便捷地测定传感元件的电阻变化，该传感元件可以是惠斯登电桥电路的组成部分。在这种情况中，该传感元件配置该桥电路的4个半支路。
原则上，也可设想只有惠斯登桥电路的4个半支路之一配置一个用具有CMR效应的传感材料制成的传感元件。但对测量信号而言，惠斯癸桥电路的至少两个半支路最好全部4个半支路都用一种具有CMR效应的材料制成这证明是有利的。
惠斯登桥电路的单个电阻可横向也可竖向整体与一个分析电路连接。
此外，为了整个电阻的匹配，必要时该传感元件最好4个传感元件呈螺旋形设置在该磁场传感器上，这样，由该磁性传感元件产生的磁场就可总是作用在相应传感元件的大面积上。
用本发明装置最好这样进行测量，即测定通过一个外磁场产生的传感元件的电阻变化。一旦达到规定的阈值，分析电路就产生一个开关信号。如果该装置作为转数传感器或作为相位传感器使用，则可选用增量的或数字的工作方式。但如果该装置用来测量位置或直接用来探测磁场例如用来测量电流，则该装置也可按模拟模式工作。
传感材料最好设置在这样一种载体材料上，这种载体材料例如用一个硅晶片或用陶瓷衬底构成。其中，该传感元件形成一层。此层或用溅射方法涂覆成薄的层，或用别的薄膜淀积技术例如MBE(分子束外延)、CVD(化学汽相淀积)等，也可作为厚层涂覆在载体材料上。
为了达到传感材料的最高的灵敏度，亦即为了磁场传感器在磁阻特性曲线的一个范围内工作而具有最高的灵敏度和/或最低的温度特性，可在该传感元件上作用一个辅助磁场。该辅助磁场可通过一个设置在该磁场传感器上的辅助磁铁来产生，该辅助磁铁例如可由一层淀积在该传感元件上的铁磁材料薄层组成。
为了把干扰场对磁场传感器的影响减少到最低限度，该磁场传感器可做成象一个坡度测量仪，所以它具有两个测量点。这样就可消除干扰场。为了获得较高的信号幅度或灵敏度，该传感材料可呈层叠淀积在载体材料上。
磁性传感元件例如是一个磁极转子、一个铁磁的钢轮装置或在最简单的结构型式中为一个简单的磁铁，该磁铁在旋转部件每旋转一圈时扫过磁场传感器一次。借助该磁性传感元件产生的磁场例如为1微特斯拉和50毫特斯拉之间的范围。
本发明的其他优点和有利方案可从说明书中、附图中和各项权利要求中得知。
本发明装置的一个实施例在附图中用示意图简化示出并在下面的说明中进行详细说明。
附图说明
图1带有一个本发明装置的汽车的一个车轮的简化三维视图；
图2图1所示装置的一个磁场传感器和一个磁极转子的示意图；
图3图1和图2所示装置的磁场传感器的等效电路图，该磁场传感器设计成惠斯登桥电路；
图4设计成坡度测量仪的磁场传感器的俯视图；
具体实施方式
图1表示未详细示出的轿车的一个车轮1，该车轮与一根轴2连接，该轴引到一个车轮轴承3。在车轮轴承3的范围内，布置了一个磁极转子4，该磁极转子与轴2或车轮1同心定位并与一个磁场传感器5共同作用。该磁场传感器通过一根导线6与一个未示出的控制单元连接。
如图2所示，表示一个磁性传感元件的磁极转子4由交替布置的磁性北极N和南极S组成。在一个区域7内，示出了代表磁极转子4的其他区域的各相邻的北极和南极之间的力线分布图。
与磁极转子4共同作用的磁场传感器5在轴2的径向内相对于磁极转子4偏移并可离它实际上例如有大约10毫米的距离。磁场传感器5包括四个起电阻作用的传感元件51、52、53和54，它们布置在磁极转子4对面的磁场传感器5的一个测量头上。传感元件51和52构成惠斯登桥电路30的第一对电阻，而传感单元53和54则构成该桥电路的第二对电阻，它们用图3或图4更详细地表示出来。磁场传感器5的惠斯登桥电路30设计成坡度测量仪，且单个电阻51至54呈螺旋形布置在磁场传感器5的测量头上。
传感单元51和54以及传感元件52和53分别属于桥电路30的一个支路，且这两个支路交叉，特别是从图3可清楚看出。传感元件51至54的电阻的测量通过图4所示的连接元件55A、55B、55C和55D来进行。
在此例中，传感元件51至54分别用Heusler相的一种金属间化合物即用Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al制成，这种化合物作为多晶的粉末或作为温度处理过的压制成型的粉末涂覆在磁场传感器5的测量头上。
通过用惠斯登桥电路30测定的单个电阻51至54的电阻变化可推断出车轮1的转数。这些数值在这里例如输入一个行驶稳定性控制程序和制动支持程序以及所连接的系统中。
本例中所用的材料Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al的磁阻MR在室温时可作为一个外磁场μ0H的函数表示。多晶的、粉末状涂覆的试样比热处理压制成型的粉末具有大得多的CMR效应。
此外，可表示出Co₂Cr_0.6Fe_0.4Al的电阻R与温度T的关系，即一方面没有加磁场和另一方面有外磁场8T的情况下。从图可以看出，电阻随磁场的施加而下降，但在0K和300K之间的温度范围内得出的两条曲线的变化基本上是一致的。