用于存储回转或位置信息的传感器元件
阅读说明：本技术 用于存储回转或位置信息的传感器元件 (Sensor element for storing rotation or position information ) 是由 J·施奈德 W·霍扎普费尔 M·霍伊曼 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于存储回转或位置信息的传感器元件,所述传感器元件包括畴壁导体(1)和衬底(2)。所述畴壁导体(1)的走向被构成为封闭环绕的、无交叉的并且连续的。此外,所述畴壁导体(1)包括具有正曲率的第一区域(A)和具有负曲率的第二区域(B)。(The invention relates to a sensor element for storing rotation or position information, comprising a domain wall conductor (1) and a substrate (2). The domain wall conductor (1) is formed to be closed-loop, non-crossing and continuous. Further, the domain wall conductor (1) includes a first region (a) having a positive curvature and a second region (B) having a negative curvature.)
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于存储例如用于角度或长度测量装置的回转或位置信息的传感器元件。
角度测量装置例如被用作旋转编码器（Drehgeber）用于确定两个可相对彼此转动的机器零件的角位置。为此目的，经常使用所谓的多圈（Multi-Turn）角度测量装置，通过该多圈角度测量装置越过（über…hinweg）多个回转（Umdrehungen）进行绝对位置确定是可能的。
此外，已知长度测量装置，其中测量两个可相对彼此移位的机器零件的线性位移（Verschiebung）。尤其是在具有比较大的测量长度的长度测量装置的情况下，通常将多个线性标度或相同的刻度排列成行。在这种长度测量装置情况下，尽可能地在整个测量长度上进行绝对位置确定应该是可能的。
用于电驱动器的这种测量装置或测量设备经常被用于确定相应机器零件的相对运动或相对定位（Relativlage）。在这种情况下，所产生的位置值经由相应的接口装置被输送给伺服电子设备（Folgeelektronik）用于操控驱动器。
背景技术
在EP 1 740 909 B1中描述一种用于转数表的传感器元件，其中出现畴壁，其中传感器元件具有特殊的螺旋形外形。
发明内容
本发明所基于的任务是，提出一种传感器元件或存储系统，所述传感器元件或存储系统包括畴壁导体，并且所述传感器元件或存储系统能够实现相对于外部影响稳健的运行特性并且可以比较经济地来制造。
根据本发明，该任务通过权利要求1的特征来解决。
用于尤其是有源存储回转或位置信息的传感器元件包括畴壁导体和衬底，其中畴壁导体在衬底上的走向被构成为封闭环绕的、无交叉的和连续的。此外，畴壁导体包括至少一个具有正曲率的第一区域和至少一个具有负曲率的第二区域。
术语有源存储（aktive Speicherung）应被理解为对其而言有关的传感器元件不需要辅助电能的存储。
结合本发明，畴壁导体尤其是由可磁化材料组成的导体迹线（Leiterspuren）或印制导线或纳米线。信息可以以相反磁化的域（Regionen）（畴）的形式被存储在畴壁导体中。畴由所谓的畴壁分离，所述畴壁可以通过磁场被移位，其中畴的位置改变。为了确定其位置，布置读出元件，其中使畴或畴壁移动经过该读出元件。畴壁导体因此在功能上来看也可以被视为一种移位寄存器。
畴壁导体的走向构成连贯的曲线，并且既不具有突变，也不具尖峰、弯折或任何其他中断点。因此，术语“连续走向”应被理解为畴壁导体的以下走向，即该走向均匀地无突然方向变化地来构成。因此，在数学上来说，畴壁导体的走向在其整个长度上是连续的并且尤其是可微分的，使得因此可以在畴壁导体的走向的每个点处产生唯一的切线。
畴壁导体的无交叉走向尤其应被理解为，畴壁导体在其走向中不相交，而也不在不同的分层（Lagen）中上下重叠地交叉地被引导。
曲率应被理解为在尤其是平坦的衬底上沿着畴壁导体的走向的方向变化。在直的走向情况下，因为走向方向不改变，所以曲率等于零。只要曲率不等于零，就可以为畴壁导体的走向关于走向曲线的法线束（Normalenbündel）的定向定义具有符号（Vorzeichen）的曲率。如果曲率在单位法向矢量场的方向上弯曲，则曲率是正的，而如果所述曲率在相反的方向上弯曲，则曲率为负的。例如，具有正曲率的第一区域可以被称为凸状区域，而于是具有负曲率的第二区域可以被称为凹状区域。在数学上来说，因此畴壁导体的走向尤其是具有至少一个拐点。
传感器元件有利地包括尤其是平坦的衬底，并且畴壁导体被构成为衬底上的印制导线。
在本发明的另一构型中，畴壁导体的宽度为小于1000 nm、尤其是小于500 nm、有利地小于300 nm。
畴壁导体的厚度或层厚有利地为小于200 nm、尤其是小于150 nm、尤其是小于60nm。
衬底有利地具有玻璃层和/或硅层。尤其是当衬底具有硅层时，传感器元件可以被构建为CMOS芯片的一部分。
根据一种有利的变型，传感器元件此外具有读出元件，通过所述读出元件可以（在读出元件的各自位置处）确定畴壁导体的局部磁化状态。因此，通过读出元件可以分别确定畴壁导体的磁化状态。读出元件相对于畴壁导体固定地布置。
在本发明的另一构型中，畴壁导体布置在读出元件中的至少一个读出元件与衬底之间的层中。可替代地或补充地，读出元件中的至少一个读出元件布置在衬底与畴壁导体之间的层中。
读出元件有利地被构成为GMR或TMR传感器。
传感器元件可以具有多个畴壁导体。在这种情况下，多个畴壁导体具有不同数量的第一区域或不同数量的第二区域。因此，从而例如传感器元件可以具有第一畴壁导体和第二畴壁导体，其中第一畴壁导体具有第一数量的第一区域，并且第二畴壁导体具有第二数量的第一区域。
不同的数量、即第一畴壁导体的第一区域的数量和第二畴壁导体的第一区域的数量有利地是互质的。众所周知，术语“互质的”应被理解为对于有关的数量（自然数），除了1以外不存在分成（teilen）两个数的自然数。
根据另一方面，本发明还包括一种存储系统，所述存储系统具有传感器元件并且具有读出元件以及磁性装置。磁性装置可相对于畴壁导体在第一方向上移动。由此引起磁畴或畴壁的位移。
由磁性装置产生的磁场有利地关于平行于第一方向伸展的轴线非对称地构成。该考虑适用于平行于第一方向伸展的任意想到的轴线。
在本发明的另一构型中，由磁性装置产生的磁场有利地关于平行于第二方向伸展的轴线对称地构成。在此，第二方向与第一方向正交地定向。
平行于第一方向伸展的轴线和平行于第二方向伸展的轴线尤其是位于平行于衬底定向的平面中。
在存储系统的另一构型中，磁性装置被构成为磁体阵列，所述磁体阵列具有磁体，所述磁体的极在第一方向上彼此错开地布置。
有利地，在第一方向上彼此错开的两个磁体具有转动180°的极取向。因此，有关的磁体被布置为使得一个磁体的北极和南极之间的连接线平行于另一磁体的北极和南极之间的连接线，其中磁体的极取向相反。因此，错开的磁体可以鉴于极取向被称为彼此反平行地布置的。
在存储系统的另一构型中，磁体阵列具有磁体，所述磁体的极在第二方向上彼此错开地布置，其中第二方向与第一方向正交地定向。
有利地，在第二方向上彼此错开的并且尤其是相邻的两个磁体具有转动180°的极取向。
畴壁导体的走向有利地构成为轴对称的。尤其是，有关的对称轴可以平行于第二方向或在第二方向上伸展。
畴壁导体在第一方向上具有扩展，并且两个磁极具有中心距，其中扩展小于中心距。在这里尤其要理解的是畴壁导体在第一方向上的最大扩展。中心距尤其可以是磁体的有效中心之间的距离。例如，在圆柱形棒形磁体的情况下，中心距可以被看作是圆柱形棒形磁体的纵轴之间的距离。
存储系统被构成为使得所述存储系统具有至少两个畴壁，其中也可以使用具有四个或更多个畴壁的构型。
从从属权利要求中得悉本发明的有利构造方案。
根据本发明的传感器的其他细节和优点根据附图从实施例的以下描述中得出。
附图说明
图1示出传感器元件的俯视图，
图2示出畴壁导体的详细视图，
图3示出磁性装置的磁体，
图4示出在载体板上的磁性装置的俯视图，
图5示出具有磁场的示意图的磁性装置的俯视图，
图6示出根据第一实施例的刻度元件的侧视图，
图7示出根据第一实施例的刻度元件和传感器元件的俯视图，
图8示出彼此处于第一相对位置的传感器元件和磁性装置的示意视图，
图9示出处于第一相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的部分视图；
图10示出彼此处于第二相对位置的传感器元件和磁性装置的示意视图，
图11示出处于第二相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的部分视图，
图12示出彼此处于第三相对位置的传感器元件和磁性装置的示意视图，
图13示出处于第三相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的部分视图，
图14示出彼此处于第四相对位置的传感器元件和磁性装置的示意视图，
图15示出处于第四相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的部分视图，
图16示出彼此处于第五相对位置的传感器元件和磁性装置的示意视图，
图17示出处于第五相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的部分视图，
图18示出彼此处于第六相对位置的传感器元件和磁性装置的示意视图，
图19示出处于第六相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的部分视图，
图20示出在第二回转期间处于另一相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的视图，
图21示出在完成第二回转之后处于另一相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的视图，
图22示出在完成第三回转之后处于另一相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的视图，
图23示出在完成第四回转之后处于另一相对位置的具有所绘入的畴壁的畴壁导体的视图，
图24示出具有另一畴壁导体的传感器元件的视图，
图25示出根据第二实施例的刻度元件的俯视图，
图26示出根据第三实施例的刻度元件的俯视图，
图27示出根据第四实施例的传感器元件的俯视图，
图28示出根据第四实施例的磁性装置的俯视图，
图29示出根据第四实施例的具有传感器元件的磁性装置的侧视图。
具体实施方式
在图1中示出了传感器元件，所述传感器元件包括畴壁导体1和衬底2，其中畴壁导体1以印制导线的形式被施加在衬底2上。在所提出的实施例中，衬底2具有机械承载式玻璃层，其中衬底2被构成为平坦的。可替代地，衬底2可以具有硅层，其中于是传感器元件可以被构成为CMOS芯片的一部分。
畴壁导体1包括软磁材料、例如Ni-Fe合金。畴壁导体1包括第一分段1.1和第二分段1.2，在所述第一分段1.1中，畴壁导体1以比较狭窄的环路伸展，在所述第二分段1.2中，畴壁导体1以具有相对大的半径的弧伸展。第一分段1.1和第二分段1.2直接彼此邻接，使得畴壁导体1的走向被构成为封闭环绕的。
畴壁导体1在第一方向x上具有宽度X1，并且关于轴线C对称地构成，所述轴线C垂直于第一方向x并且平行于第二方向y地定向。在所提出的实施例中，宽度X1为70μm，其中畴壁导体1在第二方向y上在5 mm上延伸。
在图2中示出畴壁导体1的片断。其中清楚地可以看出，畴壁导体1在其走向中包括具有正曲率的第一区域A和具有负曲率的第二区域B。换句话说：如果想要跟随畴壁导体1的走向，则将会不仅遇到具有右曲率（Rechtskrümmung）的分段而且遇到具有左弯曲（Linkskrümmung）的分段。在第一分段1.1的走向中，在具有正曲率的第一区域A之后是具有负曲率的第二区域B，并且之后又是第一区域A等等，其中在所提出的实施例中，具有畴壁导体1的直线走向的区域位于第一区域A和第二区域B之间。在第二分段1.2中，曲率的符号不变换。在所提出的实施例中，曲率或曲率半径在那里被构成为恒定的。
根据图1，读出元件7位于畴壁导体1上方的层中，所述读出元件例如可以是GMR传感器或TMR传感器，借助于所述GMR传感器或TMR传感器可以确定位于之下的畴壁导体1的磁化状态。可替代地，读出元件7也可以布置在畴壁导体1和衬底2之间。
如果相对于畴壁导体1移动的磁场适当地作用于畴壁导体1，则畴壁W1、W2在畴壁导体1之内或沿着畴壁导体1移位。为了形成适当的磁场，使用磁性装置3，所述磁性装置在所提出的实施例中被构成为磁体阵列，所述磁体阵列由多个磁体3.1至3.6组成。示例性地对于所有磁体3.1至3.6在图3中示出磁体3.1。在所提出的实施例中，全部磁体3.1至3.6相同地构成。因此，磁体3.1至3.6被构成为圆柱体，其中在棒形磁体的意义上，磁极沿着纵向（längsten）对称轴布置。
在图4中示出相应的磁性装置3。与图1中的畴壁导体1相比，以不同的标度示出了磁性装置3。磁体3.1至3.6根据预定图案以不同的南北定向（Nord-Süd-Orientierung）布置在载体4上。磁体3.1至3.6也可以嵌入在载体4中。
尤其是，磁体3.1至3.3可以沿着第一方向x以距离X2排列成行地布置，其中相邻的磁体3.1和3.2或3.2和3.3具有相反的极取向。其他磁体3.4至3.6在第二方向y上错开地沿着第一方向x同样以距离X2分别排列成行地布置。在所提出的实施例中，距离X2为0.33 mm。磁体3.6在第二方向y上相对于其余磁体3.1至3.5错开。
在x方向上在磁性装置3旁边两侧设置辅助磁场（Stützmagnetfeld）。因此，可以根据图5以简化的方式示出磁场，其中在磁体3.1至3.6旁边左侧和右侧大条纹宽的箭头应该表明辅助磁场。在图5中可以看出，磁力线的方向改变，使得形成转动的或旋转的磁力线，其中存在磁力线分别围绕在第三方向z（参见图3）上定向的轴线的转动。
由磁性装置3产生的磁场关于平行于第一方向x伸展的轴线Ax非对称地来构成。尤其是，不存在平行于第一方向x伸展的可能表示对称轴的轴线。相反地，由磁性装置3产生的磁场关于平行于第二方向y伸展的轴线Ay对称地构成，使得关于轴线Ay存在轴对称的磁场。
对于这里示出的结构方式可替代的，棒形磁体也可以位于平行于第一方向x并且平行于第二方向y定向的平面中，使得图5中所示的北极和南极至少部分地属于同一个磁体、尤其是属于位于xy平面中的磁体。
磁性装置3通常被固定在刻度元件6上或整体量具（Maßverkörperung）上。按照根据图6和7的第一实施例，刻度元件6作为主体具有基本上环形的柱状物（Trommel）6.1。在其外圆周处安装由磁体3.1至3.6和载体4组成的磁性装置3。此外，柱状物6.1在外圆周的区域中具有辅助磁体6.11。该辅助磁体可以例如由可磁化材料制成的层组成。进行磁化，使得北极和南极轴向地彼此错开地布置。在所提出的实施例中，在第二方向y上、也即在轴向上相对于辅助磁体错开地在柱状物6.1上环绕地施加精细刻度6.12。所述精细刻度可以例如通过光学扫描装置来解码，所述光学扫描装置同样安置在壳体5中。可替代地，磁性装置3也可以布置在柱状物或空心轴的内圆周中。
传感器元件、即畴壁导体1连同衬底2以径向空隙相对地位于壳体5内。在所提出的实施例中，壳体是固定的，而柱状物6.1连同磁性装置3可转动地安放，使得在柱状物6.1在第一方向x上（或相反地）相对于磁性装置3转动时，磁性装置3移动。
在图8中，作为原理图示出了彼此处于第一位姿（Stellung）的磁性装置3以及畴壁导体1。在该位姿中，畴壁W1、W2处于根据图9的位置，其中（如通过符号所示的那样）第一畴壁W1是所谓的头对头畴壁，而第二畴壁W2是所谓的尾接尾畴壁。如果现在畴壁导体1连同衬底2一起根据图8中的箭头在第一方向x上相对于磁性装置3移动，则畴壁导体1在一定程度上（quasi）被引导穿过转动的磁场（如图5中所示）。因此，畴壁W1、W2的位置移位。
在图10中，示出处于另一位姿的畴壁导体1，其中在那里磁场相对于第一位姿转动。与此相应地，畴壁W1、W2已改变了其位置（图11）。
与此类似地，由于畴壁导体1沿着第一方向x的进一步位移（图12、14、16、18），畴壁W1、W2的位置进一步被移位（图13、15、17、19）。根据图19的畴壁W1、W2的位置例如包含信息：柱状物6.1已经结束了第一回转。
当在相同方向上进一步移动或转动时，畴壁导体1保持在辅助磁场的影响下，使得畴壁W1、W2的位置于是不再改变。
在所提出的实施例中，柱状物6.1应在相同的方向x上进一步转动，使得畴壁导体1在第二回转结束时再次来到磁性装置3的磁性影响区域中。在第二回转期间畴壁W1、W2的位置在图20中示出，其中畴壁导体1与衬底2一起处于根据图14的位姿中（然而，柱状物6.1于是进一步转动了360°）。尤其是，通过在第二方向y上错开地布置的磁体3.6的磁场或辅助场实现畴壁W1、W2在第二分段1.2的长度上的移位，在所述第二分段1.2中，畴壁导体1以具有相对大的半径的弧伸展。在第二回转结束时，如果畴壁导体1处于根据图18的位姿（关于图18中的情形，柱状物6.1进一步转动了360°），则畴壁W1、W2采取了根据图21的位置。
在柱状物6.1的第三回转之后畴壁W1、W2的位置在图22中示出。在这种状态下，畴壁导体1处于根据图18的位姿中（然而，柱状物6.1于是进一步转动了720°）。
因此，根据图23的畴壁W1、W2的位置显示出柱状物6.1已经完成了第四回转（然而，如在图18情况下那样，柱状物6.1的位姿进一步转动了1080°）。畴壁W1、W2的位置对应于初始状态的位置。
因此在磁性装置3的每次驶过之后或在柱状物6.1每次回转之后，畴壁W1已经分别进一步移动到畴壁导体1的相邻的第一区域A。相应地，在每次回转之后，畴壁W2分别已经进一步移动到畴壁导体1的相邻的第二区域B或者所述畴壁位于第二分段1.2中，在该第二分段中，畴壁导体1以具有相对大的半径的弧伸展。
畴壁导体1的片段之内的磁化方向以及从而畴壁W1、W2的粗略位置可以通过读出元件7探测。以这种方式，即使辅助能不可用，也有可能对回转进行计数或存储回转信息。当在电力故障（Stromausfall）的情况下例如由于重力负荷（Gewichtbelastung）而使轴移动时，这是重要的。此外使畴壁W1、W2与转动方向有关地移位，使得可以在允许两个转动方向的应用情况下可靠地使用传感器元件。
为了增加可计数的回转的数量，可以设置多个畴壁导体1，如这在图24中以简化方式示出。在这种情况下，如果多个畴壁导体1具有不同数量的第一分段1.1，尤其是具有不同数量的第一区域A或具有不同数量的第二区域B，则这是有利的。在使用多个畴壁导体1时，有利的是，第一区域A的数量尤其是互质的（teilerfremd）。多个畴壁导体1可以在第一方向x上彼此错开地布置或彼此交错（ineinander verschachtelt）。在图24中，畴壁导体被构成为使得所述畴壁导体具有四个和五个第一区域A，其中为清楚起见，在图24中示出具有比较小数量的第一区域的畴壁导体。实际上，适合于使用具有超过仅四个第一区域的畴壁导体。例如，可以使用具有7、9、11、13个第一区域的四个畴壁导体，使得于是将会可计数9009（7 x9 x11 x13）个回转。
对于存储系统的功能，重要的是，在沿着第一方向x驶过磁性装置3时磁场作用于畴壁导体1，所述磁场的方向根据x位置而变化。尤其是在这里在驶过时存在转动的或旋转的磁力线或磁场方向。在驶过（无方向变化）时，轴线Ax的一侧上的磁力线（图5）与该一个轴线Ax的另一侧上的磁力线相比具有相反的旋转方向。
在图25中示出了第二实施例。在这里，磁性装置3被紧固在柱状物6.2的端面处。在该图中未示出的传感器元件轴向错开地、也即以空隙布置，所述空隙具有轴向扩展（Ausdehnung）。在磁性装置3每次驶过（vorbeifahrt）传感器元件时，回转信息就被更新，其中畴壁W1、W2与转动方向有关地被移位。
根据图26阐述第三实施例。在该实施例情况下，与线性标度6.3结合地使用传感器元件。在所提出的实施例中，该标度6.3包括第一标度部分6.31和第二标度部分6.32。第一标度部分6.31和第二标度部分6.32沿着第一方向x排列成行地布置，使得可以实现比较大的测量长度。实际上，超过仅两个的标度部分也绝对可以排列成行地布置。第一标度部分6.31包括辅助磁体6.311，并且第二标度部分6.32包括辅助磁体6.321。侧向地在第一方向x上相对于辅助磁体6.311、6.321错开地设置磁性装置3。在图26中未示出的扫描头具有传感器元件，该传感器元件具有畴壁导体1以及具有增量轨迹（Inkrementalspur）6.313、6.323和绝对轨迹6.312、6.322的扫描装置（增量轨迹6.313、6.323和绝对轨迹6.312、6.322在两个标度部分6.31、6.32上延伸）。通过传感器元件有可能存储位置信息，使得可以确定恰好扫描标度部分6.31、6.32中的哪一个。
可以根据图27至29阐述第四实施例。在图27中示出了传感器元件，所述传感器元件具有相对于前述实施例被修改的畴壁导体1'，所述畴壁导体1'围绕中心转动点伸展（在该图中放弃了对读出元件的示出）。为了使畴壁移位，示例性地使用磁性装置3'，所述磁性装置3'根据图28包括两个盘形磁体3.1'、3.2'，所述磁体尤其是具有不同的直径。磁体3.1'、3.2'具有正好相反的（diametrale）磁化，使得极径向彼此错开地布置。磁体3.1'、3.2'沿着轴线G（即轴向地）彼此错开地布置，其中其极取向关于轴线G扭转180°。磁体3.1'，3.2'本身以彼此固定的方式被装入相应的存储系统中，并且因此不能彼此扭转或以任意方式彼此移位。如图29中所示的，在畴壁导体1'或衬底2与具有较大直径的磁体3.1'之间的距离g1大于畴壁导体1'或衬底2与具有较小直径的磁体3.2'之间的距离g2（g1> g2）。以这种方式可以产生磁场，当畴壁导体1'或衬底2相对于磁性装置3'围绕轴线G旋转或沿着第一方向x'相对于磁性装置3'移动时，通过所述磁场实现畴壁的适当位移。由此，可以对衬底2相对于磁性装置3'的回转的数量进行计数。
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