CN102483443B - 磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁场传感器，用于测量传感器位置处的磁场，所述磁场传感器具有：印刷电路板，其由电绝缘的材料制成；磁场传感器元件，其设置在所述印刷电路板上并且通过电接触部(3，5)与设置在所述印刷电路板上的第一印制导线相连接；至少一个第二印制导线，其用于产生试验磁场，所述至少一个第二印制导线设置在所述印刷电路板上并且在施加校准电流时在所述传感器位置处产生预先确定的试验磁场。

Description

磁场传感器
技术领域
本发明涉及一种磁场传感器并且尤其涉及一种这样的传感器的校准。
背景技术
在现有技术中公开了各种微机械的磁场传感器，它们将电流与磁场之间的相互作用转换为力。这样，DE19827056例如公开了一种微磁场传感器，其中，电容式地通过梳形电极来检测由洛伦兹力引起的传感器结构的运动。在此，充分利用洛伦兹力，其方式是，通过在(自由悬浮的)电导体中注入的电流和外部施加的磁场引起自由悬浮的结构的横向运动。
此外公开了以下微磁场传感器，其充分利用在存在外部磁场的情况下在电流流经的导体中出现的霍尔效应。在此，由于存在外部磁场而使导体中的电子转移，使得在导体的两侧之间形成电势差，所述电势差体现为霍尔测量效应。适于微结构技术的其他测量原理是磁通门传感器、AMR传感器或者GMR传感器。
然而，在这些以微结构技术制造的传感器中，由于公差或者也由于变化的环境条件——如温度、气压等等形成传感器偏移，所述传感器偏移需要传感器的调准或校准。在这样的校准范畴内，在传感器位置处例如施加预先确定的磁场并且由在施加和缺少磁场时不同的传感器输出值计算传感器偏移。为此，DE19827056公开了构造为校准电流回路的励磁线圈，其设置在围绕传感器的衬底上。因此，励磁线圈集成在微传感器元件自身中。这种布置也称作“片上线圈(CoilonChip)”。因为励磁线圈的几何布置以及导体横截面和电阻率是已知的，所以在预先给定的试验电流下在传感器位置处形成的磁场或者可以计算求得或者可以实验求得。相对于例如为测试设备的一部分的外部线圈布置的优点在于，不需要耗费的测试设备以保证传感器位置处的场的均匀性和时间稳定性。
发明内容
根据本发明的用于测量传感器位置处的磁场的磁场传感器具有：
-由电绝缘的材料制成的印刷电路板；
-尤其被构造为微系统的磁场传感器元件，其设置在所述印刷电路板上并且通过电接触部与设置在所述印刷电路板上的第一印制导线相连接；
-至少一个第二印制导线，其用于产生试验磁场，所述至少一个第二印制导线设置在所述印刷电路板上或者所述印刷电路板中并且在施加流过第二印制导线的校准电流时在传感器位置处产生预先确定的试验磁场。
在这种磁场传感器中设有用于产生试验磁场的印制导线，以调准印刷电路板上的磁场传感器。这能够省去试验设备中的励磁线圈。此外，相对于励磁线圈集成到微磁场传感器元件中的布置具有如下优点：不必设置用于集成的励磁线圈的芯片面积。因此，可以使集成开销和(因此)成本较低。此外，在借助根据本发明的布置施加校准电流时，热负荷更低。此外与片上线圈布置相比，可以实现更高的电流和(由此)更大的磁场。
第二印制导线可以例如环状地围绕磁场传感器元件。因此，在施加校准电流时，在传感器位置处产生基本上与磁场传感器元件的传感器表面垂直的试验磁场。
此外，也可以在印刷电路板(的相同侧面)上在磁场传感器元件的相对置的两侧上分别设置一个第二印制导线，其中，所述两个第二印制导线彼此平行地设置。这具有如下优点：在相应激励时，可以产生与传感器表面垂直的试验磁场和与传感器表面相切的试验磁场。
有利的是，两个平行的印制导线在沿着磁场传感器元件的、印制导线所在侧的棱边的方向上的延展分别比其在磁场传感器元件的与所述棱边垂直地设置的侧棱边的方向上的延展大至少五倍、优选至少十倍。因此，在传感器处产生相对较大的试验磁场。
也可以设有两对各两个平行的印制导线，以产生试验磁场，其中，两个印制导线对从上面看彼此成直角地、但彼此电绝缘地设置。借助这种布置，在相应激励时，可以在所有三个空间方向上产生试验磁场。在此，两对印制导线可以设置在印刷电路板的不同金属层上，以便使它们彼此电绝缘。
此外，提供了如以上描述的磁场传感器与试验设备的组合，其中，试验设备可与磁场传感器操作性地连接并且被构造用于在所述至少一个第二印制导线上施加预先确定的校准电流。所述布置的优点在于，试验设备不必配备励磁线圈以产生试验磁场并且因此可以被简化。
附图说明
图1示出根据本发明的第一实施例的磁场传感器的立体视图。
图2示出根据本发明的磁场传感器与试验设备的组合的框图。
图3示意性地示出根据第一实施例的校准电流以及由其在传感位置处引起的试验磁场。
图4示出根据本发明的第二实施例的磁场传感器的立体视图。
图5A是示意性示出根据第二实施例的第一变型方案的校准电流以及由其在传感器位置处引起的试验磁场的立体视图。
图5B是示意性示出根据第二实施例的第一变型方案的校准电流以及由其在传感器位置处引起的试验磁场的截面图。
图6A是示意性示出根据第二实施例的第二变型方案的校准电流以及由其在传感器位置处引起的试验磁场的立体视图。
图6B是示意性示出根据第二实施例的第二变型方案的校准电流以及由其在传感器位置处引起的试验磁场的截面图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的磁场传感器10的立体视图。磁场传感器10包括传感器元件1，所述传感器元件1固定、例如粘接在印刷电路板2上。
传感器元件1被构造为微系统，即用于产生传感器信号的传感器结构单片地设置在例如由硅制成的半导体芯片上，所述传感器信号相应于待测量的磁场的大小。传感器元件1在本实施例中被构造为霍尔传感器，并且产生相应于传感器位置处的磁场的z分量的模拟信号。所述模拟信号被低通滤波并且由模拟/数字转换器转换成数字的传感器信号。在当前的示例中，通过集成到传感器元件1中的数据处理单元实施模拟信号的所述进一步处理。然而同样可能的是，在印刷电路板2上设有单独的模块——例如ASIC，用于所述数据处理。
印刷电路板2(也称作“PCB”)由电绝缘的材料(例如纤维增强的塑料)制成。印刷电路板2具有至少两个金属层，所述至少两个金属层例如设在印刷电路板2的上侧和下侧上。在这些金属层中设置有印制导线，所述印制导线例如由薄的铜层刻蚀出。在图1中用虚线示出了印刷电路板2的下侧上从外部实际上看不到的印制导线以及敷镀通孔。
在传感器元件1上例如设有四个接触部3，这四个接触部通过键合引线4与印刷电路板1的上侧(第一金属层)上的键合区5连接。在当前的示例中，键合区5通过敷镀通孔与第一印制导线6连接，所述第一印制导线设在印刷电路板2的下侧(第二金属层)上，并且键合区5与印刷电路板1的外边缘上的LGA连接端子7a连接。
此外，在印刷电路板2的第一金属层中设有第二印制导线8，其环状地围绕传感器元件1。第二印制导线8通过敷镀通孔与第二金属层上印刷电路板1的边缘处的LGA连接端子7b连接。第二印制导线8用于在传感器调准范畴内施加试验场，如以下仍更详细地描述的那样。
磁场传感器10可以借助绝缘材料注塑包封(umspritzen)并且被容纳在塑料壳体或类似物中(未详细示出)。随后，它可以通过LGA(LandGridArray：接点栅格阵列)上的LGA连接端子7a和7b与控制装置或者激励与分析电子装置连接。
通过LGA连接端子7a中的两个进行传感器元件1的激励。通过两个其余的LGA连接端子7a来量取由传感器元件1产生的数字信号。然而已表明：恰好在霍尔传感器的情况下产生可以相应于直至几毫特斯拉的传感器偏移。如果传感器偏移过大，则传感器10可能是不可用的并且应被分拣出。
在第一实施例的第一变型方案中，在所谓的最终测量(Endmessen)中，即在制造传感器10之后，在借助第二印制导线8产生试验场的情况下确定传感器偏移以及传感器灵敏度。为此，使用试验设备20，如其示意性地在图2中示出的那样。所述试验设备20包括控制装置21、存储器22和信令装置23。信令装置23例如可以被构造为光学的和/或声学的显示装置。此外，试验设备包括具有多个接触部的放置区(未详细示出)，所述多个接触部相应于传感器10的印刷电路板2上的连接端子7a、7b。通过将传感器10放置在放置区上，试验设备20可以与传感器10操作性地连接。
在将传感器10放置在所述放置区上之后，控制装置21(通过驱动器电路等等)引起预先确定的、例如0.01至1000mA的校准电流，所述校准电流在第一电流流动方向上流过环状地围绕传感器元件1的第二印制导线8。所述校准电流I在传感器位置处在z方向上引起确定的试验磁场H。这示意性地在图3中示出。因为传感器的几何形状——即印制导线的几何形状及其相对于传感器位置的相对布置如同校准电流的大小那样是已知的，所以试验磁场的大小也是已知的。替代地，也可以通过借助单独的磁力计的校准测量来确定试验磁场。随后借助传感器元件1测量试验磁场。为此，由控制装置21通过LGA连接端子来激励传感器元件1，并且读取瞬时(数字)传感器信号，并且将相应的值存储在存储器22中。接着，控制装置21引起大小相同但符号相反的、预先确定的校准电流，又读取得到的传感器信号并且将相应的值存储在存储器22中。
现在控制装置21由所存储的值确定偏移以及传感器灵敏度。例如，如果试验磁场为+50μT或-50μT并且所读取的相应(数字)传感器信号为20lsb或-22lsb(lsb＝leastsignificantbit：最低有效位)，则可以推断出1lsb的偏移。对于传感器灵敏度而言，相应于两个所读取的值之间的差除以试验磁场强度的差，从而在本示例中得到42lsb/100μT的传感器灵敏度。如果由此求得的偏移和/或传感器灵敏度大于预先确定的公差值，则控制装置21向信令装置23输出一个状态信号，所述信令装置例如光学地或声学地显示：传感器元件10位于公差值以内还是位于公差值以外并且因此是有缺陷的。
如果控制装置21已经求得传感器元件10没有缺陷，则控制装置21促使相应于传感器灵敏度的值存储在传感器元件1的存储区中。也可以将传感器偏移存储在存储器元件1中，然而在此应考虑：传感器偏移极大地取决于传感器的使用位置处的环境条件。这样，使用位置处的金属组件和电流流经的导体可以导致干扰场，所述干扰场影响传感器偏移。恰好在霍尔传感器的情况下也存在显著的温度相关性，所述温度相关性使传感器偏移的周期性调准或者周期性确定显得有意义。相反，传感器灵敏度与使用位置处的环境条件相对无关，并且因此也可以有意义地在最终测量时存储在传感器元件1中，以便以后在使用位置处进行参考。
在第一变型方案中有利的是，可以借助不具有用于产生试验磁场的线圈的试验设备来实施最终测量。因此，试验设备可以具有简化的结构。
在第一实施方式的第二变型方案中，传感器10安装在其使用位置处(例如作为机动车中的转向角度传感器或类似物)。在此，传感器10也通过LGA与传感器控制装置20’连接，所述传感器控制装置可以在印制导线8上施加试验电流并且因此在相应结构方面相应于根据第一变型方案的试验设备(参见图2)。传感器控制装置20’以针对第一变型方案描述的方式方法来确定传感器偏移。所述传感器偏移被存储在存储器22中并且被用于修正或校正由传感器控制装置20’输出的传感器信号。在第二变型方案中有利的是，可以在任何时间检查以及在必要时再校准传感器10。
图4示出根据本发明的第二实施例的磁场传感器30的立体视图。相应于根据第一实施例的磁场传感器10的特征标有相同的附图标记并且未详细阐述。
根据第二实施例的磁场传感器30与根据第一实施例的磁场传感器10的不同在于第二印制导线9的布置。磁场传感器30设有两个平行的、直的印制导线9，所述印制导线9设置在第一金属层上。印制导线9通过敷镀通孔与第二金属层上的LGA连接端子9c连接。印制导线9沿着传感器元件1设置在传感器元件1的两侧上。更准确地，它们在一个方向上(x方向)沿着图4中的传感器元件1的前棱边和后棱边延伸，更确切地说，分别延伸一在这些棱边的方向上长于传感器元件1的延展(例如至少两倍长)的距离。此外，印制导线9在沿着所述棱边(印制导线9设置在所述棱边的一侧上)的方向(x方向)上的延展比其在与所述棱边垂直设置的另一侧棱边(y方向)上的延展大得多(例如至少五倍或者优选至少十倍)。即流过印制导线9的电流I的走向基本上在与传感器位置相切的方向上。因此实现了：流过印制导线9的电流I在传感器位置处产生相对较大的磁场。这示意性地在图5A和5B中示出，其中，图5A示出传感器元件1和印制导线9的示意性立体视图，而图5B示出传感器元件1和印制导线9的y-z平面的示意性横截面图。如从这些图中可看到的那样，如果电流在相同的方向(x方向或-x方向)上流过两个印制导线9，则流过印制导线9的电流I产生与传感器元件1的表面相切地设置的磁场。
与此相反，第二金属层上的第一印制导线6虽然也在x方向上具有一定的延展，但其在沿着所述棱边(其设置在所述棱边的一侧上)的方向(x方向)上的延展比其在与所述棱边垂直地设置的另一侧棱边的方向(y方向)上的延展小得多，即例如y方向上是x方向上的至少五倍或者优选至少十倍。即流过第一印制导线6的电流的走向基本上在相对于传感器位置径向的方向上。因此实现：流过第一印制导线6的电流在传感器位置处仅仅产生相对较小的干扰磁场。
借助在图5A和5B中示出的电流，在传感器30的传感器元件10中可以产生基本上位于传感器元件10的表面的平面(x-y平面)中的试验磁场。然而，通过流过印制导线9的反并联的电流，也可以产生与传感器元件10的表面垂直的方向(z方向)上的试验磁场H。在图4中示出的印制导线布置具有如下优点：借助其可以在两个彼此垂直的方向上产生试验磁场。在此有利的是，试验设备20或者传感器控制装置20’被如此构造，使得所述试验设备或者传感器控制装置选择性地或者程序控制地依次地如此激励第二印制导线9，使得相继在传感器位置处产生x-y平面中的试验磁场和x-y方向上的试验磁场，以及将相应的测量值存储在存储器22中，以及通过以上描述的方式进一步处理所述相应的测量值。通过所述方式，借助简单的导体布置可以在两个空间方向上产生试验磁场。
此外，也可以彼此组合图1和4中的第二印制导线9的布置，即在同一印刷电路板上或同一印刷电路板中不仅设有环状的印制导线而且设有两个平行的印制导线。在此优选地，环状的印制导线或者平行的印制导线设置在第一金属层和第二金属层之间的第三金属层上。
此外也可以在上部的第一金属层上设置在图4中示出的两个平行的印制导线并且在第一金属层和第二金属层之间的第三金属层上设置两个另外的、平行的印制导线，所述两个另外的、平行的印制导线(从上面看)与第一金属层的平行的印制导线以约90度的角度交叉。借助这种布置，可以借助上部的第一金属层的平行的印制导线在y方向和z方向上产生试验磁场，而借助第三金属层的平行的印制导线在x方向(和z方向)上产生试验磁场。在必要时，在此依次激励也是有利的，以便相继地在所有三个空间方向上产生试验磁场。这在被设计用于测量三个空间方向上的磁场分量的磁场传感器中是有利的。
尽管以上借助优选的实施例描述了本发明，但本发明不限于此，而是可通过多种方式方法进行修改。尤其是，以上描述的扩展方案的不同特征可彼此组合。
例如，也可以替代霍尔传感器使用具有磁通门传感器的传感器元件或者具有如下传感器的传感器元件：在所述传感器中电容式地通过梳形电极来探测由洛伦兹力引起的传感器结构的运动。
也可以将用于产生试验磁场的印制导线8或9设置在印刷电路板2的下侧上，并且将与传感器元件10相连接的印制导线6设置在印刷电路板2的上侧上。

Claims (6)

1.磁场传感器(10，30)，用于测量传感器位置处的磁场，所述磁场传感器具有：
-印刷电路板(2)，其由电绝缘的材料制成；
-磁场传感器元件(1)，其设置在所述印刷电路板(2)上并且通过电接触部(3，5)与设置在所述印刷电路板(2)上的第一印制导线(6)相连接；
-至少一个第二印制导线(8，9)，其用于产生试验磁场(H)，所述至少一个第二印制导线设置在所述印刷电路板(2)上并且在施加流过所述第二印制导线的校准电流(I)时在所述传感器位置处产生预先确定的试验磁场(H)，
其中，在所述印刷电路板(2)上在所述磁场传感器元件(1)的相对置的两侧上分别设置一个第二印制导线(9)，并且这两个第二印制导线(9)彼此平行地设置，
其特征在于，设有两对两个平行的、各产生一试验磁场(H)的印制导线(9)，其中，这两个印制导线对从上面看彼此成直角地、但彼此电绝缘地设置。
2.根据权利要求1所述的磁场传感器(10，30)，
其中，两个平行的印制导线(9)在沿着所述磁场传感器元件(1)的、所述印制导线所在侧上的侧棱边的方向上的延展分别比其在所述磁场传感器元件(1)的与所述侧棱边垂直地设置的侧棱边的方向上的延展大至少五倍。
3.根据权利要求1或2所述的磁场传感器(10，30)，
其中，所述两对印制导线(9)设置在所述印刷电路板(2)的不同的金属层上。
4.根据以上权利要求中任一项所述的磁场传感器(10，30)，
其中，所述磁场传感器元件(1)被构造为微系统。
5.根据权利要求1所述的磁场传感器(10，30)，
其中，两个平行的印制导线(9)在沿着所述磁场传感器元件(1)的、所述印制导线所在侧上的侧棱边的方向上的延展分别比其在所述磁场传感器元件(1)的与所述侧棱边垂直地设置的侧棱边的方向上的延展大至少十倍。
6.根据以上权利要求中任一项所述的磁场传感器(10，30)与试验设备(20，20’)的组合，
其中，所述试验设备(20，20’)能够与所述磁场传感器(10，30)操作性地连接并且被设置用于在所述至少一个第二印制导线(8，9)上施加预先确定的校准电流(I)。
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