CN113227813A - 噪声小且带宽高的磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

一种磁场传感器系统包括第一磁场传感器，一个或多个第二磁场传感器并且包括放大器，并且所有磁场传感器串联连接，从而各相应的输出信号能累加成放大器的一个共同的输入信号。

Description

噪声小且带宽高的磁场传感器
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1所述的磁场传感器。
背景技术
由现有技术已知足够多样化且大量的用于测量磁场的传感器，尤其是也已知霍尔磁场传感器。
霍尔磁场传感器的原理非常详细地例如在R.S.Popovic：“霍尔效应器件(Halleffect devices)”，传感器和致动器期刊(Journal for Sensors and Actuators),第17卷第1-2期，1989年5月3日，第39-53页中或在R.S.Popovic：“霍尔效应器件”，泰勒-弗朗西斯出版集团第二版，LLC 2003，ISBN:978-1-4200-3422-6中描述。
此外本发明关联US 6366076 B1的公开内容。在该公开内容中描述电流传感器，其连同低通滤波器将低频的磁场传感器、例如霍尔效应传感器和感应线圈、例如罗氏线圈(Rogowski线圈)以及求和装置组合，以便将霍尔效应传感器和感应线圈的信号合并在一起。
本发明的伴随着测量原理和传感器构造本身以及传感器在测量电路内的布置结构而出现的效果是：带宽受限的输入测量信号和噪声叠加的输出测量信号。
用于减少霍尔效应结构元件的偏移和低频噪声的已知方法是：使用作为旋转电流技术已知的基于开关的三相交流技术结合所谓的斩波稳定技术。该使用在包括霍尔效应传感器的传感器系统中导致霍尔效应结构元件和放大霍尔电压的放大器的偏移和低频噪声减少。
这些和其他的由上述现有技术描述的方案虽然提供新的方法和电路布置，然而其远没有提供用于减少霍尔效应传感器系统的噪声频谱的白噪声份额的解决方案。
已知的硅集成式霍尔效应传感器也属于目前已知的磁场传感器，所述硅集成式霍尔效应传感器同样适合用于测量磁场。所述硅集成式霍尔效应传感器对于许多现代的应用而言具有不充分的测量分辨率和过低的频带宽度。
亦即，尽管硅集成式霍尔效应传感器作为分立的结构元件可以具有大约50nT/√Hz的噪声等效磁感应的频谱密度(SNEMF-SD)，但是这样的传感器目前通常仅可以具有SNEMF-SD>100nT/√Hz。
同样，已知的用于测量磁场的硅集成式霍尔效应传感器通常具有从DC至少于200kHz的频带宽度(BW)，尽管对于许多应用而言需要从DC至数MHz的频带宽度。
用于高分辨率地测量宽带磁场的硅集成式霍尔效应传感器的这两个缺点的原因在于如下事实，即，硅集成式霍尔效应传感器的霍尔电压本身已经非常低。
硅集成式霍尔效应传感器(霍尔磁场传感器)对磁场的低测量分辨率之所以产生，是因为在磁场弱时，霍尔电压虽然没有过于强烈地被霍尔效应传感器的固有噪声影响，但该霍尔电压可能小于集成的放大器本身的与输入相关的噪声。
换句话说，在现代的硅集成式霍尔磁场传感器系统的噪声预算中，放大器本身的噪声占优势。
带宽限制之所以产生，是因为放大器由于霍尔电压小而必须以高增益工作，而且放大器的边界频率由于集成的放大器的增益带宽积受限而是低的。
原则上，不仅集成的放大器的与输入相关的噪声而且其增益带宽积能够通过增大硅芯片的由放大器占用的面并且通过提高放大器的功率消耗来改善。但这样的硅集成式霍尔磁场传感器过于昂贵并且在操作上不切实际。
本发明的目的是，对磁场传感器系统、尤其是基于霍尔效应的磁场传感器系统的功率在磁场传感器系统对要测量的磁场的测量分辨率和要测量的磁场的频带宽度方面进行改善，一并克服现有技术的之前列举的缺点。
发明内容
在本发明的第一方面中，一种磁场传感器系统包括第一磁场传感器、一个或多个第二磁场传感器并且包括放大器。
在本发明的意义中，一种磁场传感器系统也可以包括第一磁场传感器和/或磁场传感器子系统和一个或多个第二磁场传感器并且包括放大器。
磁场传感器子系统在此包括第一磁场传感器，该第一磁场传感器与至少一个另外的结构元件和另外的放大器结合地电路连接，所述至少一个另外的结构元件选自如下组，所述组包括霍尔效应传感器、磁阻传感器、感应回路或感应线圈，并且所述结构元件连接于所述另外的放大器上游。
优选地，所有磁场传感器被这样确定尺寸和设计，使得其能够测量在直至1mT或直至3mT、优选直至10mT或30mT并且特别是直至100mT或300mT的范围内的磁场，优选在-40℃至+125℃的温度环境中。
按照本发明，磁场传感器和/或磁场传感器子系统与放大器的输入端串联连接，以便这样将各相应的输出信号累加成放大器的一个共同的输入信号。
优选地，磁场传感器和/或磁场传感器子系统与放大器的输入端级联地串联连接，以便这样将各相应的输出信号累加成放大器的一个共同的输入信号。
在本发明的第二方面中，在一种磁场传感器系统中，优选第一磁场传感器的供电触点连接到电流源上，而磁场传感器的所有其余的供电触点分别连接到恒流电源或恒流阱上。
优选地，第一磁场传感器和一个或多个第二磁场传感器是选自如下组的结构元件，所述组包括霍尔效应传感器、以优选惠斯通电桥形式的磁阻传感器、感应回路或感应线圈或其任意组合。
这例如在霍尔效应传感器与感应式结构元件的组合中具有优点，即，在测量磁场时能在宽的频带上获得高的测量分辨率，因为在频率低时霍尔效应传感器的输出电压占优势，而在频率较高时感应式结构元件的低噪声的输出电压占优势，从而在串联电路中，输出电压的信噪比在整个频带宽度上大于各个输出电压之一。
在本发明的另一方面中，在具有磁场传感器子系统的磁场传感器系统中，磁场传感器子系统包括至少一个结构元件和另外的放大器的组合，所述至少一个结构元件选自如下组，所述组包括霍尔效应传感器、以优选惠斯通电桥形式的磁阻传感器、感应回路或感应线圈，其中，所述结构元件连接于所述另外的放大器上游。
优选地，磁场传感器子系统的输出触点为此电耦合到所述另外的放大器的输入触点上。
在本发明的另一方面中，磁场传感器系统和磁场传感器子系统具有可切换的触点，或者仅磁场传感器系统或磁场传感器子系统具有可切换的触点，以用于借助旋转电流技术运行或用于斩波稳定。
优选地，磁场传感器系统和磁场传感器子系统具有可切换的触点，或者仅磁场传感器系统或磁场传感器子系统具有可切换的触点，以用于借助旋转电流技术运行并且用于斩波稳定。
这具有优点，即，在旋转电流-电流运行或斩波稳定的情况下并且在旋转电流-电流运行连同斩波稳定一起组合应用时，集成系统的直流电功率和低频功率显著改善。
在本发明的另一方面中，在存在感应回路或感应线圈作为磁场传感器系统的一部分时，磁场传感器系统附加地具有积分器或低通滤波器，以用于补偿在感应回路或感应线圈中感应出的电压的频率相关性。
在本发明的一方面中，在存在霍尔效应传感器或磁阻传感器(例如AMR传感器或GMR传感器，以优选惠斯通电桥形式)与感应回路或感应线圈的组合作为磁场传感器系统的一部分时，感应元件被连接成，使得在该感应元件中感应出的电压VL的相位相对于霍尔效应传感器或磁阻传感器的电压的相位超前。
在本发明的另一方面中，在磁场传感器系统中，第一磁场传感器和至少一个第二磁场传感器和磁场传感器子系统被构成为集成的开关电路。
在本发明的另一方面中，在磁场传感器系统中，第一磁场传感器和至少一个第二磁场传感器或磁场传感器子系统被构成为集成的开关电路。
在本发明的另一方面中，在磁场传感器系统中，第一磁场传感器或至少一个第二磁场传感器和磁场传感器子系统被构成为集成的开关电路。
在本发明的另一方面中，在磁场传感器系统中，第一磁场传感器或至少一个第二磁场传感器或磁场传感器子系统被构成为集成的开关电路。
在本发明的另一方面中，磁场传感器系统优选构成为集成的开关电路。优选地，所述集成的开关电路在此与优选外部接入的感应回路或优选外部接入的感应线圈串联连接，以便以这种方式累加输出信号。这有利地能够形成强烈得多的输出信号。因此，在下游连接放大器的情况下，各个累加的、部分具体也弱的输出信号作为强烈的输入信号存在于放大器的输入端上。以这种方式，放大器的固有噪声因此不再覆盖要放大的信号的相位和幅值。
在本发明的另一方面中，磁场传感器系统的集成的开关电路包括用于磁场矢量的每个空间方向分量的至少一个霍尔效应传感器，并且感应回路或感应线圈或其组合这样在空间上至少部分地包围所述集成的开关电路，使得能检测磁场矢量的所有空间方向分量。
在本发明的另一方面中，磁场传感器系统的集成的开关电路包括至少一个霍尔效应传感器和用于磁场扇区的每个空间方向分量的感应线圈或感应回路，使得能检测磁场矢量的一个、两个或三个空间方向分量。
在本发明的另一方面中，霍尔效应传感器在集成的霍尔效应传感器的情况下优选水平地并且因此平行于芯片表面地布置，或在集成的霍尔效应传感器的情况下垂直地并且因此垂直于芯片表面地设置。这具有优点，即，水平定向的霍尔效应传感器对垂直于芯片平面的磁场分量做出响应，其中，垂直定向的霍尔效应传感器对平行于芯片表面的磁场分量做出响应。在霍尔效应传感器与感应式结构元件组合的情况下，霍尔效应传感器和作为传感器元件的感应式结构元件的灵敏度方向(Empfindlichkeitsrichtung)必须一致。
在本发明的另一方面中，磁场传感器或磁场传感器子系统的SNEMF-SD的值接近商业通用的硅集成式霍尔效应传感器(例如型号Allegro A1324、A1325或A1326，型号AKM EQ-430L、EQ-431L、EQ-432L或EQ-433L或型号LEM FHS Minisense)的SNEMF-SD的值，优选在50(+/-最大10)nT/√Hz的范围内。
在本发明的另一方面中，磁场传感器或磁场传感器子系统的频带宽度(BW)处于直流电(DC)或者说0Hz直至至少1MHz或2MHz、优选至直3MHz并且特别是直至最大5MHz的范围中。
在本发明的另一方面中，优选的磁场传感器系统包括霍尔效应传感器和串联连接的感应式结构元件，其中，霍尔效应传感器的输出信号和感应式结构元件的输出信号被以相同的因数放大，使得：在具有0Hz(DC)至1kHz的带宽的低频范围中，能以500nT的测量分辨率覆盖5mT至3T的磁场测量范围，即，能以5mT测量范围的最小测量范围的因数10-4、在其他情况下以所述测量范围的因数10-5覆盖所述磁场测量范围。
在本发明的另一方面中，优选的磁场传感器系统包括霍尔效应传感器和串联连接的感应式结构元件，其中，霍尔效应传感器的输出信号比感应式结构元件的输出信号被更强地放大，使得：在具有0Hz(DC)至200kHz的带宽的中频范围中，能以5mT的测量分辨率覆盖5mT至300mT的磁场测量范围，即，能以5mT测量范围的最小测量范围的因数10-3、在其他情况下以所述测量范围的因数10-4覆盖所述磁场测量范围。
在本发明的另一方面中，优选的磁场传感器系统包括霍尔效应传感器和串联连接的感应式结构元件，其中，霍尔效应传感器的输出信号比感应式结构元件的输出信号被更强地放大，使得：在具有0Hz(DC)至2MHz的带宽的高频范围中，能以15μT的测量分辨率覆盖3mT至30mT的磁场测量范围，即，能以3mT测量范围的最小测量范围的因数5x10-2、在其他情况下以所述测量范围的因数10-3覆盖所述磁场测量范围。
附图说明
本发明的其他有利设计方案由附图连同所属的详细说明得出。
在附图中：
图1示出一种由现有技术已知的典型的霍尔磁场传感器子系统的方框电路图；
图2示出一种具有三个串联连接的霍尔效应传感器的优选磁场传感器系统的方框电路图；
图3示出一种具有与感应回路串联连接的一个霍尔效应传感器的优选磁场传感器系统的方框电路图；
图4示出一种具有与感应回路串联连接的两个霍尔效应传感器的优选磁场传感器系统的方框电路图；
图5示出一种优选的磁场传感器系统的方框电路图；
图6示出另一种具有霍尔磁场传感器子系统的优选磁场传感器系统的方框电路图；
图7示出一种包括霍尔磁场传感器子系统的优选磁场传感器系统的方框电路图；
图8示出以平面工艺制造的感应线圈的一种优选实施形式的示意图；
图9示出在底板上的芯片的一种优选实施形式的示意图；
图10a至10c分别示出包括芯片的夹层状布置结构的一种优选实施形式的示意图；
图11示出以其线匝垂直于芯片表面设置的感应线圈的一种优选实施形式的示意图；
图12a至12c分别示出围绕芯片缠绕的所表明的线圈的一种优选实施形式的示意图；
图13示出芯片连同空心线圈组件的一种优选实施形式的示意图；
图14示出芯片连同空心线圈组件的另一种优选的实施形式的示意图。
具体实施方式
图1示出由现有技术已知的典型的以具有一个霍尔效应传感器100的集成开关电路(IHMFS–Integrated Hall Magnetic Field Sensor)形式的霍尔磁场传感器子系统500的方框电路图，所述霍尔效应传感器在旋转电流方法中利用开关110和111运行并且利用开关112和210斩波稳定。霍尔效应传感器100同样如也在图5、6中所反映的那样是具有所属的常见外围电路技术的霍尔效应传感器元件。实施为开关110、111和112的可切换的触点为此在霍尔效应传感器100的输入和输出端两侧将霍尔电压VH转换成具有通过时钟信号700预定的频率702的交流电压，以用于通过控制单元701控制开关110、111、112和210，而霍尔效应传感器100的偏移和低频噪声保持不变。在放大器40和低通滤波器200之间的开关210对被放大的霍尔电压VH进行解调(或整流)，从而霍尔电压VH返回其最初的基带。同时，开关210将霍尔效应传感器100的被放大的偏移和/或低频噪声和放大器40的被放大的偏移和低频噪声转换成交变电流信号。低通滤波器40过滤掉由开关110、111和112造成的干扰的交流电压和开关峰值。作为该信号转换的结果，在低通滤波器200的两个输出端子之间存在输出电压Vout，所述输出电压对应于被放大的霍尔电压VH并且结果没有偏移和低频的过噪声。输出电压Vout满足以下条件
Vout＝G*VH (1)
其中，G是放大器40的增益。开关111在关闭状态下将霍尔效应传感器100通过电流阱61连接到电位v-上。
典型地，具有从DC至500Hz的带宽(BW)的IHMFS受到具有边界频率fc＝500Hz的1阶低通滤波器200限制。该IHMFS典型地包括霍尔效应传感器100作为传感器元件，该霍尔效应传感器具有绝对的灵敏度SH＝0.1V/T、输出电阻RH＝500Ω和霍尔效应传感器100的热学噪声电压的频谱密度VHn＝2.8n V/√Hz。
集成的放大器40的与输入相关的噪声电压Van包括旋转电流-电流运行的寄生噪声与也可称为旋转斩波系统的斩波稳定在内具有10nV/√Hz的值。因此，得出IHMF的与输入相关的整体噪声电压为Vtn＝10.4nV/√Hz。因此得出IHMFS的SNEMF-SD的值为SNEMF-SD＝Vtn/SH＝104nT/√Hz和BWn＝fc*π/2＝785Hz。因此，对于IHMFS的集成的噪声等效的磁场，得出Bn＝SNEMF-SD*√BWn＝2.9μTrms。
图2示出具有三个霍尔效应传感器10、20、30的磁场传感器系统的一种实施例的方框电路图，其中，这三个霍尔效应传感器10、20、30串联连接，以便将三个在霍尔效应传感器10、20、30的相应输出端12、22、32上存在的输出信号累加成用于放大器40的一个共同的输入信号。霍尔效应传感器10、20、30同样如也在图3和4中所反映的那样是单纯的传感器元件，通常也称为霍尔元件。霍尔效应传感器10在端子11上通过一方面在电位v+上放置的电流源50a并且在端子13上通过另一方面在电位v-上放置的电流阱60a运行。霍尔效应传感器20在端子21上通过在电位v+上放置的电流源50b并且借助在端子23上施加的参考电压Vref运行。霍尔效应传感器30在端子31上通过一方面在电位v+上放置的电流源50c并且在端子33上通过另一方面在电位v-上放置的电流阱60c运行。在本实施例中，电流源50a、50b、50c以及两个电流阱60a和60c结合所施加的参考电压Vref的该特殊布置结构首先能够实现霍尔效应传感器10、20、30的串联电路并且能够实现将各个输出信号由此累加成用于放大器40的一个较大输入信号。
图3示出一种磁场传感器系统的方框电路图，该磁场传感器系统包括具有连接端子11、12、13、14的霍尔效应传感器10以及包括感应回路150、放大器40和可选的低通滤波器200，其中，霍尔电压VH在端子11和13上存在，所述霍尔效应传感器、感应回路、放大器和可选的低通滤波器全部串联连接。霍尔效应传感器10和感应回路150在此这样相互电路连接，使得在感应回路150中感应出的电压VL的相位相对于霍尔电压VH的相位超前，优选超前π/2。对此决定性的是霍尔效应传感器10的偏置电流Ih的由图3可得出的流动方向。与磁场的时间上的导数dB/dT成比例的电压VL与磁场B的频率f成比例。1阶低通滤波器200优选具有传递函数，该传递函数正好与累加的传感器电压VH+VL成反比，以便消除传感器电压VH+VL的频率相关性。低通滤波器200的边界频率fc满足以下条件
fc＝Sh/(2*π*A) (2)
其中，Sh表示霍尔效应传感器10的绝对磁灵敏度并且A表示感应回路150的面积。在用感应线圈160代替如图3所示的感应回路150的情况下，用于(2)的面积为
A＝NcxAa (3)
其中，Nc是线圈160的线匝的数量，并且Aa是线圈160的绕线的平均面积。
霍尔效应传感器10的磁灵敏度通过如下公式得出
Sh＝Si*Ih (4)
或备选地通过如下公式得出
Sh＝Sv*Vbh (5)
其中，Si是电流相关的灵敏度，Sv是与电压相关的灵敏度并且Vbh是霍尔效应传感器10的偏置电压。
串联电路的噪声带宽通过低通滤波器200的边界频率如下得出
BWn＝fc*π/2 (6)
对于所测量的磁场的最大频率fm和最大幅值Bm，由于在放大器40的输出端上存在的最大电压Vm而适用的是：
fm*Bm<Vm*fc/(Sh*G) (7)
或
fm*Bm<Vm/(2*π*A*G) (8)
其中适用
Vm≤Vsup， (9)
其中，Vsup作为磁场传感器系统的电源电压。
当所测量的磁场的最大幅值Bm足够小，则按照方程(7)，磁场B的最大频率fm可以比例如低通滤波器200的边界频率fc高得多，即
fm>(10-100)*fc (10)
这在考虑方程(6)的情况下意味着，按照图3具有包括霍尔效应传感器10和感应回路150的串联电路的磁场传感器系统的整体白噪声通常比没有感应回路150的磁场传感器系统低三倍至十倍。
进一步，输出电压Vout在该串联电路的输出端子上存在。串联电路的供电经由电位v+和v-结合电流阱61实现。此外示出传感器10相对于磁场的定向。
图4示出一种具有两个霍尔效应传感器10和20和一个感应线圈160的优选磁场传感器系统的方框电路图，所述两个霍尔效应传感器和感应线圈串联连接，以便将三个在霍尔效应传感器10和20以及在其间连接的感应线圈160的相应端子24和14上存在的输出信号累加成用于放大器40的一个共同的输入信号。霍尔效应传感器10在端子11上通过一方面在电位v+上放置的电流源50a并且在端子13上通过另一方面在电位v-上放置的电流阱60a运行。霍尔效应传感器20在端子21上通过一方面在电位v+上放置的电流源50c并且在端子23上通过另一方面类似于图3在电位v-上放置的电流阱60c运行。
对于为此适配的边界频率fc，按照方程(2)概括地适用：
fc＝Nh*Sh/(2*π*A) (11)
其中，Nh是串联连接的霍尔效应传感器10、20的数量。在当前的实施方案中Nh＝2。
按照方程(11)、(3)和(6)，通过使用具有多个线匝的线圈160代替唯一的感应回路150能够实现，减少磁场传感器系统的噪声带宽并且这样改善其磁分辨率。
在图4所示的磁场传感器系统的优选实施形式中，线圈160和霍尔效应传感器10、20具有彼此协调的几何的和电的对称结构，这有助于抑制共模干扰信号。参考电压Vref限定在放大器40的输入端上的合适的共模电压。
此外，在图4所示的磁场传感器系统的优选实施形式在输出侧包括低通滤波器200。
典型地，磁场传感器系统的优选实施形式具有包括从DC直至至少500Hz并且最大直至100kHz的带宽BW的IHMFS。其典型地包括在图4中示出的线圈160连同两个霍尔效应传感器10、20(Nh＝2)的串联电路。这两个霍尔效应传感器10、20中的每个霍尔效应传感器分别具有绝对的灵敏度SH＝0.1V/T、相应的输出电阻RH＝1000Ω并且所有两个霍尔效应传感器10、20一起具有热学的噪声电压的频谱密度VHn＝5.7nV/√Hz。线圈160包括5mm x 5mm＝25mm2的平均绕线面积Aa。在Nc＝50线匝和线直径为0.025mm时，在铜线的情况下产生34Ohm的线圈电阻和0.7nV/√Hz的热学的噪声电压。
集成的放大器40的与输入相关的噪声电压Van包括旋转电流-电流运行的寄生噪声与斩波稳定在内在增益为100时具有10nV/√Hz的值。
因此，在频率f<<边界频率fc时，得出IHMFS的与输入相关的整体噪声电压为Vtn＝11.5nV/√Hz并且得出IHMFS的SNEMF-SD的值为SNEMF-SD＝Vtn/(Nh*SH)＝58nT/√Hz。利用低通滤波器的边界频率fc＝Nh*SH/(2*π*A)＝25.5Hz得出噪声带宽为BWn＝fc*π/2＝785Hz。因此，对于IHMFS的集成的噪声等效的磁场，得出Bn＝SNEMF-SD*√BWn＝0.37μTrms。
结果是，在本发明的该优选实施形式中存在相对于按照图1的现有技术小多达8倍的噪声。
如以上推导出的那样例如在Vm＝5V和fm＝500Hz时利用fm*Bm<Vm*fc/(Nh*SH*G)得出应用边界为fm*Bm<6.7T/s并且结果为Bm<12.7mT。
图5示出一种优选磁场传感器系统的方框电路图，该磁场传感器系统包括一个霍尔效应传感器100和一个感应回路150，其中，这些器件的输出端子串联连接，如也在图3中示出的那样。在图5中，霍尔效应传感器100以旋转电流方法运行并且是斩波稳定的。为此，开关110、111和112在霍尔效应传感器100的输入和输出端两侧将霍尔电压VH转换成具有由时钟信号700预定的频率702的交流电压，以用于通过控制单元701控制开关110、111和112，而霍尔效应传感器100的偏移和低频噪声保持不变。开关112将霍尔电压VH串联连接到感应回路150上。然后在开关113的输入端上累加的输出电压VH+VL串联接入到用于放大的放大器40上。在放大器40和可选的低通滤波器200之间的开关210对被放大的霍尔电压VH这样解调(或整流)，使得该霍尔电压返回其最初的基带中。同时，开关210将霍尔效应传感器100的被放大的偏移和/或低频噪声和放大器40的被放大的偏移和低频噪声转换成交变电流信号。低通滤波器40过滤掉由开关110、111和112造成的干扰的交流电压和开关峰值。作为该信号转换的结果，输出电压Vout在可选的低通滤波器200的两个输出端子之间或输出信号OUT在另一个串联连接的结构元件300、优选输出放大器或模拟数字转换器的输出端子之间存在。结果是，VH是没有偏移噪声和低频的过噪声的信号，并且必要时将输出信号OUT数字化。输出电压Vout满足条件(1)。开关111在关闭状态下将霍尔效应传感器100经由电流阱61连接到电位v-上。
此外，在图5中示出的磁场传感器系统的优选的集成的实施形式在输出侧包括低通滤波器200，优选借助可切换的电容器实现。
图6示出具有图1的霍尔磁场传感器子系统500的另一个优选磁场传感器系统的方框电路图，其中，在解调开关112和虚线表示的可选的低通滤波器200之间串联连接具有输出电压VL的感应回路150。在霍尔磁场传感器子系统500的输出端上存在按照方程(1)的被放大的霍尔电压VH。出于这个原因，代替方程(2)，低通滤波器200的足够的边界频率fc通过如下方程给出
fc＝G*Sh/(2*π*A) (12)
其中，G表示在霍尔磁场传感器子系统500内的放大器40的增益。如果相互比较两个方程(2)和(12)，则得出，感应回路150从放大器40的输入端到放大器40的输出端的重新定位伴随着低通滤波器200的边界频率fc以G>1的因数G提高。
此外，对于所测量的磁场B的最大频率fm和最大幅值Bm，基于感应回路150的重新定位而不再适用方程(7)或(8)，而是适用
fm*Bm<Vm*fc/(Sh) (13)
或
fm*Bm<Vm/(2*π*A) (14)
最大频率fm和最大幅值Bm的乘积因此以G>1的因数G提高。
在此适用的是，当两个输出信号、亦即霍尔效应传感器100的输出电压VH以及感应回路150的输出电压VL被以相同的因数G放大时，磁场传感器系统特别适合用于从DC至1kHz的低频范围。
如果霍尔效应传感器100的输出电压VH比感应回路150的输出电压VL被更强地放大，则磁场传感器系统适合特别用于从DC至2MHz的宽带的高频运行。
图7示出一种优选磁场传感器系统的方框电路图，该磁场传感器系统包括具有集成的输出放大器201的霍尔磁场传感器子系统500和连接于下游的未集成的感应线圈160、作为1阶低通滤波器200的RC元件并且包括虚线示出的可选的放大器40，霍尔磁场传感器子系统500的输出电压VH作为输入电压存在所述感应线圈上，输出放大器、感应线圈、RC元件和可选的放大器全部串联连接。所示出的实施形式基于能变化地设计的外部感应线圈160而尤其适合于在从DC至1MHz、优选至1.5MHz并且特别是至2MHz的宽带的频率范围中的高频测量应用。
不仅边界频率fc而且乘积fm*Bm与感应线圈的有效作用面积有关并且因此这样也在图8至14中示出的那样能通过线圈的形状和造型以及线匝数量来设计。
典型地，磁场传感器系统的一种优选实施形式具有包括从DC直至最大100kHz的带宽BW的IHMFS。该IHMFS具有灵敏度100V/T。其典型地包括在图7中示出的串联电路，所述串联电路包括按照图1至6之一的IHMFS和三个霍尔效应传感器10、20、30以及外部的线圈160和低通滤波器200。这三个霍尔效应传感器10、20、30中的每个霍尔效应传感器分别具有绝对的灵敏度SH＝0.1V/T、相应的输出电阻RH＝1000Ω并且所有三个霍尔效应传感器10、20、30一起具有热学的噪声电压的频谱密度VHn＝6.9nV/√Hz。
属于IHMFS的并且已经集成在其中的放大器40的与输入相关的噪声电压Van包括旋转电流-电流运行的寄生噪声与斩波稳定在内在增益为100时具有10nV/√Hz的值。得出IHMFS的灵敏度为SIHMFS＝Nh*SH*G＝30V/T。在频率f<<边界频率fc时得出IHMFS的与输入相关的整体噪声电压为Vtn＝11.5nV/√Hz，并且得出IHMFS的SNEMF-SD的值为SNEMF-SD＝Vtn/(Nh*SH)＝58nT/√Hz。
外部的线圈160包括5mm x 5mm＝25mm2的平均绕线面积Aa、具有Nc＝20线匝和5*10-4m2的面积A。
利用外部的低通滤波器的边界频率fc＝G Nh*SH/(2*π*A)＝9.5kHz得出噪声带宽为BWn＝fc*π/2＝14.9kHz。因此，对于磁场传感器系统的优选实施形式的集成的噪声等效的磁场，得出Bn＝SNEMF-SD*√BWn＝4.9μTrms。
如以上推导出的那样例如利用Vm＝10V和fm*Bm<Vm/(2*π*A)得出应用边界为fm*Bm<3.2*103T/s。因此，在最大磁场为Bm＝3mT时，1MHz的最大频率fm是可能的。
图8示出以平面工艺制造的感应线圈160的一种实施形式的示意图，该感应线圈优选集成在具有磁场传感器系统的其他构件的芯片上。线匝的数量能与应用相关地经由具有示意性示出的三个可接入的线匝的选择开关114自由选择。感应线圈160的与匝数相关的面积A能够进一步经由这示意性示出的三个线匝与应用相关地变化。
图9示出在底板170上的芯片600的一种实施形式的示意图，该芯片被平行于芯片表面在底板170上设置的线圈组件160包围，其中线匝围绕芯片600延伸。线圈160具有以焊片形式的接头171、172。在本发明的意义中，芯片600包括磁场传感器子系统。
图10a至图10c示出优选实施形式的示意图，其分别包括芯片600在盖板170和底板170‘之间的夹层状布置结构。在图10a中，两个板170、170‘分别在相对于芯片600贴靠的对置的面上分别具有一个线圈160、160‘，所述线圈具有相应的以焊片形式的接头171、172和171‘、172‘。在图10b，具有两个线圈结构161、162的线圈160在空间上这样设置，使得在两个线圈结构161、162之间以其相应的线匝引入空间距离，所述空间距离对应于所述两个线圈结构161、162之一的宽度的至少10％，从而所述两个线圈结构161、162的线匝集成到盖板170上和/或中和底板170‘中并且环绕芯片600。所述两个线圈结构161、162可以相互这样电连接，使得所述两个线圈结构作为一个线圈160起作用或彼此电独立地作为两个单个的线圈160起作用。
在图10c中，线圈160的线匝在没有如在图10b中描绘的那样在两个线圈结构161、162之间的间距的情况下环绕芯片600。
图11a示出两个以其线匝垂直于芯片600表面在包括侧壁163、164和底板165的基底上设置的线圈结构161、162的实施形式的示意图，所述基底通过折叠或弯曲优选由所谓的柔性的柔性印刷电路板材料或刚性的柔性印刷电路板材料亦或任意的刚性的或柔性的板材料优选u形地制造。优选所述线圈结构161、162以平面工艺制造。由线制成的可铺设的线匝也是可能的。这两个线圈结构161、162能相互电连接成一个线圈160或能相互电连接成两个彼此独立作用的线圈160。
图11b和11c示出在图11a中示出的实施形式，具有分别在侧壁163、164上施加的线圈结构161、162。由在图11c中的视图和透明线显示得出，线圈结构161、162与底板165一起分别u形地包围芯片600，因为线圈结构也部分地还延伸直至底板165中和/或上。这两个线圈结构161、162能相互电连接成一个线圈160或能相互电连接成两个彼此独立作用的线圈160。
图12a至12c以三个不同配置分别示出围绕芯片600缠绕的所表明的线圈160的示意图，所述三个不同配置对应于磁场的三个不同的正交的扫描方向、即空间方向分量Bx、By、Bz。
图13示出在底板170上的芯片600的一种优选实施形式的示意图，其中，在底板上在相对于芯片600的一侧设置一个以空心线圈形式的线圈160。
图14示出在底板170上的芯片600的一种优选实施形式的示意图，其中，在底板上设置以两个空心线圈形式的两个线圈160、160‘。线圈160、160‘与其绕线走向平行地夹层状地设置在芯片600的两个对置的侧上。

Claims (14)

1.一种磁场传感器系统，包括：
-第一磁场传感器；
-一个或多个第二磁场传感器；以及
-放大器；
并且所有磁场传感器串联连接，从而各相应的输出信号能累加成所述放大器的一个共同的输入信号。
2.按照权利要求1所述的磁场传感器系统，其中，第一磁场传感器的供电触点连接到电流源上，而磁场传感器的所有其余的供电触点分别连接到恒流电源或恒流阱上。
3.按照权利要求1或2所述的磁场传感器系统，其中，第一磁场传感器和一个或多个所述第二磁场传感器是选自如下组的结构元件，所述组包括霍尔效应传感器、优选以惠斯通电桥形式的磁阻传感器、感应回路或感应线圈或其任意组合。
4.按照权利要求1至3之一所述的磁场传感器系统，其中，第一磁场传感器与至少一个结构元件和另外的放大器结合地电路连接，所述至少一个结构元件选自如下组，所述组包括霍尔效应传感器、磁阻传感器、感应回路或感应线圈，并且所述结构元件连接于所述另外的放大器上游。
5.按照权利要求1至4之一所述的磁场传感器系统，其中，磁场传感器系统和/或磁场传感器子系统具有可切换的触点，所述可切换的触点用于第一磁场传感器的旋转电流运行和/或用于放大器的斩波稳定。
6.按照权利要求3或4所述的磁场传感器系统，其中，在存在感应回路或感应线圈作为磁场传感器系统的一部分时，磁场传感器系统附加地具有积分器或低通滤波器，以用于补偿在感应回路或感应线圈中感应出的电压的频率相关性。
7.按照权利要求3或4所述的磁场传感器系统，其中，在存在霍尔效应传感器或磁阻传感器与感应回路或感应线圈的组合作为磁场传感器系统的一部分时，感应元件被连接成，使得在该感应元件中感应出的电压VL的相位相对于霍尔效应传感器或磁阻传感器的电压的相位超前。
8.按照权利要求1至7之一所述的磁场传感器系统，其中，第一磁场传感器系统和/或至少一个所述第二磁场传感器和/或磁场传感器子系统被构成为集成的开关电路。
9.按照权利要求4所述的磁场传感器系统，其中，第一磁场传感器结合另外的所述至少一个结构元件被构成为集成的开关电路，并且其输出端与感应回路或感应线圈串联连接，以便累加输出信号。
10.按照权利要求1至8之一所述的磁场传感器系统，其中，集成的开关电路包括至少一个霍尔效应传感器和用于磁场扇区的至少一个空间方向分量的感应线圈或感应回路，使得能检测磁场矢量的一个、两个或三个空间方向分量。
11.按照权利要求9所述的磁体传感器系统，其中，集成的开关电路包括用于磁场矢量的至少一个空间方向分量的至少一个霍尔效应传感器，并且一个或多个所述感应回路或者一个或多个所述感应线圈或者它们的组合至少部分地在空间上包围所述集成的开关电路，使得能检测磁场矢量的一个、两个或三个空间方向分量。
12.按照权利要求1至8之一所述的磁场传感器系统，其中，所述磁场传感器系统包括霍尔效应传感器和串联连接的感应式结构元件，其中，霍尔效应传感器的输出信号和感应式结构元件的输出信号被以相同的因数放大，使得：在具有0Hz(DC)至1kHz的带宽的低频范围中，能以500nT的测量分辨率覆盖5mT至3T的磁场测量范围，即，以5mT测量范围的最小测量范围的因数10-4、在其他情况下以该测量范围的因数10-5覆盖所述磁场测量范围。
13.按照权利要求1至8之一所述的磁场传感器系统，其中，所述磁场传感器系统包括霍尔效应传感器和串联连接的感应式结构元件，其中，霍尔效应传感器的输出信号比感应式结构元件的输出信号被更强地放大，使得：在具有0Hz(DC)至200kHz的带宽的中频范围中，能以5mT的测量分辨率覆盖5mT至300mT的磁场测量范围，即，以5mT测量范围的最小测量范围的因数10-3、在其他情况下以该测量范围的因数10-4覆盖所述磁场测量范围。
14.按照权利要求1至8之一所述的磁场传感器系统，其中，所述磁场传感器系统包括霍尔效应传感器和串联连接的感应式结构元件，其中，霍尔效应传感器的输出信号比感应式结构元件的输出信号被更强地增强，使得：在具有0Hz(DC)至2MHz的带宽的高频范围中，能以测量分辨率15μT覆盖3mT至30mT的磁场测量范围，即，以3mT测量范围的最小测量范围的因数5x10-2、在其他情况下以该测量范围的因数10-3覆盖所述磁场测量范围。
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