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Niederfrequenzmagnetfelder
von weniger als näherungsweise
10 kHz können
mit geringen Versatzfehlern durch integrierte Hall-Sonden gemessen werden.
Durch Implementieren einer Spinning-Current-Technik (Stromdrehtechnik)
weisen die Hall-Sonden
ein geringeres Funkelrauschen auf und sind sehr linear gegenüber einem
Magnetfeld (unter 400 mT Flussdichte) und sind frei von Hysterese. Durch
Implementieren einer Belastungskompensationstechnik weisen die Hall-Sonden
eine geringe Lebensdauer-Drift einer Magnetempfindlichkeit auf. Aufgrund
der zeitdiskreten Signalverarbeitung einer Spinning-Current-Technik ist die Bandbreite
einer typischen Hall-Sonde auf näherungsweise
10 kHz begrenzt.
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Hochfrequenzmagnetfelder
können
durch Luftspulen gemessen werden. Luftspulen weisen eine geringe
Impedanz auf und sind gegenüber
einem Magnetfeld sehr linear. Bei einigen Anwendungen, wie beispielsweise
einer entfernten oder kontaktlosen Erfassung eines elektrischen
Stroms über das
Magnetfeld desselben, gibt es ein beträchtliches Interesse an Magnetfeldsensoren
für breite
Bandbreiten von DC (Direct Current = Gleichstrom) bis zu 100 kHz.
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Aus
diesen und anderen Gründen
besteht ein Bedarf nach der vorliegenden Erfindung.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung,
ein System und ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds mit
verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine integrierte Schaltung gemäß Anspruch
1, ein System gemäß Anspruch
13 und ein Verfahren gemäß Anspruch
19 gelöst.
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Ein
Ausführungsbeispiel
sieht eine integrierte Schaltung vor. Die integrierte Schaltung
umfasst einen Chip bzw. Halbleiterchip (engl. die) und ein erstes
magnetfeldempfindliches Element, das an dem Chip gebildet ist. Die
integrierte Schaltung umfasst eine erste Spule, die an dem Chip
und um das erste magnetfeldempfindliche Element herum gebildet ist.
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Die
zugehörigen
Zeichnungen sind enthalten, um ein weitergehendes Verständnis von
Ausführungsbeispielen
zu liefern, und sind in diese Beschreibung aufgenommen und bilden
einen Teil derselben. Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele
dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Grundlagen von
Ausführungsbeispielen zu
erläutern.
Andere Ausführungsbeispiele
und viele der beabsichtigten Vorteile von Ausführungsbeispielen werden ohne
weiteres ersichtlich, wenn dieselben durch Bezugnahme auf die folgende
detaillierte Beschreibung besser verständlich werden. Die Elemente
der Zeichnungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgerecht relativ zueinander. Ähnliche
Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel
eines Systems darstellt;
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2 eine
Draufsicht, die ein Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors darstellt;
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3 ein
Schaltungsdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors darstellt;
-
4 eine
Draufsicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors darstellt; und
-
5 ein
Schaltungsdiagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors darstellt.
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen
genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen durch Veranschaulichung
spezifische Ausführungsbeispiele
gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In
dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie, wie beispielsweise „oben", „unten", "vorne", „hinten", „Vorder-", „Hinter-" etc., mit Bezug
auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Weil
Komponenten von Ausführungsbeispielen
in einer Anzahl unterschiedlicher Ausrichtungen positioniert sein
können,
wird die Richtungsterminologie zu Veranschaulichungszwecken verwendet
und ist in keiner Weise einschränkend.
Es sollte klar sein, dass andere Ausführungsbeispiele genutzt werden
können
und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne
von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die
folgende detaillierte Beschreibung soll deshalb nicht in einem einschränkenden
Sinn aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
ist durch die beigefügten
Ansprüche
definiert.
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Es
sollte klar sein, dass die Merkmale der verschiedenen exemplarischen
Ausführungsbeispiele,
die hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, wenn
es nicht spezifisch anders angegeben ist.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel
eines Systems 100 darstellt. Das System 100 umfasst
eine Steuerung 102 und einen Magnetfeldsensor 106.
Bei einem Ausführungsbeispiel
wird der Magnetfeldsensor 106 für eine entfernte oder kontaktlose
Erfassung eines elektrischen Stroms, der eine Schaltung durchläuft, durch
Messen des Magnetfelds, das durch den elektrischen Strom erzeugt
wird, verwendet. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird der Magnetfeldsensor 106 verwendet,
um ein Magnetfeld bei anderen geeigneten Anwendungen zu erfassen.
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der Magnetfeldsensor 106 ein Breitbandmagnetfeldsensor
zum Erfassen von Magnetfeldern mit Frequenzen von 0 Hz (d. h. DC)
bis 100 kHz.
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Wie
hierin verwendet, soll der Begriff „elektrisch gekoppelt" nicht bedeuten,
dass die Elemente direkt miteinander gekoppelt sein müssen, und
es können
dazwischenliegende Elemente zwischen den „elektrisch gekoppelten" Elementen vorgesehen sein.
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Die
Steuerung 102 ist kommunikativ mit dem Magnetfeldsensor 106 durch
einen Kommunikationsweg 104 gekoppelt. Die Steuerung 102 umfasst
einen Mikroprozessor, eine Mikrosteuerung oder eine andere geeignete
Logikschaltungsanordnung zum Steuern des Betriebs des Magnetfeldsensors 106. Bei
einem Ausführungsbeispiel
empfängt
die Steuerung 102 ein Sensorsignal von dem Magnetfeldsensor 106,
das ein Magnetfeld angibt, das durch den Magnetfeldsensor 106 erfasst
wurde.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Magnetfeldsensor 106 eine integrierte Schaltung,
die ein niederfrequenzmagnetfeldempfindliches Element umfasst, das
innerhalb einer Spule zentriert ist. Die Spule erfasst Hochfrequenzmagnetfelder,
die durch das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element nicht
erfasst werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
misst der Magnetfeldsensor 106 das absolute Magnetfeld,
das auf das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element und die
Spule wirkt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst der
Magnetfeldsensor 106 zwei niederfrequenzmagnetfeldempfindliche
Elemente und zwei Spulen in einer Differenzkonfiguration. Jedes
der niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elemente ist innerhalb
einer Spule zentriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel misst der Magnetfeldsensor 106 dass
Differenzmagnet feld, das auf die zwei niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen
Elemente und die zwei Spulen wirkt.
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Das
niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element misst Niederfrequenzmagnetfelder
mit einem Frequenzbereich von 0 Hz bis zu näherungsweise 10 kHz. Das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche
Element umfasst eine Hall-Sonde, ein magnetoresistives bzw. Magnetowiderstand-Sensorelement (XMR-Sensorelement),
wie beispielsweise ein Anisotrop-Magnetowiderstand-Sensorelement (AMR-Sensorelement),
ein Riesen-Magnetowiderstand-Sensorelement (GMR-Sensorelement; GMR
= giant magnetoresistive), ein Tunnel-Magnetowiderstand-Sensorelement
(TMR-Sensorelement;
TMR = tunnel magneto-resistive), eine Magneto-Diode, einen Magneto-Transistor (z.
B. MAG-FET; FET = Feldeffekttransistor) oder ein anderes geeignetes
niederfrequenzmagnetfeldempfindliches Element.
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Die
Spule misst Hochfrequenzmagnetfelder mit einem Frequenzbereich von
weniger als 10 kHz bis zu näherungsweise
100 kHz. Der Frequenzbereich der Spule überlappt den Frequenzbereich
des niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elements. Die Messsignale
von dem niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Element und der Spule
werden kombiniert, um ein Signal zu liefern, das das Magnetfeld
angibt, das auf das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element
und die Spule wirkt. Deshalb liefert die Kombination des niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen
Elements und der Spule einen Breitbandmagnetfeldsensor zum Messen
von Magnetfeldern mit einem Frequenzbereich von 0 Hz bis zumindest
näherungsweise
100 kHz.
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2 ist
eine Draufsicht, die ein Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors 120 darstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel
sieht der Magnetfeldsensor 120 den Magnetfeldsensor 106 vor,
der vorhergehend beschrieben und mit Bezug auf 1 dargestellt
ist. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der Magnetfeldsensor 120 eine integrierte Schaltung oder
ein Teil einer integrierten Schaltung. Der Magnetfeldsensor 120 um fasst
einen Chip bzw. Halbleiterchip 122, eine Spule 124 und
ein magnetfeldempfindliches Element 126.
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Die
Spule 124 erstreckt sich nahe den Umfangskanten des Chips 122.
Die Spule 124 umfasst eine Einrichtung zum Führen des
magnetischen Flusses eines Magnetfelds. Die Spule 124 ist
in Zwischenverbindungs- oder Metallisierungsschichten des Chips 122 unter
Verwendung von Metallleitungen gebildet. Die Metallleitungen sind
nahe den Umfangskanten des Chips 122 gebildet, um den Bereich zu
maximieren, der durch die Spule 124 eingeschlossen ist,
und dadurch die Magnetempfindlichkeit der Spule 124 zu
erhöhen.
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Das
niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element 126 ist an
dem Chip 126 zentriert und ist somit innerhalb der Spule 124 zentriert.
Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element 126 eine
Hall-Sonde, ein XMR-Sensorelement, eine Magneto-Diode, einen Magneto-Transistor oder ein
anderes geeignetes niederfrequenzmagnetfeldempfindliches Element.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel,
bei dem das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element 126 eine
Hall-Sonde umfasst, ist das Hall-Sondensignal (Uh), das durch die
Hall-Sonde ausgegeben wird, gegeben durch: Uh = IH·Si·B Gleichung Iwobei:
- IH
- der Strom durch die
Hall-Sonde ist;
- Si
- die strombezogene
Magnetempfindlichkeit ist; und
- B
- die Magnetflussdichte
senkrecht zu der Oberfläche
des Chips 122 ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
beträgt
IH näherungsweise
1 mA und beträgt
Si näherungsweise
500 V/A/T. Deshalb ist Uh genähert
durch: Uh ≈ 0,5·B Gleichung II
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Das
Spulensignal (UL), das durch die Spule ausgegeben wird, ist gegeben
durch: UL = iw·n·A·B Gleichung IIIwobei:
- i
- die imaginäre Einheit
ist;
- w
- die Winkelfrequenz
des Magnetfelds ist, das auf die Spule wirkt;
- n
- die Anzahl von Wicklungen
der Spule ist;
- A
- die Querschnittsfläche einer
einzigen Wicklung der Spule ist; und
- B
- die Magnetflussdichte
senkrecht zu der Oberfläche
des Chips 122 ist.
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Das
Spulensignal erhöht
sich beliebig mit der Frequenz des Magnetfelds, das auf die Spule
wirkt. Das Spulensignal wird implizit hochpassgefiltert, derart,
dass die Amplitude des Spulensignals proportional zu der Frequenz
des Magnetfelds ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die
Spule 124 drei Wicklungen in jeder von drei Zwischenverbindungsschichten
für insgesamt
neun Wicklungen. Bei anderen Ausführungsbeispielen werden andere
geeignete Anzahlen von Wicklungen pro Zwischenverbindungsschicht
und andere geeignete Anzahlen von Zwischenverbindungsschichten verwendet,
um eine Spule mit einer geeigneten Anzahl von Wicklungen zu liefern.
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 140 darstellt.
Der Magnetfeldsensor 140 umfasst eine Stromquelle 146,
ein niederfrequenzmagnetfeldempfindliches Element 126,
eine Spule 124, Verstärker 154 und 166,
Tiefpassfilter 158 und 170 und einen Summierblock 174.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst
das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element 126 eine
Spinning-Current-Hall-Sonde.
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Eine
Seite der Stromquelle 146 ist elektrisch mit einem gemeinsamen
Bezugspunkt oder einer Masse 142 durch einen Signalweg 144 gekoppelt. Die
andere Seite der Stromquelle 146 ist elektrisch mit einem
Eingang der Spinning-Current-Hall-Sonde 126 durch einen Signalweg 148 gekoppelt.
Die Spinning-Current-Hall-Sonde 126 ist
elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt oder der Masse 142 durch
einen Signalweg 150 gekoppelt. Der Ausgang der Spinning-Current-Hall-Sonde 126 ist
elektrisch mit dem Eingang des Verstärkers 154 durch einen
Signalweg 152 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 154 ist
elektrisch mit dem Eingang des Tiefpassfilters 158 durch
einen Signalweg 156 gekoppelt. Der Ausgang des Tiefpassfilters 158 ist
elektrisch mit dem ersten Eingang des Summierblocks 174 durch einen
Signalweg 160 gekoppelt.
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Eine
Seite der Spule 124 ist elektrisch mit dem gemeinsamen
Bezugspunkt oder der Masse 142 durch einen Signalweg 162 gekoppelt.
Die andere Seite der Spule 124 ist elektrisch mit dem Eingang des
Verstärkers 166 durch
einen Signalweg 164 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 166 ist
elektrisch mit dem Eingang des Tiefpassfilters 170 durch einen
Signalweg 168 gekoppelt. Der Ausgang des Tiefpassfilters 170 ist
elektrisch mit einem zweiten Eingang des Summierblocks 174 durch
einen Signalweg 172 gekoppelt. Der Ausgang des Summierblocks 174 liefert
das AUSGANG-Signal an einem AUSGANG-Signalweg 176.
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Die
Stromquelle 146 versorgt die Spinning-Current-Hall-Sonde 126.
Ein Niederfrequenzmagnetfeld, das auf die Hall-Sonde 126 wirkt,
wird durch die Hall-Sonde 126 erfasst. Die Hall-Sonde 126 gibt
ein Hall-Sondensignal, das das Magnetfeld angibt, an den Verstärker 154 aus.
Der Verstärker 154 verstärkt das
Hall-Sondensignal und leitet das verstärkte Hall-Sondensignal an das
Tiefpassfilter 158. Das Tiefpassfilter 158 tiefpassfiltert
das verstärkte
Hall-Sondensignal und leitet das gefilterte Hall-Sondensignal an
den Summierblock 174. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Tiefpassfilter 158 ausgeschlossen
und leitet der Verstärker 154 das verstärkte Hall-Sondensignal direkt
an den Summierblock 174.
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Ein
Hochfrequenzmagnetfeld, das auf die Spule 124 wirkt, induziert
eine Spannung in der Spule 124. Die Spule 124 gibt
das Induzierte-Spannung-Spulensignal, das das Magnetfeld angibt,
an den Verstärker 166 aus.
Der Verstärker 166 verstärkt das
Spulensignal und leitet das verstärkte Sensorsignal an das Tiefpassfilter 170.
Das Tiefpassfilter 170 tiefpassfiltert das verstärkte Spulensignal
und leitet das gefilterte Spulensignal an den Summierblock 174.
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Der
Summierblock 174 addiert das gefilterte Hall-Sondensignal
zu dem gefilterten Spulensignal, um das AUSGANG-Signal zu liefern.
Das AUSGANG-Signal stellt das Magnetfeld dar, das auf die Spinning-Current-Hall-Sonde 126 und
die Spule 124 wirkt. Das AUSGANG-Signal weist einen Bereich
von DC bis zu hohen Frequenzen wie beispielsweise 100 kHz auf.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
weist das Tiefpassfilter
158 eine –3dB-Eckfrequenz (fg) auf und weist
das Tiefpassfilter
170 eine –3dB-Eckfrequenz (fg') auf. Bei einem
Ausführungsbeispiel
sind die Eckfrequenzen fg und fg' identisch.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
sind die Eckfrequenzen fg und fg' ähnlich und
sind gesetzt, um eine geringe Überkreuzungsverzerrung
von Amplitude, Phase und/oder Zeitverzögerung zwischen fg und fg' zu liefern. Bei
einem Ausführungsbeispiel
sind die Tiefpassfilter
158 und
170 RC-Tiefpassfilter
der ersten Ordnung (RC... = Resistance-Capacitance... = Widerstands-Kapazitäts-...).
Bei anderen Ausführungsbeispielen
sind die Tiefpassfilter
158 und
170 Tiefpassfilter
einer höheren
Ordnung. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die Tiefpassfilter
158 und
170 in die Verstärker
154 bzw.
166 integriert.
Die Übertragungsfunktion
(TF; TF = Transfer Function) der Tiefpassfilter
158 und
170 ist
gegeben durch: Gleichung
IV
wobei:
- wg
- hierbei 2·π·fg beträgt; und
- w
- hierbei 2·π·Frequenz
(f) beträgt.
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Deshalb
ist nach einer Filterung und bei w >> wg
das gefilterte Spulensignal (UL')
angenähert durch: UL' ≈ wg·π·A·B Gleichung V
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Sowohl
das Hall-Sondensignal als auch das Spulensignal weisen eine flache Überkreuzungsfrequenz
auf, daher gilt: Uh = UL' Gleichung VI
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Somit
ist die Eckfrequenz (fg) bestimmt durch: Gleichung
VII
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
misst der Chip 122 3 mm mal 2 mm. Somit ist die Fläche (A) des
Chips 122 gleich 6 mm2 und beträgt der Umfang 10
mm. Bei einem Ausführungsbeispiel
umfasst die Spule 124 je drei Wicklungen in drei Zwischenverbindungsschichten,
um neun Wicklungen (d. h. n = 9) zu liefern. Unter Verwendung der
Gleichung VII ist deshalb fg gleich 1,5 kHz bei diesem Ausführungsbeispiel.
Der interne Widerstandswert der Spule 124 sollte nicht
den Widerstandswert der Hall-Sonde 126 überschreiten, der typischerweise
etwa 2 kOhm beträgt.
Eine Zwischenverbindungsschicht des Chips 122 weist einen
typischen Schichtwiderstandswert von etwa 60 mOhm/quadratische Einheitsfläche (Square)
auf. Deshalb umfasst bei einem Ausführungsbeispiel die Spule 124 33333
Einheitsflächen. Bei
einer Spule mit je drei Wicklungen pro Zwischenverbindungsschicht
in drei Zwischenverbindungsschichten nahe dem Umfang des Chips 122 wird
eine Spulenmetallleitungsbreite von 2,7 μm erhalten. Bei einer Beabstandung
von 1 μm
zwischen benachbarten Leitungen beträgt der Platz, der durch die
Metallleitung verbraucht wird, näherungsweise
3·(2,7 μm + 1 μm)·10 mm
oder 0,11 mm2, was näherungsweise 2% der Gesamtchipfläche ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
ist der Widerstandswert der Spule 124 weiter verringert,
ohne mehr als 5% der Gesamtchipfläche zu verwenden.
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In
Betrieb wird ein Magnetfeld, das auf das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche
Element 126 und die Spule 124 an dem Chip 122 wirkt,
durch das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element 126 und
die Spule 124 erfasst. Das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche
Element 126 und die Spule 124 liefern Signale,
die das Magnetfeld angeben. Die Signale werden dann verstärkt, tiefpassgefiltert
und kombiniert, um das AUSGANG-Signal zu liefern. Das AUSGANG-Signal
liefert eine Angabe des Magnetfelds, das auf das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche
Element 126 und die Spule 124 wirkt, und weist
einen Bereich von 0 Hz bis zumindest näherungsweise 100 kHz auf. Durch
Kombinieren des niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elements 126 und
der Spule 124 in einen einzigen Chip ist deshalb ein Breitbandmagnetfeld-Integrierte-Schaltung-Sensor
vorgesehen.
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4 ist
eine Draufsicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 180 darstellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
sieht der Magnetfeldsensor 180 den Magnetfeldsensor 106 vor,
der vorhergehend beschrieben und mit Bezug auf 1 dargestellt
ist. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der Magnetfeldsensor 180 eine integrierte Schaltung
oder ein Teil einer integrierten Schaltung. Der Magnetfeldsensor 180 umfasst
einen Chip 122, Spulen 124a und 124b und
magnetfeldempfindliche Elemente 126a und 126b.
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Die
Spulen 124a und 124b erstrecken sich nahe den
Umfangskanten des Chips 122 und durch die Mitte des Chips 122 hindurch.
Die Spulen 124a und 124b umfassen keine Einrichtung
zum Führen des
Magnetflusses eines Magnetfelds. Die Spulen 124a und 124b sind
in Zwischenverbindungs- oder Metallisierungsschichten des Chips 122 unter
Verwendung von Metallleitungen gebildet. Die Metallleitungen sind
nahe den Umfangskanten des Chips 122 und durch die Mitte
des Chips 122 hindurch gebildet, um den Bereich zu maximieren,
der durch die Spulen 124a und 124b eingeschlossen
ist, und dadurch die Magnetempfindlichkeit der Spulen 124a und 124b zu erhöhen. Bei
einem Ausführungsbeispiel
sind die Spulen 124a und 124b elektrisch miteinander
gekoppelt, um eine Differenzspule 123 zu bilden, die 0
Volt ausgibt, wenn ein homogenes Magnetfeld auf die Differenzspule 123 wirkt.
Die Differenzspule 123 gibt eine Spannung aus, wenn das
Magnetfeld, das auf eine Seite (d. h. Spule 124a oder 124b)
des Chips 122 wirkt, größer als
das Magnetfeld ist, das auf die andere Seite des Chips 122 wirkt.
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Das
niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Element 126a ist innerhalb
der Spule 124a zentriert und das niederfrequenzmagnetfeldempfindliche
Element 126b ist innerhalb der Spule 124b zentriert.
Bei einem Ausführungsbeispiel
umfassen die magnetfeldempfindlichen Elemente 126a und 126b Hall-Sonden,
XMR-Sensorelemente,
Magneto-Dioden, Magneto-Transistoren oder andere geeignete niederfrequenzmagnetfeldempfindliche
Elemente. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elemente 126a und 126b voneinander
um einen Abstand in einem Bereich von näherungsweise 1 mm–3 mm beabstandet. Die
niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elemente 126a und 126b reagieren
auf Magnetfelder mit unterschiedlichen Vorzeichen. Durch Subtrahieren des
Ausgangssignals des niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elements 126a von
dem Ausgangssignal des niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elements 126b stellt
das resultierende Signal die Differenz in dem Magnetfeld dar, das
auf die linke und die rechte Seite des Chips 122 wirkt.
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5 ist
ein Schaltungsdiagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 190 darstellt.
Der Magnetfeldsensor 190 umfasst Stromquellen 146a und 146b,
niederfrequenzmagnetfeldempfindliche Elemente 126a und 126b, Spulen 124a und 124b,
Subtraktionsblöcke 182 und 186,
Verstärker 154 und 166,
Tiefpassfilter 158 und 170 und einen Summierblock 174.
Bei einem Ausführungsbeispiel
umfassen die niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elemente 126a und 126b Spinning-Current-Hall-Sonden.
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Eine
Seite der Stromquelle 146a ist elektrisch mit einem gemeinsamen
Bezugspunkt oder einer gemeinsamen Masse 142 durch einen
Signalweg 144a gekoppelt. Die andere Seite der Stromquelle 146a ist
elektrisch mit einem Eingang der Spinning-Current-Hall-Sonde 126a durch
einen Signalweg 148a gekoppelt. Die Spinning-Current-Hall-Sonde 126a ist
elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt oder der gemeinsamen
Masse 142 durch einen Signalweg 150a gekoppelt.
Der Ausgang der Spinning-Current-Hall-Sonde 126a ist elektrisch
mit einem ersten Eingang des Subtraktionsblocks 182 durch
einen Signalweg 152a gekoppelt.
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Eine
Seite der Stromquelle 146b ist elektrisch mit dem gemeinsamen
Bezugspunkt oder der gemeinsamen Masse 142 durch einen
Signalweg 144b gekoppelt. Die andere Seite der Stromquelle 146b ist
elektrisch mit einem Eingang der Spinning-Current-Hall-Sonde 126b durch
einen Signalweg 148b gekoppelt. Die Spinning-Current-Hall-Sonde 126b ist
elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt oder der gemeinsamen
Masse 142 durch einen Signalweg 150b gekoppelt.
Der Ausgang der Spinning-Current-Hall-Sonde 126b ist
elektrisch mit einem zweiten Eingang des Subtraktionsblocks 182 durch
einen Signalweg 152b gekoppelt.
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Der
Ausgang des Subtraktionsblocks 182 ist elektrisch mit dem
Eingang des Verstärkers 154 durch
einen Signalweg 184 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 154 ist
elektrisch mit dem Eingang des Tiefpassfilters 158 durch
einen Signalweg 156 gekoppelt. Der Ausgang des Tiefpassfilters 158 ist elektrisch
mit einem ersten Eingang des Summierblocks 174 durch einen
Signalweg 160 gekoppelt.
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Eine
Seite der Spule 124a ist elektrisch mit dem gemeinsamen
Bezugspunkt oder der gemeinsamen Masse 142 durch einen
Signalweg 162a gekoppelt. Die andere Seite der Spule 124a ist
elektrisch mit einem ersten Eingang des Subtraktionsblocks 186 durch
einen Signalweg 164a gekoppelt. Eine Seite der Spule 124b ist
elektrisch mit dem gemeinsamen Bezugspunkt oder der gemeinsamen
Masse 142 durch einen Signalweg 162b gekoppelt.
Die andere Seite der Spule 124b ist elektrisch mit einem zweiten
Eingang des Subtraktionsblocks 186 durch einen Signalweg 164b gekoppelt.
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Der
Ausgang des Subtraktionsblocks 186 ist elektrisch mit dem
Eingang des Verstärkers 166 durch
einen Signalweg 188 gekoppelt. Der Ausgang des Verstärkers 166 ist
elektrisch mit dem Eingang des Tiefpassfilters 170 durch
einen Signalweg 168 gekoppelt. Der Ausgang des Tiefpassfilters 170 ist elektrisch
mit einem zweiten Eingang des Summierblocks 174 durch einen
Signalweg 172 gekoppelt. Der Ausgang des Summierblocks 174 liefert
das AUSGANG-Signal auf einem AUSGANG-Signalweg 176.
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Die
Stromquelle 146a versorgt die Spinning-Current-Hall-Sonde 126a.
Die Stromquelle 146b versorgt die Spinning-Current-Hall-Sonde 126b.
Ein Niederfrequenzmagnetfeld, das auf die Hall-Sonden 126a und 126b wirkt,
wird durch die Hall-Sonden 126a und 126b erfasst.
Die Hall-Sonden 126a und 126b geben jeweils ein
Hall-Sondensignal, das das Magnetfeld angibt, an den Subtraktionsblock 182 aus.
Der Subtraktionsblock 182 subtrahiert eines der Hall-Sondensignale
von dem anderen der Hall-Sondensignale, um ein Hall-Sondendifferenzsignal
zu liefern, das die Differenz zwischen den Hall-Sondensignalen angibt.
Das Hall-Sondendifferenzsignal wird an den Verstärker 154 geleitet.
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Der
Verstärker 154 verstärkt das
Hall-Sondendifferenzsignal und leitet das verstärkte Hall-Sondendifferenzsignal
an das Tiefpassfilter 158. Das Tiefpassfilter 158 tiefpassfiltert
das verstärkte Hall-Sondendifferenzsignal
und leitet das gefilterte Hall-Sondendifferenzsignal an den Summierblock 174.
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist das Tiefpassfilter 158 ausgeschlossen und leitet der
Verstärker 154 das
verstärkte
Hall-Sondendifferenzsignal direkt an den Summierblock 174.
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Ein
Hochfrequenzmagnetfeld, das auf die Spulen 124a und 124b wirkt,
induziert eine Spannung in jeder Spule 124a und 124b.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
gibt jede Spule 124a und 124b ein Induzierte-Spannung-Spulensignal,
das das Magnetfeld angibt, an den Subtraktionsblock 186 aus.
Der Subtraktionsblock 186 subtrahiert eines der Sensorsignale
von dem anderen der Sensorsignale, um ein Spulendifferenzsignal zu
liefern, das die Differenz zwischen den Sensorsignalen angibt. Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel,
bei dem eine Differenzspule wie beispielsweise 123 verwendet
wird, ist der Subtraktionsblock 186 ausgeschlossen und
ist das Spannungssignal, das durch die Differenzspule ausgegeben
wird, das Spulendifferenzsignal. Das Spulendifferenzsignal wird
an den Verstärker 166 geleitet.
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Der
Verstärker 166 verstärkt das
Spulendifferenzsignal und leitet das verstärkte Spulendifferenzsignal
an das Tiefpassfilter 170. Das Tiefpassfilter 170 tiefpassfiltert
das verstärkte
Spulendifferenzsignal und leitet das gefilterte Spulendifferenzsignal
an den Summierblock 174. Der Summierblock 174 addiert
das gefilterte Hall-Sondendifferenzsignal zu dem gefilterten Spulendifferenzsignal,
um das AUSGANG-Signal
zu liefern. Das AUSGANG-Signal stellt die Differenz bei dem Magnetfeld
dar, das auf die Spinning-Current-Hall-Sonde 126a und die Spule 124a sowie
auf die Spinning-Current-Hall-Sonde 126b und
die Spule 124b wirkt. Das AUSGANG-Signal weist einen Bereich
von DC bis zu hohen Frequenzen wie beispielsweise 100 kHz auf.
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In
Betrieb wird ein Magnetfeld, das auf die niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen
Elemente 126a und 126b und die Spulen 124a und 124b an dem
Chip 122 wirkt, durch die niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen
Elemente 126a und 126b und die Spulen 124a und 124b erfasst.
Die niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen Elemente 126a und 126b und
die Spulen 124a und 124b liefern Signale, die
das Magnetfeld angeben. Die Differenz bei den Magnetfeldern, die
auf die rechte und die linke Seite des Chips 122 wirken,
wird dann bestimmt, um Differenzsignale zu liefern. Die Differenzsignale
werden verstärkt, tiefpassgefiltert
und kombiniert, um das AUSGANG-Signal zu liefern. Das AUSGANG-Signal liefert
eine Angabe des Differenzmagnetfelds, das auf die niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen
Elemente 126a und 126b und die Spulen 124a und 124b wirkt.
Das AUSGANG-Signal weist einen Bereich von 0 Hz bis zumindest näherungsweise
100 kHz auf. Deshalb ist durch Kombinieren der niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen
Elemente 126a und 126b und der Spulen 124a und 124b in
einen einzigen Chip ein Differenz-Breitband-Magnetfeld-Integrierte-Schaltung-Sensor
geschaffen.
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Ausführungsbeispiele
sehen einen Breitbandmagnetfeldsensor vor, der auf einem einzigen Chip
integriert ist. Der Breitbandmagnetfeldsensor kann zu geringen Kosten
gefertigt werden, da die Sensorfertigung zu der Technologie integrierter Schaltungen
kompatibel ist. Zusätzlich
weist der Sensor geringes Gewicht und Volumen auf. Der Sensor weist
keine mechanischen Teile auf, somit weist der Sensor eine hohe Zuverlässigkeit
auf. Da ferner die Spule(n) und das (die) niederfrequenzmagnetfeldempfindliche(n)
Element(e) sich auf dem gleichen Chip befinden, erfahren sowohl
die Spule(n) als auch das (die) niederfrequenzmagnetfeldempfindliche(n) Element(e)
die gleiche Temperatur, was eine Temperaturkompensation für sowohl
die Spule(n) als auch das (die) niederfrequenzmagnetfeldempfindliche(n) Element(e)
verbessert. Sowohl die Spule(n) als auch das (die) niederfrequenzmagnetfeldempfindliche(n) Element(e)
können
unter Verwendung einer Standardtestprozedur für integrierte Schaltungen und
bei unterschiedlichen Temperaturen getestet werden. Die Tiefpassfilter
für die
Spule(n) und das (die) niederfrequenzmagnetfeldempfindliche(n) Element(e)
sind gut abgestimmt, da sich dieselben unter Verwendung der gleichen
Prozessstreuung und -temperatur auf der gleichen integrierten Schaltung befinden.
Schließlich
gibt es aufgrund der Genauigkeit lithographischer Prozesse keine
laterale, vertikale oder winkelmäßige Fehlausrichtung
zwischen der (den) Spule(n) und dem (den) niederfrequenzmagnetfeldempfindlichen
Element(en). Daher erfassen die Spule(n) und das (die) entsprechende(n)
niederfrequenzmagnetfeldempfindliche(n) Element(e) im Wesentlichen
identische Magnetfeldkomponenten.
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Obwohl
spezifische Ausführungsbeispiele hierin
dargestellt und beschrieben wurden, ist es Durchschnittsfachleuten
auf dem Gebiet ersichtlich, dass eine Vielfalt von anderen und/oder äquivalenten Implementierungen
die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele
ersetzen kann, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Adaptionen oder Variationen
der hierin erörterten spezifischen
Ausführungsbeispiele
abdecken. Deshalb ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch
die Ansprüche
und die Äquivalente
derselben begrenzt sein soll.
