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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Anordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind aus den Druckschriften
DE 44 42 441 A1 und
EP 1 052 519 B1 Anordnungen vom sogenannten Fluxgate-Typ bekannt, welche ein Halbleitersubstrat, ein Anregungselement, zwei Erfassungsspulen und einen magnetischen Kern aufweisen. Das Anregungselement umfasst eine Spule, welche mit einem eine Erregungsfrequenz aufweisenden Wechselstrom betrieben wird. Die magnetische Flussdichte B in einem ferromagnetischen Stoff wird von der Stärke des umgebenden Magnetfeldes H bestimmt. Im Magnetkern wird ein magnetischer Fluss nach der magnetischen Hysteresekurve (B-H-Kurve) mit derselben Frequenz wie die Erregungsfrequenz des Wechselstroms erzeugt. Der magnetische Fluss im Magnetkern ist proportional zum Produkt aus magnetischer Permeabilität μ und Feldstärke H des Magnetfeldes. Die Permeabilität ist im Sättigungsbereich sehr klein, während sie beim Nulldurchgang der Hysteresekurve sehr groß ist. Aufgrund der Nichtlinearität der Permeabilität verursacht ein äußeres magnetisches Feld eine Verzerrung des magnetischen Flusses, die mittels Erfassungsspule detektierbar ist. Bei Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes sind die induzierten Ströme in den Erfassungsspulen gleich Null. Liegt ein äußeres Magnetfeld hingegen vor, weisen die Induktionsströme unterschiedliche Harmonische der Erregungsfrequenz auf. Die Summe der Induktionsströme ist ungleich Null und somit ein Maß für die Stärke des äußeren Magnetfeldes.
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In der Druckschrift
DE 44 42 441 A1 ist eine Anordnung zur Detektion bestehend aus einer flusserzeugenden Spule, einer flussleitenden Struktur und einem flussdetektierenden Bauelement offenbart. Die flusserzeugende Spule, die flussleitende Struktur sowie das flussdetektierende Bauelement sind in mehreren Schichten auf einem Substrat realisiert, wobei die flusserzeugenden Spule und das flussdetektierende Bauelement räumlich voneinander getrennt sind und keine derartige Anordnung vorliegt, wie sie bei miteinander verschränkten Windungen (entsprechend zweier miteinander gewickelter Spulenanordnungen) auftritt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Detektion und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Anordnung haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass zur Magnetisierung einer flussleitenden Struktur (im Folgenden auch magnetischer Kern genannt) ein möglichst homogenes Magnetfeld auch zwischen benachbarten Windungen einer flusserzeugenden Spule (im Folgenden auch Erregerspule genannt) erzeugt wird, wobei zwischen benachbarten Windungen der flusserzeugenden Spule mindestens eine Windung einer flussdetektierenden Spule (im Folgenden auch Pickup-Spule genannt) angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist die Anordnung zur Detektion als MEMS (Micro-Electromechanical System) vorgesehen, d. h. als Mikrosystem angeordnet insbesondere auf einem Halbleitersubstrat (z. B. aus Siliziummaterial) bzw. einem Chip. Bei Anordnungen in mikroelektromechanischer Bauweise ist die Windungszahl für Erregerspule und Pickup-Spule typischerweise begrenzt. Ferner fällt die Stärke des erzeugten Magnetfeldes sowohl oberhalb (bzw. unterhalb) einer stromdurchflossenen Schicht (bzw. eines Bahnelementes) als auch seitlich davon vergleichsweise schnell ab, so dass zum einen sowohl die flusserzeugende Spule als auch die flussdetektierende Spule einlagig ausgeführt werden und zum anderen bereits ein vergleichsweise kleiner Abstand zweier benachbarter Windungen der Erregerspule dazu führt, dass das erzeugte Magnetfeld im Bereich zwischen diesen benachbarten Windungen vergleichsweise schwach ist. Durch die verwendete Technologie (vorgegebene minimale Strukturbreite sowie einlagige Erreger- und Pickupspule) ist die maximal mögliche Gesamtwindungszahl vorgegeben. Eine Optimierung der Anordnung zur Detektion ist erfindungsgemäß durch eine geeignete Verteilung der Windungen auf den Erregerbereich und den Pickupbereich sowie durch eine geeignete Dimensionierung der Leiterbahnen möglich.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine höchstmögliche Homogenität des Magnetfeldes mit einer höchstmöglichen Detektionsempfindlichkeit der Ummagnetisierung im magnetischen Kern kombinierbar ist. Durch geeignete Anordnung und Breite der Leiterbahnen der Erregerspule ist es gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft möglich, ein überaus homogenes Magnetfeld in der flussleitenden Struktur zu erzeugen, um den magnetischen Kern, vorzugsweise als magnetischer Dünnfilm ausgeführt, zu magnetisieren, wobei zwischen benachbarten Windungen der flusserzeugenden Spule mindestens eine Windung der flussdetektierenden Spule angeordnet ist.
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Alternativ hierzu ist es gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft möglich, sogar zwei flussdetektierende Spulenwindungen zwischen zwei benachbarten Windungen der flusserzeugenden Spule anzuordnen. In vorteilhafter Weise ist eine starke Erhöhung der Detektionsempfindlichkeit der Ummagnetisierung im magnetischen Kern (ebenfalls vorzugsweise als magnetischer Dünnfilm ausgeführt) erreichbar, während die Homogenität des erzeugten Magnetfeldes lediglich vergleichsweise wenig reduziert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anordnung eine weitere flussdetektierende Spule aufweist. Dabei sind die Erregerbahnelemente und die Detektionsbahnelemente insbesondere derart angeordnet, dass sich zwischen zwei benachbarten Erregerbahnelementen, die sich in derselben Ebene erstrecken, zwei Detektionsbahnelemente erstrecken. In vorteilhafter Weise lässt sich die Anzahl der Windungen der flussdetektierenden Spulen bei paralleler Wicklung erhöhen, wobei durch diese höhere Anzahl der Windungen der flussdetektierenden Spulen eine höchstmögliche Detektionsempfindlichkeit der Ummagnetisierung im magnetischen Kern erreichbar ist. Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Weiterbildung ist, dass bei erfindungsgemäßer Anordnung ein möglichst homogenes Magnetfeld erzeugt wird. Diese bevorzugte Weiterbildung kombiniert die höchstmögliche Homogenität des erzeugten Magnetfeldes mit einer möglichst hohen Detektionsempfindlichkeit der Ummagnetisierung im magnetischen Kern. Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Weiterbildung ist, dass breitere Erregerbahnelemente einen geringeren elektrischen Widerstand haben. Dadurch wird entweder bei gleicher Stromstärke eine geringere Leistung erreicht oder bei gleicher Leistung eine höhere Stromstärke eingesetzt.
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Nachfolgend sind bevorzugte Weiterbildungen beider Ausführungsformen dargestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass sich die Erregerbahnelemente in zwei parallelen Ebenen erstrecken. In vorteilhafter Weise lässt sich durch die parallele Anordnung der Erregerbahnelemente die Homogenität des erzeugten Magnetfeldes verbessern.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die flussdetektierende Spule mit der weiteren flussdetektierenden Spule in Serie geschaltet ist. In vorteilhafter Weise lässt sich die Hintereinanderschaltung der beiden flussdetektierenden Spulen in einfacher Weise erreichen, wobei direkt auf dem Chip der Ausgang der flussdetektierenden Spule an den Eingang der weiteren flussdetektierenden Spule angeschlossen ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die flussdetektierende Spule derart über eine außerhalb des Bereiches, in dem die Windungen der flusserzeugenden Spule angeordnet sind, verlaufende Verbindung an die weitere flussdetektierende Spule angeschlossen ist, sodass in vergleichsweise einfacher Weise der magnetische Fluss detektierbar ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die flussleitende Struktur als ein magnetischer Dünnfilm ausgeprägt ist, wobei sich der magnetische Dünnfilm im Wesentlichen parallel zur Ebene erstreckt. Der magnetische Dünnfilm lässt sich vergleichsweise einfach mithilfe der verwendeten Mikrosystemtechnologie auf das Substrat aufbringen.
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Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Detektion eines magnetischen Flusses, wobei die Anordnung als Mikrosystem hergestellt wird und wobei die Anordnung auf einem Halbleitersubstrat realisiert wird. Durch die Herstellung als Mikrosystem auf einem Halbleitersubstrat (z. B. aus Siliziummaterial) ist es möglich, die Vorteile der Erfindung (größtmögliche Homogenität des erzeugten Magnetfeldes und höchstmögliche Detektionsempfindlichkeit der Ummagnetisierung im magnetischen Kern) mit den Vorteilen der MEMS-Technologie (vergleichsweise kostengünstige Herstellung, geringer Platzbedarf) zu kombinieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die flussleitende Struktur in Form eines magnetischen Dünnfilms auf das Halbleitersubstrat aufgebracht wird. Die Vorteile der Erfindung (größtmögliche Homogenität des erzeugten Magnetfeldes und höchstmögliche Detektionsempfindlichkeit der Ummagnetisierung im magnetischen Kern) lassen sich mit dem vergleichsweise einfachen Aufbringen eines magnetischen Dünnfilms kombinieren.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes in Seitenansicht einer Anordnung zur Detektion gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 schematische Darstellungen eines Längsschnittes in Seitenansicht und in Aufsicht einer Anordnung zur Detektion gemäß eines Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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3 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes in Seitenansicht einer Anordnung zur Detektion gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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Die nachfolgenden Figuren stellen Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Detektion dar. Die Anordnung zur Detektion weist eine flusserzeugende Spule 1, eine flussleitende Struktur 2 und eine flussdetektierende Spule 3 auf. Die Spulen 1, 3 sind als dreidimensionale Spulen ausgeführt. Die Anordnung zur Detektion ist in MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)-Technologie hergestellt. Die Spulen 1, 3 und die flussleitende Struktur 2 sind auf einem Substrat hergestellt, wobei sich die flussleitende Struktur 2 im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats erstreckt. Der Einfachheit halber ist das Substrat nicht in den Figuren dargestellt. Die Herstellung der Spulen 1, 3 geschieht beispielsweise durch die Strukturierung einer ersten leitenden Ebene, insbesondere einer ersten Metallisierungsebene, für diejenigen Teile der Spulenwindungen, die unter der flussleitenden Struktur 2 angeordnet sind, und durch die Strukturierung einer zweiten leitenden Ebene, insbesondere einer zweiten Metallisierungsebene, für diejenigen Teile der Spulenwindungen, die über der flussleitenden Struktur 2 angeordnet sind. Die Spulenebenen und die als magnetischer Dünnfilm ausgebildete flussleitende Struktur 2 sind jeweils durch eine Isolationsschicht elektrisch voneinander isoliert. Nur im Bereich von Kontaktstellen, die sich jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene der flussleitenden Struktur 2 bzw. des Substrats erstrecken, ist ein elektrischer Kontakt zwischen den Spulenebenen bzw. den leitenden Ebene vorhanden, um die Spulenwindungen um die flussleitende Struktur 2 zu schließen.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Längsschnittes in Seitenansicht einer Anordnung zur Detektion gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet, wobei sich der Längsschnitt entlang der flussleitenden Struktur 2 bzw. entlang der Haupterstreckungsrichtung der flussleitenden Struktur 2 erstreckt. Die flusserzeugende Spule 1 weist Erregerbahnelemente 11, 12, 13, 14 auf. Die flussdetektierende Spule 3 weist ein erstes Detektionsbahnelement 31 auf. Ein erstes und zweites Erregerbahnelement 11, 12 erstrecken sich in einer ersten Ebene, die in 1 oberhalb der flussleitenden Struktur 2 verläuft. Ein drittes und viertes Erregerbahnelement 13, 14 erstrecken sich in einer zur ersten Ebene parallelen zweiten Ebene, die in 1 unterhalb der flussleitenden Struktur 2 verläuft. Das erste Detektionselement 31 erstreckt sich in der ersten Ebene zwischen dem ersten und dem zweiten Erregerbahnelement 11, 12. Die flussleitende Struktur 2 erstreckt sich zwischen der ersten und der zweiten Ebene. Die Parallelprojektion der Erregerbahnelemente 11, 12, 13, 14 auf eine zur ersten und zweiten Ebene parallele Ebene (Projektionsebene) überdeckt die Parallelprojektion der flussleitenden Struktur 2 auf diese Ebene mindestens im Bereich der Windungen der flusserzeugenden Spule 1 im Wesentlichen vollständig. In der ersten Ausführungsform wird durch diese Überdeckung die größtmögliche Homogenität des erzeugten Magnetfeldes realisiert. Zusätzlich ist nur eine Windung der flussdetektierenden Spule 3 zwischen zwei benachbarten Windungen der flusserzeugenden Spule 1 angeordnet, sodass die Erregerbahnelemente 11, 12, 13, 14 vergleichsweise schmal realisierbar sind. Die Breite der Erregerbahnelemente 11, 12, 13, 14 ergibt sich bevorzugt aus der Breite des ersten Detektionsbahnelementes 31 zuzüglich des doppelten Abstands zwischen dem ersten Erregerbahnelement 11 und dem ersten Detektionsbahnelement 31. Aufgrund der vergleichsweise schmalen Erregerbahnelemente 11, 12, 13, 14 ist eine vergleichsweise hohe Anzahl an Windungen der flusserzeugenden Spule 1 realisierbar.
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In 2 ist im oberen Teil der Figur eine schematische Darstellung eines Längsschnittes in Seitenansicht und im unteren Teil der Figur in Aufsicht einer Anordnung zur Detektion gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet, wobei auch hier die vollständige Überdeckung der flussleitenden Struktur 2 durch die flusserzeugende Spule 1 realisiert ist. Der obere Teil der 2 entspricht einem Längsschnitt entlang einer Schnittlinie, die sich etwa in der Mitte der flussleitenden Struktur 2 in deren Haupterstreckungsrichtung und in der Mitte der unteren Darstellung gemäß 2 befindet. Die Anordnung weist eine weitere flussdetektierende Spule 6 mit einem zweiten Detektionsbahnelement 61 auf, wobei sich zwischen dem ersten Erregerbahnelement 11 und dem zweiten Erregerbahnelement 12 das erste Detektionsbahnelement 31 und das zweite Detektionsbahnelement 61 erstrecken. Weiterhin ist die flussdetektierende Spule 3 mit der weiteren flussdetektierenden Spule 6 in Serie geschaltet, wobei der Ausgang der flussdetektierenden Spule 3 an den Eingang der weiteren flussdetektierenden Spule 6 angeschlossen ist. Weiterhin ist die flussdetektierende Spule 3 über eine außerhalb des Bereiches, in dem die Windungen der flusserzeugenden Spule 1 angeordnet sind, verlaufende Verbindung an die weitere flussdetektierende Spule 6 angeschlossen. In diesem Beispiel der ersten Ausführungsform ist die größtmögliche Homogenität des erzeugten Magnetfeldes durch die erfindungsgemäße Überdeckung der flussleitenden Struktur 2 realisiert. Die Breite der Erregerbahnelemente 11, 12, 13, 14 ergibt sich bevorzugt bei gleicher Breite der Detektionsbahnelemente 31, 61 aus der doppelten Breite der Detektionsbahnelemente 31, 61 zuzüglich des dreifachen Abstands zwischen dem ersten Erregerbahnelement 11 und dem ersten Detektionsbahnelement 31, wobei der Abstand zwischen erstem Erregerbahnelement 11 und erstem Detektionsbahnelement 31 dem Abstand zwischen den Detektionsbahnelementen 31, 61 bzw. dem Abstand zwischen zweitem Detektionsbahnelement 61 und zweitem Erregerbahnelement 12 entspricht. Zusätzlich zur größtmöglichen Homogenität ist aber auch eine möglichst hohe Detektionsempfindlichkeit der Ummagnetisierung im magnetischen Kern realisiert, da zwei Windungen der flussdetektierenden Spulen 3, 6 zwischen zwei benachbarten Windungen der flusserzeugenden Spule 1 angeordnet sind. Außerdem ist eine Serienschaltung durch vergleichsweise einfaches Anschließen des Ausganges der flussdetektierenden Spule 3 an den Eingang der weiteren flussdetektierenden Spule 6 direkt auf dem Chip realisiert. Dadurch wird erreicht, dass die Detektionsempfindlichkeit auf vergleichsweise einfache Weise aufgrund einer höheren Anzahl an Windungen der flussdetektierenden Spulen 3, 6 erhöht wird.
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In 3 ist eine schematische Darstellung eines Längsschnittes entlang der flussleitenden Struktur 2 bzw. entlang der Haupterstreckungsrichtung der flussleitenden Struktur 2 in Seitenansicht einer Anordnung zur Detektion gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Zwischen dem ersten Erregerbahnelement 11 und dem zweiten Erregerbahnelement 12 erstrecken sich das erste Detektionsbahnelement 31 und das zweite Detektionsbahnelement 61. In dieser zweiten Ausführungsform sind zwei Windungen der flussdetektierenden Spulen 3, 6 zwischen zwei benachbarten Windungen der flusserzeugenden Spule 1 angeordnet. Auf die vollständige Überdeckung der flussleitenden Struktur 2 wird verzichtet und es wird eine vergleichsweise geringfügige Verringerung der Homogenität des erzeugten Magnetfeldes im Bereich der flussleitenden Struktur 2 in Kauf genommen. Dadurch ist es möglich, die Erregerbahnelemente 11, 12, 13, 14 vergleichsweise schmal zu realisieren, sodass die Anordnung eine höchstmögliche Anzahl an Windungen der flussdetektierenden Spulen 3, 6 aufweist, um die höchstmögliche Detektionsempfindlichkeit der Ummagnetisierung im magnetischen Kern zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4442441 A1 [0002, 0003]
- EP 1052519 B1 [0002]
