DE102010047128A1 - Hallsensoranordnung zum redundanten Messen eines Magnetfeldes - Google Patents
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Abstract
Eine Hallsensoranordnung (320) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500) weist einen ersten Hallsensor (120) auf einer Oberseite eines ersten Halbleitersubstrats (110), einen zweiten Hallsensor (220) auf einer Oberseite eines zweiten Halbleitersubstrats (210) und einen Träger (330) mit einer Oberseite und einer Unterseite auf. Der erste Hallsensor (120) ist auf der Oberseite des Trägers (330) angeordnet, der zweite Hallsensor (220) ist auf der Unterseite des Trägers (330) angeordnet. Die Hallsensoren (120, 220) überlappen sich derart teilweise bis vollständig, dass die Hallsensoren (120, 220) dieselben Magnetfeldlinien messen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hallsensoranordnung zum redundanten Messen eines Magnetfeldes.
- Magnetfeldsensoren haben ein weites Einsatzgebiet. Magnetfeldsensoren werden in Kombination mit Magnetfelderzeugern, wie einfachen Magneten, oft dazu verwendet Positionen von mechanischen Komponenten zu bestimmen. Im Automobil werden Magnetfeldsensoren oft dazu verwendet, Positionen rotatorischer Komponenten, wie Wellen oder translatorischer Komponenten, wie Ventilen zu bestimmen. Hallsensoren zeichnen sich, im Vergleich zu GMR-Sensoren, dadurch aus, dass Hallsensoren die Magnetfeldkomponente messen, die senkrecht zum Hallsensor ist.
- Ein Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen erfordert eine höchste Betriebssicherheit der eingesetzten Komponenten, also auch eine höchste Betriebsicherheit bei Magnetfeldsensoren. Als Beispiel für die Anforderungen an sicherheitsrelevante Systeme, beziehungsweise Komponenten, sei die IEC 61508 zitiert, die in der Automobilindustrie ihre Anwendung findet.
- Takehashi et al. zeigt in
US 5783463 eine Anordnung und eine Methode ein Multi-Chip-Gehäuse zu realisieren, um ein leichteres und kleineres Gehäuse zu erhalten. Dieses Gehäuse ermöglicht kleinere und leichtere elektronische Maschinen. - Strack et al. zeigt in
DE 19815906 ein Gehäuse für einen Leistungshalbleiter, in dem Bauelement eine größere Oberfläche für Halbleiterchips zur Verfügung steht. - Außerlechner zeigt in
DE 10315532 eine Stromsensorvorrichtung in integrierter Ausführung. Eine stromdurchflossende Struktur erzeugt hierbei ein Magnetfeld, sodass ein Strom indirekt über das vom Strom erzeugte Magnetfeld gemessen wird. Die GMR-Sensoren sind über eine elektrische Verbindung miteinander verbunden. Da die durch den Strom erzeugten magnetischen Feldlinien den Stromleiter umschließen, ist ein Magnetfeldsensor erforderlich, der auf waagerechte magnetische Feldlinien in Bezug zum Magnetfeldsensor reagiert, so dass die Verwendung von GMR-Sensoren hier erforderlich ist. - Das Datenblatt des MLX90277 von Melexis beschreibt einen „Dual Programmable Linear Hall Effect Sensor" bei dem zwei diskrete CMOS ICs in einem einzigen Gehäuse elektrisch isoliert und unabhängig programmierbar angeordnet sind.
- Der Einsatz von Magnetfeldsensoren in einem sicherheitsrelevanten Bereich, wie beispielsweise im Automobil, erfordert den Verzicht auf Komponenten, die Lebensdauer eines Magnetfeldsensors negativ beeinflussen können, wie beispielsweise feuchtigkeitssensitive Substanzen in einen Halbleitergehäuse.
- Der Einsatz von Magnetfeldsensoren in einem sicherheitsrelevanten Bereich, wie beispielsweise im Automobil, erfordert zudem redundante bzw. teilweise redundante Systeme.
- Trotz der hohen Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Redundanz müssen Magnetfeldsensoren, insbesondere im Automobil, preisgünstig sein.
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor bereitzustellen, der redundant, zuverlässig, sicher und preisgünstig ist.
- Diese Aufgabe wird durch eine Hallsensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Eine Hallsensoranordnung zum redundanten Messen eines Magnetfeldes weist einen ersten Hallsensor auf einer Oberseite eines ersten Halbleitersubstrats, einen zweiten Hallsensor auf einer Oberseite eines zweiten Halbleitersubstrats und einen Träger mit einer Oberseite und einer Unterseite auf. Der erste Hallsensor ist auf der Oberseite des Trägers angeordnet, der zweite Hallsensor ist auf der Unterseite des Trägers angeordnet. Die Hallsensoren sind derart angeordnet, dass die senkrecht auf den Träger projezierte messende Fläche des ersten Hallsensors sich zumindest teilweise mit der senkrecht auf den Träger projezierten messenden Fläche des zweiten Hallsensors überlappt.
- Die Hallsensoren sind somit derart angeordnet dass die Hallsensoren dieselben Magnetfeldlinien eines von außen angelegten Magnetfeldes messen. Hallsensoren messen den senkrechten Anteil der Magnetfeldlinien, die die Hallsensoren durchdringen. Die Hallsensoranordnung bewirkt, dass die Hallsensoren nahezu dasselbe magnetische Feld messen, so dass die Messergebnisse der beiden Hallsensoren nahezu redundant zueinander sind. Je nachdem, wie weit sich die die senkrecht auf den Träger projezierten messenden Flächen des ersten Hallsensors und des zweiten Hallsensors überlappen, liegt eine teilweise oder vollständige Redundanz vor.
- Ein Vorteil von Hallsensoren ist, dass Hallsensoren ohne großen Aufwand mit einer bestehenden Halbleitertechnologie gefertigt werden können, so dass es möglich ist einen Hallsensor mit einer komplexen integierten Schaltung in einem Halbleitersubstrat zu integrieren. Ein GMR-Sensor wird im Gegensatz dazu auf einer integrierten Schaltung aufgebracht, nachdem diese durch geeignete Mittel passiviert wurde. Der GMR-Sensor an sich muss durch weitere geeignete Mittel passiviert werden. Diese Passivierungsschichten haben den Nachteil, dass diese empfindlicher auf Feuchtigkeit reagieren als die abschließende Passivierung des Halbleitersubstarts.
- Die erfindungsgemäße Hallsensoranordnung hat den weiteren Vorteil, dass die Hallsensoren mit ihren zumindest teilweise überlappenden Hallsensoren dieselben Magnetfeldanteile eines außerhalb angelegten Magnetfeldes messen, da ein von außen angelegtes Magnetfeld beide Hallsensoren gleichermaßen durchströmt. Die Hallsensoranordnung hat daher den Vorteil, dass eine vollständige Redundanz der Hallsensoren erreicht werden kann. Die Hallsensoranordnung weist den Vorteil auf, dass das Gehäuse zur Aufnahme der Hallsensoranordnung klein und kompakt ist. Ein kleines Gehäuse erweitert die Verwendbarkeit, mit Hinblick auf die zunehmende Miniaturisierung von elektronischen Platinen und Baugruppen, stark. Ein kleines Gehäuse ist, allein durch seine Größe, kleinen mechanischen Belastungen, wie Scher- und Biegekräften, ausgesetzt, was die Zuverlässigkeit einer solchen Hallsensoranordnung erhöht.
- Ein weiterer Vorteil der Hallsensoranordnung besteht darin, dass zwischen den beiden Hallsensoren keine Folie aufgebracht werden muss, da beide Hallsensoren fest auf einem Substrat aufgebracht werden können. Durch den Verzicht auf Montagehilfen, ergibt sich ein flaches und in der Gesamtheit ausgewogenes Gehäuse.
- Feuchtigkeitsensive Substanzen, wie beispielsweise Die-Attach-Folien, Poly-Immide als Passivierungsschichten können die Zerstörung eines Gehäuses begünstigen. Durch den Verzicht auf solche beispielhaften Montagehilfen ergibt sich als weiterer Vorteil, dass die Hallsensoranordnung unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit ist, da es nur keine Gehäusebestandteile gibt, die Feuchtigkeit aufnehmen oder empfindlich gegenüber Feuchtigkeit sind. Durch diesen Verzicht bleibt das Gehäuse der Hallsensoranordnung klein und kompakt. Ein weiterer Vorteil der Hallsensoranordnung ergibt sich daraus, dass zur elektrischen Verbindung des oberen Hallsensors mit den Kontakten des Gehäuses nur kurze Bonddrähte nötig sind. Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Hallsensoranordnung ist, dass ein diese Hallsensoranordnung sehr gut ausbalanciert und nicht unwuchtig ist, was sich positiv auf das thermomechanische Verhalten auswirkt und damit auch positiv auf die Zuverlässigkeit auswirkt.
- Bei einem Ausführungsbeispiel der Hallsensoranordnung zum redundanten Messen eines Magnetfeldes können die Hallsensoren von einer Pressmasse vollständig umschlossen sein. Als besonderer Vorteil ergibt sich, dass neben der standardmäßigen Passivierung der Hallsensoren, z. B. Oxid-, Nitrid-, Immid-Passivierungen auf dem Halbleitersubstrat verwendeten Passivierungen, keine weiteren Passivierungen verwendet werden müssen. Als weiterer besonderer Vorteil ergibt sich, dass neben einer standardmäßigen Pressmasse, weder eine besondere Pressmasse noch ein besonderes Verfahren zur Umschließung der Hallsensoranordnung verwendet werden muss.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können das erste und das zweite Halbleitersubstrat der Hallsensoranordnung zum redundanten Messen eines Magnetfeldes eine integrierte Schaltung aufweisen.
- Das erste und das zweite Halbleitersubstrat der Hallsensoranordnung zum redundanten Messen eines Magnetfeldes können gegeneinander verdreht angeordnet sein.
- Die Halbleitersubstrate der Hallsensoranordnung zum redundanten Messen eines Magnetfeldes weisen eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite auf, wobei Halbleitersubstrate mit ihren Unterseiten auf dem Träger angeordnet sein können.
- Die Unterseiten der Halbleitersubstrate der Hallsensoranordnung zum redundanten Messen eines Magnetfeldes können mit einem isolierenden Kleber auf dem Träger befestigt sein.
- Die Hallsensoranordnung kann Kontaktstreifen aufweisen und die Hallsensoren können elektrische Kontakte zum Bereitstellen eines Hallsignals aufweisen. Die elektrischen Kontakte des ersten und des zweiten Hallsensors sind an eigene Kontaktstreifen angeschlossen. Durch diese Anordnung können die Hallsensoren unabhängig voneinander angeschlossen werden, so dass auch die Messwerte der Hallsensoren unabhängig voneinander ausgelesen werden können. Die Hallsensoren können also redundant ausgelesen werden. Eine integrierte Schaltung kann die Betriebsparameter der Hallsensoren einstellen. Das erste Halbleitersubstrat kann lediglich einen Hallsensor aufweisen, während das zweite Halbleitersubstrat eine integrierte Schaltung zur Ansteuerung des ersten und des zweiten Hallsensors aufweist.
- Die Halbleitersubstrate können elektrische Kontakte zum Bereitstellen elektrischer Signale aufweisen, wobei die elektrischen Kontakte des ersten und des zweiten Halbleitersubstrats an eigene Kontaktstreifen angeschlossen sind. Durch diese Anordnung können nicht nur die Hallsensoren, sondern auch die integrierten Schaltungen unabhängig voneinander angeschlossen werden, so dass sowohl die Messwerte der Hallsensoren als die Einstellungen der Hallsensoren unabhängig voneinander ausgelesen und eingestellte werden können. Die Halbleitersubstrate mit den Hallsensoren und den integrierten Schaltungen können identisch sein. Durch diese Anordnung wird eine vollständige Redundanz erreicht.
- Die Kontaktstreifen zur elektrischen Verbindung des ersten und des zweiten Halbleitersubstrats sind auf gegenüberliegenden Seiten des Trägers angeordnet. Dadurch entsteht eine symmetrische Kontaktieranordnung und die Abmessungen des Gehäuses sind etwas kleiner als bei einer einseitigen Herausführung der Kontaktstreifen. Außerdem entsteht so ein echtes SMD konformes Bauteil. Die Anordnung aller Kontakte auf einer Seite kann beim Auflöten eines Bauteiles dazu führen, das sich der Gehäusekörper aufstellt (Tombstone Effekt), was bei der niedrigen Einbauhöhe zu Problemen beim Kunden führen kann.
- Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen näher erläutert, in denen
-
1 eine Aufsicht einer bekannten Anordnung von Hallsensoren zeigt, -
2 eine Seitenansicht im Schnitt einer bekannten Anordnung von Hallsensoren zeigt, -
3 eine Aufsicht einer Hallsensorenanordnung zeigt, -
4 eine Seitenansicht im Schnitt einer Hallsensoranordnung zeigt. -
1 und2 zeigen zwei Hallsensoren120 ,220 auf zwei Halbleitersubstraten110 ,210 die auf einer Seite eines Trägers330 angeordnet sind. Die Hallsensoren120 ,220 messen nicht dasselbe Magnetfeld500 , so dass diese Anordnung nur nahezu redundant ist. Diese Anordnung weist den Nachteil auf, dass das Gehäuse320 zur Aufnahme beider Hallsensoren120 ,220 entsprechend größer, als bei einem einzelnen Hallsensor gewählt werden muss. Ein großes Gehäuse320 schränkt, auch mit Hinblick auf die zunehmende Miniaturisierung von elektronischen Platinen und Baugruppen, die Verwendbarkeit stark ein. Ein größeres Gehäuse320 ist zudem, allein durch seine Größe, größeren mechanischen Belastungen, wie Scher- und Biegekräften, ausgesetzt, was die Zuverlässigkeit einer solchen Hallsensoranordnung herabsetzt. -
3 und4 zeigen eine Aufsicht und eine Seitenansicht im Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hallsensoranordnung. Das Ausführungsbeispiel einer Hallsensoranordnung weist einen Träger330 auf, auf dem die Halbleitersubstrate110 ,210 mit ihren Rückseiten angeordnet sind. Auf den Oberseiten der Halbleitersubstrate110 ,210 sind Hallsensoren120 ,220 angeordnet. In der Seitenansicht in4 ist gezeigt, dass die Hallsensoren120 ,220 zum Messen eines Magnetfeldes500 überlappend angeordnet sind. Die Halbleitersubstrate110 ,210 werden von einer Pressmasse umschlossen, welches die Außenmaße des Gehäuses320 bestimmt. - Zur elektrischen Verbindung sind Kontaktstreifen
310 vorgesehen, die mit Bonddrähten330 mit den Halbeleitersubstraten110 ,210 verbunden sind. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 5783463 [0004]
- DE 19815906 [0005]
- DE 10315532 [0006]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- IEC 61508 [0003]
- Datenblatt des MLX90277 von Melexis beschreibt einen „Dual Programmable Linear Hall Effect Sensor” [0007]
Claims (10)
- Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ), umfassend: einen ersten Hallsensor (120 ) auf einer Oberseite eines ersten Halbleitersubstrats (110 ), einen zweiten Hallsensor (220 ) auf einer Oberseite eines zweiten Halbleitersubstrats (210 ), einen Träger (330 ) mit einer Oberseite und einer Unterseite, wobei der erste Hallsensor (120 ) auf der Oberseite des Trägers (330 ) angeordnet ist und der zweite Hallsensor (220 ) auf der Unterseite des Trägers (330 ) angeordnet ist und wobei die senkrecht auf den Träger projezierte messende Fläche des ersten Hallsensors (120 ) sich zumindest teilweise mit der senkrecht auf den Träger projezierten messenden Fläche des zweiten Hallsensors (220 ) überlappt. - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach Anspruch 1, die senkrecht auf den Träger projezierte messende Fläche des ersten Hallsensors (120 ) sich im wesentlichen vollständig mit der senkrecht auf den Träger projezierten messenden Fläche des zweiten Hallsensors (220 ) überlappt. - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Pressmasse, den ersten Hallsensor (120 ) und den zweiten Hallsensor (220 ) vollständig umschließt - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die das erste (110 ) und das zweite Halbleitersubstrat (210 ) eine integrierte Schaltung aufweisen. - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste (110 ) und das zweite Halbleitersubstrat (210 ) gegeneinander verdreht angeordnet sind. - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste (110 ) und das zweite Halbleitersubstrat (210 ) eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite aufweisen, wobei das erste (110 ) und das zweite Halbleitersubstrat (210 ) mit ihren Unterseiten auf dem Träger (330 ) angeordnet sind. - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Unterseiten des ersten (110 ) und des zweiten Halbleitersubstrats (210 ) mit einem isolierenden Kleber auf dem Träger (330 ) befestigt sind. - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hallsensoranordnung (320 ) Kontaktstreifen (310 ) aufweist und das erste und das zweite Halbleitersubstrat (110 ,210 ) elektrische Kontakte zum Bereitstellen eines Hallsignals aufweisen, wobei die elektrischen Kontakte des ersten und des zweiten Halbleitersubstrats (110 ,210 ) zum Bereitstellen elektrischer Signale, an eigene Kontaktstreifen (310 ) angeschlossen ist - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, das erste und das zweite Halbleitersubstrate (110 ,210 ) elektrische Kontakte zum Bereitstellen elektrischer Signale aufweisen, wobei die elektrischen Kontakte des ersten und des zweiten Halbleitersubstrats (110 ,210 ) zum Bereitstellen elektrischer Signale, an eigene Kontaktstreifen (310 ) angeschlossen sind. - Hallsensoranordnung (
320 ) zum redundanten Messen eines Magnetfeldes (500 ) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Kontaktstreifen (310 ) des ersten Halbleitersubstrats (110 ) den Kontaktstreifen des zweiten Halbleitersubstrats (210 ) auf dem Gehäuse (320 ) gegenüberliegend angeordnet sind.
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