DE102017112071A1

DE102017112071A1 - Magnetfeldsensor mit integrierten Magnetfeldkonzentratoren

Info

Publication number: DE102017112071A1
Application number: DE102017112071.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Racz
Original assignee: Melexis Technologies SA
Current assignee: Melexis Technologies SA
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2017-12-07
Also published as: US10497859B2; US20170352800A1; BE1024822B1; CH712525A1; US10224478B2; JP2017219539A; CH712551A2; US20190173002A1; BE1024822A1

Abstract

Ein eindimensionaler Magnetfeldsensor umfasst einen Träger (7), einen einzigen länglichen Magnetfeldkonzentrator (4) oder zwei Magnetfeldkonzentratoren (4, 5), die durch einen Luftspalt (6) getrennt sind, und wenigstens ein magnetisches Sensorelement (8). Der bzw. die beiden Magnetfeldkonzentratoren (4, 5) bestehen aus wenigstens zwei Teilen (9), die voneinander durch Spalte (10; 11; 12) getrennt sind. Ein zweidimensionaler Magnetfeldsensor umfasst einen Träger, einen einzigen Magnetfeldkonzentrator, der aus wenigstens drei Teilen besteht, die voneinander durch Spalte getrennt sind, und wenigstens zwei magnetische Sensorelemente.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor mit integrierten Magnetfeldkonzentratoren.
Hintergrund der Erfindung
Aus der EP 772046 ist ein eindimensionaler Magnetfeldsensor bekannt, der zwei horizontale Hallelemente und zwei längliche Magnetfeldkonzentratoren umfasst. Die beiden Magnetfeldkonzentratoren sind durch einen Luftspalt getrennt. Die beiden Hallelemente sind am Rand des Luftspalts angeordnet und antiparallel geschaltet. Der Magnetfeldsensor erfasst nur eine Komponente des Magnetfelds, nämlich diejenige, die parallel zur Längsrichtung der beiden Magnetfeldkonzentratoren verläuft.
Aus der EP 1182461 ist ein zweidimensionaler Magnetfeldsensor bekannt, der wenigstens zwei horizontale Hallelemente und einen scheibenförmigen Magnetfeldkonzentrator umfasst. Die Hallelemente sind unterhalb des Randes des Magnetfeldkonzentrators angeordnet. Der Magnetfeldsensor erfasst zwei Komponenten des Magnetfelds, aus denen die Richtung des Magnetfelds bestimmt wird.
Aus der EP 1746426 ist ein Stromsensor bekannt, der einen eindimensionalen Magnetfeldsensor mit einem oder zwei länglichen Magnetfeldkonzentratoren und wenigstens einem vertikalen Hallelement umfasst.
Die Hallelemente sind in die aktive Oberfläche eines Halbleiterchips integriert, typischerweise in CMOS Technologie, und die Magnetfeldkonzentratoren sind auf der aktiven Oberfläche angeordnet.
Bei manchen Anwendungen dieser Magnetfeldsensoren, zum Beispiel in Stromsensoren, ist es wichtig, dass die Magnetfeldkonzentratoren einerseits eine hohe Verstärkung des zu messenden Magnetfelds bewirken, da ein hoher Verstärkungsfaktor ein entsprechend grosses Signal-Rausch-Verhältnis bzw. grosses Auflösungsvermögen bedeutet, und dass die Magnetfeldkonzentratoren andererseits erst bei einer möglichst hohen Magnetfeldstärke in Sättigung kommen, damit der lineare Messbereich möglichst gross ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Sättigungsgrenze der Magnetfeldkonzentratoren dieser Magnetfeldsensoren und damit der lineare Messbereich erhöht, wenn der Magnetfeldkonzentrator bzw. die Magnetfeldkonzentratoren in zwei oder mehrere Teile unterteilt werden, die durch einen vergleichsweise schmalen Spalt voneinander getrennt sind. Die Aufteilung des Magnetfeldkonzentrators bzw. der Magnetfeldkonzentratoren in mehrere Segmente bewirkt:

– eine homogenere Verteilung des Magnetfelds in den einzelnen Teilen des Magnetfeldkonzentrators bzw. der Magnetfeldkonzentratoren, was die Erhöhung der Sättigungsgrenze erwirkt,
– eine Reduzierung des Verstärkungsfaktors, und
– eine Reduzierung des mechanischen Stresses, welcher unerwünschte Offset- und Empfindlichkeitsdrifts sowie unerwünschte magnetische Hystereseeffekte erzeugt.

Die Magnetfeldsensoren umfassen einen Träger, auf dem ein oder mehrere Magnetfeldkonzentratoren angeordnet und fest mit dem Träger verbunden sind, und ein oder mehrere magnetische Sensorelemente. Der Träger kann beispielsweise ein Halbleiterchip sein, in den die magnetischen Sensorelemente integriert oder auf dem sie angebracht sind.
Ein eindimensionaler Magnetfeldsensor umfasst in einer ersten Ausführung genau zwei Magnetfeldkonzentratoren, die durch einen ersten Spalt getrennt sind. Wenigstens ein magnetisches Sensorelement ist im Bereich des ersten Spalts zwischen den beiden Magnetfeldkonzentratoren angeordnet, wo es von Magnetfeldlinien durchflutet wird, die von dem einen Magnetfeldkonzentrator ausgehen und auf den anderen Magnetfeldkonzentrator auftreffen. Die beiden Magnetfeldkonzentratoren bestehen je aus wenigstens zwei Teilen, die voneinander durch zweite Spalte getrennt sind. Die Breite der zweiten Spalte ist kleiner als die Breite des ersten Spalts, was es auch ermöglicht, die einzelnen Teile den beiden Magnetfeldkonzentratoren eineindeutig zuzuordnen.
Ein eindimensionaler Magnetfeldsensor umfasst in einer zweiten Ausführung einen einzigen, länglichen Magnetfeldkonzentrator. Ein erstes magnetisches Sensorelement ist im Bereich eines Längsendes des Magnetfeldkonzentrators angeordnet, wo es von Magnetfeldlinien durchflutet wird, die im Bereich des Längsendes von dem Magnetfeldkonzentrator ausgehen. Fakultativ ist ein zweites magnetisches Sensorelement im Bereich des anderen Längsendes des Magnetfeldkonzentrators angeordnet und differenziell mit dem ersten Sensorelement gekoppelt. Der Magnetfeldkonzentrator besteht aus wenigstens zwei Teilen, die voneinander durch Spalte getrennt sind.
Ein zweidimensionaler Magnetfeldsensor umfasst einen einzigen Magnetfeldkonzentrator und wenigstens zwei magnetische Sensorelemente, die im Bereich des Randes des Magnetfeldkonzentrators angeordnet sind. Der Magnetfeldkonzentrator besteht aus wenigstens drei Teilen, die voneinander durch Spalte getrennt sind.
Alle Teile der Magnetfeldkonzentratoren sind fest mit dem Träger verbunden.
Wenn der Magnetfeldsensor in ein Gehäuse, typischerweise ein IC Gehäuse aus Plastik, verpackt ist, dann sind die Spalte gewöhnlich mit Plastik von dem Gehäusematerial gefüllt.
Der Begriff "erster Spalt" wird verwendet um einen Spalt zwischen zwei verschiedenen Magnetfeldkonzentratoren zu bezeichnen, während die Begriffe "zweite Spalte" oder "Spalte" verwendet werden, um den Spalt oder die Spalte zwischen einzelnen Teilen eines Magnetfeldkonzentrators zu bezeichnen. Die Sensorelemente liegen sowohl bei den eindimensionalen Magnetfeldsensoren als auch bei dem zweidimensionalen Magnetfeldsensor ausserhalb der Spalte, so dass sie nicht von Feldlinien durchflutet werden, die von einander gegenüberliegenden Kanten der einzelnen Teile eines Magnetfeldkonzentrators ausgehen. Im Bereich der Spalte zwischen den einzelnen Teilen dieser Magnetfeldkonzentratoren sind somit keine magnetischen Sensorelemente vorhanden. Die Spalte sind zudem so dünn wie technologisch möglich, typischerweise sind sie nur etwa 5–20 µm breit. Der besagte erste Spalt zwischen den beiden Magnetfeldkonzentratoren des ersten Ausführungsbeispiels des eindimensionalen Magnetfeldsensors ist vergleichsweise breiter, typischerweise ist er 30–40 µm breit oder noch breiter.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung einbezogen sind und einen Teil dieser Beschreibung bilden, veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der detaillierten Beschreibung dazu, die Prinzipien und die Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern. Die Figuren sind aus Gründen der zeichnerischen Klarheit schematisch und nicht massstabsgetreu gezeichnet. Den Erläuterungen zu den Figuren wird ein kartesisches Koordinatensystem zu Grunde gelegt, dessen drei Achsen als x-Achse, y-Achse und z-Achse bezeichnet sind. Die z-Achse verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Aus Gründen der zeichnerischen Klarheit ist das Bezugszeichen für gleiche Objekte manchmal nur einmal eingetragen.
1 zeigt einen eindimensionalen Magnetfeldsensor gemäss dem Stand der Technik,
2 zeigt einen eindimensionalen Magnetfeldsensor gemäss der Erfindung,
3, 4 zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele eines eindimensionalen Magnetfeldsensors gemäss der Erfindung,
5 zeigt Linearitätsfehler der Magnetfeldsensoren gemäss den 1, 3 und 4,
6 einen weiteren eindimensionalen Magnetfeldsensor gemäss der Erfindung,
7 zeigt einen zweidimensionalen Magnetfeldsensor gemäss dem Stand der Technik, und
8, 9 zeigen Ausführungsbeispiele eines zweidimensionalen Magnetfeldsensors gemäss der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun im Detail beschrieben anhand von eindimensionalen und zweidimensionalen Magnetfeldsensoren.
Eindimensionaler Magnetfeldsensor
Die 1 zeigt schematisch die Struktur eines eindimensionalen Magnetfeldsensors gemäss dem Stand der Technik (gemäss dem in EP 772046 beschriebenen Prinzip). Der Magnetfeldsensor umfasst einen Halbleiterchip 1 mit einer aktiven Oberfläche 2, in die vier horizontale Hallelemente, nämlich die Hallelemente 3.1 bis 3.4, eingebettet sind, und zwei Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5, die auf der aktiven Oberfläche 2 des Halbleiterchips 1 angeordnet und durch einen ersten Spalt 6 getrennt sind. Die beiden Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 sind entlang der x-Achse angeordnet und symmetrisch zu der x-Achse ausgebildet. Der Magnetfeldsensor erfasst diejenige Komponente des Magnetfelds, die in Richtung der x-Achse zeigt. Die beiden Hallelemente 3.1 und 3.2 sind im Bereich des Randes des ersten Magnetfeldkonzentrators 4 angeordnet, wo sie von Feldlinien des Magnetfelds durchflutet werden, die in die negative z-Richtung zeigen. Die beiden Hallelemente 3.3 und 3.4 sind im Bereich des Randes des zweiten Magnetfeldkonzentrators 5 angeordnet, wo sie von Feldlinien des Magnetfelds durchflutet werden, die in die positive z-Richtung zeigen. Die beiden Hallelemente 3.1 und 3.2 bilden ein erstes Paar oder einen ersten Cluster, sie sind parallel geschaltet. Die beiden Hallelemente 3.3 und 3.4 bilden ein zweites Paar oder einen zweiten Cluster, sie sind parallel zueinander und antiparallel zu den Hallelementen 3.1 und 3.2 des ersten Paares geschaltet, um die vier Ausgangssignale der Hallelemente 3.1 bis 3.4 vorzeichenrichtig zu einem einzigen Ausgangssignal zu kombinieren, das proportional zur x-Komponente des Magnetfelds ist. Der erste Spalt 6 hat eine vorbestimmte Breite B. Die Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 haben zwei Funktionen. Sie drehen einerseits lokal das zu messende Magnetfeld von der x-Richtung in die z-Richtung und ermöglichen so dessen Messung mit einem horizontalen Hallelement, das empfindlich ist auf die Komponente des Magnetfelds, die in z-Richtung zeigt. Sie verstärken andererseits das Magnetfeld am Ort der Hallelemente 3.1 bis 3.4 um einen Faktor G.
Die 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemässen eindimensionalen Magnetfeldsensor. Der Magnetfeldsensor umfasst einen Träger 7, genau zwei Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5, und ein oder mehrere magnetische Sensorelemente 8. Die Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 sind fest auf dem Träger 7 angeordnet und durch einen ersten Spalt 6 getrennt. Jedes Sensorelement 8 ist an einem vorbestimmten Ort im Bereich des ersten Spalts 6 derart angeordnet, dass es von Magnetfeldlinien durchflutet wird, die von dem einen Magnetfeldkonzentrator 4 ausgehen und auf den anderen Magnetfeldkonzentrator 5 auftreffen. Ein Sensorelement 8, das empfindlich ist auf die x-Komponente des Magnetfelds, ist dort anzuordnen, wo die Magnetfeldlinien in x-Richtung verlaufen, d.h. etwa in der Mitte zwischen den Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5, während ein Sensorelement 8, das empfindlich ist auf die z-Komponente des Magnetfelds, dort anzuordnen ist, wo die Magnetfeldlinien in z-Richtung verlaufen, d.h. bei dem dem ersten Spalt 6 zugewandten Rand des Magnetfeldkonzentrators 4 bzw. 5. Falls der Magnetfeldsensor mehr als ein Sensorelement 8 umfasst, dann werden die Ausgangssignale der Sensorelemente 8 vorzeichenrichtig zu einem Ausgangssignal des Magnetfeldsensors addiert.
Die Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 bestehen aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität. Unter hoher Permeabilität ist eine relative Permeabilität von wenigstens 100 zu verstehen (Die relative Permeabilität von Luft ist 1). Das Material ist beispielsweise Permalloy oder Mumetall oder amorphes magnetisches Glas, dessen relative Permeabilität typischerweise im Bereich zwischen 100 und 100'000 liegt. Die beiden Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 dienen dazu, das zu messende Magnetfeld zu verstärken und an dem Ort bzw. den Orten zu konzentrieren, an dem das Sensorelement 8 bzw. die Sensorelemente 8 angeordnet ist bzw. sind.
Jeder der beiden Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 besteht aus wenigstens zwei Teilen 9, die voneinander durch einen zweiten Spalt 10 getrennt sind. Die Breite der zweiten Spalte 10 ist kleiner als die Breite des ersten Spalts 6, der die beiden Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 voneinander trennt. Die Aufteilung der Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 in zwei oder mehr Teile 9 bewirkt, dass der mechanische Stress, der bei Temperaturänderungen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Trägers 7 und des Materials der Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 entsteht, reduziert wird.
Die Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 können beispielsweise eine längliche rechteckförmige (wie in 2 dargestellt) oder längliche elliptische Form haben und in zwei oder drei oder mehr Teile 9 unterteilt sein.
Die Teile 9, d.h. alle Teile 9, sind sowohl bei diesem als auch bei allen nachfolgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung fest mit dem Träger 7 verbunden. Sie sind somit unbeweglich.
Die 3 und 4 zeigen zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines eindimensionalen Magnetfeldsensors, bei dem jeder der Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 in drei Teile 9 unterteilt ist. Die beiden Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 haben eine oktaedrische Form (mit unterschiedlichen Seitenlängen) und sind symmetrisch zur x-Achse ausgebildet. Die drei Teile 9 sind voneinander durch zweite Spalte 10, 11 und 12 getrennt. Die zweiten Spalte 10, 11 und 12 haben eine Breite B₁, B₂ bzw. B₃. Die Breiten B₁, B₂ bzw. B₃ sind vergleichsweise klein gegenüber der Breite B des ersten Spalts 6, typischerweise sind sie um einen Faktor 3 bis 10 mal kleiner.
Die zweiten Spalte 10, 11 und 12 bewirken zusätzlich zu der Stressreduzierung eine Änderung der Verteilung der Magnetfeldlinien mit der Folge, dass sich einerseits der Verstärkungsfaktor verkleinert und dass sich andererseits die magnetische Sättigungsgrenze erhöht. Die Erhöhung der Sättigungsgrenze bedeutet, dass die Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 bei höheren Feldstärken in Sättigung kommen, wodurch sich der lineare Messbereich dementsprechend erhöht. Der Verstärkungsfaktor G hat bei der Ausführung der Magnetfeldkonzentratoren 4, 5 in einteiliger Form, wie in 1 dargestellt, einen Wert von G ≅ 6. Bei der Ausführung der Magnetfeldkonzentratoren 4, 5 in dreiteiliger Form, wie in den 3 und 4 dargestellt, hat der Verstärkungsfaktor G einen kleineren Wert, nämlich einen Wert von G ≅ 4.1 bei der Ausführung gemäss 3 bzw. einen Wert von G ≅ 4.5 bei der Ausführung gemäss 4. Die 5 zeigt den Linearitätsfehler E in Funktion der Magnetfeldstärke B für die drei Ausführungen, nämlich in Form von Kurven 14, 15 und 16, die den Ausführungen der 1, 3 und 4 zugeordnet sind. Bei der in 1 gezeigten Ausführung gemäss dem Stand der Technik zeigen sich Linearitätsfehler bereits bei einer Feldstärke von etwa 10 mT, die dann spätestens ab etwa 12 mT stark zunehmen. Bei den Ausführungen gemäss 3 und 4 zeigen sich Linearitätsfehler hingegen erst ab etwa 15 mT, wobei diese bei der Ausführung gemäss 4 schneller zunehmen als bei der Ausführung gemäss 3. Die Linearitätsfehler treten dann auf, wenn erste Gebiete der Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 magnetisch in Sättigung kommen und nehmen zu, je grösser die gesättigten Gebiete werden. Der Verstärkungsfaktor G und die Sättigungsgrenze sind stark gekoppelt: Je grösser der Verstärkungsfaktor ist, desto tiefer ist die Sättigungsgrenze und dementsprechend kleiner der lineare Messbereich, und umgekehrt. Durch eine optimale Unterteilung der Magnetfeldkonzentratoren 4, 5 in zwei oder mehr Segmente kann der lineare Messbereich um einen größeren Faktor vergrößert werden als der Verstärkungsfaktor verkleinert wird, was eine höhere Effizienz bedeutet.
Die in den 3 und 4 gezeigten Magnetfeldkonzentratoren 4 und 5 können auch in mehr als drei Teile 9 unterteilt sein.
Die 6 zeigt einen eindimensionalen Magnetfeldsensor mit einem einzigen, länglichen Magnetfeldkonzentrator 4. Der Magnetfeldkonzentrator 4 ist beispielsweise wie gezeigt rechteckförmig, er kann aber auch eine beliebige andere längliche Form, zum Beispiel eine elliptische Form aufweisen. Der Magnetfeldkonzentrator 4 ist auf dem Träger 7 angeordnet. Der Magnetfeldsensor umfasst ein erstes magnetisches Sensorelement 8.1, das im Bereich des einen Längsendes des Magnetfeldkonzentrators 4 angeordnet ist, und fakultativ ein zweites magnetisches Sensorelement 8.2, das im Bereich des anderen Längsendes des Magnetfeldkonzentrators 4 angeordnet ist. Die Sensorelemente 8.1 und 8.2 werden von Magnetfeldlinien durchflutet, die im Bereich der Längsenden des Magnetfeldkonzentrators 4 auf diesen auftreffen bzw. von diesem ausgehen. Der Magnetfeldkonzentrator besteht aus wenigstens zwei Teilen 9, die voneinander durch Spalte 10 getrennt sind. Im Bereich der Spalte 10 ist kein magnetisches Sensorelement vorhanden. Sofern beide magnetischen Sensorelemente 8.1 und 8.2 vorhanden sind, werden ihre Ausgangssignale differenziell zu einem einzigen Ausgangssignal gekoppelt. Ein solcher Magnetfeldsensor kann beispielsweise in einem Stromsensor verwendet werden.
Der Magnetfeldkonzentrator 4 kann auch eine andere als die längliche Geometrie aufweisen, so kann er zum Beispiel rund sein. Falls beide vorhanden sind, liegen die beiden magnetischen Sensorelemente 8.1 und 8.2 einander bevorzugt diametral gegenüber.
Zweidimensionaler Magnetfeldsensor
Die 7 zeigt die Struktur eines zweidimensionalen Magnetfeldsensors gemäss dem Stand der Technik (gemäss dem in EP 1182461 beschriebenen Prinzip). Der Magnetfeldsensor umfasst einen Halbleiterchip 1 mit einer aktiven Oberfläche 2, in die acht horizontale Hallelemente, die vier Paare oder Cluster 18.1 bis 18.4 bilden, eingebettet sind, und einen kreisförmigen Magnetfeldkonzentrator 17, der auf der aktiven Oberfläche 2 des Halbleiterchips 1 angeordnet ist. Die Form des Magnetfeldkonzentrators 17 und die Lage der Hallelemente bzw. der Paare 18.1 bis 18.4 ist invariant gegenüber Drehungen um 90° um den Ursprung des durch die x-Achse und die y-Achse aufgespannten Koordinatensystems. Die beiden Paare 18.1 und 18.3 liegen auf der x-Achse, die beiden Paare 18.2 und 18.4 liegen auf der y-Achse, alle jeweils in der Nähe des Randes des Magnetfeldkonzentrators 17, wo sie von Magnetfeldlinien durchflutet sind, die im Bereich des Randes auf den Magnetfeldkonzentrator 17 auftreffen bzw. diesen verlassen.
Der Magnetfeldkonzentrator 17 hat die Aufgabe, das zu messende Magnetfeld an den Orten der Sensorelemente 8 zu verstärken.
Die beiden Hallelemente eines Paares sind parallel zueinander und antiparallel zu den Hallelementen des diametral gegenüberliegenden Paares geschaltet, so dass der Magnetfeldsensor ein erstes Ausgangssignal, das proportional zur x-Komponente des Magnetfelds ist, und ein zweites Ausgangssignal, das proportional zur y-Komponente des Magnetfelds ist, liefert. Der Magnetfeldsensor kann alternativ ein einziges Ausgangssignal liefern, das die Richtung des Magnetfelds in der durch den Magnetfeldkonzentrator 17 aufgespannten Ebene beschreibt. Das Ausgangssignal ist z.B. der Winkel ϕ, den das Magnetfeld mit der x-Achse einschliesst.
Die 8 und 9 zeigen zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines zweidimensionalen Magnetfeldsensors gemäss der Erfindung. Der Magnetfeldsensor umfasst einen Träger 7, einen einzigen Magnetfeldkonzentrator 17 und wenigstens zwei Sensorelemente. Der Magnetfeldkonzentrator 17 ist auf dem Träger 7 angeordnet.
Wie bei der Ausführung gemäss 7 kann der Träger 7 ein Halbleiterchip 1 und die Sensorelemente 8 horizontale Hallelemente sein, die beim Rand des Magnetfeldkonzentrators 17 in die aktive Oberfläche 2 des Halbleiterchips 1 eingebettet sind. Die Hallelemente sind auf die gleiche Weise geschaltet wie bei 7, so dass der Magnetfeldsensor ein erstes Ausgangssignal, das proportional zur x-Komponente des Magnetfelds ist, und ein zweites Ausgangssignal, das proportional zur y-Komponente des Magnetfelds ist, oder alternativ ein einziges Ausgangssignal liefert, das den Winkel ϕ angibt, den das Magnetfeld mit der x-Achse einschliesst.
Der Magnetfeldkonzentrator 17 ist bei den Ausführungen gemäss den 7 und 8 scheibenförmig, bei der Ausführung gemäss der 9 oktaedrisch. Der wesentliche Unterschied zu der bekannten Ausführung gemäss 7 besteht darin, dass der Magnetfeldkonzentrator 17 in wenigstens vier Teile 9 unterteilt ist, die voneinander durch Spalte 10, 11, 12 und 13 getrennt sind. Die Spalte 10, 11, 12 und 13 haben eine Breite B₁, B₂, B₃ bzw. B₄. Die Breiten B₁, B₂, B₃ bzw. B₄ sind sehr klein im Vergleich zu den Abmessungen des Magnetfeldkonzentrators 17, sie betragen nur wenige Mikrometer, typischerweise etwa 5 bis 20 µm. Der Magnetfeldkonzentrator 17 ist vorzugsweise in vier gleiche Teile 9 unterteilt. Der Magnetfeldkonzentrator 17 kann aber auch in unterschiedlich grosse und/oder mehr als vier Teile 9 unterteilt sein. Die Sensorelemente 8 sind nicht in den Spalten 10 bis 13 angeordnet, sondern an Orten, die winkelmässig deutlich von den Spalten 10 bis 13 entfernt sind. Die Sensorelemente 8 befinden sich bevorzugt winkelmässig in der Mitte zwischen zwei benachbarten Spalten. Das bedeutet in Bezug auf die 8 und 9: Das Zentrum der Paare 18 von jeweils zwei Sensorelementen 8 befindet sich bei den Winkeln 0°, 90°, 180° und 270°, während sich die Spalte 10 bis 13 vom Zentrum des Magnetfeldkonzentrators 17 aus entlang der Winkel 45°, 135°, 225° und 315° erstrecken.
Der Magnetfeldsensor liefert ein erstes Ausgangssignal, das proportional zur x-Komponente des Magnetfelds ist, und ein zweites Ausgangssignal, das proportional zur y-Komponente des Magnetfelds ist, oder alternativ ein einziges Ausgangssignal, das den Winkel ϕ angibt, den das Magnetfeld mit der x-Achse einschliesst.
Bei den in den 8 und 9 gezeigten Magnetfeldsensoren kann die Zahl der Paare 18 von vier auf zwei reduziert werden, wobei dann die Sensorelemente 8 des ersten Paars 18.1 bei dem Winkel 0° und die Sensorelemente 8 des zweiten Paars 18.2 bei dem Winkel 90° angeordnet sind. Es ist zwar oft vorteilhaft, Paare oder Cluster von Sensorelementen 8 zu verwenden, beispielsweise um Offsetfehler zu reduzieren oder das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, es kann aber für gewisse Anwendungen die Anzahl der Sensorelemente 8 von acht auf zwei reduziert werden, wobei dann das eine Sensorelement 8 bei dem Winkel 0° und das andere Sensorelement bei dem Winkel 90°, oder allenfalls bei einem anderen Winkel als 0° und 90°, angeordnet ist.
Der Magnetfeldsensor kann anstelle der in den 7 bis 9 gezeigten 90° Rotationssymmetrie auch mit einer 120° Rotationssymmetrie ausgebildet sein, bei der die Form des Magnetfeldkonzentrators und die Lage der Sensorelemente invariant gegenüber Drehungen um 120° ist. Der Magnetfeldkonzentrator ist dann in wenigstens drei Teile unterteilt. Die Sensorelemente sind auch hier ausserhalb der Spalte angeordnet, typischerweise winkelmässig etwa in der Mitte zwischen zwei benachbarten Spalten. Das bedeutet: Das Zentrum der Sensorelemente befindet sich bei den Winkeln 0°, 120° und 240°, während sich die Spalte vom Zentrum des Magnetfeldkonzentrators aus entlang der Winkel 60°, 180° und 300° erstrecken. Zusätzliche Spalte sind möglich. Ein solcher Magnetfeldsensor kann zum Beispiel zur Steuerung eines 3-Phasen Elektromotors verwendet werden.
Die Sensorelemente 8 liegen alle im Bereich des Randes des Magnetfeldkonzentrators 17. Ein Sensorelement 8, das empfindlich ist auf eine Komponente des Magnetfelds, die in der durch den Magnetfeldkonzentrator 17 aufgespannten Ebene liegt, ist dort anzuordnen, wo die Magnetfeldlinien annähernd in dieser Ebene verlaufen, d.h. in einem Bereich neben dem Rand außerhalb des Magnetfeldkonzentrators 17, während ein Sensorelement 8, das empfindlich ist auf die z-Komponente des Magnetfelds, dort anzuordnen ist, wo die Magnetfeldlinien in z-Richtung verlaufen, d.h. in einem Randbereich unterhalb des Magnetfeldkonzentrators 17. Die Sensorelemente 8 liegen ausserhalb der Spalte 10, 11, 12 und 13, so dass sie nicht von Feldlinien durchflutet werden, die von einander gegenüberliegenden Kanten der einzelnen Teile 9 des Magnetfeldkonzentrators 17 ausgehen.
Die Unterteilung des Magnetfeldkonzentrators 17 in wenigstens drei Teile reduziert wiederum den mechanischen Stress zwischen dem Magnetfeldkonzentrator 17 und dem Träger 7 und vergrössert den Linearitätsbereich.
Die Spalte können bei allen sowohl bei den eindimensionalen als auch bei den zweidimensionalen Magnetfeldsensoren so schmal wie es technologisch möglich ist ausgeführt werden. D.h. die Breite der Spalte liegt im Bereich von wenigen Mikrometern, typischerweise etwa 5 bis 20 µm, und ist damit in der Regel kleiner als die kleinste Abmessung eines Sensorelements 8. Ein horizontales Hallelement hat heutzutage typischerweise Abmessungen von 30 µm·30 µm, ein AMR, GMR oder Fluxgate Sensor hat in der Regel noch grössere Abmessungen. Ein Sensorelement 8 hat daher in den Spalten keinen Platz.
Die Magnetfeldkonzentratoren werden mit Vorteil mittels des Electroplating Verfahrens auf dem Träger aufgebracht. Sie können aber auch mit anderen bekannten Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufkleben und Strukturieren einer magnetischen Folie oder durch Sputtering.
Jedes Sensorelement kann ein (horizontales oder vertikales) Hallelement oder ein Cluster von Hallelementen, ein AMR (Anisotropic Magnetoresistive Resistance) Element, ein GMR (Giant Magnetoresistive Resistance) Element, ein Fluxgate Sensor, oder ein beliebiger anderer geeigneter magnetischer Sensor sein. Der Träger 7 kann ein Halbleiterchip sein, der die für den Betrieb des Sensorelements bzw. der Sensorelemente und die Bildung des Ausgangssignals erforderlichen elektronischen Schaltkreise enthält. Das Sensorelement bzw. die Sensorelemente kann in den Halbleiterchip integriert oder darauf aufgebracht sein.
Während Ausführungsformen dieser Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass mehr Modifikationen als oben erwähnt möglich sind, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen. Die Erfindung ist daher nur durch die Ansprüche beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 772046 [0002, 0025]
EP 1182461 [0003, 0036]
EP 1746426 [0004]

Claims

Magnetfeldsensor, umfassend einen Träger (7), genau zwei Magnetfeldkonzentratoren (4, 5), die auf dem Träger (7) angeordnet, fest mit dem Träger (7) verbunden und durch einen ersten Spalt (6) getrennt sind, und wenigstens ein magnetisches Sensorelement (8), wobei das wenigstens eine magnetische Sensorelement (8) im Bereich des ersten Spalts (6) angeordnet ist, wo es von Magnetfeldlinien durchflutet wird, die von dem einen Magnetfeldkonzentrator (4) ausgehen und auf den anderen Magnetfeldkonzentrator (5) auftreffen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Magnetfeldkonzentratoren (4, 5) aus wenigstens zwei Teilen (9) bestehen, die voneinander durch zweite Spalte (10; 11; 12) getrennt sind, und dass die Breite der zweiten Spalte (10; 11; 12) kleiner als die Breite des ersten Spalts (6) ist.
Magnetfeldsensor, umfassend einen Träger (7), einen einzigen Magnetfeldkonzentrator (4), der auf dem Träger (7) angeordnet und fest mit dem Träger (7) verbunden ist, und wenigstens ein magnetisches Sensorelement (8), wobei das wenigstens eine magnetische Sensorelement (8) im Bereich des Randes des Magnetfeldkonzentrators (4) angeordnet ist, wo es von Magnetfeldlinien durchflutet wird, die im Bereich des Randes von dem Magnetfeldkonzentrator (4) ausgehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldkonzentrator (4) aus wenigstens zwei Teilen (9) besteht, die voneinander durch Spalte (10) getrennt sind, und dass im Bereich der Spalte (10) kein magnetisches Sensorelement vorhanden ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldkonzentrator (4) länglich und das wenigstens eine magnetische Sensorelement (8) im Bereich eines Längsendes des Magnetfeldkonzentrators (4) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der magnetischen Sensorelemente (8) zwei ist und dass die beiden Sensorelemente (8) einander diametral gegenüber liegen.
Magnetfeldsensor, umfassend einen Träger (7), einen einzigen Magnetfeldkonzentrator (17), der auf dem Träger (7) angeordnet und fest mit dem Träger (7) verbunden ist, und wenigstens zwei magnetische Sensorelemente (8), die dazu dienen, zwei verschiedene Komponenten eines zu messenden Magnetfelds zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldkonzentrator (17) aus wenigstens drei Teilen (9) besteht, die voneinander durch Spalte (10; 11; 12; 13) getrennt sind, dass die magnetischen Sensorelemente (8) im Bereich des Randes des Magnetfeldkonzentrators (17) angeordnet sind, und dass im Bereich der Spalte (10; 11; 12; 13) kein magnetisches Sensorelement vorhanden ist.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (7) ein Halbleiterchip (1) ist.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die magnetischen Sensorelemente (8) horizontale oder vertikale Hallsensor(en) oder AMR oder GMR oder Fluxgate Sensor(en) sind.