DE102017213605A1

DE102017213605A1 - Magnetfeldsensorschaltung in einem Package mit Mittel zum Addieren eines Signals aus einer Spule

Info

Publication number: DE102017213605A1
Application number: DE102017213605.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2018-03-01
Also published as: US11112467B2; US20200264246A1; US20180095145A1; US10670671B2; US9869729B1

Abstract

Sensoreinrichtungen, -systeme und -verfahren werden bereitgestellt, die Folgendes beinhalten: ein Sensor-Package, einen ersten Magnetsensor, der innerhalb des Sensor-Package angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, ein erstes Magnetfeld in einem ersten Frequenzbereich zu messen und ein erstes Sensorsignal auf Basis des gemessenen ersten Magnetfelds auszugeben, einen zweiten Magnetsensor, der außerhalb des Sensor-Package angeordnet ist und der dazu konfiguriert ist, ein zweites Magnetfeld in einem zweiten Frequenzbereich, der höhere Frequenzen als die Frequenzen des ersten Frequenzbereichs umfasst, zu messen und ein zweites Sensorsignal auf Basis des gemessenen zweiten Magnetfelds auszugeben, und eine Sensorschaltung, die innerhalb des Sensor-Package angeordnet ist und die dazu konfiguriert ist, das erste und das zweite Sensorsignal zu empfangen, das erste und das zweite Sensorsignal zu kombinieren und ein kombiniertes Sensorsignal auszugeben. Der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor sind dazu konfiguriert, sich eine Überschneidungsfrequenz zu teilen.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Einrichtungen und Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds und insbesondere auf Magnetfeldsensoren.
Hintergrund
Sensoren messen im Allgemeinen eine physikalische Größe und wandeln die gemessene physikalische Größe in ein Signal um, das einem elektronischen Gerät bereitgestellt wird (z. B. einem Prozessor auf einem integrierten Chip). Magnetsensoren messen zum Beispiel ein Magnetfeld unter Verwendung eines oder mehrerer Magnetfeldsensorelemente, die gegenüber Magnetfeldern empfindlich sind, und geben ein elektrisches Signal (z. B. ein Spannungssignal oder ein Stromsignal) aus, das dem gemessenen Magnetfeld entspricht.
Ein Sensor-Package kann auch eine Signalverarbeitungsschaltung enthalten, die das Signal (d. h. das Sensorsignal) vom Magnetfeldsensorelement empfängt und aus dem Sensorsignal ein Messsignal herleitet. Daher kann ein Sensor-Package einen Magnetfeldsensor und eine Schaltung enthalten, die das kleine Signal des Magnetfeldsensors über das Signalaufbereiten aufbereitet und verstärkt.
Magnetfeldsensorelemente weisen typischerweise entweder eine begrenzte magnetische Empfindlichkeit oder eine begrenzte Bandbreite auf. Eine Hall-Platte weist zum Beispiel eine mäßige magnetische Empfindlichkeit von 50 mV/V/T auf, und seine Bandbreite ist aufgrund von Wirbelströmen im Systemträger eines bedrahteten Package auf 30 kHz oder auf eine Bandbreite von 150 kHz aufgrund der signalaufbereitenden Schaltung im Package begrenzt. Die signalaufbereitende Schaltung kann zum Beispiel eine Spin-Hall-Sondenschaltung sein, die eine zeitdiskrete Schaltung ist, die bei einer Chopper-Frequenz von 50–500 kHz arbeitet.
Zusätzlich sind die oben genannten Magnetfeldsensorelemente Widerstandseinrichtungen mit einem typischen Widerstandswert von ein paar Kilo-Ohm, was einen hohen Rauschanteil bei hohen Frequenzen (z. B. im MHz-Bereich) erzeugt. Dies schränkt die Frequenz, bei der diese Sensorelemente arbeiten können, weiter ein.
Eine On-Chip-Spule, die auf einer Oberfläche eines Halbleiter-Chips angeordnet ist, kann ebenfalls als Magnetfeldsensorelement verwendet werden. Die On-Chip-Spule kann eine große Bandbreite aufweisen, falls sie nicht in der Nähe einer leitenden Platte, wie zum Beispiel dem Systemträger, angebracht ist. Allerdings weist die On-Chip-Spule eine begrenzte magnetische Empfindlichkeit auf, weil ihre effektive Fläche aufgrund der geringen Größe des Halbleiter-Dies klein ist (z. B. in der Größenordnung von wenigen Quadratmillimetern), und auch die Anzahl an Windungen ist auf 10–1000 begrenzt, weil in kommerziellen mikroelektronischen Prozessen nur wenige Metallisierungsschichten verfügbar sind.
Angesichts des oben Genannten weisen aktuelle Magnetfeldsensoren bei großen Bandbreiten ein begrenztes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) auf.
Kurzdarstellung
Die Ausführungsformen stellen eine Einrichtung oder ein System mit Folgendem bereit: einem Sensor-Package, einem ersten Magnetsensor, der innerhalb des Sensor-Package angeordnet ist, wobei der erste Magnetsensor dazu konfiguriert ist, ein erstes Magnetfeld in einem ersten Frequenzbereich zu messen und ein erstes Sensorsignal auf Basis des gemessenen ersten Magnetfelds auszugeben, einem zweiten Magnetsensor, der außerhalb des Sensor-Package angeordnet ist und der elektrisch mit dem Sensor-Package gekoppelt ist, wobei der zweite Magnetsensor dazu konfiguriert ist, ein zweites Magnetfeld in einem zweiten Frequenzbereich, der höhere Frequenzen als die Frequenzen des ersten Frequenzbereichs umfasst, zu messen und ein zweites Sensorsignal auf Basis des gemessenen zweiten Magnetfelds auszugeben, wobei sich der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor eine Überschneidungsfrequenz teilen, und einer Sensorschaltung, die innerhalb des Sensor-Package angeordnet ist und elektrisch mit dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor gekoppelt ist, wobei die Sensorschaltung dazu konfiguriert ist, das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu empfangen, das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu kombinieren und ein kombiniertes Sensorsignal auszugeben, das anhand des Kombinierens des ersten Sensorsignals mit dem zweiten Sensorsignal hergeleitet worden ist.
Die Ausführungsformen stellen des Weiteren ein Verfahren zum Messen von Magnetfeldern bereit, bei dem ein erster Magnetsensor, der innerhalb eines Sensor-Package angeordnet ist, und ein zweiter Magnetsensor, der außerhalb des Sensor-Package angeordnet ist, verwendet werden. Das Verfahren beinhaltet Folgendes: durch den ersten Magnetsensor ein erstes Magnetfeld in einem ersten Frequenzbereich zu messen, durch den ersten Magnetsensor ein erstes Sensorsignal auszugeben, das auf dem gemessenen ersten Magnetfeld basiert, durch den zweiten Magnetsensor ein zweites Magnetfeld in einem zweiten Frequenzbereich zu messen, der höhere Frequenzen als die Frequenzen des ersten Frequenzbereichs umfasst, wobei sich der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor eine Überschneidungsfrequenz teilen, durch den zweiten Magnetsensor ein zweites Sensorsignal auszugeben, das auf dem gemessenen zweiten Magnetfeld basiert, durch eine Sensorschaltung, die innerhalb des Sensor-Package angeordnet ist, das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu empfangen, durch die Sensorschaltung das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu kombinieren und durch die Sensorschaltung ein kombiniertes Sensorsignal auszugeben, das anhand des Kombinierens des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals hergeleitet worden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Ausführungsformen werden hierin unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Magnetfeldsensorsystems gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2 zeigt eine Draufsicht des Magnetfeldsensorsystems gemäß der 1;
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Magnetfeldsensorsystems gemäß einer oder mehreren weiteren Ausführungsformen;
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Magnetfeldsensorsystems gemäß einer oder mehreren weiteren Ausführungsformen; und
5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Messen von Magnetfeldern gemäß einer oder mehreren weiteren Ausführungsformen.
Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden mehrere Details dargelegt, um eine gründlichere Erklärung der beispielhaften Ausführungsformen bereitzustellen. Allerdings wird für Fachleute offensichtlich sein, dass die Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details umgesetzt werden können. In anderen Beispielen werden allgemein bekannte Strukturen und Einrichtungen in Form von Blockschaltbildern oder in einer schematischen Ansicht anstatt im Detail gezeigt, um zu vermeiden, Ausführungsformen unverständlich zu machen. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen, hier nachstehend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Des Weiteren werden äquivalente oder gleiche Elemente oder Elemente mit äquivalenter oder gleicher Funktionalität in der folgenden Beschreibung mit äquivalenten oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Weil den gleichen oder funktional äquivalenten Elementen in den Figuren die gleichen Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit den gleichen Bezugszeichen bereitgestellt sind, weggelassen werden. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt werden, wechselseitig austauschbar.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, dieses mit dem anderen Element direkt verbunden oder gekoppelt sein kann oder dass zwischengeschaltete Elemente vorhanden sein können. Wenn dagegen ein Element als mit einem anderen Element „direkt verbunden” oder „direkt gekoppelt” bezeichnet wird, sind keine zwischengeschalteten Elemente vorhanden. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in einer gleichen Weise interpretiert werden (z. B. „zwischen” versus „direkt zwischen”, „angrenzend” versus „direkt angrenzend” usw.).
In den hier beschriebenen oder in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen kann irgendeine direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d. h. irgendeine Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche zwischengeschaltete Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung umgesetzt werden, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren zwischengeschalteten Elementen, oder umgekehrt, so lange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel eine gewisse Art von Signal zu übertragen oder eine gewisse Art von Information zu übertragen, im Wesentlichen erhalten bleibt. Merkmale aus verschiedenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Zum Beispiel können Varianten oder Modifikationen, die in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben werden, auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein, soweit nicht anders angegeben.
Das Signalaufbereiten, wie hier verwendet, bezieht sich auf das Manipulieren eines analogen Signals auf eine solche Weise, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe für die weitere Verarbeitung erfüllt. Das Signalaufbereiten kann das Konvertieren von analog nach digital (z. B. über einen Analog-Digital-Wandler), Verstärkung, Filtern, Umwandeln, Vorspannen, Bereichsanpassung, Trennung und irgendwelche anderen Prozesse beinhalten, die erforderlich sind, um eine Sensorausgabe zur Verarbeitung nach der Aufbereitung geeignet zu machen.
Die Ausführungsformen beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme und auf das Ermitteln von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich, wie bereits im Abschnitt Hintergrund erwähnt worden ist, auf eine Komponente beziehen, die eine zu messende physikalische Größe in ein elektrisches Signal, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal, umwandelt. Die physikalische Größe kann zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung umfassen, ist aber nicht darauf begrenzt. Eine Sensoreinrichtung, wie sie hier beschrieben wird, kann ein Stromsensor, ein Magnetometer, ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Drehzahlsensor und Ähnliches sein.
Ein Magnetfeldsensor enthält zum Beispiel eines oder mehrere Magnetfeldsensorelemente, die eine oder mehrere Charakteristika eines Magnetfelds messen (z. B. eine Größe der Magnetfeldflussdichte, eine Feldstärke, einen Feldwinkel, eine Feldrichtung, eine Feldorientierung usw.), was dem Detektieren und/oder Messen des Magnetfeldlinienbilds eines Elements entspricht, das das Magnetfeld erzeugt (z. B. ein Magnet, ein stromführender Leiter (z. B. ein Draht), die Erde oder eine andere Magnetfeldquelle).
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen sind ein Magnetfeldsensor und eine Sensorschaltung beide im gleichen Chip-Package untergebracht (z. B. ein Kunststoff gekapseltes Package, wie zum Beispiel ein bedrahtetes Package oder ein Package ohne Anschlüsse, oder ein oberflächenmontiertes(SMD)-Package). Dieses Chip-Package wird auch als das Sensor-Package bezeichnet. Eines oder mehrere Magnetfeldsensorelemente oder kurz ein Magnetfeldsensor, der im Sensor-Package enthalten ist, ist somit einem Magnetfeld ausgesetzt, und das von dem Magnetfeldsensorelement bereitgestellte Sensorsignal (z. B. ein Spannungssignal) ist zum Beispiel proportional zur Größe des Magnetfelds.
Die Sensorschaltung kann als eine signalverarbeitende Schaltung und/oder eine signalaufbereitende Schaltung bezeichnet werden, die das Signal (d. h. das Sensorsignal) vom Magnetfeldsensorelement empfängt und aus dem Sensorsignal ein Messsignal herleitet, das das Magnetfeld darstellt. Daher umfasst das Sensor-Package eine Schaltung, die das kleine Signal des Magnetfeldsensors über Signalverarbeitung und/oder -konditionierung aufbereitet und verstärkt.
Eine Sensoreinrichtung, wie hier verwendet, kann sich auf eine Einrichtung beziehen, die einen Sensor und eine Sensorschaltung, wie oben beschrieben wird, enthält. Eine Sensoreinrichtung kann auf einem einzelnen Halbleiter-Die (z. B. einem Silicium-Die oder -Chip) integriert sein, obwohl in anderen Umsetzungsformen mehrere Dies zur Umsetzung einer Sensoreinrichtung verwendet werden können. Somit sind der Sensor und die Sensorschaltung entweder auf dem gleichen Halbleiter-Die oder auf mehreren Dies im gleichen Package angeordnet. Zum Beispiel könnte der Sensor sich auf einem Die und die Sensorschaltung auf einem anderen Die befinden, so dass sie innerhalb des Package elektrisch miteinander verbunden sind. In diesem Fall können die Dies aus den gleichen oder aus anderen Halbleitermaterialien bestehen, wie zum Beispiel GaAs und Si, oder der Sensor kann auf ein Keramik- oder Glasplättchen gesputtert sein, das kein Halbleiter ist.
Zu den Magnetfeldsensorelementen zählen Hall-Platten, vertikale Hall-Effekt-Einrichtungen, magnetoresistive Sensoren, die häufig auch als XMR-Sensoren bezeichnet werden, was ein Sammelbegriff für anisotrop magnetoresistive (AMR), GMR-(Giant Magneto-Resistive), TMR-(Tunneling Magneto-Resistive) und CMR-(Colossal Magneto-Resistive)Sensoren ist, oder magnetfeldsensitive Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) (MAGFETs). Es ist ebenfalls möglich, On-Chip-Spulen zu verwenden, die aus einer Zwischenverbindungsschicht des Halbleiterprozesses (z. B. den Verdrahtungsschichten) hergestellt sind und auf der Oberfläche des/der Halbleiter-Chips) angeordnet sind. Es ist ebenfalls möglich, GMI-(Giant Magneto-Impedance)Einrichtungen zu verwenden, die nicht in/auf der Oberfläche oder dem Volumen eines Die verbaut sind, die jedoch auf irgendeiner Haltestruktur verdrahtet angebracht sind, so dass die magnetfeldsensitive Einrichtung nicht notwendigerweise mit einem Die oder Plättchen verknüpft werden muss.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen werden Eingangsanschlüsse auf dem Sensor-Package bereitgestellt, mit denen ein Off-Chip-Sensorelement verbunden wird. Somit werden ein On-Chip-Magnetsensor und ein Off-Chip-Magnetsensor bereitgestellt, die eine kombinierte große Frequenzbandbreite bereitstellen. Zum Beispiel können die Sensoren dazu konfiguriert sein, ein Magnetfeld über eine Frequenzbandbreite von 0 Hz (d. h. Gleichstrom (DC)) bis in den MHz-Bereich (z. B. einem oder mehreren MHz) zu erfassen.
Der On-Chip-Magnetsensor kann irgendeines der zuvor erwähnten Magnetfeldsensorelemente enthalten und kann als ein Hall-Sensor, ein XMR-Sensor (z. B. AMR-Sensor, GMR-Sensor, TMR-Sensor, CMR-Sensor), ein MAGFET, ein Spulensensor, ein GMI-Sensor oder Ähnliches bezeichnet werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der On-Chip-Magnetsensor eine oder mehrere Spinning-Current-Hall-Platten enthalten, die in einem Spinning-Current-Modus arbeiten. Eine Spinning-Current-Hall-Platte kann mit vier Anschlüssen konfiguriert sein, in denen Strom zu einem ersten Paar Anschlüsse (z. B. Versorgungsanschlüsse) geschickt wird, während ein zweites Paar Anschlüsse verwendet wird, um eine Ausgangsspannung zu prüfen (z. B. Erfassungsanschlüsse). Idealerweise ist eine Hall-Platte perfekt symmetrisch, so dass bei Vorhandensein eines angelegten Null-Magnetfelds eine Null-Ausgangsspannung vorliegt. In der Praxis ist allerdings wahrscheinlich eine gewisse Asymmetrie vorhanden, die einen unerwünschten Offset in die Messung einbringt. Um diese Asymmetrie zu kompensieren, kann ein Spinning-Current-Modus verwendet werden.
Im Spinning-Current-Modus wird die Spinning-Current-Hall-Platte in einem Spinning-Current-Modus betrieben, in dem zwei Betriebsphasen verwendet werden, so dass die Versorgungsanschlüsse und die Erfassungsanschlüsse wiederholt zwischen den Anschlusspaaren gewechselt werden. Die Signale der beiden Betriebsphasen werden von einer Sensorschaltung addiert, so dass die durch die Asymmetrie verursachten Offset-Fehler aufgehoben werden.
Allerdings ist der Spinning-Current-Modus keine zeitlich kontinuierliche Prozedur (d. h. sie ist eine zeitlich diskrete Prozedur, die mehrere Betriebsphasen umfasst), sie kann typischerweise nicht bei hohen Frequenzen verwendet werden, weil sich ein höherer Offset-Fehler ergibt und dessen Kompensation schwieriger wird. Somit kann ein On-Chip-Magnetsensor, der Spinning-Current-Hall-Platten verwendet, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dazu konfiguriert sein, bei Frequenzen von etwa 150 kHz oder weniger zu arbeiten, und er kann des Weiteren dazu konfiguriert sein, bei etwa 100 kHz oder weniger, bei etwa 10 kHz oder weniger oder bei etwa 1 kHz oder weniger zu arbeiten. Die Frequenz, bei der ein Sensor arbeiten kann, ist direkt proportional zur Frequenz des Magnetfelds, das der Sensor detektieren kann.
Der Off-Chip-Magnetsensor kann eine oder mehrere Induktionsspulen sein oder kann aus einer oder mehreren Induktionsspulen bestehen und kann auch als ein Spulensystem bezeichnet werden. Eine Spule kann gemäß diesem Beispiel ein gewickeltes Metall sein, das dünne oder dicke Drähte mit einer kleinen oder großen Windungsanzahl und von kleiner oder großer Größe umfasst. Diese Spule kann mit Leiterbahnen in einer Leiterplatte (z. B. einer Platine (PCB, Printed Circuit Board)) umgesetzt werden, an denen das Sensor-Package angebracht und mit denen es elektrisch verbunden werden kann. Diese Spule kann zusätzliche Mittel enthalten, wie zum Beispiel Flusskonzentratoren, die den magnetischen Fluss durch die Spule bündeln. Diese Flusskonzentratoren können weichmagnetisches Material umfassen, wie zum Beispiel Weichferrite, dies ist insbesondere geeignet für hohe Betriebsfrequenzen im MHz-Bereich. Diese Spule kann rund, rechteckig, flach oder auf gekrümmten Oberflächen, zylindrisch, einschichtig oder mehrschichtig sein.
Die Spule kann eine Einfache oder eine Differentielle sein. Die einfache Spule kann eine nicht-differentielle Spule sein, bei der ein Anschluss mit der Signalmasse verbunden ist und ein anderer Anschluss ein Sensorsignal an das Sensor-Package ausgibt.
Eine differentielle Spule kann eine Spule sein, die in zwei Teile oder Wicklungen aufgeteilt ist, mit gleichem Produkt der Fläche mal einer Windungsanzahl, jedoch unterschiedlichem Vorzeichen der induzierten Spannung, wenn sie zeitlich veränderlichen, räumlich homogenen Magnetfeldern ausgesetzt ist. Zum Beispiel besteht eine Spule aus N Windungen, die sich über eine Fläche A verteilen, so dass das Produkt von Fläche mal Windungsanzahl N·A ist. In einer differentiellen Spule sind zwei Spulen vorhanden, die jeweils ein Produkt von Fläche mal Windungsanzahl N1·A1 bzw. N2·A2 aufweisen, das gleich ist (d. h. N1·A1 = N2·A2). Allerdings muss für jede Spule einer differentiellen Spule nur das Produkt gleich sein, sie müssen jedoch nicht die gleiche Windungsanzahl oder die gleiche Fläche aufweisen. Somit können sich N1 und N2 unterscheiden, und A1 und A2 können sich ebenfalls unterscheiden. Somit weist die differentielle Spule zwei Ausgangsanschlüsse auf, einen für jede Spule, Wicklung (oder Unterwicklung).
Der Zweck differentieller Spulen ist, homogene magnetische Störeinflüsse aufzuheben, während sie weiter auf Magnetfeldgradienten des zu detektierenden Felds reagieren. Zum Beispiel kann die differentielle Spule eine Spannung (d. h. das Sensorsignal des Off-Chip-Magnetsensors) über zwei Anschlüssen der differentiellen Spule detektieren. Die Spannung ist gleich d(N1·A1·B1)/dt – d(N2·A2·B2)/dt, wobei B1 und B2 die externen Magnetfelder sind, die an der Spule 1 bzw. der Spule 2 erfasst werden, N1·A1·B1 der Gesamtmagnetfluss durch die Spule 1 ist, N1·A2·B2 der Gesamtmagnetfluss durch die Spule 2 ist und die Spannung die Differenz der beiden zeitlichen Ableitungen ist.
In einem einfachen Fall gibt es nur einen Signaleingangsanschluss, zum Beispiel eine dedizierte Leitung des Sensor-Package, der mit der Off-Chip-Spule verbunden ist (z. B. im Fall einer einfachen Spule). Der Signaleingangsanschluss des Sensor-Package ist mit dem Halbleiter-Die innerhalb des Sensor-Package verbunden.
In einem anderen Beispiel kann die Off-Chip-Spule zwei Ausgangsanschlüsse aufweisen (z. B. im Fall einer differentiellen Spule). Bei einer Off-Chip-Spule, die zwei Ausgangsanschlüsse aufweist, ist jeder Ausgangsanschluss mit dem Sensor-Package verbunden. Somit kann das Sensor-Package mit zwei oder mehr dedizierten Signaleingangsanschlüssen bereitgestellt werden, mit denen die Spule zum Empfangen von Sensorsignalen verbunden werden kann. Bei komplexeren Spulensystemen kann zum Beispiel eine größere Anzahl von Signaleingangsanschlüssen (z. B. zwei oder mehr) am Sensor-Package bereitgestellt werden.
Die Signalmasse kann dem Sensor-Package extern bereitgestellt werden oder kann zusätzlich oder alternativ durch eine Verbindung zu einem Anschluss (z. B. einer dedizierten Leitung) des Sensor-Package, der mit der Signalmasse verbunden ist, erreicht werden.
Die Signaleingangsanschlüsse des Sensor-Package können über eine elektronische Schaltung (z. B. eine Sensorschaltung) innerhalb des Sensor-Package geleitet werden, die das/die Signal(e) der Spule(n) verarbeitet (z. B. durch Verstärkung und Tiefpass-/Hochpass-/Bandpass-/Bandsperren-Filtern oder -Integrieren). Schließlich kombiniert diese Sensorschaltung das/die Signal(e) der Spule mit dem/den Signal(en) des/der On-Chip-Magnetfeldsensorelement(e).
Gemäß dem oben genannten wird ein Magnetfeldsensorsystem bereitgestellt, das zwei Sensorelemente enthält: einen On-Chip-Magnetsensor und einen Off-Chip-Magnetsensor. Der On-Chip-Magnetfeldsensor (d. h. der On-Chip-Niederfrequenzsensor) detektiert statische und niederfrequente Magnetfelder, während der Off-Chip-Magnetsensor (d. h. der Off-Chip-Hochfrequenzsensor) hochfrequente Magnetfelder detektiert. Die Signale aus dem On-Chip- und dem Off-Chip-Sensorelement werden kombiniert, um eine Antwort zu ergeben, die von null (z. B. Gleichstrom (DC)) bis zu einigen MHz flach verläuft. Der Off-Chip-Magnetsensor kann eine Off-Chip-Spule sein, wie hier beschrieben wird.
Zusätzlich kann eine Erhöhung der Flexibilität beim Entwurf erreicht werden, indem die Spule „off-Chip” bereitgestellt wird, weil die Spule nicht durch die gleichen Entwurfsbelange wie On-Chip-Spulen gebunden ist. Wenn zum Beispiel die Off-Chip-Spule vom On-Chip-Sensor abgetrennt wird, können die Off-Chip-Spulen dazu konfiguriert sein, hohe Empfindlichkeiten zu erreichen (z. B. durch viele Windungen der Wicklung), so dass die Überschneidungsfrequenz zwischen On-Chip- und Off-Chip-Sensorelementen in der signalaufbereitenden und -kombinierenden Schaltung bei sehr niedrigen Frequenzen gewählt werden kann. Somit werden vom On-Chip-Sensor detektierte Frequenzen, die über der Überschneidungsfrequenz liegen, im Signalpfad des On-Chip-Sensors gedämpft, und vom Off-Chip-Sensor detektierte Frequenzen, die unter der Überschneidungsfrequenz liegen, werden im Signalpfad des Off-Chip-Sensors gedämpft.
Falls zum Beispiel eine Spule on-Chip ist, ist es wegen der Größenbegrenzungen des Chips schwierig, die Spule für Frequenzen kleiner 20 kHz zu verwenden (d. h. eine größere Spule mit einer größeren Windungsanzahl wird benötigt). Daher müsste zum Beispiel ein On-Chip-Hall-Plattensensor einen Bereich von 0 Hz bis 20 kHz abdecken, was schwer zu erreichen ist. Falls allerdings eine Off-Chip-Spule gemäß den hier offenbarten Ausführungsformen verwendet wird, kann die Spule aus vielen Windungen mit einer größeren Fläche bestehen und kann bis hinunter zu Frequenzen von etwa 1 kHz verwendet werden. Somit muss ein On-Chip-Hall-Plattensensor nur 0 Hz bis etwa 1 kHz abdecken, was sehr viel besser durchführbar ist. In diesem niedrigeren Frequenzbereich (d. h. geringerer Bandbreite) kann die Sensorschaltung (z. B. die Hall-Plattensensor-Aufbereitungsschaltung, wie zum Beispiel eine Spinning-Current-Schaltung) optimiert werden, so dass sie weniger Rest-Offset und weniger Rauschen als bei einer größeren Bandbreite von 0 Hz bis 20 kHz abgibt.
Falls der On-Chip-Magnetsensor ein Spinning-Current-Hall-Einrichtung mit einer oder mehreren Spinning-Current-Hall-Platten ist, kann die Überschneidungsfrequenz bei etwa 150 kHz oder weniger, und eher bevorzugt bei etwa 100 kHz oder weniger und eher bevorzugt bei etwa 10 kHz oder weniger und eher bevorzugt bei etwa 1 kHz oder weniger liegen, wobei der Off-Chip-Sensor bei einer Frequenz von der Überschneidungsfrequenz bis zu 1 MHz oder mehr arbeiten kann.
Des Weiteren können höhere Frequenzen ein Problem für eine Sensorschaltung infolge des Systemträgers eines typischen, Kunststoff gekapselten Package schaffen. Insbesondere können die Hochfrequenzkomponenten des zu messenden Magnetfelds große Wirbelströme im Systemträger verursachen, wodurch die Frequenzantwort der Sensorschaltung verzerrt wird. Gemäß den hier offenbarten Ausführungsformen kann dieses Problem allerdings durch Verwendung nur eines Niederfrequenzsensors (z. B. eines Hall-Plattensensors) im Sensor-Package, in dem Wirbelströme ein Problem sind, vermieden werden. Stattdessen wird der Hochfrequenzanteil des Signals von der Off-Chip-Spule geliefert, die keine Begrenzung durch den Systemträger des Sensor-Package aufweist.
Das Magnetfeldsensorsystem wie es hier bereitgestellt wird, kann als ein Stromsensor verwendet werden, ist aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Magnetfeldsensorsystem als ein Stromsensor verwendet werden, falls es mit dem Magnetfeld gekoppelt wird, das durch irgendeinen zu messenden Strom erzeugt wird, der durch einen Primärleiter fließt. Zum Beispiel kann kontaktlose Strommessung durch Verwendung des Magnetfeldsensorsystems erfolgen, indem das Magnetfeldsensorsystem verwendet wird, um das Magnetfeld zu erfassen, das von einem Strom verursacht wird, der durch den Primärleiter fließt (des Weiteren als Primärstrom bezeichnet). Das durch den Primärstrom verursachte Magnetfeld hängt von der Größe des Primärstroms ab. Für einen langen geraden Draht, der einen Primärstrom i_P führt, ist zum Beispiel die Größe des resultierenden Magnetfelds H in einem Abstand d vom Draht direkt proportional zum Primärstrom i_P. Gemäß dem Biot-Savart-Gesetz ist die Größe des Magnetfelds H gleich H = i_P/(2πd), falls der Draht im Vergleich zum Abstand d sehr lang ist (theoretisch unendlich lang).
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Sensor-Package, das das Magnetfeldsensorelement (z. B. einen Hall-Sensor) enthält, dicht am Primärleiter platziert. Das Magnetfeldsensorelement (oder Magnetfeldsensor), das im Sensor-Package enthalten ist, ist somit dem Magnetfeld ausgesetzt, das vom Primärstrom verursacht wird, und das vom Magnetfeldsensorelement bereitgestellte Sensorsignal (normalerweise ein Spannungssignal) ist proportional zur Größe des Magnetfelds und somit auch proportional zum Primärstrom. Somit wird der On-Chip-Magnetsensor bereitgestellt, um einen niedrigeren Frequenzbereich des durch den Primärstrom erzeugten Magnetfelds abzudecken.
Gleichermaßen wird die Off-Chip-Spule in der Nähe des Primärleiters platziert, um einen höheren Frequenzbereich des durch den Primärstrom erzeugten Magnetfelds zu messen.
Die 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Magnetfeldsensorsystems 10 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Magnetfeldsensorsystem 10 enthält einen Off-Chip-Magnetsensor 12 (z. B. die Off-Chip-Spule 12) und ein Sensor-Package 14, die jeweils auf einer Platine 16 angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Platine 16 nicht darauf beschränkt ist und irgendeine Leiterplatte (z. B. eine isolierte Metallebene) sein und aus einer einzelnen oder mehreren Schichten bestehen kann. Diese Struktur kann zusammengenommen als ein Substrat bezeichnet werden.
Die Off-Chip-Spule 12 kann eine dedizierte Einrichtung auf einer Kunststoff-Spulenwickelform (nicht dargestellt) sein, oder sie kann als eine Platinenleiterbahn umgesetzt sein, so dass sie in der Platine integriert ist. Zum Beispiel kann die Off-Chip-Spule 12 in einer Mehrschicht-Platine in einer oberen Schicht, einer unteren Schicht oder einer Zwischenschicht der Platine 16 ausgebildet sein.
Das Sensor-Package 14 kann ein nicht-magnetisches Package oder Gehäuse, hergestellt aus Gießharz, mit einem Kupfer-Systemträger enthalten. Des Weiteren können die Leitungen des Sensor-Package 14 und der Off-Chip-Spule 12 in der Leiterplatte integriert sein und können des Weiteren unterhalb des Sensor-Package 14 platziert sein.
Das Magnetfeldsensorsystem 10 enthält des Weiteren Leiterbahnen 18. Zum Beispiel können eine oder mehrere Leiterbahnen 18 eine Zwischenverbindung zum Verbinden eines oder mehrerer Anschlüsse der Off-Chip-Spule 12 mit einem oder mehreren Anschlüssen oder Leiterbahnen des Sensor-Package 14 sein. Des Weiteren können eine oder mehrere Leiterbahnen 18 mit einem oder mehreren Anschlüssen des Sensor-Package 14 verbunden sein, um eine Verbindung zur Sensorversorgung und zur Sensormasse bereitzustellen und um eine Verbindung mit Ausgangssignalen (z. B. Messsignalen) aus dem Sensor-Package 14 bereitzustellen.
Das Sensor-Package 14 enthält ein Gehäuse 20, einen Halbleiter-Die 22, der auf einem Die-Paddle 24 angeordnet ist, und einen Systemträger, der aus Anschlüssen 28 (z. B. Leitungen) zum Empfangen oder Übertragen von Signalen und/oder Zuführen von Leistung besteht. Zum Beispiel ist der Anschluss 28a mit der Off-Chip-Spule 12 verbunden und dazu konfiguriert, einen Spuleneingang zu empfangen (z. B. das Messsignal). Der Anschluss 28b ist mit einer Leiterbahn 18 und mit einer oder mehreren Komponenten des Sensor-Package 14 verbunden.
Das Die-Paddle 24 ist eine dünne Metallfläche innerhalb einer gehäusten integrierten Schaltung, an der ein Die 22 befestigt ist und die wiederum ein Teil des Systemträgers (z. B. der Anschlüsse 28) ist.
Der Halbleiter-Die 22 enthält einen On-Chip-Magnetsensor 32 und eine Sensorschaltung 34, die jeweils auf einem Halbleiter-Die 22 angeordnet und darin integriert sind.
Der On-Chip-Magnetsensor 32 kann an oder in der Nähe einer oberen Oberfläche des Halbleiter-Dies 22 angeordnet sein. Der On-Chip-Magnetsensor 32 kann eine Spinning-Current-Hall-Einrichtung oder ein anderer Magnetsensor sein, der in der Lage ist, statische und niederfrequente Magnetfelder zu detektieren.
Die Sensorschaltung 34 kann eine signalaufbereitende und -kombinierende Schaltung sein, wie oben beschrieben wird, und kann des Weiteren eine Spinning-Current-Hall-Sondenschaltung enthalten. Insbesondere empfängt die Sensorschaltung 34 Roh-Messsignale (z. B. analoge Signale) von der Off-Chip-Spule 12 und dem On-Chip-Magnetsensor 32, verarbeitet die Roh-Messsignale und kombiniert das/die verarbeitete(n) Signal(e) der Off-Chip-Spule 12 mit dem/den verarbeiteten Signal(en) des On-Chip-Magnetsensors 32. Das kombinierte Signal kann dann aus dem Sensor-Package 14 durch einen der Anschlüsse 28 an eine der Leiterbahnen 18 ausgegeben werden, die das kombinierte Signal einer externen Einrichtung bereitstellt (z. B. einem externen Prozessor). Des Weiteren versteht sich, dass spezifische Schaltungsstrukturen nicht gezeigt werden, weil die Sensorschaltung 34 auf dem Halbleiter-Die 22 integriert ist.
Weil normalerweise die Off-Chip-Spule 12 als eine passive Komponente nicht mit elektrischer Leistung versorgt wird, ist ihr DC-Potential undefiniert. Im Ergebnis kann die Sensorschaltung 34 dazu konfiguriert sein, das Gleichtaktpotential wenigstens eines Anschlusses der wenigstens zwei Eingangsanschlüsse für die Spule 12 zu definieren.
Das Magnetfeldsensorsystem 10 kann so konfiguriert sein, dass ein Primärleiter 40 auf oder in der Nähe einer in Bezug auf die Seite, auf der die Off-Chip-Spule 12 und das Sensor-Package 14 bereitgestellt werden, gegenüberliegenden Seite der Platine 16 bereitgestellt wird. Ein Primärstrom, der durch den Primärleiter 40 fließt, erzeugt ein Magnetfeld 42, das von der Off-Chip-Spule 12 und dem On-Chip-Magnetsensor 32 erfasst wird. Die Off-Chip-Spule 12 wird bereitgestellt, um einen höheren Frequenzbereich des durch den Primärstrom erzeugten Magnetfelds abzudecken, während der On-Chip-Magnetsensor 32 bereitgestellt wird, um einen niedrigeren Frequenzbereich des durch den Primärstrom erzeugten Magnetfelds abzudecken.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen das Nutzen des Magnetfeldsensorsystems 10 als einen Stromsensor beschreiben, versteht es sich des Weiteren, dass das Magnetfeldsensorsystem 10 nicht darauf beschränkt ist und dass es verwendet werden kann, um irgendein auf verschiedene Weisen erzeugtes Magnetfeld zu detektieren, bei dem das Messen von niedrigeren und höheren Frequenzkomponenten oder -bereichen gewünscht wird. Zum Beispiel kann das Feldsensorsystem 10 als ein Drehzahlsensor für ein Magnetfeld verwendet werden, das durch einen Permanentmagneten produziert wird, der auf einer Zahnscheibe eines Getriebes oder einem Zahnrad rotiert.
Wie in der 1 gezeigt wird, definiert die Platine 16 den Zwischenraum zwischen den Abtastelementen und dem Primärleiter 40, so dass eine gewünschte magnetische Empfindlichkeit für die Abtastelemente konfiguriert werden kann. Des Weiteren dient die Platine als eine galvanische Trennung mit einer großen Kriechstrecke zwischen dem Primärleiter 40 und der Sensorschaltung 34.
Wie des Weiteren nachstehend beschrieben wird, können die Off-Chip-Spule 12 und der On-Chip-Magnetsensor 32 als differentielle Sensoren konfiguriert sein, bei denen eine gleiche Anzahl Unterkomponenten jedes Sensors symmetrisch um eine Mittel-(Längs-)Achse des Primärleiters 40 angeordnet ist. Eine Längsachse ist zum Beispiel eine Achse, die in der Länge durch ein Objekt verläuft. Obwohl bestimmte Ausführungsformen hier so beschrieben werden, dass sie symmetrisch angeordnete Komponenten aufweisen, versteht es sich, dass die Komponenten asymmetrisch angeordnet sein können.
Die 2 zeigt eine Draufsicht des Magnetfeldsensorsystems 10 gemäß der 1, mit der Ausnahme, dass die Platine 16 nur zur Veranschaulichung entfernt worden ist. Insbesondere zeigt die 2, dass die Off-Chip-Spule 12 und der On-Chip-Magnetsensor 32 als differentielle Sensoren konfiguriert sind, bei denen eine gleiche Anzahl Unterkomponenten jedes Sensors angeordnet ist, um ein von einem Primärleiter 40 produziertes Magnetfeld zu detektieren.
Wie zum Beispiel in der 2 gezeigt wird, ist die Off-Chip-Spule 12 eine differentielle Spule, die eine erste Spule 12a und eine zweite Spule 12b enthält, die symmetrisch um eine Mittel-(Längs-)Achse 41 des Primärleiters 40 angeordnet sein können, so dass Symmetrie rechts zur Mitte und links zur Mitte erreicht wird. Das heißt, ein Abschnitt der Spule 12a und ein entsprechendes Gegenstück der Spule 12 können sich lateral (z. B. in der y-Richtung) und vertikal (z. B. in der z-Richtung) in etwa einem gleichen Abstand (unter Berücksichtigung von Standardherstellungstoleranzen von 5%) von einer Mittelachse 41 des Primärleiters 40 befinden. Die erste Spule 12a und die zweite Spule 12b sind miteinander auf subtrahierende Weise verbunden, um homogene Hintergrundfelder aufzuheben. Diese Spulen 12a und 12b können dedizierte Einrichtungen auf Kunststoff-Spulenwickelformen (nicht dargestellt) sein, oder sie können als Platinenleiterbahnen umgesetzt sein, so dass sie in der Platine 16 integriert sind.
Die differentielle Spule kann eine Spannung (d. h. das Sensorsignal des Off-Chip-Magnetsensors) über zwei Anschlüssen 18 der differentiellen Spule detektieren. Die Spannung ist gleich d(N1·A1·B1)/dt – d(N2·A2·B2)/dt, wobei B1 und B2 die externen Magnetfelder sind, die an der Spule 12a bzw. der Spule 12b erfasst werden, N1·A1·B1 der Gesamtmagnetfluss durch die Spule 12a ist, N1·A2·B2 der Gesamtmagnetfluss durch die Spule 12b ist und die Spannung die Differenz der beiden zeitlichen Ableitungen ist.
Es versteht sich des Weiteren, dass die erste Spule 12a und eine zweite Spule 12b asymmetrisch um den Primärleiter angeordnet sein können.
Das Produkt Windung/Fläche N1·A1 der ersten Spule 12a ist im Wesentlichen gleich (unter Berücksichtigung von Standardherstellungstoleranzen von 5% oder weniger) dem Produkt Windung/Fläche N2·A2 der zweiten Spule 12b.
Gleichermaßen kann der On-Chip-Magnetsensor 32 zwei oder mehr Sätze von Magnetsensorelementen 32a und 32b enthalten, die symmetrisch (oder asymmetrisch) um eine Mittel-(Längs-)Achse 41 des Primärleiters 40 angeordnet sind (unter Berücksichtigung von Standardherstellungstoleranzen von 5%). Wie in der 2 gezeigt wird, enthalten die Sätze von Magnetsensorelementen 32a und 32b jeweils zwei Hall-Platten zum Messen des Magnetfelds 42. Somit sind in diesem Beispiel vier Magnetsensorelemente vorhanden. Es versteht sich allerdings, dass nur ein Satz von Magnetsensorelementen verwendet werden kann und dass ein Satz eines oder mehrere Magnetsensorelemente enthalten kann. Es versteht sich des Weiteren, dass die Magnetsensorelemente nicht auf Hall-Platten beschränkt sind und irgendeine Art von Magnetsensorelement sein können (z. B. die oben beschriebenen Magnetsensorelemente).
Die Magnetsensorelemente der Sätze 32a und 32b sind mit der Sensorschaltung 34 in einer subtrahierenden Weise verbunden, um homogene magnetische Hintergrundstöreinflüsse aufzuheben.
Es versteht sich des Weiteren, dass, obwohl die Symmetrie der Off-Chip-Spulen und der On-Chip-Magnetsensorelemente helfen kann, homogene magnetische Hintergrundstöreinflüsse aufzuheben und/oder die Empfindlichkeit gegenüber dem Primärstrom in einer oder mehreren Ausführungsformen zu maximieren, die Off-Chip-Spulen und die On-Chip-Magnetsensorelemente in anderen Umsetzungsformen möglicherweise nicht symmetrisch zur Mittelachse sind.
Die Anschlüsse der Spulen 12a und 12b können mit einer der Leiterbahnen 18, die jeweils die Anschlüsse 28 miteinander verbinden, verbunden sein, um einen Spuleneingang bereitzustellen. Die anderen der sechs Anschlüsse 28 des Sensor-Package 14 können mit den Leiterbahnen 18 zur Sensorversorgung, für eine Sensormasse und eines oder mehrere Ausgangssignale verbunden sein.
Die Platine 16 kann des Weiteren als eine galvanische Trennung mit einer großen Kriechstrecke (z. B. in x- und y-Richtungen) zwischen dem Primärleiter 40 und der Sensorschaltung 34 dienen.
Wie oben angegeben ist, ist, weil normalerweise die Off-Chip-Spule 12 als eine passive Komponente nicht mit elektrischer Leistung versorgt wird, ihr DC-Potential undefiniert. Im Ergebnis kann die Sensorschaltung 34 dazu konfiguriert sein, das Gleichtaktpotential wenigstens eines Anschlusses der wenigstens zwei Eingangsanschlüsse für die Spule zu definieren.
Die 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Magnetfeldsensorsystems 10 gemäß einer oder mehreren weiteren Ausführungsformen. Insbesondere enthält das Magnetfeldsensorsystem 10 eine Off-Chip-Spule 12 auf einer dedizierten Spulenwickelform 13 mit einem Ferritkern. Des Weiteren ist die Off-Chip-Spule 12 über eine Leiterbahn 18 mit dem Sensor-Package 14 verbunden. Die Spulenwickelform 13 kann auf dem Substrat 19 platziert sein, das eine andere Platinenleiterbahn, ein Pad oder ein separates Substrat (z. B. aus Kunststoff) sein kann, um die Off-Chip-Spule 12 planar zum Primärleiter 40 zu halten. Wie oben beschrieben wird, versteht es sich, dass die Leiterbahnen 18 und 19 in der Platine 16 integriert sein können, so dass die dedizierte Spulenwickelform 13 direkt auf der Platine 16 platziert wird.
Es versteht sich, dass andere Elemente des in der 3 gezeigten Magnetfeldsensorsystems 10 den vorher beschriebenen ähnlich sind. Somit wird ihre Beschreibung der Kürze halber weggelassen.
Die 4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Magnetfeldsensorsystems 10 gemäß einer oder mehreren weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich zum Magnetfeld 42 kann der Primärleiter 40 ein elektrisches Feld 43 produzieren. Der Primärleiter 40 kann zum Beispiel auf einem hohen Potential liegen, und er kann steilen Spannungssprüngen ausgesetzt sein, die sich über die Off-Chip-Spule 12 in die Sensorschaltung 34 innerhalb des Sensor-Package 14 einkoppeln können.
Dementsprechend kann eine elektrische Abschirmung 15 in der Platine 16 bereitgestellt werden, um den Off-Chip-Magnetsensor 12 vom elektrischen Feld 43 abzuschirmen. Die elektrische Abschirmung 15 kann mit einer Mehrschichtplatine 16 umgesetzt werden, so dass sie in einer Zwischenschicht ausgebildet wird (z. B. zwischen der oberen und unteren Oberfläche der Platine 16). Die elektrische Abschirmung 15 ist über eine Durchkontaktierung 17 auch mit Masse verbunden. Zum Beispiel kann die Durchkontaktierung 17 von einer Oberfläche der Platine 16 in die Platine 16 zur elektrischen Abschirmung 15 verlaufen. An der Oberfläche der Platine 16 kann die Durchkontaktierung 17 mit einer Leiterbahn 18 verbunden sein, die mit der Sensormasse verbunden ist. Alternativ kann die Verbindung mit Sensormasse auch durch eine Drahtverbindung (nicht dargestellt) oder Ähnliches erreicht werden.
Die elektrische Abschirmung 15 sollte nicht massiv sein, weil dann die magnetische Induktion aus den Hochfrequenzkomponenten des Primärstroms im Primärleiter 40 Wirbelströme in der Abschirmung 15 induzieren kann, und dies würde das vom Off-Chip-Magnetsensor 12 und vom On-Chip-Magnetfeldsensor 32 erfasste Magnetfeld 42 verzerren. Somit kann die elektrische Abschirmung 15 eine Metallschichtabschirmung sein und sollte dazu konfiguriert werden, Wirbelströme zu vermeiden. Zum Beispiel kann die elektrische Abschirmung 15 als ein Gitter aus feinen Drähten, als ein Netz oder als eine Spirale umgesetzt werden. Jede dieser Formen weist Einschnitte in der Schicht auf, um große Schleifen für Wirbelströme zu vermeiden, sie funktionieren aber noch gut genug, um die Sensoren 12 und 32 und die Sensorschaltung 34 von elektrischen Feldern abzuschirmen.
Wie oben angegeben ist, ist, weil normalerweise die Off-Chip-Spule 12 als eine passive Komponente nicht mit elektrischer Leistung versorgt wird, ihr DC-Potential undefiniert. Im Ergebnis kann die Sensorschaltung 34 dazu konfiguriert sein, das Gleichtaktpotential wenigstens eines Anschlusses der wenigstens zwei Eingangsanschlüsse für die Spule zu definieren.
Es versteht sich, dass andere Elemente des in der 4 gezeigten Magnetfeldsensorsystems 10 den vorher beschriebenen ähnlich sind. Somit wird ihre Beschreibung der Kürze halber weggelassen.
Angesichts des vorher Genannten kann der On-Chip-Magnetsensor 32 statische und niederfrequente Magnetfelder detektieren, während der Off-Chip-Magnetsensor 12 hochfrequente Magnetfelder detektieren kann. Danach werden die Signale der On-Chip- und Off-Chip-Sensorelemente kombiniert, um eine Antwort zu ergeben, die von DC bis zu einigen MHz flach verläuft.
Zusätzlich können durch Abtrennen des Off-Chip-Magnetsensors 12 (z. B. der Off-Chip-Spule 12) vom Sensor-Package 14 größere Empfindlichkeiten für den Off-Chip-Magnetsensor 12 erreicht werden (z. B. durch viele Windungen der Wicklung oder durch eine größere Fläche der Windungen), so dass die Überschneidungsfrequenz zwischen den On-Chip- und den Off-Chip-Sensorelementen in der signalaufbereitenden und -kombinierenden Schaltung bei sehr niedrigen Frequenzen gewählt werden kann.
Die 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Messen von Magnetfeldern unter Verwendung eines ersten Magnetsensors, der innerhalb eines Sensor-Package angeordnet ist, und eines zweiten Magnetsensors, der extern vom Sensor-Package angeordnet ist, wobei sich der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor eine Überschneidungsfrequenz teilen. Obwohl das Flussdiagramm eine Reihe von sequentiellen Operationen zeigt, sollte aus dieser Sequenz keine spezifische Reihenfolge der Durchführung, serielle statt gleichzeitige oder überlappende Durchführung von Operationen oder Teilen davon oder Durchführung der Operationen, die exklusiv ohne das Vorkommen von zwischengeschalteten oder dazwischen liegenden Operationen gezeigt werden, hergeleitet werden, es sei denn, es wird ausdrücklich angegeben. Der in diesem Beispiel gezeigte Prozess wird zum Beispiel durch eines oder mehrere, oben beschriebene Magnetfeldsensorsysteme umgesetzt.
Gemäß der 5 beinhaltet das Verfahren 500 Folgendes: durch den ersten Magnetsensor ein erstes Magnetfeld in einem ersten Frequenzbereich zu messen (Operation 501), durch den zweiten Magnetsensor ein zweites Magnetfeld in einem zweiten Frequenzbereich zu messen, der höher als der erste Frequenzbereich ist (Operation 502), durch den ersten Magnetsensor ein erstes Sensorsignal auszugeben, das auf dem gemessenen ersten Magnetfeld basiert (Operation 503), durch den zweiten Magnetsensor ein zweites Sensorsignal auszugeben, das auf dem gemessenen zweiten Magnetfeld basiert (Operation 504), durch eine Sensorschaltung, die innerhalb des Sensor-Package angeordnet ist, das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu empfangen (Operationen 505a und 505b), durch die Sensorschaltung das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu kombinieren (Operation 506) und durch die Sensorschaltung ein kombiniertes Sensorsignal auszugeben, das anhand des Kombinierens des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals hergeleitet worden ist (Operation 507).
Eine einzelne Magnetfeldquelle kann das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld erzeugen.
Die Überschneidungsfrequenz kann eine Frequenz sein, die größer als 0 Hz und kleiner als 20 kHz ist. Des Weiteren kann der erste Frequenzbereich eine Frequenz von 0 Hz enthalten, und der zweite Frequenzbereich kann eine Frequenz von wenigstens 1 MHz enthalten.
Während hier verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sind, wird es Durchschnittsfachleuten klar sein, dass viele weitere Ausführungsformen und Umsetzungsformen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung möglich sind. Dementsprechend ist die Erfindung nicht beschränkt, mit Ausnahme der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente. Hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Komponenten und Strukturen (Baugruppen, Einrichtungen, Schaltungen, Systemen usw.) ausgeführt werden, ist beabsichtigt, sofern nicht anders angezeigt, dass die Begriffe (einschließlich eines Verweises auf ein „Mittel”), die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendet werden, irgendeiner Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente durchführt (d. h. die funktionell gleichwertig ist), auch wenn sie der offenbarten Struktur nicht strukturell gleichwertig ist, die die Funktion in den hierin veranschaulichten Umsetzungsbeispielen der Erfindung ausführt.
Des Weiteren sind die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung einbezogen, wobei jeder Anspruch für sich als eine separate beispielhafte Ausführungsform steht. Während jeder Anspruch für sich allein als eine separate beispielhafte Ausführungsform stehen kann, ist anzumerken, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere beispielhafte Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs enthalten können. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, es sei denn, es wird angegeben, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Des Weiteren ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in irgendeinem anderen unabhängigen Anspruch einzuschließen, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt vom unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Es ist des Weiteren anzumerken, dass in der Patentbeschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung umgesetzt werden können, die Mittel zum Ausführen jedes der entsprechenden Vorgänge dieser Verfahren hat.
Des Weiteren versteht es sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Patentbeschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Vorgänge oder Funktionen nicht so ausgelegt werden soll, dass sie in einer spezifischen Reihenfolge vorhanden sind. Demzufolge wird die Offenbarung mehrerer Vorgänge oder Funktionen diese nicht auf eine besondere Reihenfolge begrenzen, es sei denn, solche Vorgänge oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar. Des Weiteren kann in einigen Ausführungsformen ein einzelner Vorgang mehrere Untervorgänge aufweisen oder kann in solche aufgebrochen werden. Solche Untervorgänge können enthalten sein und sind Teil der Offenbarung dieses einzelnen Vorgangs, es sei denn, sie werden ausdrücklich ausgeschlossen.

Claims

Magnetfeldsensorsystem, das Folgendes umfasst: ein Sensor-Package; einen ersten Magnetsensor, der innerhalb des Sensor-Package angeordnet ist, wobei der erste Magnetsensor dazu konfiguriert ist, ein erstes Magnetfeld in einem ersten Frequenzbereich zu messen und ein erstes Sensorsignal auf Basis des gemessenen ersten Magnetfelds auszugeben; einen zweiten Magnetsensor, der außerhalb des Sensor-Package angeordnet und elektrisch mit dem Sensor-Package gekoppelt ist, wobei der zweite Magnetsensor dazu konfiguriert ist, ein zweites Magnetfeld in einem zweiten Frequenzbereich zu messen, der höhere Frequenzen als die Frequenzen des ersten Frequenzbereichs umfasst, und ein zweites Sensorsignal auf Basis des gemessenen zweiten Magnetfelds auszugeben, wobei sich der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor eine Überschneidungsfrequenz teilen; und eine Sensorschaltung, die innerhalb des Sensor-Package angeordnet und elektrisch mit dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor gekoppelt ist, wobei die Sensorschaltung dazu konfiguriert ist, das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu empfangen und ein kombiniertes Sensorsignal auszugeben, das aus dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal hergeleitet worden ist.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1, wobei das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld von einer gleichen Magnetfeldquelle erzeugt werden.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 2, wobei die Magnetfeldquelle ein Leiter ist und das erste und das zweite Magnetfeld von einem Strom, der durch den Leiter fließt, erzeugt werden.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sensor-Package einen Halbleiter-Die enthält und der erste Magnetsensor und die Sensorschaltung auf dem Halbleiter-Die integriert sind.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Sensor-Package einen ersten Halbleiter-Die mit dem ersten Magnetsensor darauf integriert und einen zweiten Halbleiter-Die mit der Sensorschaltung darauf integriert enthält.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zweite Magnetsensor eine Induktionsspule ist, die wenigstens einen Anschluss enthält, der mit dem Sensor-Package verbunden ist, um das zweite Sensorsignal zur Sensorschaltung zu übertragen.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 6, wobei die Induktionsspule eine differentielle Induktionsspule ist, die eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, die in einer subtrahierenden Konfiguration angeordnet sind, wobei die erste Wicklung dazu konfiguriert ist, eine erste Komponente des zweiten Sensorsignals zu erzeugen, und einen ersten Anschluss enthält, der mit dem Sensor-Package elektrisch gekoppelt ist, und die zweite Wicklung dazu konfiguriert ist, eine zweite Komponente des zweiten Sensorsignals zu erzeugen, und einen zweiten Anschluss enthält, der mit dem Sensor-Package elektrisch gekoppelt ist und.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 7, wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung symmetrisch um eine Mittellängsachse einer Magnetfeldquelle angeordnet sind, die das zweite Magnetfeld erzeugt.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Sensorschaltung dazu konfiguriert ist, die erste und die zweite Komponente des zweiten Sensorsignals zu empfangen und das zweite Sensorsignal aus der ersten und der zweiten Komponente des zweiten Sensorsignals herzuleiten.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der erste Magnetsensor einen ersten Satz von Sensorelementen und einen zweiten Satz von Sensorelementen enthält, wobei der erste Satz von Sensorelementen dazu konfiguriert ist, eine erste Komponente des ersten Sensorsignals zu erzeugen, und der zweite Satz von Sensorelementen dazu konfiguriert ist, eine zweite Komponente des ersten Sensorsignals zu erzeugen.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 10, wobei der erste Satz von Sensorelementen und der zweite Satz von Sensorelementen elektrisch mit der Sensorschaltung in einer subtrahierenden Konfiguration verbunden sind.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei der erste Satz von Sensorelementen und der zweite Satz von Sensorelementen symmetrisch um eine Mittellängsachse einer Magnetfeldquelle angeordnet sind, die das erste Magnetfeld erzeugt.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei jedes Sensorelement des ersten und zweiten Satzes von Sensorelementen eine Spinning-Current-Hall-Platte ist, die dazu konfiguriert ist, in einem Spinning-Current-Modus zu arbeiten.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der erste Magnetsensor ein Hall-Sensor ist.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Überschneidungsfrequenz etwa 10 kHz beträgt.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Überschneidungsfrequenz etwa 1 kHz beträgt.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Überschneidungsfrequenz eine Frequenz ist, die größer als 0 Hz und kleiner als 10 kHz ist.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der erste Frequenzbereich eine Frequenz von 0 Hz enthält und der zweite Frequenzbereich eine Frequenz von wenigstens 1 MHz enthält.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, das des Weiteren Folgendes umfasst: ein Substrat, auf dem das Sensor-Package und der zweite Magnetsensor angeordnet sind; und eine elektrische Abschirmung, die im Substrat, zwischen dem zweiten Magnetsensor und einer Magnetfeldquelle angeordnet ist, um den zweiten Magnetsensor gegenüber einem elektrischen Feld abzuschirmen, das von der Magnetfeldquelle erzeugt wird.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei vom ersten Magnetsensor detektierte Frequenzen, die über der Überschneidungsfrequenz liegen, in einem ersten Signalpfad des ersten Magnetsensors gedämpft werden und vom zweiten Magnetsensor detektierte Frequenzen, die unter der Überschneidungsfrequenz liegen, in einem zweiten Signalpfad des zweiten Magnetsensors gedämpft werden.
Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Sensorschaltung dazu konfiguriert ist, das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu kombinieren und das kombinierte Sensorsignal auszugeben, das anhand des Kombinierens des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals hergeleitet worden ist.
Verfahren zum Messen von Magnetfeldern, bei dem ein erster Magnetsensor, der innerhalb eines Sensor-Package angeordnet ist, und ein zweiter Magnetsensor, der außerhalb des Sensor-Package angeordnet ist, verwendet werden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: durch den ersten Magnetsensor ein erstes Magnetfeld in einem ersten Frequenzbereich zu messen; durch den ersten Magnetsensor ein erstes Sensorsignal auszugeben, das auf dem gemessenen ersten Magnetfeld basiert; durch den zweiten Magnetsensor ein zweites Magnetfeld in einem zweiten Frequenzbereich zu messen, der höhere Frequenzen als die Frequenzen des ersten Frequenzbereichs umfasst, wobei der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor sich eine Überschneidungsfrequenz teilen; durch den zweiten Magnetsensor ein zweites Sensorsignal auszugeben, das auf dem gemessenen zweiten Magnetfeld basiert; durch eine Sensorschaltung, die innerhalb des Sensor-Package angeordnet ist, das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu empfangen; und durch die Sensorschaltung ein kombiniertes Sensorsignal auszugeben, das aus dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal hergeleitet worden ist.
Verfahren nach Anspruch 22, das des Weiteren Folgendes umfasst: durch eine Magnetfeldquelle das erste Magnetfeld und das zweite Magnetfeld zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei die Überschneidungsfrequenz eine Frequenz ist, die größer als 0 Hz und kleiner als 20 kHz ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der erste Frequenzbereich eine Frequenz von 0 Hz enthält und der zweite Frequenzbereich eine Frequenz von wenigstens 1 MHz enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, das des Weiteren Folgendes umfasst: durch die Sensorschaltung das erste Sensorsignal und das zweite Sensorsignal zu kombinieren; und durch die Sensorschaltung das kombinierte Sensorsignal auszugeben, das anhand des Kombinierens des ersten Sensorsignals und des zweiten Sensorsignals hergeleitet worden ist.