DE102021120034A1

DE102021120034A1 - Redundanter stromsensor

Info

Publication number: DE102021120034A1
Application number: DE102021120034.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Maerz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2023-02-02
Also published as: US20230031975A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein redundanten Stromsensor (100), umfassend, in einem gemeinsamen Chipgehäuse (120), eine erste integrierte magnetoresistive Sensorschaltung (110A) und eine zweite integrierte magnetoresistive Sensorschaltung (110B).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Stromsensoren und insbesondere Stromsensoren, die mittels magnetoresistiver Sensoren gebildet werden.
Hintergrund
Zahlreiche technische System enthalten Überwachungssensoren und leiten Signale der Sensoren an die Überwachungs- bzw. Steuereinheiten weiter. Überwachungssensoren können wichtige Zustandsparameter der Systeme ermitteln, wie zum Beispiel Temperatur, Spannung, oder elektrischen Strom. Um gängige Sicherheitsvorschriften erfüllen zu können, können die entsprechenden Überwachungssensoren redundant ausgeführt werden.
Zum Beispiel in Batteriesystemen kommt einer Messung des Batteriestroms, sowohl bei einer Bestimmung eines Ladezustands als auch in einer Sicherstellung eines sicheren Betriebs, eine wichtige Bedeutung zu. Eine Umgebung, in die Strom fließt oder von der er kommt, kann etwa ein Verbraucher oder eine Ladeeinrichtung sein. Es gibt es mehrere Gefährdungen, die auf einen unzulässig hohen Strom zurückzuführen sind. Bei einer Überlast der Batterie wird mehr Strom von der Batterie zur Verfügung gestellt, als der momentane Zustand der Batterie es zulässt. Dies kann z.B. aufgrund der aktuellen Temperatur oder eines bestimmten Alterungszustands der Batterie der Fall sein. Die Überlast der Batterie führt eventuell zu deren Überhitzen und kann in einem gefährlichen Zustand enden. Eine weitere Gefährdung ist Überstrom, was bedeutet, dass von der Batterie mehr Strom zur Verfügung gestellt wird, als die Zellen gemäß ihrer Spezifikation liefern können. Auch dies kann zu einem Überhitzen der Batterie führen. Noch eine weitere Gefährdung ist sogenanntes Lithium-Plating, was beim Laden einer Batterie bei sehr tiefen Temperaturen und mit hohen Strömen auftreten werden kann. Dabei wird metallisches Lithium auf einer Elektrode abgeschieden, was ebenfalls gefährlich sein kann. Dies zu überwachen, ist besonders kritisch, da schon eine geringe Überschreitung eines unkritischen Ladestroms, der nicht zu Lithium-Plating führt, zu einem unerkannten Fehler in der Batterie führen kann. Aufgrund der genannten Gefahren ist es erforderlich, Ströme von und zu der Batterie zuverlässig zu messen. Das Ergebnis einer Gefahr- und Risiko-Analyse ergibt, dass die Strommessung zumindest für Anwendungen in manchen Fahrzeugen in die Sicherheitseinstufung ASIL C (ISO 26262) einzustufen ist.
Eine ausreichende Messsicherheit mit einer einkanaligen Messung, z.B. mit nur einem Sensor, ist schwierig zu realisieren. Es sind redundante Stromsensoren bekannt, bei denen entweder zwei separate Hall-Sensoren an zwei Analog-Digital-Wandlern (ADCs) oder ein Shunt Widerstand und ein magnetischer Sensor (Hall-Sensor) an zwei ADC-Kanälen eingesetzt werden. Hierdurch wird eine hohe Sicherheit erreicht, jedoch müssen zwei unterschiedliche Messsysteme verbaut werden, was platz- und/oder kostenaufwendig ist.
Daher besteht ein Bedarf an verbesserten redundanten Stromsensoren.
Zusammenfassung
Diesem Bedarf wird durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche Rechnung getragen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein redundanter Stromsensor vorgeschlagen. Der Stromsensor umfasst eine erste integrierte Schaltung aufweisend einen ersten magnetoresistiven Sensor (xMR Sensor) und eine zweite integrierte Schaltung aufweisend einen zweiten magnetoresistiven Sensor. Die erste und die zweite integrierte Schaltung sind in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse (Package) angeordnet. Dadurch können in einem Halbleitergehäuse wenigstens zwei unabhängige Kanäle für eine Stromerfassung bereitgestellt werden, die eine hohe Abdeckung für funktionale Sicherheit benötigen. Eine durch die gemeinsame Integration der magnetoresistiven Sensoren in ein Package bedingte geringe Größe ermöglicht, dass beide Sensoren denselben magnetischen Feldwert bzw. Strom detektieren.
Die integrierten, auf dem Magnetwiderstandseffekt basierenden magnetoresistiven Sensoren können als jeweils integrierte AMR (Anisotropic magnetoresistance), GMR (Giant magnetoresistance, Riesenmagnetowiderstand) oder TMR Sensoren (Tunnel magnetoresistance, Tunnelmagnetowiderstand) oder als Kombinationen davon ausgebildet sein. Die Vielzahl der verschiedenen magnetoresistiven Effekte wird üblicherweise als xMR abgekürzt, wobei das „x“ als Platzhalter für die verschiedenen magnetoresistiven Effekte dient.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist der erste integrierte magnetoresistive Sensor eine erste integrierte Brückenschaltung (z.B. Wheatstone-Brücke) mit ersten magnetoresistiven (Widerstands-) Elementen auf. Der zweite integrierte magnetoresistive Sensor kann eine zweite integrierte Brückenschaltung (z.B. Wheatstone-Brücke) mit zweiten magnetoresistiven (Widerstands-) Elementen aufweisen. Durch Differenzspannungen zwischen den jeweiligen Brückenzweigen können zuverlässige Messsignale proportional zum zu messenden elektrischen Strom erhalten werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind der erste und der zweite integrierte magnetoresistive Sensor ausgebildet, um dieselbe(n) Magnetfeldkomponente(n) eines durch einen Strom erzeugten Magnetfelds zu messen. Es werden von dem ersten und zweiten magnetoresistiven Sensoren des Stromsensors also nicht, wie z.B. bei einem Winkelsensor, um 90° phasenverschobene sin- und cos-Signale für eine Winkelberechnung ausgegeben, sondern beide Sensoren messen beispielsweise jeweils eine zum Strom proportionale x-Komponente, jeweils eine y-Komponente, oder jeweils eine z-Komponente des Magnetfelds. Eine zu messende Magnetfeldkomponente kann in einer Ebene einer Messschicht der magnetoresistiven (Widerstands-) Elemente liegen, auch allgemein bezeichnet als „inplane“.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die erste integrierte Schaltung eine mit dem ersten magnetoresistiven Sensor auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat monolithisch integrierte erste Verstärker- und/oder Komparatorschaltung auf. Die zweite integrierte Schaltung weist eine mit dem zweiten magnetoresistiven Sensor auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat monolithisch integrierte zweite Verstärker- und/oder Komparatorschaltung auf. Die jeweiligen Verstärker- und/oder Komparatorschaltungen können Schaltungskomponenten, wie z.B. Signalverstärker, Operationsverstärker, Logikgatter, Transistoren, etc. aufweisen. Die magnetoresistiven Sensoren können also zusammen mit einer jeweiligen Verstärker- und/oder Komparatorschaltung monolithisch auf einem Die integriert sein, wodurch der redundante Stromsensor in dem Halbleitergehäuse sehr klein bzw. platzsparend und hochgenau ausgeführt werden kann. Ferner können die magnetoresistiven Sensoren auch zusammen mit jeweiligen ADCs und/oder jeweiligen Stromversorgungen (Power Management Units, PMU) monolithisch auf einem Die integriert sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind die erste und die zweite integrierte Schaltung auf einem gemeinsamen Halbleiterchip bzw. Die angeordnet. Alle Schaltungskomponenten (erster magnetoresistiven Sensor, zweiter magnetoresistiven Sensor, jeweilige Verstärker- und/oder Komparatorschaltungen, etc.) können also vorteilhaft auf einem einzigen Halbleiter-Die integriert werden.
Alternativ können die erste und die zweite integrierte Schaltung auf unterschiedlichen Halbleiterchips (Dies) angeordnet sein und zum Beispiel auf unterschiedlichen Seiten eines Leadframes in dem Halbleitergehäuse angeordnet sein. Dadurch kann unter Umständen weiterer Platz eingespart werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind die erste integrierte Schaltung und die zweite integrierte Schaltung galvanisch voneinander isoliert. Die erste integrierte Schaltung und die zweite integrierte Schaltung können also unterschiedliche Bezugspotenziale aufweisen. Sind die integrierten Schaltungen in einem gemeinsamen Die integriert, können beispielsweise zusätzlich isolierende Entkopplungsgräben (Trenches) zwischen der ersten und zweiten integrierten Schaltung im Halbleitersubstrat vorgesehen sein. Damit können Störungen zum Beispiel bei der Übergabe von Messsignalen vermieden werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist der erste magnetoresistive Sensor und der zweite magnetoresistive Sensor jeweils als TMR Sensor ausgebildet. Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist der erste magnetoresistive Sensor eine erste integrierte Brückenschaltung (z.B. Wheatstone-Brücke) mit ersten TMR- (Widerstands-) Elementen auf. Der zweite magnetoresistive Sensor kann eine zweite integrierte Brückenschaltung (z.B. Wheatstone-Brücke) mit zweiten TMR- (Widerstands-) Elementen aufweisen. Tunnelmagnetowiderstand (TMR) ist ein magnetoresistiver Effekt, der in einem magnetischen Tunnelübergang (MTJ) auftritt. Dieser ist ein Bauteil, das aus zwei Ferromagneten besteht, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. Wenn die Isolatorschicht dünn genug ist (typischerweise einige Nanometer), können Elektronen von einem Ferromagneten in den anderen tunneln. Magnetische Tunnelübergänge können in Dünnschichttechnik hergestellt werden. Eine Schichtabscheidung kann durch Magnetron-Sputter-Deposition, Molekularstrahlepitaxie, gepulste Laserdeposition und physikalische Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahl erfolgen. Eine Herstellung elektrischer Anschlüsse kann durch Photolithographie erfolgen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weisen der erste magnetoresistive Sensor und der zweite magnetoresistive Sensor eine magnetisch freie Schicht in einer Vortex-Konfiguration (Wirbel-Konfiguration) auf. Ein Sensor kann bei einigen Anwendungen Störungen in der Form von unbekannten oder unberechenbaren Magnetfeldern unterliegen. Diese Störungen können einen Zustand oder einen Anfangswert des Sensors beliebig ändern. Da ein Hystereseverhalten des Sensors zu einem wesentlichen Unterschied führen kann, egal ob man sich einem gemessenen Wert von einem Anfangswert über oder unter dem gemessenen Wert nähert, kann die Hysterese zu einem Fehler bei Messergebnissen führen. Ein magnetisches xMR-Sensorkonzept mit einer freien Schicht in einer Vortex-Konfiguration (Wirbel-Konfiguration) kann annähernd Null Hysterese aufweisen. Eine niedrige Hysterese kann anders ausgedrückt bei Vorhandensein eines vortex-förmigen Magnetisierungszustandes (Magnetfeldes) in der freien Schicht erreicht werden und kann insbesondere bei einer Stromerfassung interessant sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weisen der erste magnetoresistive Sensor und der zweite magnetoresistive Sensor dieselben magnetischen Erfassungseigenschaften auf. Beispielsweise können sie also identische Messempfindlichkeiten aufweisen. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn beide Sensoren mit identischen magnetischen Schichtstapeln und Referenzmagnetisierungen hergestellt werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weisen der erste magnetoresistive Sensor und der zweite magnetoresistive Sensor unterschiedliche magnetische Erfassungseigenschaften auf. Beispielsweise können sie also unterschiedliche Messempfindlichkeiten aufweisen. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn beide Sensoren mit zumindest teilweise unterschiedlichen Schichtdicken und/oder unterschiedlichen Referenzmagnetisierungen hergestellt werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die erste/zweite integrierte Schaltung ausgebildet, von dem ersten und/oder zweiten magnetoresistiven Sensor zusätzliche Signale über einen Komparator oder mehrere Komparatoren anzeigen. Die erste und/oder zweite integrierte Schaltung kann ausgebildet sein, einen von dem ersten und/oder zweiten magnetoresistiven Sensor erfassten fassten Nulldurchgang anzuzeigen. Die erste und/oder zweite integrierte Schaltung kann ausgebildet sein, einen von dem ersten und/oder zweiten magnetoresistiven Sensor erfassten Überstrom (OCD) anzuzeigen. Dabei können Schwellenwerte für Überstrom jeweils unterschiedlich eingestellt werden. Über einen OCD-Pin ist eine schnelle Erfassung eines Überstromes im Messpfad möglich. Verbunden mit einem Logik-Eingang eines Mikrocontrollers kann der OCD-Pin zum Beispiel ein Interrupt im Mikrocontroller triggern und ein System im Bedarfsfall abschalten bzw. vor Beschädigung schützen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen beträgt ein Abstand zwischen dem ersten magnetoresistiven Sensor und dem zweiten magnetoresistiven Sensor in dem Halbleitergehäuse weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm, noch bevorzugter weniger als 1 mm. Dadurch kann gewährleistet werden, dass beide Sensoren dasselbe vom Strom erzeugte Magnetfeld messen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann der redundante Stromsensor ferner eine Logikschaltung umfassen, die ausgebildet ist, ein erstes Sensorsignal des ersten magnetoresistiven Sensors mit einem zweiten Sensorsignal des zweiten magnetoresistiven Sensors zu vergleichen. Die Logikschaltung kann sich zusätzlich in dem Halbleitergehäuse befinden oder beispielsweise als Mikrocontroller auch außerhalb des Halbleitergehäuses. Die Logikschaltung kann auch Teil eines externen Batteriemanagementsystems (BMS) sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Anordnung zur Strommessung bereitgestellt, umfassend einen Stromleiter, einen redundant ausgebildeten Magnetfeldsensor, der beabstandet zu dem Stromleiter angeordnet ist, wobei der Stromsensor in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse eine erste integrierte Schaltung mit einem ersten magnetoresistiven Sensor und eine zweite integrierte Schaltung mit einem zweiten magnetoresistiven Sensor aufweist. Die Anordnung umfasst außerdem eine mit dem redundant ausgebildeten Magnetfeldsensor gekoppelte Logikschaltung (z.B. Mikrocontroller, BMS), die ausgebildet ist, ein erstes Sensorsignal des ersten magnetoresistiven Sensors mit einem zweiten Sensorsignal des zweiten magnetoresistiven Sensors zu vergleichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Strommessung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bestromen eines Stromleiters, ein Anordnen einen redundant ausgebildeten Magnetfeldsensors beabstandet zu dem Stromleiter, wobei der Magnetfeldsensor in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse eine erste integrierte Schaltung mit einem ersten magnetoresistiven Sensor und eine zweite integrierte Schaltung mit einem zweiten magnetoresistiven Sensor aufweist, ein Erfassen, ansprechend auf den bestromten Stromleiter, eines ersten Sensorsignals des ersten magnetoresistiven Sensors und eines zweiten Sensorsignals des zweiten magnetoresistiven Sensors, und ein Vergleichen des ersten Sensorsignals mit dem zweiten Sensorsignal.
Da die geringe Baugröße der magnetoresistiven Sensoren die Integration in ein Gehäuse erlaubt, können die beiden Sensoren den gleichen Feldwert erfassen. Dies liefert eine zweite, redundante Information, die für viele Anforderungen der funktionalen Sicherheit nach ISO 26262 vorteilhaft ist. Trotzdem können/sollen die beiden Dies unterschiedliche Versorgung und Masse haben. Der redundante xMR-Sensor kann ohne Berührung des Stromleiters platziert werden und ist inhärent von hohen Spannungen isoliert - das kann die Integration erheblich erleichtern. Galvanische Trennung kann beispielsweise durch Lead-Frame-Splitting oder Isolierkleber realisiert werden, um die Unabhängigkeit beider integrierter Sensorschaltungen zu gewährleisten. Durch eine externe Stromschiene können auch verstärkte Isolationsanforderungen erfüllt werden. Die beiden TMR-Sensoren können sogar unterschiedliche Sensorcharakteristiken für optimierte Auflösungen oder unterschiedliche Bauformen für Diversität hinsichtlich ASIL haben. Durch die Kombination von einem Die mit z.B. dediziertem 0-Crossing-Pin und einem mit z.B. dediziertem Over-Current-Detection (OCD)-Pin kann eine Kombination von zwei Eigenschaften einfach realisiert werden. Mit einer Kombination aus positiver und negativer Flanke kann eine schnelle Prüfung auf Fehler gemeinsamer Ursache erreicht werden, da die Summe ein konstanter Wert sein muss (ASIL, funktionale Sicherheit, gemeinsame Ursache, externer Sicherheitsmechanismus). Durch die integrierte WOC-Struktur (Wire On Chip) können die TMR-Sensoren ohne magnetischen Test getestet und kalibriert werden und sogar in der Applikation zur Anwendung von Funktionstests verwendet werden. Zusätzlich kann der WOC zur Realisierung einer Closed-Loop-Messung verwendet werden, wenn ein Kompensationsstrom angelegt wird. Eine hochfrequente Messfähigkeit (MHz-Bereich), ein hohes Signal-RauschVerhältnis, ein weiter linearer Bereich und eine durch Technologie- und Produktionsparameter anpassbare Empfindlichkeit der xMR-Struktur (siehe Vortex-Struktur) ermöglichen eine breite Palette von Implementierungen und Anwendungsfällen.
Figurenliste
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch einen redundant ausgebildeten Stromsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
2 eine schematische Wheatstone-Brückenschaltung aus xMR Widerstandselementen;
3 einen beispielhaften in CMOS-Technik integrierbaren TMR-Schichtstapel;
4 einen schematischen Querschnitt durch ein TMR-Modul;
5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines redundant ausgebildeten TMR-Stromsensors;
6A ein weiteres Ausführungsbeispiel eines redundant ausgebildeten TMR-Stromsensors;
6B ein weiteres Ausführungsbeispiel eines redundant ausgebildeten TMR-Stromsensors;
7A,B eine Anordnung zur Strommessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und
8A-C unterschiedliche Konfigurationen von ersten und zweiten integrierten TMR-Sensorschaltungen.

Beschreibung
Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente beziehungsweise Merkmale, die jeweils identisch oder auch in abgewandelter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen. In den Figuren können ferner die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht im Einzelfall ausdrücklich anders definiert. Als alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt Äquivalent für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch mehrere Elemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion im Folgenden als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei deren Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
1 zeigt schematisch einen redundant ausgebildeten Stromsensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Der Stromsensor 100 umfasst eine erste integrierte xMR-Sensorschaltung 110A und eine zweite integrierte xMR- Sensorschaltung 110B. Die erste und die zweite integrierte xMR-Sensorschaltung 110A, 110B sind dabei in einem gemeinsamen Halbleiter- bzw. Chipgehäuse (Package) 120 angeordnet.
Beide integrierte xMR-Sensorschaltungen 110A, 110B sind dabei jeweils durch Halbleiterherstellungsprozessschritte in bzw. auf ein Halbleitersubstrat integriert. Die beiden integrierten xMR-Sensorschaltungen 110A, 110B können monolithisch auf ein gemeinsames Die (eines Halbleiterwafers) integriert sein. Die beiden integrierten xMR-Sensorschaltungen 110A, 100B können auch jeweils auf unterschiedliche Dies integriert und beispielsweise auf einem gemeinsamen Leadframe angebracht sein. Jedenfalls befinden sich beide integrierte Schaltungen 110A, 100B in dem gemeinsamen Chipgehäuse 120. Wie noch gezeigt werden wird, können die integrierten xMR-Sensorschaltungen 110A, 100B des redundant ausgebildeten Stromsensors 100 neben integrierten xMR-Sensorelementen (Widerstandselementen) auch noch weitere in bzw. auf dasselbe Halbleitersubstrat monolithisch integrierte Schaltungselemente aufweisen, wie z.B. Differenzverstärker für Messspannungen, Komparatoren, Operationsverstärker, DACs, etc.
Beispielsweise können die integrierten xMR-Sensorschaltungen 110A, 100B modular in BICMOS- oder CMOS-Technologien in bzw. auf ein Halbleitersubstrat integrierte xMR-Widerstandselemente aufweisen. Die erste integrierte xMR-Sensorschaltung 112A kann wenigstens ein erstes in ein Halbleitersubstrat integriertes xMR-Widerstandselement aufweisen. Die zweite integrierte xMR-Sensorschaltung 112B kann wenigstens ein zweites in ein Halbleitersubstrat integriertes xMR-Widerstandselement aufweisen.
Die xMR-Widerstandselemente können prinzipiell AMR-Widerstandselemente, GMR-Widerstandselemente, TMR-Widerstandselemente oder Kombinationen davon aufweisen. Die erste integrierte xMR-Sensorschaltung 110A und die zweite integrierte xMR- Sensorschaltung 110 können auf derselben xMR-Technologie basieren, sie können aber auch unterschiedliche xMR-Technologien implementieren. Im Folgenden werden Prinzipen der vorliegenden Offenbarung anhand von TMR-Widerstandselementen in den beiden xMR-Sensorschaltungen 110A, 110B beschrieben. Die erste integrierte xMR-Sensorschaltung 110A kann also wenigstens ein erstes in ein Halbleitersubstrat integriertes TMR-Widerstandselement aufweisen. Die zweite integrierte xMR-Sensorschaltung 110B kann wenigstens ein zweites in ein Halbleitersubstrat integriertes TMR-Widerstandselement aufweisen
Prinzipiell können TMR-Sensorbauelemente modular und relativ unabhängig vom zugrundeliegenden Halbleitersubstrat oder Basisprozess aufgebaut werden. Somit ist eine monolithische Integration von TMR-Sensorelementen und konditionierender integrierter Schaltung möglich. Darüber hinaus kann ein integrierter ESD-Schutz (elektrostatische Entladung) zum Schutz des TMR-Sensorelements sowie des integrierten ICs einfach realisiert werden.
Üblicherweise werden TMR-Sensorschaltungen mittels Wheatstone-Brückenschaltungen realisiert. Eine schematische Wheatstone-Brückenschaltung 200 mit vier TMR-Widerstandselementen R1a, R1b, R2a, R2b ist in 2 gezeigt.
Die erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A kann eine erste integrierte (Wheatstone-) Brückenschaltung mit vier ersten TMR-Widerstandselementen R1a, R1b, R2a, R2b zur Bereitstellung eines ersten differenziellen Messsignals (differenzielle Messspannung) U_Diff,1 aufweisen. Referenzmagnetisierungen der TMR-Widerstandselemente R1a, R1b in einem ersten Brückenzweig (erste Halbbrücke) der ersten integrierten Brückenschaltung unterscheiden sich für gewöhnlich um 180° von Referenzmagnetisierungen der TMR-Widerstandselemente R2a, R2b in einem zweiten Brückenzweig (zweite Halbbrücke) der ersten integrierten Brückenschaltung. Die Referenzmagnetisierungen in den Brückenzweigen können beispielsweise parallel bzw. antiparallel zu einer durch den Stromsensor 100 zu detektierenden Magnetfeldkomponente sein.
Gleichermaßen kann die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B eine zweite integrierte (Wheatstone-) Brückenschaltung mit zweiten TMR-Widerstandselementen R1a, R1b, R2a, R2b zur Bereitstellung eines zweiten Messsignals (Messspannung) U_Diff,2 aufweisen. Referenzmagnetisierungen der TMR-Widerstandselemente in einem ersten Brückenzweig (erste Halbbrücke) der zweiten integrierten Brückenschaltung unterscheiden sich ebenfalls um 180° von Referenzmagnetisierungen der TMR-Widerstandselemente in einem zweiten Brückenzweig (zweite Halbbrücke) der zweiten integrierten Brückenschaltung.
Die Referenzmagnetisierungen der TMR-Widerstandselemente der ersten integrierten Brückenschaltung können mit den Referenzmagnetisierungen der TMR-Widerstandselemente der zweiten integrierten Brückenschaltung übereinstimmen, so dass die erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A und die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B ausgebildet sind, um redundant dieselbe(n) Magnetfeldkomponente(n) eines durch einen elektrischen Strom erzeugten Magnetfelds zu messen. Zu detektierende Magnetfeldkomponenten können innerhalb einer Ebene einer Messschicht (freie Schicht) der jeweiligen TMR-Widerstandselemente liegen.
Im Folgenden wird anhand von 3 ein beispielhafter Integrationsprozess für einen TMR-Schichtstapel 300 als Grundlage für die TMR-Widerstandselemente der integrierten Brückenschaltungen beschrieben.
Jedes Halbleitersubstrat oder jeder Basisprozess-Wafer, der TMR-Bauteile umfasst, sollte mindestens eine Metallschicht für die Verdrahtung und die Bildung von Pads aufweisen. Auf diese Metallschicht kann eine dielektrische Schicht aufgebracht und planarisiert werden. Auf dieser Oberfläche kann dann ein TMR-Stapel 300 in einem einzigen Durchgang abgeschieden werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können Hauptkomponenten des Stapels 300 sein:

a) Eine Keimschicht 302, umfassend Ta/CuN/Ta/Ru: Der Zweck dieser Komponente kann sein, eine Textur für eine Bildung einer Kristallstruktur eines Antiferromagneten sowie ein reibungsloses Wachstum nachfolgender Schichten zu gewährleisten und eine niederohmige Bodenelektrode zu schaffen. Eine mögliche Struktur für die Keimschicht 302 ist 5 nm Ta/ 20 nm CuN/ 5 nm Ta/ 2 nm Ru für PtMn als NAF-Material oder 5 nm Ta/ 20 nm CuN/ 5 nm Ta/ 5 nm Ru/ 5nm Ta für IrMn als NAF-Material.
b) Ein natürlicher Antiferromagnet (NAF) 304 auf der Keimschicht 302, der entweder PtMn oder IrMn umfassen kann. Eine mögliche Dicke für PtMn ist 15 nm und für IrMn 10 nm.
c) Ein künstlicher Antiferromagnet auf dem natürlichen Antiferromagneten (NAF) 304 mit einer Pinnschicht 306 umfassend Co70Fe30, einer Kopplungsschicht 308 aus Ru auf der Pinnschicht 306, einer Referenzschicht 310 aus CoFeB auf der Kopplungsschicht 308. Die Dicke der Magnetschichten sollte so dünn wie möglich gehalten werden, um ein starres Bezugssystem zu schaffen. Es ist jedoch ein endliches Nettomoment erforderlich, um die Ausrichtung des Referenzsystems zum äußeren Feld während einer Lasermagnetisierung zu ermöglichen. Eine typische Struktur für den künstlichen Antiferromagneten ist 1,7 nm Co-Fe(30)/0,8 nm Ru/ 1,4 nm CoFeB
d) Eine Tunnelbarriere 312 umfassend MgO auf der Referenzschicht 310. Während alle anderen Stack-Komponenten mittels DC-Sputtering abgeschieden werden können, kann MgO durch RF-Sputtern abgeschieden werden. Ein Widerstand des Tunnelübergangs hängt exponentiell von einer Dicke des MgO ab. Hohe Signale können erreicht werden, wenn MgO auf einer amorphen Schicht abgeschieden wird und sich die Kristallstruktur beim anschließenden Ausglühen bei mindestens 280°C ausbildet. Eine mögliche Dicke für die MgO-Schicht ist 1,1 nm.
e) Eine magnetisch freie Schicht (FL) kann wiederum aus einem System von gekoppelten ferromagnetischen Materialien auf der Tunnelbarriere 312 bestehen. Auf die Tunnelbarriere 312 (MgO) kann zunächst eine CoFeB-Schicht 314 aufgebracht werden, um hohe magnetische Signale zu gewährleisten. CoFeB weist jedoch ein anisotropes Verhalten auf. NiFe ist ein besseres Material für diesen Zweck, aber direkt auf MgO abgeschiedenes NiFe oder eine dazwischenliegende ferromagnetische Schicht kann zu einem geringen Signal führen. Aus diesem Grund kann zwischen CoFeB und NiFe 318 eine Ru-Schicht 316 von 1,2 nm Dicke eingefügt werden. Bei dieser Dicke kann Ru für eine ferromagnetische Kopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten 314, 318 sorgen, trennt aber die Textur des NiFe vom CoFeB. Eine typische Struktur für das magnetisch freie Schichtsystem ist 2nm CoFeB/1,2 nm Ru/10 nm NiFe. Darüber hinaus weist CoFeB einen ausgeprägten magnetoelastischen Effekt auf, d.h. es ändert seine Magnetisierung bei Chipdehnung, was für eine unerwünschte Eigenschaft sein kann. Daher kann einerseits das CoFeB so dünn wie möglich gehalten werden, um eine Dehnungsempfindlichkeit zu reduzieren, andererseits wird das CoFeB benötigt, um ein hohes MR-Signalverhältnis zu erhalten. Eine CoFeB-Schichtdicke in der FL-Konstruktion von 1-2nm kann ein guter Kompromiss sein. Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann das das magnetisch freie Schichtsystem eine Vortex-Magnetisierung aufweisen. Dazu kann das Sensorelement beispielsweise kreisförmige freie Schichtstrukturen mit z.B. 8-10 µm Durchmesser aufweisen.
f) Eine Deckschicht 320 umfassend TaN und Ru. Der Zweck von Ru ist es, einen Ätzstopp für eine offene Hartmaske bereitzustellen, die verwendet wird, um eine Maske für die eigentliche MTJ-Strukturierung zu definieren. Der Zweck des TaN ist es, einen Schutz für die Freischicht zu bieten und als Puffer während der Vorreinigung vor der Deckmetallabscheidung zu fungieren. Ein möglicher Aufbau der Deckschicht ist 20 nm TaN/ 5 nm Ru.

Nach der Stapelabscheidung kann der Stapel 300 ohne Magnetfeld bei 280 °C beispielsweise für 2 Stunden getempert werden. Dies kann entweder vor oder nach der Abscheidung der Hartmaske erfolgen. Es sollte darauf geachtet werden, dass während der Hochtemperaturverarbeitung keine Magnetfelder vorhanden sind.
Zur Strukturierung der magnetischen Tunnelkontakte kann zunächst eine dielektrische Hartmaske auf den Stapel abgeschieden werden. Die Abscheidung kann bei 200°C in einem CVD-Prozess erfolgen. Die Hartmaske kann aus 200 nm SiO₂ bestehen mit einer darunter liegenden Schicht aus SiN mit 5 nm Dicke. Das SiN dient während des Ätzens der Oxide als Signalschicht, um dem Ätzsystem ein Stoppsignal zu geben. Sobald dieses Signal ausgelöst wird, kann eine ausreichende Überätzung aufgebracht werden, um das gesamte Hartmaskenmaterial im offenen Bereich zu entfernen. Die hohe Selektivität der Ätzchemie gegenüber Ru bietet ein großes Prozessfenster.
Nach dem Öffnen der Hartmaske können die Resists, die zur Definition des Hartmaskenmusters verwendet wurden, entfernt werden und der eigentliche MTJ-Stapel kann mittels Ionenfräsen strukturiert werden. In einem ersten Schritt wird das Ätzen in einem relativ steilen Winkel (typischerweise 30° von der Normale) durchgeführt, bis das Mg-Signal im SIMS, das zur Prozesskontrolle verwendet wird, ansteigt. An diesem Punkt wird der Wafertisch gekippt, so dass der Ätzwinkel flacher ist (typischerweise 70° von der Normalen). Dies stellt sicher, dass jegliches Material, das sich an der Seitenwand der Tunnelbarriere ablagert, vollständig entfernt wird, und vermeidet jeglichen Shunt. Die Ätzung wird dann im Antiferromagneten gestoppt. Es sollte darauf geachtet werden, dass nicht zu tief in den Antiferromagneten geätzt wird, da dies zu einem reduzierten Signal führen kann.
Nach dem flachen Ätzen kann der Wafer ohne Vakuumpause in eine PVD-Kammer bewegt werden, wo eine SiN-Schicht (~30nm) bei Raumtemperatur abgeschieden werden kann. Diese schützt die Übergangsseitenwand vor Korrosion durch die Umgebung.
Zur Kontaktierung von zwei benachbarten Übergängen kann eine untere Elektrode des MTJ-Stapels 300 verwendet werden. Hierfür kann eine weitere Hartmaske auf dem Wafer abgeschieden und ähnlich wie eine obere Elektrode strukturiert werden. Da in diesem Fall keine Tunnelbarriere freigelegt wird, kann das IBE-Ätzen in einem einzigen Winkel erfolgen.
Nach vollständiger Strukturierung des Stapels kann eine weitere dielektrische Schicht abgeschieden und eine Via-Öffnung zum letzten Metall des Basisprozesses hergestellt werden. Es ist wichtig, die effektive optische Dielektrikumsdicke oberhalb der MTJ's zu kontrollieren, um den Widerstand erfolgreich lokal mittels Lasermagnetisierung magnetisieren zu können. Die gewünschte Dicke des dielektrischen Materials beträgt nm (~290nm Oxid + 30nm SiN-Verkapselung), da die Reflexion für 1064 nm Licht ein Plateau bezüglich der Dickenvariation zeigt, was einen kontrollierten Magnetisierungsprozess ermöglicht.
Nach der Magnetisierung kann der obere Kontakt geöffnet werden. Auch hier kann die Ru-Schicht als Ätzstopp verwendet werden. Beim Entfernen des Resists kann das Ru entfernt werden. Die TaN-Schichten stellen somit die Schnittstelle zum anschließend abgeschiedenen AlCu-Deckmetall dar. Um jegliche Übergangswiderstände sowohl im Topkontakt als auch im Kontakt zum GM-Metall zu vermeiden, kann vor der Metallabscheidung ein Argon-Vorreiniger aufgebracht werden. Zum Schutz des TMR-Stapels 300 ist daher eine ausreichend dicke TaN-Schicht erforderlich.
Obwohl eine Kontaktierung des TMR-Stapels 300 durch W-Vias von unten grundsätzlich möglich ist, wird empfohlen, dies zu vermeiden, da die Vias außerhalb des Sperrschichtbereichs platziert werden müssten (sonst ist ein hohes Kurzschlussrisiko gegeben) und eine erhöhte Delamination beobachtet wurde. Daher können die TMR-Bauteile in der Regel über die untere Elektrode des Stapels angeschlossen und von oben mit Hilfe von Top-Vias kontaktiert werden, die wie zuvor beschrieben gebildet werden können. Das Routing zu den Pads bzw. einer darunter liegenden Schaltung kann durch den direkten Kontakt zwischen oberstem Metall und oberstem Basisprozessmetall realisiert werden. Aus diesem Grund sollte eine gerade Anzahl von MTJ's in Reihe geschaltet werden.
Das beschriebene Integrationsschema wurde für ein letztes Metall, umfassend AlCu, entwickelt. Daher kann im Prinzip jede Technologie, die AlCu als letztes Metall verwendet, mit der beschriebenen Technologie kombiniert werden. Natürlich sollte der Einfluss der TMR-Verarbeitung auf die Eigenschaften der Bauteile der Basistechnologie bewertet werden.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt der monolithischen Integration eines TMR-Sensors in eine Standard-CMOS-Metallisierung. Nach dem modularen Ansatz liegt der Sensor 300 auf der letzten Metallschicht 402. Für die Verarbeitung können Standard-CMOS-Prozesse verwendet werden, so dass neben den TMR-Widerstandselementen weiter integrierte Schaltungskomponenten auf das gemeinsame Halbleitersubstrat integriert werden können.
Wie es weiter oben bereits erwähnt wurde, können die integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B neben mittels TMR-Schichtstapeln 300 realisierter TMR-Widerstandselemente bzw. Vollbrücken zusätzlich weitere monolithisch integrierte Schaltungskomponenten aufweisen. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des redundanten Stromsensors 100 umfassend eine erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A und eine zweite integrierte TMR- Sensorschaltung 110B. Die erste und die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110A, 110B sind dabei in einem gemeinsamen Halbleiter- bzw. Chipgehäuse (Package) 120 angeordnet. Wie es bereits beschrieben wurde, können die beiden integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B gemeinsam auf ein gemeinsames Die (eines Halbleiterwafers) integriert sein. Die beiden integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 100B können auch jeweils auf unterschiedliche Dies integriert und beispielsweise auf einem gemeinsamen Leadframe angebracht sein. Vorteilhaft sind sie galvanisch voneinander getrennt, so dass sie sich nicht gegenseitig beeinträchtigen können und zuverlässige voneinander unabhängige Messsignale liefern können.
Jede der in 5 gezeigten integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B umfasst eine integrierte (Wheatstone-) Brückenschaltung 502 mit vier in zwei Halbbrücken 502A, 502B angeordneten TMR-Widerstandselementen (siehe 2) zur Bereitstellung eines jeweiligen differenziellen Messsignals (differenzielle Messspannung) U_Diff. Jede der integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B umfasst ferner eine mit der jeweiligen TMR-Brückenschaltung 502 auf ein gemeinsames Halbleitersubstrat monolithisch integrierte Differenzverstärkerschaltung 504, die ausgebildet ist, das jeweilige Messsignal (differenzielle Messspannung) U_Diff zu verstärken. Ein differenzieller Eingang des Differenzverstärkers 504 ist also mit einem differenziellen Ausgang der Brückenschaltung 502 gekoppelt. An seinem Ausgang stellt der Differenzverstärker 504 ein verstärktes Messsignal bereit. Die erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A kann also einen mit dem ersten TMR-Sensor 502 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten ersten Verstärker 504 aufweisen. Gleichermaßen kann die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B einen mit dem zweiten TMR-Sensor 502 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten zweiten Verstärker 504 aufweisen.
Der Ausgang des jeweiligen Differenzverstärkers 504 ist mit einem ersten Eingang eines jeweiligen Operationsverstärkers 506 gekoppelt, der an seinen Ausgang ein jeweiliges analoges Ausgangssignal A_out bereitstellt. Der jeweilige Operationsverstärkers 506 kann zusammen mit der jeweiligen TMR-Brückenschaltung 502 und dem jeweiligen Differenzverstärker 504 mittels eines CMOS-Prozesses auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sein. Über einen jeweiligen Digital-Analog-Wandler 508 kann der jeweilige Differenzverstärker 504 kalibriert werden (Offset, Temperatur). Der jeweilige Digital-Analog-Wandler 508 kann zusammen mit der jeweiligen TMR-Brückenschaltung 502, dem jeweiligen Differenzverstärker 504 und/oder dem jeweiligen Operationsverstärkers 506 mittels eines CMOS-Prozesses auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sein und so die jeweilige integrierte TMR-Sensorschaltung 110A, 110B bilden. Sämtliche integrierten Schaltungskomponenten können über eine jeweilige Stromversorgungseinheit 510 mit elektrischer Versorgungsenergie versorgt werden. Die jeweilige Stromversorgungseinheit 510 kann ebenfalls zusammen mit der jeweiligen TMR-Brückenschaltung 502 auf dem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sein.
6A zeigt ein Ausführungsbeispiel des redundanten Stromsensors 100 umfassend eine erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A und eine zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B, die zusätzlich zu den in 5 gezeigten integrierten Schaltungskomponenten jeweils einen integrierten Komparator 612 aufweisen. Der Komparator 612 kann den Ausgang des Differenzverstärkers 504 mit einem über den DAC 508 programmierbaren Schwellenwert vergleichen. Übersteigt das Messsignal den Schwellenwert, kann beispielsweise zusätzlich ein jeweiliges Überstromsignal (OCD) ausgegeben werden. Die erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A kann also einen mit dem ersten TMR-Sensor 502 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten ersten Komparator 612 aufweisen. Gleichermaßen kann die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B einen mit dem zweiten TMR-Sensor 502 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten zweiten Komparator 612 aufweisen.
6B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des redundanten Stromsensors 100 umfassend eine erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A und eine zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B, die zusätzlich zu den in 6A gezeigten integrierten Schaltungskomponenten jeweils zwei weitere integrierte Komparatoren 612-2, 612-3 aufweisen. Der Komparator 612-1 kann den Ausgang des Differenzverstärkers 504 mit einem über den DAC 508-2 programmierbaren Schwellenwert vergleichen. Übersteigt das Messsignal den Schwellenwert, kann beispielsweise zusätzlich ein jeweiliges Überstromsignal (OCD) 614 ausgegeben werden. Der Komparator 612-2 kann den Ausgang des Differenzverstärkers 504 mit einem über den DAC 508-2 programmierbaren Schwellenwert (z.B. Null) vergleichen. Übersteigt oder unterschreitet das Messsignal den Schwellenwert, kann beispielsweise zusätzlich ein jeweiliges Nulldurchgangssignal 616 ausgegeben werden. Der Komparator 612-3 kann einen Temperaturmesswertausgang der Stromversorgungseinheit 510 mit einem über den DAC 508-2 programmierbaren Schwellenwert vergleichen. Übersteigt das Temperaturmesssignal den Schwellenwert, kann beispielsweise zusätzlich ein jeweiliger Temperaturwert ausgegeben 618 werden. Die erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A kann also mehr als einen mit dem ersten TMR-Sensor 502 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten Komparator 612 aufweisen. Gleichermaßen kann die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B mehr als einen mit dem zweiten TMR-Sensor 502 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten Komparator 612 aufweisen.
Die 7A, B zeigen schematisch eine Anordnung 700 zur berührungslosen Strommessung mit einem Ausführungsbeispiel des redundant ausgebildeten Stromsensors 100. Während 7A eine perspektivische Ansicht der Messanordnung 700 zeigt, zeigt 7B eine schematische Draufsicht.
7A zeigt einen oberhalb einer Stromschiene 702 auf einer Leiterplatte 704 angeordneten redundant ausgebildeten Magnetfeld- bzw. Stromsensor 100. Der Stromsensor 100 weist in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse 120 eine erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A und eine zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B auf (nicht gezeigt). Über Ausgänge bzw. Anschlüsse (nicht gezeigt) des Halbleitergehäuses 120 können von den integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B jeweilige redundante Sensorsignale A_out bereitgestellt werden, welche dem mittels der jeweiligen TMR-Brückenschaltung 502 gemessenen Magnetfeld B entsprechen, das durch den Stromfluss durch die Stromschiene 702 hervorgerufen wird. Eine mit dem redundant ausgebildeten Magnetfeldsensor 100 gekoppelte Logikschaltung (nicht gezeigt) kann ausgebildet sein, das erste Sensorsignal der ersten integrierten TMR-Sensorschaltung 110A mit dem zweiten Sensorsignal der zweiten integrierten TMR-Sensorschaltung 110B zu vergleichen und beispielsweise ein Warn- oder Fehlersignal ausgeben, wenn die beiden Sensorsignale zu sehr voneinander abweichen.
Die integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B können in der gezeigten Konfiguration jeweils ein Magnetfeld in der x-y -Ebene messen, beispielsweise eine x-Komponente. Die magnetisch freien Schichten der TMR-Widerstandselemente der Sensorschaltungen 110A, 110B können sich in der in 7 gezeigten Anordnung also ebenfalls in der x-y - Ebene erstrecken. Generell können damit in-plane Magnetfelder gemessen werden. Aufgrund der gemeinsamen Integration in das Halbleitergehäuse 120 können die TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B derart nah zueinander platziert sein, dass sie im Wesentlichen betragsmäßig dasselbe Magnetfeld messen. Die Messbrücken 502 der integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B können beispielsweise weniger als 3 mm voneinander entfernt sein.
Die 8A-C zeigen schematisch unterschiedliche Konfigurationen der ersten und zweiten integrierten TMR-Sensorschaltung 110A, 110B. Die 8A-C zeigen jeweils eine Dual-Die-Konfiguration mit zwei gleichen integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B, von denen jede einen unabhängigen Versorgungsanschluss, einen unabhängigen Masseanschluss und einen unabhängigen Analog-Out-Pins aufweist. Zusätzlich ist ein unabhängiger Signalabgriff an den einzelnen Messbrücken möglich.(PREoutx), mit einer Signalverzögerungszeit von beispielsweise 10ns. Optional kann jeweils ein unabhängiger Komparator-Pin (z.B. OCD-Pin) aktiviert werden.
Die 8A zeigt beispielsweise eine Konfiguration, bei welcher die erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A und die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B dieselben magnetischen Erfassungseigenschaften aufweisen. Die Sensoren arbeiten parallel mit gleichem Empfindlichkeitsbereich und Einstellungen. Das kann beispielsweise durch identisch ausgebildete TMR-Schichtstapel in den TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B erreicht werden. Das bedeutet, dass beide TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B bei identischem Strom durch den Stromleiter 702 betragsmäßig im fehlerfreien Fall auch im Wesentlichen identische Messsignale A_out an einen Mikrocontroller oder BMS 802 ausgeben. Mikrocontroller oder BMS 802 ist ausgebildet, ein erstes Messsignal A_out1 der ersten integrierten TMR-Sensorschaltung 110A mit einem zweiten Messsignal A_out2 der zweiten integrierten TMR-Sensorschaltung 110B zu vergleichen und ggf. ein Warnsignal auszugeben, z.B. bei einer zu großen Abweichung.
Die 8B und C zeigen jeweils Konfigurationen, bei welchen die erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A und die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B unterschiedliche magnetische Erfassungseigenschaften aufweisen. Während gemäß 8B die erste integrierte TMR-Sensorschaltung 110A einen positiven Zusammenhang zwischen Strom und Ausgangssignal aufweist, hat die zweite integrierte TMR-Sensorschaltung 110B einen negativen Zusammenhang, gibt also beispielsweise beim Strom I anstatt +A_out -A_out aus. Die Sensoren arbeiten mit antiparallelen Empfindlichkeitsbereichen und Einstellungen. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Referenzmagnetisierungen (z.B. um 180° unterschiedlich) der ersten integrierten TMR-Sensorschaltung 110A und der zweiten integrierten TMR-Sensorschaltung 110B erreicht werden. In dem in 8C gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die beiden integrierten TMR-Sensorschaltungen 110A, 110B unterschiedliche Empfindlichkeiten auf. Die Sensoren arbeiten parallel mit unterschiedlichem Empfindlichkeitsbereich und Einstellungen. Ein Ausgangssignal A_out2 der zweiten integrierten TMR-Sensorschaltung 110B ist bei einem bestimmten Strom I geringer als ein Ausgangssignal A_out1 der ersten integrierten TMR-Sensorschaltung 110A. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche dicke freie Schichten der TMR-Sensoren erreicht werden.
Zusammenfassend schlägt die vorliegende Offenbarung also vor, möglichst kleine integrierte xMR-Stromsensoren zu verwenden und diese in einem Gehäuse unterzubringen. Multi-Chip-Sensoren mit diskreten Sensorelementen und einem Logikchip mit Schaltung sind mit den hierin beschriebenen Vorschlägen nicht zu vergleichen.
Die Aspekte und Merkmale, die im Zusammenhang mit einem bestimmten der vorherigen Beispiele beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der weiteren Beispiele kombiniert werden, um ein identisches oder ähnliches Merkmal dieses weiteren Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das weitere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Wenn einige Aspekte in den vorhergehenden Abschnitten im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder einem System beschrieben wurden, sind diese Aspekte auch als eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zu verstehen. Dabei kann beispielsweise ein Block, eine Vorrichtung oder ein funktionaler Aspekt der Vorrichtung oder des Systems einem Merkmal, etwa einem Verfahrensschritt, des entsprechenden Verfahrens entsprechen. Entsprechend dazu sind Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben werden, auch als eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, eines entsprechenden Elements, einer Eigenschaft oder eines funktionalen Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung oder eines entsprechenden Systems zu verstehen.
Die folgenden Ansprüche werden hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Ferner ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hiermit explizit vorgeschlagen, sofern nicht im Einzelfall angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.

Claims

Stromsensor (100), umfassend eine erste integrierte Schaltung (110A) aufweisend einen ersten magnetoresistiven Sensor (300; 502); eine zweite integrierte Schaltung (110B) aufweisend einen zweiten magnetoresistiven Sensor (300; 502), wobei die erste und die zweite integrierte Schaltung in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse (120) angeordnet sind.
Stromsensor (100) nach Anspruch 1, wobei der erste magnetoresistive Sensor (300; 502) eine erste integrierte Brückenschaltung (200; 502A, 502B) mit ersten magnetoresistiven Elementen aufweist und wobei der zweite magnetoresistive Sensor (300; 502) eine zweite integrierte Brückenschaltung (200; 502A, 502B) mit zweiten magnetoresistiven Elementen aufweist.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite magnetoresistive Sensor (300; 502) ausgebildet sind, um dieselbe Magnetfeldkomponente eines durch einen Strom erzeugten Magnetfelds zu messen.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste integrierte Schaltung (110A) eine mit dem ersten magnetoresistiven Sensor (300;502) auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierte erste Verstärkerschaltung (504; 506) aufweist und wobei die zweite integrierte Schaltung (110B) eine mit dem zweiten magnetoresistiven Sensor (300;502) auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierte zweite Verstärkerschaltung aufweist.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste integrierte Schaltung (1 10A) einen mit dem ersten magnetoresistiven Sensor auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten ersten Komparator (612) aufweist und wobei die zweite integrierte Schaltung (110B) einen mit dem zweiten magnetoresistiven Sensor auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten zweiten Komparator (612) aufweist.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste integrierte Schaltung (1 10A) einen mit dem ersten magnetoresistiven Sensor auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten ersten Digital-Analog-Wandler (508) aufweist und wobei die zweite integrierte Schaltung (110B) einen mit dem zweiten magnetoresistiven Sensor auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integrierten zweiten Digital-Analog-Wandler (508) aufweist.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite integrierte Schaltung (110A; 110B) auf einem gemeinsamen Halbleiterchip angeordnet sind.
Stromsensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste und die zweite integrierte Schaltung (1 10A; 110B) auf unterschiedlichen Halbleiterchips angeordnet sind.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste integrierte Schaltung und die zweite integrierte Schaltung (110A; 110B) galvanisch voneinander isoliert sind.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste magnetoresistive Sensor und der zweite magnetoresistive Sensor jeweils als TMR Sensoren ausgebildet sind.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste magnetoresistive Sensor und der zweite magnetoresistive Sensor eine magnetisch freie Schicht in einer Vortex-Konfiguration aufweisen.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste magnetoresistive Sensor und der zweite magnetoresistive Sensor dieselben magnetischen Erfassungseigenschaften aufweisen.
Stromsensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der erste magnetoresistive Sensor und der zweite magnetoresistive Sensor unterschiedliche magnetische Erfassungseigenschaften aufweisen.
Stromsensor (100) nach Anspruch 13, wobei der erste magnetoresistive und der zweite magnetoresistive Sensor unterschiedliche Messempfindlichkeiten aufweisen.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen dem ersten magnetoresistiven Sensor und dem zweiten magnetoresistiven Sensor in dem Halbleitergehäuse (120) weniger als 3 mm beträgt.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste integrierte Schaltung (110A) eine erste Brückenschaltung mit einer Mehrzahl von ersten magnetoresistiven Sensorelementen aufweist und wobei die zweite integrierte Schaltung (110B) eine zweite Brückenschaltung mit einer Mehrzahl von zweiten magnetoresistiven Sensorelementen aufweist.
Stromsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Logikschaltung (802), die ausgebildet ist, ein erstes Sensorsignal des ersten magnetoresistiven Sensors mit einem zweiten Sensorsignal des zweiten magnetoresistiven Sensors zu vergleichen.
Eine Anordnung (700) zur Strommessung, umfassend: einen Stromleiter (702); einen redundant ausgebildeten Magnetfeldsensor (100), der beabstandet zu dem Stromleiter (702) angeordnet ist, wobei der Stromsensor (100) in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse (120) eine erste integrierte magnetoresistive Sensorschaltung (1 10A) und eine zweite integrierte magnetoresistive Sensorschaltung (110B) aufweist; und eine mit dem redundant ausgebildeten Magnetfeldsensor gekoppelte Logikschaltung (802), die ausgebildet ist, ein erstes Sensorsignal der ersten integrierten magnetoresistiven Sensorschaltung (110A) mit einem zweiten Sensorsignal der zweiten integrierten magnetoresistiven Sensorschaltung (1 10A) zu vergleichen.
Verfahren zur Strommessung, umfassend: Bestromen eines Stromleiters (702); Anordnen einen redundant ausgebildeten Magnetfeldsensors (100) beabstandet zu dem Stromleiter (702), wobei der Magnetfeldsensor in einem gemeinsamen Halbleitergehäuse (120) eine erste integrierte magnetoresistive Sensorschaltung (110A) und eine zweite integrierte magnetoresistive Sensorschaltung (110B) aufweist; und Erfassen, ansprechend auf den bestromten Stromleiter, eines ersten Sensorsignals der ersten integrierten magnetoresistiven Sensorschaltung (1 10A) und eines zweiten Sensorsignals der zweiten integrierten magnetoresistiven Sensorschaltung (110B); und Vergleichen des ersten Sensorsignals mit dem zweiten Sensorsignal.