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MAGNETFELDSENSOR
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Magnetfeldsensor Anwendungsgebiet und Zweck Die Erfindung bezieht
sich auf einen Magnetfeldsensor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Stand der
Technik Aus der Druckschrift EP-Bl 0 001 160 ist ein ringförmiger Magnetfeldsensor
bekannt, der aus einem lateralen bipolaren PNPN-Halbleiter besteht. In diesem PNPN-Halbleiter
fliesst ein elektrischer Strom beim Anlegen einer Vorspannung nicht uniform über
den gesamten Ringumfang verteilt, sondern nur in einem winkelmässig begrenzten Halbleiterbereich,
dem sogenannten Ladungsträgerbezirk ("carrier domain"), dank dem Vorhandensein einer
starken positiven Rückkopplung und von Material-Inhomogenitäten. Unter dem Einfluss
eines senkrecht zur Halbleiterebene wirkenden Magnetfeldes rotiert dieser Ladungsträgerbezirk
um die Achse des ringförmigen Magnetfeldsensors mit einer Geschwindigkeit, die von
der Magnetflussdichte, und in einer Richtung, die von der Magnetfeldrichtung abhängig
ist. Der Magnetfeldsensor erzeugt somit eine Rotationsfrequenz, die der Stärke des
Magnetfeldes proportional ist.
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Aufgabe und Lösung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
äusserst empfindlichen ringförmigen Magnetfeldsensor zu erstellen, der nach einem
ähnlichen Prinzip arbeitet, der jedoch eine sehr niedrige Temperaturabhängigkeit
und ein niedriges Schwellwert-Magnetfeld besitzt.
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Ein solcher verbesserter Magnetfeldsensor eignet sich z.B. zur Verwendung
im Eingangskreis eines Elektrizitätszählers zum Messen des elektrischen Stromes,
der proportional dem durch
diesen Strom erzeugten Magnetfeld ist.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen
des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1: Einen Querschnitt AA' eines Magnetfeldsensors,
Fig. 2: eine Draufsicht des gleichen Magnetfeldsensors, mit der Schnittebene AA',
Fig. 3: eine äussere Beschaltung eines Magnetfeldsensors und Fig. 4: dazugehörige
Kennlinien eines Magnetfeldsensors und einer Stromquelle.
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Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche
Teile.
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Beschreibung Als Beispiel wird ein lateraler bipolarer NPN-Transistor
beschrieben. Statt mit einem NPN- kann der Magnetfeldsensor jedoch auch mit einem
PNP-Transistor aufgebaut werden, unter Berücksichtigung der dann üblichen und aus
der Transistortechnik bekannten Umkehrungen der Material-Leitfähigkeitstypen. Der
Magnetfeldsensor kann mittels einer CMOS-Technologie hergestellt werden.
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Gemäss der Fig. 1 und der Fig. 2 besteht ein ringförmiger Magnetfeldsensor
aus drei in einen Halbleiterkörper l, z.B. aus P-Silizium, an dessen Oberfläche
2 angeordneten konzentrischen, mit unterschiedlichen Durchmessern versehenen ringförmigen
bzw.
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kreisförmigen und durch Material des Halbleiterkörpers 1 getrennten
Halbleiterschichten
3, 4 und 5. Die erste innere Halbleiterschicht 3 ist kreisförmig, aus dem gleichen
Material-Leitfähigkeitstyp P wie der Halbleiterkörper 1 gefertigt und stark mit
Fremdatomen dotiert, d.h. sie besteht aus P+-Material. Die beiden anderen Halbleiterschichten,
d.h. die mittlere Halbleiter schicht 4 und die äussere Halbleiterschicht 5, sind
ringförmig und bestehen aus gleichem, stark mit Fremdatomen dotiertem Material von
entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie der Halbleiterkörper 1, also aus N+-Material.
Ausserhalb der äusseren Halbleiterschicht 5 sind eine Vielzahl kleiner rechteckförmiger
Halbleiterschichten 6 aus stark mit Fremdatomen dotiertem Material radial, auf einem
einzigen, zu den drei ersten Halbleiter schichten 3 bis 5 konzentrischen Kreis 7
und symmetrisch zu diesem Kreis angeordnet. In der Darstellung der Fig. 2 wurden
zugunsten der Uebersichtlichkeit nur acht rechteckförmige Halbleiterschichten 6
dargestellt. In der Praxis ist ihre Anzahl möglichst gross zu wählen. Sie können
aus P+- oder N+-Material bestehen.
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Der Halbleiterkörper 1 ist z.B. ein Substrat aus P-Material oder eine
P-Wanne (~P-well"), welche in ein Substrat aus N-Material eindiffundiert ist.
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Jede der Halbleiterschichten 3 bis 6 besitzt je einen Drahtanschluss,
welcher der zeichnerischen Klarheit wegen nur in der Fig. 1 und nicht in der Fig.
2 wiedergegeben ist. Der Drahtanschluss der inneren Halbleiterschicht 3 bildet den
Basisanschluss B, derjenige der mittleren Halbleiterschicht 4 den Emitteranschluss
E und derjenige der äusseren Halbleiterschicht 5 den Kollektoranschluss C des lateralen,
ringförmigen und bipolaren Transistors. Die Drahtanschlüsse der rechteckförmigen
Halbleiterschichten 6 stellen Sensor-Elektroden S1, S2...Sg dar.
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Der P+/P-Uebergang der inneren Halbleiterschicht 3 zum Halbleiterkörper
1 bildet einen niederohmigen ohmischen Kontakt. Der laterale NPN-Transistor setzt
sich zusammen aus der mittleren
und der äusseren Halbleiterschicht
4 und 5 sowie dem dazwischen liegenden ringförmigen Teil 8 des Halbleiterkörpers
1.
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Bestehen die rechteckförmigen Halbleiterschichten 6 aus N+-Material,
so bilden die Sensor-Elektroden S1 bis S8 zusätzliche Kollektoren zum Auffangen
der durch den Emitter des NPN-Transistors emittierten Ladungsträger. Bestehen diese
Halbleiterschichten dagegen aus P+-Material, so können die Sensor-Elektroden Sl
bis S8 eine Erhöhung der Basisspannung von annähernd 0.7V feststellen, und zwar
an dem Ort, an dem sich gerade der winkelmässig begrenzte Ladungsträgerbezirk befindet.
Die rechteckförmigen Halbleiterschichten 6 arbeiten mithin als Sensoren und stellen
die Position des winkelmässig begrenzten Ladungsträgerbezirks im Transistor fest.
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Eine verbesserte Variante des bisher beschriebenen Magnetfeldsensors
wird dadurch erzielt, dass der ringförmige Teil 8 des Halbleiterkörpers 1, der sich
zwischen der mittleren und der äusseren Halbleiterschicht 4 und 5 befindet und der,
wie bereits erwähnt, die Basis-Halbleiterschicht des Transistors bildet, mit einem
ebenfalls ringförmigen Gate 9 möglichst genau abgedeckt ist (siehe Fig. 1) Dieses
Gate 9 ist durch eine Gate-Oxydschicht 10, z.B. aus Sitz, vom Halbleiterkörper 1
getrennt.
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Besteht das Gate 9 aus hochohmigem Material, so ist jede rechteckförmige
Halbleiterschicht 6 extern über je einen Gateanschluss G, z.B. radial, mit je einem
Punkt des Gate 9 zu verbinden, wobei diese Punkte z.B. auf einer Kreislinie gleichmässig
verteilt auf dem ringförmigen Gate 9 angeordnet sind.
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Besteht das Gate 9 dagegen aus einem niederohmigen Material, z.B.
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stark dotiertem aus Metall oder aus Poly-Silizium, so ist das Gate
9 in gleich viele Ringsektoren zu unterteilen, wie rechteckförmige Halbleiterschichten
6 vorhanden sind. Diese Ringsektoren sind alle
annähernd gleich
gross und isoliert voneinander und besitzen alle die gleiche radiale Mittellinie
wie die zugehörige rechteckförmige Halbleiterschicht 6.(siehe Fig. 2). Jeder Ringsektor
besitzt seinen eigenen Gateanschluss G, mit dessen Hilfe er extern mit einem Punkt
der radial zugehörigen rechteckförmigen Halbleiterschicht 6 verbunden ist.
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In der Fig. 3 ist der positive Pol einer Gleichspannungsquelle 11
über eine Stromquelle 12 mit dem Kollektor, d.h. mit dem Anschluss der äusseren
Halbleiterschicht 5, und sein negativer Pol direkt mit dem Emitter, d.h. mit dem
Anschluss der mittleren Halbleiterschicht 4, des lateralen Transistors verbunden,
desgleichen der Emitteranschluss E, d.h. der Anschluss der mittleren Halbleiterschicht
4, mit dem Basisanschluss B, d.h. mit dem Anschluss der inneren Halbleiterschicht
3. Ein Widerstand R stellt den elektrischen Widerstand des Materials der Basishalbleiterschicht
dar und liegt zwischen dem Basisanschluss B und der Basis des eigentlichen Transistors.
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Die Kennlinie 13 in der Fig. 4 ist die Ic/Uc#-Kennlinie des Transistors
samt seinem Spannungsdurchbruchsgebiet. Die Kennlinie 14 der Stromquelle stellt
die Lastkennlinie dieses Transistors dar und schneidet dessen Kennlinie 13 in zwei
stabilen Arbeitspunkten M und Q, die beide im Spannungsdurchbruchsgebiet liegen
unter der Bedingung, dass die Gleichspannung VDD der Gleichspannungsquelle 11 einen
derartigen Wert besitzt, dass die folgenden Ungleichheiten erfüllt sind: BVCEO <
VDD < BVCBO.
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BVCEO bezeichnet dabei bekanntlich die Durchbruchs spannung des Kollektor/Emitter-Ueberganges
des Transistors bei offener Basis ("sustaining voltage") und BVCBO diejenige des
Kollektor/Basis-Ueberganges des Transistors bei offenem Emitter. Welcher von beiden
Arbeitspunkten M oder Q gültig ist, hängt von den Startbedingungen ab.
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IC stellt den Kollektorstrom und UCE die Kollektor/Emitter-Spannung
des Transistors dar.
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Der Betrieb des Transistors in seinem Spannungsdurchbruchsgebiet führt
dazu, dass die Ladungsträger sich im Ladungsträgerbezirk des Transistors mit maximaler
Geschwindigkeit fortbewegen und da die Lorenzkraft, die bekanntlich das Fortbewegen
des Ladungsträgerbezirks verursacht, dieser Geschwindigkeit proportional ist, wird
eine maximale Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors erzielt.
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Der ringförmige laterale Transistor kann als eine kontinuierliche
Kette vieler Teiltransistoren angesehen werden, deren Ende auf ihren Eingang rückgekoppelt
ist. Die Kollektor/Emitter-Strecke aller dieser Teiltransistoren sind parallelgeschaltet
und von der einzigen gemeinsamen Stromquelle 12 gespeist. Die Basis eines jeden
Teiltransistors wird von der Basis des vorhergehenden Teiltransistors über den Widerstand
eines Teils des Basishalbleiter-Materials gesteuert. Die Startbedingung des Magnetfeldsensors
kann z.B. festgelegt werden durch das Anlegen einer bestimmten Spannung oder das
Einspeisen eines bestimmten Stromes an der Basis eines der Teiltransistoren, z.B.
des ersten Teiltransistors über die zugehörige Sensor-Elektrode S1. Der erste Teiltransistor
wird dann leitend und bildet eine diskrete Darstellung des winkelmässig begrenzten
Ladungsträgerbezirks; der elektrische Strom fliesst nur lokal und radial vom Emitter
des ersten Teiltransistors zu dessen Kollektor. Unter dem Einfluss eines senkrecht
zur Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers 1 wirkenden Magnetfeldes und der dadurch
erzeugten Lorenzkraft wandert der elektrische Strom in der Kette fort vom leitenden
Teiltransistor, der dann sperrt, zum nächsten Teiltransistor, der dann leitend wird.
Die Richtung des Abwanderns ist dabei abhängig von der Richtung des Magnetfeldes
gemäss dem bekannten Gesetz der Lorenzkraft. Dieses Fortwandern in der Kette entspricht
im
ringförmigen Transistor der Rotation des Ladungsträgerbezirks um die gemeinsame
Achse der ring- bzw. kreisförmigen Halbleiterschichten 3 bis 5.
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Die genaue Lage und die Abmessung des Ladungsträgerbezirks ist unter
anderem abhängig von der Geometrie des Bauelementes und der Konzentration der Ladungsträger.
Eine starke Verbesserung seiner Lokalisierung und Abgrenzung wird durch das Hinzufügen
einer Rückkopplung mittels eines MOS-Effektes durch Verwendung des Gate 9 erzielt.
Jedesmal, wenn eine rechteckförmige Halbleiterschicht 6 einen Stromfluss, d.h. das
lokale Vorhandensein eines Ladungsträgerbezirks feststellt, steigt ihre Spannung
um mindestens 0.7 V an. Diese Spannung erscheint somit auch am zugehörigen Punkt
bzw. Ringsektor des Gate 9, da dieser mit der rechteckförmigen Halbleiterschicht
6 elektrisch verbunden ist.
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Die Gatespannung oberhalb des begrenzten Ladungsträgerbezirks steigt
somit an, verringert die dort vorhandene Potential-Schwelle ("potential barrier")
zwischen Kollektor und Emitter und erhöht damit den dortigen Wirkungsgrad des Emitters.
Dies hat zur Folge, dass der Spannungsdurchbruch des lokalen Teiltransistors bei
einer niedrigeren Spannung erfolgt als im Rest der Struktur, und dass der Ladungsträgerbezirk
schärfer abgegrenzt wird.
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Im Gegensatz zu dem im angegebenen Stand der Technik beschriebenen
PNPN-Halbleiter wird dem lokalen Aufheizen des Magnetfeldsensors durch die Emitteremission
(positiver Temperaturkoeffizient) entgegengewirkt durch den negativen Temperaturkoeffizient
des Spannungsdurchbruches, so dass seine Temperaturempfindlichkeit zumindestens
teilweise aufgehoben und demnach geringer ist.
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Ausserdem können die Halbleiterschichten eines Transistors eher perfekt
konzentrisch hergestellt werden als diejenigen eines PNPN-Halbleiters, und schliesslich
ist die Geschwindigkeit seiner Ladungsträger und damit auch die Wirkung der Lorenzkraft
grösser,
so dass seine Empfindlichkeit dementsprechend höher ist.
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Die bisher beschriebenen Magnetfeldsensoren können als Strom-Messwandler
am Eingang von Elektrizitätszählern eingesetzt werden zum Messen des verbrauchten
elektrischen Stromes. Dieser Strom-Messwert dient dann anschliessend in Zusammenhang
mit einem Spannungs-Messwert zur Ermittlung der verbrauchten elektrischen Energie.
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Es gibt grundsätzlich zwei Varianten A und B, solche Elektrizitätszähler
elektronisch zu realisieren.
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Die Variante A ist in der DE-OS 29 48 762 (=GB-OS 20 64 140) beschrieben.
In dieser Variante A wird das vom verbrauchten und zu messenden Strom erzeugte Magnetfeld
mit Hilfe eines Referenz-Magnetfeldes abgetastet und die Nullwerte der Differenz
beider Magnetfelder elektronisch ausgewertet. Das Referenz-Magnetfeld ist z.B. sägezahnförmig
und wird z.B. mittels eines Referenzstromes erzeugt. Der Referenzstrom und der verbrauchte
zu messende Strom durchfliessen je einen Flachleiter, der in der Nähe der Oberfläche
des Magnetfeldsensors angeordnet ist. Der Flachleiter kann auch U-förmig gebogen
sein und den in einem Gehäuse montierten Magnetfeldsensor U-förmig umgeben.
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Die Variante B ist in der DE-OS 31 33 908 (= US-Anmeldenummer 06/332.215)
beschrieben. In dieser Variante B wird das vom verbrauchten und zu messenden Strom
erzeugte Magnetfeld mit Hilfe eines Kompensationsmagnetfeldes kompensiert und ein
dieses Kompen sa t ion sma gnetfe ld erzeugender Kompensationsstrom, der von einem
Regelkreis geliefert wird, anschliessend elektronisch ausgewertet. Zur Erzeugung
der zugehörigen Magnetfelder durchfliessen der zu messende Strom und der Kompensationsstrom
je einen Flachleiter, der in der Nähe der Oberfläche des Magnetfeldsensors angeordnet
ist. In einer bevorzugten Anordnung sind
auch hier die Flachleiter
U-förmig gebogen und umgeben den in einem Gehäuse montierten Magnetfeldsensor U-förmig.
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In allen Varianten sind die benötigten elektronischen Schaltungen
vorzugsweise in dem gleichen Substrat integriert, in das auch der Magnetfeldsensor
integriert ist, so dass im Idealfall nur eine einzige gemeinsame integrierte Schaltung
vorhanden ist.
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Zwecks Verdichtung der Magnetfelder wird das den Magnetfeldsensor
enthaltene Substrat in bevorzugten Anordnungen im oder in der unmittelbaren Nähe
vom Luftspalt eines Magnetkernes mit seiner Oberfläche senkrecht zu den Magnetfeldern
angeordnet, z.B.
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gemäss einer der in der DE-OS 29 18 483 (= US-PS 43 62 990) beschriebenen
Montagemethoden. In diesen Fällen genügt es, ein dort verwendetes Substrat mit darauf
montiertem Magnetfilm durch den Magnetfeldsensor zu ersetzen.
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Bisher wurde angenommen, dass der gesamte verbrauchte Strom im Magnetfeldsensor
gemessen wird. Ist dieser Strom jedoch sehr gross, genügt es, einen konstanten und
bekannten Bruchteil dieses Stromes dem Magnetfeldsensor in Form eines Magnetfeldes
zuzuführen.
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Dies geschieht nach einer der drei nachfolgenden Methoden: Bei einer
ersten, unter anderem in der DE-PS 30 08 308 (= GB-PS 20 50 070) beschriebenen Methode
mit Stromteiler wird ein Teil des zu messenden Stromes mit Hilfe eines Shunts vom
Magnetfeldsensor ferngehalten.
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Bei einer zweiten, in der US-PS 42 40 059 beschriebenen Brücken-Methode,
wird der zu messende Strom einer Messbrücke dermassen zugeführt, dass nur der im
Diagonalzweig der Messbrücke fliessende Teil des zu messenden Stromes den Magnetfeldsensor
erreicht und von diesem ausgewertet wird.
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Eine dritte, in der Internationalen Patentanmeldung WO 83/01 535 beschriebene
Methode sieht vor, den zu messenden Strom einem Stromwandler zuzuführen, dessen
Primärwicklung aus zwei gegensinnig von Strömen durchflossenen und annähernd gleiche
Widerstände aufweisenden Leitern besteht.
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