-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zum Messen von Magnetfeldern, mit zumindest einem Magnetfeldsensor,
der eine Anzahl magnetoresistiver Sensorelemente aufweist, die in
einer einzigen Ebene angeordnet sind und die die gleichen Vorzugsrichtungen
der Magnetisierung aufweisen, wobei die genannten Sensorelemente
einerseits mit einer Speiseschaltung und andererseits mit einer
Signalverarbeitungsschaltung verbunden sind, mit einer Magnetisierungsspule,
die zum Erzeugen eines Hilfsmagnetfeldes am Ort des Magnetfeldsensors
(der Magnetfeldsensoren) in der Nähe des Magnetfeldsensors vorgesehen
ist.
-
Eine Einrichtung dieser Art ist aus
DE-C-34 42 278 (PHD 84.154) bekannt. Bei der bekannten Einrichtung
ist die Magnetisierungsspule mit einem Stromimpulsgenerator verbunden,
der ausgebildet ist, um abwechselnd Stromimpulse von entgegengesetzter
Richtung an die Magnetisierungsspule anzulegen, wobei die Anordnung
so ist, dass jeder Stromimpuls in der Magnetisierungsspule ein Magnetfeld erzeugt,
das parallel zu den Vorzugsrichtungen der Magnetisierung der Sensorelemente
verläuft
und stark genug ist, um die Richtung der inneren Magnetisierung
der Sensorelemente umzukehren. Die innere Magnetisierung der Sensorelemente
wird umgekehrt, um Effekte zu beseitigen, die die Messung stören, beispielsweise
Effekte, die durch Herstellungstoleranzen und durch Drift infolge
von Temperaturschwankungen verursacht werden. In vielen Fällen ist
es jedoch ungünstig,
dass die hierzu benötigte Magnetisierungsspule
eine Komponente ist, die um viele Male größer und schwerer ist als der
Magnetfeldsensor. Daher ist die bekannte Einrichtung für Anwendungen,
bei denen zumindest der den Magnetfeldsensor aufnehmende Teil sehr
klein und leicht sein muss, nicht sehr gut geeignet. Ein Beispiel
für eine
solche Anwendung ist ein Kompass in einem Fahrzeug, beispielsweise
einem Auto. Die Einrichtung dient dann zur Bestimmung der Richtung
des Erdmagnetfeldes und es wäre
wünschenswert,
den Magnetfeldsensor außerhalb
des Fahrzeugkörpers anzubringen,
da ein solcher Körper üblicherweise eine
große
Menge Eisen enthält,
sodass er einen störenden
Einfluss auf das lokale Erdfeld hat. Ein geeigneter Ort für den Sensor
ist beispielsweise die Spitze einer auf dem Fahrzeug angebrachten
Antenne. Der Sensor und die damit verbundene Magnetisie rungsspule
sollten dann jedoch extrem klein und leicht sein. Die zugehörigen Schaltungen
können
dann im Fahrzeug untergebracht sein und dürfen daher größer und
schwerer sein.
-
In dem japanischen Abstract JP-A-03
223 685 wird ein Magnetsensor dargelegt, bei dem ein Dünnfilm,
der aus einem Substrat mit Leiterbahnen darauf besteht, auf einem
magnetoresistiven Element montiert ist, sodass das Substrat zwischen
dem magnetoresistiven Element und den Leiterbahnen liegt.
-
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine
Einrichtung der dargelegten Art zu verschaffen, bei der die Magnetisierungsspule
wesentlich kleiner und leichter sein kann als bei der bekannten
Einrichtung und außerdem
in einfacher und preiswerter Weise in Massenfertigung hergestellt
werden kann. Zur Lösung
dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Einrichtung dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetisierungsspule ein Substrat umfasst, das aus einem
elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und auf dem zumindest
eine ungefähr
spiralförmige elektrische
Leiterbahn vorgesehen ist, die zumindest eine Gruppe aus aktiven
Leiterelementen umfasst, die von einer Anzahl sich parallel auf
einer Oberfläche
des Substrats erstreckenden Teile der Leiterbahn gebildet wird,
wobei ein durch die Leiterbahn fließender elektrischer Strom in
allen aktiven Leiterelementen der Gruppe die gleiche Richtung hat,
wobei der Magnetfeldsensor auf dem Substrat in unmittelbarer Nähe von zumindest
einer Gruppe aus aktiven Leiterelementen montiert ist, in einer
solchen Position, dass die Ebene der Sensorelemente im Wesentlichen
parallel zur Ebene der aktiven Leiterelemente verläuft und
die Vorzugsrichtung der Magnetisierung der Sensorelemente senkrecht
zur Längsrichtung
der aktiven Leiterelemente verläuft
und wobei sich zumindest eine Gruppe aus aktiven Leiterelementen
im Wesentlichen zwischen dem Substrat und dem Magnetfeldsensor befindet.
-
Die Leiterbahn kann auf dem Substrat
mit Hilfe von an sich bekannten Techniken, beispielsweise zur Herstellung
von Leiterplatten (PCBs: printed circuit boards) oder Dickfilm-
oder Dünnfilmschaltungen
verwendeten Techniken angebracht werden. Diese Techniken sind sehr
geeignet für
die Massenfertigung und lassen die Fertigung sehr kleiner und leichter
Komponenten zu. Das beim Anlegen von Strom durch die aktiven Leiterelemente
erzeugte Magnetfeld wird quer zur Längsrichtung dieser Elemente
gerichtet, sodass es parallel zur Vorzugsrichtung der Sensorelemente
verläuft.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat auch eine Anzahl weiterer
elektrischer Leiterbahnen umfasst, die Anschlussleiter zum Verbinden
der Sensorelemente mit der Speise schaltung und der Signalverarbeitungsschaltung
bilden. In dieser Ausführungsform
ist das durch das Anschließen
der Sensorelemente an die zugehörige
Schaltungen entstandene Problem gelöst worden, ohne das Volumen
und das Gewicht des Sensors wesentlich zu vergrößern.
-
Das von der Magnetisierungsspule
am Ort der Sensorelemente erzeugte Magnetfeld sollte zumindest einen
minimalen Wert haben, der vom Typ des verwendeten Magnetfeldsensors
abhängt.
Für einen
Magnetfeldsensor vom Typ KMZ 10A von Philips beträgt dieser
minimale Wert beispielsweise 3 kA/m, siehe Philips Technical Publication
268, Seite 16. Da die Abmessungen des Magnetfeldsensors sehr gering
sind, ist die Anzahl aktiver Leiterelemente, die nebeneinander in
einer Ebene in unmittelbarer Nähe
dieses Sensors angeordnet werden können, verhältnismäßig klein. Um den minimalen
Wert des erzeugten Magnetfeldes zu überschreiten, wäre ein verhältnismäßig großer Strom
durch die Leiterbahn erforderlich, beispielsweise 1,2 A. Diese Stromstärke kann
in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung
verringert werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest zwei
Leiterbahnen auf dem Substrat vorgesehen sind, wobei jede Bahn zumindest
eine Gruppe aus aktiven Leiterelementen umfasst, wobei entsprechende
Gruppen aus aktiven Leiterelementen, die zu verschiedenen Leiterbahnen
gehören,
sich in zueinander parallelen Ebenen erstrecken, die auf der gleichen
Seite der Ebene der Sensorelemente eines in ihrer unmittelbaren
Nähe montierten
Magnetfeldsensors liegen. Bei dieser Ausführungsform kann das Substrat
beispielsweise eine Mehrlagen-Leiterplatte sein
und die Anzahl aktiver Leiterelemente in der Nähe des Magnetfeldsensors ist
dann proportional zur Anzahl Leiterbahnen auf dem Substrat. Die
in den Leiterbahnen benötigte
Stromstärke
ist daher umgekehrt proportional zu dieser Anzahl.
-
Eine weitere Verbesserung kann mit
einer Ausführungsform
erhalten werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Substrat
von einer flexiblen Folie gebildet wird, die einen ersten Teil umfasst, der
auf zumindest einer seiner Hauptflächen mit einer Leiterbahn versehen
ist, welche Leiterbahn zwei Gruppen aus aktiven Leiterelementen
umfasst, und einen zweiten Teil, der auf zumindest einer seiner Hauptflächen die
Anschlussleiter trägt,
wobei der Magnetfeldsensor auf dem ersten Teil der Folie in unmittelbarer
Nähe von
einer der zwei genannten Gruppen aus aktiven Leiterelementen montiert
ist, wobei zumindest der erste Teil der Folie in solcher Weise um
den Magnetfeldsensor gefaltet ist, dass die zweite Gruppe auch in
unmittelbarer Nähe
des Magnetfeldsensors liegt und die zwei Gruppen aus aktiven Leiterelementen
ein und derselben Leiterbahn sich in solcher Weise zu beiden Seiten
der Ebene der zu dem Magnetfeldsensor gehörenden Sensorelemente erstrecken,
dass die Richtung eines durch die Leiterbahn fließenden elektrischen
Stroms in den aktiven Leiterelementen einer der zwei Gruppen der
Richtung in den aktiven Leiterelementen der anderen Gruppe entgegengesetzt
ist. Bei dieser Ausführungsform
ist die Anzahl aktiver Leiterelemente in der Nähe des Magnetfeldsensors zweimal
so groß wie
die Anzahl Leiterelemente in einer vergleichbaren Ausführungsform
eines früheren
Typs. Im Allgemeinen ist das Gewicht einer flexiblen Folie auch
wesentlich kleiner als das eines steifen Substrats und das Volumen
kann durch Falten der Folie wesentlich verringert werden.
-
Ein Magnetfeldsensor der beschriebenen
Art ist für
Magnetfeldkomponenten empfindlich, die quer zur Vorzugsrichtung
der Magnetisierung der Sensorelemente liegen. Für einen Magnetkompass ist es
im Allgemeinen wünschenswert,
das Erdmagnetfeld in zwei oder drei zueinander senkrechten Richtungen zu
messen. Daher ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung
dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zwei oder drei Substrate
umfasst, wobei auf jedem Substrat ein jeweiliger Magnetfeldsensor
montiert ist, wobei die Magnetfeldsensoren relativ zueinander so
orientiert sind, dass die Vorzugsrichtungen der Sensorelemente der
Magnetfeldsensoren in zueinander senkrechten Richtungen verlaufen.
-
Bei der letztgenannten Ausführungsform
ist für
jeden Magnetfeldsensor ein jeweiliges Substrat vorhanden. Für die Messung
von Magnetfeldern in zwei zueinander senkrechten Richtungen kann
eine weitere Verkleinerung des Sensorteils der Einrichtung durch
Verwendung einer Ausführungsform
erhalten werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Substrat
von einer flexiblen Folie gebildet wird, die einen ersten Teil umfasst,
der auf zumindest einer seiner Hauptflächen eine Leiterbahn trägt, die
ungefähr
wie eine rechteckige Spirale verläuft und die vier Gruppen aus
aktiven Leiterelementen umfasst, wobei die erste und die zweite
Gruppe nahe bei aneinander grenzenden ersten und zweiten Seiten
des Rechtecks liegen, wobei die dritte und die vierte Gruppe nahe
dritten und vierten Seiten des Rechtecks liegen, wobei die letzteren
Seiten gegenüber der
ersten bzw. der zweiten Seite liegen, wobei die Leiterelemente in
jeder der Gruppen parallel zur zugehörigen Seite des Rechtecks liegen,
wobei die flexible Folie auch einen zweiten Teil umfasst, der die Anschlussleiter
auf zumindest einer seiner Hauptflächen trägt, wobei in unmittelbarer
Nähe der
ersten bzw. der vierten Gruppe aus aktiven Leiterelementen ein erster
und ein zweiter Magnetfeldsensor auf der Folie montiert sind, wobei
zumindest der erste Teil der Folie in solcher Weise um die Magnetfeldsensoren
entlang einer Diagonale des Rechtecks gefaltet ist, dass die zweite
Gruppe aus aktiven Leitern in unmittelbarer Nähe des ersten Magnetfeldsensors
liegt und die dritte Gruppe aus aktiven Leitern in unmittelbarer
Nähe des
zweiten Magnetfeldsensors liegt, wobei dann die zwei Gruppen aus
aktiven Leiterelementen ein und derselben Leiterbahn, die nahe dem
gleichen Magnetfeldsensor liegen, sich zu beiden Seiten der Ebene
der zu dem betreffenden Magnetfeldsensor gehörenden Sensorelemente in solcher
Weise erstrecken, dass die Richtung eines durch die Leiterbahn fließenden elektrischen
Stroms in den aktiven Leiterelementen einer der zwei Gruppen der
Richtung in den aktiven Leiterelementen der anderen Gruppe entgegengesetzt
ist. Bei dieser Ausführungsform
wird für
zwei Magnetfeldsensoren nur ein Substrat benötigt.
-
Es hat sich auch gezeigt, dass es
möglich
ist, nur ein einziges Substrat für
drei Magnetfeldsensoren zu verwenden, die in zueinander senkrechten Richtungen
empfindlich sind. Dies ist in einer Ausführungsform möglich, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass das Substrat von einer flexiblen
Folie gebildet wird, die einen ersten Teil umfasst, der auf zumindest einer
seiner Hauptflächen
eine Leiterbahn trägt,
die ungefähr
wie eine rechteckige Spirale verläuft und die sechs Gruppen aus
aktiven Leiterelementen umfasst, wobei die erste und die zweite
Gruppe nahe bei einander gegenüber
liegenden Punkten von einander gegenüber liegenden ersten und dritten
Seiten des Rechtecks liegt, wobei die dritte und die vierte Gruppe
auch nahe bei einander gegenüber
liegenden Punkten der ersten und dritten Seiten des Rechtecks liegt,
während
die fünfte
und die sechste Gruppe in solcher Weise nahe einer vierten Seite
des Rechtecks liegen, dass sie in Bezug auf eine erste Mittellinie
des Rechtecks, die parallel zur ersten Seite verläuft, symmetrisch
sind, wobei die Leiterelemente in jeder der Gruppen parallel zu
der zugehörigen
Seite des Rechtecks verlaufen, wobei die flexible Folie auch einen
zweiten Teil umfasst, der die Anschlussleiter auf zumindest einer
seiner Hauptflächen
trägt, wobei
ein erster, ein zweiter und ein dritter Magnetfeldsensor in unmittelbarer
Nähe der
ersten, der dritten bzw. der fünften
Gruppe aus aktiven Leiterelementen auf der Folie montiert ist, wobei
zumindest der erste Teil der Folie entlang der ersten Mittellinie des
Rechtecks in solcher Weise um die Magnetfeldsensoren gefaltet ist,
dass die zweite Gruppe aus aktiven Leiterelementen in unmittelbarer
Nähe des ersten
Magnetfeldsensors liegt, die vierte Gruppe aus aktiven Leiterelementen
in unmittelbarer Nähe des
zweiten Magnetfeldsensors liegt und die sechste Gruppe aus aktiven
Leiterelementen in unmittelbarer Nähe des dritten Magnetfeldsensors
liegt, wobei dann beide Gruppen aus aktiven Leiterelementen ein und
derselben Leiterbahn, die nahe dem gleichen Magnetfeldsensor liegen,
zu beiden Seiten der Ebene der zu dem betreffenden Magnetfeldsensor
gehörenden
Sensorelemente in solcher Weise verlaufen, dass die Richtung eines
durch die Leiterbahn fließenden
elektrischen Stroms in den aktiven Leiterelementen einer der zwei
Gruppen der Richtung in den aktiven Leiterelementen der anderen
Gruppe entgegengesetzt ist, wobei die Folie anschließend um
einen Winkel von 90° entlang
einer zweiten Mittellinie des Rechtecks gefaltet wird, die senkrecht
zur ersten Mittellinie verläuft,
sodass die Ebene der Sensorelemente des zweiten Magnetfeldsensors
senkrecht zur Ebene der Sensorelemente des ersten und des dritten
Magnetfeldsensors verläuft.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
-
1 eine
Draufsicht eines Magnetfeldsensors von einem Typ, der zur Verwendung
in der erfindungsgemäßen Einrichtung
geeignet ist,
-
2 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung,
-
3 eine
Erläuterung
des Prinzips der Erfindung,
-
4 eine
Draufsicht einer Ausführungsform
eines Sensorteils mit einem Magnetfeldsensor und einer Magnetisierungsspule,
-
5 eine
jeweilige Perspektivansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
in der drei der in 4 gezeigten
Sensorteile verwendet werden,
-
6 eine
Draufsicht einer Ausführungsform
mit zwei Magnetfeldsensoren mit auf einem gemeinsamen Substrat angebrachten
Magnetisierungsspulen,
-
7 eine
Perspektivansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
mit einem Halter, in dem ein Sensorteil, wie in 6 gezeigt, angeordnet ist,
-
8 eine
Draufsicht einer Ausführungsform
mit drei Magnetfeldsensoren mit auf einem gemeinsamen Substrat angebrachten
Magnetisierungsspulen und
-
9 eine
Perspektivansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
mit einem Halter, in dem ein Sensorteil, wie in 8 gezeigt, angeordnet ist.
-
1 zeigt
einen Magnetfeldsensor 1, der an sich bekannt ist und der
den magnetoresistiven Effekt ausnutzt. Dies ist das Phänomen, dass
der elektrische Widerstandswert eines stromführenden magnetischen Materials
sich bei Anwesenheit eines externen Magnetfeldes ändert. Diese Änderung
wird durch eine Drehung der Magnetisierung relativ zur Stromrichtung
verursacht. Beispielsweise führt
im Fall von Permalloy (einer ferromagnetischen Legierung, die 20%
Eisen und 80% Nickel enthält)
eine Drehung der Magnetisierung um 90° (durch ein externes Feld bewirkt,
das senkrecht zur Stromrichtung verläuft) zu einer Änderung
des Widerstandswertes zwischen 2 und 3%. In dem dargestellten Magnetfeldsensor
(Typ KMZ 10 von Philips) sind vier magnetoresistive Sensorelemente 3 auf
einem Siliciumsubstrat 2 aufgebracht. Jedes der Sensorelemente 3 ist aus
einem mäanderförmigen Streifen
aus Permalloy gebildet, mit einer Vorzugsrichtung der Magnetisierung,
die parallel zur Längsrichtung
des Streifens, d. h. in Richtung des Pfeils 5 verläuft. Die
Enden der Sensorelemente 3 sind miteinander verbunden,
sodass sie die vier Zweige einer Wheatstone-Brücke bilden. Das Ausmaß des Brückenungleichgewichts kann
als Maß für die Veränderung
der Magnetfeldstärke
in der Ebene der Sensorelemente 3 und senkrecht zur Richtung
eines durch die Sensorelemente fließenden elektrischen Stroms
verwendet werden. Die von den Sensorelementen 3 gebildete
Brückenschaltung
kann über
Anschlusspunkte 7 mit einer Speiseschaltung einerseits
und einer Signalverarbeitungsschaltung andererseits verbunden werden.
-
2 zeigt
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
einer Einrichtung zum Messen von Magnetfeldern, die einen Magnetfeldsensor
des in 1 gezeigten Typs
nutzt. Die von den Sensorelementen 3 gebildete Brückenschaltung
ist einerseits mit einer Speiseschaltung 9 (im vorliegenden
Fall ist das eine Batterie) und andererseits einer Signalverarbeitungsschaltung 11 verbunden.
Beispiele für
geeignete Signalverarbeitungsschaltungen sind beispielsweise in der
zitierten Philips Technical Publication 268 beschrieben. In der
zitierten Veröffentlichung
und auch in DE-C-34 42 278 wird auch mitgeteilt, dass es zur Beseitigung
von Offseteffekten wünschenswert
ist, den Magnetfeldsensor in solcher Weise anzuordnen, dass die
Sensorelemente 3 einem von einer Magnetisierungsspule 13 erzeugten
Magnetfeld ausgesetzt sind. Die Magnetisierungsspule 13 ist
mit einem Stromimpulsgenerator 15 verbunden, der ausgebildet
ist, um abwechselnd Stromimpulse von entgegengesetzter Richtung
an die Magnetisierungsspule 13 anzulegen, sodass abwechselnd
entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder in der Magnetisierungsspule
erzeugt werden. Die Magnetisierungsspule 13 ist so angeordnet,
dass die in dieser Spule erzeugten Magnetfelder parallel zur Vorzugsrichtung
der Magnetisierung 5 der Sensorelemente 3 verlaufen.
Die Eigenschaften der Magnetisierungsspule 13 und die vom
Stromimpulsgenerator 15 gelieferte Stromstärke sind
so gewählt,
dass die erzeugten Magnetfelder stark genug sind, um die Richtung
der inneren Magnetisierung der Sensorelemente umzukehren. Zusammen
mit der Magnetisierungsspule 13 bildet der Magnetfeldsensor
einen Sensorteil 17 der Einrichtung.
-
3 zeigt
das Konstruktionsprinzip eines Sensorteils 17 für eine erfindungsgemäße Einrichtung.
Die Magnetisierungsspule 13 umfasst ein Substrat 19,
das aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und
auf dem eine Leiterbahn 21 aufgebracht ist. Das Substrat 19 kann
aus einem steifen Material (beispielsweise Epoxid oder Aluminiumoxid)
oder einem flexiblen Material (beispielsweise Kaptonfolie) hergestellt
sein. Die Leiterbahn 21 besteht aus einem elektrisch gut
leitenden Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Zur Bildung
der Leiterbahn 21 auf dem Substrat 19 kann eine
Technik verwendet werden, die an sich für die Herstellung von PCBs
oder Filmschaltungen bekannt ist. Die Leiterbahn 21, die
in 3 nur teilweise sichtbar
ist, verläuft
ungefähr
als Spirale auf einer Hauptfläche
des Substrats 19. Eine Anzahl Teile der Leiterbahn 21, die
auf dieser Fläche
parallel verlaufen, bilden eine Gruppe aus aktiven Leiterelementen,
die in der Figur von einer gestrichelten Linie umgeben sind und
mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet sind. Ein durch die
Leiterbahn 21 fließender
Strom 25 hat die gleiche Richtung in allen aktiven Leiterelementen
der Gruppe 23. Der Magnetfeldsensor 1 ist auf
dem Substrat 19 am Ort der Gruppe aus aktiven Leiterelementen 23 montiert,
beispielsweise mit Hilfe eines geeigneten Klebstoffes. Die Position
des Magnetfeldsensors 1 ist so gewählt, dass die Ebene der Sensorelemente 3 parallel
zur Ebene der aktiven Leiterelemente verläuft und dass die Vorzugsrichtung
der Magnetisierung 5 der Sensorelemente senkrecht zur Längsrichtung
der aktiven Leiterelemente verläuft.
Infolge dieser Anordnung bewirkt der Strom 25 ein Magnetfeld, das
am Ort der Sensorelemente 3 in der Vorzugsrichtung 5 gerichtet
ist. Für
jeden Stromimpuls 25 ist die Richtung dieses Magnetfeldes
der Richtung für
den vorhergehenden Stromimpuls entgegengesetzt, sodass die innere
Magnetisierung des Materials der Sensorelemente 3 in Reaktion
auf jeden Stromimpuls umgekehrt wird. Eine in diesem Zusammenhang
zu erfüllende
Bedingung besteht jedoch darin, dass das erzeugte Magnetfeld genügend stark
sein muss, beispielsweise zumindest 3 kA/m. Um die hierzu benötigte Stromstärke in der
Leiterbahn 21 zu verringern, sind verschiedene Lösungen gefunden
worden. Eine erste Lösung
besteht in der Verwendung eines Mehrlagensubstrats mit einer Leiterbahn 21 auf
jeder Schicht, wobei alle Leiterbahnen entsprechend dem gleichen
Muster verlaufen, beispielsweise dem in 3 gezeigten Muster. Jede Leiterbahn 21 umfasst dann
eine Gruppe aus aktiven Leiterelementen 23 und diese Gruppen
sind in zueinander parallelen Ebenen an der gleichen Seite der Ebene
der Sensorelemente 3 angeordnet. Die Anzahl aktiver Leiterelemente
nimmt somit um einen Faktor n zu, wenn n Leiterbahnen vorhanden
sind. Um somit am Ort des Magnetfeldsensors 1 ein Magnetfeld
einer bestimmten Stärke
zu erzeugen, genügt
pro Leiterbahn eine Stromstärke,
die n mal kleiner ist.
-
Zusätzlich zu der genannten Leiterbahn 21, die
die Gruppe aus aktiven Leiterelementen 23 umfasst, sind
auf dem Substrat 19 weitere elektrische Leiterbahnen 26 angebracht.
Die weiteren Leiterbahnen bilden Anschlussleiter, die unter anderem
dazu dienen können,
die Sensorelemente 3 an die Speiseschaltung 9 und
die Signalverarbeitungsschaltung 11 anzuschließen (2). Hierzu sind die betreffenden Anschlussleiter 26 beispielsweise über Bonddrähte 27 mit
den Anschlusspunkten 7 verbunden. Manche Anschlussleiter 26 können auch
mit der Leiterbahn 21 verbunden sein. Der Einfachheit halber
sind in 3 diese Verbindungen
nicht dargestellt. In dem dargestellten Beispiel ist die Leiterbahn 21 auf
einem ersten Teil 29 des Substrats 19 aufgebracht
und sind die Anschlussbahnen 26 auf einem zweiten Teil 31 des
Substrats aufgebracht. Auf Wunsch können auf dem Substrat 19 auch
kleine elektronische Komponenten (beispielsweise ein Schalttransistor,
ein Stabilisierungskondensator oder eine integrierte Schaltung)
aufgebracht werden (nicht abgebildet).
-
4 zeigt
eine Ausführungsform
eines Sensorteils 17, der entsprechend dem anhand von 3 beschriebenen Prinzip
arbeitet, wobei der Teil in verkleinertem Maßstab dargestellt wird, um
den ersten Teil 29 des Substrats 19 und die darauf
aufgebrachte Leiterbahn 21 in ihrer Gesamtheit sichtbar machen.
Das Substrat 19 dieser Ausführungsform wird von einer flexiblen
Folie gebildet. Die auf dem ersten Teil 29 dieses Substrats
aufgebrachte Leiterbahn 21 umfasst zwei Gruppen aus aktiven
Leiterelementen 23, die in Bezug auf eine Symmetrielinie 33 symmetrisch
liegen. Die spiralförmige
Form der Leiterbahn 21 ist so gewählt, dass die aktiven Leiterelemente
in den zwei Gruppen 23 parallel zueinander verlaufen und
dass die Stromrichtung 25 in der einen Gruppe der Stromrichtung 25' in
der gegenüber
liegenden Gruppe entgegengesetzt ist. Der Magnetfeldsensor 1 ist
auf dem ersten Teil 29 des Substrats 19 am Ort
der ersten Gruppe aus aktiven Leiterelementen 23 montiert,
sodass beim Anlegen eines Stroms an die Leiterbahn 21 in
der anhand von 3 beschriebenen
Weise der Magnetfeldsensor einem parallel zur Vorzugsrichtung der
Sensorelemente 3 gerichteten Magnetfeld ausgesetzt ist.
Die Anschlusspunkte 7 des Magnetfeldsensors 1 sind
in der anhand von 3 beschriebenen
Weise mit einigen der Anschlussleiter 26 auf dem zweiten
Teil 31 der Folie 19 verbunden. Die Leiterbahn 21 ist
mit zwei anderen Anschlussleitern 26 verbunden. Hierzu
geht ein erstes Ende 37 der Leiterbahn 21 direkt
in den am weitesten links liegenden Anschlussleiter 26 über. Das
zweite Ende 39 ist über
eine metallisierte Öffnung 41 in
dem ersten Teil 29 des Substrats
19 und eine weitere
Leiterbahn an der Rückseite
des Substrats (nicht abgebildet) mit einer metallisierten Öffnung 43 verbunden,
die mit dem am weitesten rechts liegenden Anschlussleiter 26 in
Kontakt steht.
-
Die in 4 gezeigte
Ausführungsform
ist für
eine zweite Lösung
für das
Problem der Verringerung der Stromstärke in der Leiterbahn 21 geeignet. Hierzu
wird der erste Teil 29 der Folie 19 entlang der Symmetrielinie 33 doppelt
gefaltet, wie durch den Pfeil 35 angegeben. Hierdurch liegt
die zweite Gruppe aus aktiven Leiterelementen 23 oben auf
dem Magnetfeldsensor 1, d. h. an der anderen Seite der
Ebene der Sensorelemente 3 im Vergleich zur ersten Gruppe.
Die beiden Gruppen 23 bilden somit zusammen mit dem dazwischen
liegenden Magnetfeldsensor 1 eine Sandwichkonstruktion.
Da die Stromrichtungen 25 und 25' in den zwei
Gruppen aus aktiven Leiterelementen 23 entgegengesetzt
sind, erzeugen die aktiven Leiterelemente am Ort der Sensorelemente 3 gleichgerichtete
Magnetfelder. Der Effekt der beiden Gruppen 23 ist daher
zweimal so groß wie
der Effekt einer einzelnen Gruppe, sodass die Stromstärke in der
Leiterbahn 21 halbiert werden kann. Natürlich kann dieser Schritt auf
Wunsch mit dem Anbringen von mehr Leiterbahnen 21 in verschiedenen Schichten
des Substrats 19 kombiniert werden, wie anhand von 3 beschrieben. Ein weiterer
Vorteil des Faltens der Folie 19 entlang der Symmetrielinie 33 besteht
darin, dass die Abmessungen des Sensorteils 17 somit weiter
verkleinert werden.
-
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Leiterbahn 21 als
rechteckige (insbesondere quadratische) Spirale geformt. Diese Form
ist jedoch nicht absolut notwendig. Es ist nur notwendig, dass die
zwei Gruppen aus aktiven Leiterelementen 23 in Bezug auf
eine Symmetrielinie 33 symmetrisch angeordnet sind und
dass die Leiterelemente in diesen Gruppen parallel verlaufen. Die
Teile der Leiterbahn 21, die die beiden Gruppen aus aktiven
Leiterelementen 23 (links und rechts in 4) miteinander verbinden, können einen
willkürlichen
Verlauf haben, beispielsweise in Form eines Halbkreises.
-
5 ist
eine Perspektivansicht einer Kombination aus drei Sensorteilen 17,
von denen jeder so wie anhand von 4 beschrieben
konstruiert ist. Jeder Sensorteil 17 ist, zusammen mit
dem vom ersten Teil 29 der Folie 19 umgebenen
Magnetfeldsensor 1, in einem Halter 45 angeordnet,
der die Form eines rechteckigen Parallelepipeds hat. Die zwei Teile 31 der
Folien (die die in 5 nicht
abgebildeten Anschlussleiter 26 tragen) ragen aus den Haltern 45 heraus.
Die drei Halter 45 sind in solcher Weise miteinander verbunden,
dass die Vorzugsrichtungen der Magnetisierung der Sensorelemente 3 der
drei Magnetfeldsensoren 1 in zueinander senkrechten Richtungen
verlaufen. Die drei Magnetfeldsensoren 1 sind daher für zueinander
senkrechte Magnetfelder empfindlich. Infolgedessen ist diese Kombination
besonders zur Verwendung in einem Kompass geeignet, mit dem drei
zueinander senkrechte Komponenten des Erdmagnetfeldes detektiert
werden müssen. Wenn
nur zwei zueinander senkrechte Komponenten detektiert zu werden
brauchen, genügt
es natürlich, wenn
die Kombination nur zwei Sensorteile 17 umfasst, die so
montiert sind, dass die Vorzugsrichtungen der Sensorelemente der
beiden darin enthaltenen Magnetfeldsensoren zueinander senkrecht
verlaufen. Bei der in 5 gezeigten
Ausführungsform sind
die drei Halter 45 so angeordnet, dass die Ebenen der Sensorelemente 3 der
drei Magnetfeldsensoren 1 zueinander senkrecht verlaufen.
Natürlich können zwei
der drei Magnetfeldsensoren auch zueinander parallel angeordnet
sein und so orientiert sein, dass die Vorzugsrichtungen ihrer Sensorelemente
senkrecht zueinander verlaufen. Die dargestellte Ausführungsform
ist jedoch die kompakteste zu erhaltende Ausführungsform, wenn drei Sensorteile 17 entsprechend 4 verwendet werden.
-
Das Volumen kann weiter verkleinert
werden, indem mehr als ein Magnetfeldsensor auf einem einzelnen
Substrat aufgebracht wird. 6 zeigt eine
Ausführungsform
mit zwei Magnetfeldsensoren auf einem einzigen Substrat 19,
das wiederum aus einer flexiblen Folie aus einem elektrisch isolierenden
Material besteht. Auf einer der Hauptflächen des ersten Teils 29 der
Folie ist wieder eine Leiterbahn 21 aufgebracht, von der
nur die Kontur in der Figur angedeutet ist. Diese Kontur hat die
Form eines Rechtecks (in diesem Fall eines Quadrats) mit einer ersten Seite
47, einer zweiten Seite 49, einer dritten Seite 51 und einer vierten
Seite 53. Die erste Seite 47 und die zweite Seite 49 grenzen aneinander,
während
die dritte Seite 51 gegenüber
der ersten Seite und die vierte Seite 53 gegenüber der zweiten Seite liegt.
Die Leiterbahn 21 bildet eine rechteckige Spirale, die
der beschriebenen Kontur folgt. Sie umfasst erste, zweite, dritte
und vierte Gruppen aus aktiven Leiterelementen 55, 57, 59 und 61,
die nahe der ersten Seite 47, der zweiten Seite 49, der dritten
Seite 51 bzw. der vierten Seite 53 liegen. Die aktiven Leiterelemente
in jeder dieser Gruppen verlaufen parallel zu der zugehörigen Seite
des Rechtecks. Am Ort der ersten Gruppe aus aktiven Leitern 55 ist
ein erster Magnetfeldsensor 63 auf der Folie 19 montiert,
während
am Ort der vierten Gruppe 61 ein zweiter Magnetfeldsensor 65 auf
der Folie montiert ist. Die Orientierung dieser Magnetfeldsensoren
in Bezug auf die betreffenden Gruppen aus aktiven Leitern ist die
gleiche wie in 3 und 4. Ein durch die Leiterbahn 21 fließender elektrischer
Strom folgt den Seiten des Rechtecks im Uhrzeigersinn oder entgegen dem
Uhrzeigersinn, sodass die Stromrichtung in einander gegenüber liegenden
Gruppen aus aktiven Leiterelementen immer entgegengesetzt ist.
-
Auf einer der Hauptflächen des
zweiten Teils 31 der Folie 19 sind wieder Anschlussleiter
vorhanden (in 6 nicht
abgebildet), die in der anhand von 5 beschriebenen
Weise mit den Magnetfeldsensoren 63, 65 und der
Leiterbahn 21 verbunden sind. Um die Verbindungen zwischen
diesen Sensoren und den Anschlussleitern möglichst kurz zu halten, grenzt
der zweite Teil 31 der Folie 19 vorzugsweise an
die erste Seite 47 und die vierte Seite 53 des Rechtecks.
-
Der erste Teil 29 der Folie 19 ist
in solcher Weise entlang einer Diagonalen 67 des Rechtecks gefaltet,
dass die zweite Gruppe aus aktiven Leitern 57 auf dem ersten
Magnetfeldsensor 63 und die dritte Gruppe 59 auf
dem zweiten Magnetfeldsensor 65 liegt. Jeder Magnetfeldsensor 63, 65 liegt
somit zwischen zwei Gruppen aus aktiven Leiterelementen, die in
zwei Ebenen verlaufen, die parallel zur Ebene der Sensorelemente
liegen. Die Stromrichtung in den beiden Gruppen aus aktiven Leitern
ist entgegengesetzt und die zwei Gruppen bilden, zusammen mit dem
betreffenden Magnetfeldsensor, eine Sandwichkonstruktion, die die
gleichen Eigenschaften hat, wie anhand von 4 beschrieben ist.
-
Infolge der Orientierung der zwei
Magnetfeldsensoren 63, 65 relativ zu den Seiten
47, 53 des Rechtecks verlaufen die Vorzugsrichtungen der Magnetisierung
der Sensorelemente dieser Sensoren zueinander senkrecht, sodass
sie für
zueinander senkrechte Magnetfelder empfindlich sind. Daher ist die beschriebene
Kombination sehr geeignet, um beispielsweise zwei zueinander senkrechte
Komponenten des Erdmagnetfeldes zu detektieren, sodass sie vorteilhaft
in einem magnetischen Kompass verwendet werden kann. Hierzu kann
der erste Teil 29 der Folie 19 beispielsweise
zusammen mit den darauf montierten ersten und zweiten Magnetfeldsensoren 63 und 65 in
einem Halter 71 angeordnet sein, wie in 7 gezeigt. Der zweite Teil 31 der
Folie ragt aus dem Halter 71 heraus. Der Halter 71 kann
sehr klein und leicht sein und ein Volumen von beispielsweise einigen
mm3 und ein Gewicht von einigen Gramm haben.
Daher ist er sehr geeignet für
eine Montage außerhalb
des Körpers
eines Fahrzeugs, beispielsweise an der Spitze einer auf dem Fahrzeug
montierten Antenne. Die Anschlussleiter 25 können dann
mittels eines entlang der Antenne verlaufenden Kabels an die in
dem Fahrzeug untergebrachten Speise- und Signalverarbeitungsschaltungen 9 und 11 angeschlossen
werden.
-
8 und 9 zeigen eine Ausführungsform, die
mit der in 6 und 7 gezeigten Ausführungsform
verwandt ist, aber die für
die Detektion von drei zueinander senk rechten Magnetfeldern, beispielsweise
den drei Komponenten des Erdfeldes, geeignet ist. 8 zeigt eine Folie 19 mit einem
ersten Abschnitt 29 und einem zweiten Abschnitt 31,
die stark der in 6 dargestellten
Folie ähnelt.
Auf dem ersten Teil 29 ist eine Leiterbahn 21 aufgebracht,
die spiralförmig
verläuft,
im Wesentlichen in gleicher Weise wie in 6, mit einer rechteckigen Kontur, die
eine erste Seite 47, eine zweite Seite 49, eine dritte Seite 51
und eine vierte Seite 53 hat. Die Stromrichtungen in Teilen der
Leiterbahn 21, die nahe einander gegenüber liegenden Seiten des Rechtecks
verlaufen, sind wieder entgegengesetzt. Die Leiterbahn 21 umfasst sechs
Gruppen aus aktiven Leiterelementen, d. h. eine erste Gruppe 73 und
eine zweite Gruppe 75, die nahe einander gegenüber liegenden
Punkten der ersten Seite 47 und der dritten Seite 51 des Rechtecks
liegen, eine dritte Gruppe 77 und eine vierte Gruppe 79,
die auch nahe einander gegenüber
liegenden Punkten der ersten Seite und der dritten Seite liegen,
und eine fünfte
Gruppe 81 und eine sechste Gruppe 83, die symmetrisch
in Bezug auf eine zur ersten Seite parallel verlaufende erste Mittellinie 85 nahe
der vierten Seite 53 liegen. Eine Mittellinie eines Rechtecks ist
eine Linie, die das Rechteck in zwei identische Rechtecke aufteilt.
Am Ort der ersten Gruppe 73, der dritten Gruppe 77 und
der fünften Gruppe 81 sind
ein erster Magnetfeldsensor 87, ein zweiter Magnetfeldsensor 89 bzw.
ein dritter Magnetfeldsensor 91 auf der Folie 19 montiert,
wobei die Orientierungen der Magnetfeldsensoren relativ zu den aktiven
Leiterelementen denen der in den vorhergehenden Figuren gezeigten
Magnetfeldsensoren entsprechen.
-
Der erste Teil 29 der Folie 19 ist
anschließend
in solcher Weise entlang der ersten Mittellinie 85 gefaltet
worden, dass die zweite Gruppe aus aktiven Leiterelementen 75 auf
dem ersten Magnetfeldsensor 87, die vierte Gruppe 79 auf
dem zweiten Magnetfeldsensor 89 und die sechste Gruppe 83 auf dem
dritten Magnetfeldsensor 91 liegt. Die Weise des Faltens
wird durch den Pfeil 93 angegeben. Die Gruppen bilden dann,
zusammen mit den jeweiligen Magnetfeldsensoren, Sandwichkonstruktionen,
die die anhand der vorhergehenden Figuren beschriebenen Eigenschaften
haben. Daraufhin ist der erste Teil 29 der Folie 19 entlang
einer zweiten Mittellinie 95 um 90° gefaltet worden, wie mit dem
Pfeil 97 angegebenen. Die zweite Mittellinie 95 verläuft senkrecht
zur ersten Mittellinie 85 und nach dem letzten Faltvorgang
verläuft
die Ebene der Sensorelemente des zweiten Magnetfeldsensors 89 senkrecht
zur Ebene der Sensorelemente des ersten Magnetfeldsensors 87 und
des dritten Magnetfeldsensors 91. Die Orientierung der
drei Magnetfeldsensoren 87, 89 und 91 ist dann
derart, dass sie für
drei zueinander senkrechte Magnetfelder empfindlich sind. Daher
ist die so gebildete Gesamtheit besonders zur Verwendung in einem
magnetischen Kompass geeignet, um die drei Komponenten des Erdmagnetfeldes
zu detektieren.
-
9 zeigt
einen Halter 99, in dem der erste Teil 29 der
Folie 19, in beschriebener Weise gefaltet, so aufgenommen
ist, dass der zweite Teil 31 mit den Anschlussleitern aus
dem Halter herausragt. Die Abmessungen und das Gewicht des Halters 99 sind
nur wenig größer als
die des Halters von 7.
-
Wie bereits erwähnt, ist die beschriebene Einrichtung
wegen der kleinen Abmessungen des Sensorteils besonders zur Verwendung
in einem magnetischen Kompass für
ein Fahrzeug geeignet, beispielsweise ein Auto, ein Schiff oder
ein Flugzeug. Andere mögliche
Anwendungen sind beispielsweise ein in eine Armbanduhr eingebauter
Kompass (insbesondere die Version von 7,
die für
zwei Magnetfeldkomponenten empfindlich ist) oder ein unabhängiger Kompass
als Sport- oder Autozubehör.
Weitere mögliche
Anwendungen sind Erdfeldkompensationsregelung für hochlauflösende Bildmonitore und Verkehrsregelungssysteme
(beispielsweise in Straßenflächen eingebettete
Sensoren).