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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor, der im
Wesentlichen eben ist und insbesondere auf einem integrierten Schaltkreis
verwirklicht ist, wobei dieser magnetische Sensor vom so genannten "Fluxgate"-Typ ist und typisch
dafür bestimmt
ist, ein Magnetometer zur Erfassung von schwachen bis sehr schwachen
Magnetfeldern in einer Ebene, beispielsweise für medizinische Anwendungen,
auszurüsten.
Dieses Magnetometer ist dann vorzugsweise in CMOS-Technik verwirklicht,
wobei seine zugeordnete elektronische Schaltung auf dem Substrat
integriert ist, auf dem der Sensor verwirklicht ist.
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Als
Stand der Technik kann die Veröffentlichung "Integrated Planar
Fluxgate Sensor With Amorphous Metal Core" von L. Chiesi, J.A. Flaganan, B. Janossy
und R.S. Poponic der Eidgenössischen Technischen
Hochschule (ETH), Lausanne (Schweiz), angeführt werden, die anlässlich der
Konferenz "EuroSensors
XI", Warschau (Polen),
1997 präsentiert
wurde.
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Diese
Veröffentlichung
beschreibt einen magnetischen Mikrosensor, der eben ist und auf
einem Substrat aus Silicium integriert ist, wie in der beigefügten 1 als
Veranschaulichung des Standes der Technik dargestellt ist.
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Außerdem beschreibt
das Dokument "An
integrated micro fluxgate magnetic sensor" von S.O. Choi, S. Kawahito, Y. Matsumoto,
M. Ishida und Y. Tadokoro der Technischen Hochschule Toyohashi (Japan)
in "Sensors and
Actuators A-Physical", von Elsevir am
1. März
1996 veröffentlicht,
einen magnetischen Sensor vom "Fluxgate"-Typ, der auf einem Halbleitersubstrat
verwirklicht ist, wobei er dünne
magnetische Schichten, eine quadratische Erregerspule und eine Erfassungsschaltung,
die aus zwei ebenen Erfassungsspulen gebildet ist, umfasst.
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Wie
aus 1 hervorgeht, ist dieser magnetische Sensor oder "Fluxgate"-Sensor mittels CMOS-Integrationstechnik
an ein Mikrosubstrat aus Silicium 1 oder einen "Siliciumchip" aus einem Plättchen in
Form eines Parallelepipeds angefügt.
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Dieser
Mikrosensor ist auf der oberen Hauptfläche 2 des parallelepipedischen
Substrats 1 integriert, wobei dieses Letztere in Bezug
auf das zu messende äußere Magnetfeld
Hext in der Weise positioniert wird, dass diese Hauptfläche 2 praktisch
koplanar zu diesem äußeren Feld
Hext ist.
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Der
eigentliche magnetische Sensor umfasst ein Metallband 3 aus
einem amorphen Magnetwerkstoff, das von einem Erregungsstrom durchflossen wird,
der durch zwei Aluminiumdrähte 5, 6,
die jeweils an ein Ende dieses Bands 3 geschweißt sind,
transportiert wird. Dieser Erregungsstrom ist ein Wechselstrom mit
der Frequenz f und dreieckförmigem
Verlauf, der ein Magnetfeld der gleichen Frequenz erzeugt, das auf
Grund des nichtlinearen Charakters der B-H-Kurve (Magnetfluss-Magnetfeld-Kurve)
des Bands oder amorphen ferromagnetischen Kerns 3 diesen
ferromagnetischen Werkstoff 3 periodisch sättigt.
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Der
Sensor umfasst zwei koplanare Erfassungsspulen 7, 8,
die in Reihe und einander entgegengesetzt, d. h. in differenzieller
Schaltung, angeordnet sind, wobei jede unter einem Ende des Bands oder
amorphen ferromagnetischen Kerns 3 angeordnet ist, wo sie
folglich jeweils das Streufeld an diesen Enden messen.
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Wegen
der nichtlinearen Permeabilität
des amorphen ferromagnetischen Kerns 1 enthält die von jeder
Spule 7 und 8 erfasste Spannung Harmonische der
Erregungsfrequenz f, wovon nur die geradzahligen Harmonischen von
Interesse sind, denn sie sind proportional zu dem zu messenden äußeren Magnetfeld
Hext. Im Allgemeinen wird die Erfassung folglich mit der Frequenz 2f durchgeführt.
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Diese
bekannte Vorrichtung hat als Nachteile, dass sie einerseits nicht
ermöglicht,
die Messung des äußeren Feldes
Hext in zwei orthogonalen Richtungen durchzuführen, ohne die Winkellage des
Sensors ändern
zu müssen,
und andererseits einen Mangel an Empfindlichkeit aufweist. Außerdem ist
ihre Ausgangsspannung von der Frequenz des Erregungsstroms abhängig, und
ihr Stromverbrauch ist verhältnismäßig hoch.
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Die
Erfindung hat zum Ziel, einen magnetischen Sensor zu schaffen, der
zu dem Sensor gemäß 1 analog
ist, jedoch nicht die voranstehend genannten Nachteile aufweist,
sondern hinsichtlich seiner Leistungsparameter, insbesondere hinsichtlich
seines niedrigeren Stromverbrauchs sowie seiner Fähigkeit, äußere Magnetfelder
Hext sehr geringer Intensität
zu erfassen sowie Magnetfelder in zwei orthogonalen Richtungen zu
erfassen, in hohem Maße
verbessert ist.
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Zu
diesem Zweck bezieht sie sich auf einen magnetischen Sensor, der
im Wesentlichen eben ist und auf einem Halbleitersubstrat verwirklicht
ist, wobei dieser Sensor umfasst:
- – einen
oder mehrere magnetische Kerne, die im Wesentlichen eben sind und
an eine ebene Hauptfläche
dieses Substrats angefügt
sind;
- – wenigstens
eine Erregungsschaltung und
- – wenigstens
eine Erfassungsschaltung, die aus wenigstens zwei ebenen Erfassungsspulen
gebildet ist, die ebenfalls an diese Hauptfläche des Substrats angefügt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungsschaltung aus einer einzigen
ebenen Spule gebildet ist, die eine im Wesentlichen quadratische äußere Form
besitzt, und dass der oder die magnetischen Kerne langgliedrige
Kerne sind, die in Form eines griechischen Kreuzes entsprechend
den zwei Diagonalen des geometrischen Quadrats, das durch den äußeren Umfang
der ebenen Erregungsspule definiert ist, angeordnet sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der magnetische Kern einzeln und einteilig, wobei er eine Form eines
griechischen Kreuzes hat, das entlang der Diagonalen angeordnet
ist. In diesem Fall ist die Erfassungsschaltung vorteilhaft aus
vier Erfassungsspulen gebildet, die jeweils an vier freien Enden
des einteiligen magnetischen Kerns in Form eines griechischen Kreuzes
angeordnet sind. Vorzugsweise ist der Werkstoff, aus dem der oder
die magnetischen Kerne gebildet sind, amorph.
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Die
Erfindung wird umfassend verstanden und ihre Vorteile sowie weitere
Merkmale werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung zweier nicht
einschränkender
Ausführungsbeispiele
mit Bezug auf die beigefügte
schematische Zeichnung, worin
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1 wie
zuvor schon beschrieben einen magnetischen Mikrosensor des Standes
der Technik darstellt;
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2 eine
perspektivische, in Einzelteile aufgelöste Teilansicht einer bevorzugten
Ausführungsform
des magnetischen Mikrosensors der Erfindung ist;
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3 eine
auf den magnetischen Kern und auf seine Erregerspule beschränkte Teilansicht
ist, die den Richtungssinn des Erregerfeldes in jedem der vier Halbschenkel
dieses magnetischen Kerns zeigt;
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4 ein
Zeitdiagramm zur Erläuterung
der Funktionsweise dieses Sensors ist;
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5 der Übersichtsschaltplan
der Erregungs- und Erfassungsschaltung ist, die einem der zwei Schenkel
dieses Kerns in Form eines griechischen Kreuzes zugeordnet ist;
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6 eine
weitere Ausführungsform
dieses magnetischen Mikrosensors veranschaulicht;
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7 den
Vorteil veranschaulicht, wenn gemäß einer Variante jedem der
amorphen magnetischen Stäbe,
die insbesondere den magnetischen Sensor von 6 ausrüsten, eine
Ellipsoidform verliehen wird.
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In 2 ist
mit dem Bezugszeichen 1 wieder das Substrat in Parallelepipedform
bezeichnet worden, das jenem des zuvor mit Bezug auf 1 beschriebenen
Sensors des Standes der Technik ähnlich
ist. Dieses Substrat umfasst, durch CMOS-Integration auf seiner
oberen Hauptfläche 2 verwirklicht, die
elektro nische Schaltung, die für
die Gesamtverwirklichung des Magnetometers dem magnetischen Sensor
zugeordnet ist, wobei diese integrierte elektronische Schaltung
in dieser Figur nicht dargestellt ist.
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Dieser
Sensor umfasst eine Erregerspule 9, die eben ist und an
die Fläche 2 des
Substrats 2 angefügt
ist, wobei diese Spule 9 einen äußeren Umfang hat, der durch
ihre äußere Windung 90 von
im Wesentlichen quadratischer Form gebildet ist. Die anderen Windungen 91 bis 94 dieser
Erregerspule 9 sind konzentrisch zu der äußeren Windung 90,
ebenfalls von quadratischer Form und wie dargestellt von schrittweise
abnehmenden Abmessungen.
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An
diese Erregerspule 9 ist, typisch durch Kleben, ein ferromagnetischer
Kern 10 angefügt,
der wie im Fall der Vorrichtung des Standes der Technik gemäß 1 aus
einem amorphen Magnetwerkstoff gebildet ist und der typisch aus
einem handelsüblichen
amorphen, ferromagnetischen Metallband hergestellt ist.
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Jedoch
hat gemäß der vorliegenden
Erfindung dieser ferromagnetische Kern 10 eine Form eines
griechischen Kreuzes, wobei diese Form mit zwei senkrecht aufeinander
stehenden Diagonalen des Quadrats, das durch die äußere Windung 94 der Erregerspule 9 bestimmt
ist, d. h. des von dieser Spule definierten geometrischen Quadrats,
zusammenfällt.
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Auf
diese Weise können
zwei senkrecht aufeinander stehende Komponenten H1 und H2 des äußeren Magnetfeldes
Hext gemessen werden, wobei diese beiden Komponenten jeweils entsprechend den
zwei orthogonalen Schenkeln 101 und 102 des Kerns 10 gerichtet
sind. Die Komponente H1 wird dann von dem Schenkel 101 des
Kerns 19 gemessen, während
die Komponente H2 von seinem orthogonalen Schenkel 102 gemessen
wird.
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Die
Erfassung wird hier durch zwei koplanare Paare Erfassungsspulen
bewerkstelligt, nämlich
- – einem
ersten Paar ebener Erfassungsspulen 70, 80, die
ebenfalls mittels CMOS-Technik
an die Fläche 2 des
Substrats 1, unterhalb der Erregerspulenebene 9 angefügt sind,
wobei diese zwei Erfassungsspulen in Reihe und differenzieller Schaltung
angeordnet sind, wobei sie jeweils unter einem der zwei freien Enden
des Schenkels 102 des Kerns 10 positioniert sind.
Dieses erste Paar 70, 80 hat folglich zur Aufgabe,
die Komponente H2 des äußeren Feldes
Hext zu erfassen.
- – einem
zweiten Paar Erfassungsspulen 71, 81, die den
zwei Spulen 70, 80 völlig gleich sind, wobei diese
zwei Spulen ebenfalls in Reihe und differenzieller Schaltung angeordnet
sind und jeweils unter einem der zwei freien Enden des anderen Schenkels 101 des
Kerns 10 positioniert sind. Dieses zweite Paar ebener Spulen 71, 81 hat
zur Aufgabe, die Komponente H1 des äußeren Feldes Hext zu erfassen.
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3 zeigt
die Erregerspule 9 mit dem Richtungssinn des Erregungsstroms
lexc, wobei dieser Letztere übrigens
aus abwechselnd positiven und negativen Impulsen bei einem geringen
Tastgrad, in der Größenordnung
von 1/8, gebildet ist, und um die Ideen festzuhalten zeigt diese
Figur den Richtungssinn des Erregungsmagnetfeldes Hexc, das folglich in
jedem der Halbschenkel 101A, 101B, 102A, 102B des
Kerns 10 erzeugt wird.
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Es
ist ersichtlich, dass in jedem der Halbschenkel 101A, 101B ein
und desselben Schenkels 101 des Kerns 10 die Erregungsfelder
Hexc, die durch den Erregungsstrom lexc erzeugt werden, entgegengesetzte
Richtungen aufweisen.
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Daraus
folgt, dass in jedem Schenkel, 101 oder 102, des
Kerns 10 das zu messende äußere Magnetfeld Hext eine Länge des
Kerns sieht, die der Gesamtheit der Länge des Schenkels äquivalent
ist, obwohl das Erregungsfeld Hexc nur eine Länge des Kerns sieht, die der
Hälfte
der Länge
dieses Schenkels äquivalent
ist. Folglich sieht das äußere Magnetfeld
einen ferromagnetischen Kern, der eine entsprechende scheinbare
Permeabilität
besitzt, die größer als
jene des Erregungsfeldes ist, was schließlich die Empfindlichkeit des
Sensors in starkem Maße
erhöht.
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4 ermöglicht,
das Funktionsprinzip des Sensors zu verstehen, das auf einen der
zwei Schenkel des Kerns 10, d. h. auf die Messung einer
der zwei Komponenten, H1 oder H2, des zu messenden äußeren Magnetfeldes
Hext, angewendet wird.
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Die
linke Seite dieser Figur ist eine erste Serie I aus vier Kurven, die als Funktion der
Zeit t die Veränderungen
des Erregungsfeldes Hexc in einem der Schenkel, beispielsweise 101,
des Kerns, des entsprechenden Erregungsflusses ϕexc, der
in jeder der zwei entsprechenden Erfassungsspulen, 71 und 81,
induzierten Spannung Vi und der Spannung Vs am Ausgang der Baugruppe
aus diesen zwei Spulen zeigen, wobei diese erste Serie I von Kurven bei Abwesenheit eines zu messenden äußeren Magnetfeldes
Hext verwirklicht ist.
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Auf
dieselbe Art und Weise ist die rechte Hälfte dieser Figur eine zweite
Serie II von vier gleichartigen
Kurven, diesmal jedoch in Gegenwart eines zu messenden äußeren Magnetfeldes
Hext.
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Die
Kurvenserie I zeigt, dass die
Erregungsfelder sowie die Erregungsflüsse Hexc und die induzierten
Spannungen Vi in Bezug auf die Halbschenkel 101A und 101B dieses
Schenkels 101 des Kerns mit entgegengesetzten Vorzeichen
gleich sind. Die Ausgangsspannung Vs, die am Ausgang der Reihen- und
differenziellen Schaltung der zwei Erfassungsspulen 71 und 81 abgegriffen
wird, ist dann bei Abwesenheit eines äußeren Feldes Hext null.
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Dagegen
wird die Gegenwart eines äußeren Magnetfeldes
gemäß der Kurvenserie II die Kurve Hexc(t) nach
oben verschieben, was eine Asymmetrie der zwei induzierten Spannungen
Vi und des Weiteren eine Ausgangsspannung Vs ungleich null, die aus
einer Reihe abwechselnd positiver und negativer Impulse gebildet
ist, zur Folge hat. Diese Impulse werden dann gleichgerichtet und
geglättet,
um eine Messgleichspannung zu erzielen, wie nun anhand der 5 zu
sehen ist, die ein Funktions- und Übersichtsschema der elektronischen
Schaltung ist, die einem der Schenkel des Kerns 10 dieses
Sensors, beispielsweise dem Schenkel 101, zugeordnet ist.
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Wie
in 5 zu sehen ist, wird ein externer gepulster Takt
CLK mit einer Frequenz fo benutzt, der Impulse 11 liefert.
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Diese
Impulse 11 werden an eine Frequenzteilerschaltung 12 angelegt,
die mehrere periodische Wechselsignale abgibt, und zwar
- – zwei
erste phasenverschobene periodische Signale der Frequenz f, beispielsweise
gleich 125 kHz, an einem ersten Ausgang 13;
- – zwei
zweite um Π phasenverschobene
periodische Signale der Frequenz 2f an einem zweiten Ausgang 14;
- – zwei
dritte um Π phasenverschobene
periodische Signale der Frequenz 2f an einem dritten Ausgang 15.
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Die
zwei ersten Signale werden an eine Entwicklungs- und Formungsschaltung 16 angelegt,
die an ihrem Ausgang 17 einen Erregungswechselstrom 18 mit
einem verhältnismäßig geringen
Tastgrad, beispielsweise von 1/8, an die Erregerwicklung 9 liefert. Der
Tastgrad des Stroms 18 ist durch die Phasenverschiebung
der zwei ersten Signale bestimmt. Vorzugsweise ist die Schaltung 16 derart
ausgelegt, dass die Breite der Impulse der zeitlichen Verschiebung
dieser zwei ersten Signale gleich ist.
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Am
Ausgang der Baugruppe aus den zwei Erfassungsspulen 71, 81 tritt
dann ein periodisches und gepulstes induziertes Signal 19 auf,
das an eine Gleichrichterschaltung 20 angelegt wird, die
ihrerseits über
die Verbindung 140 mit einer Frequenz 2f angesteuert
wird, um das gleichgerichtete Signal 21 am Ausgang 22 dieses
Gleichrichters 20 zu erhalten. Es wird angemerkt, dass
eine synchrone Erfassung geradzahliger Harmonischer der Erregungsfrequenz f
vorliegt.
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Dieses
gleichgerichtete Signal 21 wird dann in einem Tiefpassfilter 23,
das über
die Verbindung 150 mit einer Frequenz von 2f angesteuert
wird, so dass es im Wesentlichen während der Dauer der induzierten
Impulse des gleichgerichteten Signals 21 aktiv ist, geglättet. Das
geglättete
Signal wird anschließend
in einem Verstärker 24 verstärkt, damit schließlich die
Messgleichspannung 25 am Ausgang S dieses Sensors erhalten
wird.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf das soeben beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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So
veranschaulicht 6 als Beispiel eine Ausführungsvariante
dieses Sensors, bei welcher der amorphe ferromagnetische Kern nicht
wie zuvor aus einem griechischen Kreuz in einem Stück gebildet
ist, sondern aus vier verschiedenen und geraden Halbschenkel-Kernelementen 101A, 101B, 102A, 102B,
die, wie dargestellt ist, wie im vorhergehenden Fall entsprechend
den zwei Diagonalen des Quadrats angeordnet sind, das von der Erregerspule 9 definiert
wird.
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In
einem solchen Fall sind die vier Erfassungsspulen 70, 71, 80, 81 jeweils
unter den äußeren freien
Enden dieser vier Kernelemente 102A, 101A, 102B, 101B angeordnet,
jedoch sind außerdem
vier weitere Erfassungsspulen 73, 72, 82, 83 anzutreffen, die
jeweils unter den inneren freien Enden dieser vier Kernelemente
positioniert sind.
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Schließlich zeigt 7,
dass es möglicherweise
vorteilhaft ist, was übrigens
an sich bekannt ist, jedes gerade Kernelement, etwa den Stab 101,
beispielsweise durch ein Element von ebenfalls langgliedriger Gestalt,
jedoch Ellipsoidform anstelle der Parallelepipedform zu ersetzen.
Wie die Kraftlinien 26 des Magnetflusses in dem einen und
dem anderen Fall deutlich machen, ist bei einem ellipsoidischen
Stab eine viel bessere Gleichmäßigkeit
dieser Kraftlinien festzustellen.