EP3881087A1 - Magnetfeldsensor mit geringem rauschen und hoher bandbreite - Google Patents

Magnetfeldsensor mit geringem rauschen und hoher bandbreite

Info

Publication number
EP3881087A1
EP3881087A1 EP19809166.2A EP19809166A EP3881087A1 EP 3881087 A1 EP3881087 A1 EP 3881087A1 EP 19809166 A EP19809166 A EP 19809166A EP 3881087 A1 EP3881087 A1 EP 3881087A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic field
field sensor
hall effect
sensor system
induction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19809166.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sasa Spasic
Radivoje Popovic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Senis AG
Original Assignee
Senis AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Senis AG filed Critical Senis AG
Publication of EP3881087A1 publication Critical patent/EP3881087A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • G01R33/072—Constructional adaptation of the sensor to specific applications
    • G01R33/075—Hall devices configured for spinning current measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0005—Geometrical arrangement of magnetic sensor elements; Apparatus combining different magnetic sensor types
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G01R33/0029—Treating the measured signals, e.g. removing offset or noise
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/028—Electrodynamic magnetometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field sensor according to claim 1.
  • Hall magnetic field sensors A sufficiently wide variety and high number of sensors for measuring a magnetic field, in particular Hall magnetic field sensors, are known from the prior art.
  • the basics of Hall magnetic field sensors are very detailed, for example in RS Popovic: “Hall-effect devices", Journal for Sensors and Actuators, Volume 17, Issues 1-2, 3 May 1989, Pages 39-53 or in RS Popovic "Hall Effect Devices “, 2nd Edition CRC Press Taylor & Francis Group, LLC 2003, ISBN: 978-1 -4200-3422-6.
  • the present invention is based on the disclosure of
  • US 6366076 B1 It describes a current sensor which, in addition to a low-pass filter, a low-frequency magnetic field sensor, e.g.
  • a Hall effect sensor and an inductive coil, such as a Rogowski coil, and a summing device combined to combine signals from the Hall effect sensor and the inductive coil.
  • an inductive coil such as a Rogowski coil
  • Arrangement of the sensor within a measurement circuit accompanying effect of this invention is a bandwidth-limited input measurement signal and a noise-superimposed output measurement signal.
  • Amplifier that amplifies the Hall voltage.
  • Noise of the noise spectrum of a Hall effect sensor system is available.
  • the currently known magnetic field sensors also include known silicon-integrated Hall effect sensors, which are also suitable for measuring magnetic fields. These have an insufficient measurement resolution and a too low frequency bandwidth for many modern applications.
  • Components can have a spectral density of the noise-equivalent magnetic induction (SNEMF-SD) of about 50 nT / VHz, such sensors can currently typically only have an SNEMF-SD> 100 nT / VHz.
  • SNEMF-SD noise-equivalent magnetic induction
  • Measurement of magnetic fields typically has a frequency bandwidth (BW) from DC to less than 200 kHz, although a frequency bandwidth from DC to several MHz would be required for a variety of applications.
  • BW frequency bandwidth
  • Hall magnetic field sensor Hall magnetic field sensor
  • the noise of the amplifier as such dominates in the noise budget of the modern silicon-integrated Hall magnetic field sensor system.
  • the bandwidth is limited because the amplifier has to work with a high gain due to the low Hall voltage and the cutoff frequency of the amplifier is low due to the limited gain-bandwidth product of the integrated amplifier.
  • both the input-related noise of an integrated amplifier and its amplification bandwidth product could be improved by increasing the area of the silicon chip occupied by the amplifier and by increasing the power consumption of the amplifier. But then such a silicon-integrated Hall magnetic field sensor would be too expensive and impractical to use.
  • An object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art, the performance of
  • Magnetic field sensor systems in particular Hall effect based, with regard to their measurement resolution of a magnetic field to be measured and the
  • a magnetic field sensor system comprises a first magnetic field sensor, one or more second ones
  • Magnetic field sensors and an amplifier Magnetic field sensors and an amplifier.
  • a magnetic field sensor system can also comprise a first magnetic field sensor and / or a magnetic field sensor subsystem and one or more second magnetic field sensors and an amplifier.
  • Magnetic field sensor which in combination with at least one other component, selected from the group consisting of Hall effect
  • Induction coils and a further amplifier is connected, and wherein the component is connected upstream of the further amplifier.
  • All magnetic field sensors are preferably dimensioned and designed such that they produce magnetic fields in the range up to 1 mT or up to 3 mT, preferably up to 10 mT or 30 mT and in particular up to 100 mT or 300 mT, preferably in a temperature environment of -40 ° C to +125 ° C.
  • Magnetic field sensor subsystem connected in series with the input of the amplifier so as to add the respective output signals to a common input signal of the amplifier.
  • the magnetic field sensors and / or the magnetic field sensor subsystem are preferably cascaded in series with the input of the amplifier, so as to combine the respective output signals
  • Magnetic field sensor system preferably a supply contact of the first magnetic field sensor connected to a voltage source, and all The remaining supply contacts of the magnetic field sensors are each connected to a constant current source or to a constant current sink.
  • the first magnetic field sensor and one or more of the second magnetic field sensors are preferably a component selected from the group consisting of Hall effect sensors and magnetoresistive sensors in FIG.
  • Output voltage over the entire frequency bandwidth is greater than one of the individual output voltages.
  • Magnetic field sensor system with a magnetic field sensor subsystem is a combination of at least one component, selected from the group consisting of Hall effect
  • Sensors magnetoresistive sensors in, preferably Wheatstone, bridge circuit, induction loops or induction coils, and a further amplifier, the component being connected upstream of the further amplifier.
  • the output contacts of the magnetic field sensor subsystem are preferably electrically coupled to the input contacts of the further amplifier.
  • a magnetic field sensor system and a magnetic field sensor subsystem have only one
  • Magnetic field sensor subsystem switchable contacts for operation by means of spinning current technology and chopper stabilization.
  • a magnetic field sensor system - in the presence of an induction loop or an induction coil as part of the magnetic field sensor system - additionally has an integrator or one
  • Low-pass filter to compensate for the frequency dependence of the voltage induced in the induction loop or in the induction coil.
  • a Hall effect sensor or a magnetoresistive sensor such as an AMR sensor or a GMR sensor
  • Magnetoresistive sensor is leading.
  • Magnetic field sensor system, the first magnetic field sensor and at least one of the second magnetic field sensors and the magnetic field sensor subsystem are designed as an integrated circuit.
  • the invention is in one
  • Magnetic field sensor system the first magnetic field sensor and at least one of the second magnetic field sensors or the magnetic field sensor subsystem are designed as an integrated circuit.
  • Magnetic field sensor system the first magnetic field sensor or at least one of the second magnetic field sensors and the magnetic field sensor subsystem are designed as an integrated circuit.
  • Magnetic field sensor system the first magnetic field sensor or at least one of the second magnetic field sensors or the magnetic field sensor subsystem is designed as an integrated circuit.
  • the magnetic field sensor system is preferably designed as an integrated circuit.
  • the integrated circuit is preferably with an induction loop, preferably externally connected, or a preferably externally connected,
  • Induction coil connected in series to the
  • the integrated circuit of a magnetic field sensor system comprises at least one Hall effect sensor for each spatial direction component of a magnetic field vector
  • Induction loop or the induction coil or a combination of these at least partially surround the integrated circuit in this way spatially that all spatial direction components of the magnetic field vector can be detected.
  • the integrated circuit of a magnetic field sensor system comprises at least one Hall effect sensor and an induction loop or an induction coil for each
  • Spatial direction component of a magnetic field sector so that one, two or three spatial direction components of the magnetic field vector can be detected.
  • Hall effect sensors are
  • the value of the SNEMF-SD of a magnetic field sensor or a magnetic field sensor subsystem is close to that of a commercially available silicon-integrated Hall effect sensor such as, for example, of the type Allegro A1324, A1325 or A1326, of the type AKM EQ-430L, EQ-431 L, EQ-432L or EQ-433L or of the type LEM FHS Minisense, preferably in the range of 50 (+/- max 10) nT / VHz.
  • the frequency bandwidth (BW) of a magnetic field sensor or a magnetic field sensor subsystem is in the range from direct current (DC) or 0 Hz to at least 1 MHz or 2 MHz, preferably to 3 MHz and in particular to max. 5 MHz.
  • Magnetic field sensor system one Hall effect sensor and one in series switched inductive component, both the output signal of the Hall effect sensor and the output signal of the inductive
  • Component are amplified by the same factor, so that a
  • Magnetic field measuring range from 5 mT to 3 T in a low
  • Frequency range with a bandwidth from 0 Hz (DC) to 1 kHz with a measurement resolution of 500 nT, ie with a factor of 10 4 of the smallest
  • Measuring range of 5mT measuring range otherwise can be covered with a factor 10 5 of the measuring range.
  • Magnetic field sensor system a Hall effect sensor and an inductive component connected in series, the output signal of the Hall effect sensor being amplified more than the output signal of the inductive component, so that a magnetic field measuring range from 5 mT to 300 mT in a medium frequency range with a bandwidth from 0 Hz (DC) to 200 kHz with a measurement resolution of 5 mT, ie with a factor 10 3 of the smallest measuring range of 5 mT measuring range, otherwise with a factor 10 4 of the measuring range.
  • DC 0 Hz
  • Magnetic field sensor system a Hall effect sensor and an inductive component connected in series, the output signal of the Hall effect sensor being amplified more than the output signal of the inductive component, so that a magnetic field measuring range from 3 mT to 30 mT in a high frequency range with a bandwidth from 0 Hz (DC) to 2 MHz with a measuring resolution of 15 mT, ie with a factor 5x10 2 of the smallest measuring range of 3mT measuring range, otherwise with a factor 10 3 of the measuring range.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a typical Hall magnetic field sensor subsystem known from the prior art
  • FIG. 2 shows a block diagram of a preferred magnetic field sensor system with three Hall effect sensors connected in series;
  • FIG. 3 shows a block diagram of a preferred magnetic field sensor system with a Hall effect sensor connected in series with an induction loop;
  • FIG. 4 shows a block diagram of a preferred magnetic field sensor system with two Hall effect sensors connected in series with an induction loop
  • FIG. 5 shows a block diagram of a preferred magnetic field sensor system
  • FIG. 6 is a block diagram of another preferred embodiment
  • FIG. 7 shows a block diagram of a preferred magnetic field sensor system comprising a Hall magnetic field sensor subsystem
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a preferred embodiment of an induction coil manufactured in planar technology
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a preferred embodiment of a chip on a base plate
  • FIGS. 10a to 10c each show a schematic illustration of a preferred embodiment comprising a sandwich-like arrangement of a chip
  • Figure 11 is a schematic representation of a preferred embodiment of one with its turns perpendicular to the surface of a chip
  • FIGS. 12a to 12c each show a schematic representation of a preferred embodiment of an indicated coil wound around a chip
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a chip including an air coil arrangement
  • Embodiment of a chip including an air coil arrangement Embodiment of a chip including an air coil arrangement.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a typical Hall magnetic field sensor subsystem 500 known from the prior art in the form of an integrated circuit (IHMFS - Integrated Hall Magnetic Field Sensor) with a Hall effect sensor 100, which uses the switch in the spinning current method
  • IHMFS integrated circuit
  • Hall effect sensor 100 which uses the switch in the spinning current method
  • the Hall effect sensor 100 is, just as also shown in FIGS. 5 and 6, a Hall effect sensor element with associated conventional peripheral circuit technology.
  • Switchable contacts implemented on both sides at inputs and outputs of the Hall effect sensor 100 convert the Hall voltage VH into one
  • Frequency 702 to control the switches 110, 111, 112 and 210 by the control unit 701 around, while the offset and
  • the switches 210 between the amplifier 40 and the low pass filter 200 demodulate (or rectify) the amplified Hall voltage VH so that the Hall voltage VH returns to its original baseband. At the same time, the switches 210 convert the amplified offset and / or
  • the low-pass filter 40 filters disturbing ones
  • Output voltage Vout between the two output terminals of the low-pass filter 200 which corresponds to the amplified Hall voltage VH and, as a result, is free of offset and low-frequency noise.
  • the switches 111 pull the Hall effect sensor 100 to the potential v via the current sink 61.
  • the input-related noise voltage Van of the integrated amplifier 40 has, including the parasitic noise of the spinning current
  • Figure 2 shows a block diagram of an embodiment of a
  • the Hall effect sensors 10, 20, 30 are, as also shown in FIGS. 3 and 4, pure sensor elements, usually also referred to as Hall elements. Hall effect sensor 10 is at terminal 11 by the one on the potential v +
  • the Hall effect sensor 20 is operated at terminal 21 by the current source 50b connected to the potential v + and by means of a reference voltage Vref applied to terminal 23.
  • the Hall effect sensor 30 is connected to terminal 31 by the one on the
  • current sink 60c operated at potential v.
  • the current source 50a, 50b, 50c and the two current sinks 60a and 60c in conjunction with the applied reference voltage Vref that enables the series connection of the Hall effect sensors 10, 20, 30 and the resultant result
  • FIG. 3 shows a block diagram of a magnetic field sensor system, comprising a Hall effect sensor 10 with connecting terminals 11, 12, 13, 14, the Hall voltage VH being present at the terminals 11 and 13, and one
  • Induction loop 150 an amplifier 40 and an optional
  • Low pass filter 200 all of which are connected in series.
  • the Hall effect sensor 10 and the induction loop 150 are interconnected such that the phase of the voltage VL induced in the induction loop 150, preferably by TT / 2, leads the phase of the Hall voltage VH. Decisive for this is the direction of flow of the bias current lh of the Hall effect sensor 10, which can be seen in FIG. 3.
  • the voltage VL which is proportional to the time derivative of the magnetic field dB / dT, is proportional to the frequency f of the magnetic field B.
  • the low-pass filter 200 of the 1st order preferably has one
  • A Nc x Aa, (3) where Nc is the number of turns of coil 160, and A a is
  • Cutoff frequency of the low pass filter 200 as follows
  • the maximum frequency f m of the magnetic field B can be much higher than, for example, the cut-off frequency f c of the low-pass filter 200, namely fm> (10-100) * f c (10)
  • the output voltage Vout is present at the output terminals of this series connection.
  • the series circuit is supplied with electrical power via the potentials v + and v- in connection with the current sink 61.
  • the orientation of the sensor 10 to the magnetic field is also shown.
  • FIG. 4 shows a block diagram of a preferred magnetic field sensor system with two Hall effect sensors 10 and 20 and an induction coil 160, which are connected in series by the three at the respective terminals 24 and 14 of the Hall effect sensors 10 and 20 and the one in between
  • the Hall effect sensor 10 is operated at terminal 11 by the current source 50a, which is at the potential v +, and at terminal 13 by the current sink 60a, which is at the potential v +.
  • the Hall effect sensor 20 is connected to terminal 21 by the one at the potential v + Current source 50c and operated at terminal 23 by the current sink 60c, which is on the other hand analogous to FIG.
  • Magnetic field sensor system, the coil 160 and the Hall effect sensors 10, 20 have a coordinated geometric and electrical
  • the reference voltage Vref defines a suitable common mode voltage at the input of the amplifier 40.
  • preferred embodiments of the magnetic field sensor system shown in FIG. 4 include a low-pass filter 200 on the output side.
  • a preferred embodiment has one
  • the input-related noise voltage Van of the integrated amplifier 40 including the parasitic noise of the spinning current current operation together with a chopper stabilization, has a value of 10 nV / V Hz with a gain of 100.
  • the noise is up to a factor 8 lower than in the prior art according to FIG. 1.
  • Figure 5 shows a block diagram of a preferred embodiment
  • Magnetic field sensor system comprising a Hall effect sensor 100 and an induction loop 150, the output terminals of these devices in Series are connected as shown in Figure 3.
  • the Hall effect sensor 100 is operated using the spinning current method and the chopper is stabilized.
  • the switches 1 10, 1 1 1 and 1 12 on both sides at inputs and outputs of the Hall effect sensor 100 convert the voltage drop VH into an AC voltage with a voltage predetermined by the clock signal 700
  • Frequency 702 to control the switches 1 10, 1 1 1 and 1 12 by the control unit 701 um, while the offset and
  • the switch 1 12 connects the drop voltage VH in series to the induction loop 150. This then added to the inputs of the switch 1 13
  • Output voltage VH + VL is connected in series to amplifier 40 for amplification.
  • the switches 210 between the amplifier 40 and the optional low pass filter 200 demodulate (or rectify) the boosted fall voltage VH SO to return to its original baseband.
  • the switches 210 convert the amplified offset and / or low frequency noise of the Hall effect sensor 100 and the amplified offset and low frequency noise of the amplifier 40 into one
  • the low-pass filter 40 filters disturbing ones
  • Output voltage Vout between the two output terminals of the optional low-pass filter 200 or the output signal OUT is present between the output terminals of a further component 300 connected in series, preferably an output amplifier or an analog-digital converter.
  • VH signals are free of offset and
  • FIG. 5 shows a block diagram of another preferred embodiment of the magnetic field sensor system
  • Magnetic field sensor system with a Flall magnetic field sensor subsystem 500 from FIG. 1, an induction loop 150 with an output voltage VL being connected in series between the demodulation switches 1 12 and the optional low-pass filter 200 indicated by a broken line.
  • the amplified Fall voltage VH is present according to equation (1).
  • the sufficient cut-off frequency f c of the low-pass filter 200 is given by instead of equation (2)
  • Equations (2) and (12) with each other, it follows that the repositioning of the induction loop 150 from the input of the amplifier 40 to the output of the amplifier 40 from an increase in the cutoff frequency f c
  • Low pass filter 200 goes by the factor G with G> 1.
  • Induction loop 150 no longer by equations (7) or (8), but fm * Bm ⁇ Vm * fc / (Sh) (13) or fm * Bm ⁇ Vm / (2 * p * A) (14)
  • the product of the maximum frequency f m and the maximum amplitude B m consequently increases by the factor G with G> 1.
  • Induction loop 150 are amplified by the same factor G, the magnetic field sensor system is particularly suitable for the low-frequency range from DC to 1 kHz.
  • the magnetic field sensor system is particularly suitable for the broadband
  • FIG. 7 shows a block diagram of a preferred magnetic field sensor system comprising a Hall magnetic field sensor subsystem 500 with an integrated output amplifier 201 and a downstream non-integrated induction coil 160 to which the output voltage VH of the Hall magnetic field sensor subsystem 500 is present as an input voltage, an RC element as a low-pass filter 200 of the 1st order and an optional amplifier 40 shown in broken lines, all of which are connected in series.
  • the embodiment shown is particularly suitable for high-frequency due to the variably configurable external induction coil 160
  • Both the cut-off frequency f c and the product f m * B m are dependent on the effective effective area of the induction coil and can therefore, as also shown in FIGS. 8 to 14, be shaped by the shape and design and the number of turns of the coils.
  • a preferred embodiment has one
  • Magnetic field sensor systems an IHMFS with a bandwidth BW from DC to a maximum of 100 kHz.
  • the IHMFS has a sensitivity of 100 V / T. It typically comprises the series circuit shown in FIG. 7, consisting of an IHMFS according to one of FIGS. 1 to 6 and the three Hall effect sensors 10, 20, 30, as well as the external coil 160 and the low-pass filter 200.
  • the input-related noise voltage Van of the amplifier 40 which is part of the IHMFS and already integrated therein, including the parasitic noise of the spinning current current operation together with a chopper stabilization, has a value of 10 nV / VHz at one
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an embodiment of an induction coil 160 made in planar technology, which is preferably integrated on a chip with other components of the magnetic field sensor system.
  • the number of turns can be freely selected depending on the application via the selector switch 1 14 with the three switchable turns shown schematically.
  • the area A depending on the number of turns
  • Induction coil 160 can be varied application-related far beyond these three windings, which are shown schematically.
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of an embodiment of a chip 600 on a base plate 170 surrounded by a parallel to the
  • Chip surface 160 arranged on the bottom plate 170 coil arrangement, wherein the windings run around the chip 600.
  • the coil 160 has the connections 171, 172 in the form of bond pads.
  • the chip 600 comprises a magnetic field sensor subsystem.
  • 10a to 10c show schematic representations of preferred embodiments comprising a sandwich-like arrangement of the chip 600 between in each case between a cover plate 170 and a base plate 170 '.
  • the two plates 170, 170 'each have a coil 160, 160' with respective connections 171, 172 and 171 ', 172' in the form of bond pads on the opposite surfaces adjacent to the chip 600.
  • FIG. 10a the two plates 170, 170 'each have a coil 160, 160' with respective connections 171, 172 and 171 ', 172' in the form of bond pads on the opposite surfaces adjacent to the chip 600.
  • the coil 160 with the two coil structures 161, 162 is spatially such that a spatial distance is introduced between the two coil structures 161, 162 with their respective turns, which corresponds to at least 10% of the width of one of the two coil structures 161, 162, so that the turns of the two Coil structures 161, 162 integrated on and / or in the cover plate 170 and in the base plate 170 ', circulate around the chip 600.
  • Coil structures 161, 162 can be electrically connected to one another in such a way that they act as a coil 160 or act independently of one another as two individual coils 160.
  • the turns of the coil 160 run around the chip 600 without a spacing as shown in FIG. 10b between the two coil structures 161, 162.
  • FIG. 11 a shows a schematic illustration of an embodiment of two with their windings perpendicular to the surface of the chip 600 on a substrate comprising side walls 163, 164 and base plate 165
  • coil structures 161, 162 which was produced by folding or bending the, preferably from so-called flexible flexprint printed circuit board material or rigid flexprint printed circuit board material or any rigid or flexible board material, preferably u-shaped.
  • the coil structures 161, 162 are preferably manufactured using planar technology. Layable turns of wire are also possible.
  • the two coil structures 161, 162 can be electrically interconnected to form a coil 160 or to two coils 160 which act independently of one another.
  • FIGS. 11 b and 11 c show the embodiment shown in FIG. 11 a, with coil structures 161, 162 applied to the side walls 163, 164, respectively.
  • the line of sight and transparency line in FIG. 11 c show that the coil structures 161, 162 together with the Base plate 165 each surround a chip 600 in a U-shape, since they also partially extend into and / or onto the base plate 165.
  • the two coil structures 161, 162 can be electrically interconnected to form a coil 160 or to two coils 160 which act independently of one another.
  • 12a to 12c each show a schematic illustration of an indicated coil 160 wound around the chip 600 in three different configurations, which correspond to the three different orthogonal scanning directions of the magnetic field, namely the spatial direction components B x , B y , B z .
  • Figure 13 shows a schematic representation of a preferred embodiment
  • Figure 14 shows a schematic representation of a preferred embodiment

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

Magnetfeldsensorsystem umfassend einen ersten Magnetfeldsensor, einen oder mehrere zweite Magnetfeldsensoren und einen Verstärker und alle Magnetfeldsensoren sind in Reihe geschaltet, sodaß die jeweiligen Ausgangssignale zu einem gemeinsamen Eingangssignal des Verstärkers aufaddierbar sind.

Description

Magnetfeldsensor mit geringem Rauschen und hoher Bandbreite
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor nach Anspruch 1.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sensoren zur Messung eines Magnetfeldes, insbesondere auch Hall-Magnetfeldsensoren, in einer hinreichend breiten Vielfalt und hohen Vielzahl bekannt. Sehr ausführlich werden die Grundlagen von Hall-Magnetfeldsensoren beispielsweise in R. S. Popovic:„Hall-effect devices“, Journal for Sensors and Actuators, Volume 17, Issues 1-2, 3 May 1989, Pages 39-53 oder in R. S. Popovic "Hall Effect Devices", 2nd Edition CRC Press Taylor & Francis Group, LLC 2003, ISBN: 978-1 -4200-3422-6 beschrieben. Ferner knüpft die vorliegende Erfindung an die Offenbarung der
US 6366076 B1 an. Darin wird ein Stromsensor beschrieben, der nebst einem Tiefpassfilter, einen niederfrequenten Magnetfeldsensor, wie z.B.
einen Hall-Effekt Sensor, und eine induktive Spule, wie z.B. eine Rogowski- Spule, und eine Summiervorrichtung kombiniert, um Signale des Hall-Effekt Sensors und der induktiven Spule zusammenzuführen. Ein mit dem Messprinzip und dem Sensoraufbau selbst, sowie einer
Anordnung des Sensors innerhalb einer Messchaltung einhergehender Effekt dieser Erfindung ist ein bandbreitenbegrenztes Eingangsmesssignal und ein rauschüberlagertes Ausgangsmesssignal.
Eine bekannte Methode zur Reduzierung von Offset- und
Niederfrequenzrauschen von Hall-Effekt-Bauelementen ist die Verwendung einer als Spinning-Strom-Technik bekannten schalterbasierten
Drehstromtechnik in Kombination mit der sogenannten Chopper- Stabilisierungstechnik. Diese Verwendung in Sensorsystemen, die einen Hall-Effekt Sensor umfassen, führt zu einer Reduktion des Offset- und Niederfrequenzrauschen des Hall-Effekt-Bauelementes und eines
Verstärkers, der die Hallspannung verstärkt.
Diese und weitere aus dem oben genannten Stand der Technik
beschriebenen Ansätze stellen zwar neue Methoden und
Schaltungsanordnungen zur Verfügung, sie stellen jedoch nicht im
entferntesten einen Lösungsansatz zur Reduktion des Anteils weißen
Rauschens des Rauschspektrums eines Hall-Effekt Sensorsystems zur Verfügung.
Zu den derzeit bekannten Magnetfeldsensoren zählen auch bekannte siliziumintegrierte Hall-Effekt Sensoren, die sich ebenfalls zur Messung von Magnetfeldern eignen. Diese weisen eine unzureichende Messauflösung und eine zu niedrige Frequenzbandbreite für viele moderne Anwendungen auf.
Obwohl nämlich siliziumintegrierte Hall-Effekt Sensoren als diskrete
Bauelemente eine Spektraldichte der rauschäquivalenten magnetischen Induktion (SNEMF-SD) von etwa 50 nT/VHz aufweisen können, können solche Sensoren derzeit typischerweise nur eine SNEMF-SD > 100 nT/VHz aufweisen.
Ebenso weisen bekannte Silizium integrierte Hall-Effekt Sensoren zur
Messung von Magnetfeldern typischerweise eine Frequenzbandbreite (BW) von DC bis weniger als 200 kHz auf, obwohl eine Frequenzbandbreite von DC bis mehrere MHz für eine Vielzahl von Anwendungen erforderlich wäre. Die Ursache für diese beiden Nachteile siliziumintegrierter Hall-Effekt Sensoren zur hochauflösenden Messung von breitbandigen Magnetfeldern liegt in der Tatsache begründet, daß die Hallspannung eines
siliziumintegrierten Hall-Effekt Sensors an sich bereits sehr niedrig ist.
Die geringe Messauflösung eines siliziumintegrierte Hall-Effekt Sensors (Hall-Magnetfeldsensor) von Magnetfeldern entsteht, weil bei einem schwachen Magnetfeld die Hallspannung zwar nicht zu stark durch das Eigenrauschen des Hall-Effekt Sensors beeinflusst wird, aber geringer sein kann als das eingangsbezogene Rauschen des integrierten Verstärkers selbst.
Mit anderen Worten, im Rauschbudget des modernen siliziumintegrierten Hall-Magnetfeldsensorsystems dominiert das Rauschen des Verstärkers als solches.
Die Begrenzung der Bandbreite entsteht, weil der Verstärker aufgrund der geringen Hallspannung mit einer hohen Verstärkung arbeiten muss und die Grenzfrequenz des Verstärkers aufgrund des begrenzten Verstärkung- Bandbreite-Produktes des integrierten Verstärkers niedrig ist.
Grundsätzlich könnte sowohl das eingangsbezogene Rauschen eines integrierten Verstärkers als auch dessen Verstärkungsbandbreitenprodukt durch Vergrößerung der vom Verstärker belegten Fläche des Siliziumchips und durch Erhöhung der Leistungsaufnahme des Verstärkers verbessert werden. Aber dann wäre ein solcher siliziumintegrierter Hall- Magnetfeldsensor zu teuer und unpraktisch in der Handhabung.
Ein Ziel der Erfindung ist es, nebst die zuvor aufgeführten Nachteile des Standes der Technik zu überkommen, die Leistung von
Magnetfeldsensorsystemen, insbesondere Hall-Effekt basierter, hinsichtlich ihrer Messauflösung eines zu messenden Magnetfeldes und der
Frequenzbandbreite des zu messenden Magnetfeldes zu verbessern. Beschreibung der Erfindung
In einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Magnetfeldsensorsystem einen ersten Magnetfeldsensor, einen oder mehrere zweite
Magnetfeldsensoren und einen Verstärker.
Auch kann im Sinne der Erfindung ein Magnetfeldsensorsystem einen ersten Magnetfeldsensor und /oder ein Magnetfeldsensor-Subsystem und einen oder mehrere zweite Magnetfeldsensoren und einen Verstärker umfassen.
Das Magnetfeldsonsor-Subsystem umfasst dabei einen ersten
Magnetfeldsensor, der in Kombination mit mindestens einem weiteren Bauelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt
Sensoren, Magnetoresistivsensoren, Induktionsschleifen oder
Induktionsspulen, und einem weiteren Verstärker verschaltet ist, und wobei das Bauelement dem weiteren Verstärker vorgeschaltet ist.
Vorzugsweise sind alle Magnetfeldsensoren so dimensioniert und ausgelegt, daß sie Magnetfelder im Bereich bis zu 1 mT oder bis zu 3 mT, vorzugswiese bis zu 10 mT oder 30 mT und im Speziellen bis zu 100 mT oder 300 mT, vorzugsweise in einer Temperaturumgebung von -40°C bis +125 °C, messen können.
Erfindungsgemäß sind die Magnetfeldsensoren und/oder das
Magnetfeldsensor-Subsystem mit dem Eingang des Verstärkers in Reihe geschaltet, um so die jeweiligen Ausgangssignale zu einem gemeinsamen Eingangssignal des Verstärkers aufzuaddieren.
Vorzugsweise sind die Magnetfeldsensoren und/oder das Magnetfeldsensor- Subsystem mit dem Eingang des Verstärkers kaskadiert in Reihe geschaltet, um so die jeweiligen Ausgangssignale zu einem gemeinsamen
Eingangssignal des Verstärkers aufzuaddieren.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung ist bei einem
Magnetfeldsensorsystem, vorzugsweise, ein Versorgungskontakt des ersten Magnetfeldsensors an eine Spannungsquelle angeschlossen, und alle übrigen Versorgungskontakte der Magnetfeldsensoren sind jeweils an eine Konstantstromquelle oder an eine Konstantstromsenke angeschlossen.
Bevorzugt ist der erste Magnetfeldsensor und einer oder mehrere der zweiten Magnetfeldsensoren ein Bauelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren, Magnetoresistivsensoren in,
vorzugsweise Wheatstone’scher, Brückenschaltung, Induktionsschleifen oder Induktionsspulen oder eine beliebige Kombination aus diesen.
Dies hat beispielsweise bei einer Kombination eines Hall-Effekt Sensors mit einem induktiven Bauelement zum Vorteil, daß bei der Messung eines Magnetfelds eine hohe Messauflösung über ein breites Frequenzband erzielbar ist, da bei unteren Frequenzen die Ausgangsspannung des Hall- Effekt Sensors dominiert und bei höheren Frequenzen die rauscharme Ausgangsspannung des induktiven Bauelements dominiert, sodaß bei einer Reihenschaltung das Signal-Rauschen-Verhältnisses der
Ausgangsspannung über die gesamte Frequenzbandbreite größer ist als eine der einzelnen Ausgangsspannungen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst bei einem
Magnetfeldsensorsystem mit einem Magnetfeldsensor-Subsystem das Magnetfeldsensor-Subsystem eine Kombination aus mindestens einem Bauelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt
Sensoren, Magnetoresistivsensoren in, vorzugsweise Wheatstone’scher, Brückenschaltung, Induktionsschleifen oder Induktionsspulen, und einem weiteren Verstärker, wobei das Bauelement dem weiteren Verstärker vorgeschaltet ist.
Bevorzugt sind dazu die Ausgangkontakte des Magnetfeldsensor- Subsystems an die Eingangskontakte des weiteren Verstärkers elektrisch gekoppelt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Magnetfeldsensorsystem und ein Magnetfeldsensor-Subsystem als auch nur ein
Magnetfeldsensorsystem oder ein Magnetfeldsensor-Subsystem schaltbare Kontakte für einen Betrieb mittels Spinning-Stromtechnik oder eine Chopper- Stabilisierung auf.
Bevorzugt weist ein Magnetfeldsensorsystem und ein Magnetfeldsensor- Subsystem als auch nur ein Magnetfeldsensorsystem oder ein
Magnetfeldsensor-Subsystem schaltbare Kontakte für einen Betrieb mittels Spinning-Stromtechnik und eine Chopper-Stabilisierung auf.
Dies hat zum Vorteil, daß im Fall des Spinning-Strom-Strombetriebs oder einer Chopper-Stabilisierung als auch bei einer kombinierten Anwendung eines Spinning-Strom-Strombetriebs zusammen mit einer Chopper- Stabilisierung, die Gleichstrom- als auch die Niederfrequenzleistung eines integrierten Systems signifikant verbessert wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Magnetfeldsensorsystem - in Gegenwart einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule als Teil des Magnetfeld-Sensorsystems - zusätzlich einen Integrator oder einen
Tiefpassfilter zur Kompensation der Frequenzabhängigkeit der in der Induktionsschleife oder in der Induktionsspule induzierten Spannung auf.
Bei einem Aspekt der Erfindung ist - in Gegenwart einer Kombination eines Hall-Effekt Sensors oder eines Magnetoresistivsensors wie beispielsweise einem AMR-Sensor oder einem GMR-Sensor in, vorzugsweise
Wheatstone’scher, Brückenschaltung und einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule als Teil des Magnetfeldsensorsystems - das induktive Element so geschaltet, daß die Phase einer darin induzierten Spannung VL relativ zur Phase der Spannung des Hall-Effekt Sensors oder des
Magnetoresistivsensors vorausseilend ist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem
Magnetfeldsensorsystem der erste Magnetfeldsensor und mindestens einer der zweiten Magnetfeldsensoren und das Magnetfeldsensor-Subsystem als integrierter Schaltkreis ausgebildet. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem
Magnetfeldsensorsystem der erste Magnetfeldsensor und mindestens einer der zweiten Magnetfeldsensoren oder das Magnetfeldsensor-Subsystem als integrierter Schaltkreis ausgebildet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem
Magnetfeldsensorsystem der erste Magnetfeldsensor oder mindestens einer der zweiten Magnetfeldsensoren und das Magnetfeldsensor-Subsystem als integrierter Schaltkreis ausgebildet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem
Magnetfeldsensorsystem der erste Magnetfeldsensor oder mindestens einer der zweiten Magnetfeldsensoren oder das Magnetfeldsensor-Subsystem als integrierter Schaltkreis ausgebildet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Magnetfeldsensorsystem vorzugsweise als integrierter Schaltkreis ausgebildet. Bevorzugt ist der integrierte Schaltkreis dabei mit einer, vorzugsweise extern zugeschalteten, Induktionsschleife oder einer, vorzugsweise extern zugeschalteten,
Induktionsspule in Reihe geschaltet, um auf diese Weise die
Ausgangssignale aufzuaddieren. Dies hat zum Vorteil, daß ein weitaus stärkeres Ausgangssignal gebildet werden kann. Im Falle eines
nachgeschalteten Verstärkers liegen die einzelnen aufaddierten, zum Teil im Einzelnen auch schwachen Ausgangssignale deswegen als ein starkes Eingangssignal am Eingang des Verstärkers an. Auf diese Weise überlagert das Eigenrauschen des Verstärkers daher sowohl Phase als auch Amplitude des zu verstärkenden Signals nicht mehr.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst der integrierte Schaltkreis eines Magnetfeldsensorsystem mindestens einen Hall-Effekt Sensor für jede Raumrichtungskomponente eines Magnetfeldvektors, und die
Induktionsschleife oder die Induktionsspule oder eine Kombination aus diesen umgeben zumindest teilweise den integrierten Schaltkreis derart räumlich, daß alle Raumrichtungskomponenten des Magnetfeldvektors erfassbar sind.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst der integrierte Schaltkreis eines Magnetfeldsensorsystems mindestens einen Hall-Effekt Sensor und eine Induktionsschleife oder eine Induktionsspule für jede
Raumrichtungskomponente eines Magnetfeldsektors, sodaß eine, zwei oder drei Raumrichtungskomponenten des Magnetfeldvektors erfassbar sind.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Hall-Effekt Sensoren
vorzugsweise horizontal und damit parallel zur Oberfläche eines Chips im Falle eines integrierten Hall-Effekt Sensors oder vertikal und damit senkrecht zur Oberfläche eines Chips im Falle eines integrierten Hall-Effekt Sensors angeordnet. Dies hat zum Vorteil, daß horizontal ausgerichtete Hall-Effekt Sensoren auf eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Chipebene reagieren, wobei die vertikal ausgerichteten Hall-Effekt Sensoren auf eine Magnetfeldkomponente parallel zur Chipoberfläche reagieren. Im Falle einer Kombination eines Hall-Effekt Sensors mit einem induktiven Bauelement, muss die Empfindlichkeitsrichtung des Hall-Effekt Sensors und des induktiven Bauelement als Sensorelement übereinstimmen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt der Wert der SNEMF-SD eines Magnetfeldsensors oder eines Magnetfeldsensorsubsystems nahe der eines handelsüblichen siliziumintegrierten Hall-Effekt Sensors wie beispielsweise vom Typ Allegro A1324, A1325 oder A1326, vom Typ AKM EQ-430L, EQ- 431 L, EQ-432L oder EQ-433L oder vom Typ LEM FHS Minisense, vorzugsweise im Bereich von 50 (+/- max 10) nT/VHz.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung liegt die Frequenzbandbreite (BW) eines Magnetfeldsensors oder eines Magnetfeldsensorsubsystems im Bereich von Gleichstrom (DC) bzw. 0 Hz bis mindestens 1 MHz oder 2 MHz, vorzugsweise bis 3 MHz und im Speziellen bis max. 5 MHz.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein bevorzugtes
Magnetfeldsensorsystem einen Hall-Effekt Sensor und ein in Reihe geschaltetes induktives Bauelement, wobei sowohl das Ausgangssignal des Hall-Effekt Sensors als auch das Ausgangssignal des induktiven
Bauelements um den gleichen Faktor verstärkt werden, sodaß ein
Magnetfeld-Messbereich von 5 mT bis 3 T in einem niederen
Frequenzbereich mit einer Bandbreite von 0 Hz (DC) bis 1 kHz mit einer Messauflösung von 500 nT, d.h. mit einem Faktor 104 des kleinsten
Messbereichs von 5mT Messbereich, sonst mit einem Faktor 105 des Messbereiches, abdeckbar ist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein bevorzugtes
Magnetfeldsensorsystem einen Hall-Effekt Sensor und ein in Reihe geschaltetes induktives Bauelement, wobei das Ausgangssignal des Hall- Effekt Sensors stärker verstärkt wird als das Ausgangssignal des induktiven Bauelements, sodaß ein Magnetfeld-Messbereich von 5 mT bis 300 mT in einem mittleren Frequenzbereich mit einer Bandbreite von 0 Hz (DC) bis 200 kHz mit einer Messauflösung von 5 mT, d.h. mit einem Faktor 103 des kleinsten Messbereichs von 5 mT Messbereich, sonst mit einem Faktor 104 des Messbereiches, abdeckbar ist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein bevorzugtes
Magnetfeldsensorsystem einen Hall-Effekt Sensor und ein in Reihe geschaltetes induktives Bauelement, wobei das Ausgangssignal des Hall- Effekt Sensors stärker verstärkt wird als das Ausgangssignal des induktiven Bauelements, sodaß ein Magnetfeld-Messbereich von 3 mT bis 30 mT in einem hohen Frequenzbereich mit einer Bandbreite von 0 Hz (DC) bis 2 MHz mit einer Messauflösung von 15 mT, d.h. mit einem Faktor 5x102 des kleinsten Messbereichs von 3mT Messbereich, sonst mit einem Faktor 103 des Messbereiches, abdeckbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Figuren samt zugehöriger detaillierter Beschreibung.
Diese zeigen in Figur 1 ein Blockschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten typischen Hall-Magnetfeldsensorsubsystems;
Figur 2 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Magnetfeldsensorsystems mit drei in Reihe geschalteten Hall-Effekt Sensoren;
Figur 3 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Magnetfeldsensorsystems mit einem Hall-Effekt Sensoren in Reihe geschaltet mit einer Induktionsschleife;
Figur 4 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Magnetfeldsensorsystems mit zwei Hall-Effekt Sensoren in Reihe geschaltet mit einer Induktionsschleife;
Figur 5 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Magnetfeldsensorsystems;
Figur 6 ein Blockschaltbild eines weiteren bevorzugten
Magnetfeldsensorsystems mit einem Hall-Magnetfeldsensorsubsystems;
Figur 7 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Magnetfeldsensorsystem umfassend ein Hall-Magnetfeldsensorsubsystem;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer in Planartechnologie gefertigten Induktionsspule;
Figur 9 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Chips auf einer Bodenplatte;
Figuren 10a bis 10c jeweils eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform umfassend eine sandwicheartige Anordnung eines Chips;
Figur 11 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer mit ihren Windungen senkrecht zur Oberfläche eines Chips
angeordneten Induktionsspule;
Figuren 12a bis 12c jeweils eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer um einen Chip gewickelten angedeuteten Spule;
Figur 13 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Chips samt Luftspulenanordnung; Figur 14 eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform eines Chips samt Luftspulenanordnung.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten typischen Hall-Magnetfeldsensorsubsystems 500 in Form eines integrierten Schaltkreises (IHMFS - Integrated Hall Magnetic Field Sensor) mit einem Hall-Effekt Sensor 100, welcher im Spinning-Stromverfahren mit den Schalter
110 und 111 betrieben wird und mit den Schaltern 112 und 210 Chopper stabilisiert ist. Der Hall-Effekt Sensor 100 ist, ebenso wie auch in den Figuren 5, 6 abgebildet, ein Hall-Effekt Sensorelement mit zugehöriger üblicher peripherer Schaltungstechnik. Die als Schalter 110, 111 und 112
ausgeführten schaltbaren Kontakte beidseits an Ein- und Ausgängen des Hall-Effekt Sensors 100 wandeln dazu die Hallspannung VH in eine
Wechselspannung mit einer durch das Taktsignal 700 vorgegebenen
Frequenz 702 zur Steuerung der Schalter 110, 111 , 112 und 210 durch die Steuerungseinheit 701 um, während das Offset- und
Niederfrequenzrauschen des Hall-Effekt Sensors 100 unverändert bleibt. Die Schalter 210 zwischen dem Verstärker 40 und dem Tiefpassfilter 200 demodulieren (oder gleichrichten) die verstärkte Hallspannung VH, SO daß die Hallspannung VH in ihr ursprüngliches Basisband zurückkehrt. Gleichzeitig wandeln die Schalter 210 das verstärkte Offset- und/oder
Niederfrequenzrauschen des Hall-Effekt Sensors 100 und das verstärkte Offset- und Niederfrequenzrauschen des Verstärkers 40 in ein
Wechselstromsignal um. Der Tiefpassfilter 40 filtert störende
Wechselspannungen und Schaltspitzen verursacht durch die Schalter 110,
1 1 1 und 1 12 heraus. Als Ergebnis dieser Signalwandlung liegt die
Ausgangsspannung Vout zwischen den beiden Ausgangsklemmen des Tiefpassfilters 200 an, welche der verstärkten Hallspannung VH entspricht und im Ergebnis frei von Offset- und niederfrequentem Überrauschen ist. Die Ausgangsspannung Vout erfüllt die Bedingung Vout = G * VH (1 ) wobei G die Verstärkung des Verstärkers 40 ist. Die Schalter 111 ziehen im geschlossenen Zustand den Hall-Effekt Sensor 100 über die Stromsenke 61 auf das Potential v-
Typischerweise wird ein IHMFS mit einer Bandbreite (BW) von DC bis 500Hz begrenzt durch ein Tiefpassfilter 200 1.Ordnung mit einer Grenzfrequenz fc = 500Hz. Es umfasst als Sensorelement typischerweise einen Hall-Effekt Sensor 100 mit einer absoluten Sensitivität SH = 0,1 V/T, einem
Ausgangswiderstand von RH = 500 W und einer Spektraldichte der thermischen Rauschspannung des Hall-Effekt Sensors 100 von VHn = 2,8 nV/VHz.
Die eingangsbezogene Rauschspannung Van des integrierten Verstärkers 40 weist, einschließlich des parasitären Rauschens des Spinning-Strom-
Strombetriebs zusammen mit einer Chopper-Stabilisierung, auch als Spin- Chopper-System bezeichenbar, einen Wert von 10 nV/VHz auf. Damit ergibt sich die gesamte eingangsbezogene Rauschspannung des IHMFS zu Vtn = 10,4 nV/VHz. Der Wert der SNEMF-SD des IHMFS ergibt sich damit zu SNEMF-SD = Vtn / SH = 104 nT/VHz und BWn = fc * p / 2 = 785 Hz. Für das integrierte rauschäquivalente Magnetfeld des IHMFS ergibt sich folglich Bn = SNEMF-SD * VBWn = 2,9 pTrms.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
Magnetfeldsensorsystems mit drei Hall-Effekt Sensoren 10, 20, 30, wobei die drei Hall-Effekt Sensoren 10, 20, 30 in Reihe geschaltet sind, um die drei an den jeweiligen Ausgängen 12, 22, 32 der Hall-Effekt Sensoren 10, 20, 30 anliegenden Ausgangssignale zu einem gemeinsamen Eingangssignal für den Verstärker 40 aufzuaddieren. Die Hall-Effekt Sensoren 10, 20, 30 sind ebenso wie auch in den Figuren 3 und 4 abgebildet, reine Sensorelemente, üblicherweise auch als Hall-Elemente bezeichnet. Der Hall-Effekt Sensor 10 wird an Klemme 11 durch die einerseits auf dem Potential v+ gelegte
Stromquelle 50a und an Klemme 13 durch die andererseits auf dem Potential v- gelegt Stromsenke 60a betrieben. Der Hall-Effekt Sensor 20 wird an Klemme 21 durch die auf dem Potential v+ gelegte Stromquelle 50b und mittels einer an Klemme 23 angelegte Referenzspannung Vref betrieben. Der Hall-Effekt Sensor 30 wird an Klemme 31 durch die einerseits auf dem
Potential v+ gelegte Stromquelle 50c und an Klemme 33 durch die
andererseits auf dem Potential v- gelegt Stromsenke 60c betrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ermöglicht erst diese spezielle Anordnung der Stromquelle 50a, 50b, 50c sowie der beiden Stromsenken 60a und 60c in Verbindung mit der angelegten Referenzspannung Vref die Reihenschaltung der Hall-Effektsensoren 10, 20, 30 und die daraus resultierende
Aufaddierung der einzelnen Ausgangssignale zu einem grösseren
Eingangssignal für den Verstärker 40.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Magnetfeldsensorsystems, umfassend einen Hall-Effekt Sensor 10 mit Anschlussklemmen 11 , 12, 13, 14, wobei die Hallspannung VH an den Klemmen 11 und 13 anliegt, und eine
Induktionsschleife 150, einen Verstärker 40 und einen optionalen
Tiefpassfilter 200, welchen allesamt in Reihe geschaltet sind. Der Hall-Effekt Sensor 10 und die Induktionsschleife 150 sind dabei so miteinander verschaltet, daß die Phase der in der Induktionsschleife 150 induzierten Spannung VL, vorzugsweise um TT/2, gegenüber der Phase der Hall- Spannung VH vorauseilend ist. Ausschlaggebend hierfür ist die der Figur 3 entnehmbare Flussrichtung des Vorspannungsstroms lh des Hall-Effekt Sensors 10. Die Spannung VL, welche proportional zur zeitlichen Ableitung des Magnetfeldes dB/dT ist, ist proportional zur Frequenz f des Magnetfeldes B. Der Tiefpassfilter 200 1. Ordnung weist vorzugsweise eine
Übertragungsfunktion auf, welche genau umgekehrt proportional zu den aufaddierten Sensorspannungen VH + VL ist, um die Frequenzabhängigkeit der Sensorspannungen VH + VL aufzuheben. Die Grenzfrequenz fc des Tiefpassfilters 200 erfüllt die Bedingung fc = Sh / (2 * p * A) (2) wobei Sh die absolute magnetische Sensitivität des Hall-Effekt Sensors 10 und A die Fläche der Induktionsschleife 150 bezeichnet. Im Falle einer induktiven Spule 160 anstelle einer Induktionsschleife 150 wie in Figur 3 dargestellt, ergäbe sich die Fläche für (2) zu
A = Nc x Aa, (3) wobei Nc die Anzahl der Windungen der Spule 160 ist, und Aa die
durchschnittliche Fläche einer Windung der Spule 160 ist.
Die magnetische Sensitivität des Hall-Effekt Sensors 10 ergibt sich durch Sh = Si * lh (4) oder alternativ durch
Sh = Sv * Vbh (5) wobei Si die strombezogene Sensitivität, Sv die spannungsabhängige Sensitivität und Vbh die Vorspannung des Hall-Effekt Sensors 10 sind. Die Rauschbandbreite der Reihenschaltung ergibt sich durch die
Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 200 wie folgt
Bwn = fc * p / 2 (6)
Für die maximale Frequenz fm und maximale Amplitude Bm des gemessenen Magnetfeldes gilt wegen der maximalen Spannung Vm, die am Ausgang des Verstärkers 40 anliegt:
fm * Bm < Vm * fc / (Sh * G) (7) bzw. fm * Bm < Vm / (2 * p * A * G) (8) wobei gilt
Vm ^ Vsup, (9) mit Vsup als Versorgungsspannung des Magnetfeldsensorsystems.
Wenn die maximale Amplitude des gemessenen Magnetfeldes Bm klein genug ist, dann kann gemäß Gleichung (7) die maximale Frequenz fm des Magnetfeldes B viel höher sein als beispielsweise die Grenzfrequenz fc des Tiefpassfilters 200, nämlich fm > (10 - 100) * fc (10)
Unter Berücksichtigung von Gleichung (6) bedeutet dies, daß das integrale weiße Rauschen eines Magnetfeldsensorsystems umfassend eine
Reihenschaltung aus einem Hall-Effekt Sensor 10 und eine
Induktionsschleife 150 gemäß Figur 3, in der Regel drei- bis zehnmal niedriger ist als ein Magnetfeldsensorsystem ohne Induktionsschleife 150.
Desweiteren liegt die Ausgangsspannung Vout an den Ausgangsklemmen dieser Reihenschaltung an. Die elektrische Versorgung der Reihenschaltung erfolgt über die Potentiale v+ und v- in Verbindung mit der Stromsenke 61. Ferner ist die Ausrichtung des Sensors 10 zum Magnetfeld eingezeichnet.
Figur 4 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Magnetfeldsensorsystem mit zwei Hall-Effekt Sensoren 10 und 20 und einer Induktionsspule 160, welche in Reihe geschaltet sind, um die drei an den jeweiligen Klemmen 24, und 14 der Hall-Effekt Sensoren 10 und 20 sowie der dazwischen
geschalteten Induktionsspule 160 anliegenden Ausgangssignale zu einem gemeinsamen Eingangssignal für den Verstärker 40 aufzuaddieren. Der Hall- Effekt Sensor 10 wird an Klemme 11 durch die einerseits auf dem Potential v+ gelegte Stromquelle 50a und an Klemme 13 durch die andererseits auf dem Potential v- gelegt Stromsenke 60a betrieben. Der Hall-Effekt Sensor 20 wird an Klemme 21 durch die einerseits auf dem Potential v+ gelegte Stromquelle 50c und an Klemme 23 durch die andererseits analog zur Figur 3 auf dem Potential v- gelegte Stromsenke 60c betrieben.
Für die hierfür angepasste Grenzfrequenz fc gilt gemäß Gleichung (2) verallgemeinert:
fc = Nh * Sh / (2 * TT * A) (1 1 ) wobei Nh die Anzahl der in Reihe geschalteten Hall-Effekt Sensoren 10, 20 ist. Bei vorliegender Ausführung ist Nh = 2.
Gemäß den Gleichungen (11 ), (3) und (6) ist es durch die Verwendung einer Spule 160 mit mehreren Windungen anstelle einer einzigen
Induktionsschleife 150 möglich, die Rauschbandbreite des
Magnetfeldsensorsystem zu verringern und so dessen magnetische
Auflösung zu verbessern.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des in Figur 4 dargestellten
Magnetfeldsensorsystem weisen die Spule 160 und die Hall-Effekt Sensoren 10, 20 eine aufeinander abgestimmte geometrische und elektrische
Symmetrie auf, die dazu beiträgt, Gleichtaktstörsignale zu unterdrücken. Die Referenzspannung Vref definiert eine geeignete Gleichtaktspannung am Eingang des Verstärkers 40.
Ferner umfassen bevorzugte Ausführungsformen des in Figur 4 dargestellten Magnetfeldsensorsystems ausgangsseitig einen Tiefpassfilter 200.
Typischerweise weist eine bevorzugte Ausführungsformen eines
Magnetfeldsensorsystems ein IFIMFS eine Bandbreite BW von DC bis mindestens 500Flz und maximal bis 100kFlz auf. Es umfasst typischerweise die in Figur 4 dargestellte Reihenschaltung der Spule 160 mit den zwei Hall- Effekt Sensoren 10, 20 (Nh = 2). Jeder der beiden Hall-Effekt Sensoren 10,
20 weist jeweils eine absolute Sensitivität von SH = 0,1 V/T, einen jeweiligen Ausgangswiderstand von RH = 1000 W auf und alle beiden Hall-Effekt Sensoren 10, 20 zusammen weisen eine Spektraldichte der thermischen Rauschspannung von /HP = 5,7 nV/VHz auf. Die Spule 160 umfasst eine durchschnittliche Windungsfläche Aa von 5 mm x 5 mm = 25 mm2. Bei Nc = 50 Windungen und einem Drahtdurchmesser von 0,025mm ergibt sich bei einem Kupferdraht ein Spulenwiderstand von 34 Ohm und eine thermische Rauschspannung von 0,7 nV/VHz.
Die eingangsbezogene Rauschspannung Van des integrierten Verstärkers 40 weist, einschließlich des parasitären Rauschens des Spinning-Strom- Strombetriebs zusammen mit einer Chopper-Stabilisierung einen Wert von 10 nV/VHz bei einer Verstärkung von 100 auf.
Damit ergibt sich die gesamte eingangsbezogene Rauschspannung des IHMFS bei einer Frequenz f « Grenzfrequenz fc zu Vtn = 1 1 ,5 nV/VHz und der Wert der SNEMF-SD des IHMFS ergibt sich zu SNEMF-SD = Vtn / (Nh * SH) =
58 nT/VHz. Mit der Grenzfrequenz der Tiefpassfilters fc = Nh * SH / (2 * p * A) = 25,5 Hz ergibt sich die Rauschbandbreite zu BWn = fc * p / 2 = 785 Hz.
Für das integrierte rauschäquivalente Magnetfeld des IHMFS ergibt sich folglich Bn = SNEMF-SD * VßWn = 0,37 pTrms.
Im Ergebnis liegt bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein bis zu einem Faktor 8 geringeres Rauschen gegenüber dem Stand der Technik gemäss Figur 1 vor.
Die Anwendungsgrenzen ergeben sich wie oben hergeleitet beispielsweise bei Vm = 5V und fm = 500Hz mit fm * Bm < Vm * fc / (Nh * SH * G) zu fm * Bm < 6.7T/s und im Ergebnis zu Bm < 12.7mT.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten
Magnetfeldsensorsystems, umfassend einem Hall-Effekt Sensor 100 und eine Induktionsschleife 150, wobei die Ausgangsklemmen dieser Geräte in Reihe geschaltet sind wie auch in Figur 3 gezeigt. In Figur 5 wird der Hall- Effekt Sensor 100 im Spinning-Stromverfahren betrieben und ist Chopper stabilisiert. Dazu wandeln die Schalter 1 10, 1 1 1 und 1 12 beidseits an Ein- und Ausgängen des Hall-Effekt Sensors 100 die Flallspannung VH in eine Wechselspannung mit einer durch das Taktsignal 700 vorgegebenen
Frequenz 702 zur Steuerung der Schalter 1 10, 1 1 1 und 1 12 durch die Steuerungseinheit 701 um, während das Offset- und
Niederfrequenzrauschen des Hall-Effekt Sensors 100 unverändert bleibt. Der Schalter 1 12 schaltet die Flallspannung VH seriell auf die Induktionsschleife 150. Die sodann an den Eingängen des Schalters 1 13 aufaddierte
Ausgangspannung VH+VL wird seriell auf den Verstärker 40 zur Verstärkung aufgeschaltet. Die Schalter 210 zwischen dem Verstärker 40 und dem optionalen Tiefpassfilter 200 demodulieren (oder gleichrichten) die verstärkte Flallspannung VH SO, daß sie in ihr ursprüngliches Basisband zurückkehrt. Gleichzeitig wandeln die Schalter 210 das verstärkte Offset- und/oder Niederfrequenzrauschen des Hall-Effekt Sensors 100 und das verstärkte Offset- und Niederfrequenzrauschen des Verstärkers 40 in ein
Wechselstromsignal um. Der Tiefpassfilter 40 filtert störende
Wechselspannungen und Schaltspitzen verursacht durch die Schalter 110,
1 1 1 und 1 12 heraus. Als Ergebnis dieser Signalwandlung liegt die
Ausgangsspannung Vout zwischen den beiden Ausgangsklemmen des optionalen Tiefpassfilters 200 oder das Ausgangssignal OUT liegt an zwischen den Ausgangsklemmen eines weiteren in Reihe geschalteten Bauelements 300, vorzugsweise ein Ausgangsverstärker oder ein Analog- Digital-Wandler, an. Im Ergebnis ist VH Signale frei von Offset- und
niederfrequentem Überrauschen, und gegebenenfalls das Ausgangssignal OUT digitalisiert. Die Ausgangsspannung Vout erfüllt die Bedingung (1 ). Die Schalter 1 1 1 ziehen im geschlossenen Zustand den Hall-Effekt Sensor 100 über die Stromsenke 61 auf das Potential v-. Ferner umfassen bevorzugten integrierte Ausführungsformen des in Figur 5 dargestellten Magnetfeldsensorsystem ausgangsseitig einen Tiefpassfilter 200, vorzugsweise realisiert mittels schaltbarer Kondensatoren. Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren bevorzugten
Magnetfeldsensorsystems mit einem Flall-Magnetfeldsensorsubsystems 500 aus Figur 1 , wobei zwischen den Demodulationsschaltern 1 12 und dem strichliert angedeuteten optionalen Tiefpassfilter 200 eine Induktionsschleife 150 mit Ausgangsspannung VL in Reihe geschaltet ist.
Am Ausgang des Flall-Magnetfeldsensorsubsystems 500 liegt die verstärkte Flallspannung VH gemäß Gleichung (1 ) an. Aus diesem Grund ist anstelle von Gleichung (2) die ausreichende Grenzfrequenz fc des Tiefpassfilters 200 gegeben durch
fc = G * Sh / (2 * TT * A) (12) wobei G die Verstärkung des Verstärkers 40 innerhalb des Hall- Magnetfeldsensorsubsystems 500 bezeichnet. Vergleicht man beide
Gleichungen (2) und (12) miteinander, ergibt sich, daß die Repositionierung der Induktionsschleife 150 vom Eingang des Verstärkers 40 zum Ausgang des Verstärkers 40 von einer Erhöhung der Grenzfrequenz fc des
Tiefpassfilters 200 um den Faktor G mit G > 1 einhergeht.
Desweitern gilt für die maximale Frequenz fm und die maximale Amplitude Bm des gemessenen Magnetfeldes B aufgrund der Repositionierung der
Induktionsschleife 150 nicht mehr durch die Gleichungen (7) oder (8), sondern fm * Bm < Vm * fc / (Sh) (13) bzw. fm * Bm < Vm / (2 * p * A) (14) Das Produkt aus der maximale Frequenz fm und die maximale Amplitude Bm erhöht sich demzufolge um den Faktor G mit G > 1.
Dabei gilt, daß wenn beide Ausgangssignale, also die Ausgangsspannung VH des Hall-Effekt Sensor 100 sowie die Ausgangsspannung VL der
Induktionsschleife 150 um den gleichen Faktor G verstärkt werden, das Magnetfeldsensorsystem besonders für den Niedrig-Frequenzbereich von DC bis zu 1 kHz geeignet ist.
Falls die Ausgangsspannung VH des Hall-Effekt Sensors 100 stärker verstärkt wird als die Ausgangsspannung VL der Induktionsschleife 150 ist das Magnetfeldsensorsystem besonders für den breitbandigen
Flochfrequenz-Betrieb von DC bis 2 MHz geeignet.
Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Magnetfeldsensorsystem umfassend ein Hall-Magnetfeldsensorsubsystem 500 mit einem integrierten Ausgangsverstärker 201 und einer nachgeschalteten nicht integrierten Induktionsspule 160 an welcher die Ausgangsspannung VH des Hall- Magnetfeldsensorsubsystems 500 als Eingangsspannung anliegt, einem RC- Glied als Tiefpassfilter 200 1. Ordnung und einen strichliert dargestellten optionalen Verstärker 40, welche allesamt in Reihe geschalteten sind. Die dargestellte Ausführungsform eignet sich aufgrund der variabel gestaltbaren externen Induktionsspule 160 insbesondere für hochfrequente
Messanwendungen in einem breitbandigen Frequenzbereich von DC bis 1 MHz, vorzugsweise bis zu 1 ,5 MHz und im Speziellen bis zu 2 MHz.
Sowohl die Grenzfrequenz fc als auch das Produkt fm * Bm sind von der effektiven Wirkfläche der Induktionsspule abhängig und sind demzufolge, so auch in den Figuren 8 bis 14 gezeigt, durch Form und Gestaltung sowie Anzahl Windungen der Spulen gestaltbar. Typischerweise weist eine bevorzugte Ausführungsformen eines
Magnetfeldsensorsystems ein IHMFS einer Bandbreite BW von DC bis maximal 100 kHz auf. Das IHMFS weist eine Sensitivität von 100 V/T auf. Es umfasst typischerweise die in Figur 7 dargestellte Reihenschaltung aus einem IHMFS gemäss einer der Figuren 1 bis 6 und den drei Hall-Effekt Sensoren 10, 20, 30, sowie der externen Spule 160 und dem Tiefpassfilter 200. Jeder der drei Hall-Effekt Sensoren 10, 20, 30 weist jeweils einen absolute Sensitivität von SH = 0,1 V/T, einen jeweiligen Ausgangswiderstand von RH = 1000 W auf und alle drei Hall-Effekt Sensoren 10, 20, 30 weisen zusammen eine Spektraldichte der thermischen Rauschspannung von VHn = 6,9 nV/VHz auf.
Die eingangsbezogene Rauschspannung Van des zu dem IHMFS zählenden und bereits darin integrierten Verstärkers 40 weist, einschließlich des parasitären Rauschens des Spinning-Strom-Strombetriebs zusammen mit einer Chopper-Stabilisierung einen Wert von 10 nV/VHz bei einer
Verstärkung von 100 auf.
Die Sensitivität des IHMFS ergibt sich zu SIHMFS = Nh * SH * G = 30 V/T.
Die gesamte eingangsbezogene Rauschspannung des IHMFS ergibt sich bei einer Frequenz f « Grenzfrequenz fc zu Vtn = 1 1 ,5 nV/VHz und der Wert der SNEMF-SD des IHMFS ergibt sich zu SNEMF-SD = Vtn / (Nh * SH) = 58 nT/VHz.
Die externe Spule 160 umfasst eine durchschnittliche Windungsfläche Aa von 5 mm x 5 mm = 25 mm2, hat Nc = 20 Windungen und eine Fläche A von 5 * 10-4 m2
Mit der Grenzfrequenz des externen Tiefpassfilters fc = G Nh * SH / (2 * p * A) = 9,5 kHz ergibt sich die Rauschbandbreite zu BWn = fc * p / 2 = 14,9 kHz.
Für das integrierte rauschäquivalente Magnetfeld der bevorzugten
Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems ergibt sich folglich Bn = SNEMF-SD * VßWn = 4,9 pTrms. Die Anwendungsgrenzen ergeben sich wie oben hergeleitet beispielsweise mit Vm = 10V und fm * Bm < Vm / (2 * p * A) zu fm * Bm < 3,2 * 103 T/s. Damit wäre bei einem maximalen Magnetfeld von Bm = 3 mT eine maximalen Frequenz fm von 1 MHz möglich.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer in Planartechnologie gefertigten Induktionsspule 160, die vorzugsweise auf einem Chip mit weiteren Komponenten des Magnetfeldsensor-Systems integriert ist. Die Anzahl der Windungen ist anwendungsbezogen frei wählbar über den Wählschalter 1 14 mit den schematisch dargestellten drei zuschaltbaren Windungen. Die windungszahlabhängige Fläche A der
Induktionsspule 160 lässt sich weit über diese schematisch dargestellten drei Windungen anwendungsbezogen variieren.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Chips 600 auf einer Bodenplatte 170 umgeben von einer parallel zur
Chipoberfläche auf der Bodenplatte 170 angeordneten Spulenanordnung 160, wobei die Windungen um den Chip 600 herum verlaufen. Die Spule 160 weist die Anschlüsse 171 , 172 in Form von Bondpads auf. Im Sinne der Erfindung umfasst der Chip 600 ein Magnetfeldsensor-Subsystem.
Figur 10a bis Figur 10c zeigen schematische Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen umfassend eine sandwicheartigen Anordnung des Chips 600 zwischen jeweils zwischen einer Deckplatte 170 und einer Bodenplatte 170' aufweisen. Bei Figur 10a weisen die beide Platten 170, 170' jeweils an die zu dem Chip 600 anliegenden sich gegenüberliegenden Flächen jeweils eine Spule 160, 160' mit jeweiligen Anschlüsse 171 , 172 und 171‘, 172' in Form von Bondpads auf. Bei Figur 10b ist die Spule 160 mit den beiden Spulenstrukturen 161 , 162 räumlich derart beschaffen, daß zwischen beiden Spulenstrukturen 161 , 162 mit ihren jeweiligen Windungen ein räumlicher Abstand eingebracht ist, welcher mindestens 10% der Breite einer der beiden Spulenstruktur 161 , 162 entspricht, sodaß die Windungen der beiden Spulenstrukturen 161 , 162 auf und/oder in die Deckplatte 170 und in die Bodenplatte 170' integriert, den Chip 600 umlaufen. Die beiden
Spulenstrukturen 161 , 162 können elektrisch miteinander derart verschaltet sein, daß sie als eine Spule 160 wirken oder elektrisch voneinander unabhängig als zwei einzelne Spulen 160 wirken.
Bei Figur 10c umlaufen die Windungen der Spule 160 ohne eine wie in Figur 10b abgebildete Beabstandung zwischen den beiden Spulenstrukturen 161 , 162 den Chip 600.
Figur 11 a zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform zweier mit ihren Windungen senkrecht zur Oberfläche des Chips 600 auf einem Substrat umfassend Seitenwände 163, 164 und Bodenplatte 165
angeordneten Spulenstrukturen 161 , 162, welches durch Falzen oder Biegen des, vorzugsweise aus sogenanntem flexiblen Flexprint-Leiterplattenmaterial oder starrem Flexprint-Leiterplattenmaterial oder auch beliebigem starren oder flexiblen Plattenmaterial, vorzugsweise u-förmig, hergestellt wurde. Vorzugsweise sind die Spulenstrukturen 161 , 162 in Planartechnologie gefertigt. Auch verlegbare Windungen aus Draht sind möglich. Die beiden Spulenstrukturen 161 , 162 sind elektrisch zu einer Spule 160 oder zu zwei voneinander unabhängig wirkenden Spulen 160 elektrisch miteinander verschaltbar.
Figur 11 b und 11 c zeigen die in Figuren 11 a dargestellte Ausführungsform mit jeweils auf den Seitenwände 163, 164 aufgebrachten Spulenstrukturen 161 , 162. Aus der Sicht- und Transparenzliniendarstellung in Figur 11 c ergibt sich, daß die Spulenstrukturen 161 , 162 zusammen mit der Bodenplatte 165 jeweils u-förmig einen Chip 600, umgeben, da sie auch teilweise noch bis in und/oder auf die Bodenplatte 165 reichen. Die beiden Spulenstrukturen 161 , 162 sind elektrisch zu einer Spule 160 oder zu zwei voneinander unabhängig wirkenden Spulen 160 elektrisch miteinander verschaltbar. Figuren 12a bis 12c zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer um den Chip 600 gewickelten angedeuteten Spule 160 in drei verschiedenen Konfigurationen, die den drei verschiedenen orthogonalen Abtastrichtungen des Magnetfeldes, nämlich den Raumrichtungskomponten Bx, By, Bz, entsprechen.
Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform eines Chip 600, auf einer Bodenplatte 170 mit einer darauf einseitig zum Chip 600, angeordneten Spule 160 in Form einer Luftspule.
Figur 14 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform eines Chips 600 auf einer Bodenplatte 170 mit zwei darauf angeordneten Spulen 160, 160' in Form zweier Luftspulen. Die Spulen 160, 160' sind parallel mit Ihrem Windungsverlauf sandwicheartig an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Chips 600 angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetfeldsensorsystem umfassend: - einen ersten Magnetfeldsensor;
- einen oder mehrere zweite Magnetfeldsensoren; und
- einen Verstärker; und alle Magnetfeldsensoren sind in Reihe geschaltet, sodaß die jeweiligen Ausgangssignale zu einem gemeinsamen Eingangssignal des Verstärkers aufaddierbar sind.
2. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 , wobei ein Versorgungskontakt des ersten Magnetfeldsensors an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, und alle übrigen Versorgungskontakte der Magnetfeldsensoren jeweils an eine Konstantstromquelle oder an eine Konstantstromsenke angeschlossen sind.
3. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste
Magnetfeldsensor und einer oder mehrere der zweiten Magnetfeldsensoren ein Bauelement ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren, Magnetoresistivsensoren in, vorzugsweise Wheatstone’scher, Brückenschaltung, Induktionsschleifen oder Induktionsspulen oder eine beliebige Kombination aus diesen.
4. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 bis 3, wobei der erste
Magnetfeldsensor in Kombination mit mindestens einem Bauelement, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren,
Magnetoresistivsensoren, Induktionsschleifen oder Induktionsspulen, und einem weiteren Verstärker verschaltet ist, und wobei das Bauelement dem weiteren Verstärker vorgeschaltet ist.
5. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 bis 4, wobei das
Magnetfeldsensorsystem und/oder das Magnetfeldsensor-Subsystem schaltbare Kontakte für einen Spinning-Current Betrieb des ersten
Magnetfeldsensors und/oder einer Chopper-Stabilisierung des Verstärkers aufweist.
6. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Magnetfeld- Sensorsystem - in Gegenwart einer Induktionsschleife oder einer
Induktionsspule als Teil des Magnetfeld-Sensorsystems - zusätzlich einen Integrator oder einen Tiefpassfilter zur Kompensation der
Frequenzabhängigkeit der in der Induktionsschleife oder der Induktionsspule induzierten Spannung aufweist.
7. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei - in Gegenwart einer Kombination eines Hall-Effekt Sensors oder eines
Magnetoresistivsensors und einer Induktionsschleife oder einer
Induktionsspule als Teil des Magnetfeldsensorsystems - das induktive Element so geschaltet ist, daß die Phase einer darin induzierten Spannung VL relativ zur Phase der Spannung des Hall-Effekt Sensors oder des
Magnetoresistivsensors vorausseilend ist.
8. Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Magnetfeldsensorsystem und/oder mindestens einer der zweiten Magnetfeldsensoren und/oder das Magnetfeldsensor-Subsystem als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.
9. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 4, wobei der erste
Magnetfeldsensor in Kombination mit dem mindestens einen weiteren Bauelement als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist, und sein Ausgang mit einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule in Reihe geschaltet ist, um die Ausgangssignale aufzuaddieren.
10. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 bis 8, wobei der integrierte Schaltkreis mindestens einen Hall-Effekt Sensor und eine Induktionsschleife oder eine Induktionsspule für mindestens eine Raumrichtungskomponente eines Magnetfeldsektors umfasst, sodaß eine, zwei oder drei
Raumrichtungskomponenten des Magnetfeldvektors erfassbar sind.
11. Magnetsensorsystem nach Anspruch 9, wobei der integrierte Schaltkreis mindestens einen Hall-Effekt Sensor für mindestens eine
Raumrichtungskomponente eines Magnetfeldvektors umfasst, und die Induktionsschleife oder die Induktionsschleifen oder die Induktionsspule oder die Induktionsspulen oder eine Kombination aus diesen zumindest teilweise den integrierten Schaltkreis derart räumlich umgeben, sodaß eine, zwei oder drei Raumrichtungskomponenten des Magnetfeldvektors erfassbar sind.
12. Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen Hall-Effekt Sensor und ein in Reihe geschaltetes induktives
Bauelement, wobei sowohl das Ausgangssignal des Hall-Effekt Sensors als auch das Ausgangssignal des induktiven Bauelements um den gleichen Faktor verstärkt werden, sodaß ein Magnetfeld-Messbereich von 5 mT bis 3 T in einem niederen Frequenzbereich mit einer Bandbreite von 0 Hz (DC) bis 1 kHz mit einer Messauflösung von 500 nT, d.h. mit einem Faktor 104 des kleinsten Messbereichs von 5mT Messbereich, sonst mit einem Faktor 105 des Messbereiches, abdeckbar ist.
13. Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen Hall-Effekt Sensor und ein in Reihe geschaltetes induktives
Bauelement, wobei das Ausgangssignal des Hall-Effekt Sensors stärker verstärkt wird als das Ausgangssignal des induktiven Bauelements, sodaß ein Magnetfeld-Messbereich von 5 mT bis 300 mT in einem mittleren
Frequenzbereich mit einer Bandbreite von 0 Hz (DC) bis 200 kHz mit einer Messauflösung von 5 mT, d.h. mit einem Faktor 103 des kleinsten Messbereichs von 5 mT Messbereich, sonst mit einem Faktor 104 des Messbereiches, abdeckbar ist.
14. Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend einen Hall-Effekt Sensor und ein in Reihe geschaltetes induktives
Bauelement, wobei das Ausgangssignal des Hall-Effekt Sensors stärker verstärkt wird als das Ausgangssignal des induktiven Bauelements, sodaß ein Magnetfeld-Messbereich von 3 mT bis 30 mT in einem hohen
Frequenzbereich mit einer Bandbreite von 0 Hz (DC) bis 2 MHz mit einer Messauflösung von 15 mT, d.h. mit einem Faktor 5x102 des kleinsten Messbereichs von 3mT Messbereich, sonst mit einem Faktor 103 des Messbereiches, abdeckbar ist.
EP19809166.2A 2018-11-14 2019-11-14 Magnetfeldsensor mit geringem rauschen und hoher bandbreite Pending EP3881087A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018128469.1A DE102018128469B4 (de) 2018-11-14 2018-11-14 Magnetfeldsensor mit geringem Rauschen und hoher Bandbreite
PCT/IB2019/059785 WO2020100078A1 (de) 2018-11-14 2019-11-14 Magnetfeldsensor mit geringem rauschen und hoher bandbreite

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3881087A1 true EP3881087A1 (de) 2021-09-22

Family

ID=68655587

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19809166.2A Pending EP3881087A1 (de) 2018-11-14 2019-11-14 Magnetfeldsensor mit geringem rauschen und hoher bandbreite

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11614503B2 (de)
EP (1) EP3881087A1 (de)
KR (1) KR20210091268A (de)
CN (1) CN113227813A (de)
DE (1) DE102018128469B4 (de)
WO (1) WO2020100078A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022129671B3 (de) 2022-11-09 2024-03-07 Senis Ag Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal sowie Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems
CN116500330B (zh) * 2023-06-27 2023-09-08 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于超导变压器二次回路电流的检测装置

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4199696A (en) * 1977-03-18 1980-04-22 Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd. Multiplier using hall element
EP0476321B1 (de) * 1990-09-20 1996-10-23 Siemens Aktiengesellschaft Kernspintomograph
DE69802203T2 (de) * 1997-04-21 2002-06-27 Arbeitsgemeinschaft Prof Dr J Gerät mit bandpass grosser bandbreite zum messen elektrischer stromstärke in einem leiter
EP1679524A1 (de) * 2005-01-11 2006-07-12 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne Epfl - Sti - Imm - Lmis3 Hallsensor und Verfahren zum Betrieb eines Hallsensors
JP4731927B2 (ja) * 2005-01-31 2011-07-27 キヤノン株式会社 磁性体センサおよび検出キット
US7605580B2 (en) * 2007-06-29 2009-10-20 Infineon Technologies Austria Ag Integrated hybrid current sensor
US8253414B2 (en) * 2007-12-27 2012-08-28 Infineon Technologies Ag Integrated circuit including a magnetic field sensitive element and a coil
DE102010031147A1 (de) 2010-05-07 2011-11-10 Robert Bosch Gmbh Erfassung eines metallischen oder magnetischen Objekts
DE102010028719A1 (de) * 2010-05-07 2011-11-10 Robert Bosch Gmbh Suchgerät
DE102011102483A1 (de) * 2011-05-24 2012-11-29 Austriamicrosystems Ag Verfahren zum Betreiben einer Hallsensoranordnung und Hallsensoranordnung
US9329057B2 (en) * 2012-05-31 2016-05-03 Allegro Microsystems, Llc Gear tooth sensor with peak and threshold detectors
CN103472409B (zh) * 2013-09-12 2016-02-03 中国科学院电子学研究所 感应式三轴磁场传感器
US9551762B1 (en) * 2015-07-29 2017-01-24 Allegro Microsystems, Llc Circuits and methods for removing a gain offset in a magnetic field sensor
US10197638B2 (en) * 2016-06-17 2019-02-05 Texas Instruments Incorporated High bandwidth hall sensor
EP3355475B1 (de) * 2017-01-31 2022-09-07 ams AG Signalverarbeitungsanordnung für einen hall-sensor und signalverarbeitungsverfahren für einen hall-sensor
US11428755B2 (en) * 2017-05-26 2022-08-30 Allegro Microsystems, Llc Coil actuated sensor with sensitivity detection
US10917092B2 (en) * 2018-04-06 2021-02-09 Allegro Microsystems, Llc Magnetic field sensor with switching network

Also Published As

Publication number Publication date
US20220128635A1 (en) 2022-04-28
DE102018128469A1 (de) 2020-05-14
US11614503B2 (en) 2023-03-28
DE102018128469B4 (de) 2020-11-12
KR20210091268A (ko) 2021-07-21
WO2020100078A1 (de) 2020-05-22
CN113227813A (zh) 2021-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009024268B4 (de) Magnetfeldkompensation
EP1395844B1 (de) Magnetfeldsensor
DE3133908C2 (de) Kompensierter Meßstromwandler
DE69925573T2 (de) Magnetischer F?hler hergestellt auf einem halbleitenden Substrat
DE112016005046T5 (de) Magnetfeld-Erfassungsvorrichtung und Magnetfeld-Erfassungsverfahren
EP2156448A1 (de) Elektrischer transformator mit gleichfluss-kompensation
DE102008061067A1 (de) Integrierte Schaltung, die ein magnetfeldempfindliches Element und eine Spule umfasst
DE102017213605A1 (de) Magnetfeldsensorschaltung in einem Package mit Mittel zum Addieren eines Signals aus einer Spule
DE102005037905A1 (de) Magnetfeldsensor zum Messen eines Gradienten eines magnetischen Feldes
DE102021101952A1 (de) Stromsensor, magnetsensor und schaltung
EP3881087A1 (de) Magnetfeldsensor mit geringem rauschen und hoher bandbreite
EP3028053A1 (de) Vorrichtung zum erfassen von wechselstromanteilen in einem gleichstromkreis und verwendung der vorrichtung
DE102005028572A1 (de) Magnetkern für einen Stromsensor
DE102013112760A1 (de) Leistungsmodul mit integrierter Strommessung
DE102018111011A1 (de) Magnetfeldsensorvorrichtung
DE102011078698B3 (de) Potentialfreie Strommessung
DE102018210466A1 (de) Stromstärkeerfassungsgerät und Messgerät
DE102007032300A1 (de) Stromsensor zur Gleich- oder Wechselstrommessung
DE102013205474A1 (de) Strommesssensor
EP3417244A1 (de) Sensor
DE102009028854A1 (de) Spulendesign für miniaturisierte Fluxgate-Sensoren
WO2016030197A1 (de) Sensor
EP0267498B1 (de) Flusskompensierter Stromwandler
WO2023006138A1 (de) Stromsensor
EP1199572A1 (de) Stromsensor nach dem Kompensationsprinzip mit schwimmender Bürde

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20210614

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)