WO2004013645A1 - Magnetfeldsensor und verfahren zum betrieb des magnetfeldsensors - Google Patents

Magnetfeldsensor und verfahren zum betrieb des magnetfeldsensors Download PDF

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WO2004013645A1
WO2004013645A1 PCT/EP2003/050342 EP0350342W WO2004013645A1 WO 2004013645 A1 WO2004013645 A1 WO 2004013645A1 EP 0350342 W EP0350342 W EP 0350342W WO 2004013645 A1 WO2004013645 A1 WO 2004013645A1
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magnetic field
ferromagnetic core
sensor
excitation coil
readout
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PCT/EP2003/050342
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Radivoje Popovic
Christian Schott
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Sentron Ag
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/04—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle

Definitions

  • the invention relates to a magnetic field sensor and a method for operating a magnetic field sensor of the type mentioned in the preamble of claim 1.
  • Such magnetic field sensors are suitable for measuring magnetic fields whose strength is only a few nT to mT, for example as a compass for measuring the direction of the earth's magnetic field.
  • a magnetic field sensor of the type mentioned in the preamble of claim 1 is known from EP 1 182 461.
  • the magnetic field sensor is suitable for determining the direction of a two-dimensional magnetic field.
  • the magnetic field sensor comprises a magnetic field concentrator with a flat shape and two sensors which comprise at least one Hall element, the Hall elements being arranged in the region of the edge of the magnetic field concentrator.
  • the first sensor measures a first component of the magnetic field and the second sensor measures a second component of the magnetic field.
  • the direction of the magnetic field can thus be determined from the signals of the two sensors.
  • the magnetic field sensor includes a ferromagnetic core in the shape of a cross, an excitation coil to periodically saturate the ferromagnetic core, and readout coils.
  • the magnetic field sensor is operated as a fluxgate sensor.
  • a disadvantage of such a sensor is that a comparatively high current is required for the magnetic saturation of the ferromagnetic core. Such a magnetic field sensor is therefore not suitable for applications with battery operation.
  • the magnetic field sensor comprises a ferromagnetic core in the form of a ring, an excitation coil for periodically saturating the ferromagnetic core and readout coils. Furthermore, in one embodiment the sensor comprises additional ferromagnetic cores which act as external magnetic field concentrators. To reduce any residual magnetization of these additional cores, additional coils are provided, which are periodically supplied with current in order to demagnetize the additional cores.
  • the invention has for its object to develop a magnetic field sensor with which magnetic fields, the strength of which is only a few nT to mT, can be measured even with electrical supply from a battery, without the battery having to be changed frequently.
  • the ferromagnetic core which serves as a magnetic field concentrator
  • the invention remedies this by bringing the ferromagnetic core into a state of predetermined magnetization at selected times by applying a magnetic field.
  • a coil is provided for generating the magnetic field.
  • the magnetic field generated by the current flowing through the coil must be so large that the remagnetization of the feixomagnetic core caused by the interference field can be reversed again.
  • the necessary current intensity depends on the magnetization curve of the ferromagnetic core.
  • the readout sensor comprises at least one, preferably two sensors arranged in the vicinity of the outer edge of the ferromagnetic core and measures the at least one component of the magnetic field.
  • the current flowing through the excitation coil must be so large that the magnetic field generated by the current in the ferromagnetic core reaches at least the coercive field strength specified by the material of the ferromagnetic core.
  • the current is preferably selected to be so large that the magnetic field generated by it is two to three times larger than the coercive field strength. If the material has a so-called hard and a soft magnetic axis, then the greater coercive field strength of the hard magnetic axis must be selected.
  • the ring-shaped ferromagnetic core is magnetized, for example, in such a way that the field lines within the core run in the tangential direction as closed field lines. This magnetization is called circular magnetization. This predetermined magnetization solves the problem of the aforementioned residual magnetization, which leads to errors.
  • This process of bringing the ferromagnetic core into a state of predetermined magnetization is preferably carried out before an actual measurement of the external magnetic field diuOh. However, it can also be carried out periodically or at any other time.
  • the ferromagnetic core is thus magnetized with a predetermined magnetization and this predetermined magnetization is refreshed or restored at certain times.
  • the necessary magnetization energy is on the one hand proportional to the volume V of the ferromagnetic core and on the other hand to the magnetic product W x H, which depends on the hysteresis curve of the material used.
  • a soft magnetic material such as Vitrovac 6025Z is selected as the material for the ferromagnetic core.
  • the volume to be magnetized is determined by the geometry of the ferromagnetic core. Since mainly the diameter of the ring-shaped ferromagnetic core determines the magnetic gain that can be achieved,
  • 6025Z is used with a ring diameter of 1 mm e.g. a width of 20 ⁇ m and a height of 10 ⁇ m were chosen. The width is therefore only two percent of the diameter of the ring. It makes sense if the
  • Width and the height of the ring are as small as the technology used allows.
  • the thickness of the core can be reduced to a micrometer or less by electrolysis or sputtering.
  • Another advantage of reducing the volume of the core is that the build-up of the premagnetization by a magnetic field generated by the coil is less inhibited by eddy currents generated in the core itself. As a result, the current pulse for magnetization can be shorter and the total energy to be applied can be reduced.
  • Such an optimized sensor is also suitable for applications with low permitted energy consumption, e.g. in a watch, suitable.
  • the magnetic field sensor can be used, for example, to measure the strength of a weak magnetic field, the direction of which does not change.
  • a magnetic field sensor can also be used as a current or energy sensor, wherein it measures the strength of a magnetic field generated by a conductor through which stiOm flows.
  • the sensor can also be provided with a second readout sensor in order to measure a second component of an external magnetic field. If two components of the external magnetic field are measured, its direction can also be determined from them.
  • Such a magnetic field sensor can thus also be used as a compass.
  • FIG. 1 shows a top view of a magnetic field sensor for measuring two components of an external magnetic field, with an annular ferromagnetic core
  • FIG. 2 shows the magnetic field sensor and field lines in cross section
  • FIGS. 5, 6 the course of magnetic field lines in the ferromagnetic core
  • FIG. 7 an annular ferromagnetic core which is magnetized in a certain way.
  • FIG. 1 shows a top view of a magnetic field sensor designed as a semiconductor chip 1 for the measurement of two components of an external magnetic field.
  • a Cartesian x, y, z coordinate system serves as the reference system, the origin of which in the figure is arranged outside the magnetic field sensor for reasons of graphic clarity, the z direction being perpendicular to the plane of the drawing.
  • the magnetic field sensor comprises an electronic circuit 2, an excitation coil 3 to which a current can be applied, for example four windings, an annular ferromagnetic core 4 and two readout sensors 5, 6.
  • the ferromagnetic core 4 extends in one plane and thus defines the position of the xy plane
  • the readout sensor 5 is used to record the x component of the magnetic field
  • the readout sensor 6 is used to record the y component of the magnetic field.
  • the readout sensors 5, 6 preferably each consist of two locally separated but electrically connected sensors.
  • the magnetic field sensor is produced in a technology in which the electronic circuit 2, parts of the excitation coil 3 and the readout sensors 5, 6 are first manufactured in a standard CMOS technology and the fenomagnetic core 4 was then applied in a so-called post-process.
  • a tape made of amorphous ferromagnetic material is glued onto the wafer with the semiconductor circuits and structured using photolithography and chemical etching.
  • the turns of the excitation coil 3 are completed when the semiconductor chip is mounted on a substrate either by wire bonding (as shown) or by means of the flipchip technology.
  • the electronic circuit 2 is used to generate the current flowing through the excitation coil 3 and to evaluate the signals supplied by the readout sensors 5, 6.
  • the excitation coil 3 has four turns, which partly consist of conductor tracks 7 and partly of bonding wires 8.
  • the conductor tracks 7 run below, the bond wires 8 run above the ferromagnetic core 4.
  • the bond wires 8 each connect one end of a conductor track 7 to one end of another conductor track 7.
  • a circuit 9 serves to temporarily apply a current I (t ) to bring the ferromagnetic core 4 into a state of predetermined magnetization.
  • the variable t denotes the time.
  • the electronic circuit 2 is powered by an energy source, not shown, in particular a battery.
  • the electronic circuit 2 is used to operate the circuit 9, the readout sensors 5, 6 and to evaluate the signals supplied by the readout sensors 5, 6.
  • the ferromagnetic core 4 Since the ferromagnetic core 4 has no air gap, it can already be magnetically saturated by a small magnetic field and thus by a low current I.
  • the readout sensors 5 and 6 of the magnetic field sensor preferably have four so-called horizontal Hall elements 10, 11, 12 and 13 which are electrically coupled in pairs and are sensitive to a magnetic field which is perpendicular to the surface of the semiconductor chip 1, i.e. runs in the z direction.
  • the Hall elements 10 and 12 are arranged on the x-axis of the Cartesian coordinate system and form the first read-out sensor 5.
  • the Hall elements 10 and 12 are thus arranged at diametrically opposite locations with respect to an axis of symmetry running through the center of the ferromagnetic core (4).
  • the Hall elements 11 and 13 are arranged on the y-axis of the Cartesian coordinate system and form the second readout sensor 6.
  • the horizontal Hall elements 10 to 13 are each arranged below the ferromagnetic core 4, specifically in the vicinity of its outer edge. Since the relative permeability Ur of the ferromagnetic core 4 is very large compared to the relative permeability of its surroundings, the field lines of the external magnetic field to be measured strike the surface of the ferromagnetic core 4 approximately perpendicularly or leave it at an almost perpendicular angle. The field concentration is greatest in the area of the outer edge of the ferromagnetic core 4, where the Hall elements 10 to 13 are located.
  • the output signals of the two Hall elements 10 and 12 depend on the strength of the x component of the external magnetic field, the output signals of the two Hall elements 11 and 13 on the strength of the y component of the external magnetic field.
  • FIG. 2 shows the field lines 14 of the external magnetic field when the ferromagnetic core 4 is not saturated by the magnetic field generated by the current flowing through the excitation coil 3 (FIG. 1).
  • the field lines at the location of the two Hall elements 10 and 12 point in different z-direction, since the magnetic field at the location of one Hall element, for example Hall element 10, enters the ferromagnetic core 4 and leaves the other Hall element 12 at the location.
  • the two Hall elements 10 and 12 are electrically connected together to form the readout sensor 5 (FIG. 1) in such a way that the Hall voltages generated by the x component of the external magnetic field in the Hall elements 10 and 12 add up. Any existing z component of the external magnetic field, however, points in both Hall elements 10 and 12 in the same z direction and therefore does not cause an output signal in the readout sensor 5.
  • the readout sensors 5 and 6 can also consist of only one single Hall element, the readout sensor 5, for example, from the Hall element 10 and the readout sensor 6 from the Hall element 11, if the z component of the magnetic field is negligibly small compared to that caused by the ferromagnetic core 4 reinforced x and y components of the magnetic field.
  • a separate Hall element must be provided for the measurement of the z component of the magnetic field, which is not located near the edge of the ferromagnetic core 4.
  • the excitation coil 3 serves to bring the ferromagnetic core 4 into a state of predetermined magnetization at certain times.
  • the basic principle here is to magnetize the ferromagnetic core 4 in such a way that its magnetization in the readout sensors 5, 6 does not generate a signal.
  • a random magnetization of the ferromagnetic core 4, which is caused by external action and which generates an undesired signal in the readout sensors 5, 6, is thereby neutralized.
  • the ferromagnetic core 4 is magnetized in such a way that the magnetic field generated by its magnetization generates no signal in the readout sensors 5, 6. That any components of this magnetic field either run orthogonal to the direction of sensitivity of the Hall elements 10 to 13 or they run in the same z direction in the Hall elements 10 and 12 or 11 and 13 connected in pairs to the readout sensors 5, 6, so that they are generated Compensate for Hall voltages.
  • FIG. 3 shows a top view of a further magnetic field sensor with an annular ferromagnetic core 4, in which the excitation coil 3 is designed as a flat coil 15 with a spiral-shaped conductor track 16 which is arranged below the ferromagnetic core 4.
  • the conductor track 16 runs spirally, but nevertheless approximately concentrically with the ferromagnetic core 4.
  • a first end 17 of the conductor track 16 is naturally inside, a second end 18 of the conductor track 16 outside the ring-shaped ferromagnetic core 4.
  • a conductor track 19 arranged in a second metallization layer connects the first end 17 to a connector 20 arranged outside the ring-shaped fe ⁇ omagnetic core 4 (The bond wire 8, which is also shown, is not present in the second exemplary embodiment, but is important in the third exemplary embodiment).
  • the conductor track 19 is thus on the same side of the ferromagnetic core 4 as the flat coil 15. Although the conductor track 16 of the flat coil 15 runs in a spiral, the portions of the conductor track 16 running in the radial direction do not contribute to the magnetic field generated by the flat coil 15.
  • the magnetic field generated by the flat coil 15 thus corresponds to a magnetic field generated by concentrically arranged conductor tracks.
  • This example largely corresponds to the second exemplary embodiment, but instead of the conductor track 19 there is the bonding wire 8 which connects the first end 17 of the flat coil 15 to a connection 20 arranged outside the ring-shaped fe ⁇ omagnetic core 4. Since the flat coil 15 and the bonding wire 8 cross the ferromagnetic core 4 on different sides, namely the flat coil 15 below and the bonding wire 8 above, there is an additional coil with a single winding, which surrounds the ring of the ferromagnetic core 4 and according to an excitation coil the first embodiment acts. In contrast to the second exemplary embodiment, the current flowing through the bond wire 8 does not compensate for the current flowing through the flat coil 15 in the radial direction.
  • the combination of flat coil 15 and Bonddralit 8 represents an excitation coil 3, with which the ferromagnetic core 4 can be brought into a state of predetermined magnetization in a very efficient manner, in which the magnetization of the core 4 in the readout sensors 5, 6 does not generate a signal.
  • At least one first method is described for the three exemplary embodiments in order to bring the ferromagnetic core 4 into a state of predetermined, non-disappearing magnetization.
  • the methods are preferably carried out before a measurement of the x and y components of the external magnetic field is carried out with the magnetic field sensor, unless the magnetic field which is temporarily generated during the implementation of the methods by the current flowing through the excitation coil 3 , generate no signal in the readout sensors 5, 6.
  • the following methods 1.1 and 1.2 relate to the first exemplary embodiment and their effects are described for the first exemplary embodiment, the terms and reference symbols relating to the figures associated with the first exemplary embodiment.
  • the excitation coil 3 is subjected to a current I (t) for a predetermined period of time in order to uniformly magnetize the ferromagnetic core 4.
  • the magnetic field B (t) generated by the current I (t) flowing through the excitation coil 3 runs along concentric, closed lines in the ferromagnetic core 4. This magnetic field is referred to as a circular magnetic field.
  • the current I (f) is, for example, a direct current pulse, the strength of which first increases and is then reduced again to zero. So that a magnetization caused by external influences can be completely neutralized, the direct current I (t) is preferably increased until the ferromagnetic core 4 is magnetically saturated or nearly saturated, and then reduced again to zero.
  • the maximum of DC I (t) generates a magnetic field in the ferromagnetic core 4, the magnetic field strength of which is greater, preferably two to three times, than the coercive field strength H c of the material of the ferromagnetic core 4.
  • the maximum of the direct current I (t) should be chosen to be so large that a remagnetization of the ferromagnetic core 4 caused by an interference field can be neutralized.
  • the necessary current intensity depends on the magnetization curve of the ferromagnetic core 4.
  • the ferromagnetic core 4 is magnetized in this way, its magnetization roughly corresponding to the remanence of the ferromagnetic material.
  • the annular structure of the ferromagnetic core 4 of the first exemplary embodiment offers the advantage that the field lines of the magnetic field generated by its magnetization close within the ferromagnetic core 4.
  • the magnetic field generated by the magnetization outside the ferromagnetic core 4 runs orthogonally to the direction of sensitivity of the Hall elements 10 - 13 and thus does not generate any Hall voltage.
  • FIG. 4A shows the course of the field lines after the ring-shaped core 4 has been magnetized by an external magnetic interference field with a broken line. Arrows indicate the direction of the field.
  • the ring-shaped core 4 acts as a magnetic dipole and generates an undesired signal in the readout sensors 5 and 6.
  • FIG. 4B shows the course of the field lines after the ring-shaped core 4 has been remagnetized using the previously described method.
  • the field lines now run closed within the core 4.
  • the strength of the magnetization typically corresponds to the remanence of the material of the core 4.
  • This first method can be carried out before each measurement of the external magnetic field or only occasionally.
  • a measurement consists of two individual measurements. The measurement is carried out in accordance with the following steps: a) A DC pulse I (t) is applied to the excitation coil 3, the current flowing through the excitation coil 3 in a first direction. b) The output signals of the readout sensors 5 and 6 are read out. c) The excitation coil 3 is acted upon by a direct current pulse I (t), the current flowing through the excitation coil 3 in the direction opposite to the first direction. d) The output signals of the readout sensors 5 and 6 are read out. e) The output signals of the readout sensor 5 measured in steps b and d are added and the measured output signals of the readout sensor 6 are added.
  • the methods 1.2 and 2.2 relate to the second exemplary embodiment and their effects are described for the second exemplary embodiment, the terms and reference symbols referring to the figures associated with the second exemplary embodiment.
  • the excitation coil 3 is supplied with a direct current I (t) for a predetermined period of time.
  • the direct current I (t) flowing in the flat coil 15 causes magnetization of the magnetic core 4 in the radial direction.
  • the course of the field lines of the magnetization is shown in FIG. 5, which represents a section in the z plane, with arrows 21.
  • the ferromagnetic core 4 can be magnetized in an efficient manner. With this magnetization, the field lines do not close within the fen-electromagnetic core 4.
  • the radial magnetization generates a non-vanishing magnetic field outside the ferromagnetic core 4. However, this magnetic field is symmetrical to the axis of symmetry of the ferromagnetic core 4.
  • the field lines of this magnetic field run in the same direction in all Hall elements 10 - 13 and thus generate the same Hall voltage in all Hall elements 10 - 13. Because the readout sensors 5, 6 each consist of 2 Hall elements coupled in opposite directions, these Hall voltages make no contribution to the output signals of the readout sensors 5, 6.
  • the excitation coil 3 is supplied with an alternating current.
  • the flat coil 15 and the electrically conductive ferromagnetic core 4 act like a transformer, the flat coil
  • Alternating current N times greater than the alternating current flowing through the flat coil 15.
  • the alternating current induced in the ferromagnetic core 4 causes an alternating magnetization of the core
  • Methods 1.3 and 2.3 relate to the third exemplary embodiment and their effects are described for the third exemplary embodiment, the terms and reference symbols referring to the figures associated with the third exemplary embodiment.
  • the current flowing through the additional coil generates a circular magnetic field in the magnetic core 4, which is superimposed on the magnetic field formed by the flat coil 15. The effect that results from this depends on whether the energizing coil 3 formed by the flat coil 15 and the bonding wire 8 is supplied with a direct current or with an alternating current.
  • a direct current is applied to the excitation coil 3 (as in methods 1.1 and 2.1). Thanks to the flat coil 15, the ferromagnetic core 4 is magnetized in an efficient manner as in method 1.2 of the second exemplary embodiment.
  • the additional coil additionally effects a circular magnetic field in the ferromagnetic core 4, as in the first exemplary embodiment.
  • the resulting magnetization of the fen-magnetic core 4 is no longer radial, but also has a tangential component.
  • This magnetization state is shown in FIG. 7.
  • Fig. 7 shows the ferromagnetic core 4 in supervision.
  • the local direction of the magnetization is represented by arrows 21.
  • a plurality of windings can also be provided for the additional coil, which, as in the first exemplary embodiment, are realized by conductor tracks and bonding wires.
  • the number of turns of the flat coil 15 and the number of windings of the additional coil are to be matched to one another in such a way that the circular magnetization can be achieved with minimal expenditure of energy.
  • the excitation coil 3 is supplied with an alternating current with a constant amplitude, then align the magnetic domains within the ferromagnetic core 4 helically.
  • horizontal Hall elements 10 - 13 were used as sensors for measuring the external magnetic field.
  • vertical Hall elements instead of the horizontal Hall elements 10 - 13, which are sensitive to a magnetic field that runs parallel to their surface.
  • 2 shows that the vertical Hall elements do not have to be arranged on the outer edge below the ferromagnetic core 4, but rather somewhat outside the ferromagnetic core 4, where the field lines run approximately horizontally.
  • magnetoresistive sensors or magnetotransistors can also be used instead of the Hall elements. However, it must then be checked whether the magnetization generated in the ferromagnetic core 4 has the same influence on such a sensor as on a horizontal Hall element.

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Abstract

Ein Magnetfeldsensor für die Messung von wenigstens einer Komponente eines Magnetfeldes umfasst einen ferromagnetischen Kern (4), der als Magnetfeldkonzentrator dient, eine Erregerspule (3) und einen Auslesesensor (5). Der Auslesesensor (5) umfasst vorzugsweise zwei in der Nähe des äusseren Randes des ferromagnetischen Kerns (4) angeordnete Sensoren und misst die wenigstens eine Komponente des Magnetfeldes. Der ferromagnetische Kern (4) ist ringförmig . Beim Betrieb des Magnetfeldsensors wird die Erregerspule (3) temporär mit einem Strom beaufschlagt, um den ferromagnetischen Kern (4) in einen Zustand vorbestimmter Magnetisierung zu bringen.

Description

Magnetfeldsensor und Verfahren zum Betrieb des Magnetfeldsensors
Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor und ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetfeldsensors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Solche Magnetfeldsensoren eignen sich für die Messung von Magnetfeldern, deren Stärke nur wenige nT bis mT beträgt, beispielsweise als Kompass zur Messung der Richtung des Magnetfeldes der Erde.
Ein Magnetfeldsensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der EP 1 182 461 bekannt. Der Magnetfeldsensor eignet sich für die Bestimmung der Richtung eines zweidimensionalen Magnetfeldes. Der Magnetfeldsensor umfasst einen Magnetfeldkonzentrator mit einer flächigen Form und zwei Sensoren, die mindestens ein Hallelement umfassen, wobei die Hallelemente im Bereich des Randes des Magnetfeldkonzentrators angeordnet sind. Der erste Sensor misst eine erste Komponente des Magnetfeldes und der zweite Sensor misst eine zweite Komponente des Magnetfeldes. Aus den Signalen der beiden Sensoren lässt sich somit die Richtung des Magnetfeldes bestimmen.
Aus der EP 1 052 519 ist ein weiterer Magnetfeldsensor für die Bestimmung der Richtung eines Magnetfeldes bekannt. Der Magnetfeldsensor umfasst einen ferromagnetischen Kern in der Form eines Kreuzes, eine Erregerspule, um den ferromagnetischen Kern periodisch in Sättigung zu bringen, und Auslesespulen. Der Magnetfeldsensor wird als Fluxgate Sensor betrieben. Nachteilig bei einem solchen Sensor ist, dass für die magnetische Sättigung des ferromagnetischen Kerns ein vergleichsweise hoher Strom erforderlich ist. Ein solcher Magnetfeldsensor eignet sich deshalb nicht für Anwendungen mit Batteriebetrieb.
Aus der GB 2315870 ist ein weiterer Magnetfeldsensor für die Bestimmung der Stärke eines Magnetfeldes bekannt. Der Magnetfeldsensor umfasst einen ferromagnetischen Kern in der Form eines Ringes, eine Erregerspule, um den ferromagnetischen Kern periodisch in Sättigung zu bringen und Auslesespulen. Des weiteren umfasst der Sensor in einer Ausführungsform zusätzliche ferromagnetische Kerne, welche als externe Magnetfeldkonzentratoren wirken. Zur Reduzierung einer eventuellen remanenten Magnetisierung dieser zusätzlichen Kerne sind zusätzliche Spulen vorgesehen, welche periodisch mit Strom beaufschlagt werden, um die zusätzlichen Kerne zu entenagnetisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor zu entwickeln, mit dem sich Magnetfelder, deren Stärke nur wenige nT bis mT beträgt, auch bei elektrischer Speisung durch eine Batterie messen lassen, ohne dass die Batterie häufig gewechselt werden muss.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9.
Untersuchungen haben ergeben, dass ein wichtiges Problem darin besteht, dass der als Magnetfeldkonzentrator dienende ferromagnetische Kern durch ein äusseres, beispielsweise temporär auftretendes magnetisches Störfeld so magnetisiert oder ummagnetisiert werden kann, dass der ferromagnetische Kern zu einem magnetischen Dipol wird, der in den Auslesesensoren ein Signal erzeugt. Die Erfindung schafft hier Abhilfe, indem der ferromagnetische Kern an ausgewählten Zeitpunkten durch Anlegen eines Magnetfeldes in einen Zustand vorbestimmter Magnetisierung gebracht wird. Für die Erzeugung des Magnetfeldes ist eine Spule vorgesehen. Das von dem durch die Spule fliessenden Strom erzeugte Magnetfeld muss so gross sein, dass die durch das Störfeld verursachte Ummagnetisierung des feixomagnetischen Kerns wieder rückgängig gemacht werden kann. Die nötige Stromstärke hängt dabei von der Magnetisierungskurve des ferromagnetischen Kerns ab.
Ein erfindungsgemässer Magnetfeldsensor für die Messung von wenigstens einer Komponente eines Magnetfeldes umfasst einen ringförmigen ferromagnetischen Kern, der als Magnetfeldkonzentrator dient, eine Enegerspule und einen Auslesesensor. Der Auslesesensor umfasst wenigstens einen, vorzugsweise zwei in der Nähe des äusseren Randes des ferromagnetischen Kerns angeordnete Sensoren und misst die wenigstens eine Komponente des Magnetfeldes. Beim Betrieb des Magnetfeldsensors wird die Erregerspule an ausgewählten Zeitpunkten temporär mit einem Strom beaufschlagt, um den ferromagnetischen Kern in einen Zustand vorbestimmter Magnetisierung zu bringen, in dem die Magnetisierung des ferromagnetischen Kerns im Auslesesensor kein Signal erzeugt. Der durch die Erregerspule fliessende Strom muss so gross sein, dass das vom Strom erzeugte Magnetfeld im ferromagnetischen Kern mindestens die durch das Material des ferromagnetischen Kerns vorgegebene Koerzitivfeldstärke erreicht. Bevorzugt wird der Strom so gross gewählt, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld zwei bis drei Mal grösser als die Koerzitivfeldstärke ist. Besitzt das Material eine sogenannte harte und eine weiche magnetische Achse, dann muss die grössere Koerzitivfeldstärke der harten magnetischen Achse gewählt weiden. Bei diesem Vorgang wird der ringförmige ferromagnetische Kern beispielsweise so magnetisiert, dass die Feldlinien innerhalb des Kerns als geschlossene Feldlinien in tangentialer Richtung verlaufen. Diese Magnetisierung wird als zirkuläre Magnetisierung bezeichnet. Durch diese vorbestimmte Magnetisierung wird das Problem der vorgenannten Restmagnetisierung, welche zu Fehlern führt, gelöst.
Dieser Vorgang, den ferromagnetischen Kern in einen Zustand vorbestimmter Magnetisierung zu bringen, wird bevorzugt vor einer eigentlichen Messung des externen Magnetfeldes diuOhgeführt. Er kann aber auch periodisch oder zu beliebigen anderen Zeitpunkten durchgeführt werden. Der ferromagnetische Kern ist also mit einer vorbestimmten Magnetisierung magnetisiert und diese vorbestimmte Magnetisierung wird zu bestimmten Zeiten wieder aufgefrischt bzw. wiederhergestellt.
Um den ferromagnetischen Kern in den gewünschten Magnetisierungszustand zu bringen, ist eine gewisse Menge an Magnetisierungsenergie erforderlich. Die notwendige Magnetisierungsenergie ist einerseits proportional zum Volumen V des ferromagnetischen Kerns und andererseits zum Magnetprodukt B x H, das von der Hysteresekurve des verwendeten Materials abhängt. Um ein möglichst kleines Magnetprodukt zu erhalten, wird als Material für den ferromagnetischen Kern ein weichmagnetischer Werkstoff wie z.B. Vitrovac 6025Z gewählt. Das zu magnefisierende Volumen ist durch die Geometrie des ferromagnetischen Kerns bestimmt. Da hauptsächlich der Durchmesser des ringförmigen ferromagnetischen Kerns die erzielbare magnetische Verstärkung bestimmt, werden die
Breite und die Dicke des Ringes möglichst klein gewählt. Für das oben genannte Material Vitrovac
6025Z wird bei einem Ringdurclimesser von 1 mm z.B. eine Breite von 20 μm und eine Höhe von lOμm gewählt. Die Breite beträgt also nur zwei Prozent des Durchmessers des Ringes. Sinnvoll ist, wenn die
Breite Lind die Höhe des Ringes so klein sind, wie es die verwendete Technologie ermöglicht. Bei der
Anwendung anderer Technologien wie z.B. Aufbringen des Kerns auf den Halbleiterchip durch
Elektrolyse oder Sputtern kann die Dicke des Kerns bis auf einen Mikrometer oder weniger reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der Verkleinerung des Volumens des Kerns besteht darin, dass der Aufbau der Vormagnetisierung durch ein mittels der Spule erzeugtes Magnetfeld weniger durch im Kern erzeugte Wirbelströme selbst gehemmt wird. Dadurch kann der Strompuls zur Magnetisierung kürzer ausfallen und die insgesamt aufzubringende Energie reduziert werden. Ein derart optimierter Sensor ist auch für Anwendungen mit geringem erlaubten Energieverbrauch, wie z.B. in einer Uhr, geeignet.
Der Magnetfeldsensor kann beispielsweise verwendet werden, um die Stärke eines schwachen Magnetfeldes zu messen, dessen Richtung nicht ändert. Ein solcher Magnetfeldsensor kann auch als Strom- oder Energiesensor verwendet werden, wobei er die Stärke eines von einem stiOmdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldes misst. Der Sensor kann zudem mit einem zweiten Auslesesensor versehen werden, um eine zweite Komponente eines externen Magnetfeldes zu messen. Wenn zwei Komponenten des externen Magnetfeldes gemessen werden, dann kann daraus auch dessen Richtung bestimmt werden. Ein solcher Magnetfeldsensor kann somit auch als Kompass verwendet werden.
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 in Aufsicht einen Magnetfeldsensor für die Messung von zwei Komponenten eines externen Magnetfeldes, mit einem ringförmigen ferromagnetischen Kern, Fig. 2 den Magnetfeldsensor und Feldlinien im Querschnitt,
Fig. 3 einen weiteren Magnetfeldsensor,
Fig. 4A, 4B den ringförmigen Kern in verschiedenen Magnetisierungszuständen, Fig. 5, 6 den Verlauf magnetischer Feldlinien im ferromagnetischen Kern, und Fig. 7 einen ringförmigen ferromagnetischen Kern, der in einer bestimmten Art magnetisiert ist.
Ausführungsbeispiel 1
Die Fig. 1 zeigt in Aufsicht einen als Halbleiterchip 1 ausgebildeten Magnetfeldsensor für die Messung von zwei Komponenten eines externen Magnetfeldes. Als Bezugssystem dient ein kartesisches x,y,z Koordinatensystem, dessen Ursprung in der Figur aus Gründen der zeichnerischen Klarheit ausserhalb des Magnetfeldsensors angeordnet ist, wobei die z-Richtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Der Magnetfeldsensor umfasst eine elektronische Schaltung 2, eine mit einem Strom beaufschlagbare Erregerspule 3 mit beispielsweise vier Windungen, einen ringförmigen ferromagnetischen Kern 4 und zwei Auslesesensoren 5, 6. Der ferromagnetische Kern 4 erstreckt sich in einer Ebene und definiert somit die Lage der xy-Ebene. Der Auslesesensor 5 dient der Erfassung der x-Komponente des Magnetfeldes, der Auslesesensor 6 dient der Erfassung der y-Komponente des Magnetfeldes. Die Auslesesensoren 5, 6 bestehen vorzugsweise je aus zwei örtlich getrennten, aber elektrisch verbundenen Sensoren. Der Magnetfeldsensor ist in einer Technologie hergestellt, bei der zunächst die elektronische Schaltung 2, Teile der Erregerspule 3 und die Auslesesensoren 5, 6 in einer Standard CMOS Technologie gefertigt und anschliessend der fen-omagnetische Kern 4 in einem sogenannten Post-Prozess aufgebracht wurde. Dabei wird ein Band aus amorphem ferromagnetischem Material auf den Wafer mit den Halbleiterschaltungen aufgeklebt und mittels Photolithografie und chemischem Ätzen strukturiert. Nach dem Zersägen des Wafers in die einzelnen Halbleiterchips werden die Windungen der Erregerspule 3 bei der Montage des Halbleiterchips auf ein Substrat entweder durch Drahtbonden (wie gezeigt) oder mittels der Flipchip Technologie vervollständigt. Die elektronische Schaltung 2 dient der Erzeugung des die Erregerspule 3 durchfliessenden Stromes und der Auswertung der von den Auslesesensoren 5, 6 gelieferten Signale.
Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Erregerspule 3 vier Windungen auf, die teilweise aus Leiterbahnen 7 und teilweise aus Bonddrähten 8 besteht. Die Leiterbahnen 7 verlaufen unterhalb, die Bonddrähte 8 verlaufen oberhalb des ferromagnetischen Kerns 4. Die Bonddrähte 8 verbinden jeweils ein Ende einer Leiterbahn 7 mit einem Ende einer anderen Leiterbahn 7. Eine Schaltung 9 dient zur temporären Beaufschlagung der Erregerspille 3 mit einem Strom I(t), um den ferromagnetischen Kern 4 in einen Zustand vorbestimmter Magnetisierung zu bringen. Die Variable t bezeichnet die Zeit.
Die elektronische Schaltung 2 wird von einer nicht dargestellten Energiequelle, insbesondere einer Batterie, gespeist. Die elektronische Schaltung 2 dient zum Betrieb der Schaltung 9, der Auslesesensoren 5, 6 und zur Auswertung der von den Auslesesensoren 5, 6 gelieferten Signale.
Als Material für den ferromagnetischen Kern 4 dient beispielsweise das unter der Bezeichnung VAC 6025Z erhältliche Band aus amorphem Metall. Dieses Material hat eine Koerzitivfeldstärke H = 3 mA/cm. Um den ferromagnetischen Kern 4 magnetisch in Sättigung zu bringen, sollte der durch die Erregerspule 3 fliessende Strom I ein Magnetfeld Hs erzeugen, das etwa 20 mal grösser als die Koerzitivfeldstärke Hc ist. Wenn der äussere Durchmesser D des ringförmigen ferromagnetischen Kerns 4 D = 1 mm und die Zahl n der Windungen der Erregerspule 3 n = 4 beträgt, dann erhält man für den Strom gemäss der Gleichung I = 20*Hc*D*π/n (1)
I ≡ 4.5 raA. Da der ferromagnetische Kern 4 keinen Luftspalt hat, lässt er sich bereits durch ein kleines Magnetfeld und somit durch einen geringen Strom I magnetisch sättigen.
Der Magnetfeldsensor weist als Auslesesensoren 5 und 6 vorzugsweise vier elektrisch paarweise gekoppelte, sogenannte horizontale Hallelemente 10, 11, 12 und 13 auf, die auf ein Magnetfeld empfindlich sind, das senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterchips 1, d.h. in z-Richtung verläuft. Die Hallelemente 10 und 12 sind auf der x-Achse des kartesischen Koordinatensystems angeordnet und bilden den ersten Auslesesensor 5. Die Hallelemente 10 und 12 sind somit an bezüglich einer durch den Mittelpunkt des ferromagnetischen Kerns (4) verlaufenden Symmetrieachse einander diametral gegenüberliegenden Orten angeordnet. Die Hallelemente 11 und 13 sind auf der y-Achse des kartesischen Koordinatensystems angeordnet und bilden den zweiten Auslesesensor 6. Die horizontalen Hallelemente 10 bis 13 sind jeweils unterhalb des ferromagnetischen Kerns 4 angeordnet und zwar in der Nähe seines äusseren Randes. Da die relative Permeabilität Ur des ferromagnetischen Kerns 4 sehr gross gegenüber der relativen Permeabilität seiner Umgebung ist, treffen die Feldlinien des externen, zu messenden Magnetfeldes annähernd senkrecht auf die Oberfläche des ferromagnetischen Kerns 4 auf bzw. verlassen diesen unter fast senkrechtem Winkel. Die Feldkonzentration ist am grössten im Bereich des äusseren Randes des ferromagnetischen Kerns 4, wo sich die Hallelemente 10 bis 13 befinden. Die Ausgangssignale der beiden Hallelemente 10 und 12 hängen von der Stärke der x-Komponente des externen Magnetfeldes ab, die Ausgangssignale der beiden Hallelemente 11 und 13 von der Stärke der y- Komponente des externen Magnetfeldes.
Die Fig. 2 zeigt die Feldlinien 14 des externen Magnetfeldes, wenn der ferromagnetische Kern 4 durch das von dem durch die Erregerspule 3 (Fig. 1) fliessenden Strom erzeugte Magnetfeld nicht gesättigt ist. Die Feldlinien am Ort der beiden Hallelemente 10 und 12 zeigen in unterschiedliche z-Richtung, da das Magnetfeld am Ort des einen Hallelementes, beispielsweise des Hallelementes 10, in den ferromagnetischen Kern 4 eintritt und am Ort des anderen Hallelementes 12 diesen wieder verlässt. Die beiden Hallelemente 10 und 12 sind elektrisch so zum Auslesesensor 5 (Fig. 1) zusammengeschaltet, dass sich die durch die x-Komponente des externen Magnetfeldes in den Hallelementen 10 und 12 erzeugten Hallspannungen addieren. Eine allfällige vorhandene z-Komponente des externen Magnetfeldes zeigt hingegen bei beiden Hallelementen 10 und 12 in die gleiche z-Richtung und bewirkt deshalb im Auslesesensor 5 kein Ausgangssignal.
Es ist vorteilhaft, die beiden Hallelemente 10 und 12 elektrisch nicht fest zum Auslesesensor 5 zusammenzuschalten, sondern so, dass die Ausgangssignale der beiden Hallelemente 10 und 12 wahlweise addiert oder subtrahiert werden. Somit kann mit dem Auslesesensor 5 entsprechend der momentanen elektrischen Beschaltung der beiden Hallelemente 10 und 12 entweder die x-Komponente oder die z-Komponente des externen Magnetfeldes gemessen werden. Für die Messung der z- Komponente des Magnetfeldes kann aber auch ein separates Hallelement vorgesehen sein, das sich aber nicht in der Nähe des Randes des ferromagnetischen Kerns 4 befindet, damit weder die x-Komponente noch die y-Komponente des Magnetfeldes zu seiner Hallspannung beiträgt.
Die Auslesesensoren 5 und 6 können aber auch aus nur je einem einzigen Hallelement bestehen, der Auslesesensor 5 beispielsweise aus dem Hallelement 10 und der Auslesesensor 6 aus dem Hallelement 11, wenn die z-Komponente des Magnetfeldes vernachlässigbar klein ist gegenüber den durch den ferromagnetischen Kern 4 verstärkten x- und y-Komponenten des Magnetfeldes. In diesem Fall ist für die Messung der z-Komponente des Magnetfeldes ein separates Hallelement vorzusehen, das sich nicht in der Nähe des Randes des ferromagnetischen Kerns 4 befindet.
Die Erregerspule 3 (Fig. 1) dient dazu, den ferromagnetischen Kern 4 zu gewissen Zeiten in einen Zustand vorbestimmter Magnetisierung zu bringen. Dabei geht es grundsätzlich darum, den ferromagnetischen Kern 4 so zu magnetisieren, dass seine Magnetisierung in den Auslesesensoren 5, 6 kein Signal erzeugt. Eine durch äussere Einwirkung entstandene, zufallige Magnetisierung des ferromagnetischen Kerns 4, die in den Auslesesensoren 5, 6 ein unerwünschtes Signal erzeugt, wird dabei neutralisiert.
Der ferromagnetische Kern 4 wird so magnetisiert, dass das durch seine Magnetisierung erzeugte Magnetfeld in den Auslesesensoren 5, 6 kein Signal erzeugt. D.h. allfällige Komponenten dieses Magnetfeldes verlaufen entweder orthogonal zur Empfindlichkeitsrichtung der Hallelemente 10 bis 13 oder sie verlaufen in den paarweise zu den Auslesesensoren 5, 6 geschalteten Hallelementen 10 und 12 bzw. 11 und 13 in der gleichen z-Richtung, so dass sich die von ihnen erzeugten Hallspannungen kompensieren.
Im folgenden werden nun weitere Massnahmen beschrieben, deren Anwendung zu einer höheren Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors und/oder zu einem geringeren Strom- bzw. Energieverbrauch führt.
Wenn die Zahl der Windungen der Erregerspille 3 auf n erhöht wird, dann kann entweder der durch die Erregerspule 3 fliessende Strom um den Faktor n verkleinert oder der Durchmesser D des ringförmigen ferromagnetischen Kerns 4 um den Faktor n vergrössert werden, und man erhält gemäss Gleichung (1) bei der Magnetisierung den gleichen Sättigungsgrad des ferromagnetischen Kerns 4. Eine Vergrösserung des Durchmessers D bewirkt eine Verstärkung der Flusskonzentration, erhöht aber auch den Platzbedarf und damit die Abmessungen des Halbleiterchips 1. Im Hinblick auf das Ziel einer möglichst grossen Miniaturisierung des Magnetfeldsensors resultieren dann optimale Verhältnisse, wenn der Durchmesser D des ferromagnetischen Kerns 4 den Abmessungen des Halbleiterchips 1 angepasst wird, wie sie sich aus dem Platzbedarf für die elektronische Schaltung 2 ergeben, und die Zahl n der Windungen der Erregerspule 3 der Grosse des ferromagnetischen Kerns 4 angepasst wird. Ausführungsbeispiel 2
Die Fig. 3 zeigt in Aufsicht einen weiteren Magnetfeldsensor mit einem ringförmigen ferromagnetischen Kern 4, bei dem die Erregerspule 3 als Flachspule 15 mit einer spiralförmig verlaufenden Leiterbahn 16 ausgebildet ist, die unterhalb des ferromagnetischen Kerns 4 angeordnet ist. Die Leiterbahn 16 verläuft zwar spiralförmig, aber dennoch annähernd konzentrisch zum ferromagnetischen Kern 4.
Ein erstes Ende 17 der Leiterbahn 16 befindet sich naturgemäss innerhalb, ein zweites Ende 18 der Leiterbahn 16 ausserhalb des ringförmigen ferromagnetischen Kerns 4. Eine in einer zweiten Metallisierungsschicht angeordnete Leiterbahn 19 verbindet das erste Ende 17 mit einem ausserhalb des ringförmigen feιτomagnetischen Kerns 4 angeordneten Anschluss 20. (Der ebenfalls eingezeichnete Bonddraht 8 ist beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht vorhanden, ist aber wichtig beim dritten Ausführungsbeispiel). Die Leiterbahn 19 befindet sich somit auf der gleichen Seite des ferromagnetischen Kerns 4 wie die Flachspule 15. Obwohl die Leiterbahn 16 der Flachspule 15 spiralförmig verläuft, tragen die in radialer Richtung verlaufenden Anteile der Leiterbahn 16 nicht zu dem durch die Flachspule 15 erzeugten Magnetfeld bei, da der in der Leiterbahn 19 fliessende Strom in entgegengesetzter Richtung zu dem in radialer Richtung durch die Flachspule 15 fliessenden Strom fliesst und diesen somit kompensiert. Das durch die Flachspule 15 erzeugte Magnetfeld entspricht somit einem durch konzentrisch angeordnete Leiterbahnen erzeugten Magnetfeld.
Ausführungsbeispiel 3
Dieses Beispiel entspricht weitgehend dem zweiten Ausführungsbeispiel, aber anstelle der Leiterbahn 19 ist der Bonddraht 8 vorhanden, der das erste Ende 17 der Flachspule 15 mit einem ausserhalb des ringförmigen feιτomagnetischen Kerns 4 angeordneten Anschluss 20 verbindet. Da die Flachspule 15 und der Bonddraht 8 den ferromagnetischen Kern 4 auf verschiedenen Seiten queren, nämlich die Flachspule 15 unten und der Bonddraht 8 oben, ergibt sich eine Zusatzspule mit einer einzigen Wicklung, die den Ring des ferromagnetischen Kerns 4 umschliesst und wie eine Erregerspule gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel wirkt. Im Gegensatz zum zweiten Ausführungsbeispiel kompensiert der durch den Bonddraht 8 fliessende Strom den in radialer Richtung durch die Flachspule 15 fliessenden Strom nicht. Die Kombination aus Flachspule 15 und Bonddralit 8 stellt eine Erregerspule 3 dar, mit der sich der ferromagnetische Kern 4 auf sehr effiziente Weise in einen Zustand vorbestimmter Magnetisierung bringen lässt, in dem die Magnetisierung des Kerns 4 in den Auslesesensoren 5, 6 kein Signal erzeugt.
Im Folgenden wird für die drei Ausführungsbeispiele mindestens eine erste Methode beschrieben, um den ferromagnetischen Kern 4 in einen Zustand vorbestimmter, nicht verschwindender Magnetisierung zu bringen. Die Methoden werden vorzugsweise durchgeführt, bevor mit dem Magnetfeldsensor eine Messung der x- und y- Komponenten des externen Magnetfeldes durchgefühlt wird, es sei denn, das Magnetfeld, das während der Durchführung der Methoden durch den durch die Erregerspule 3 fliessenden Strom temporal- erzeugt wird, erzeuge in den Auslesesensoren 5, 6 kein Signal. Die folgenden Methoden 1.1 und 1.2 betreffen das erste Ausführungsbeispiel und ihre Wirkungen werden für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei sich die Begriffe und Bezugszeichen auf die dem ersten Ausführungsbeispiel zugeordneten Figuren beziehen.
Methode 1.1
Bei dieser ersten Methode wird die Erregerspule 3 während einer vorbestimmten Zeitdauer mit einem Strom I(t) beaufschlagt, um den ferromagnetischen Kern 4 gleichmässig zu magnetisieren. Das von dem durch die Erregerspule 3 flies senden Strom I(t) erzeugte Magnetfeld B(t) verläuft entlang konzentrischer, geschlossener Linien im ferromagnetischen Kern 4. Dieses Magnetfeld wird als zirkuläres Magnetfeld bezeichnet. Der Strom I(f) ist z.B. ein Gleichstrompuls, dessen Stärke zuerst zunimmt und anschliessend wieder auf Null reduziert wird. Damit eine durch äussere Einwirkung entstandene Magnetisierung vollständig neutralisiert werden kann, wird der Gleichstrom I(t) vorzugsweise soweit erhöht, bis der ferromagnetische Kern 4 magnetisch in Sättigung oder annähernd in Sättigung ist, und anschliessend wieder auf Null reduziert. Das Maximum des GleichsüOms I(t) erzeugt im ferromagnetischen Kern 4 ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldstärke grösser, vorzugsweise zwei bis dreimal grösser, als die Koerzitivfeldstärke Hc des Materials des ferromagnetischen Kerns 4 ist. Das Maximum des Gleichstroms I(t) soll so gross gewählt werden, dass eine durch ein Störfeld verursachte Ummagnetisierung des ferromagnetischen Kerns 4 neutralisiert werden kann. Die nötige Stromstärke hängt dabei von der Magnetisierungskurve des ferromagnetischen Kerns 4 ab. Auf diese Weise wird der ferromagnetische Kern 4 magnetisiert, wobei seine Magnetisierung in etwa der Remanenz des ferromagnetischen Materials entspricht. Die ringförmige Struktur des ferromagnetischen Kerns 4 des ersten Ausführungsbeispiels bietet den Vorteil, dass sich die Feldlinien des durch seine Magnetisierung erzeugten Magnetfeldes innerhalb des ferromagnetischen Kerns 4 schliessen. Das durch die Magnetisierung ausserhalb des ferromagnetischen Kerns 4 erzeugte Magnetfeld verläuft orthogonal zur Empfmdliclikeitsrichtung der Hallelemente 10 - 13 und erzeugt somit keine Hallspannung.
Die Fig. 4A zeigt mit gestrichelter Linie den Verlauf der Feldlinien, nachdem der ringförmige Kern 4 durch ein äusseres magnetisches Störfeld magnetisiert worden ist. Pfeile deuten die Richtung des Feldes an. Der ringförmige Kern 4 wirkt als magnetischer Dipol und erzeugt in den Auslesesensoren 5 und 6 ein unerwünschtes Signal. Die Fig. 4B zeigt den Verlauf der Feldlinien, nachdem der ringförmige Kern 4 mittels der vorgängig beschriebenen Methode ummagnetisiert wurde. Die Feldlinien verlaufen jetzt geschlossen innerhalb des Kerns 4. Die Stärke der Magnetisierung entspricht typischerweise der Remanenz des Materials des Kerns 4.
Diese erste Methode kann vor jeder Messung des externen Magnetfeldes oder auch nur gelegentlich durchgeftihrt werden. Methode 2.1
Diese zweite Methode wird bei jeder Messung des externen Magnetfeldes durchgeführt. Eine Messung besteht aus zwei Einzelmessungen. Die Messung erfolgt gemäss den folgenden Schritten: a) Die Erregerspule 3 wird mit einem Gleichstrompuls I(t) beaufschlagt, wobei der Strom in einer ersten Richtung durch die Erregerspule 3 fliesst. b) Die Ausgangssignale der Auslesesensoren 5 und 6 werden ausgelesen. c) Die Erregerspule 3 wird mit einem Gleichstrompuls I(t) beaufschlagt, wobei der Strom in der zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung durch die Erregerspule 3 fliesst. d) Die Ausgangssignale der Auslesesensoren 5 und 6 werden ausgelesen. e) Die in den Schritten b und d gemessenen Ausgangssignale des Auslesesensors 5 werden addiert und die gemessenen Ausgangssignale des Auslesesensors 6 werden addiert.
Mit dieser Methode kann der Einfluss allfälliger im Bereich der Hallelemente 10 bis 13 lokal auftretender Streuflüsse, die durch Inhomogenitäten des Materials des fen-omagnetischen Kerns 4 bedingt sind, reduziert werden, da die Streuflüsse bei der ersten Einzelmessung einen positiven Beitrag zu den Ausgangssignalen und bei der zweiten Einzelmessung einen negativen Beitrag zu den Ausgangssignalen bilden, die sich bei der Summenbildung im Schritt e aufheben.
Die Methoden 1.2 und 2.2 betreffen das zweite Ausführungsbeispiel und ihre Wirkungen werden für das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei sich die Begriffe und Bezugszeichen auf die dem zweiten Ausfühlungsbeispiel zugeordneten Figuren beziehen.
Methode 1.2
Bei dieser Methode wird die Erregerspule 3 für eine vorbestimmte Zeitdauer mit einem Gleichstrom I(t) beaufschlagt. Der in der Flachspule 15 fliessende Gleichstrom I(t) bewirkt eine Magnetisierung des feiTomagnetischen Kerns 4 in radialer Richtimg. Der Verlauf der Feldlinien der Magnetisierung ist in der Fig. 5, die einen Schnitt in der z-Ebene darstellt, mit Pfeilen 21 dargestellt. Mit der Flachspule 15 kann der ferromagnetische Kern 4 auf effiziente Weise magnetisiert werden. Bei dieser Magnetisierung schliessen sich die Feldlinien nicht innerhalb des fen-omagnetischen Kerns 4. Die radiale Magnetisierung erzeugt ausserhalb des ferromagnetischen Kerns 4 ein nicht verschwindendes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist aber symmetrisch zur Symmetrieachse des ferromagnetischen Kerns 4. Die Feldlinien dieses Magnetfeldes verlaufen bei allen Hallelementen 10 - 13 in der gleichen Richtung und erzeugen somit in allen Hallelementen 10 - 13 die gleiche Hallspannung. Weil die Auslesesensoren 5, 6 aus je 2 gegensinnig gekoppelten Hallelementen bestehen, liefern diese Hallspannungen keinen Beitrag zu den Ausgangssignalen der Auslesesensoren 5, 6.
Methode 2.2
Bei dieser Methode wird die Erregerspule 3 mit einem Wechselstrom beaufschlagt. Die Flachspule 15 und der elektrisch leitende ferromagnetische Kern 4 wirken wie ein Transformator, wobei die Flachspule
15 die Primärwicklung mit N Windungen und der Transformator die Sekundärwicklung mit einer einzigen Windung bildet. Bei idealer Kopplung ist daher der im ferromagnetischen Kern 4 induzierte
Wechselstrom N mal grösser als der durch die Flachspule 15 fliessende Wechselstrom. Der im ferromagnetischen Kern 4 induzierte Wechselstrom bewirkt eine wechselnde Magnetisierung des Kerns
4, deren Feldlinien den in der Fig. 6 dargestellten Verlauf nehmen. Diese Feldlinien schliessen sich innerhalb des ferromagnetischen Kerns 4.
Die Methoden 1.3 und 2.3 betreffen das dritte Ausführimgsbeispiel und ihre Wirkungen werden für das dritte Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei sich die Begriffe und Bezugszeichen auf die dem dritten Ausführungsbeispiel zugeordneten Figuren beziehen. Der durch die Zusatzspule fliessende Strom erzeugt im fen-omagnetischen Kern 4 ein zirkuläres Magnetfeld, das sich dem durch die Flachspule 15 gebildeten Magnetfeld überlagert. Die Wirkung, die sich daraus ergibt, hängt davon ab, ob die durch die Flachspule 15 und den Bonddraht 8 gebildete En'egerspule 3 mit einem Gleichstrom oder mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird.
Methode 1.3
Die Erregerspule 3 wird mit einem Gleichstrom beaufschlagt (wie bei den Methoden 1.1 und 2.1). Dank der Flachspule 15 wird der ferromagnetische Kern 4 wie bei der Methode 1.2 des zweiten Ausführungsbeispiels auf effiziente Weise magnetisiert. Die Zusatzspule bewirkt im ferromagnetischen Kern 4 zusätzlich ein zirkuläres Magnetfeld, wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die resultierende Magnetisierung des fen-omagnetischen Kerns 4 ist nun nicht mehr radial, sondern besitzt zusätzlich eine tangentiale Komponente. Dieser Magnetisierungszustand ist in der Fig. 7 gezeigt. Die Fig. 7 zeigt den ferromagnetischen Kern 4 in Aufsicht. Die lokale Richtung der Magnetisierung ist durch Pfeile 21 dargestellt. Wenn der Gleichstrom abgeschaltet wird, dann dreht sich die Magnetisierung in den einzelnen magnetischen Domänen des ferromagnetischen Kerns 4 in tangentiale Richtung, so dass sich die magnetischen Feldlinien schliessen. Beim Abschalten des Gleichstroms stellt sich somit automatisch eine zirkuläre Magnetisierung des ferromagnetischen Kerns 4 ein, die wie bereits früher erwähnt den Vorteil hat, dass ihr Magnetfeld in den Auslesesensoren 5, 6 kein Signal erzeugt.
Für die Zusatzspule können anstelle der einzigen durch den Bonddraht 8 realisierten Wicklung auch mehrere Wicklungen vorgesehen sein, die wie beim ersten Ausführungsbeispiel durch Leiterbahnen und Bonddrähte realisiert sind. Die Zahl der Windungen der Flachspule 15 und die Zahl der Wicklungen der Zusatzspule sind so aufeinander abzustimmen, dass die zirkuläre Magnetisierung mit minimalen Energieaufwand erzielt werden kann.
Methode 2.3
Wenn die Erregerspule 3 mit einem Wechselstrom mit konstanter Amplitude beaufschlagt wird, dann richten sich die magnetischen Domänen innerhalb des ferromagnetischen Kerns 4 schraubenförmig aus.
Wird der Wechselstrom ausgeschaltet, so drehen sich die magnetischen Domänen von selbst, damit sich die Feldlinien des von ihnen erzeugten Magnetfeldes scWiessen können. Somit kann wie bei der Methode
1.3 eine zirkuläre Magnetisierung des ferromagnetischen Kerns 4 erreicht werden.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden als Sensoren zur Messung des externen Magnetfeldes horizontale Hallelemente 10 - 13 verwendet. Es ist aber auch möglich, anstelle der horizontalen Hallelemente 10 - 13 sogenannte vertikale Hallelemente zu verwenden, die empfindlich sind auf ein Magnetfeld, das parallel zu ihrer Oberfläche verläuft. Aus der Fig. 2 ergibt sich, dass die vertikalen Hallelemente nicht am äusseren Rand unterhalb des ferromagnetischen Kerns 4, sondern etwas ausserhalb des ferromagnetischen Kerns 4 angeordnet werden müssen, wo die Feldlinien annähernd waagrecht verlaufen. Des Weiteren können anstelle der Hallelemente auch magnetoresistive Sensoren oder Magnetotransistoren verwendet werden. Allerdings muss dann geprüft werden, ob die im ferromagnetischen Kern 4 erzeugte Magnetisierung auf einen solchen Sensor den gleichen Einfluss hat wie auf ein horizontales Hallelement.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Magnetfeldsensor für die Messung von wenigstens einer Komponente eines Magnetfeldes, mit einem auf einem Halbleiterchip (1) aufgebrachten ringförmigen ferromagnetischen Kern (4), der eine Ebene mit der wenigstens einen zu messenden Komponente des Magnetfeldes aufspannt und als Magnetfeldkonzentrator dient, und mit einem Auslesesensor (5), wobei der Auslesesensor (5) mindestens einen in der Nähe des äusseren Randes des ferromagnetischen Kerns (4) angeordneten, in den Halbleiterchip (1) integrierten Sensor umfasst und die wenigstens eine Komponente des Magnetfeldes misst, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Kern (4) mit einer vorbestimmten Magnetisierung magnetisiert ist und dass eine Eιτegerspule (3) und eine elektronische Schaltung (9) für die temporäre Beaufschlagung der Erregerspule (3) mit einem Strom zur Wiederherstellung der vorbestimmten Magnetisierung im ferromagnetischen Kern (4) vorhanden sind.
2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Kern (4) zirkulär magnetisiert ist.
3. Magnetfeldsensor nach Anspmch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (3) mindestens eine Wicklung umfasst, die den Ring des ferromagnetischen Kerns (4) umschliesst.
4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Kern (4) radial magnetisiert ist.
5. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Erregerspule (3) eine Flachspule umfasst, deren Windungen spiralförmig unterhalb des ferromagnetischen Kerns (4) verlaufen.
6. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor, der den Auslesesensor (5) bildet, ein Hallelement (10) ist.
7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Auslesesensor (5) zwei Hallelemente (10, 12) umfasst, die an bezüglich einer Symmetrieachse des ferromagnetischen Kerns (4) einander diametral gegenüberliegenden Orten angeordnet sind.
8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Ringes des ferromagnetischen Kerns (4) weniger als fünf Prozent des Durchmessers des ferromagnetischen Kerns (4) beträgt und dass die Höhe des Ringes des ferromagnetischen Kerns (4) weniger als fünf Prozent des Durchmessers des fen-omagnetischen Kerns (4) beträgt.
9. Verfahren zum Betrieb eines Magnetfeldsensors für die Messung von wenigstens einer Komponente eines Magnetfeldes, wobei der Magnetfeldsensor einen auf einem Halbleiterchip (1) aufgebrachten ringförmigen ferromagnetischen Kern (4), der eine Ebene mit der wenigstens einen zu messenden Komponente des Magnetfeldes aufspannt und als Magnetfeldkonzentrator dient, sowie einen Auslesesensor (5) umfasst, wobei der Auslesesensor (5) mindestens einen in der Nähe des äusseren Randes des ferromagnetischen Kerns (4), in den Halbleiterchip (1) integrierten angeordneten Sensor umfasst und die wenigstens eine Komponente des Magnetfeldes misst, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Kern (4) durch temporäre Beaufschlagung einer Erregerspule (3) mit einem Strom zu gewissen Zeitpunkten magnetisiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspule (3) mit einem Gleichstrompuls beaufschlagt wird, um den ferromagnetischen Kern (4) zu magnetisieren, wobei das Maximum des Gleichstrompulses ein Magnetfeld erzeugt, das grösser als die Koerzitivfeldstärke des Materials des ferromagnetischen Kerns (4) ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Beaufschlagung der Erregerspule (3) mit einem Gleichstrompuls, wobei der Strom in einer ersten Richtung durch die Erregerspule (3) fliesst; b) Auslesen des Ausgangssignals des Auslesesensors (5); c) Beaufschlagung der Erregerspule (3) mit einem Gleichstrompuls, wobei der Strom in der zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung durch die Erregerspule (3) fliesst; d) Auslesen des Ausgangssignals des Auslesesensors (5); e) Summation der in den Schritten b und d gemessenen Ausgangssignale des Auslesesensors (5).
PCT/EP2003/050342 2002-08-01 2003-07-29 Magnetfeldsensor und verfahren zum betrieb des magnetfeldsensors WO2004013645A1 (de)

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