DE10314602B4 - Integrated differential magnetic field sensor - Google Patents
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Abstract
Magnetfeldsensoreinrichtung
(10; 30; 50; 70; 90) zur Erfassung eines Magnetfelds, mit folgenden Merkmalen:
einem
einteiligen Substrat (12) mit einem ersten, in das Substrat (12)
integrierten Magnetfeldsensorelement (14) zur Erfassung eines senkrecht
auf das Substrat (12) wirkenden, ersten statischen Magnetfeldkomponente
(H1), und mit einem zweiten, in das Substrat
(12) integrierten Magnetfeldsensorelement (16) zur Erfassung einer
senkrecht auf das Substrat (12) wirkenden, zweiten statischen Magnetfeldkomponente
(H2),
wobei das erste Magnetfeldsensorelement
(14) und das zweite Magnetfeldsensorelement (16) voneinander um
einen vorbestimmten Abstand A beabstandet sind, wobei der vorbestimmte
Abstand A so eingestellt ist, dass die erste und die zweite Magnetfeldkomponente
(H1, H2) zueinander entgegengesetzt
sind, und
einer Magnetfeldausrichtungsanordnung (18; 32; 74)
zum Ausrichten der zu erfassenden ersten und zweiten Magnetfeldkomponente
(H1, H2) bezüglich des
ersten und zweiten Magnetfeldsensorelements (14, 16), wobei die
Magnetfeldausrichtungsanordnung (18; 32; 74) eine Schicht aus einem
permeablen Material aufweist, die beide Magnetfeldsensorelemente
(14, 16) überdeckt,
parallel...Magnetic field sensor device (10; 30; 50; 70; 90) for detecting a magnetic field, having the following features:
a one-piece substrate (12) having a first magnetic field sensor element (14) integrated in the substrate (12) for detecting a first static magnetic field component (H 1 ) acting perpendicular to the substrate (12) and a second one into the substrate (12) 12) integrated magnetic field sensor element (16) for detecting a perpendicular to the substrate (12) acting second static magnetic field component (H 2 ),
wherein said first magnetic field sensor element (14) and said second magnetic field sensor element (16) are spaced from each other by a predetermined distance A, said predetermined distance A being set such that said first and second magnetic field components (H 1 , H 2 ) are opposite to each other, and
a magnetic field alignment arrangement (18; 32; 74) for aligning the first and second magnetic field components (H 1 , H 2 ) to be detected with respect to the first and second magnetic field sensor elements (14, 16), the magnetic field alignment arrangement (18; 32; 74) forming a layer a permeable material that covers both magnetic field sensor elements (14, 16), parallel to each other.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetfeldsensoreinrichtungen, und insbesondere auf monolithisch integrierbare, differentielle Magnetfeldsensoreinrichtungen, die vertikal angeordnet sind, um die senkrecht auf die Magnetfeldsensoreinrichtung wirkenden Magnetfeldkomponenten eines statischen oder dynamischen Magnetfeldes zu erfassen.The The present invention relates to magnetic field sensor devices, and in particular monolithically integrable, differential Magnetic field sensor devices which are arranged vertically to the magnetic field components acting perpendicular to the magnetic field sensor device of a static or dynamic magnetic field.
Vertikale magnetische Sensoreinrichtungen und deren Gehäuse werden im allgemeinen möglichst dünn ausgeführt, so dass die Magnetsensoreinrichtung in einem möglichst schmalen Luftspalt eines Magnetkreises eingebaut werden kann, um somit eine maximale magnetische Empfindlichkeit der Magnetsensoreinrichtung zu erzielen. Um so schmaler der Luftspalt eines Magnetkreises ausgeführt werden kann, um so homogener und stärker ist das in dem Luftspalt vorhandene Magnetfeld.vertical Magnetic sensor devices and their housing are generally made as thin as possible, so that the magnetic sensor device in as narrow as possible air gap a magnetic circuit can be installed, thus a maximum to achieve magnetic sensitivity of the magnetic sensor device. The narrower the air gap of a magnetic circuit can, the more homogeneous and stronger is the magnetic field present in the air gap.
Unter vertikalen magnetischen Sensoreinrichtungen werden solche Anordnungen verstanden, die die senkrecht zur Ebene der integrierten Schaltung (IC; IC = integrated circuit) wirksamen Magnetfeldkomponenten erfassen, wobei die Ebene der integrierten Schaltung durch die Ebene eines flächigen, aktiven Halbleiterbereichs der integrierten Schaltung, der mit dem zu erfassenden Magnetfeld durchsetzt ist, vorgegeben ist.Under Vertical magnetic sensor devices become such arrangements understood that the perpendicular to the plane of the integrated circuit (IC, IC = integrated circuit) detect effective magnetic field components, the level of the integrated circuit through the plane of a scale, active semiconductor region of the integrated circuit, with the is traversed to be detected magnetic field is predetermined.
Bei magnetischen Sensoreinrichtungen muss man nun zwischen sogenannten Absolutwertsensoreinrichtungen und Differentialsensoreinrichtungen unterscheiden, da bei den genannten Sensoreinrichtungen stark unterschiedliche Verhältnisse zu beachten sind.at Magnetic sensor devices must now be between so-called Absolute value sensor devices and differential sensor devices differ, as in the aforementioned sensor devices greatly different conditions to be observed.
So weist eine Differentialsensoreinrichtung zumindest zwei Elementarsensorelemente an unterschiedlichen Orten auf der integrierten Halbleiterschaltung auf und verarbeitet die Dif ferenzwerte der an beiden Sensorelementen erfassten Magnetfeldkomponenten. Diese Vorgehensweise hat sich als besonders störungsunempfindlich erwiesen, denn übliche, in der Praxis vorkommende Störfelder sind bezüglich der integrierten Schaltung zumeist homogen angeordnet, so dass sich ihre Differenz auf zwei Sensorelementen an der integrierten Halbleiterschaltung häufig aufhebt.So a differential sensor device has at least two elementary sensor elements at different locations on the semiconductor integrated circuit and processes the difference values of the two sensor elements detected magnetic field components. This approach has proven to be particularly resistant to interference proved, because usual, in practice occurring interference fields are re the integrated circuit is usually arranged homogeneously, so that their difference on two sensor elements on the semiconductor integrated circuit often picks.
Es sollte offensichtlich sein, dass sich natürlich auch mit zwei Absolutwertsensoreinrichtungen ein Sensorsystem aufbauen lässt, mit dem eine Differenzmessung durchgeführt werden kann. Dazu ist allerdings neben den beiden Absolutwertsensoreinrichtungen noch ein Auswerte-ASIC (ASIC = application specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung) erforderlich, der vorgesehen ist, um die Ausgangssignale der beiden Absolutwertsensoreinrichtungen weiterzuverarbeiten, d. h. beispielsweise deren Differenz zu bilden, zu verstärken usw. Da für ein Sensorsystem bestehend aus zwei Absolutwertsensoreinrichtungen und einem Auswerte-ASIC drei einzelne Gehäuse sowie eine kostspielige Trägerplatine und deren Verdrahtung sowie ein kostspieliges Testen und Abgleichen des Moduls erforderlich ist, sind solche Anordnungen relativ aufwendig und damit teuer herzustellen.It It should be obvious that, of course, with two absolute value sensor devices build a sensor system, with which a difference measurement can be performed. However, this is beside the two absolute value sensor devices still an evaluation ASIC (ASIC = application specific integrated circuit = application specific integrated circuit), which is provided to the To process output signals of the two absolute value sensor devices, d. H. for example, to form their difference, amplify, etc. Therefore a sensor system consisting of two absolute value sensor devices and an evaluation ASIC three individual housings as well as a costly one carrier board and their wiring, as well as costly testing and matching the module is required, such arrangements are relatively expensive and thus expensive to manufacture.
In der Praxis stellt sich neben der Kostenfrage aber auch noch das Problem, dass die beiden Absolutwertsensoreinrichtungen eine schlechte „Paarungstoleranz" (Matching) aufweisen, da die beiden Absolutwertsensoreinrichtungen im allgemeinen nicht aus demselben Fertigungs- und Montagelos stammen. Ferner sollte beachtet werden, dass ein Sensorsystem bestehend aus zwei Absolutwertsensoreinrichtungen auch bezüglich ihrer Lage zueinander erhebliche Toleranzen aufweisen, da die Position einer integrierten Schaltung und damit des aktiven Halbleiterbereichs zur Erfassung der wirksamen Magnetfeldkomponente innerhalb seines Gehäuses nicht besonders gut definiert ist. Aus diesem Grund müssen beide Absolutwertsensoreinrichtungen erst geeignet abgeglichen werden, was in der Regel äußerst kostspielig ist, wobei dies insbesondere zutrifft, wenn deren Temperaturkoeffizienten erst abgeglichen werden müssen.In In practice, in addition to the cost issue but also that Problem that the two absolute value sensor devices have a bad "mating tolerance" (matching), since the two absolute value sensor devices generally not come from the same production and assembly. Furthermore, it should be noted be that a sensor system consisting of two absolute value sensor devices also regarding her Position to each other have significant tolerances, since the position an integrated circuit and thus the active semiconductor region for detecting the effective magnetic field component within it housing not very well defined. For that reason, both must Absolute value sensor devices can only be suitably adjusted which is usually very expensive This is especially true when their temperature coefficients have to be reconciled first.
Bei einem im Stand der Technik bekannten Aufbau eines Stromsensors (US-2002/0024333 A1) ist ein doppelt-geschlitzter weichmagnetischer Kreis ausgebildet, wobei in den beiden Schlitzen jeweils ein Absolutwertsensor positioniert ist. Darüber hinaus wird durch den weichmagnetischen Kreis ein Primärstromleiter hindurchgeführt, der die magnetische Erregung definiert. In den beiden Luftspalten treten Magnetfelder auf, die proportional zur Erregung, also zum Primärstrom, sind, wodurch sich dieser Primärstrom berührungsfrei mittels der beiden Absolutwertsensoreinrichtungen messen lässt.at a known in the prior art construction of a current sensor (US-2002/0024333 A1) is a double-slotted soft magnetic circuit formed wherein in each case an absolute value sensor is positioned in the two slots is. About that In addition, the soft magnetic circuit becomes a primary current conductor passed, which defines the magnetic excitation. In the two air gaps occur magnetic fields proportional to the excitation, so the Primary current, which causes this primary current contactless can be measured by means of the two absolute value sensor devices.
Nachteilig bei dieser dargestellten Sensoranordnung ist, dass diese Sensoranordnung nur in Form eines relativ aufwendig und kompliziert herzustellenden Mikrosystems integrierbar ist, wodurch eine solche Sensoranordnung nicht monolithisch integrierbar ist, sondern mit einzelnen Komponenten bestehend beispielsweise aus Primärleiter, integrierter Schaltungschip, Magnetkreis usw. aufzubauen ist, wobei dies auch nur für einen vorbestimmten Nennstrombereich möglich ist, da der Nennstrombereich des dargestellten Stromsensors über die Spaltbreite einzustellen bzw. vorgegeben ist.A disadvantage of this illustrated sensor arrangement is that this sensor arrangement can only be integrated in the form of a relatively complex and complicated to manufacture microsystem, whereby such a Sen soranordnung is not monolithically integrated, but with individual components consisting for example of primary conductor, integrated circuit chip, magnetic circuit, etc. is to build, and this is only possible for a predetermined nominal current range, since the rated current range of the current sensor shown over the gap width set or predetermined.
Es wird ferner deutlich, dass es mit dem bekannten Stromsensor, wenn dieser zu einem Mikrosystem integriert wird, nur möglich ist, fest vorgegebene Leiterquerschnitte bzw. Leitergeometrien verwenden zu können, so dass es nicht möglich ist, eine standardisierte Stromsensoranordnung bereitzustellen, mit der unterschiedlich ausgebildete Stromleiter verwendet werden können. Damit zeigt dieser Stromsensor eine äußerst geringe Flexibilität bezüglich unterschiedlicher Leiterquerschnitte und Leitergeometrien.It It is also clear that with the known current sensor, when this is integrated into a microsystem, only possible use fixed conductor cross sections or conductor geometries to be able to so that it is not possible is to provide a standardized current sensor arrangement, be used with the differently shaped conductor can. Thus, this current sensor shows extremely low flexibility with respect to different ones Conductor cross sections and conductor geometries.
In der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Design of planar magnetic concentrators for high sensitivity Hall devices", von Drljaca, Vincent, Besse et Popovic, Sensor and Actuators A97–98 (2002) 10–14, wird dargestellt, dass weichmagnetische Schichten aus hochpermeablen amorphen Legierungen auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung positioniert werden können. Die in der genannten wissenschaftlichen Veröffentlichung gezeigten Strukturen sind aber zumindest zweiteilig, wobei die Magnetfeldsensoreinrichtungen zwischen oder direkt unterhalb der einander zugewandten Kanten zweier Magnetfeldkonzentratoren liegen. Darüber hinaus dienen die dargestellten Magnetfeldkonzentratoren dazu, ein äußeres Magnetfeld, das parallel zu der Chipoberfläche verläuft, in ein magnetisches Streufeld zwischen den beiden Magnetfeldkonzentratoren umzuformen, das in etwa kreisbogenförmige Feldlinien im Volumen der Magnetfeldsensoreinrichtungen aufweist. Damit soll erreicht werden, dass zylindrische Hallsensoren oder aber auch herkömmliche Hallsensoren, die eine vertikale Magnetfeldkomponente erfassen, verwendet werden können.In the scientific publication "Design of planar magnetic concentrators for high-sensitivity Hall devices ", by Drljaca, Vincent, Besse et Popovic, Sensor and Actuators A97-98 (2002) 10-14 shown that soft magnetic layers of highly permeable amorphous alloys on the surface of an integrated circuit can be positioned. The structures shown in said scientific publication but are at least in two parts, the magnetic field sensor devices between or directly below the facing edges of two Magnetic field concentrators are. In addition, the illustrated serve Magnetic field concentrators to an external magnetic field, the parallel to the chip surface runs, into a magnetic stray field between the two magnetic field concentrators, this is roughly circular Having field lines in the volume of the magnetic field sensor devices. This is to be achieved that cylindrical Hall sensors or but also conventional Hall sensors that detect a vertical magnetic field component, can be used.
In der wissenschaftlichen Veröffentlichung „CMOS planar 2D micro-fluxgate sensor", von Chiesi, Krejik, Janossy et Popovic, Sensors and Actuators 82 (2000) 174–180, wird eine ferromagnetische Struktur aus einer amorphen Legierung in der Form eines Kreuzes auf einen Halbleiterchip aufgebracht, um eine sogenannten Fluxgate-Sensor zu bilden. Für das Funktionsprinzip eines Fluxgate-Sensors ist es erforderlich, ein nicht-lineares magnetisches Material, das während des Betriebs des Fluxgate-Sensors zeitweise, d. h. pulsförmig, in die Sättigung getrieben wird, zu verwenden. Der in der genannten wissenschaftlichen Veröffentlichung dargestellte Fluxgate-Sensor beinhaltet keine Magnetfeldsensoreinrichtung, sondern lediglich Erreger- und Pickup-Spulen. Es wird deutlich, dass mit diesen Pickup-Spulen nur zeitliche Änderungen des Magnetflusses als eine induktive (induzierte) Spannung erfasst werden können, deren Größe durch die Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses bestimmt ist. Ein sta tisches Feld ändert dabei den Arbeitspunkt des permeablen Materials auf der Hysterese-Kennlinie B(H). Die Erregerspulen überlagern ein zeitlich veränderliches Feld. Wandert der Arbeitspunkt, z.B. infolge eines positiven äußeren Felds, zu positiven Werten der B(H)-Kennlinie, so wird die überlagerte Erregerinduktion bei positiven Spitzen wegen der Sättigung des permeablen Kerns abgeschnitten, während die negativen Spitzen unbeeinflusst bleiben. Also wird in die Pickup-Spulen ein Wechselspannungssignal induziert, bei dem die positiven Spitzen gekappt sind. Bildet man den zeitlichen Mittelwert, so ist dieser kleiner Null, da weniger positive Anteile enthalten sind als negative. Je stärker das externe Magnetfeld, desto stärker werden die positiven Spitzen gekappt und desto stärker wird der zeitliche Mittelwert negativ.In the scientific publication "CMOS planar 2D micro-fluxgate sensor ", by Chiesi, Krejik, Janossy et Popovic, Sensors and Actuators 82 (2000) 174-180, becomes a ferromagnetic structure of an amorphous alloy applied to a semiconductor chip in the form of a cross, to form a so-called fluxgate sensor. For the functional principle of a Fluxgate sensors require a non-linear magnetic Material that during the operation of the fluxgate sensor at times, d. H. pulsed, in the saturation is driven to use. The mentioned in the scientific publication Fluxgate sensor shown does not include a magnetic field sensor device, but only excitation and pickup coils. It becomes clear that with these pickup coils only temporal changes of the magnetic flux can be detected as an inductive (induced) voltage whose Size through the rate of change the magnetic flux is determined. A static field changes the working point of the permeable material on the hysteresis characteristic BRA). Overlay the excitation coils a temporally variable one Field. If the operating point, e.g. due to a positive external field, to positive values of the B (H) characteristic, then the superimposed Exciter induction at positive peaks due to saturation of the permeable core cut off, while the negative peaks remain unaffected. So in the pickup coils is an AC signal induced in which the positive peaks are cut off. You form the time average, so this is less than zero, because less positive shares are included as negative. The stronger that external magnetic field, the stronger The positive tips are cut off and the stronger it gets the time average negative.
Die
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verbesserte Magnetfeldsensoreinrichtung zur Erfassung eines Magnetfelds zu schaffen, die monolithisch integrierbar ist und mit der ein statisches oder dynamisches Magnetfeld differentiell erfassbar ist.outgoing from this prior art, the object of the present Invention therein, an improved magnetic field sensor device for To create a magnetic field that can be monolithically integrated is and with the static or dynamic magnetic field differentially is detectable.
Diese Aufgabe wird durch eine Magnetfeldsensoreinrichtung zur Erfassung eines Magnetfelds gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.These Task is by a magnetic field sensor device for detection a magnetic field according to claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoreinrichtung zur Erfassung eines Magnetfelds umfasst ein einteiliges Substrat mit einem ersten in das Substrat integrierten Magnetfeldsensorelement zur Erfassung eines senkrecht auf das Substrat wirkenden, ersten statischen Magnetfeldkomponente, und mit einem zweiten, in das Substrat integrierten Magnetfeldsensorelement zur Erfassung eines senkrecht auf das Substrat wirkenden, zweiten statischen Magnetfeldkomponente, wobei das erste Magnetfeldsensorelement und das zweite Magnetfeldsensorelement voneinander um einen vorbestimmten Abstand beabstandet sind, wobei der vorbestimmte Abstand so eingestellt ist, dass die erste und die zweite Magnetfeldkomponente zueinander entge gengesetzt sind, und ferner eine Magnetfeldausrichtungsanordnung zum Ausrichten der zu erfassenden ersten und zweiten Magnetfeldkomponente bezüglich des ersten und zweiten Magnetfeldsensorelements, wobei die Magnetfeldausrichtungsanordnung eine Schicht aus einem permeablen Material aufweist, die beide Magnetfeldsensorelemente überdeckt, parallel zum Substrat angeordnet ist und eine Dicke von mehr als 50 μm aufweist, wobei die Magnetfeldausrichtungsanordnung ein permeables Material aufweist und so ausgebildet ist, daß eine durch die erste und zweite Magnetfeldkomponente bewirkte magnetische Induktion in der Magnetfeldausrichtungsanordnung niedriger als die Sättigungsinduktion in dem permeablen Material ist.The Magnetic field sensor device according to the invention for detecting a magnetic field comprises a one-piece substrate with a first magnetic field sensor element integrated into the substrate for detecting a vertically acting on the substrate, first static magnetic field component, and with a second, into the substrate integrated magnetic field sensor element for detecting a vertical acting on the substrate, second static magnetic field component, wherein the first magnetic field sensor element and the second magnetic field sensor element spaced from each other by a predetermined distance, wherein the predetermined distance is set so that the first and the second magnetic field component are opposite to each other entge, and further a magnetic field alignment assembly for aligning to be detected first and second magnetic field component with respect to first and second magnetic field sensor elements, wherein the magnetic field alignment arrangement has a layer of a permeable material that covers both magnetic field sensor elements, is arranged parallel to the substrate and has a thickness of more than 50 μm, wherein the magnetic field alignment assembly is a permeable material and is formed so that one through the first and second magnetic field component caused magnetic induction in the Magnetic field alignment arrangement lower than the saturation induction in the permeable material.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, eine monolithisch integrierbare, differentielle Magnetfelderfassungseinrichtung zu schaffen, bei der eine einteilige, permeable Schicht parallel zu den in einem Halbleitersubstrat integrierten Magnetfeldsensorelementen der Magnetfelderfassungseinrichtung angeordnet ist, wobei die permeable Schicht als eine einteilige Magnetfeldkonzentrationseinrichtung zum Ausrichten und/oder Konzentrieren der Magnetfeldkomponenten bezüglich der integrierten Magnetfeldsensorelemente wirksam ist.Of the The present invention is based on the recognition, a monolithic integrable, differential magnetic field detection device to create a one-piece, permeable layer parallel to the magnetic field sensor elements integrated in a semiconductor substrate the magnetic field detection device is arranged, wherein the permeable Layer as a one-piece magnetic field concentration device for aligning and / or concentrating the magnetic field components in terms of the integrated magnetic field sensor elements is effective.
Um die erfindungsgemäße, monolithisch integrierbare, differentielle Magnetfelderfassungsanordnung mit einem möglichst kleinen Luftspalt herzustellen, in dem die integrierten Magnetfeldsensorelemente der Magnetfelderfassungseinrichtung zur Erfassung der senkrecht auf die Magnetfeldsensorelemente wirkenden Magnetfeldkomponenten angeordnet sind, wird ein magnetischer Kurzschluss mittels eines hoch-permeablen (weichmagnetischen) Materials direkt mit in das Gehäuse der Magnetfelderfassungseinrichtung eingebaut. Dazu eignet sich beispielsweise eine Schicht aus einem permeablen Material, die mit dem IC-Gehäuse der integrierten Magnetfeldsensoranordnung verbunden ist, oder auch der Anschlussleitungsrahmen (Leadframe) der Magnetfeldsensoranordnung selbst, der anstelle der übli chen Kupferlegierungen aus einem permeablen Material, wie z.B. MU-Metall oder Permalloy, ausgeführt ist.Around the invention, monolithic integrable, differential magnetic field detection arrangement with one possible small air gap, in which the integrated magnetic field sensor elements the magnetic field detection device for detecting the perpendicular magnetic field components acting on the magnetic field sensor elements are arranged, a magnetic short circuit by means of a highly permeable (soft magnetic) material directly into the casing the magnetic field detection device installed. This is suitable For example, a layer of a permeable material with the IC package the integrated magnetic field sensor arrangement is connected, or also the lead frame of the magnetic field sensor assembly itself, instead of the usual Copper alloys of a permeable material, e.g. MU-metal or permalloy is.
Die elektrische Leitfähigkeit dieser permeablen Materialien, die beispielsweise anstelle der üblichen Materialien für den Anschlussleitungsrahmen verwendet werden, ist ausreichend gut, um sie weiterhin als Anschlussleitungsrahmen verwenden zu können, wobei gleichzeitig die Magnetfeldlinien des zu erfassenden magnetischen Feldes möglichst steil bzw. möglichst senkrecht auf die Chipebene mit den aktiven Halbleiterbereichen zur Erfassung des Magnetfeldes gezwungen bzw. ausgerichtet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich das Ausgangssignal der Magnetfelderfassungseinrichtung unter Verwendung beispielsweise konventioneller Hallsensorelemente, die nur auf Magnetfeldkomponenten senkrecht zur Chipebene reagieren, oder MAG-FETs (magnetische Feldeffekttransistoren) maximieren. Je steiler die Magnetfeldkomponenten die Magnetfeldsensorelemente durchdringen, umso höher ist der wirksame Anteil des erfassbaren Magnetfelds, wodurch sich auch ein höheres Ausgangssignal der Magnetfeldsensorelemente ergibt. Entsprechend erhöht sich auch die Empfindlichkeit der Anordnung.The electric conductivity These permeable materials, for example, instead of the usual materials for the connection cable frame It is good enough to use it as a lead frame to be able to use at the same time the magnetic field lines of the magnetic to be detected Field as possible steep or as possible perpendicular to the chip plane with the active semiconductor regions For detecting the magnetic field forced or aligned. By the arrangement according to the invention let yourself the output of the magnetic field detecting device using For example, conventional Hall sensor elements that only magnetic field components react perpendicular to the chip plane, or MAG-FETs (magnetic field-effect transistors) maximize. The steeper the magnetic field components the magnetic field sensor elements penetrate, the higher is the effective portion of the detectable magnetic field, resulting in also a higher one Output of the magnetic field sensor elements results. Corresponding elevated also the sensitivity of the arrangement.
Die erfindungsgemäße integrierte, differentielle Magnetfeldsensoranordnung lässt sich dabei insbesondere vorteilhaft als Stromsensor, d. h. zur Erfassung der Stromstärke in einem elektrischer Leiter, verwenden. Die erfindungsgemäße integrierbare, differentielle Magnetfeldsensoranordnung lässt sich aber gleichermaßen auch bei anderen Magnetfelderfassungsapplikationen einsetzen, wie z.B. als Drehzahl- bzw. Drehwinkelsensoreinrichtung in Verbindung mit einem Polrad.The integrated, Differential magnetic field sensor arrangement can be in particular advantageous as a current sensor, d. H. to capture the current in one electrical conductor, use. The integrable, but differential magnetic field sensor arrangement can be equally well in other magnetic field sensing applications, e.g. as speed or rotation angle sensor device in conjunction with a pole wheel.
Es wird deutlich, dass die erfindungsgemäße differentielle, integrierte Magnetfeldsensoranordnung im wesentlichen für alle Magnetfelderfassungsanwendungen eingesetzt werden kann, bei denen entweder statische oder auch dynamische Magnetfelder erfasst werden können.It It is clear that the differential, integrated Magnetic field sensor assembly substantially for all magnetic field sensing applications can be used, where either static or dynamic Magnetic fields can be detected.
Dabei zeichnet sich die integrierte, differentielle Magnetfeldsensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung einerseits durch eine erhöhte Empfindlichkeit bei der Erfassung von Magnetfeldern aus, da das verwendete permeable Material (z.B. Weicheisenmaterial) die magnetische Induktion in dem schmalen „Luftspalt" der Magnetfeldsensoranordnung bündelt. In dem Luftspalt können die Magnetfeldkomponenten durch die Magnetfeldsensorelemente, z.B. Hall-Sondenelemente oder MAG-FETs, mit einer hohen Empfindlichkeit gemessen werden.there characterized the integrated differential magnetic field sensor arrangement according to the present invention on the one hand by an increased Sensitivity in the detection of magnetic fields, as the For example, permeable material (e.g., soft iron material) used magnetic Induction in the narrow "air gap" of the magnetic field sensor arrangement bundles. In the air gap can the magnetic field components through the magnetic field sensor elements, e.g. Hall probe elements or MAG-FETs, be measured with a high sensitivity.
Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße integrierte, differentielle Magnetfeldsensoreinrichtung durch eine große Flexibilität bezüglich des Messsystems aus. Für den Fall der Verwendung als Strommesseinrichtung kann man mit der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung einen Stromfluss und damit die Stromstärke durch im wesentlichen beliebige Leiter mit nahezu beliebigen Leiterquerschnittflächen erfassen. Dabei ist es aufgrund der einteiligen permeablen Schicht, die parallel zu der Oberfläche der integrierten Schaltung und damit zu den aktiven Sensorelementen angeordnet ist, äußerst vorteilhaft, dass der Querschnitt des Primärleiters, dessen Stromfluss erfasst werden soll, im wesentlichen beliebig groß gemacht werden kann, ohne dadurch einen größeren Luftspalt bei der Magnetfeldsensoranordnung in Kauf nehmen zu müssen. Ein vergrößerter Luftspalt, der durch die erfindungsgemäße Anordnung vermieden wird, würde aber wieder zu einer Verringerung der Empfindlichkeit der Anordnung führen. Aus diesem Grund kann man bei der vorliegenden Erfindung den Primärleiter senkrecht zu der Chipoberfläche der Magnetfeldsensoranordnung im wesentlichen beliebig ausdehnen.Further the integrated, Differential magnetic field sensor device by a great flexibility in terms of Measuring system off. For The case of use as a current measuring device can be with the Magnetic field sensor arrangement according to the invention a current flow and thus the current through substantially any Detect conductors with almost any conductor cross-sectional area. That's it due to the one-piece permeable layer, which is parallel to the surface the integrated circuit and thus to the active sensor elements is arranged, extremely advantageous that the cross section of the primary conductor, whose current flow is to be detected, essentially arbitrary made big can be, without thereby a larger air gap in the magnetic field sensor arrangement to have to accept. An enlarged air gap, the by the inventive arrangement would be avoided but again to a reduction in the sensitivity of the arrangement to lead. For this reason, one can in the present invention, the primary conductor perpendicular to the chip surface extend the magnetic field sensor arrangement substantially arbitrarily.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the enclosed drawings closer explained. Show it:
Um
die Verständlichkeit
der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen bevorzugten
Ausführungsbeispiele
der monolithisch integrierbaren, differentiellen Magnetfeldsensoranordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu vereinfachen, wird im folgenden kurz auf den Unterschied
zwischen weichmagnetischen (permeablen) und hartmagnetischen Materialien
eingegangen, und anhand der sogenannten Hystereseschleife erörtert, wie
sie in
Die
Hystereseschleife ist eine besondere Art des Magnetisierungsverlaufs
ferromagnetischer Stoffe. Nach einem Aufmagnetisieren des zunächst unmagnetischen
Stoffes bis zu einem Maximalwert der Polarisierung (Neukurve) ergeben
sich jeweils zwei verschiedene Induktionswerte zu jedem Feldstärkewert,
je nach dem ob dieser steigend oder fallend durchlaufen wurde. Ohne
ein vorhandenes Magnetfeld (H = 0) erhält man eine restliche Induktion
BR die als sogenannten Remanenz bezeichnet
wird. Als Koerzitivfeldstärke
HC bezeichnet man die Feldstärke, bei
der die Induktion Null wird (B = 0). Stoffe mit einer kleinen Koerzitivfeldstärke HC werden als magnetisch weich bezeichnet,
ihre Hystereseschleife ist schmal, wie in
Wird nun beispielsweise ein hartmagnetisches Material in ein starkes Magnetfeld gebracht und daraufhin wieder in ein magnetisches „Nullfeld" gebracht, so ist das hartmagnetische Material danach aufmagnetisiert, d. h. das hartmagnetische Material wirkt wie ein Permanentmagnet.Becomes now, for example, a hard magnetic material in a strong Magnetic field brought and then brought back into a magnetic "zero field", so is the hard magnetic material is then magnetized, d. H. the hard magnetic Material acts like a permanent magnet.
Ein weichmagnetisches Material wird dagegen durch ein zuvor anliegendes starkes Magnetfeld kaum verändert. Insbesondere erfährt beispielsweise jegliches weichmagnetische Material in einem inhomogenen Magnetfeld eine anziehende Kraft, wie beispielsweise Gusseisen von einem Stabmagneten angezogen wird.On the other hand, a soft magnetic material is scarcely changed by a previously applied strong magnetic field. In particular, for example, any soft magnetic material experiences inhomogeneous Magnetic field an attractive force, such as cast iron is attracted by a bar magnet.
Weichmagnetische Materialien sind hoch-permeable Materialien, d. h. diese Materialien weisen eine sehr hohe relative Permeabilitätszahl μr auf, d. h. μr » 1. Hartmagnetische Materialien sind dagegen im allgemeinen wenig permeabel, d. h. für diese Materialien gilt zumeist μr ≌ 1.soft magnetic Materials are highly permeable materials, d. H. these materials have a very high relative permeability μr, i. H. μr »1. Hard magnetic In contrast, materials are generally poorly permeable, i. H. for this Materials are usually μr ≌ 1.
Dies
lässt sich
auch ohne weiteres anhand der Magnetisierungskennlinien von
Typische weichmagnetische Materialien sind Nickel (Ni) und Permalloy (NiFe). Eisen ist im geglühten Zustand ein Weichmagnet, wird aber gewalzt zum Permanentmagneten.typical Soft magnetic materials are nickel (Ni) and permalloy (NiFe). Iron is in the annealed state a soft magnet, but rolled to permanent magnet.
Es wird deutlich, dass sich weichmagnetische und hartmagnetische Materialien im wesentlichen nicht so sehr in der Remanenz sondern vielmehr in der Koerzitivfeldstärke HC unterscheiden, für die gilt, B(HC) = 0.It will be appreciated that soft magnetic and hard magnetic materials differ substantially not so much in remanence but rather in coercive force H C , for which B (H C ) = 0.
Ist die Koerzitivfeldstärke des jeweiligen Materials groß, so ist die Hystereseschleife breit und es handelt sich um ein hartmagnetisches Material (um einen Hartmagneten). Die Remanenz eines Weichmagneten kann unter Umständen auch sehr groß sein, wobei sich die Remanenz durch mechanische Spannungen in dem Material beeinflussen lässt. Die Remanenz von Nickel nimmt beispielsweise mit einer steigenden Zugspannung in Magnetisierungsrichtung ab, jene von Permalloy hingegen zu.is the coercive field strength of the respective material big, so the hysteresis loop is wide and it is a hard magnetic Material (around a hard magnet). The remanence of a soft magnet can in certain circumstances also be very tall the remanence being due to mechanical stresses in the material can be influenced. The remanence of nickel increases, for example, with a rising Tensile stress in the direction of magnetization, whereas those of permalloy to.
Bei der vorliegenden Erfindung sollte bezüglich der Magnetfeldausrichtungsanordnung beachtet werden, dass sich die Magnetfeldausrichtungsanordnung im wesentlichen ausschließlich auf die Verwendung weichmagnetischer, hochpermeabler Materialien zur Herstellung von Magnetfeldkonzentrationseinrichtun gen für integrierte Schaltkreise bezieht, die Magnetfeldsensorelemente beinhalten.at The present invention should be directed to the magnetic field alignment arrangement note that the magnetic field alignment arrangement is in the essentially exclusively on the use of soft magnetic, high permeability materials for the production of magnetic field concentration devices for integrated Relates circuits containing magnetic field sensor elements.
Im
folgenden wird nun Bezug nehmend auf
Die
Magnetfeldsensoreinrichtung von
Die
in
Im
folgenden wird nun die Funktionsweise der in
Wie
in
Diese
Ausrichtung der ersten und zweiten Magnetfeldkomponente H1, H2 zueinander,
d. h. wie die beiden Magnetfeldkomponenten H1,
H2 das Substrat
Der
Begriff „überdeckt" soll im Zusammenhang
der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass die Schicht
Es
wird deutlich, dass das Substrat
Wie
in
Die
weichmagnetische Schicht
Mittels
der weiteren Signalverarbeitungseinrichtung, die der Magnetfeldsensoreinrichtung
Ferner
sollte beachtet werden, dass in der Praxis häufig ungünstige homogene Hintergrund-
bzw. Störmagnetfelder
auf die Magnetfeldsensorelemente
Dieses
im vorhergehenden ausführliche
beschriebene differentielle Prinzip zum Betreiben der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtung
Die
in
Falls
die permeable Schicht
Falls
das weichmagnetische Material der Schicht
Bei
dünner
ausgeführten
weichmagnetischen Schichten
Der
in
Die Dicke der permeablen Schicht sollte so groß sein, dass die magnetische Induktion im Material einen höchstzulässigen Wert nicht überschreitet. Der höchstzulässige Wert kann beispielsweise die Sättigungsinduktion sein oder bereits eine kleinere Induktion, bei der die Nichtlinearität B(H) bereits unzulässig groß für die Performance des Gesamtsystems ist. Die Berechnung der Induktion im Materialinneren ist für diesen Fall eines offenen Magnetkreises eine feldtheoretische Aufgabe und muss im allgemeinen mittels einer Finite-Elemente-Simulation durchgeführt werden.The thickness of the permeable layer should be such that the magnetic induction in the material does not exceed a maximum permissible value. The maximum permissible value may, for example, be the saturation induction or already a smaller induction, in which the nonlinearity B (H) is already unduly large for the performance of the overall system is. The calculation of the induction in the material interior is a field-theoretical task for this case of an open magnetic circuit and must generally be carried out by means of a finite element simulation.
Bezüglich der
obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtung
Durch
diese optionale Anordnung der Schicht
Im
folgenden wird nun anhand von
Wie
in
Wie
es in
Mittels
einer weiteren, optional vorgesehenen Signalweiterverarbeitungseinrichtung
(nicht gezeigt in
Der
Primärleiter
Es
ist aber beispielsweise auch möglich
Referenzmarkierungen an der Oberseite des Gehäuses
Die
wirksamen Magnetfeldkomponenten auf die Magnetfeldsensorelemente
Dabei
wurde angenommen, dass die relative Permeabilitäten der permeablen Ummantelung
und der Schicht
Bezüglich der
obigen Dimensionierungsangaben ist zu berücksichtigen, dass die Länge des
Gesamtluftspalts g kleiner oder gleich als der Abstand A sein sollte,
wobei der Abstand A den Mittelabstand der zwei Magnetfeldsensorelemente
Um
eine Sensoranordnung mit der erfindungsgemäßen Magnetfelderfassungseinrichtung
Zur
Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Konzepts
werden nun einige Dimensionierungsmöglichkeiten bezüglich verschiedener
möglicher
weichmagnetischer Materialien des Anschlussleitungsrahmens
Permalloy
(78, 5Ni, 3Mo) weist beispielsweise einen spezifischen Widerstand
p von 55 μΩcm auf. Mu-Metall3
(76Ni, 5Cu,
Aus der folgenden, experimentell bestimmten Übersicht ergibt sich ferner, dass der Nullpunktfehler durch die Koerzitivfeldstärke HC ausreichend niedrig gehalten werden kann:
- (1) für 400 μm Luftspalt
- (1) for 400 μm air gap
Die
anhand von
Anhand
von
Über der
Magnetfeldsensoreinrichtung
Durch
die Verwendung eines permeablen Materials für den Anschlussleitungsrahmen
Bezüglich der
Darstellung in
Ferner
sollte beachtet werden, dass zur Erfassung der Magnetfeldlinien
Wie
es in
Zur
Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Konzepts
wird nun eine kurze Abschätzung
vorgenommen, in welchem Umfang sich die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorsystems
durch das in die Magnetfeldsensoreinrichtung
Abstand
des Polrads
Dicke
der Vergussmasse
Dicke
des Substrats
Dicke
der Klebstoffschicht
Dicke des Anschlussleitungsrahmens
Dicke
der Vergussmasse
Distance of the pole wheel
Thickness of the potting compound
Thickness of the substrate
Thickness of the adhesive layer
Thickness of lead frame
Thickness of the potting compound
Falls
der Anschlussleitungsrahmen konventionell, also nicht-magnetisch ausgeführt ist,
beträgt
die Dicke der Klebestoffschicht, mit der die permeable Schicht
Falls
der Anschlussleitungsrahmen
Falls
der Anschlussleitungsrahmen
Im
folgenden wird nun anhand der in
Bei
dem in
Eine
neue Funktionalität
der Magnetfeldsensoreinrichtung
Da
die permeable Schicht
Bei
dem bezüglich
der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
beschriebenen, weichmagnetischen Anschlussleitungsrahmen ist die
hohe Leitfähigkeit
dagegen explizit erwünscht,
da der Anschlussleitungsrahmen auch die Anschlüsse für die Versorgungsspannung und
Ein-/Ausgangssignale der Magnetfeldsensoreinrichtung bildet. Dieser
Aspekt ist aber bei der magnetischen Schicht
Definitionsgemäß hat das
Substrat
Erfindungsgemäß lassen
sich auch alle bisher beschriebenen Magnetfeldsensoreinrichtungen
auch dann realisieren, wenn man in einem ansonsten nicht magnetischen
Gehäuse
Andererseits
kann die in
Die
weichmagnetische Schicht
Vorteilhaft
ist es ferner, die weichmagnetische Schicht
Anhand
der
Falls
sich die Quelle des Magnetfelds am bzw. in dem Substrat
Es
sollte beachtet werden, dass für
den Fall, dass der das zu erfassende Magnetfeld erzeugende Stromfluss
durch den Anschlussleitungsrahmen (der natürlich ein nicht-magnetisches
Material aufweist) fließt, die
untere permeable Schicht
Falls
also der zu erfassende Stromfluss nicht in der Verdrahtungsebene
des Substrats
Bezüglich der im vorhergehenden dargestellten erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtungen sollte beachtet werden, dass diese sowohl statische als auch dynamische Magnetfelder erfassen können, wobei die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoreinrichtung auch als eine statische Magnetfeldsensoreinrichtung eingesetzt werden kann, die bei einem statischen Magnetfeld und einer statischen Versorgung ein Ausgangssignal liefert.Regarding the in the foregoing magnetic field sensor devices according to the invention should It should be noted that these are both static and dynamic Capture magnetic fields, wherein the magnetic field sensor device according to the invention also be used as a static magnetic field sensor device can, in the case of a static magnetic field and a static supply provides an output signal.
Als Magnetfeldsensorelemente lassen sich erfindungsgemäß besonders gut sogenannte Hallsensorelemente und MAG-FETs einsetzen, da diese Magnetfeldsensorelemente auch bei einem zeitlich unveränderlichen Magnetfeld und einem konstanten Stromfluss durch das Magnetfeldsensorelement ein Ausgangssignal liefern.When Magnetic field sensor elements can be inventively particularly use well-known Hall sensor elements and MAG-FETs, since these Magnetic field sensor elements even at a fixed time Magnetic field and a constant current flow through the magnetic field sensor element provide an output signal.
Falls als Magnetfeldsensorelemente Hallsensorelemente eingesetzt werden, kann zur Beseitigung eines Offset-Signals der Hallsensorelemente ein Betrieb (Spinning-Current-Betrieb) derselben gewählt werden, bei dem die Hallsensorelemente oftmals dynamisch betrieben werden, d. h. man ändert die Stromflussrichtung durch das Hallsensorelement periodisch, was aber für die prinzipielle Funktion der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtungen, wie sie im vorhergehenden beschrieben wurden, nicht notwendig ist.If as a magnetic field sensor elements Hall sensor elements are used, can be used to eliminate an offset signal of the Hall sensor elements an operation (spinning current operation) thereof are selected the Hall sensor elements are often operated dynamically, d. H. you change the current flow direction through the Hall sensor element periodically what but for the principal function of the magnetic field sensor devices according to the invention, as described above, is not necessary.
Ferner sollte beachtet werden, dass die erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtungen vor allem auch dann funktionsfähig sind, wenn das weichmagnetische Material der ferromagnetischen Schicht nicht in die Sättigung getrieben wird, d. h. die Nichtlinearität der B(H)-Hysteresekurve des weichmagnetischen Materials für die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtungen nicht ausschlaggebend.Further should be noted that the magnetic field sensor devices according to the invention especially then functional are when the soft magnetic material of the ferromagnetic layer not in saturation is driven, d. H. the nonlinearity of the B (H) hysteresis curve of the soft magnetic material for the operation of the magnetic field sensor devices according to the invention not decisive.
Gleichwohl kann diese Nichtlinearität aber auch vorteilhaft bei den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtungen eingesetzt werden, da bei sehr starken Magnetfeldern die weich magnetische Schicht das Magnetfeld schlechter leitet, da das weichmagnetische Material in diesem Kennlinienbereich B(H) betrieben wird, indem die Kennlinie eine kleinere Steigung aufweist, was gleichbedeutend mit der Tatsache ist, dass die relative Permeabilitätszahl des weichmagnetischen Materials drastisch sinkt. Dadurch kann die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoreinrichtung einen größeren Dynamikbereich erzielen, d. h. auch bei relativ großen zu erfassenden Magnetfeldern geht die signalverarbeitende Schaltung, die den Magnetfeldsensorelementen zugeordnet ist, nicht so schnell an die Grenzen ihres Aussteuerbereichs.nevertheless can this nonlinearity but also advantageous in the magnetic field sensor devices according to the invention be used, since in very strong magnetic fields, the soft magnetic Layer the magnetic field conducts worse because the soft magnetic Material in this characteristic area B (H) is operated by the characteristic has a smaller slope, which is equivalent with the fact that the relative permeability of the soft magnetic material drops drastically. As a result, the magnetic field sensor device according to the invention a larger dynamic range achieve, d. H. even with relatively large magnetic fields to be detected goes the signal processing circuit associated with the magnetic field sensor elements is not so fast to the limits of their tax area.
Es sollte beachtet werden, dass die bei den jeweiligen Ausführungsbeispielen geschilderten Vorteile gleichermaßen für alle erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoreinrichtungen gelten.It should be noted that in the respective embodiments described advantages alike for all magnetic field sensor devices according to the invention be valid.
- 1010
- MagnetfelderfassungseinrichtungMagnetic field detector
- 1212
- Substratsubstratum
- 1414
- MagnetfeldsensorelementMagnetic field sensor element
- 1616
- MagnetfeldsensorelementMagnetic field sensor element
- 1818
- permeable Schichtpermeable layer
- 2020
- Klebstoffschichtadhesive layer
- 2222
- konventioneller Anschlussleitungsrahmenconventional Lead frame
- 2424
- Weich/HartlotschichtSoft / hard solder layer
- 2626
- Vergussmaterialgrout
- 3030
- MagnetfelderfassungseinrichtungMagnetic field detector
- 3232
- Anschlussleitungsrahmen mit permeablen MaterialLead frame with permeable material
- 3434
- Primärleiterprimary conductor
- 3636
- Magnetfeldlinienmagnetic field lines
- 3838
- Ringsegmentring segment
- 4040
- Integrationswegof integration
- 5050
- MagnetfelderfassungseinrichtungMagnetic field detector
- 5252
- Polradflywheel
- 52a52a
- magnetischer Nordpolmagnetic North Pole
- 52b52b
- magnetischer Südpolmagnetic South Pole
- 5454
- Magnetfeldlinienmagnetic field lines
- 7070
- MagnetfelderfassungseinrichtungMagnetic field detector
- 7272
- Leiterbahnconductor path
- 7474
- permeable Schichtpermeable layer
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