DE102009028836A1

DE102009028836A1 - Magnetic field sensor has magnetic core and excitation element for generating magnetic flux in magnetic core, where excitation element has electrical capacitor for generating magnetic flux

Info

Publication number: DE102009028836A1
Application number: DE200910028836
Authority: DE
Inventors: Ando Feyh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2011-03-03

Abstract

The magnetic field sensor (1) has a magnetic core (2) and an excitation element (3) for generating a magnetic flux in the magnetic core. The excitation element has an electrical capacitor (40) for generating the magnetic flux. The capacitor has a plate capacitor (4) which is equipped with two capacitor plates (5,6). An independent claim is also included for a method for operating a magnetic field sensor.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Magnetfeldsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a magnetic field sensor according to the preamble of claim 1.

Solche Magnetfeldsensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind aus den Druckschriften DE 44 42 441 A1 und EP 1 052 519 B1 Magnetfeldsensoren vom sogenannten „Fluxgate”-Typ bekannt, welche ein Halbleitersubstrat, ein Anregungselement, zwei Erfassungsspulen und einen magnetischen Kern umfassen. Das Anregungselement umfasst dabei jeweils eine Anregungsspule, welche mit einem eine Erregungsfrequenz aufweisenden Wechselstrom betrieben wird, wodurch im Magnetkern ein magnetischer Fluss gemäß der magnetischen Hysterese (B-H-Kurve) der gleichen Frequenz erzeugt wird. Der Magnetkern umfasst ein ferromagnetisches Material, welcher durch das Anregungselement periodisch in magnetische Sättigung gebracht wird. Magnetische Sättigung bedeutet insbesondere, dass ein zusätzliches äußeres Feld keine wesentliche Erhöhung des magnetischen Flusses im Magnetkern erzeugt. Der magnetische Fluss im Magnetkern ist proportional zum Produkt aus magnetischer Permeabilität und Magnetfeld. Die Permeabilität ist im Sättigungsbereich demzufolge vergleichsweise klein, während sie beim Nulldurchgang der magnetischen Hysterese vergleichsweise groß ist. Aufgrund der Nichtlinearität der Permeabilität verursacht ein vorhandenes zu vermessendes äußeres magnetisches Feld eine Verzerrung des magnetischen Flusses, welches mittels der Erfassungsspulen detektierbar ist. Die Erfassungsspulen sind dazu gegenläufig um den Magnetkern herum angeordnet, so dass die Summe der in den Erfassungsspulen durch den magnetischen Fluss im Magnetkern induzierten Induktionsströme bei Abwesenheit eines zu messenden äußeren Magnetfeldes gleich null ist. Beim Vorliegen eines zu messenden äußeren Magnetfelds enthält jeder der Induktionsströme aufgrund der nichtlinearen Permeabilität des ferromagnetischen Magnetkerns unterschiedliche Harmonische der Erregungsfrequenz, welche von dem äußeren Magnetfeld abhängen. Die Summe der Induktionsströme ist daher ungleich null und ein Maß für die Größe des zu messenden äußeren Magnetfelds. Gemäß dem Stand der Technik ist der Spulenquerschnitt der Anregungsspulen entweder parallel oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats ausgerichtet. Eine Ausrichtung des Spulenquerschnitts parallel zur Haupterstreckungsrichtung hat den Nachteil, dass die Spule vergleichsweise viel Waferfläche benötigt und somit der Magnetfeldsensor vergleichsweise kostenintensiv ist. Dagegen ist eine Anregungsspule mit einem zur Haupterstreckungsebene senkrechten Spulenquerschnitt zwar bauraumkompakter auszubilden, jedoch ist das Herstellungsverfahren bei einer derartigen Spulenanordnung vergleichsweise kostenintensiv, da der Magnetkern in einem speziellen Herstellungsschritt innerhalb des Spulenquerschnitts, d. h. unterhalb der Substratoberfläche angeordnet werden muss.Such magnetic field sensors are well known. For example, from the publications DE 44 42 441 A1 and EP 1 052 519 B1 Magnetic field sensors of the so-called "fluxgate" type are known, which comprise a semiconductor substrate, an excitation element, two detection coils and a magnetic core. The excitation element in each case comprises an excitation coil, which is operated with an alternating current having an excitation frequency, whereby a magnetic flux according to the magnetic hysteresis (BH curve) of the same frequency is generated in the magnetic core. The magnetic core comprises a ferromagnetic material, which is periodically brought into magnetic saturation by the excitation element. Magnetic saturation means in particular that an additional external field does not produce a substantial increase in the magnetic flux in the magnetic core. The magnetic flux in the magnetic core is proportional to the product of magnetic permeability and magnetic field. The permeability is therefore comparatively small in the saturation region, while it is comparatively large at the zero crossing of the magnetic hysteresis. Due to the nonlinearity of the permeability, an existing external magnetic field to be measured causes a distortion of the magnetic flux detectable by the detection coils. The detection coils are arranged in opposite directions around the magnetic core, so that the sum of the induction currents induced in the detection coils by the magnetic flux in the magnetic core is zero in the absence of an external magnetic field to be measured. In the presence of an external magnetic field to be measured, each of the induction currents due to the non-linear permeability of the ferromagnetic magnetic core contains different harmonics of the excitation frequency, which depend on the external magnetic field. The sum of the induction currents is therefore not equal to zero and a measure of the size of the external magnetic field to be measured. According to the prior art, the coil cross section of the excitation coils is aligned either parallel or perpendicular to the main extension plane of the semiconductor substrate. An orientation of the coil cross section parallel to the main extension direction has the disadvantage that the coil requires comparatively much wafer area and thus the magnetic field sensor is comparatively expensive. In contrast, although an excitation coil with a coil cross-section perpendicular to the main extension plane is more compact, the manufacturing method in such a coil arrangement is comparatively cost-intensive since the magnetic core has to be arranged in a special production step within the coil cross-section, ie below the substrate surface.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Magnetfeldsensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine vergleichsweise aufwendige bzw. großflächige Implementierung einer Anregungsspule als Anregungselement zur Anregung des Magnetkerns nicht benötigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor wird die Erregung des magnetischen Flusses im Magnetkern hingegen durch einen elektrischen Kondensator realisiert, welcher vergleichsweise kostengünstig in Standardhalbleiterherstellungsverfahren realisierbar ist. Zur Magnetisierung des Magnetkerns wird an den elektrischen Kondensator insbesondere eine periodische Wechselspannung angelegt, so dass sich zwischen den Kondensatorelektroden des elektrischen Kondensators eine sich periodisch ändernde Verschiebungsstromdichte einstellt. Eine sich zeitlich ändernde Verschiebungsstromdichte induziert wiederum ein magnetisches Feld in Form eines Rotations- bzw. Wirbelfelds um die Feldlinien der Verschiebestromdichte (Vierte Maxwellsche Gleichung). Dieses magnetische Feld induziert bei dem erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor einen magnetischen Fluss im Magnetkern, welcher für die Sensorfunktion nach dem „Fluxgate”-Sensorprinzip zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors ist, dass bei dem Kondensator der ohmsche Widerstand aufgrund kürzerer Leiterbahnen geringer ist, als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anregungsspulen, so dass bei dem Betrieb des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors geringere Leistungsverluste und somit eine geringere Wärmeentwicklung aufgrund „Joulescher Wärme” erzielt werden.The magnetic field sensor according to the invention and the method according to the invention for operating a magnetic field sensor according to the independent claims have the advantage over the prior art that a comparatively complicated or large-scale implementation of an excitation coil as an excitation element for exciting the magnetic core is not required. In the magnetic field sensor according to the invention, however, the excitation of the magnetic flux in the magnetic core is realized by an electrical capacitor, which can be realized comparatively inexpensively in standard semiconductor manufacturing processes. In order to magnetize the magnetic core, in particular a periodic alternating voltage is applied to the electric capacitor so that a periodically changing displacement current density is established between the capacitor electrodes of the electrical capacitor. A time-varying displacement current density in turn induces a magnetic field in the form of a spin field around the field lines of the shift current density (Fourth Maxwell's equation). In the magnetic field sensor according to the invention, this magnetic field induces a magnetic flux in the magnetic core, which is available for the sensor function according to the "fluxgate" sensor principle. Another advantage of the magnetic field sensor according to the invention is that in the capacitor of the ohmic resistance due to shorter interconnects is lower than in the known from the prior art excitation coils, so that in the operation of the magnetic field sensor according to the invention lower power losses and thus a lower heat development due to "Joulescher Heat "be achieved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.Advantageous embodiments and modifications of the invention are the dependent claims, as well as the description with reference to the drawings.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kondensator einen Plattenkondensator umfasst. In vorteilhafter Weise lässt sich ein Plattenkondensator in einem Halbleitersubstrat auf zwei unterschiedlichen Metallisierungsebenen, welche vorzugsweise durch eine oder mehrere dielektrische Isolationsschichten voneinander getrennt sind, in vergleichsweise einfacher Art und Weise realisieren.According to a preferred embodiment, it is provided that the capacitor comprises a plate capacitor. Advantageously, a plate capacitor can be realized in a semiconductor substrate on two different metallization levels, which are preferably separated from one another by one or more dielectric isolation layers, in a comparatively simple manner.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Plattenkondensator eine erste und eine zweite Kondensatorplatte aufweist, wobei die erste und die zweite Kondensatorplatte im Wesentlichen parallel oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Magnetfeldsensors ausgerichtet sind. In vorteilhafter Weise ist somit ein vergleichsweise einfacher Plattenkondensator in einem Halbleitersubstrat realisierbar, bei welchem die erste und die zweite Kondensatorplatte auf zwei verschiedenen Metallisierungsebenen, welche sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats erstrecken, angeordnet sind. Alternativ ist jedoch denkbar, dass die erste und die zweite Kondensatorplatte eine Haupterstreckungsebene aufweisen, welche senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, so dass eine bauraumkompakte Implementierung des Plattenkondensators im Halbleitersubstrat realisierbar ist, wodurch vergleichsweise wenig Waferfläche benötigt wird. According to a further preferred development, it is provided that the plate capacitor has a first and a second capacitor plate, wherein the first and the second capacitor plate are aligned substantially parallel or perpendicular to a main extension plane of the magnetic field sensor. Advantageously, a comparatively simple plate capacitor can thus be realized in a semiconductor substrate, in which the first and the second capacitor plate are arranged on two different metallization planes, which extend substantially parallel to the main extension plane of the semiconductor substrate. Alternatively, however, it is conceivable that the first and the second capacitor plate have a main extension plane, which is formed perpendicular to the main extension plane of the semiconductor substrate, so that a space-compact implementation of the plate capacitor in the semiconductor substrate can be realized, whereby comparatively little wafer area is needed.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor ein Substrat umfasst, in welchem der Kondensator ausgebildet ist, wobei der Magnetkern vorzugsweise auf einer planen Oberfläche des Substrats und/oder in einem Graben im Substrat angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit die Erzeugung des Kondensators in einem Standardhalbleiterherstellungsverfahren ermöglicht, wobei der Magnetkern in einem eigenen Herstellungsverfahren auf bzw. im Halbleitersubstrat angeordnet wird. In vorteilhafter Weise wird somit eine Kontamination während des Standardhalbleiterherstellungsverfahrens durch Materialien des Magnetkerns unterbunden. Es ist denkbar, dass im Standardhalbleiterherstellungsverfahren, beispielsweise durch Ätzprozesse, ein Graben in der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet wird, in welchem der Magnetkern in dem nachfolgenden Verfahren angeordnet wird. Desweiteren ist denkbar, dass der Magnetkern lediglich auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet wird, wobei der Kondensator unterhalb dieser Oberfläche angeordnet ist.According to a further preferred development, it is provided that the magnetic field sensor comprises a substrate in which the capacitor is formed, wherein the magnetic core is preferably arranged on a planar surface of the substrate and / or in a trench in the substrate. Advantageously, thus, the generation of the capacitor in a standard semiconductor manufacturing process is made possible, wherein the magnetic core is arranged in a separate manufacturing process on or in the semiconductor substrate. Advantageously, therefore, contamination during the standard semiconductor manufacturing process is prevented by materials of the magnetic core. It is conceivable that in the standard semiconductor manufacturing process, for example by etching processes, a trench is formed in the surface of the semiconductor substrate in which the magnetic core is arranged in the subsequent process. Furthermore, it is conceivable that the magnetic core is arranged only on the surface of the semiconductor substrate, wherein the capacitor is arranged below this surface.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Anregungselement einen elektrischen weiteren Kondensator umfasst, welcher vorzugsweise als Plattenkondensator mit einer ersten und einer zweiten Kondensatorplatte ausgebildet ist, wobei der Magnetkern parallel zur Haupterstreckungsebene zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator angeordnet ist. Der Kondensator und der weiteren Kondensator sind insbesondere baugleich ausgebildet. In vorteilhafter Weise wird somit im Magnetkern ein vergleichsweise kräftiger magnetischer Fluss auf effiziente Art und Weise erzeugt, welcher im Bereich des Magnetkerns darüberhinaus eine große Homogenität aufweist.According to a further preferred embodiment, it is provided that the excitation element comprises an electrical further capacitor, which is preferably designed as a plate capacitor having a first and a second capacitor plate, wherein the magnetic core is arranged parallel to the main extension plane between the first and the second capacitor. The capacitor and the further capacitor are in particular of identical construction. Advantageously, a comparatively strong magnetic flux is thus generated in the magnetic core in an efficient manner, which also has a high degree of homogeneity in the region of the magnetic core.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor Detektionselemente aufweist, welche vorzugsweise Detektionsspulen umfassen. In vorteilhafter Weise induzierte der Magnetkern in den Detektionsspulen jeweils einen Detektionsstrom. Dabei umfassen die Detektionsspulen zur differenziellen Auswertung vorzugsweise zwei gegenläufig um den Magnetkern herum angeordnete Detektionsspulen, so dass die Summe der Detektionsströme in den beiden Detektionsspulen lediglich beim Anliegen eines zu messenden äußeren Magnetfeldes ungleich null ist. In bekannter Weise werden zur Bestimmung des zu messenden äußeren Magnetfelds insbesondere Harmonische einer Erregerfrequenz in den Detektionsströmen analysiert, wobei die Erregerfrequenz der Anregungsfrequenz des Anregungselements entspricht. Vorzugsweise werden insbesondere geradzahlige Harmonische analysiert.According to a further preferred development, it is provided that the magnetic field sensor has detection elements, which preferably comprise detection coils. Advantageously, the magnetic core in the detection coils each induced a detection current. In this case, the detection coils for differential evaluation preferably comprise two detection coils arranged in opposite directions around the magnetic core, so that the sum of the detection currents in the two detection coils is not equal to zero only when an external magnetic field to be measured is applied. In a known manner, in particular harmonics of an excitation frequency in the detection currents are analyzed for determining the external magnetic field to be measured, the excitation frequency corresponding to the excitation frequency of the excitation element. Preferably even-numbered harmonics are analyzed.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetfeldsensors, wobei mittels des Kondensators ein magnetischer Fluss im Magnetkern erzeugt wird. In vorteilhafter Weise wird somit keine Spule zur Erzeugung des magnetischen Flusses im Magnetkern benötigt, so dass im Vergleich zum Stand der Technik eine deutlich bauraumkompaktere Realisierung und kostengünstigere Herstellung des Magnetfeldsensors ermöglicht wird. Insbesondere wird die benötigte Waferfläche erheblich reduziert.Another object of the present invention is a method for operating a magnetic field sensor, wherein by means of the capacitor, a magnetic flux is generated in the magnetic core. Advantageously, therefore, no coil for generating the magnetic flux in the magnetic core is needed, so that in comparison to the prior art, a significantly space-efficient realization and more cost-effective production of the magnetic field sensor is made possible. In particular, the required wafer area is considerably reduced.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kondensator mit einer Wechselspannung betrieben wird, so dass sich aufgrund der Wechselspannung an den Kondensatorplatten eine Verschiebungsstromdichte zwischen den Kondensatorplatten ausbildet, welche sich periodisch ändert. Diese sich periodisch ändernde Verschiebungsstromdichte induziert ein magnetisches Feld, welches den weichmagnetischen. Kern des Magnetkerns entsprechend des „Fluxgate”-Sensorprinzips in Sättigung vormagnetisiert.According to another preferred embodiment, it is provided that the capacitor is operated with an AC voltage, so that due to the AC voltage across the capacitor plates, a shift current density between the capacitor plates is formed, which changes periodically. This periodically changing displacement current density induces a magnetic field which is the soft magnetic. Core of the magnetic core according to the "fluxgate" sensor principle biased in saturation.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Magnetkern zwischen dem Kondensator und dem weiteren Kondensator angeordnet ist, wobei der Kondensator und der weitere Kondensator vorzugsweise invers zueinander gepolt werden. Durch die gegenpolige Ansteuerung des Kondensators und des weiteren Kondensators bildet sich im Zentrum zwischen den beiden Kondensatoren, in welchem der Magnetkern angeordnet ist, ein gleichgerichteter magnetischer Fluss aus, so dass der Magnetkern mit einer vergleichsweise hohen Effizienz für die Sensorfunktion magnetisiert wird.According to a further preferred embodiment, it is provided that the magnetic core is arranged between the capacitor and the further capacitor, wherein the capacitor and the further capacitor are preferably polarized inversely to one another. Due to the antipole control of the capacitor and the further capacitor, a rectified magnetic flux is formed in the center between the two capacitors in which the magnetic core is arranged, so that the magnetic core is magnetized with a comparatively high efficiency for the sensor function.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass elektrische Ströme, welche durch elektromagnetische Induktion in Detektionsspulen des Magnetfeldsensors induziert werden, vermessen werden. Die in den Detektionsspulen erzeugten Ströme zeigen eine Abhängigkeit von dem zu messenden Feld, welches dem durch die Kondensatoren induzierten magnetischen Fluss im Magnetkern überlagert ist. Eine entsprechende Auswertung der Detektionssignale der Detektionsspulen ermöglicht somit die Bestimmung eines äußeren Magnetfeldes.According to a further preferred development, it is provided that electrical currents, which are induced by electromagnetic induction in detection coils of the magnetic field sensor, are measured. The currents generated in the detection coils show a dependence on the field to be measured, which is superimposed on the induced by the capacitors magnetic flux in the magnetic core. A corresponding evaluation of the detection signals of the detection coils thus makes it possible to determine an external magnetic field.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dar gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the present invention are set forth in the drawings and explained in more detail in the following description.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigenShow it

1 eine schematische Schnittbildansicht eines Magnetfeldsensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 1 FIG. 2 is a schematic sectional view of a magnetic field sensor according to an exemplary embodiment of the present invention; FIG.

2 eine schematische Ansicht einer Verschiebungsstromdichte und eines magnetischen Feldes eines Anregungselements eines Magnetfeldsensors gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 a schematic view of a displacement current density and a magnetic field of an excitation element of a magnetic field sensor according to the exemplary embodiment of the present invention, and

3 eine Aufsicht eines Magnetfeldsensors gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 a plan view of a magnetic field sensor according to the exemplary embodiment of the present invention.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually named or mentioned only once in each case.

In 1 ist eine schematische Schnittbildansicht eines Magnetfeldsensors 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Magnetfeldsensor 1 ein Anregungselement 3 aufweist, welches einen elektrischen Kondensator 40 und einen elektrischen weiteren Kondensators 41 umfasst. Der Kondensator 40 und der weitere Kondensator 41 sind als Plattenkondensatoren 4 ausgebildet, welche jeweils eine erste Kondensatorplatte 5 und eine zweite Kondensatorplatte 6 umfassen. Die erste und die zweite Kondensatorplatte 5, 6 sind dabei jeweils parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 eines Substrats 7 des Magnetfeldsensors 1 ausgebildet und senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 durch eine dielektrische Schicht 13' voneinander beabstandet und elektrisch isoliert. Zwischen dem Kondensator 40 und dem weiteren Kondensator 41 ist parallel zur Haupterstreckungsebene 100 ein Magnetkern 2 angeordnet, welcher ein ferromagnetisches bzw. weichmagnetisches Material umfasst. Der Magnetfeldsensor 1 ist in einem Schichtaufbau realisiert, wobei das Substrat 7 einen Halbleiterwafer 10 umfasst, auf welchem eine Isolationsschicht 11, 11' angeordnet ist. Auf der Isolationsschicht 11, 11 ist eine erste Metallisierungsebene 12 ausgebildet, in welcher die ersten Kondensatorplatten 5 ausgebildet sind. Auf der ersten Metallisierungsebene 12 ist eine weitere Isolationsschicht 13, welche insbesondere die dielektrische Schicht 13 umfasst, angeordnet. Auf dieser weiteren Isolationsschicht 13 ist eine zweite Metallisierungsebene 14 angeordnet, welche zur Ausbildung der zweiten Kondensatorplatten 6 vorgesehen ist. Auf der zweiten Metallisierungsebene 14 ist ferner eine abschließende Isolationsschicht 15 angeordnet. Im Bereich des Magnetkerns 2 umfasst der Schichtaufbau einen Graben 16, in welchem der Magnetkern 2 angeordnet ist.In 1 is a schematic sectional view of a magnetic field sensor 1 according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the magnetic field sensor 1 an excitation element 3 comprising an electrical capacitor 40 and an electrical further capacitor 41 includes. The capacitor 40 and the other capacitor 41 are as plate capacitors 4 formed, each having a first capacitor plate 5 and a second capacitor plate 6 include. The first and the second capacitor plate 5 . 6 are each parallel to a main extension plane 100 a substrate 7 of the magnetic field sensor 1 formed and perpendicular to the main extension plane 100 through a dielectric layer 13 ' spaced apart and electrically isolated. Between the capacitor 40 and the other capacitor 41 is parallel to the main extension plane 100 a magnetic core 2 arranged, which comprises a ferromagnetic or soft magnetic material. The magnetic field sensor 1 is realized in a layer structure, wherein the substrate 7 a semiconductor wafer 10 includes on which an insulation layer 11 . 11 ' is arranged. On the insulation layer 11 . 11 is a first metallization level 12 formed, in which the first capacitor plates 5 are formed. At the first metallization level 12 is another insulation layer 13 , which in particular the dielectric layer 13 includes, arranged. On this further isolation layer 13 is a second level of metallization 14 arranged, which for the formation of the second capacitor plates 6 is provided. At the second metallization level 14 is also a final insulation layer 15 arranged. In the area of the magnetic core 2 The layer structure comprises a trench 16 in which the magnetic core 2 is arranged.

In. 2 ist eine schematische Ansicht einer Verschiebungsstromdichte 20 zwischen einer ersten und einer zweiten Kondensatorplatte 5, 6 und ein durch die Verschiebungsstromdichte 20 induziertes magnetisches Feld 21 eines Magnetfeldsensors 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Beispielhaft ist in 2 lediglich der Kondensator 40 abgebildet. Zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte 5, 6 ist eine elektrische Wechselspannung mit einer Erregerfrequenz angelegt, so dass sich zwischen der ersten und zweiten Kondensatorplatte 5, 6 eine sich mit der Erregerfrequenz der Wechselspannung ändernde Verschiebestromdichte 20 mit Feldlinien senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 ausbildet. Die Verschiebungsstromdichte 20 ist durch Pfeile schematisch dargestellt. Die zeitliche Veränderung dieser Verschiebungsstromdichte 20 induziert ein magnetisches Feld 21, welches durch einen geschlossenen Kreis parallel zur Haupterstreckungsebene 100 schematisch illustriert ist. Das magnetische Feld 21 umfasst geschlossene Feldlinien, welche sich parallel zur Haupterstreckungsebene 100 um die Verschiebestromdichte 20 herum ausbilden. Dieses magnetische Feld 21 erzeugt einen magnetischen Fluss im in 2 nicht abgebildeten Magnetkern 2. Der Magnetkern 2 wird durch dieses magnetische Feld 21 mit der Erregerfrequenz in magnetische Sättigung getrieben und steht für die Sensorfunktion des Magnetfeldsensors 1 gemäß dem „Fluxgate”-Prinzip zur Verfügung. Insbesondere wird somit die Detektion eines zu messenden äußeren Magnetfeldes, beispielsweise das Erdmagnetfeld oder ein von einem Prüfkörper ausgehendes Magnetfeld, mittels nicht abgebildeter Detektionsspulen ermöglicht.In. 2 Fig. 10 is a schematic view of a displacement current density 20 between a first and a second capacitor plate 5 . 6 and one by the displacement current density 20 induced magnetic field 21 a magnetic field sensor 1 according to the exemplary embodiment of the present invention. Exemplary is in 2 only the capacitor 40 displayed. Between the first and the second capacitor plate 5 . 6 an alternating electrical voltage is applied at an excitation frequency, so that between the first and second capacitor plate 5 . 6 a shifting current density changing with the excitation frequency of the AC voltage 20 with field lines perpendicular to the main extension plane 100 formed. The displacement current density 20 is shown schematically by arrows. The temporal change of this shift current density 20 induces a magnetic field 21 passing through a closed circle parallel to the main plane of extension 100 is illustrated schematically. The magnetic field 21 includes closed field lines which are parallel to the main extension plane 100 about the displacement current density 20 train around. This magnetic field 21 generates a magnetic flux in the 2 not shown magnetic core 2 , The magnetic core 2 is through this magnetic field 21 with the excitation frequency driven into magnetic saturation and stands for the sensor function of the magnetic field sensor 1 according to the "fluxgate" principle. In particular, the detection of an external magnetic field to be measured, for example the earth's magnetic field or a magnetic field emanating from a test body, is therefore made possible by means of detection coils not shown.

In 3 ist eine schematische Aufsicht eines Magnetfeldsensors 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei in 3 die zweite Kondensatorplatte 6 des in 1 abgebildeten Kondensators 40 in einer Aufsichtsperspektive senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 abgebildet ist. Die zweite Kondensatorplatte 6 ist von dem benachbarten Magnetkern 2 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 beabstandet. Zwischen der zweiten Kondensatorplatte 6 und dem Magnetkern 2 ist schematisch das durch den Kondensator 40 erzeugtes magnetisches Feld 21 mittels eines Pfeils schematisch dargestellt. Der Kondensator 40 ist vorzugsweise länglich ausgeführt, um eine möglichst große Sensormagnetisierung zu erreichen.In 3 is a schematic plan view of a magnetic field sensor 1 according to the exemplary embodiment of the present invention, wherein in 3 the second capacitor plate 6 of in 1 pictured capacitor 40 in a supervisory perspective perpendicular to the main extension plane 100 is shown. The second capacitor plate 6 is from the adjacent magnetic core 2 parallel to the main extension plane 100 spaced. Between the second capacitor plate 6 and the magnetic core 2 is schematically the through the capacitor 40 generated magnetic field 21 shown schematically by an arrow. The capacitor 40 is preferably elongated in order to achieve the largest possible sensor magnetization.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 4442441 A1 [0002]
EP 1052519 B1 [0002]

Claims

Magnetic field sensor ( 1 ) with a magnetic core ( 2 ) and an excitation element ( 3 ) for generating a magnetic flux in the magnetic core ( 2 ), characterized in that the excitation element ( 3 ) an electrical capacitor ( 40 ) for generating the magnetic flux.

Magnetic field sensor ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the capacitor ( 40 ) a plate capacitor ( 4 ).

Magnetic field sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the plate capacitor ( 4 ) a first and a second capacitor plate ( 5 . 6 ), wherein the first and the second capacitor plate ( 5 . 6 ) substantially parallel or perpendicular to a main plane of extension ( 100 ) of the magnetic field sensor ( 1 ) are aligned.

Magnetic field sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic field sensor ( 1 ) a substrate ( 7 ) in which the capacitor ( 40 ), wherein the magnetic core ( 2 ) preferably on a planar surface of the substrate ( 7 ) and / or in a trench ( 16 ) in the substrate ( 7 ) is arranged.

Magnetic field sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation element ( 3 ) an electrical further capacitor ( 41 ), which is preferably used as a plate capacitor ( 4 ) with a first and a second capacitor plate ( 5 . 6 ), wherein the magnetic core ( 2 ) parallel to the main extension plane ( 100 ) between the capacitor ( 40 ) and the further capacitor ( 41 ) is arranged.

Magnetic field sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnetic field sensor ( 1 ) Comprises detection elements, which preferably comprise detection coils.

Method for operating a magnetic field sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims or according to the preamble of claim 1, characterized in that by means of the capacitor ( 40 ) a magnetic flux in the magnetic core ( 3 ) is produced.

Method according to Claim 7, characterized in that the electrical capacitor ( 40 ) is operated with an alternating voltage.

Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that the magnetic core ( 3 ) substantially between the capacitor ( 40 ) and another capacitor ( 41 ), wherein the capacitor ( 40 ) and the further capacitor ( 41 ) preferably inversely poled to each other.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that electrical currents, which by electromagnetic induction in detection coils of the magnetic field sensor ( 1 ) are measured.