DE3420709A1 - Magnetfeldsensor zur messung der feldstaerke eines magnetfeldes und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

• Magnetfeldsensor zur Messung der Feldstärke eines
• Magnetfeldes und Verfahren zu seiner Herstellung Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Magnetfeldsensor zur Messung der Feldstärke eines Magnetfeldes nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einem solchen, aus der DE-PS 16 23 577 bekannten Magnetfeldsensor wird zur Messung der Stärke und Richtung eines Magnetfeldes eine Sonde mit zwei waagerecht angeordneten ferromagnetischen Stäben verwendet, die jeweils von einem Wechselfeld und der in' Richtung der Stabachse liegenden Komponenten des zu messenden Magnetfeldes durchsetzt sind. Die Stäbe werden dabei bis in die Sättigung getrieben. In einer der Wicklungen wird durch das gesamte Magnetfeld eine Meßwechselspannung induziert, deren Amplituden gegenüber der Eingangsspannung sich abhängig von der Stärke des zu messenden Magnetfeldes in ihrer Phasenlage verschieben. Über eine Ausgangsschaltung wird dabei die Meßspannung in ein digitales Meßsignal umgewandelt, wobei das Tastverhältnis des Meßsignals in direkter Zeitverschlüsselung die Stärke der in Richtung der Stabachse liegenden Komponenten des zu messenden Feldes angibt.
• Bei diesem oder ähnlichen Meßverfahren mit einer vom gemessenen Magnetfeld abhängigen Zeitverschlüsselung der Meßsignale werden die Eingangs- und Ausgangsschaltung sowie die Meßsonde separat voneinander hergestellt. Die Teile werden anschließend zum Magnetfeldsensor zusammengeschaltet. Eine solche Lösung ist nicht nur aufwendig und teuer, sie benötigt außerdem einen relativ großen Einbauraum.
• Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, sowohl die Herstellkosten als auch den Platzbedarf des Magnetfeldsensors zu verringern und die Herstellung unter Beibehaltung der günstigen Eigenschaften der bekannten Magnetfeldsensoren bezüglich Empfindlichkeit und Temperaturverhalten zu vereinfachen.
• Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß er nicht mehr aus mehreren, diskret hergestellten Komponenten zusammengesetzt werden muß. Als Hybrid kann er durch automatische Fertigungsverfahren mit hoher Genauigkeit und kostengünstig hergestellt werden. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß d-er Halbleiterchip mit der Meßsonde und der Eingangs- und Ausgangsschaltung als Magnetfeldsensor auf kleinstem Raum untergebracht werden kann, wodurch eine vielfältige Anwendung möglich ist.
• Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor als Magnetometer zur Messung des Erdfeldes bzw.
• für Navigationszwecke zur Bestimmung des Nordpols oder zur Ermittlung der Fahrrichtung eines Fahrzeugs zu verwenden.
• In diesem Fall ist auf dem Halbleiterchip neben der ersten Meßsonde eine zweite, mit ihrer Achse um 900 gedrehte Meßsonde angeordnet. Aus den damit gewonnen Meßsignalen kann der Vektor des Erdfeldes durch die von den Meßsonden gemessene X- und Y-Komponente des Erdfeldes ermittelt werden. Dabei wird zweckmäßigerweise die eine Meßsonde mit ihrer Achse in Fahrrichtung und die andere quer dazu gelegt. Ein solches Magnetometer kann beispielsweise unter dem Fahrzeugdach oder im Bereich der hinteren Ablage des Fahrzeugs angeordnet werden.
• Außerdem läßt sich durch den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor bei geringem Platzbedarf ein großer Meßbereich erzielen, der z.B. bei einem Kern aus Permalloy bis zu - 30 000 A/m betragen kann. Hohe Empfindlichkeiten können mit Kernen aus Materialien mit extrem kleiner Koerzitivfeldstärke (z.B. amorphe Ferromagnetica - metallische Gläser) erzielt werden, dabei können Meßbereiche von - 50 A/m erreicht werden. Die Sondenkerne werden durch ein Dünnschichtverfahren (Aufdampfen oder Ionenstrahlzerstäubungen) hergestellt. Eine besonders kleine und somit räumlich günstige Ausbildung des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors, bei dem die Abmessungen des Halbleiterchip nur durch die Größe der IC-Schaltung oder der Meßsonde bestimmt wird, läßt sich dadurch realisieren, daß die in Dünnschichttechnik hergestellte Meßsonde auf einer ebenen, die IC-Schaltung abdeckenden Isolierschicht angeordnet ist.
• Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor in vergrößerter und vereinfachter Darstellung, Figur 2 einen Querschnitt durch den Halbleiterchip in stark vergrößerter Darstellung und Figur 3 den Halbleiterchip in stark vergrößerter Draufsicht im Bereich der Meßsonde.
• Beschreibung des Ausführungsbeispieles In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Magnetfeldsensor mit 10 bezeichnet, der zur Messung der Feldstärke eines Magnetfeldes dient. Der Magnetfeldsensor 10 besteht aus einem Silizium-Halbleiterchip 11, der p-leitend dotiert ist. Im rechten Bereich des Halbleiterchips 11 ist eine IC-Schaltung 12 angeordnet, welche die Eingangs- und Ausgangsschaltung des Magnetfeldsensors 10 bildet und im Halbleiterchip 11 integriert ist. Daneben ist im rechten Bereich des Halbleiterchips 11 eine Meßsonde 13 angeordnet, die aus einer in Dünnschichttechnik hergestellten Dünnschichtspule 14 mit einem davon isolierten ferromagnetischen Dünnschichtkern 15 aus Permalloy besteht. Über Anschlußverbindungen 16 ist die Meßsonde 13 mit der IC-Schaltung 12 kontaktiert. Über Anschlüsse 17 wird die IC-Schaltung an eine Versorgungsspannung angeschlossen.
• Bei angeschlossenem Magnetfeldsensor 10 wird die Dünnschichtspule 14 der Meßsonde 13 über die Eingangsschaltung des Sensors 10 durch einen in der IC-Schaltung integrierten Dreieckgenerator mit gesteuerter Stromquelle mit einem dreieckförmigen Wechselstrom versorgt, durch dessen Magnetfeld der Dünnschichtkern 15 wechselweise bis in die Sättigung gesteuert wird. Die von diesem Magnetfeld in der Dünnschichtspule 14 erzeugte Gegen-EMK wird nun zusammen mit der Spannung des Dreieckgenerators auf die Eingänge eines Subtrahierverstärkers gegeben, dessen Ausgangssignal einen Schmitt-Trigger steuert. Subtrahierverstärker und Schmitt-Trigger bilden dabei die Ausgangsschaltung des Magnetfeldsensors gemäß Patentanmeldung P 33 45 713.1. Am Ausgang des Schmitt-Triggers tritt ein digitales Meßsignal auf, wobei das Tastverhältnis der dort auftretenden Impulskette ein Maß für die gemessene Feldstärke eines äußeren Magnetfeldes ist.
• Solange kein solches Magnetfeld an der Meßsonde 13 wirksam ist, sind die Nulldurchgänge des Magnetfeldes, welches durch die gesteuerte Stromquelle der Eingangs schaltung im Dünnschichtkern 15 erzeugt wird, genau symmetrisch. Sobald die Meßsonde 13 jedoch einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt wird, überlagert sich die in Richtung der Längsachse X des Dünnschichtkerns 15 liegende Komponente dieses Magnetfeldes dem Wechselfeld, wodurch sich nunmehr die Nulldurchgänge des Wechselfeldes im Dünnschichtkern 15 entsprechend verschieben. Dies hat zur Folge, daß am Ausgang des Schmitt-Triggers das Tastverhältnis des dort abgegebenen Meßsignales sich ebenfalls abhängig von der gemessenen Komponente des äußeren Magnetfeldes verändert. Die Ausgangsschaltung liefert somit von der Stärke des gemessenen Magnetfeldes abhängige zeitverschlüsselte Meßsignale.
• Mit Hilfe der Figuren 2 und 3 soll nunmehr die Herstellung des Magnetfeldsensors 10 aus Figur 1 näher erläutert werden.
• In einem ersten Verfahrensabschnitt wird zunächst die Eingangs- und Ausgangsschaltung in IC-Ausführung im Halbleiterchip 11 integriert. Danach wird die IC-Schaltung 12 bis auf die Bereiche der Anschlüsse 17 und Anschlußzonen 17adurch eine Oxidschicht 18 abgedeckt. Anschließend werden die Anschlüsse 17 sowie die Meßsonde 13 und ihre Kontaktierung über die Anschlußverbindungen 16 mit der IC-Schaltung 12 in Dünnschichttechnik hergestellt. Wie Figur 3 erkennen läßt, wird zur Herstellung der Meßsonde 13 in Dünnschichttechnik zunächst die untere Hälfte 19a der Windungen 19 sowie die Anschlußverbindungen 16 auf die Oxidschicht 18 aufgetragen. Danach wird isoliert davon der ferromagnetische Dünnschichtkern 15 auf die unteren Windungshälften 19a aufgebracht und schließlich wird ebenfalls isoliert vom Kern 15 jeweils die obere Hälfte 19b der Windungen 19 aufgebracht. Die Windungshälften 19a und 19b sind dabei L-förmig ausgebildet, so daß die oberen Hälften 19b der Spule 14 an beiden Enden die benachbarten unteren Hälften 19a der Windungen 19 zur Kontaktierung überdecken. Die Isolation erfolgt durch Oxidschichten 18a, 18b.
• Für das Ausführungsbeispiel wird eine Meßsonde 13 vorgeschlagen, deren Spule 14 eine Windungszahl n=33 hat.
• Die Windungen 19 haben dabei eine Bahnbreite b=10 #m und eine Bahndicke von 1 #m. Bei einer Windungsbreite von 30/um ergibt sich somit eine Spulenlänge L=1 mm. Für die Vormagnetisierung der Meßsonde 13 wird bei einer maximalen Stromdichte von 105 A/mm² eine Stromspitze von 1 A erreicht. Das damit zu erzielende Vormagnetisierungsfeld beträgt H = I x n/L = 33000 A/m (maximale Vormagnetisierung).
• Je nach Sättigungsfeldstärke des ferromagnetischen Dünnschichtkernes 15 kann der Meßbereich gewählt werden. Bei Verwendung eines Dünnschichtkernes aus Permalloy mit einer Sättigungsfeldstärke von ca. 200 A/m erhält man bei höchster Empfindlichkeit einen Meßbereich zwischen -1000 A/m und +1000 A/m. Bei metallischen Gläsern mit einer Sättigungsfeldstärke von ca. 20 A/m ergibt die höchste Empfindlichkeit einen Meßbereich zwischen -50 A/m und +50 A/m.
• Durch den erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor kann folglich die Empfindlichkeit der Meßsonde gegenüber magnetoresistiven Sensoren erheblich vergrößert und die Abmessungen des Sensors wesentlich verkleinert werden. Ein solcher Magnetfeldsensor läßt sich für eine Vielzahl von Anwendungen verwenden. Neben der Messung von Magnetfeldkomponenten, wie beispielsweise bei einem elektronischen Kompaß kann der Sensor auch als Lagesensor oder Füllstandsensor und dgl. eingesetzt werden, wobei ein permanents Magnetfeld und der Sensor relativ zueinander bewegt werden.
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Claims (7)

1. Ansprüche 1. Magnetfeldsensor zur Messung der Feldstärke eines Magnetfeldes, mit mindestens einer Meßsonde aus einem weichmagnetischen Kern und mindestens einer darauf angeordneten Spule und mit einer daran angeschlossenen Eingangs- und Ausgangsschaltung, wobei die Ausgangsschaltung von der Stärke des gemessenen Magnetfeldes abhängige, zeitverschlüsselte Meßsignale abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleiterchip (11) die Eingangs- und Ausgangsschaltung als IC-Schaltung (12) integriert ist und auf dem Halbleiterchip (11) die Meßsonde (13) als Dünnschichtspule (14) mit einem davon isolierten ferromagnetischen Dünnschichtkern (15) aufgebracht und mit der IC-Schaltung (12) kontaktiert ist.
2. 2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschichtkern (15) der Meßsonde (13) aus einem metallischen Glas besteht.
3. 3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterchip (11) neben der ersten Meßsonde (13) eine zweite, mit ihrer Achse um 900 zur ersten gedrehte Meßsonde angeordnet ist.
4. 4. Magnetfeldsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die IC-Schaltung (12) in einem Bereich des Halbleiterchip (11) und die Meßsonde (13) in einem anderen, neben der IC-Schaltung (12) liegenden Bereich angeordnet ist.
5. 5. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Dünnschichttechnik hergestellte Meßsonde (13) auf einer, die IC-Schaltung (12) abdeckenden Isolierschicht (18) angeordnet ist.
6. 6. Verfahren zur Herstellung eines Magnetfeldsensors gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleiterchip (11) zunächst die Eingangs- und Ausgangsschaltung mit Anschlüssen (17) in IC-Schaltung (12) integriert wird, daß danach die IC-Schaltung (12) bis auf die Anschlüsse (17, 17a) durch eine Isolierschicht (18) abgedeckt und anschließend die Meßsonde (13) und ihre Verbindung (16) mit den Anschlüssen (17a) der IC-Schaltung (12) in Dünnschichttechnik hergestellt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Meßsonde (13) in Dünnschichttechnik zunächst die untere Hälfte (19a) der Windungen (19), dann isoliert davon der ferromagnetische Kern (15) und schließlich isoliert vom Kern (15) die obere Hälfte (19b) der Windungen (19) der Spule (14) aufgebracht wird, so daß sie sich an beiden Enden mit den benachbarten unteren Hälften (19a) zur Kontaktierung überdecken.