磁场传感器及用于 操作所述磁场传感器的方法 本发明涉及一种磁场传感器及一种用于操作在权利要求1的前序中所述类型的磁场传感器的方法。
这种磁场传感器适用于对强度总量仅为几个nT到mT的磁场的测量，例如作为一个用于测量地磁场方向的指南针。
在权利要求1的前序中所述类型的磁场传感器从EP 1182 461中已知。该磁场传感器适用于确定两维磁场的方向。该磁场传感器包括一个平面形状的磁场集中器和两个由至少一个霍尔元件组成的传感器，其中在磁场集中器的边界区域中排列霍尔元件。第一传感器测量磁场的第一分量，第二传感器测量磁场的第二分量。因此可以从这两个传感器的信号中确定磁场的方向。
另一种用于确定磁场方向的磁场传感器从EP 1052 519中已知。该磁场传感器包括一个交叉形地铁磁芯、一个用于周期性对铁磁芯进行充磁的激励线圈和读出线圈。该磁场传感器作为一个磁通门传感器而工作。这种传感器的缺点是需要高电流来实现铁磁芯的磁饱和。因此这种磁场传感器不适用于电池操作下的应用。
另一种用于确定磁场强度的磁场传感器从GB 2315870中已知。该磁场传感器包括一个环形的铁磁芯、一个用于周期性对铁磁芯进行充磁的激励线圈和读出线圈。另外，在一种设计类型中，该传感器包括作为外部磁场集中器而工作的附加铁磁芯。为了减小这些附加铁磁芯的可能剩磁，提供了周期性施加电流的附加线圈，以对附加铁磁芯去磁。
本发明的目的是开发一种可以测量强度总量仅为几个nT到mT的磁场的磁场传感器，即使由电池供电也不需要频繁更换电池。
通过权利要求1和9的特性，根据本发明可以解决提出的任务。
研究显示，一个大问题在于，作为磁场集中器的铁磁芯会被磁化，或者磁化可能被一个外部的、例如临时出现的磁干扰场而反转到这样一种程度，使铁磁芯变成一个在读出线圈中产生信号的磁偶极子。这里，本发明提供了一种补救措施，通过在选定的时间施加一个磁场而将铁磁芯带入一种预定磁化状态。提供一个线圈来产生磁场。由流过线圈的电流产生的磁场必须足够大，以使得可以消除由干扰场引起的铁磁芯的磁性翻转。为了这样做，必需的电流强度取决于铁磁芯的磁化曲线。
根据本发明的用于测量至少一个磁场分量的磁场传感器包括一个用作磁场集中器的环形铁磁芯，一个激励线圈和一个读出传感器。读出传感器包括至少一个、最好是两个排列在铁磁芯的外缘附近的传感器，并测量磁场的至少一个分量。在磁场传感器的操作中，在选定的时间，电流被临时施加于激励线圈，以使铁磁芯达到一种预定磁化状态，在此状态下，铁磁芯的磁化不在读出传感器中产生信号。流过激励线圈的电流必须足够大，以使得铁磁芯中的电流产生的磁场至少达到铁磁芯材料具有的矫顽磁场强度。更可选地，将电流选得较高以使得它产生的磁场强度是矫顽磁场强度的两倍到三倍。如果材料具有一个所谓的硬磁轴和一个软磁轴，则应该选择硬磁轴的较高的矫顽磁场强度。通过这个过程，环形铁磁芯被例如以这种方式磁化：磁芯中的场线走向作为切线方向上的闭合场线。这种磁化被称为圆形磁化。利用这种预定磁化，解决了上述导致错误的寄生磁化的问题。
最好是在实际测量外部磁场之前执行这个使铁磁性达到预定磁化状态的过程。但是，可以周期性或在任何其它时间执行。这样，铁磁芯被磁化为具有预定磁性，并且在特定时间刷新或恢复这个预定磁性。
为了使铁磁芯达到预期的磁化状态，需要特定量的磁能。所需磁能一方面与铁磁芯的体积V成正比，另一方面与磁能积B×H成正比，该磁能积与所使用材料的磁滞曲线有关。为了得到尽可能小的磁能积，选择软磁材料，如Vitrovac 6025Z作为用于铁磁芯的材料。要磁化的体积由铁磁芯的几何形状决定。因为可实现的磁化放大主要由环形铁磁芯的直径确定，所以环的宽度和厚度要选得尽可能小。对于上述材料Virovac 6025Z，例如对直径1mm的环，选择20μm的宽度和10μm的高度。因此，宽度仅占环直径的百分之二。当环的宽度和高度对使用的技术来说尽可能小时是非常有意义的。当使用其它技术，例如利用电解或喷镀将磁芯固定在半导体芯片上时，磁芯的厚度可以被减小到一微米或更小。
减小磁芯的体积的另一个好处在于，利用线圈生成的磁场，预磁化的建立本身受线圈中产生的涡电流的限制很小。以此方法，磁化充电脉冲可以较短，并且所需的总能量减小了。以此方法优化的传感器也适用于具有低容许能量消耗的应用，例如手表。
磁场传感器，例如可以被用以测量方向不变的弱磁场的强度。这种磁场传感器还可以用作电流或能量传感器，借此测量由有电流流过其中的导体产生的磁场的强度。此外，该传感器可具有第二个读出传感器，以测量外部磁场的第二个分量。当测量出外部磁场的两个分量时，那么从中可以确定它的方向。因此，这种磁场传感器也可以用作指南针。
在下文中，基于附图将对本发明的三个实施例进行更详细地描述。
图1显示了用于测量外部磁场的两个分量的具有环形铁磁芯的磁场传感器的平面试图；
图2显示了磁场传感器的横截面和场线；
图3显示了另一个磁场传感器；
图4A、4B显示了处于不同磁化状态的环形磁芯；
图5、6显示了铁磁芯中的磁场线的行程；以及
图7显示了以特殊方法磁化的环形铁磁芯。
实施例1
图1显示了用于测量外部磁场的两个分量的形式为半导体芯片1的磁场传感器的平面图。x、y、z坐标的笛卡尔系统用作参考系统，为了说明地清楚，其原点在图中被放置在了磁场传感器的外部，z方向垂直穿过投影平面。磁场传感器包括一个电路2、一个可以在其中施加例如四匝电流的激励线圈3、一个环形铁磁芯4和两个读出传感器5、6。铁磁芯4在平面中扩展，从而限定了xy平面的位置。读出传感器5用于获取磁场的x分量，读出传感器6用于获取磁场的y分量。读出传感器5、6最好包括两个局部分离但电连接的传感器。使用一种首先通过标准CMOS技术制造电路2、激励线圈3的一部分和读出传感器5、6，然后使用所谓的后处理设置环形铁磁芯4的技术，来制造磁场传感器。为此，将一个非晶铁磁性物质带粘在具有半导体电路的晶片上，并利用光刻法和化学腐蚀来构造。在把晶片锯成独立的半导体芯片后，通过线接合(如图所示)或者利用倒装技术，将激励线圈3的线圈完全固定在衬底上的半导体芯片上。电路2用于产生流过激励线圈3的电流，并用于计算读出传感器5、6传送的信号。
对于图1中的实施例，激励线圈3具有四匝线圈，部分由导线路径7组成，部分由接合线8组成。导线路径7在环形铁磁芯4的下面通过，接合线8在环形铁磁芯4的上面通过。接合线8将导线路径7的一端连到另一个导线路径7的一端上。电路9用于临时将电流I(t)加到激励线圈3中，以使环形铁磁芯4达到预定磁化状态。变量t表示时间。
由未表示出的电源，特别是电池，向电路2供电。电路2用于操作电路9，读出传感器5、6，并计算读出传感器5、6传送的信号。
由名称为VAC 6025Z可获得的非晶金属制成的带例如用作环形铁磁芯4的材料。此材料具有一个Hc＝3mA/cm的矫顽磁场强度。为了使环形铁磁芯4磁饱和，流过激励线圈3的电流I应该产生一个比矫顽磁场强度Hc大大约20倍的磁场Hs。当环形铁磁芯4的外径D为D＝1mm，并且激励线圈3的匝数n达到n＝4时，那么根据公式(1)
I＝20*Hc*D*π/n (1)
得到I≌4.5mA的电流。因为环形铁磁芯4没有气隙，所以可以利用小磁场从而利用电流I来使它磁饱和。
作为读出传感器5和6，磁场传感器最好具有四个成对连接的所谓的水平霍尔元件10、11、12和13，它们对垂直通过半导体芯片1表面，也即沿z方向通过的磁场敏感。霍尔元件10和12被设置在笛卡尔系统的x坐标轴上，形成第一读出传感器5。因此，霍尔元件10和12被设置在相对于穿过环形铁磁芯4的中心的对称轴在直径上相对的位置上。霍尔元件11和13被设置在笛卡尔系统的y坐标轴上，形成第二读出传感器6。水平霍尔元件10至13总是被设置在环形铁磁芯4的下面处于它的外缘附近。因为与它周围的相对磁导率相比，环形铁磁芯4的相对磁导率μr非常大，要测量的外部磁场的场线几乎垂直地冲击到铁磁芯4的表面，或者以近似直角离开。磁场密度在霍尔元件10到13所处的铁磁芯4的外缘的区域内最强。两个霍尔元件10和12的输出信号与外部磁场的x分量的强度有关，两个霍尔元件11和13的输出信号与外部磁场的y分量的强度有关。
图2显示了在流过激励线圈3(图1)的电流产生的磁场没有使铁磁芯4饱和时的外部磁场的场线14。位于两个霍尔元件10和12的点的位置的场线处于不同的方向，因为磁场在一个霍尔元件，如霍尔元件10的位置处进入铁磁芯4，并在另一个霍尔元件12的位置处再次离开。这两个霍尔元件10和12被以这样的方式电连接而作为读出传感器5(图1)，即外部磁场的x分量产生的霍尔电压在霍尔元件10和12中相加。但是，外部磁场的任何z分量都在相同的z方向上处于这两个霍尔元件10和12的点上，因此不在读出传感器5中引起输出信号。
它的优点是，不是将两个霍尔元件10和12永久电连接作为读出传感器5，但是以交替加或减两个霍尔元件10和12的输出信号的方式。以此方式，外部磁场的x分量或z分量可以通过对应于两个霍尔元件10和12的瞬时电连接的读出传感器5来测量。为了测量磁场的z分量，还可以提供一个不位于铁磁芯4的边缘附近的独立霍尔元件，使得磁场的x分量或y分量都不对它的霍尔电压起作用。
但是，当磁场的z分量与由铁磁芯4放大的磁场的x和y分量相比小得可以忽略不计时，每个读出传感器5和6都还可以仅包括一个霍尔元件，例如霍尔元件10的读出传感器5及霍尔元件11的读出传感器6。在此情况下，为了测量磁场的z分量，提供一个不位于铁磁芯4的边缘附近的独立霍尔元件。
激励线圈3(图1)用于使铁磁芯4在特定时间达到一种预磁化状态。这是使它的磁化不在读出传感器5、6中产生信号，而将铁磁芯4磁化的一个基本情况。因此中和了由在读出传感器5、6中产生不希望的信号的外部电流引起的铁磁芯4的巧合磁化。
以这样一种方式对铁磁芯4进行磁化，即由它的磁化产生的磁场不在读出传感器5、6中产生信号。这意味着该磁场的任何分量或者与霍尔元件10到13的感应方向垂直通过，或者在相同z方向上在连接成对作为读出传感器5、6的霍尔元件10、11、12、13中通过，使得它们产生的霍尔电压互相抵消。
在下文中，将描述进一步的测量，其应用带来磁场传感器的灵敏度增加，和/或降低电流或能量消耗。
当激励线圈3的匝数增加至n时，那么根据公式(1)，或者可以使流过激励线圈3的电流减小因子n，或者使环形铁磁芯4的直径D增加因子n，在磁化上可以达到铁磁芯4的相同饱和等级。铁磁芯4的直径D增加引起电流密度的放大，但增加了空间需求从而也就是半导体芯片1的尺寸。以磁场传感器的尽可能小型化的目标观点来看，当调整铁磁芯4的直径D以适应电路2的空间需求所给定的半导体芯片1的尺寸，以及调整激励线圈3的匝数n以适应铁磁芯的大小时，则可以产生最优条件。
实施例2
图3显示了另一个具有环形铁磁芯4的磁场传感器的平面视图，通过该环形铁磁芯4，激励线圈3形成为一个具有一个被设置在铁磁芯4下面的螺旋形导线路径16的平面线圈15。导线路径16螺旋形但几乎以铁磁芯4为中心而前进。
导线路径16的第一端17自然地位于环形铁磁芯4的内部，导线路径16的第二端18位于环形铁磁芯4的外面。设置在第二金属化层中的导线路径19连接第一端17和设置在环形铁磁芯4外部的接点20。(已说明过的接合线8在第二实施例中没有出现，但对第三实施例非常重要。)因此导线路径19与平面线圈15一样位于铁磁芯的相同侧面。尽管平面线圈15的导线路径16螺旋形前进，导线路径16沿径向方向前进的一部分并不提供由平面线圈15产生的磁场，因为在导线路径19中流过的电流的流动方向与在径向方向上流过平面线圈15的电流的方向相反，因此对它进行了补偿。因此，由平面线圈15产生的磁场对应于由沿中心设置的导线路径产生的磁场。
实施例3
此实施例大部分与第二实施例相同，但除导线路径19外，提供接合线8来连接平面线圈15的第一端17和设置在环形铁磁芯4外部的接点20。因为平面线圈15和接合线8在不同侧面穿过铁磁芯4，也即平面线圈15在下面而接合线8在上面，因此得到一个具有单绕组的辅助线圈，它环绕铁磁芯4的环，并根据本发明的第一实施例作为一个激励线圈。与第二实施例相反，流过接合线8的电流并不抵消在径向方向上流过平面线圈15的电流。平面线圈15和接合线8的组合表示一个激励线圈3，通过它可以以一种非常有效的方式使铁磁芯4达到一种预定磁化状态，其中磁芯4的磁化不在读出传感器5、6中产生信号。
在下文中，描述了为了使铁磁芯4达到一种预定的非零磁化状态的用于这三个实施例的至少一个第一方法。这些方法最好在通过磁场传感器执行外部磁场的x和y分量测量之前执行，除非是由流过激励线圈3的电流暂时产生的磁场，而执行这些方法不会在读出传感器5、6中产生信号。
下面的方法1.1和1.2与第一实施例相关，并描述了它们对第一实施例的效果，由此术语和附图标记都与分配给第一实施例的图相关。
方法1.1
通过该第一方法，将电流I(t)施加给激励线圈3一个预定持续时间，以均匀磁化铁磁芯4。由流过激励线圈3的电流I(t)产生的磁场B(t)在铁磁芯4中沿同心的闭合线通过。该磁场叫作圆形磁场。电流I(t)，例如是一个直流脉冲，其强度首先增加，然后降为零。为了充分中和外部影响引起的磁化，直流电流I(t)最好一直增加到铁磁芯4磁饱和，或者几乎磁饱和，然后再降为零。直流电流I(t)的最大值在铁磁芯4中产生一个磁场，其磁场强度大于铁磁芯4的材料的矫顽磁场强度Hc，最好是它的两倍或三倍。应该选择直流电流I(t)的最大值足够高，以使得可以中和由干扰磁场引起的铁磁芯4的磁性反向。为此，所需的电流强度取决于铁磁芯4的磁化曲线。以此方法，铁磁芯4被磁化，由此它的磁化粗略地对应于铁磁材料的剩磁。第一实施例的铁磁芯4的环形结构提供了由其磁化产生的磁场的场线在铁磁芯4内闭合的优点。在铁磁芯4外部由磁化产生的磁场与霍尔元件10-13的感应方向垂直，因此不产生霍尔电压。
图4A以虚线显示了在环形磁芯4被一个外部干扰磁场磁化后场线的行程。箭头指示了磁场方向。环形磁芯作为一个磁偶极子而工作，并在读出传感器5和6中产生不希望的信号。图4B显示了在环形磁芯4被通过前面描述的方法反向磁化后场线的行程。此时场线在磁芯4中闭合。磁化强度一般对应于磁芯4的材料剩磁。
可以在外部磁场的每次测量之前或者仅是偶尔执行第一方法。
方法2.1
在对外部磁场的每次测量时执行该第二方法。一次测量包括两个独立的测量。根据下面的步骤进行测量：
a)将直流脉冲I(t)施加于激励线圈3，由此电流在第一方向上流过激励线圈3。
b)从读出传感器5和6中读出输出信号。
c)将直流脉冲I(t)施加于激励线圈3，由此电流在与第一方向相反的方向上流过激励线圈3。
d)从读出传感器5和6中读出输出信号。
e)在步骤b和d中从读出传感器5读出的输出信号被相加，测量到的读出传感器6的输出信号被相加。
通过此方法，可以减小在霍尔元件10到13的局部区域内发生的、由铁磁芯4的材料的不均匀性引起的任何磁泄漏的影响，因为第一独立测量的磁泄漏对输出信号形成了一个正分量，而第二独立测量为输出信号形成了一个负分量，在步骤e中彼此抵消。
方法1.2和2.2与第二实施例相关，并描述了它们对第二实施例的效果，由此术语和附图标记都与分配给第二实施例的图相关。
方法1.2
通过此方法，将直流电流I(t)施加给激励线圈3一个预定持续时间。在平面线圈15中流动的直流电流I(t)引起了铁磁芯4在径向方向上的磁化。该磁化的场线的行程用图5中的箭头21表示，图5表示了z平面上的一个截面。通过平面线圈15，可以以有效的方式磁化铁磁芯4。通过该磁化，场线在铁磁芯4中不闭合。径向磁化在铁磁芯4外部产生了一个非零磁场。该磁场的场线对所有霍尔元件10-13在相同方向上通过，从而在所有霍尔元件10-13中产生相同的霍尔电压。因为每个读出传感器5、6都包括2个相对连接的霍尔元件，这些霍尔电压不对读出传感器5、6的输出信号产生影响。
方法2.2
通过此方法，将一个交流电流施加给激励线圈3。平面线圈15和导电的铁磁芯4作为变压器而工作，由此平面线圈15形成了具有N匝的初级绕组，变压器的次级绕组具有一匝。因此在理想耦合的情况下，包含在铁磁芯4中的交流电流是流过平面线圈15的交流电流的N倍。包含在铁磁芯4中的交流电流引起磁芯4的交替磁化，其场线采用图6中表示的那些行程。这些场线在铁磁芯4中闭合。
方法1.3和2.3与第三实施例相关，并描述了它们对第三实施例的效果，由此术语和附图标记都与分配给第三实施例的图相关。流过附加线圈的电流在铁磁芯4中产生了一个圆形磁场，它叠加在平面线圈15形成的磁场上。最终效果取决于施加在由平面线圈15和接合线8形成的激励线圈3上的是直流电流还是交流电流。
方法1.3
将一个直流电流施加于激励线圈3上(与方法1.1和2.1相同)。由于平面线圈15，环形铁磁芯4被以有效的方式磁化，如用于第二实施例的方法1.2。附加线圈在铁磁芯4中额外引起了一个圆形磁场，如第一实施例。铁磁芯4的最终磁化现在不再是径向方向的，而是具有一个额外的切线分量。这种磁化状态被显示在图7中。图7显示了铁磁芯4的一个平面视图。磁化的局部方向由箭头21表示。当直流电流被关断时，那么铁磁芯4的各个磁畴中的磁化转到切线方向，因此磁场线闭合。
通过关闭直流电流，因此铁磁性4的圆形磁化被自动设置，如前面已经叙述的那样，其具有磁场在读出传感器5、6中不产生信号的优点。
对于附加线圈，除了由接合线8实现的单绕组外，如第一实施例那样，也可以提供多个例如由导线路径和接合线实现的绕组。平面线圈15的绕组数以及附加线圈的绕组数要彼此调整，以使得在最小能量下实现圆形磁化。
方法2.3
当将具有恒定幅度的交流电流施加于激励线圈3时，那么铁磁芯4中的磁畴具有螺旋状排列。如果交流电被关断，那么磁畴自动转变，以使得由其产生的磁场的场线可以闭合。以此方式，可以实现与方法1.3相同的铁磁芯4的圆形磁化。
通过描述的实施例，水平霍尔元件10-13被用作测量外部磁场的传感器。但是，除了水平霍尔元件10-13外，也可以使用所谓的对与表面平行的磁场敏感的垂直霍尔元件。从图2中，应该遵循，垂直霍尔元件不位于铁磁芯4下面的外缘上，而是要被设置在场线几乎水平的铁磁芯4的稍微外部。另外，除了霍尔元件外，也可以使用抗磁电机传感器或磁电机晶体管。但是，必须检查在铁磁芯4中产生的磁化对这样一种传感器产生的影响是否与对水平霍尔元件的相同。