DE102019101931B4

DE102019101931B4 - Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102019101931B4
Application number: DE102019101931.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg Franke
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2024-08-01
Anticipated expiration: 2039-01-26
Also published as: CN111487575A; CN117075017A; US20220128633A1; DE102019101931A1; US20200241083A1

Abstract

Sensorvorrichtung (10) umfassend:
eine lateral angeordnete Doppelspule (20) mit einer ersten Spule (30a) und einer zweiten Spule (30b), wobei erste Windungen (40a) der ersten Spule (30a) und zweite Windungen (40b) der zweiten Spule (40b) spiralförmig angeordnet sind und wobei die ersten Windungen (40a) von einem ersten Mittelpunkt (50a) zu einem gemeinsamen Bereich (60) und die zweiten Windungen (40b) von einem zweiten Mittelpunkt (50b) zu dem gemeinsamen Bereich (60) führen; und
zwei magnetische Feldsensoren (72a, 72b), die an der lateral angeordneten Doppelspule (20) disponiert sind, wobei die zwei magnetischen Feldsensoren (72a, 72b) sich jeweils in den Mittelpunkten (50a, 50b) der jeweiligen Spulen (30a, 30b) befinden, und wobei die magnetischen Feldsensoren (72a, 72b) jeweils eine Zusammenschaltung von mehreren Einzelsensoren sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einer Spule zur Erzeugung eines magnetischen Felds sowie mit einem magnetischen Feldsensor.
Sensorvorrichtungen nach der eingangs genannten Art sind zum Beispiel aus dem Deutschen Patent Nr. DE 11 2010 000 848 B4 (Allegro) bekannt. In diesem Patentdokument ist eine Doppelspule offenbart, die aber jeweils nur über eine Windung als Selbsttestleiter verfügt, und bei der sich jede Spule der Doppelspule über einem z-Achsen Magnetfeldsensorelement befindet.
Aus dem deutschen Patent Nr. DE 10 2011 016 159 B3 ist die Integration einer vertikalen Spule (d.h. Wiederholung der Windungen in z-Richtung und nicht in x- bzw. y-Richtungen) mit mehreren Windungen über einem z-Achsen Magnetfeldsensor bekannt. Die Patentschrift offenbart auch die Integration von zwei vertikalen Spulen mit mehreren Windungen über jeweils einem z-Achsen Magnetfeldsensor. Eine weitere Vorrichtung ist aus der U.S. Anmeldung Nr. US 2018 / 0 340 989 A1 bekannt, die einen Magnetfeldsensor zeigt, der mindestens eine Spule, die auf ein Wechselstromspulen-Treibersignal anspricht, mindestens zwei voneinander beabstandete Magnetfeld-Erfassungselemente, die auf ein Erfassungselement-Ansteuersignal ansprechen und in der Nähe der mindestens einen Spule positioniert sind, und eine Schaltung, die mit den mindestens zwei Magnetfelderfassungselementen gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal des Magnetfeldsensors zu erzeugen, das eine Differenz zwischen einem Abstand eines leitenden Ziels in Bezug auf jedes der mindestens zwei voneinander beabstandeten Magnetfelderfassungselemente anzeigt, enthält.
Eine andere Vorrichtung ist auch aus dem US Patent Nr. US 7 345 470 B2 bekannt, welche eine Vielzahl von nicht integrierten Spulen zum Probentest zeigt. Eine weitere Vorrichtung ist aus dem Deutschen Teil DE 602 13 539 T2 des Europäischen Patents EP 1 306 687 B1 bekannt, welche ein Magnetsensor zeigt, der ein dünnschichtartiges magnetisches Tunneleffektelement (magnetresistives Effektelement) umfasst. Eine Spule ist in einer Ebene unter dem magnetischen Tunneleffektelement und parallel zu einer dünnflächigen Filmoberfläche des Elements angeordnet. Die Spule ist eine Doppelspiralspule, die einen ersten Spiralleiterabschnitt und einen zweiten Spiralleiterabschnitt enthält. Das Magnettunneleffektelement ist in einer Draufsicht zwischen einer Spiralmitte des ersten Leiterabschnitts und einer Spiralmitte des zweiten Leiterabschnitts angeordnet. Der erste und der zweite Leiterabschnitt und sind so verbunden, dass elektrische Ströme in der gleichen Richtung durch einen Teil des ersten Leiterabschnitts fließen, der das magnetische Tunneleffektelement in einer Draufsicht überlappt, und durch einen Teil des zweiten Leiterabschnitts, der das magnetische Tunneleffektelement in einer Draufsicht überlappt. Eine weitere Vorrichtung ist aus der US-Anmeldung US 2006 / 0 290 348 A1 bekannt, welche eine lateral angeordnete Doppelspule mit einer ersten Spule und einer zweiten Spule umfasst.
Der Stand der Technik zeigt Lösungen für Sensorvorrichtungen mit Spulen mit Einfachwindungen, welche den möglichen Spulenfaktor und somit auch das erzielbare Magnetfeld im Verhältnis zum eingeprägten Strom in den Spulen begrenzen.
Darüber hinaus erhöhen sich die Integrationskosten für die Sensorvorrichtungen mit vertikal angeordneten Windungen auf Grund der notwendigen mehreren Metalllagen oder separaten Spulenträger.
Dieses Dokument offenbart eine Sensorvorrichtung umfassend eine lateral angeordnete Doppelspule mit einer ersten Spule und einer zweiten Spule. Erste Windungen der ersten Spule und zweite Windungen der zweiten Spule sind spiralförmig auf einem Substrat angeordnet und sowohl die ersten Windungen als auch die zweiten Windungen laufen jeweils von einem ersten bzw. zweiten Mittelpunkt der jeweiligen Spirale zu einem gemeinsamen Bereich. Zwei magnetische Feldsensoren befinden sich montiert an der lateral angeordneten Doppelspule, wobei die zwei magnetischen Feldsensoren sich jeweils in den Mittelpunkten der jeweiligen Spulen befinden, und wobei die magnetischen Feldsensoren jeweils eine Zusammenschaltung von mehreren Einzelsensoren sind.
Durch diese Vorrichtung lässt sich der magnetische Feldsensor auch in dem Präsenz von überlagerten Feldern gut kalibrieren. Die Anordnung ermöglicht auch in einer Umgebung mit z.B. Streufeldern eine Diagnose bei Störung der magnetischen Feldsensoren.
Der magnetische Feldsensor ist z.B. ein Hall-Sensor, ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor, ein Fluxgate-Sensor oder ein TMR-Sensor, aber die Art von magnetischem Feldsensor ist nicht limitierend der Erfindung.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine Doppelspule mit einem magnetischen Feldsensor und beispielhafte Feldlinien;
2 eine Doppelspule mit einem magnetischen Feldsensor auf einem Die;
3 eine Doppelspule mit zwei magnetischen Feldsensoren und beispielhafte Feldlinien; und
4 eine Sensoranordnung in einem Leitungsträger (Leadframe).

1 zeigt eine Sensoranordnung 10 mit einer lateral angeordneten Doppelspule 20, die aus einer ersten Spule 30a und eine zweiten Spule 30b auf einem Substrat 15 gebildet ist. Die erste Spule 30a hat erste Windungen 40a, die von einem ersten Mittelpunkt 50a der ersten Spule 30a zu einem gemeinsamen Bereich 60 spiralförmig ausgebildet sind. Der gemeinsame Bereich 60 befindet sich zwischen der ersten Spule 30a und der zweiten Spule 30b und ist in der Mitte der Doppelspule 20 angeordnet. Die zweite Spule 30b hat zweite Windungen 40b, die von einem zweiten Mittelpunkt 50b der zweiten Spule 30b zu dem gemeinsame Bereich 60 spiralförmig ausgebildet sind. Die ersten Windungen 40a und die zweiten Windungen 40b sind in 1 als rechtsdrehende Archimedes-Spirale dargestellt, aber könnte auch beide linksdrehend sein. Es wird erkannt, dass die zweite Spule 30b aus einer Spiegelung der ersten Spule 30a an der x- und y-Achse gebildet ist.
Die ersten Windungen 40a der ersten Spule 30a und die zweiten Windungen 40b der zweiten Spule 30b sind elektrisch miteinander an dem gemeinsamen Bereich 60 verbunden. Aufgrund der Anordnung der ersten Windungen 40a und der zweiten Windungen 40b ist die Stromrichtung in der ersten Spule 30a und der zweiten Spule 30b in entgegensetzen Richtungen. Die Windungsabstände in der ersten Spule 30a und in der zweiten Spule 30b sind möglichst klein gehalten, damit eine möglichst große Stromdichte erreicht werden kann. Beispielhafte Parameter sind 40µm für die Leiterbahnbreite der Spulen und 2µm für den Abstand der Leiterbahnen. Diese Parameter sind aber nicht limitierend der Erfindung. Je nach Dicken der verwendeten Metallschicht können die Abstände aber auch deutlich anders ausfallen.
In einem Aspekt der Erfindung befindet sich ein magnetischer Feldsensor 70 an der Oberseite der Doppelspule 20 an dem gemeinsamen Bereich 60, d.h. zwischen der ersten Spule 30a und der zweiten Spule 30b disponiert. Der magnetische Feldsensor 70 kann auch unter der Doppelspule 20 disponiert werden. Der magnetische Feldsensor 70 ist ein TMR-Sensor oder ein Hall-Sensor, wobei die Auswahl für die Erfindung nicht limitierend ist.
Bei dem Anliegen eines Stroms an der Doppelspule 20 erzeugt eine der ersten Spule 30a oder der zweiten Spule 30b ein Magnetfeld in der z-Richtung (d.h. senkrecht zur x-y-Ebene) und die anderen der ersten Spule 30a oder der zweiten Spule 30b ein Magnetfeld entgegensetzt zu der z-Richtung. Das führt dazu, dass der Stromdichte durch die beiden Spulen 30a und 30b an dem gemeinsamen Bereich bei dem magnetischen Feldsensor 70 verstärkt ist. Das erzeugt magnetische Feld ist auf 1 als Feldlinien dargestellt.
Der erste Mittelpunkt 50a der ersten Spule 30a ist über einen ersten Bonddraht 90a mit einem ersten Anschluss 80a an einem Leadframe (Anschlussrahmen/Leitungsträger) eines Gehäuses 100 elektrisch verbunden. Der zweite Mittelpunkt 50b der zweiten Spule 30b ist über einen zweiten Bonddraht 90b mit einem zweiten Anschluss 80b von dem Leadframe des Gehäuses 100 elektrisch verbunden. Diese Verbindung kann auch über Leiterbahnen in einer weiteren Metalllage erfolgen. Diese Verbindungen sind in 4 dargestellt.
2 zeigt ein weiterer Aspekt der Erfindung, bei dem der magnetische Feldsensor 70 auf einem Chip 75 (sogenannte Die) aufgebracht ist. In anderen Worten ist der z-Richtung von der Ebene der Doppelspule 20 abgesetzt.
3 zeigt ein weiterer Aspekt der Erfindung, bei dem zwei Magnetfeldsensoren 72a und 72b sich jeweils in den Mittelpunkten 50a und 50b der jeweiligen Spule 30a und 30b befinden. Die Magnetfeldsensoren 72a und 72b befinden sich entweder unter einem Bondpad oder die Magnetfeldsensoren 72a und 72b sind jeweils eine Zusammenschaltung von mehreren Einzelsensoren deren gemeinsamer Wirkpunkt unter dem Bondpad liegt. Als Einzelsensoren kommen in Frage z.B. 4 TMR-Elemente in einer Wheatstone-Brücke oder 4 parallel geschaltete Hallelemente zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
In diesem Aspekt der Erfindung können die erste Spule 30a und die zweite Spule 30b so ausgelegt werden, dass die magnetischen Feldsensoren 72a und 72b die gleiche Feldkomponente messen. In diesem Fall werden die erste Spule 30a und die zweite Spule 30b in entgegengesetzter Windungsrichtung ausgelegt, d.h. eine rechtsdrehende Spirale (erste Windungen 40a) und eine linksdrehende Spirale (zweite Windungen 40b). Anders als in 1 sind daher die Windungen nur in einer x-Achse gespiegelt. Die Stromrichtung ist in der ersten Spule 30a und der zweiten Spule 30b somit in der gleichen Richtung und ist in 3 durch das Kreuz- und Punktsymbol dargestellt.
In einem anderen Aspekt der in 3 dargestellten Sensoranordnung werden die magnetischen Feldsensoren 72a und 72b differentiell betrieben und die Spulen 30a und 30b werden mit Windungen 40a und 40b mit der gleichen Windungsrichtung wie in 1 ausgelegt, wobei die Stromrichtung in den jeweiligen Spulen 30a und 30b entgegensetzt ist.
4 zeit die Sensorvorrichtung in einem Leadframe (Anschlussrahmen) 100. Der erste Mittelpunkt 50a und der zweite Mittelpunkt 50b sind jeweils mit Anschlüssen 80a, 80b über Bonddrähte 90a, 90b elektrisch verbunden.
Bezugszeichen

10: Sensorvorrichtung
15: Substrat
20: Doppelspule
30a: Erste Spule
30b: Zweite Spule
40a: Erste Windungen
40b: Zweite Windungen
50a: Erster Mittelpunkt
50b: Zweiter Mittelpunkt
60: Gemeinsamer Bereich
70: Magnetischer Feldsensor
72a: Magnetischer Feldsensor
72b: Magnetischer Feldsensor
75: Chip
80a: Erster Anschluss
80b: Zweiter Anschluss
90a: Erster Bonddraht
90b: Zweiter Bonddraht
100: Gehäuse

Claims

Sensorvorrichtung (10) umfassend: eine lateral angeordnete Doppelspule (20) mit einer ersten Spule (30a) und einer zweiten Spule (30b), wobei erste Windungen (40a) der ersten Spule (30a) und zweite Windungen (40b) der zweiten Spule (40b) spiralförmig angeordnet sind und wobei die ersten Windungen (40a) von einem ersten Mittelpunkt (50a) zu einem gemeinsamen Bereich (60) und die zweiten Windungen (40b) von einem zweiten Mittelpunkt (50b) zu dem gemeinsamen Bereich (60) führen; und zwei magnetische Feldsensoren (72a, 72b), die an der lateral angeordneten Doppelspule (20) disponiert sind, wobei die zwei magnetischen Feldsensoren (72a, 72b) sich jeweils in den Mittelpunkten (50a, 50b) der jeweiligen Spulen (30a, 30b) befinden, und wobei die magnetischen Feldsensoren (72a, 72b) jeweils eine Zusammenschaltung von mehreren Einzelsensoren sind.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Einzelsensoren vier TMR-Elemente in einer Wheatstone-Brücke oder vier parallel geschaltete Hallelemente sind.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Windungen (40a) der ersten Spule (30a) in einer gleichen Windungsrichtung wie die Windungen (40b) der zweiten Spule (30b) ausgeführt sind.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei magnetischen Feldsensoren (72a, 72b) jeweils ein Hall-Sensor, ein Fluxgate oder ein MR-Sensor sind.
Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 1, 2 oder 4, wobei die Windungen (40a) der ersten Spule (30a) in entgegengesetzter Richtung zu den Windungen (40b) der zweiten Spule (30b) ausgeführt sind.