專利名稱：磁場傳感器及用于操作所述磁場傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場傳感器及一種用于操作在權(quán)利要求1的前序中所述類型的磁場傳感器的方法。
這種磁場傳感器適用于對(duì)強(qiáng)度總量僅為幾個(gè)nT到mT的磁場的測量，例如作為一個(gè)用于測量地磁場方向的指南針。
在權(quán)利要求1的前序中所述類型的磁場傳感器從EP 1182 461中已知。該磁場傳感器適用于確定兩維磁場的方向。該磁場傳感器包括一個(gè)平面形狀的磁場集中器和兩個(gè)由至少一個(gè)霍爾元件組成的傳感器，其中在磁場集中器的邊界區(qū)域中排列霍爾元件。第一傳感器測量磁場的第一分量，第二傳感器測量磁場的第二分量。因此可以從這兩個(gè)傳感器的信號(hào)中確定磁場的方向。
另一種用于確定磁場方向的磁場傳感器從EP 1052 519中已知。該磁場傳感器包括一個(gè)交叉形的鐵磁芯、一個(gè)用于周期性對(duì)鐵磁芯進(jìn)行充磁的激勵(lì)線圈和讀出線圈。該磁場傳感器作為一個(gè)磁通門傳感器而工作。這種傳感器的缺點(diǎn)是需要高電流來實(shí)現(xiàn)鐵磁芯的磁飽和。因此這種磁場傳感器不適用于電池操作下的應(yīng)用。
另一種用于確定磁場強(qiáng)度的磁場傳感器從GB 2315870中已知。該磁場傳感器包括一個(gè)環(huán)形的鐵磁芯、一個(gè)用于周期性對(duì)鐵磁芯進(jìn)行充磁的激勵(lì)線圈和讀出線圈。另外，在一種設(shè)計(jì)類型中，該傳感器包括作為外部磁場集中器而工作的附加鐵磁芯。為了減小這些附加鐵磁芯的可能剩磁，提供了周期性施加電流的附加線圈，以對(duì)附加鐵磁芯去磁。
本發(fā)明的目的是開發(fā)一種可以測量強(qiáng)度總量僅為幾個(gè)nT到mT的磁場的磁場傳感器，即使由電池供電也不需要頻繁更換電池。
通過權(quán)利要求1和9的特性，根據(jù)本發(fā)明可以解決提出的任務(wù)。
研究顯示，一個(gè)大問題在于，作為磁場集中器的鐵磁芯會(huì)被磁化，或者磁化可能被一個(gè)外部的、例如臨時(shí)出現(xiàn)的磁干擾場而反轉(zhuǎn)到這樣一種程度，使鐵磁芯變成一個(gè)在讀出線圈中產(chǎn)生信號(hào)的磁偶極子。這里，本發(fā)明提供了一種補(bǔ)救措施，通過在選定的時(shí)間施加一個(gè)磁場而將鐵磁芯帶入一種預(yù)定磁化狀態(tài)。提供一個(gè)線圈來產(chǎn)生磁場。由流過線圈的電流產(chǎn)生的磁場必須足夠大，以使得可以消除由干擾場引起的鐵磁芯的磁性翻轉(zhuǎn)。為了這樣做，必需的電流強(qiáng)度取決于鐵磁芯的磁化曲線。
根據(jù)本發(fā)明的用于測量至少一個(gè)磁場分量的磁場傳感器包括一個(gè)用作磁場集中器的環(huán)形鐵磁芯，一個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)讀出傳感器。讀出傳感器包括至少一個(gè)、最好是兩個(gè)排列在鐵磁芯的外緣附近的傳感器，并測量磁場的至少一個(gè)分量。在磁場傳感器的操作中，在選定的時(shí)間，電流被臨時(shí)施加于激勵(lì)線圈，以使鐵磁芯達(dá)到一種預(yù)定磁化狀態(tài)，在此狀態(tài)下，鐵磁芯的磁化不在讀出傳感器中產(chǎn)生信號(hào)。流過激勵(lì)線圈的電流必須足夠大，以使得鐵磁芯中的電流產(chǎn)生的磁場至少達(dá)到鐵磁芯材料具有的矯頑磁場強(qiáng)度。更可選地，將電流選得較高以使得它產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度是矯頑磁場強(qiáng)度的兩倍到三倍。如果材料具有一個(gè)所謂的硬磁軸和一個(gè)軟磁軸，則應(yīng)該選擇硬磁軸的較高的矯頑磁場強(qiáng)度。通過這個(gè)過程，環(huán)形鐵磁芯被例如以這種方式磁化磁芯中的場線走向作為切線方向上的閉合場線。這種磁化被稱為圓形磁化。利用這種預(yù)定磁化，解決了上述導(dǎo)致錯(cuò)誤的寄生磁化的問題。
最好是在實(shí)際測量外部磁場之前執(zhí)行這個(gè)使鐵磁性達(dá)到預(yù)定磁化狀態(tài)的過程。但是，可以周期性或在任何其它時(shí)間執(zhí)行。這樣，鐵磁芯被磁化為具有預(yù)定磁性，并且在特定時(shí)間刷新或恢復(fù)這個(gè)預(yù)定磁性。
為了使鐵磁芯達(dá)到預(yù)期的磁化狀態(tài)，需要特定量的磁能。所需磁能一方面與鐵磁芯的體積V成正比，另一方面與磁能積B×H成正比，該磁能積與所使用材料的磁滯曲線有關(guān)。為了得到盡可能小的磁能積，選擇軟磁材料，如Vitrovac 6025Z作為用于鐵磁芯的材料。要磁化的體積由鐵磁芯的幾何形狀決定。因?yàn)榭蓪?shí)現(xiàn)的磁化放大主要由環(huán)形鐵磁芯的直徑確定，所以環(huán)的寬度和厚度要選得盡可能小。對(duì)于上述材料Virovac 6025Z，例如對(duì)直徑1mm的環(huán)，選擇20μm的寬度和10μm的高度。因此，寬度僅占環(huán)直徑的百分之二。當(dāng)環(huán)的寬度和高度對(duì)使用的技術(shù)來說盡可能小時(shí)是非常有意義的。當(dāng)使用其它技術(shù)，例如利用電解或噴鍍將磁芯固定在半導(dǎo)體芯片上時(shí)，磁芯的厚度可以被減小到一微米或更小。
減小磁芯的體積的另一個(gè)好處在于，利用線圈生成的磁場，預(yù)磁化的建立本身受線圈中產(chǎn)生的渦電流的限制很小。以此方法，磁化充電脈沖可以較短，并且所需的總能量減小了。以此方法優(yōu)化的傳感器也適用于具有低容許能量消耗的應(yīng)用，例如手表。
磁場傳感器，例如可以被用以測量方向不變的弱磁場的強(qiáng)度。這種磁場傳感器還可以用作電流或能量傳感器，借此測量由有電流流過其中的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度。此外，該傳感器可具有第二個(gè)讀出傳感器，以測量外部磁場的第二個(gè)分量。當(dāng)測量出外部磁場的兩個(gè)分量時(shí)，那么從中可以確定它的方向。因此，這種磁場傳感器也可以用作指南針。
在下文中，基于附圖將對(duì)本發(fā)明的三個(gè)實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)地描述。


圖1顯示了用于測量外部磁場的兩個(gè)分量的具有環(huán)形鐵磁芯的磁場傳感器的平面試圖；圖2顯示了磁場傳感器的橫截面和場線；圖3顯示了另一個(gè)磁場傳感器；圖4A、4B顯示了處于不同磁化狀態(tài)的環(huán)形磁芯；圖5、6顯示了鐵磁芯中的磁場線的行程；以及圖7顯示了以特殊方法磁化的環(huán)形鐵磁芯。
實(shí)施例1圖1顯示了用于測量外部磁場的兩個(gè)分量的形式為半導(dǎo)體芯片1的磁場傳感器的平面圖。x、y、z坐標(biāo)的笛卡爾系統(tǒng)用作參考系統(tǒng)，為了說明地清楚，其原點(diǎn)在圖中被放置在了磁場傳感器的外部，z方向垂直穿過投影平面。磁場傳感器包括一個(gè)電路2、一個(gè)可以在其中施加例如四匝電流的激勵(lì)線圈3、一個(gè)環(huán)形鐵磁芯4和兩個(gè)讀出傳感器5、6。鐵磁芯4在平面中擴(kuò)展，從而限定了xy平面的位置。讀出傳感器5用于獲取磁場的x分量，讀出傳感器6用于獲取磁場的y分量。讀出傳感器5、6最好包括兩個(gè)局部分離但電連接的傳感器。使用一種首先通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)制造電路2、激勵(lì)線圈3的一部分和讀出傳感器5、6，然后使用所謂的后處理設(shè)置環(huán)形鐵磁芯4的技術(shù)，來制造磁場傳感器。為此，將一個(gè)非晶鐵磁性物質(zhì)帶粘在具有半導(dǎo)體電路的晶片上，并利用光刻法和化學(xué)腐蝕來構(gòu)造。在把晶片鋸成獨(dú)立的半導(dǎo)體芯片后，通過線接合(如圖所示)或者利用倒裝技術(shù)，將激勵(lì)線圈3的線圈完全固定在襯底上的半導(dǎo)體芯片上。電路2用于產(chǎn)生流過激勵(lì)線圈3的電流，并用于計(jì)算讀出傳感器5、6傳送的信號(hào)。
對(duì)于圖1中的實(shí)施例，激勵(lì)線圈3具有四匝線圈，部分由導(dǎo)線路徑7組成，部分由接合線8組成。導(dǎo)線路徑7在環(huán)形鐵磁芯4的下面通過，接合線8在環(huán)形鐵磁芯4的上面通過。接合線8將導(dǎo)線路徑7的一端連到另一個(gè)導(dǎo)線路徑7的一端上。電路9用于臨時(shí)將電流I(t)加到激勵(lì)線圈3中，以使環(huán)形鐵磁芯4達(dá)到預(yù)定磁化狀態(tài)。變量t表示時(shí)間。
由未表示出的電源，特別是電池，向電路2供電。電路2用于操作電路9，讀出傳感器5、6，并計(jì)算讀出傳感器5、6傳送的信號(hào)。
由名稱為VAC 6025Z可獲得的非晶金屬制成的帶例如用作環(huán)形鐵磁芯4的材料。此材料具有一個(gè)Hc＝3mA/cm的矯頑磁場強(qiáng)度。為了使環(huán)形鐵磁芯4磁飽和，流過激勵(lì)線圈3的電流I應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)比矯頑磁場強(qiáng)度Hc大大約20倍的磁場Hs。當(dāng)環(huán)形鐵磁芯4的外徑D為D＝1mm，并且激勵(lì)線圈3的匝數(shù)n達(dá)到n＝4時(shí)，那么根據(jù)公式(1)I＝20*Hc*D*π/n(1)得到I≌4.5mA的電流。因?yàn)榄h(huán)形鐵磁芯4沒有氣隙，所以可以利用小磁場從而利用電流I來使它磁飽和。
作為讀出傳感器5和6，磁場傳感器最好具有四個(gè)成對(duì)連接的所謂的水平霍爾元件10、11、12和13，它們對(duì)垂直通過半導(dǎo)體芯片1表面，也即沿z方向通過的磁場敏感?；魻栐?0和12被設(shè)置在笛卡爾系統(tǒng)的x坐標(biāo)軸上，形成第一讀出傳感器5。因此，霍爾元件10和12被設(shè)置在相對(duì)于穿過環(huán)形鐵磁芯4的中心的對(duì)稱軸在直徑上相對(duì)的位置上?；魻栐?1和13被設(shè)置在笛卡爾系統(tǒng)的y坐標(biāo)軸上，形成第二讀出傳感器6。水平霍爾元件10至13總是被設(shè)置在環(huán)形鐵磁芯4的下面處于它的外緣附近。因?yàn)榕c它周圍的相對(duì)磁導(dǎo)率相比，環(huán)形鐵磁芯4的相對(duì)磁導(dǎo)率μr非常大，要測量的外部磁場的場線幾乎垂直地沖擊到鐵磁芯4的表面，或者以近似直角離開。磁場密度在霍爾元件10到13所處的鐵磁芯4的外緣的區(qū)域內(nèi)最強(qiáng)。兩個(gè)霍爾元件10和12的輸出信號(hào)與外部磁場的x分量的強(qiáng)度有關(guān)，兩個(gè)霍爾元件11和13的輸出信號(hào)與外部磁場的y分量的強(qiáng)度有關(guān)。
圖2顯示了在流過激勵(lì)線圈3(圖1)的電流產(chǎn)生的磁場沒有使鐵磁芯4飽和時(shí)的外部磁場的場線14。位于兩個(gè)霍爾元件10和12的點(diǎn)的位置的場線處于不同的方向，因?yàn)榇艌鲈谝粋€(gè)霍爾元件，如霍爾元件10的位置處進(jìn)入鐵磁芯4，并在另一個(gè)霍爾元件12的位置處再次離開。這兩個(gè)霍爾元件10和12被以這樣的方式電連接而作為讀出傳感器5(圖1)，即外部磁場的x分量產(chǎn)生的霍爾電壓在霍爾元件10和12中相加。但是，外部磁場的任何z分量都在相同的z方向上處于這兩個(gè)霍爾元件10和12的點(diǎn)上，因此不在讀出傳感器5中引起輸出信號(hào)。
它的優(yōu)點(diǎn)是，不是將兩個(gè)霍爾元件10和12永久電連接作為讀出傳感器5，但是以交替加或減兩個(gè)霍爾元件10和12的輸出信號(hào)的方式。以此方式，外部磁場的x分量或z分量可以通過對(duì)應(yīng)于兩個(gè)霍爾元件10和12的瞬時(shí)電連接的讀出傳感器5來測量。為了測量磁場的z分量，還可以提供一個(gè)不位于鐵磁芯4的邊緣附近的獨(dú)立霍爾元件，使得磁場的x分量或y分量都不對(duì)它的霍爾電壓起作用。
但是，當(dāng)磁場的z分量與由鐵磁芯4放大的磁場的x和y分量相比小得可以忽略不計(jì)時(shí)，每個(gè)讀出傳感器5和6都還可以僅包括一個(gè)霍爾元件，例如霍爾元件10的讀出傳感器5及霍爾元件11的讀出傳感器6。在此情況下，為了測量磁場的z分量，提供一個(gè)不位于鐵磁芯4的邊緣附近的獨(dú)立霍爾元件。
激勵(lì)線圈3(圖1)用于使鐵磁芯4在特定時(shí)間達(dá)到一種預(yù)磁化狀態(tài)。這是使它的磁化不在讀出傳感器5、6中產(chǎn)生信號(hào)，而將鐵磁芯4磁化的一個(gè)基本情況。因此中和了由在讀出傳感器5、6中產(chǎn)生不希望的信號(hào)的外部電流引起的鐵磁芯4的巧合磁化。
以這樣一種方式對(duì)鐵磁芯4進(jìn)行磁化，即由它的磁化產(chǎn)生的磁場不在讀出傳感器5、6中產(chǎn)生信號(hào)。這意味著該磁場的任何分量或者與霍爾元件10到13的感應(yīng)方向垂直通過，或者在相同z方向上在連接成對(duì)作為讀出傳感器5、6的霍爾元件10、11、12、13中通過，使得它們產(chǎn)生的霍爾電壓互相抵消。
在下文中，將描述進(jìn)一步的測量，其應(yīng)用帶來磁場傳感器的靈敏度增加，和/或降低電流或能量消耗。
當(dāng)激勵(lì)線圈3的匝數(shù)增加至n時(shí)，那么根據(jù)公式(1)，或者可以使流過激勵(lì)線圈3的電流減小因子n，或者使環(huán)形鐵磁芯4的直徑D增加因子n，在磁化上可以達(dá)到鐵磁芯4的相同飽和等級(jí)。鐵磁芯4的直徑D增加引起電流密度的放大，但增加了空間需求從而也就是半導(dǎo)體芯片1的尺寸。以磁場傳感器的盡可能小型化的目標(biāo)觀點(diǎn)來看，當(dāng)調(diào)整鐵磁芯4的直徑D以適應(yīng)電路2的空間需求所給定的半導(dǎo)體芯片1的尺寸，以及調(diào)整激勵(lì)線圈3的匝數(shù)n以適應(yīng)鐵磁芯的大小時(shí)，則可以產(chǎn)生最優(yōu)條件。
實(shí)施例2圖3顯示了另一個(gè)具有環(huán)形鐵磁芯4的磁場傳感器的平面視圖，通過該環(huán)形鐵磁芯4，激勵(lì)線圈3形成為一個(gè)具有一個(gè)被設(shè)置在鐵磁芯4下面的螺旋形導(dǎo)線路徑16的平面線圈15。導(dǎo)線路徑16螺旋形但幾乎以鐵磁芯4為中心而前進(jìn)。
導(dǎo)線路徑16的第一端17自然地位于環(huán)形鐵磁芯4的內(nèi)部，導(dǎo)線路徑16的第二端18位于環(huán)形鐵磁芯4的外面。設(shè)置在第二金屬化層中的導(dǎo)線路徑19連接第一端17和設(shè)置在環(huán)形鐵磁芯4外部的接點(diǎn)20。(已說明過的接合線8在第二實(shí)施例中沒有出現(xiàn)，但對(duì)第三實(shí)施例非常重要。)因此導(dǎo)線路徑19與平面線圈15一樣位于鐵磁芯的相同側(cè)面。盡管平面線圈15的導(dǎo)線路徑16螺旋形前進(jìn)，導(dǎo)線路徑16沿徑向方向前進(jìn)的一部分并不提供由平面線圈15產(chǎn)生的磁場，因?yàn)樵趯?dǎo)線路徑19中流過的電流的流動(dòng)方向與在徑向方向上流過平面線圈15的電流的方向相反，因此對(duì)它進(jìn)行了補(bǔ)償。因此，由平面線圈15產(chǎn)生的磁場對(duì)應(yīng)于由沿中心設(shè)置的導(dǎo)線路徑產(chǎn)生的磁場。
實(shí)施例3此實(shí)施例大部分與第二實(shí)施例相同，但除導(dǎo)線路徑19外，提供接合線8來連接平面線圈15的第一端17和設(shè)置在環(huán)形鐵磁芯4外部的接點(diǎn)20。因?yàn)槠矫婢€圈15和接合線8在不同側(cè)面穿過鐵磁芯4，也即平面線圈15在下面而接合線8在上面，因此得到一個(gè)具有單繞組的輔助線圈，它環(huán)繞鐵磁芯4的環(huán)，并根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例作為一個(gè)激勵(lì)線圈。與第二實(shí)施例相反，流過接合線8的電流并不抵消在徑向方向上流過平面線圈15的電流。平面線圈15和接合線8的組合表示一個(gè)激勵(lì)線圈3，通過它可以以一種非常有效的方式使鐵磁芯4達(dá)到一種預(yù)定磁化狀態(tài)，其中磁芯4的磁化不在讀出傳感器5、6中產(chǎn)生信號(hào)。
在下文中，描述了為了使鐵磁芯4達(dá)到一種預(yù)定的非零磁化狀態(tài)的用于這三個(gè)實(shí)施例的至少一個(gè)第一方法。這些方法最好在通過磁場傳感器執(zhí)行外部磁場的x和y分量測量之前執(zhí)行，除非是由流過激勵(lì)線圈3的電流暫時(shí)產(chǎn)生的磁場，而執(zhí)行這些方法不會(huì)在讀出傳感器5、6中產(chǎn)生信號(hào)。
下面的方法1.1和1.2與第一實(shí)施例相關(guān)，并描述了它們對(duì)第一實(shí)施例的效果，由此術(shù)語和附圖標(biāo)記都與分配給第一實(shí)施例的圖相關(guān)。
方法1.1通過該第一方法，將電流I(t)施加給激勵(lì)線圈3一個(gè)預(yù)定持續(xù)時(shí)間，以均勻磁化鐵磁芯4。由流過激勵(lì)線圈3的電流I(t)產(chǎn)生的磁場B(t)在鐵磁芯4中沿同心的閉合線通過。該磁場叫作圓形磁場。電流I(t)，例如是一個(gè)直流脈沖，其強(qiáng)度首先增加，然后降為零。為了充分中和外部影響引起的磁化，直流電流I(t)最好一直增加到鐵磁芯4磁飽和，或者幾乎磁飽和，然后再降為零。直流電流I(t)的最大值在鐵磁芯4中產(chǎn)生一個(gè)磁場，其磁場強(qiáng)度大于鐵磁芯4的材料的矯頑磁場強(qiáng)度Hc，最好是它的兩倍或三倍。應(yīng)該選擇直流電流I(t)的最大值足夠高，以使得可以中和由干擾磁場引起的鐵磁芯4的磁性反向。為此，所需的電流強(qiáng)度取決于鐵磁芯4的磁化曲線。以此方法，鐵磁芯4被磁化，由此它的磁化粗略地對(duì)應(yīng)于鐵磁材料的剩磁。第一實(shí)施例的鐵磁芯4的環(huán)形結(jié)構(gòu)提供了由其磁化產(chǎn)生的磁場的場線在鐵磁芯4內(nèi)閉合的優(yōu)點(diǎn)。在鐵磁芯4外部由磁化產(chǎn)生的磁場與霍爾元件10-13的感應(yīng)方向垂直，因此不產(chǎn)生霍爾電壓。
圖4A以虛線顯示了在環(huán)形磁芯4被一個(gè)外部干擾磁場磁化后場線的行程。箭頭指示了磁場方向。環(huán)形磁芯作為一個(gè)磁偶極子而工作，并在讀出傳感器5和6中產(chǎn)生不希望的信號(hào)。圖4B顯示了在環(huán)形磁芯4被通過前面描述的方法反向磁化后場線的行程。此時(shí)場線在磁芯4中閉合。磁化強(qiáng)度一般對(duì)應(yīng)于磁芯4的材料剩磁。
可以在外部磁場的每次測量之前或者僅是偶爾執(zhí)行第一方法。
方法2.1在對(duì)外部磁場的每次測量時(shí)執(zhí)行該第二方法。一次測量包括兩個(gè)獨(dú)立的測量。根據(jù)下面的步驟進(jìn)行測量a)將直流脈沖I(t)施加于激勵(lì)線圈3，由此電流在第一方向上流過激勵(lì)線圈3。
b)從讀出傳感器5和6中讀出輸出信號(hào)。
c)將直流脈沖I(t)施加于激勵(lì)線圈3，由此電流在與第一方向相反的方向上流過激勵(lì)線圈3。
d)從讀出傳感器5和6中讀出輸出信號(hào)。
e)在步驟b和d中從讀出傳感器5讀出的輸出信號(hào)被相加，測量到的讀出傳感器6的輸出信號(hào)被相加。
通過此方法，可以減小在霍爾元件10到13的局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生的、由鐵磁芯4的材料的不均勻性引起的任何磁泄漏的影響，因?yàn)榈谝华?dú)立測量的磁泄漏對(duì)輸出信號(hào)形成了一個(gè)正分量，而第二獨(dú)立測量為輸出信號(hào)形成了一個(gè)負(fù)分量，在步驟e中彼此抵消。
方法1.2和2.2與第二實(shí)施例相關(guān)，并描述了它們對(duì)第二實(shí)施例的效果，由此術(shù)語和附圖標(biāo)記都與分配給第二實(shí)施例的圖相關(guān)。
方法1.2通過此方法，將直流電流I(t)施加給激勵(lì)線圈3一個(gè)預(yù)定持續(xù)時(shí)間。在平面線圈15中流動(dòng)的直流電流I(t)引起了鐵磁芯4在徑向方向上的磁化。該磁化的場線的行程用圖5中的箭頭21表示，圖5表示了z平面上的一個(gè)截面。通過平面線圈15，可以以有效的方式磁化鐵磁芯4。通過該磁化，場線在鐵磁芯4中不閉合。徑向磁化在鐵磁芯4外部產(chǎn)生了一個(gè)非零磁場。該磁場的場線對(duì)所有霍爾元件10-13在相同方向上通過，從而在所有霍爾元件10-13中產(chǎn)生相同的霍爾電壓。因?yàn)槊總€(gè)讀出傳感器5、6都包括2個(gè)相對(duì)連接的霍爾元件，這些霍爾電壓不對(duì)讀出傳感器5、6的輸出信號(hào)產(chǎn)生影響。
方法2.2通過此方法，將一個(gè)交流電流施加給激勵(lì)線圈3。平面線圈15和導(dǎo)電的鐵磁芯4作為變壓器而工作，由此平面線圈15形成了具有N匝的初級(jí)繞組，變壓器的次級(jí)繞組具有一匝。因此在理想耦合的情況下，包含在鐵磁芯4中的交流電流是流過平面線圈15的交流電流的N倍。包含在鐵磁芯4中的交流電流引起磁芯4的交替磁化，其場線采用圖6中表示的那些行程。這些場線在鐵磁芯4中閉合。
方法1.3和2.3與第三實(shí)施例相關(guān)，并描述了它們對(duì)第三實(shí)施例的效果，由此術(shù)語和附圖標(biāo)記都與分配給第三實(shí)施例的圖相關(guān)。流過附加線圈的電流在鐵磁芯4中產(chǎn)生了一個(gè)圓形磁場，它疊加在平面線圈15形成的磁場上。最終效果取決于施加在由平面線圈15和接合線8形成的激勵(lì)線圈3上的是直流電流還是交流電流。
方法1.3將一個(gè)直流電流施加于激勵(lì)線圈3上(與方法1.1和2.1相同)。由于平面線圈15，環(huán)形鐵磁芯4被以有效的方式磁化，如用于第二實(shí)施例的方法1.2。附加線圈在鐵磁芯4中額外引起了一個(gè)圓形磁場，如第一實(shí)施例。鐵磁芯4的最終磁化現(xiàn)在不再是徑向方向的，而是具有一個(gè)額外的切線分量。這種磁化狀態(tài)被顯示在圖7中。圖7顯示了鐵磁芯4的一個(gè)平面視圖。磁化的局部方向由箭頭21表示。當(dāng)直流電流被關(guān)斷時(shí)，那么鐵磁芯4的各個(gè)磁疇中的磁化轉(zhuǎn)到切線方向，因此磁場線閉合。
通過關(guān)閉直流電流，因此鐵磁性4的圓形磁化被自動(dòng)設(shè)置，如前面已經(jīng)敘述的那樣，其具有磁場在讀出傳感器5、6中不產(chǎn)生信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。
對(duì)于附加線圈，除了由接合線8實(shí)現(xiàn)的單繞組外，如第一實(shí)施例那樣，也可以提供多個(gè)例如由導(dǎo)線路徑和接合線實(shí)現(xiàn)的繞組。平面線圈15的繞組數(shù)以及附加線圈的繞組數(shù)要彼此調(diào)整，以使得在最小能量下實(shí)現(xiàn)圓形磁化。
方法2.3當(dāng)將具有恒定幅度的交流電流施加于激勵(lì)線圈3時(shí)，那么鐵磁芯4中的磁疇具有螺旋狀排列。如果交流電被關(guān)斷，那么磁疇自動(dòng)轉(zhuǎn)變，以使得由其產(chǎn)生的磁場的場線可以閉合。以此方式，可以實(shí)現(xiàn)與方法1.3相同的鐵磁芯4的圓形磁化。
通過描述的實(shí)施例，水平霍爾元件10-13被用作測量外部磁場的傳感器。但是，除了水平霍爾元件10-13外，也可以使用所謂的對(duì)與表面平行的磁場敏感的垂直霍爾元件。從圖2中，應(yīng)該遵循，垂直霍爾元件不位于鐵磁芯4下面的外緣上，而是要被設(shè)置在場線幾乎水平的鐵磁芯4的稍微外部。另外，除了霍爾元件外，也可以使用抗磁電機(jī)傳感器或磁電機(jī)晶體管。但是，必須檢查在鐵磁芯4中產(chǎn)生的磁化對(duì)這樣一種傳感器產(chǎn)生的影響是否與對(duì)水平霍爾元件的相同。
權(quán)利要求
1.用于測量磁場的至少一個(gè)分量的磁場傳感器，具有一個(gè)附在半導(dǎo)體芯片(1)上的環(huán)形鐵磁芯(4)，它擴(kuò)展一個(gè)具有要測量的磁場的至少一個(gè)分量的平面，并作為磁場集中器，并且具有一個(gè)讀出傳感器(5)，其中讀出傳感器(5)包括至少一個(gè)傳感器，它集成在半導(dǎo)體芯片(1)中并被設(shè)置在鐵磁芯(4)的外緣附近，并測量磁場的至少一個(gè)分量，其特征在于，鐵磁芯(4)被用預(yù)定磁化來磁化，并且提供一個(gè)激勵(lì)線圈(3)和一個(gè)電路(2)，以用于臨時(shí)將電流施加于激勵(lì)線圈(3)以恢復(fù)鐵磁芯(4)中的預(yù)定磁化。
2.如權(quán)利要求1所述的磁場傳感器，其特征在于鐵磁芯(4)被圓形磁化。
3.如權(quán)利要求1或2所述的磁場傳感器，其特征在于激勵(lì)線圈(3)包括至少一個(gè)環(huán)繞鐵磁芯(4)的環(huán)的繞組。
4.如權(quán)利要求1所述的磁場傳感器，其特征在于鐵磁芯(4)被徑向磁化。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的磁場傳感器，其特征在于激勵(lì)線圈(3)包括一個(gè)平面線圈，其線圈在鐵磁芯(4)下面螺旋狀前進(jìn)。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的磁場傳感器，其特征在于形成讀出傳感器(5)的至少一個(gè)傳感器是一個(gè)霍爾元件(10)。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的磁場傳感器，其特征在于讀出傳感器(5)包括兩個(gè)霍爾元件(10、12)，它們被設(shè)置在與鐵磁芯(4)的對(duì)稱軸相關(guān)的直徑上相對(duì)的位置。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的磁場傳感器，其特征在于鐵磁芯(4)的環(huán)的寬度占鐵磁芯(4)的直徑的百分之五以下，并且鐵磁芯(4)的環(huán)的高度占鐵磁芯(4)的直徑的百分之五以下。
9.操作用于測量磁場的至少一個(gè)分量的磁場傳感器的方法，其中磁場傳感器包括一個(gè)附在半導(dǎo)體芯片(1)上的環(huán)形鐵磁芯(4)，它擴(kuò)展一個(gè)具有要測量的磁場的至少一個(gè)分量的平面，并作為磁場集中器，并且具有一個(gè)讀出傳感器(5)，其中讀出傳感器(5)包括至少一個(gè)傳感器，它集成在半導(dǎo)體芯片(1)中并被設(shè)置在鐵磁芯(4)的外緣附近，并測量磁場的至少一個(gè)分量，其特征在于，通過在特定時(shí)間將電流臨時(shí)施加到激勵(lì)線圈(3)上來磁化鐵磁芯(4)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于將一個(gè)直流脈沖施加于激勵(lì)線圈(3)，以磁化鐵磁芯(4)，其中直流脈沖的最大值產(chǎn)生一個(gè)大于鐵磁芯(4)的材料的矯頑磁場強(qiáng)度的磁場。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于下列步驟a)將直流脈沖施加于激勵(lì)線圈(3)，其中電流在第一方向上流過激勵(lì)線圈(3)。b)從讀出傳感器(5)中讀出輸出信號(hào)。c)將直流脈沖施加于激勵(lì)線圈(3)，其中電流在與第一方向相反的方向上流過激勵(lì)線圈(3)。d)從讀出傳感器(5)中讀出輸出信號(hào)。e)將在步驟b和d中測量到的讀出傳感器(5)的信號(hào)相加。
全文摘要
公開了一種用于測量磁場的至少一個(gè)磁場分量的磁場傳感器，包括一個(gè)用作磁場集中器的鐵磁芯(4)，一個(gè)激勵(lì)線圈(3)和一個(gè)讀出傳感器(5)。讀出傳感器(5)最好包括兩個(gè)被設(shè)置在鐵磁芯(4)的外緣附近的傳感器，并測量磁場的至少一個(gè)分量。鐵磁芯(4)是環(huán)形的。在磁場傳感器的操作中，電流被臨時(shí)施加于激勵(lì)線圈(3)，以使鐵磁芯(4)達(dá)到一種預(yù)定磁化狀態(tài)。
文檔編號(hào)G01R33/07GK1675561SQ03818555
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月1日
發(fā)明者拉迪沃耶·潑潑維奇, 克里斯蒂安·肖特 申請(qǐng)人:善卓股份有限公司