多分量磁场传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测量磁场的两个或三个分量的磁场传感器。磁场敏感测量元件可采取磁阻电阻元件或霍尔元件的形式。这些布置适用于测量低强度的磁场，例如获得电子指南针。
【背景技术】
[0002]所讨论的此种类型的布置为已知。例如，DE102009008265描述了一种布置，其中软磁磁通引导的适当配置使测量外部磁场的多个分量成为可能。此处需要由磁通引导和传感器元件组成的单元以测量位于传感器平面的各分量。为测量垂直分量需要额外的传感器元件，其中适当的磁通引导将待测量的磁场的垂直分量导引或偏转，使得在传感器位置也形成位于传感器平面的水平磁场分量，所述水平磁场分量此后可由传感器元件检测。
[0003]DE102008041859描述一种用于测量定向为垂直于磁场传感器平面的Z磁场分量的布置，其中多个传感器元件相互连接形成磁场传感器元件单元并环绕特定的圆形通量引导元件布置。其提出在通量引导元件的外圆周处用与通量引导元件相邻布置的传感器元件通过测定水平的、对称的补偿磁场分量，间接测量垂直的Z磁场分量，所述补偿磁场分量在Z磁场分量中基于磁场不均匀性依靠通量引导元件而产生。进一步的传感器元件能够测定X/Y磁场传感器平面中的磁场分量，至少三种不同的磁场传感器元件单元被提供用于三维场测量。使用多个传感器元件可在测量精准度和抗干扰方面有所改善。上述方案的一个缺陷在于为检测多个磁场分量必需的空间需求，如指南针应用通常所需。
[0004]为设计磁场传感器设备的目的，现有技术中公开了在由铝、铜、金或银等非常导电的材料组成的AMR测量条上布置“巴伯极(barber’ s pole)结构”，即薄的导电结构。巴伯极结构相对于AMR电阻条的纵向范围定向成45°。如图2所示，流经电阻条的电流被迫与电阻条的纵向范围成45°方向。结果是，图1中表示在电流矢量的定向上电阻的依赖关系的曲线向磁场矢量位移45°，这样，如图2所示，被转换为线性化区域。作为巴伯极结构的定向的函数，获得了为待测量的磁场的大小和电阻之间的线性化的正侧面或负侧面。
[0005]基于巴伯极结构的磁场传感器设备描述在例如DE3442278A1。四个这种具有不同定向的巴伯极结构的磁场传感器设备在惠斯通测量电桥中相互连接，其中由宏观电磁线圈产生的外部磁场初始磁化电阻条的内部磁化M。以引起线性化电阻对外部磁场He的依赖关系Ο
[0006]DE4319146C2描述了对这种设计的改进。所述文件提出沿导体布置一系列具有巴伯极结构的AMR电阻器设备，通过该导体有翻转电流(flip current)流动，其中翻转电流导体引起AMR测量条的纵向中的初始磁化M。。通过翻转即倒转内部磁化，能够重定向或者校正电阻特性。这种布置能够精确地测量外部磁场的一个分量。提供旋转90°的进一步的电阻设备足够测量位于传感器平面的第二分量。为测量进一步的分量，必须提供更多具有对应的额外空间需求的布置。为测定磁场的三维方向，三个磁场传感器元件单元通常以相互偏置90°的惠斯通测量电桥的形式提供。由此各传感器元件测量电桥能测量一个分量，其中测量电桥必须定向在X、Y和Z方向。尤其是在Z方向，即垂直于芯片基板或PCB基板的方向的布置，为生产3D传感器需要很大的安装空间以及较高的制造复杂性。
[0007]基于上述现有技术，在提供易于制造且能够测定传感器元件平面中的磁场分量和与其垂直的分量的2D或3D传感器方面出现问题。本发明的另一个目的在于使磁场的多个分量的紧凑且防干扰的测量成为可能。
[0008]所述目的通过根据独立权利要求1的布置实现。有利的进一步改进在后续的从属权利要求中描述。
【发明内容】
[0009]本发明公开一种测定磁场的两个或三个分量的磁场传感器设备，其包括至少一个具有两个半桥的惠斯通电桥，各半桥包括至少两个电桥电阻。两个电桥电阻的至少一个为位于X/Y平面中的具有灵敏度方向的磁场敏感电阻。铁磁通量集中元件对称地布置在两个磁场敏感电桥电阻之间，相对于定向为垂直于X/Y磁场传感器平面的Z磁场分量，所述铁磁通量集中元件产生位于X/Y磁场传感器平面中的反对称的磁场分量。
[0010]换句话说，公开一种惠斯通测量电桥的至少两个半桥，其电桥电阻包括与软磁磁通引导单元相反布置的磁阻元件。磁阻元件的磁化方向和由此导致的传感器元件的灵敏度方向可设置为基本平行或反平行。相反的半桥可相互连接以形成“惠斯通测量电桥”。
[0011]为简化对本发明的方案的描述，下文中位于平面内的分量定义为X分量，与传感器布置相垂直的分量定义为Z分量。传感器元件的灵敏度方向假定为处于X方向。
[0012]由于位于X方向的分量，磁场的位于X/Y传感器平面的磁场分量引起两个半桥中磁敏电桥电阻的第一电阻特性，第一电阻特性作用于电桥的中心抽头之间的差动电压AU=U1 -U2，或者作用于与基准电势U。有关的中心轴头的电压变化U1、U2。由于通量集中元件，Z磁场分量引起两个位于X/Y传感器平面内的反对称的场分量，并且在磁敏电桥电阻中产生第二电阻特性。这样，考虑到X磁场分量上中心抽头电压U1、U2的已知的电阻特性，适当的评价电子产品能够测定X磁场分量和Z磁场分量的大小。由于磁化方向设置为使来自两个半桥的信号分量增加到全桥中，相应地其布置对X分量敏感。由于通量引导单元的存在，任一存在于半桥中的Z分量将提供符号正好相反的分量，然后由于全桥中信号分量的增加将不贡献于全局信号。
[0013]这样根据本发明的布置可通过至少一个可转换的半桥中的灵敏度方向检测相互垂直的两个磁场分量。
[0014]根据优选实施例，磁场敏感电桥电阻可为AMR、GMR或者TMR电阻。这些电阻具有磁场敏感优选方向，其中所述电阻以欧姆电阻的变化响应磁场分量的变化。AMR电阻的电阻特性曲线的特性可通过影响内部磁化而被影响，这样电阻特性曲线能可转换地修正以评价X和Z分量。
[0015]根据一个优选实施例，至少一个半桥的电桥电阻的电路布置可单独转换。因此获得关于X分量的修正的电阻特性，这样能够辨别在X磁场分量和Z磁场分量情况下的效果。
[0016]根据一个优选实施例，至少一个，优选全部磁场敏感电桥电阻具有可转换的电阻特性曲线。通过在至少一个磁阻电桥元件中转换磁化的内部方向，以及通过对两个或更多半桥的适当的信号评价，现在能够测量水平磁场分量(即位于传感器平面内的分量)和垂直于传感器平面的磁场分量。
[0017]在X方向中的磁场分量存在的情况下，如果一个半桥中磁化的方向以及随之的灵敏度的方向设置为使其各自在全桥中的贡献由于差分计算正好相互抵消，这种布置在此状态下对X方向中的分量是不敏感的。然而，如果待测量的磁场中存在z分量，所述分量有助于半桥中的相反信号。全桥中的差分计算因此产生用于待测量的磁场的Z分量的测量信号。
[0018]—个优选实施例可包括至少一个能够翻转内部磁化，即倒转磁化的初始磁化转换单元，尤其是翻转导体，以定义至少一个磁场敏感电桥电阻的电阻特性曲线。借助于可在磁场敏感电桥电阻的下面或上面以螺旋或Z字形配置引导的翻转导体，尤其是单独地与各磁场敏感电桥电阻关联的翻转导体，通过为各磁场敏感电桥电阻单独指定短暂的翻转电流脉冲，能够产生翻转磁场，所述翻转磁场能修正电桥电阻的内部初始磁化状态以及由此产生的如图2所示的电阻特性曲线的特性。
[0019]原则上使四个电桥电阻的两个具有磁敏结构即足够。可以是电阻测量电桥的两个半桥的下方的两个、上方的两个或对角两个关联的电桥电阻。根据一个优选实施例，惠斯通测量电桥的全部电阻可以是磁场敏感电阻。磁场传感器设备的改良的灵敏度通过这种方式实现。
[0020]根据一个优选实施例，可包括两个惠斯通测量电桥，位于X/Y磁场传感器平面内的两个测量电桥的测量敏感磁场分量的定向选定为直角，即相互垂直。两个测量电桥在X/Y平面中相互偏移90°，使得一个测量电桥对X方向的磁场分量敏感，另一测量电桥对Y方向的磁场分量敏感。如果两测量电桥在通量集中元件周围对称布置，Z分量可对两测量电桥均有影响。由此Z分量可通过两个惠斯通测量电桥测定。在测定Z分量时为获得更高的精确度，优选可对Z分量的两个值求平均值。或者也可能想到将单独的测量电桥的半桥相对于通量集中元件对称布置，使得对于两个测量电桥中的一个只有Z磁场分量可测量。
[0021]通量集中元件的通量影响行为存在于非常高的导磁率(magnetic permeability)μ，由此Z磁场分量确实进入，即集中于通量集中元件中，使得Z磁场通量密度的非均匀性出现在优选的立方体或者立方形通量集中元件的外围区域。如图3所示，结果是沿优选的盘形通量集中元件的圆周，Z磁场分量的通量引导集中产生位于X/Y磁场分量中且垂直指向或远离通量集中元件的边缘的磁场分量。根据一优选实施例，铁磁通量集中元件可包括:铁，钴，镍，铁磁合金如AlNiCo、SmCo、Nd2Fel4B、Ni80Fe20 (坡莫合金)、NiFeCo合金，或者它们的组合。铁磁通量集中元件具有提高的磁化率(magnetic susceptibility)以及由此提高的导磁率μ，这样非常大的Ζ磁场分量通量密度非均匀性可在通量集中