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TWI518348B - 磁場感測器 - Google Patents

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TWI518348B
TWI518348B TW099128567A TW99128567A TWI518348B TW I518348 B TWI518348 B TW I518348B TW 099128567 A TW099128567 A TW 099128567A TW 99128567 A TW99128567 A TW 99128567A TW I518348 B TWI518348 B TW I518348B
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葛哈德 蘭密爾
史堤方 懷斯
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羅伯特博斯奇股份有限公司
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Description

磁場感測器
本發明關於一種磁場感測器，特別是這種感測器的校準(標準)(Kalibrierung，英：calibration)。
在先前技術中有各種習知之不同的微機械磁場感測器，它們將電流與磁場之間的交換作用轉換成一力量。因此舉例而言，德專利DE 198 27 056發表了一種微磁場感測器，其中，一種感測器構造由於羅倫茲力(Lorenzkraft)造成的運動利用櫛狀的電極檢出。在此利用羅倫茲力，其中利用一股加入一(自由漂浮的)電導體中的電流以及一外界的磁場，造成該自由漂浮的機構的側向運動。
此外還有一些習知的微磁場感測器，它們利用霍爾效應(Hall-Effekt)，這種效應係在通電流的導體中當有外界磁場存在時發生。在此，該導體中的電子流由於外界的磁場而偏轉，因此在導體的兩側之間發生電位差，這種電位差代表霍爾測量效應，其他適用於微構造技術的測量原理係閘通路(Fluxgate)感測器、AMR或GMR感測器。
但在這些用微構造技術製造的感測器令由於容許誤差(Toleranz)或由於變動的環境條件──如溫度、空氣壓力......等等──造成一種感測器偏差(Offset)，它使得感測器須作補償(Abgleich)或校準(Klibrierung)。在這種校法的範疇中，舉例而言，在感測器地點施一預定磁場，並由當有磁場存在以及沒有磁場時不同的感測器的輸出值計算該感測器偏差值。為此，德專利DE 198 27 058揭示了一種場線圈，它設計成「校準電流回路」形式，該場線圈設在基材(它圍住感測器)上。因此該場線圈整合在微感測器元件本身內。這種設置也稱「晶片上線圈」(Coil-on-Chip)，由於場線圈的幾何排列及導線橫截面及此電阻係已知者，故在預定之測試流時在感測器地點發生的磁場，可用電腦或實驗求出。相較於外界的線圈設置(舉例而言，它們為一測試儀器的部分)，其優點在於不需繁複的測試裝置以確保在感測器地點該磁場的均勻性及不同時間時的穩定性。
依本發明的一種磁場感測器，用於在一感測器地點測量一磁場，具有：
--　一電路板，由電絕緣材料構成；
--　一磁場感測器元件，設在該電路板上且經由電接點與一設在該電路板上的第一導線路連接；及
--　至少一第二導線路以產生一測試磁場，該第二導線路設在該電路板上，且施加一股校準電流時，由於第二導線路在感測器地點產生一預定之測試磁場。
在這種磁場感測器，該導線路設在電路板上，以產生測試磁場，以將磁場感測器作補償。如此可使測試儀器中省卻場線圈。此外相較於那些習知設置(其中場線圈整合到一微磁場感測器元件中)有一優點：即不須設晶片面以供整合的場線圈之用。因此整合的功夫以及成本可保持很少。此外，利用本發明的裝置，在施加校準電流時，熱負荷較小。此外比起「線圈設在晶片上」(Coil-on-Chip)的設置，電流可較大，故磁場亦可較大。
舉例而言，該二個導線路可呈環圈狀圍住磁場感測器元件。因此，當在感測器地點施加一校準電流時，產生一個大致垂直於磁場感測器元件的感測器表面的測試磁場。
此外也可使一第二導線路呈環圈狀將該磁場感測器圍住，如此當施加一校準電流時在感測器位置產生一個大致垂直於該磁場感測元件的感測器表面的測試磁場，這點有一好處，即：當作對應的控制時，可產生一個垂直於感測器表面的測試磁場及一個切過感測器表面的測試磁場。
如果該二個平行的導線路沿該磁場感測器元件的二個對立的側邊緣的方向在其所設置的那一側的延伸範圍比起其沿該磁場感測單元件之與上述那一側垂直的側緣的方向的延伸範圍的至少大五倍，且宜至少大十倍，則甚有利。因此在感測器第一點產生較的測試磁場，亦可設有兩對的各個平行的導線路，以產生一測試磁場，其中該二對導線路由上觀看係設成互成直角，但互呈電絕緣。利用這種設置，在對應的控制時，可沿所有三個空間方向產生測試磁場。在此該二對導線路可設在電路板的不同鍍金屬平面，以使它們互相電絕緣。
此外可如上述將一磁場感測器與一測試儀器組合，其中該測試儀器可與該磁場感測器連接成可操作的方式且係設計成可將一預定的校準電流施加到該至少一第二導線路。此設置的一優點為，該測試儀器不須有一個場線圈以產生測試磁場，因此可簡化。
圖1顯示依本發明一第一實施例的一磁場感測器(10)的立體圖。磁場感測器(10)包括一感測器元件(1)，它固定(例如粘合)在一電路板(2)上。
感測器元件(1)設計成微系統形式，換言之，該用於產生一感測器信號的感測器構造用於產生一對應於所要測量的磁場強度感測器信號，此感測器構造以單晶(monolithisch)方式設在一半導體晶片(例如由矽構成)上，在此實施例中，感測器元件(1)設計成霍爾感測器的形式，且產生一類比信號，它對應於在感測器地點的磁場的工分量。此類比信號作低通濾波，並用一類比數位轉換器轉換成一數位式感測器信號。在此例子，類比信號利用一整合到該感測器元件(1)中的資料處理手段作進一步處理。但同樣也可在電路板(2)上設一分別的晶片(Baustein)──例如一個ASIC──以作此資料處理。
電路板(2)[也稱印刷電路板(PCB)]由一電絕緣材料構成，例如纖維補強塑膠。電路板(2)有至少二個鍍金屬層平面，舉例而言，它們設在電路板(2)的上側與下側，在這些金屬平面中設有導線路，舉例而言，它們係由一薄銅層飾刻而成。
圖1中用虛線顯示在電路板(2)下側上本來由外面看不到的導線路，以及「貫穿接點」(Durchgangskontaktierung，英：through-contact)。
舉例而言，在感測器元件(1)上設有四個接點(3)，它們經由「結合金屬絲」(4)(Bonddraht，英：bonding wire)與電路板(2)上側的「結合陸地」(5)(Bondland)(第一金屬平面)連接。在此例中，結合陸地(5)經由貫穿接點與設在電路板(2)的下側(第二金屬平面)上的第一導線路(6)連接，而結合陸地(5)與電路板(1)外緣上的LGA端子(7a)連接。
此外，在電路板(2)的第一金屬平面中設有一第二導線路(8)，它呈環圈狀將感測器元件(1)圍住。此第二導線路(8)經由貫穿接點與第二金屬平面上的電路板(1)的邊緣的LGA端子(7b)連接。此第二導線路(8)用於在一感測器補償作用的範疇內施一測試場，這點在下文還要說明。
磁場感測器(10)可用一種絕緣材料射出成形將它包圍住並容納在一塑膠殼體或類似物(圖未示)中。然後可將它利用LGA端子(7a)及(7b)經由一個LGA(陸地格陣列)與一控制手段或一控制及分析電子電路連接。
感測器元件(1)利用這些LGA端子(7a)的二個LGA端子控制。由感測器元件(1)產生的數位信號經由剩下的二個LGA端子(7a)檢出。但事實顯示，在霍爾感測器的場合就會發生感測器偏差，它可多達好幾何毫泰斯拉(Milli-Tesla)，如果該感測器偏差大多，則該磁場感測器(10)不能用且須淘汰掉。
在此第一實施例的一第一變更例中，在所謂的終測量(Endmessen)時，亦時在製造出磁場感測器(10)之後，在利用第二導線路(8)產生一測試場時，測定此感測器的偏差以及感測器的敏感度。為此使用一測試儀器(20)，如圖2的 示意圖所示，此測試儀器(20)包含一控制裝置(21)、一記憶體(22)及一發信號裝置(23)。舉例而言，發信號裝置(23)可設計成光學式及/或聲音式顯示裝置。此外，該測試儀器包含一個放置範圍(Platzierungsbereich)，它具有多數接點，這些接點對應於磁場感測器(10)的電路板(2)上的端子(7a)(7b)。藉著將磁場感測器(10)放置在此放置範圍上，可將測試儀器(20)與感測器(10)連接成可操作的方式。
將磁場感測器(10)放置在此放置範圍上之後，控制裝置(21)(利用一驅動電路或類似物)產生一預定之校準電流(例如0.01~1000毫安培)，沿一第一電流的流動方向流經該第二導線路(8)〔它呈環圈狀圍住感測器元件(1)〕。此校準電流I在感測器地點引起一股沿z方向的一定的測試磁場H，這點在圖3中示意圖示。由於感測器的幾何性質，(亦即導線路的幾何性質以及它們相對於感測器地點的排列)係一如校準電流的值為已知者，故「測試磁場」的值也可知。如不用此方式，也可將此測試磁場用一分別的磁計作校準測量而測定，然後用感測器元件測量該測試磁場。為此，將此感測器元件(1)由控制裝置(21)經由該LGA端子控制，並將瞬間(數位式)的感測器信號讀出並將相關的值信存在記憶體(22)中，然後將控制手段(21)造成一預定的校準電流，其大小相同，但正負號(Vorzeichen，英：sign)相反，再將所造成之感測器信號讀出，並將相關的值儲存在記憶體(22)中。
此時，控制手段(21)由這些儲存的值決定該偏差以及感測器敏感度。舉例而言，如果測試磁場為+50μT或-50 μT，且相關之讀出的(數位式)感測器信號為20lsb或-22lsb(lsb=least significant bit，最起碼有效位元數)，則可推論偏差為1lsb。對於感測器敏感度，係將該二個讀出的值之間的差值除以測試磁場強度的差當作其敏感度，如此，在此例中，得到感測器敏感度為42lsb/100μT。如果如此所求得的偏差及/或感測器敏感度大於預定的容許誤差值，則控制手段(21)發信狀態信號到該發信號裝置(23)，舉例而言，該發信號裝置用光學方式或聲音方式顯示出是否該磁場感測器(10)在容許誤差值之內或是否它在容許誤差值之外且因此是瑕疵品。
如果控制手段(21)已得知該磁場感測器(10)非瑕疵者，則控制手段(21)將一個與感測器敏感度相關的值儲存在感測器元件(1)的一記憶體區域中。也可將感測器偏差儲存在感測器元件(1)中，但此處要考慮。感測器偏差深受在感測器使用的地點的環境條件影響。因此，金屬的元件以及可通電流的導體在使用地點會造成干擾場，該干擾場影響感測器偏差，且在霍爾感測器的場合就和溫度有很大的關係，因此必須將感測器偏差作定期的補償或作定期的測定。相反地，感測器敏感度與在使用地點的環境條件的關係較小，因此在作終測量時也宜儲存在感測器元件(1)中，俾以後在使用地點作參考。
在此第一變更例可以有利地用一測試儀器作此終測量，該儀器不具有用於產生測試磁場的線圈，因此該測試儀器構造可較簡單。
在此第一實施例的一第二變更例中，磁場感測器(10) 建入在其使用地點(例如呈轉向角度感測器的形式建入在一汽車或類似物中)。此處，磁場感測器(10)也利用一LGA與一感測器控制手段(20’)連接，後者可將一測試電流施加到導線路(8)，且因此相當於對應構造的第一變更例的一種測試儀器(見圖2)。感測器控制手段(20’)用第一變更例所述的方式測定感測器偏差。將此感測器偏差儲存在記憶體(22)中並用於將該由感測器控制手段(20’)輸出的感測器信號作修正或校準。在此第二變更例的優點為：磁場感測器(10)任何時候都可測試，如有必要可作後校準。
圖4顯示依本發明一第二實施例的一磁場感測器(30)的一立體圖。與第一實施例的磁場感測器(30)相當的特點用相同圖號表示且不作詳述。
依第二實施例的磁場感測器(30)與依第二實施例的磁場感測器(10)的不同在於第二導線路(9)的設置，磁場感測器(30)設有二個平行的直導線路(9)，它們設在第一金屬平面。導線路(9)經由貫穿接點與第二金屬平面上的LGA端子(9c)連接。導線路(9)沿感測器元件(1)設在感測器元件(1)的兩側。更正確地說，它們沿圖4中該感測器元件(1)的前緣及後緣沿一方向(x方向)延伸，而且延伸過一段距離，此距離大於(例如至少為兩倍長)該感測器元件(1)沿這些邊緣的方向的延伸範圍。此外，它沿該邊緣(它設在其側邊上)的方向(x方向)的延伸範圍遠大於(例如至少5倍，且宜至少10倍)它在另一側緣(它垂直於上述側緣)的方向(y方向)的延伸範圍。因此，通過導線路(9)的電流大致沿著切過感測器地點的切線方向。因此，流過導線路(9)的電流在感測器地點產生一相對地大的磁場。這點在圖5A及5B中示意圖示，其中圖5A顯示感測器元件(1)與導線路(9)的一座標式的立體圖，而圖5B顯示經該感測器元件(1)與導線路(9)的y-z平面的一座標式橫截面圖。如圖所示，流經導線路(9)的電流產生一磁場，如果流過該二導線路(9)的電流沿相同方向(x方向或一x方向)流，則它對感測器元件(1)的表面成切向。
與此相反者，在第二金屬平面上的第一導線路(6)固然沿x方向也有某種延伸程度，但在它所設的那一側，它沿該邊緣的方向(x方向)的延伸範圍遠小於另一側緣(它和上述側緣相垂直設置)的方向(y方向)的延伸範圍，換言之，沿y方向此沿x方向至少大五倍，或宜至少大十倍。因此，流經第一導線路(6)的電流大致沿徑向朝向感測器地點作用，使流過第一導線路(6)的電流只在感測器地點產生較小的干擾性磁場。
因此利用圖5A及5B所示的電流，可在感測器(30)的感測器元件(10)中產生一測試磁場，它大致位在感測器元件(10)的表面的平面(x-y平面)中。但利用通過導線路(9)反並聯電流，也可在一垂直於感測器元件(10)表面的方向(z方向)產生一測試磁場，圖4中所示的導線路設置方式的優點為：可利用它們沿二個互相垂直的方向產生磁場，在此，如果該測試儀器(20)或感測器控制手段(20’)設計成使之選擇性地或依程式控制連續地控制第二導線路(9)，而先後地在感測器地點產生在x-y平面中的測試磁場以及沿z方向的測試磁場，且將相關的測量值儲存在記憶體(22)中並用上述方式進一步處理，則甚有利，用此方式可利用簡單的導線裝置沿二個空間方向產生測試磁場。
此外也可將圖1及圖4中的第二導線路(9)的設置互相組合，因此在相同電路板之上或之中可設環圈形導線路及二個平行的導線路。在此，宜將該環圈形導線路或平行的導線路設在第一及第二金屬平面之間的一第三金屬平面上。
此外也可將圖4所示的二個平行導線路設在上方第一金屬平面上，而將二個另外的導線路設在該第一及第二金屬平面之間的一第三金屬平面上，此二另外的導線路(由上看)與第一金屬平面的平行導線路交叉成一約90°的角度。利用這種設置，可用上方第一金屬平面的平行導線路產生沿y方向及z方向的測試磁場，而利用第三金屬平面的平行導線路可產生沿x方向(以及z方向)的測試磁場。在此，如有必要，連續的控制俾先後沿所有三個空間方向產生測試磁場，也很有利。這點特別是在該磁場感測器設計成測量三個空間方向的磁場分量的場合尤其有利。
雖然本發明此處利用較佳實施例說明，但其範圍不限於這些實施例，而係可用許多方式變更。特別是上述設計的各種不同特點可互相組合。
舉例而言，也可不用霍爾感測器而用一個具有一通量閘感測器或具有一感測器(其中一感測器構造由於羅倫茲力產生的運動用電容方式利用櫛狀電極檢出)的感測器元件。
也可將該用於產生測試磁場的導線路(8)或(9)設在電路板(2)的下側，並將該與磁場感測器(10)連接的導線路(6)設在電路板(2)的上側。
(1)‧‧‧感測器元件
(2)‧‧‧電路板
(3)‧‧‧接點
(4)‧‧‧結合金屬絲
(5)‧‧‧結合陸地
(6)‧‧‧第一導線路
(7a)‧‧‧LGA端子
(7b)‧‧‧LGA端子
(8)‧‧‧第二導線路
(9)‧‧‧第二導線路
(9c)‧‧‧LGA端子
(10)‧‧‧磁場感測器
(20)‧‧‧測試儀器
(20’)‧‧‧感測器控制手段
(21)‧‧‧控制裝置
(22)‧‧‧記憶體
(23)‧‧‧發信號裝置
(30)‧‧‧磁場感測器
H‧‧‧測試磁場
I‧‧‧校準電流
圖1係依本發明一第一實施例的一磁場感測器的立體圖；圖2係一本發明的磁場感測器與一測試儀器組合的方塊圖；圖3係依此第一實施例之在感測器地點的校準電流及由它引起的測試磁場的示意圖；圖4係依一第二實施例的一磁場感測器的立體圖；圖5A係依此第二實施例的一第一變更方式在感測器位置的校準電流及由它引起的測試磁場的示意立體圖；圖5B係依此第二實施例的一第一變更方式在感測器位置的校準電流及由它引起的測試磁場的示意剖面圖；圖6A係依此第二實施例的一第二變更方式在感測器位置的校準電流及由它引起的測試磁場的示意立體圖；圖6B係依此第二實施例的一第二變更方式在感測器位置的校準電流及由它引起的測試磁場的示意剖面圖。
(1)．．．感測器元件
(2)．．．電路板
(3)．．．接點
(4)．．．結合金屬絲
(5)．．．結合陸地
(6)．．．第一導線路
(7a)．．．LGA端子
(7b)．．．LGA端子
(8)．．．第二導線路
(10)．．．磁場感測器

Claims (5)

  1. 一種磁場感測器(10)(30)，用於在一感測器地點測量一磁場，具有：-- 一電路板(2)，由電絕緣材料構成；-- 一磁場感測器元件(1)，設在該電路板(2)上且經由電接點(3)(5)與一設在該電路板(2)上的第一導線路(6)連接；及-- 至少一第二導線路(8)(9)以產生一測試磁場(H)，該第二導線路(8)(9)設在該電路板(2)上，且施加一股校準電流(I)時，由於該第二導線路在感測器地點產生一預定之測試磁場(H)，其中，在該磁場感測器元件(1)的二個對立側上各在電路板(2)上設有一第二導線路(9)，且此二個第二導線路(9)互相平行設置，其特徵在：設有兩對的各二個平行的導線路(9)，以產生一測試磁場(H)，其中該二對導線路由上觀看係設成互成直角，但互呈電絕緣。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中：該二個平行的第二導線路(9)沿該磁場感測器元件(1)的二個對立的側邊緣的方向在其所設置的那一側的延伸範圍比起其沿該磁場感測單元(1)之與上述那一側垂直的側緣的方向的延伸範圍的至少大五倍，且宜至少大十倍。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之磁場感測器，其中：該二對導線路(9)設在電路板(2)的不同的鍍金屬層平面上。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項之磁場感測器，其中：該磁場感測器元件(1)設計成微系統形式。
  5. 一種由前述申請專利範圍任一項之磁場感測器 (10)(30)與一測試儀器(20)(20’)的組合，其中：該測試儀器(20)(20’)可與該磁場感測器(10)(30)連接成可操作的方式且係設計成可將一預定的校準電流(I)施加到該至少一第二導線路(8)(9)。
TW099128567A 2009-08-28 2010-08-26 磁場感測器 TWI518348B (zh)

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