Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Erregerleiterabstandes eines Erregerleiters von einem Sensorelement eines kalibrierbaren Magnetfeldsensors, sowie auf ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensorelementes des Magnetfeldsensors und eine Verwendung einer Erregerleiterstruktur zum Bestimmen des Erreger- leiterabstands, sowie ein entsprechender kalibrierbarer Magnetfeldsensor. Insbesondere kann es sich bei dem Magnetfeldsensor um einen horizontalen oder lateralen Hall-Sensor mit einem oder mehreren Sensorelementen handeln.

Zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Magnetfeldsensors kann über eine Spule oder einen Erregerleiter ein Magnetfeld mit möglichst bekannter magnetischer Flussdichte am Ort des Sensors erzeugt werden. Über die Änderung des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors kann dann auf die Empfindlichkeit des Sensors geschlossen werden. Handelt es sich bei dem Magnetfeldsensor um einen Hall-Sensor, kann das Ausgangssignal eine entsprechende Hall-Spannung sein. Bei einem auf Hall-Sensoren basierenden Magnetfeldsen- sor kann also durch eine Änderung der Hall-Spannung, die durch eine Änderung der magnetischen Flussdichte im Sensorelement hervorgerufen werden kann, auf die Empfindlichkeit des Hall-Sensors geschlossen werden. Solch eine Spule oder Eixegerleiterstruktur kann bei integrierten Magnetfeldsensoren die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, ebenfalls integriert auf dem Halbleiterchip ausgebildet sein. Die Funktionsweise solcher Erre- gerleiter für Hall-Sensoren ist beispielsweise in der Patentschrift DE 10 2007 041 230 beschrieben.

Bei integrierten Spulen bzw. Erregerleiterstrukturen, aber auch bei diskreten Erregerleiteranordnungen kann dabei das Problem entstehen, dass während der Herstellung des Magnetfeldsensors in einem Halbleitersubstrat die einzelnen Schichtstrukturen den typischen Prozessschwankungen, wie sie bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen auftreten, unterworfen sind. Diese Prozessschwankungen können bei einem Halbleiterbauelement in vertikaler Richtung im Allgemeinen größer sein, als in einer lateralen Richtung bezogen auf eine Halbleitersubstratoberfläche. Dementsprechend kann ein Abstandswert einer Erregerleiterstruktur, die beispielsweise als Leiterbahn über oder neben einem Magnetfeldsensor in einem Halbleiterplättchen oder einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, von einem während der Herstellung angestrebten idealen Abstandswert abweichen. Da bei einer Kalibrierung des Magnetfeldsensors durch Erzeugung eines definierten Magnetfeldes mittels einer elektrischen Erregerleiterstruktur auch die Lage bzw. der effektive Abstand der Erregerleitung zu dem eigentlichen Sensorelement des Magnetfeldsensors eingeht, kann es zu einer ungenauen Kalibrierung des Magnetfeldsensors kommen. Üblicherweise wird bei der Kalibrierung ein bekannter Strom in die Erregerleiterstruktur eingeprägt, so dass eine vorgegebene, auf die Erregerleitung zurückzuführende magnetische Kalibrierungsflussdichte am Ort des zu kalibrierenden Sensorelementes des Magnetfeldsensors erzeugt wird. Das Kalibrierungsmagnetfeld ist dabei u.a. über den eingeprägten Strom, die Geometrie bzw. die Eigenschaften der Erregerleitung, d. h. deren Höhe, Breite, Dicke, Material, sowie deren relative Lage, also ihres Abstandes zu dem Sensorelement definiert ein- stellbar. Handelt es sich bei dem Sensorelement beispielsweise um einen Hall-Sensor, kann dann durch Bestimmen und Zuordnen der zugehörigen Hall-Spannung das Sensorelement kalibriert werden. Die am Ort des Sensorelementes erzeugten, bekannten magnetischen Kalibrierungsflussdichten lassen sich den jeweiligen mit dem Sensorelement des Magnetfeldsensor gemessenen Hall-Spannungen zuordnen, wodurch das Sensorelement und damit der Magnetfeldsensor kalibriert werden kann.

In den Fig. 6a-b sind die Draufsicht und der Schnitt eines konventionellen lateralen Hall- Sensors in einem Halbleitersubstrat 4 schematisch dargestellt. Das laterale Hall- Sensorelement 1 hat vier Kontaktanschlüsse la-ld, die zur elektrischen Verbindung mit einer externen Ansteuerschaltung vorgesehen sind. Als horizontal bzw. lateral wird ein Hall- Sensorelement bezeichnet das parallel zu einer Chipoberfläche 4a - der x-y-Ebene - angeordnet ist und eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Chipoberfläche messen kann. Der laterale Hall-Sensor 1 kann mit einer spulenartig ausgelegten Erregerleitung 2, die um den Sensor herum angeordnet ist, angeregt werden, wie dies in Fig. 6a dargestellt ist. D. h. es kann mit Hilfe des Erregerleiters durch Einprägen eines definierten Stromes ein vorbestimmtes Kalibrierungsmagnetfeld in dem Sensorelement erzeugt werden. Bei einem lateralen bzw. horizontalen Hall-Sensor haben die oben erwähnten Prozesstoleranzen bei der Herstellung des Halbleiterbauelementes kaum einen Einfluss auf die von der Spule am Ort des lateralen Hall-Sensors erzeugte Flussdichte, da der in der Schnittzeich- nung der Fig. 6b gezeigte Abstand A zwischen einem Sensorschwerpunkt S und der Erregerleitung bzw. der Spule 2 um ein Vielfaches größer ist, als die Prozesstoleranzen bei der Herstellung in lateraler Richtung. In den Fig. 7a-b sind die schematische Draufsicht und der Schnitt durch einen vertikalen Hall-Sensor dargestellt. Mit vertikal ist eine Ebene senkrecht zur Ebene der Chipoberfläche 4a, also vertikal zur x-y-Ebene gemeint. Das in den Fig. 7a-b schematisch dargestellte vertikale Hall- Sensorelement 7 weist beispielsweise fünf Kontaktbereiche 7a-7e entlang der Hauptoberfläche 4a des aktiven Halbleiterbereiches auf. Vertikale Hall-Sensoren, die eine Magnetfeldkomponente parallel zur Chipoberfläche (x-y- Ebene) messen können, können ebenfalls für eine Kalibrierung gezielt mit einem Stromfluss durch einen Erregerleiter 2 erregt werden. Der Erregerleiter kann beispielsweise, wie schematisch in der Fig. 7a dargestellt ist, direkt über dem Sensor, oder in der Nähe, an dem Sensor vorbeigeführt werden. Bei einem vertikalen Hall-Sensoren können sich die oben erwähnten Prozesstoleranzen bei der Herstellung des Hall-Sensors besonders stark auswirken, da ein Abstand A zwischen dem Schwerpunkt S des Sensors und dem Erregerleiter 2 in der gleichen Größenordnung liegen kann wie die Prozessschwankungen bzw. die Prozesstoleranzen. Als Folge kann die Empfindlichkeit von vertikalen Hall-Sensoren häufig nur mit relativ niedriger Genauigkeit bestimmt werden. Eine Kalibrierung kann ungenau sein und Abweichungen aufweisen, wenn sie nicht mit einem tatsächlichen Abstandswert A, sondern lediglich mit einem angenommenen, in der Realität aber wegen der Prozesstoleranzen bei der Herstellung oft nicht vollständig korrekten bzw. ungenauen Erregerleiterabstand, durchgeführt wird. Die Prozesstoleranzen bei der Herstellung können sich also besonders stark bezüglich der Substratoberfläche in vertikaler Richtung auswirken, so dass der tatsächliche Abstand bzw. die effektive relative Lage von dem eigentlich angenommenen Abstandswert eines Erregerleiters, mit dem die Kalibrierung des Sensorelementes durchgeführt wird, abweichen kann. Infolge dessen kann die Empfindlichkeit solcher Sensoren, vor allem von vertikalen Hall-Sensoren, häufig nur mit einer geringen Genauigkeit bestimmt werden.

Es wäre daher wünschenswert den Erregerleiterabstand zwischen einer Erregerleitung und einem Sensorelement eines Magnetfeldsensors genau und zuverlässig bestimmen zu können, um so eine verbesserte Kalibrierung und damit eine erhöhte Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors zu erzielen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Konzept zu schaffen, mittels dem einerseits möglichst unaufwändig aber trotzdem möglichst genau der Abstand eines Erregerleiters von einem Magnetfeldsensor bestimmt werden kann, um so die Empfindlichkeit des Sensors sehr genau bestimmen zu können bzw. einen Kalibrierungsvorgang sehr genau durchführen zu können. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 und Anspruch 11, sowie durch den kalibrierbaren Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 13 und durch die Verwendung einer Erregerleiterstruktur zum Bestimmen eines Erregerleiterabstandes gemäß Anspruch 21 und durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 25 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Schnittes durch ein Sensorelement eines

Magnetfeldsensors zur Veranschaulichung des Prinzips zur Bestimmung eines Erregerleiterabstandes von dem Sensorelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine weitere schematische Darstellung eines Schnittes durch ein Sensorelement eines Magnetfeldsensors, wobei die Erregerleiter zueinander und bezüglich des Sensorelementes versetzt angeordnet sind, gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 die schematische Draufsicht auf einen Magnetfeldsensor mit einem Sensorelement und zwei zugeordneten Erregerleitern einer Erregerleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; die Draufsicht auf einen kalibrierbaren Magnetfeldsensor zur Erfassung von Magnetfeldkomponenten in drei Dimensionen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; ein Flussdiagramm zum erfmdungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Erregerleiterabstandes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; die Draufsicht und den Schnitt durch einen lateralen Hall-Sensor und einer Erregerleitung; und die Draufsicht und den Schnitt durch einen vertikalen Hall-Sensor mit einer Erregerleitung. Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Figuren für gleichwirkende oder funktionsgleiche Elemente oder Schritte zur Vereinfachung in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Diese Elemente mit gleichen Bezugszeichen und deren Funktionalitäten sind somit in den verschiedenen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar.

In Fig. 1 ist ein schematischer Schnitt eines Magnetfeldsensors 10 mit einem Sensorelement 20a dargestellt. Bei dem Magnetfeldsensor 10 kann es sich beispielsweise um einen vertikalen Hall-Sensor handeln. Anhand der Fig. 1 wird im Folgenden die prinzipielle Vorgehensweise bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Erregerleiterabstandes z von einem Erregerleiter 15, z.B. dem ersten Erregerleiter zu einem Schwerpunkt S des Sensorelementes 20a veranschaulicht. Das Sensorelement 20a kann in einem Halbleitersubstrat 4 mit einer Halbleitersubstratoberfläche 4a ausgebildet sein, wobei der erste Erregerleiter 15 direkt oberhalb des Sensorelements 20a angeordnet ist. Beabstandet bzw. versetzt zu dem ersten Erregerleiter 15 ist ein zweiter Erregerleiter 16 angeordnet, wobei ein Erregerleiterzwischenabstand zwischen dem ersten Erregerleiter 15 und dem zweiten Erregerleiter 16 einem Wert xi entspricht. Der erste Erregerleiter 15 und der zweite Erregerleiter 16 bilden zusammen eine Erregerleiterstruktur 14.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, kann das Sensorelement 20a in einem Halbleitersubstrat 4 ausgebildet sein, wobei auf einer Halbleitersubstratoberfläche 4a mehrere Prozesslagen, z. B. eine Metall- 1 Prozesslage für Kontaktanschlüsse 3 zu dem Sensorelement 20a sowie eine Metall-2 Prozesslage, in der der erste und der zweite Erregerleiter 15,16 ausgebildet sein können. Der erste Erregerleiter 15 und der zweite Erregerleiter 16 können als Leiterbahnen eines Halbleiterbauelements ausgebildet sein. Zwischen den einzelnen Metallisierungsschichten Metall- 1 und Metall-2 können isolierende Schichten angeordnet sein, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Wird nun ein Strom I ₀ in den ersten Erregerleiter 15 in Richtung in die Zeichenebene von Fig.l hinein (y-Richtung) eingeprägt, so wird durch den Stromfluss eine magnetische Flussdichte B ₀ am Ort des Sensors hervorgerufen. Die magnetischen Feldlinien 50 sind in diesem Ausfuhrungsbeispiel radial um den Erregerleiter in der z-x-Ebene angeordnet, wobei von dem Sensorelement eine Magnetfeldkomponente B _x in x-Richtung detektiert wer- den kann. Bei der magnetischen Flussdichte B handelt es sich um einen Vektor, der beispielsweise in einem kartesischen Koordinatensystem mit linear unabhängigen Ortsvektoren x, y, z entsprechenden Magnetfeldkomponenten B _x , B _y und B ₂ darstellbar ist. Für den einfachsten Fall, dass der Erregerleiter 15 direkt über den Sensor führt, kann die magnetische Fluss- dichte in x-Richtung B _0>x , die am Ort des Sensors durch den Strom I ₀ hervorgerufen wird, mit:

JLk. ) 2π z (1

bestimmt werden. Wird durch einen weiteren Erregerleiter 16, der gegenüber dem ersten Erregerleiter einen Erregerleiterzwischenabstand xi aufweist, ein Magnetfeld erzeugt, indem ein Strom Ii in dem zweiten Erregerleiter 16 eingeprägt wird, so ergeben sich wieder radial symmetrische Magnetfeldlinien 51, wobei am Ort des Schwerpunktes des Sensorelementes 20a eine weitere magnetische Flussdichte 5 _t hervorgerufen wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ergibt sich dann für die Magnetfeldkomponente B _ljX in x-Richtung, mit: z z , μ L

cos a =— = . ^■ und B, =—— ^L cosa (2)

R ?+^ ^{2Π R} wobei R dem Erregerleiterabstand des zweiten Erregerleiters 16 von dem Sensorelement entspricht, eine Magnetfeldkomponente gemäß Formel (3):

μ I _x

(3)

2π (JC J + Z ² )

Dabei wurde angenommen, dass der zweite Erregerleiter 16 einen gleichen vertikalen Ab- stand z = zj _. wie der erste Erregerleiter 15 gegenüber dem Schwerpunkt S des Sensorelementes 20a aufweist. Damit lässt sich der Erregerleiterabstand z bei bekanntem Erregerleiterzwischenabstand Xi und identischen eingeprägten Strömen I ₀ = Ii alleine aus den Messwerten, also den mit dem Sensorelement 20a ermittelten Magnetfeldkomponenten B _1;X und B _0jX berechnen. Es gilt folgende Formel:

Die erzeugten magnetischen Flussdichten B ₀ und 5, sollten im Schwerpunkt S des Sensorelementes unterschiedlich starke Magnetfeldkomponenten in x-Richtung - also in Rich- tung der Detektionsrichtung des Sensorelementes - aufweisen. Wie aus Gleichung (4) ersichtlich ist würde ansonsten der Nenner Null werden.

Der Erregerleiterzwischenabstand xi zwischen dem ersten Erregerleiter 15 und dem zweiten Erregerleiter 16 ist bekannt bzw. kann relativ einfach bestimmt werden. Wie oben be- reits erwähnt, sind außerdem die horizontalen Herstellungstoleranzen bei Halbleiterbauelementen im Allgemeinen geringer als die vertikalen Herstellungstoleranzen, so dass auch die bei der Herstellung angestrebten Erregerleiterzwischenabstände verwendet werden können. Wie nun aus der Formel (4) ersichtlich ist, kann ein Erregerleiterabstand z des ersten Erregerleiters von einem Sensorelement eines Magnetfeldsensors unabhängig von einer Empfindlichkeit des Sensorelementes bei der Bestimmung der Magnetfeldkomponenten und dem eingeprägten Erregungs- bzw. Spulenstrom bestimmt werden, falls z.B. I ₀ = I] ist. Ein entsprechender Empfindlichkeitsfaktor bzw. Ungenauigkeitsfaktor bei der Bestimmung der Magnetfeldkomponenten B _1;X und B _0;X kürzt sich nämlich in der Wurzel der Formel (4) gegenseitig heraus, da nur ein Verhältnis von B _liX und Β ₀ , _χ zur Bestimmung von z benötigt wird. Somit lässt sich mit bekannten Spulen- oder Erregerleiterströmen I ₀ und Ii die magnetische Flussdichte am Ort des Sensors bestimmen, so dass auf die Empfindlichkeit des Sensorelementes 20a unabhängig von den Prozesstoleranzen geschlossen werden kann. Die Bestimmung des Erregerleiterabstands kann auch ohne Kenntnis des eingeprägten Stromes I ₀ und durchgeführt werden, solange I ₀ = Ii ist, oder falls die Ströme I ₀ und Ι _Ϊ in einer bekannten Beziehung zueinander stehen, also z.B. I ₀ = n gilt. In diesem Fall ergibt sich:

Gemäß weiterer Ausfuhrungsbeispiele braucht der erste Erregerleiter 15 nicht direkt vertikal über dem Sensorelement 20a angeordnet sein (siehe Fig. 2), falls der erste Erregerleiter 15 zu dem zweiten Erregerleiter 16 beabstandet ist, also solange |x ₀ | |xi| gültig ist. Die Größen x ₀ und \ können beispielsweise einen lateralen Abstand in Bezug auf ein Koordi- natensystem, welches seinen Ursprung in dem Schwerpunkt S des Sensorelementes besitzt, beschreiben.

Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung wird darauf hingewiesen, dass sich die Be- Zeichnungen B ₀ bzw. B auf Vektoren der magnetische Flussdichte am Ort des Sensors beziehen, während die Bezeichnungen B _0jX und B _1;X die von dem Sensorelement erfassten Magnetfeldkomponenten (z.B. in x-Richtung) darstellen.

Allgemein kann also festgestellt werden, dass durch Einprägen eines ersten elektrischen Stromes I ₀ in einen ersten Erregerleiter 15 einer Erregerleiterstruktur 14 allgemein eine erste Magnetfeldkomponente B _0iX in dem Sensorelement 20a des Magnetfeldsensors 10 erzeugt werden kann. Anschließend kann mittels des Sensorelementes 20 eine von der ersten Magnetfeldkomponente B _0,x abhängige Größe ermittelt werden. Beispielsweise kann es sich bei dieser Größe um ein Ausgangssignal, wie z. B. die Hall-Spannung, handeln. Diese wird gemessen und kann dann abgespeichert werden. Zeitlich nachfolgend kann dann der zweite elektrische Strom Ii in den zweiten Erregerleiter 16 der Erregerleiterstruktur 14 eingeprägt werden, um eine zweite Magnetfeldkomponente B _ljX in dem Sensorelement des Magnetfeldsensors zu erzeugen. Diese zweite Magnetfeldkomponente B _1>x sollte unter analoger Berücksichtigung von Formel (4) unterschiedlich zu der ersten Magnetfeldkompo- nente B _0iX sein. Die zweite Magnetfeldkomponente B _1;X oder eine Größe, die von der zweiten Magnetfeldkomponente B _1;X abhängig ist, kann dann wieder mittels des Sensorelementes 20a bestimmt werden und ggf. abgespeichert oder zur weiteren Auswertung an eine Auswerteeinrichtung übermittelt werden. Der Erregerleiterabstand des ersten oder zweiten Erregerleiters von dem Sensorelement 20a des Magnetfeldsensors 10 kann dann in Abhän- gigkeit von dem Erregerleiterzwischenabstand xi zwischen dem ersten Erregerleiter und dem zweiten beabstandeten Erregerleiter und den beiden von den ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten B _0jX und B _ljX abhängigen Größen ermittelt werden. Dazu kann beispielsweise bei entsprechender geometrischer Anordnung die Formel (4) oder (5) verwendet werden. Das Ermitteln oder Berechnen bzw. Bestimmen kann in Abhängigkeit eines Verhältnisses zwischen den Magnetfeldkomponenten B _0jX und B ι _;X und in Abhängigkeit des Erregerleiterzwischenabstandes xi zwischen dem ersten Erregerleiter 15 und dem zweiten Erregerleiter 16 durchgeführt werden. Das Einprägen eines ersten elektrischen Stromes I ₀ und das Einprägen eines zweiten elektrischen Stromes kann gemäß weiterer Ausführungsbeispiele zeitlich nacheinander erfolgen, so dass es zu keiner Überlagerung der durch den in dem ersten und zweiten Erregerleiter 15, 16 fließenden Strom erzeugten magnetischen Flussdichten kommt. Dies könnte andernfalls zu einer ungenauen oder falschen Berechnung des Erregerleiterabstandes führen. Basierend auf dem damit ermittelten effektiven Erregerleiterabstandswertes kann dann durch Einprägen eines Kalibrierungsstromes in dem ersten oder zweiten Erregerleiter eine genau vorbestimmte Magnetfeldkomponente in dem Sensorelement erzeugt werden, um so ein kalibrierbares Ausgangssignal des Sensorelementes 20a zu erhalten. Mit Hilfe des er- mittelten„genauen" Erregerleiterabstandes kann also eine„genauere" Kalibrierung des Magnetfeldsensors mit dem zumindest einen Sensorelement 20a durchgeführt werden. Bei dem kalibrierbaren Ausgangssignal kann es sich beispielsweise um einen Ausgangsspannungswert eines Hall-Sensorelementes handeln, das mit einem erwarteten Sollwert verglichen wird oder das einem bestimmten Magnetfeldkomponentenwert zugeordnet wird. Durch die Bestimmung des Erregerleiterabstandes kann also durch das Einprägen des vorbestimmten Kalibrierungsstromes in dem Erregerleiter eine in dem Sensorelement erzeugte Magnetfeldkomponente sehr exakt vorbestimmt werden und das dementsprechende Ausgangssignal des Sensorelementes genau und zuverlässig kalibriert werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, kann auch der Erregerleiterabstand z ₀ zwischen dem ersten Erregerleiter 15 und dem Schwerpunkt S des Sensorelementes 20a unterschiedlich sein zu dem Abstand z zwischen dem zweiten Erregerleiter 16 und der Ebene durch den Schwerpunkt S des Sensorelementes parallel zur x-y-Ebene. In den oben genannten Fällen ergeben sich dann für die Erregerleiterabstandsbestimmung zwischen dem ersten Erregerleiter und dem Sensorelement 20a des Magnetfeldsensors andere, zu den Formeln (3) und (4) unterschiedliche Relationen, die mit Hilfe entsprechender Vektorrechnung und trigonometrischen Funktionen bestimmt werden können. Einflüsse von geometrischen Veränderungen bezüglich der Lage der Erregerleiter können also durch komplexere Umformungen mit Hilfe von trigonometri- sehen Funktionen und Methoden der Vektorrechnung bestimmt werden, solange die Magnetfeldkomponenten von B _0>x und B _1;X im Schwerpunkt S des Sensorelements unterschiedlich sind.

Im Folgenden wird nun anhand von Fig. 3 eine mögliche Realisierung eines kalibrierbaren Magnetfeldsensors 10 unter Einbeziehung der vorhergehend beschriebenen Bestimmung eines Erregerleiterabstandes dargestellt. In Fig. 3 ist die schematische Draufsicht auf einen kalibrierbaren Magnetfeldsensor 10 mit einem Sensorelement 20a und einer Erregerleiterstruktur 14, die aus einem ersten Erregerleiter 15 und einem dazu beabstandeten zweiten Erregerleiter 16 besteht, dargestellt. Der kalibrierbare Magnetfeldsensor kann ferner eine Ansteuereinrichtung 30 und eine Auswerteeinrichtung 40 aufweisen. Die Ansteuereinrich- tung 30 ist ausgebildet einen elektrischen Strom I ₀ , Ii in den ersten oder zweiten Erregerleiter 15, 16 und zeitlich versetzt in den anderen der beiden Erregerleiter einzuprägen, um jeweils unterschiedliche parallele Magnetfeldkomponenten B ₀ , _x und B _1;X in dem Sensor- dement 20a zu erzeugen. Das Sensorelement gibt dann unterschiedliche von den Magnetfeldkomponenten B _0jX und B _liX abhängige Ausgangssignale bzw. Größen aus. Die AnSteuereinrichtung 30 kann also beispielsweise einen ersten Strom I ₀ in den ersten Erregerleiter 15 einprägen, so dass eine erste Magnetfeldkomponente Bo _>x in dem Sensorelement erzeugt wird, welches dann ein erstes Ausgangsignal S ₀ ausgibt. Zeitlich später oder nachfolgend wird durch die Ansteuereinrichtung 30 ein zweiter elektrischer Strom Ii in den zweiten Erregerleiter 16 eingeprägt, so dass eine zweite, zur ersten Magnetfeldkomponente B _0jX unterschiedliche, Magnetfeldkomponente Bi _;X in dem Sensorelement 20a erzeugt wird. Das Sensorelement gibt dementsprechend ein zweites Ausgangsignal S welches zu dem ersten Ausgangssignal unterschiedlich ist aus, bzw. stellt es für die Auswerteeinrichtung zur Verfügung.

Die Auswerteeinrichtung 40 kann nun so ausgebildet sein, um basierend auf den von den unterschiedlichen Magnetfeldkomponenten B _0, und B _ljX abhängigen Größen und basierend auf dem Erregerleiterzwischenabstand x _l5 zwischen dem ersten und zweiten Erregerleiter 15, 16, den Erregerleiterabstand des ersten oder zweiten Erregerleiters von dem Schwerpunkt S des Sensorelementes 20a zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung 40 kann also mit dem Sensorelement 20a gekoppelt sein und basierend auf den unterschiedlichen ersten und zweiten Ausgangssignal des Sensorelements und dem Erregerleiterzwischenabstand den Erregerleiterabstand z oder R (vgl. Fig. 1,2) zwischen dem ersten oder zweiten Erregerleiter 15, 16 und dem Sensorelement 20a zu ermitteln.

Wie beispielsweise im Zusammenhang mit der Formel (4) deutlich wird, kann die Auswerteeinrichtung 40 ausgebildet sein, um basierend auf einem Verhältnis der von den unter- schiedlichen Magnetfeldkomponenten B _0;X und B _1;X abhängigen Größen und basierend auf dem Erregerleiterzwischenabstand xi einen Erregerleiterabstand z oder R des ersten oder zweiten Erregerleiters 15, 16 von dem betreffenden Sensorelement 20a zu ermitteln.

Die Auswerteeinrichtung 40 kann ferner mit der Ansteuereinrichtung 30 gekoppelt sein, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 dargestellt ist, um beispielsweise Daten oder Steuersignale mit der Ansteuereinrichtung 30 auszutauschen. Dieser Informationsaustausch beispielsweise des ermittelten Erregerleiterabstandes kann für eine nachfolgende Kalibrierung nötig sein. Beispielsweise könnte die Auswerteeinrichtung eine Information über den Erregerleiterabstand an die Ansteuereinrichtung 30 senden, woraufhin die Ansteuereinrich- tung 30 einen vorbestimmten Kalibrierungsstrom in Abhängigkeit von dem ermittelten Erregerleiterabstand zur genaueren oder exakteren Kalibrierung des Sensorelementes 20a in den ersten oder zweiten Erregerleiter einprägt. Dass heißt, die Ansteuereinrichtung 30 und die Auswerteeinrichtung 40 können beispielsweise Messdaten, wie z. B. Magnetfeld- messdaten, Steuerungsdaten, oder z. B. die Höhe der einzuprägenden oder eingeprägten Ströme, oder auch die ermittelten Daten, wie z. B. den Erregerleiterabstand austauschen.

Der Kalibriervorgang des Magnetfeldsensors 10 kann dazu ferner einen Schritt des Ver- gleichens des Ausgangssignals des Sensorelementes mit einem Sollwert oder einen Schritt des Zuordnens des Ausgangssignals zu einem bestimmten Magnetfeldkomponentenwert aufweisen. Das heißt, die von einem Sensorelement bestimmten Ausgangssignale können mit erwarteten Sollwerten verglichen werden oder diese Ausgangssignale werden bestimmten Magnetfeldkomponentenwerten zugewiesen.

Die Auswerteeinrichtung 40 kann in Ausführungsbeispielen als on-chip Steuerungseinrichtung in dem Halbleitersubstrat in dem der Magnetfeldsensor angeordnet ist, ausgebildet sein. Die Auswerteeinrichtung kann als digitale Ablaufsteuerung, als (mikro-) elektronische Schaltung oder als Mikrokontroller ausgebildet sein, die zusammen mit dem Magnet- feldsensor in dem Halbleitersubstrat integriert sein können. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Auswerteeinrichtung 40 aber auch eine off-chip bzw. externe Auswerteeinrichtung sein, die beispielsweise Teil einer Testeinrichtung ist.

Wie in Fig. 3 ebenfalls schematisch dargestellt ist, kann der kalibrierbare Magnetfeldsen- sor 10 ferner optional einen Speicher 75 aufweisen. In diesem Speicher kann der ermittelte Erregerleiterabstand abgespeichert werden, so dass dieser bei einer später durchgeführten Kalibrierung jederzeit wieder verwendet werden kann, um eine exakte und genaue Kalibrierung durchführen zu können. Der Speicher 75 kann in dem Magnetfeldsensor, in der Auswerteeinrichtung 40 oder on-chip in dem Halbleitersubstrat in dem auch der Magnet- feldsensor ausgebildet ist, integriert sein.

Beispielsweise kann bei einem Produktionstest entweder auf Waferebene und/oder auch im Backend auf Bausteinebene (Package-Level) für jeden Magnetfeldsensor der Erregerleiterabstand ermittelt werden und sein individuell ermittelter Erregerleiterabstand in seinem zugeordneten Speicher 75 abgelegt werden, so dass bei einer späteren Kalibrierung des jeweiligen Magnetfeldsensors in der Applikation jederzeit, auch wiederholt, auf den gespeicherten individuellen Erregerleiterabstand zugegriffen werden kann. Dadurch braucht die Erregerleiterabstandsbestimmung nur einmalig durchgeführt werden, während bei einer späteren Kalibrierungsphase in Abhängigkeit des gespeicherten Erregerleiterabstandes eine vorbestimmte Magnetfeldkomponente durch Einprägen eines entsprechenden Kalibrierungsstromes wiederholt erzeugt werden kann und damit der Magnetfeldsensor wiederholt kalibriert werden kann. Durch den definierten Kalibrierungsstrom kann ein kalibrierbares Ausgangssignal des Sensorelementes erzeugt werden, das dann durch einen Vergleich mit einem Sollwert oder durch eine Zuordnung des Sensorausgangssignals zu einem Magnet- feldkomponentenvergleichswert zur Kalibrierung des Sensorelementes genutzt werden kann. In Ausfuhrungsbeispielen können die erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Erregerleiterabstandes und zur Kalibrierung mit einer Testeinrichtung für Magnetfeldsensoren durchgeführt werden. Solch eine Testeinrichtung kann beispielsweise sog. Frontend und/oder Backend Testsysteme umfassen, aber auch Labortestgeräte, die nicht für eine Serienfertigung optimiert sein brauchen. Auf der Testeinrichtung kann ein Computerpro- gramm oder ein Programmcode ausgeführt werden, mit dem die erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.

Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein kalibrierbarer Magnetfeldsensor 10 ein einziges oder aber auch mehrere Sensorelemente aufweisen, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Beispielsweise kann ein kalibrierbarer Magnetfeldsensor ein, zwei oder vier laterale Hall-Sensorelemente und/oder ein, zwei, vier, acht oder mehr vertikale Hall- Sensorelemente aufweisen. Die Eiregerleiterstraktur 14 mit dem ersten 15 und zweiten 16 Erregerleiter kann z. B. direkt oder versetzt in der Nähe über den Sensorelementen angeordnet sein, um die Sensorelemente kalibrieren zu können. Der kalibrierba- re Magnetfeldsensor kann ein mehrdimensionaler Hall-Sensor zur Bestimmung eines Magnetfeldes in einer einzigen oder in mehreren Raumrichtungen sein.

In Fig. 4 ist in einer schematischen Draufsicht ein kalibrierbarer Magnetfeldsensor 10 mit einer Erregerleiterstruktur 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- dung dargestellt. Bei dem erfindungsgemäßen kalibrierbaren Magnetfeldsensor kann es sich um einen Magnetfeldsensor handeln, der einen oder mehrere vertikale und/oder horizontale Hall-Sensoren zur Erfassung von räumlichen Komponenten eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt 45 aufweist. Der in Fig. 4 schematisch dargestellte kalibrierbare Magnetfeldsensor 10 weist zur Bestimmung eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt 45 eine Mehrzahl von Hall-Sensorelementen auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Magnetfeldsensor drei Sensorelementanordnungen 20, 22 und 60 auf, die jeweils aus vier zugeordneten Sensorelementen 20a-20d, 22a-22d und 60a-60d bestehen. Die gegenüberliegenden paarweisen Sensorelemente, wie z.B. 20a und 20c oder 22c und 22d, können symmetrisch zueinander angeordnet sein. Dabei können die Erregerleiter 15, 16 bezüglich der paarweise angeordneten Sensorelemente asymmetrisch angeordnet sein, so dass während einer Kalibrierungsphase, das durch ein Einprägen eines Kalibrierungsstromes Ικο in den ersten Erregerleiter 15 und eines Kalibrierungsstrom Ι ι in den zweiten Erregerleiter 16 erzeugbare Magnetfeld, ungleiche Kalibrierungsmagnetfeldkomponenten in den paar- weise gegenüberliegend angeordneten Sensorelementen erzeugt werden können. Die Kalibrierungsströme können z.B. gleichzeitig oder zeitlich überlagernd in die Erregerleiterstruktur 14 eingeprägt werden. In weiteren Ausfuhrungsbeispielen können die Kalibrierungsströme auch zeitlich hintereinander eingeprägt werden.

Die Erregerleiterstruktur 14 weist eine rechteckförmige bzw. spulenartige Struktur auf. Bei der Erregerleiterstruktur kann es sich beispielsweise um Leiterbahnen in einer Metallisierungsebene oberhalb der Sensorelemente in einem Halbleitersubstrat handeln oder aber beispielsweise auch um eine externe, diskrete Erregerleiterstruktur bzw. Spule, die ober- halb der Sensorelemente entsprechend angebracht wird. In einer Erregerleiterabstandsbe- stimmungsphase, also wenn der Erregerleiterabstand eines ersten Erregerleiters 15 oder eines zweiten Erregerleiters 16 von einem Sensorelement bestimmt werden soll, kann dann ein erster Strom I ₀ und ein zweiter Strom Ii zeitlich versetzt oder zeitlich hintereinander jeweils nur in eine Teilstrecke 15a oder 15b des ersten Erregerleiters 15 oder in eine Teilstrecke 16a oder 16b des zweiten Erregerleiter 16 eingeprägt werden, wobei die Teilstrecken jeweils den einen Sensorelement der zumindest paarweise symmetrisch angeordneten Sensorelemente zugeordnet sein können. Die Teilstrecken 15a und 16a können zwei benachbarte Seiten der rechteckigen Erregerleiterstruktur 14 umfassen. Je nachdem zu welchem Sensorelement der Erregerleiterabstand bestimmt werden soll, kann solch eine Teilstrecke natürlich auch die Teilstrecken 15b und 16b umfassen.

Durch das Einprägen der Ströme nur in diese Teilstrecken kann vermieden werden, dass es zu einer Überlagerung und damit zu einer Verfälschung der entsprechenden Magnetfeldkomponenten im jeweiligen Schwerpunkt S des betreffenden Sensorelementes kommt, während in einer Kalibrierungsphase können die Magnetfelder bei Einprägung eines Stromes in die zwei Erregerleiter 15 und 16 überlagert werden und so ein resultierendes Erreger- oder Kalibrierungsmagnetfeld erzeugt werden. Die Erregerleiter 15 und 16 können bezüglich der Sensorelemente paarweise symmetrisch angeordnet sein, dies braucht jedoch nicht notwendigerweise der Fall zu sein, sondern allgemein sind beliebige Geometrien denkbar, die es erlauben, definierte unterschiedliche Kalibrierungsmagnetfeldkomponenten innerhalb einer Sensorelementanordnung zu erzeugen. Verläuft eine Erregerleitung bzw. Spule direkt über den vertikalen Sensorelementen, so ist ihr Einfluss in Bezug auf diese deutlich größer als der Einfluss einer benachbarten oder seitlich versetzten Erregerleitung bzw. Spule.

Der kalibrierbare Magnetfeldsensor kann ferner, wie bereits oben beschrieben, eine An- steuereinrichtung 30 und eine Auswerteeinrichtung 40 aufweisen. Bei der Ansteuereinrich- tung 30 und der Aus Werteeinrichtung 40 kann es sich um on-chip Einrichtungen handeln, aber auch um externe Vorrichtungen, mit denen die entsprechenden Ströme in die Erregerleiterstruktur 14 eingeprägt werden und die entsprechenden Ausgangssignale der Sensorelemente ermittelt und entsprechend der Erregerleiterabstand bestimmt wird. Bei der An- steuereinrichtung 30 und der Auswerteeinrichtung 40 kann es sich also um on-chip oder off-chip Einrichtungen handeln die in Hardware oder Software ausgebildet sein können und deren Prozesse beispielsweise auf einem Computer bzw. einem Mikroprozessor ablaufen und damit ein entsprechendes Computerprogramm oder Software umfassen oder beispielsweise auch auf einer festgelegten Ablaufsteuerung. Im Folgenden wird für das Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 4 die Erregerleiterabstandsbestim- mungsphase und eine Kalibrierungsphase näher beschrieben. In einer Abstandsbestim- mungsphase zur Bestimmung eines Erregerleiterabstandes des ersten oder zweiten Erregerleiters zu einem Sensorelement des Magnetfeldsensors kann die Ansteuereinrichtung 30 beispielsweise nur in einer Teilstrecke 15a oder 16a, die dem Sensorelement zugeordnet ist zu dem der Erregerleiterabstand bestimmt werden soll, einen Strom einprägen. Dazu kann z. B. ein erster Strom I ₀ in der Teilstrecke 15a des ersten Erregerleiters 15 eingeprägt werden und zeitlich später oder anschließend ein zweiter Strom ^ in eine Teilstrecke 16a des zweiten Erregerleiters. Dadurch werden, wie oben bereits beschrieben, unterschiedliche Magnetfeldkomponenten B _0>x und B _1>x , beispielsweise in dem Sensorelement 20a erzeugt, mit deren Hilfe sich dann der effektive Abstandswert bzw. Erregerleiterabstand zwischen dem ersten Erregerleiter 15 und dem Sensorelement 20a bestimmen lässt.

Falls nun beispielsweise ein Abstandswert zwischen dem ersten Erregerleiter 15 und dem Sensorelement 20c bestimmt werden soll, können die Ströme I ₀ und von der Ansteue- rungseinrichtung 30 über die Teilstrecken 15b und 16b eingeprägt werden, wobei in diesem Fall über die Teilstrecken 15a und 16a kein Strom eingeprägt wird.

In einer Kalibrierungsphase können über die Erregerleiter 15 und 16 bzw. über die Spulen 15 und 16 alle Sensorelemente 20a-20d, 22a-22d und 60a-60d eines kalibrierbaren Mag- netfeldsensors erregt werden. Das heißt, durch Einprägen eines bestimmten Kalibrierungsstroms können vorbestimmte Kalibrierungsmagnetfeldkomponenten, in Abhängigkeit des ermittelten Erregerleiterabstandes in den jeweiligen Sensorelementen erzeugt werden. Ein entsprechender Kalibrierungsstrom Ι ο kann dabei von dem Anschluss ECP_0 zu dem An- schluss ECN_0 des ersten Erregerleiters 15 fließen und ein Kalibrierungsstrom I _K i kann von einem Anschluss ECP_1 zu dem Anschluss ECN_1 des zweiten Erregerleiters 16 eingeprägt werden. Das jeweilige Sensorelement gibt dann ein entsprechendes kalibrierbares Ausgangssignal aus. Während einer Abstandsbestimmungsphase fließt der Strom jedoch nur durch einen Teil der Erregerleiter 15, 16, entweder von KALI_0 nach ECN_0 und/oder von KALI_1 nach ECN_1. Damit die Ströme während der Kalibrierungsphase und der Abstandsbestimmungsphase entsprechend eingeprägt werden können, können beispielsweise während der Abstandsbestimmungsphase die Anschlüsse ECP_0 und ECP_1 durch die Ansteuereinrich- tung 30 hochohmig offen geschaltet werden. In einer Kalibrierungsphase können hingegen die Anschlüsse KALI_1 und KALI_0 hochohmig offen geschaltet werden können, so dass der für die Kalibrierungsmessphase und die Abstandsbestimmungsphase unterschiedliche Stromfluss in der Erregerleiterstruktur 14 ermöglicht werden kann.

Wie in Fig. 5 in einem Flussdiagramm dargestellt ist und wie aus den vorhergehenden Ausführungen hervorgeht, kann das Verfahren zur Bestimmung eines Erregerleiterabstands eines Erregerleiters von einem Sensorelement, ein Einprägen 100 eines ersten elektrischen Stromes I ₀ in den ersten Erregerleiter einer Erregerleiterstruktur, um eine erste Magnet- feldkomponente B _0jX in einem Sensorelement 20a eines Magnetfeldsensors 10 zu erzeugen, aufweisen. Ferner kann ein Bestimmen 110 einer von der ersten Magnetfeldkomponente Βο,χ abhängigen Größe mittels des Sensorelementes 20a durchgeführt werden, sowie ein Einprägen 120 eines zweiten elektrischen Stromes Ii in den zweiten Erregerleiter 16 der Erregerleiterstruktur 14, um eine zweite Magnetfeldkomponente B _ljX in dem Sensorelement 20a des Magnetfeldsensors 10 zu erzeugen. In einem Schritt des Bestimmens 130 kann dann eine von der zweiten Magnetfeldkomponente B _ljX abhängige Größe mittels des Sensorelementes 20a bestimmt werden. Ferner wird dann ein Schritt des Ermitteins 140 des Erregerleiterabstands des Erregerleiters 15 oder 16 von dem Sensorelement 20a des Magnetfeldsensors 10, in Abhängigkeit von einem Erregerleiterzwischenabstand zwischen dem ersten Erregerleiter 15 und dem beabstandeten zweiten Erregerleiter 16 und den von den ersten und zweiten Magnetfeldkomponenten B _0>x und B _1;X abhängigen Größen, durchgeführt.

Ferner sollte angemerkt werden, dass obwohl manche Aspekte der Erfindung im Zusam- menhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, so dass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH- Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausfulirungsbeispie- le gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.

Allgemein können Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerpro- grammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzufuhren, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer oder einer Testeinrichtung abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein oder als Halbleiterschaltkreis implementiert sein.

Mit anderen Worten ist ein Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchfuhren eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, einen Mikroprozessor oder einen Mikrokontroller abläuft. Ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchfuhren eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.

Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebi- gen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein, eine für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC oder eine digitale Ablaufschaltung sein.