Mikro-Magnetfeldsensor, Mikro-Magnetfeldsensorvorrichtung sowie Verfahren

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Mikro-Magnetfeldsensor zur dreidimensionalen Detektion eines Magnetfeldes, eine entsprechende Mikro-Magnetfeldsensorvorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren. Sensoren zur Messung von Magnetfeldern werden auch als Magnetometer bezeichnet. Diese sind bereits in zahllosen Ausführungsformen bekannt. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Genauigkeit, ihrer Empfindlichkeit des zu messenden Magnetfeldes, ihrer Baugröße sowie ihrem Herstellungsaufwand. Um derartige Magnetometer auch mobil, das heißt in tragbaren Geräten, einsetzen zu können, beispielsweise um die genaue Richtung des Erdmagnetfeldes zu ermitteln bzw. die genaue Ausrichtung des tragbaren Gerätes oder eines Fahrzeugs gegenüber der Richtung des Erdmagnetfeldes zu bestimmen, sind besonders kompakte Ausführungen derartiger Magnetometer erforderlich. Hierzu ist es bekannt, miniaturisierte Magnetometer auf Substraten ähnlich eines integrierten Schaltkreises in vergleichbaren Dimensionen herzustellen. Derartige Magnetometer können dabei beispielsweise auf dem Hall-Effekt, dem anisotropen magnetoresistiven Effekt, dem Riesen-Magnetowiderstand-Effekt, dem Riesenmagnetoimpedanz-Effekt oder auf der Fluxgate-Technologie beruhen. Diese unterscheiden sich jedoch in den möglichen Messrichtungen für das Magnetfeld, die sie in Bezug auf eine Substratoberfläche realisieren können.

So sind Hall-Magnetometer, insbesondere wenn diese in einem elektronischen

Schaltkreis integriert sind, lediglich in der Lage, die Magnetfeldkomponente senkrecht zur Substratoberfläche zu messen. Der Anmelderin ist es darüber hinaus bekannt, dass diese auch eine Messung der beiden weiteren Raumrichtungen, das heißt in der Ebene des Substrats, messen können, allerdings mit einer deutlich verschlechterten Genauigkeit. Die auf den AMR-Effekt, dem GMR- Effekt, dem GMI-Effekt sowie der Fluxgate- Technologie beruhenden Magnetometer weisen zwar eine höhere Genauigkeit auf, können aber lediglich eine Richtung des Magnetfeldes in der Substratebene mit hoher Genauigkeit messen.

Des Weiteren ist es der Anmelderin bekannt, bei makroskopischen Magnetometern, das heißt Magnetometern, die sich nicht für einen mobilen Einsatz eignen, in jeweils einer Raumrichtung ein entsprechendes Sensorelement anzuordnen. Diese Lösung ist jedoch für miniaturisierte Magnetometer für den mobilen Einsatz nicht praktikabel bzw. nicht umsetzbar, da miniaturisierte Magetometer üblicherweise auf bzw. in integrierten Schaltungen bzw. Chips angeordnet werden und diese parallel zu bzw. auf einer Leiterplatte angeordnet werden. Aus der US 7,095,266 B2 ist ein auf dem AMR-Effekt basierender Sensor bekannt geworden, der senkrecht in einem typischen elektronischen Gehäuse angeordnet wird. Dies ist dadurch möglich, da der aktive Bereich bei AMR-Sensoren in der Ebene eines Substrats im Wesentlichen frei gewählt kann, so dass ein schmaler Chip möglich ist. Dieser kann einem typischen Gehäuse für einen Magnetfeldsensor senkrecht montiert werden, ohne dass dies eine wesentliche Erhöhung der Gehäusehöhe senkrecht zum Substrat erforderlich ist. GMI-, und/oder Fluxgate-Sensorelemente weisen eine langgestreckte im Wesentlichen rechteckförmige Geometrie aufgrund ihres

ferromagnetischen Kerns auf. Bei einer entsprechenden Anordnung würde dies zu einer erheblichen Vergrößerung der Höhe des Gehäuses für den Sensor führen. Es wurde deshalb in der WO 2008/016198 vorgeschlagen, die Fluxgate- und/oder GMI-

Sensorelemente in Richtung der Gehäusehöhe verkürzt auszubilden, so dass eine Erhöhung der Höhe des Gehäuses für das Magnetometer nicht erforderlich ist. Dabei unterscheiden sich dann die Sensorelemente für die jeweilige Richtung hinsichtlich ihrer Genauigkeit als auch bezüglich unerwünschter Effekte, wie Temperaturabhängigkeiten, Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen, Linearität, etc. , was die

Messgenauigkeit für das Magnetometer insgesamt vermindert.

Offenbarung der Erfindung In Anspruch 1 ist ein Mikro-Magnetfeldsensor zur dreidimensionalen Detektion eines Magnetfeldes definiert, umfassend zumindest drei Sensorelemente jeweils zur Messung zumindest einer Richtung des Magnetfeldes, wobei zumindest zwei Sensorelemente in einer ersten Ebene angeordnet sind und wobei zumindest das dritte Sensorselement in einer zweiten Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur ersten Ebene angeordnet ist, und wobei zumindest eines der Sensorelemente zu einer dritten Ebene, welche senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene angeordnet ist, in einem spitzen oder stumpfen Winkel angeordnet ist.

In Anspruch 6 ist eine Mikro-Magnetfeldsensorvorrichtung zur dreidimensionalen

Detektion eines Magnetfeldes definiert, umfassend zumindest einen mikromechanischen Sensor gemäß zumindest einem der Ansprüche 1-5, sowie Auswertemittel, die mit dem zumindest einen Sensor zur Auswertung von Messsignalen des zumindest einen mikromechanischen Sensors zusammenwirken.

In Anspruch 8 ein Verfahren zur dreidimensionalen Detektion eines Magnetfeldes definiert, umfassend die Schritte

Erfassen jeweils zumindest einer Richtung eines Magnetfeldes mittels jeweils zumindest eines Sensorelementes, wobei zumindest zwei Sensorelemente in einer ersten Ebene angeordnet sind und wobei zumindest das dritte Sensorselement in einer zweiten Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur ersten Ebene angeordnet ist, und wobei zumindest eines der Sensorelemente zu einer dritten Ebene, welche senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene angeordnet ist, in einem spitzen oder stumpfen Winkel angeordnet ist, Übermitteln der erfassten Richtungen des Magnetfeldes in Form von Messdaten der Sensorelemente an zumindest ein Auswertemittel, sowie

Auswerten der Messdaten durch das Auswertemittel zur dreidimensionalen Detektion des Magnetfeldes.

Unter Mikro-Magnetfeldsensor sind in der Beschreibung und insbesondere in den Ansprüchen, vorzugsweise miniaturisierte Magnetometer auf Substraten zu verstehen. Vorteile der Erfindung

Der erzielte Vorteil dabei ist, dass durch die Anordnung in einem spitzen oder stumpfen Winkel, also über die zumindest teilweise oder vollständig schräge Anordnung von zumindest einem Sensorelement alle drei Raumrichtungen dieses Magnetfeldes gemessen werden können und damit gleichzeitig ein reduziertes Volumen des Mikro- Magnetfeldsensors, insbesondere seiner Bauhöhe ermöglicht wird. Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den

Unteransprüchen beschrieben. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zumindest zwei

Sensorelemente in der ersten und/oder zweiten Ebene symmetrisch insbesondere spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit zum einen die Anordnung der Sensorelemente einfach und kostengünstig erfolgen kann, zum anderen wird dadurch ebenfalls sichergestellt, dass aufgrund sich ändernder

Umweltbedingungen, die Sensorelemente in gleicher Weise Änderungen bzw.

Abweichungen erfahren. Damit kann die Messung eines Magnetfeldes zuverlässiger erfolgen.

Die Anordnung der Sensorelemente der ersten und zweiten Ebene zueinander kann weiter, insbesondere in Bezug auf die dritte Ebene im Wesentlichen, gleich sein. Damit kann die Zuverlässigkeit der Messung des Magnetfeldes erhöht und die Anordnung der Sensorelemente noch weiter vereinfacht werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein

Sensorelement parallel zu zumindest zwei der drei Ebenen angeordnet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit auf äußerst zuverlässige Weise das Sensorelement zumindest eine Richtung des Magnetfeldes messen kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das zumindest ein Sensorelement als GMI- oder Fluxgate-Sensorelement ausgebildet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit eine hohe Genauigkeit bei der Messung des Magnetfeldes durch das Sensorelement ermöglicht wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Mikro-Magnetfeldsensorvorrichtung sind die Auswertemittel in Form eines ASIC und/oder zumindest ein Sensorelement auf einem Chip angeordnet, wobei der ASIC und/oder der zumindest eine Chip im

Wesentlichen in der dritten Ebene angeordnet ist. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass somit eine äußerst kompakte Mikro-Magnetfeldsensorvorrichtung ermöglicht wird. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei zeigt

Figur 1 verschiedene Anordnungen von Sensorelementen auf einem Chip in einer Draufsicht gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 2a-d vier Ausführungsformen einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 3 Schritte eines Verfahren gemäß einer Ausführungsform der

vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt verschiedene Anordnungen von Sensorelementen auf einem Chip in einer Draufsicht gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Figur 1 bezeichnen Bezugszeichen 1 a sowie 1 b Fluxgate-Sensorelemente. Die Fluxgate-Sensorelemente 1 a, 1 b weisen jeweils einen Kern 2 und eine Spule 3 auf, welche um den Kern 2 gewickelt ist. Auf der unteren Seite des Chips Ci sind Anschlüsse respektive Pads 10 angeordnet, die (zur elektrischen Verbindung mit einem

Auswertemittel beispielsweise in Form eines ASIC dienen Verbindungen über Leiterplatte 5 sind in Figur 2 nicht abgebildet). Fluxgate-Sensorelemente weisen im Allgemeinen im Wesentlichen jeweils zwei unterschiedliche Wicklungen auf, die in Figur 1 a als eine gemeinsame Wicklung 3 dargestellt sind. Für jede Wicklung 3 sind zwei Anschlüsse erforderlich, so dass bei den zwei in Figur 1 dargestellten Fluxgate-Sensorelementen 1 a, 1 b jeweils vier Anschlüsse resultierend in vier Pads 10 erforderlich sind. Insgesamt weist somit der Chip Ci bzw. C ₂ insgesamt acht Pads 10 auf. Der Chip Ci ist dabei im

Wesentlichen gemäß Figur 1 a rechteckförmig ausgebildet. In der Draufsicht gemäß Figur 1 a sind die beiden Fluxgate-Sensorelemente 1 a, 1 b zusammen mit den Pads 10 im Wesentlichen in Form eines gedachten aufrechten Dreiecks angeordnet. Die Fluxgate- Sensorelemente 1 a, 1 b bilden dabei die schräg nach oben gemäß Figur 1 a zulaufenden Seiten des Dreiecks wohingegen die Pads 10 die Grundseite des Dreiecks bilden. Die Pads 10 sind also dabei an der unteren, längeren Seite des rechteckförmigen Chips Ci angeordnet. Die Fluxgate-Sensorelemente 1 a, 1 b bilden dabei einen Winkel 100, 101 mit der längeren Seitenkante des rechteckförmigen Chips Ci und die Wnkel 100, 101 , gemäß Figur 1 a betragen dabei im Wesentlichen 45°. Darüber hinaus sind ebenfalls andere Winkelwerte für den Wnkel 100, 101 möglich: Beispielsweise bei einem spitzen Winkel 100, 101 sind die Werte 15°, 30° oder 50°, 60° oder 75° möglich, bei einem stumpfen Winkel 100, 101 sind Werte 120°, 135°, 140°, etc. möglich. Selbstverständlich ist auch jeder andere beliebige entsprechende Wert für einen stumpfen bzw. spitzen Wnkel 100, 101 möglich, beispielsweise 1 15,36°.

In Figur 1 b ist ein Chip C ₂ gezeigt, der im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der Chip Ci gemäß Figur 1 a aufweist. Im Unterschied zu Figur 1 a ist nun das zweite Fluxgate- Sensorelement 1 b parallel zu den Pads 10 als auch parallel zu einer der längeren Seiten des rechteckförmigen Chips C ₂ angeordnet.

In Figur 1c ist wiederum ein Chip C ₃ gezeigt, der im Wesentlichen denselben Aufbau wie der Chip Ci der Figur 1a aufweist. Im Unterschied zu Figur 1a bzw. ebenfalls Figur 1 b weist der Chip C ₃ lediglich ein Fluxgate-Sensorelement 1 a auf, welches in einem Winkel 101 gegenüber einer längeren Kante des rechteckförmigen Chips C ₃ . Der Winkel 101 beträgt ebenfalls im Wesentlichen 45°. Darüber hinaus sind ebenfalls andere Winkelwerte für den Winkel 101 möglich: Beispielsweise bei einem spitzen Winkel 101 sind die Werte 15°, 30° oder 50°, 60° oder 75° möglich, bei einem stumpfen Winkel 101 sind Werte 120°, 135°, 140°, etc. möglich. Selbstverständlich ist auch jeder andere beliebige

entsprechende Wert für einen stumpfen bzw. spitzen Wnkel 101 möglich, beispielsweise 1 15,36°.

Figur 2a-d zeigt vier Ausführungsformen einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Figur 2 sind nun in dreidimensionaler

schematischer Ansicht eine Anordnung von Chips Ci , Ci', C ₂ , C ₂ ', C ₄ , C ₃ gezeigt zusammen mit einer Auswerteeinheit in Form eines ASIC 4. Die jeweiligen Chips Ci , C ₂ , Ci', C ₂ ', C ₃ , C ₄ sind dabei wie auch der ASIC 4 auf einer Leiterplatte 5 angeordnet.

In Figur 2a ist ein quaderförmiger ASIC 4 gezeigt, welcher an seinen Längsseiten jeweils sechs Pads 11 aufweist. Der ASIC 4 ist dabei auf einer Leiterplatte 5 angeordnet. Parallel zu seiner einen Längskante und parallel zu einer Querkante ist jeweils ein quaderförmiger Chip Ci , Ci' angeordnet, welcher im Wesentlichen den Aufbau gemäß des Chips Ci der Figur 1a aufweist. Die Pads 10 der Chips Ci , Ci' sind in Figur 2a mit der Leiterplatte 5 verbunden, die Fluxgate-Sensorelemente 1a, 1 b sind dabei in einer Ebene des Chips Ci , Ci' angeordnet, welche senkrecht zur Ebene der Leiterplatte 5 angeordnet ist. In Figur 2b ist eine entsprechende Anordnung gemäß Figur 1a gezeigt, wobei die Chips Ci , Ci' gemäß Figur 1a durch Chips C ₂ , C ₂ ' an den entsprechenden Positionen auf der Leiterplatte 5 angeordnet. Der Aufbau der Chips C ₂ , C ₂ ' entspricht dem Chip C ₂ der Figur 1 b.

In Figur 2c ist eine weitere Anordnung von Chipelementen C ₄ , C ₃ gezeigt. Auf der rechten Seite der Leiterplatte 5 ist der ASIC 4 mit Pads 11 gezeigt. An der linken Querkante sind im Bereich seiner unteren Längskante ein Chip C ₄ mit Fluxgate-Sensorelement 1 b gezeigt, welches im Wesentlichen dem Aufbau des Chips C ₃ gemäß Figur 1c entspricht, wobei des ASIC 4 das Fluxgate-Sensorelement 1 b im Unterschied zu dem Fluxgate- Sensorelement der Figur 1c parallel zur Längskante des Chips C ₄ angeordnet ist. Das Fluxgate-Sensorelement 1 b des Chips C ₄ misst gemäß Figur 2c also in Richtung des Magnetfeldes parallel zur Längskante des ASIC 4 in einer Ebene parallel zur Leiterplatte 5. Auf der linken Seite des Chips C ₄ ist ein weiterer Chip C ₄ mit einem Fluxgate- Sensorelement 1a auf der Leiterplatte 5 angeordnet. Es ist gegenüber dem Fluxgate- Sensorelement 1 b des Chips C ₄ um 90° in der Ebene der Leiterplatte 5 gedreht angeordnet und misst daher Änderungen des Magnetfeldes in der Ebene der Leiterplatte 5 parallel zu einer der Querkante des ASIC 4. Parallel zur Längskante des Chips C ₄ mit Fluxgate-Sensorelement 1 b ist in Figur 2c im Hintergrund ein Chip C ₃ gemäß Figur 1c angeordnet. Die Pads 10 sind dabei wiederum mit der Leiterplatte 5 verbunden. Der Winkel 101 (siehe Figur 1 c) ist dabei zwischen dem Fluxgate-Sensorelement 1 c und Leiterplatte 5 angeordnet und beträgt im Wesentlichen ca. 45°. Darüber hinaus sind ebenfalls andere Wnkelwerte für den Wnkel 101 möglich: Beispielsweise bei einem spitzen Wnkel 101 sind die Werte 15°, 30° oder 50°, 60° oder 75° möglich, bei einem stumpfen Winkel 101 sind Werte 120°, 135°, 140°, etc. möglich. Selbstverständlich ist auch jeder andere beliebige entsprechende Wert für einen stumpfen bzw. spitzen Winkel 101 möglich, beispielsweise 50,47°.

In Figur 2d ist nun im Wesentlichen eine Anordnung gemäß Figur 2c gezeigt. Im

Unterschied zur Figur 2c ist auf der rechten Seite der Leiterplatte 5 im Vordergrund der ASIC 4 mit Pads 11 angeordnet und im Hintergrund auf der rechten Seite der Leiterplatte 5 der Chip C ₃ mit Fluxgate-Sensorelement 1 c. Links des ASIC 4 bzw. des Chips C ₃ ist ein Chip Ci gemäß Figur 1a angeordnet. Die beiden Fluxgate-Sensorelemente 1 a, 1 b sind dabei im Unterschied beispielsweise zur Ausführungsform der Figur 2a in einer zur Leiterplatte 5 parallelen Ebene angeordnet. Sämtliche Chips der Figuren 2a-d sind im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und mit zumindest einer Kante parallel zum jeweiligen anderen Chip bzw. ASIC angeordnet.

Figur 3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Figur 3 bezeichnet Bezugszeichen Si den Schritt: Erfassen jeweils zumindest einer Richtung eines Magnetfeldes mittels jeweils zumindest eines Sensorelementes, wobei zumindest zwei Sensorelemente in einer ersten Ebene angeordnet sind und wobei zumindest das dritte Sensorselement in einer zweiten Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur ersten Ebene angeordnet ist, und wobei zumindest eines der

Sensorelemente zu einer dritten Ebene, welche senkrecht zu der ersten und zweiten Ebene angeordnet ist, in einem spitzen oder stumpfen Winkel angeordnet ist,

Bezugszeichen S ₂ den Schritt: Übermitteln der erfassten Richtungen des Magnetfeldes in Form von Messdaten der Sensorelemente an zumindest ein Auswertemittel, sowie

Bezugszeichen S ₃ den Schritt: Auswerten der Messdaten durch das Auswertemittel zur dreidimensionalen Detektion des Magnetfeldes.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.