(57)【要約】  本発明は、磁場の２つ又は３つの成分を測定するための磁場センサー装置（１０）に関する。このため、装置（１０）は、２つのハーフブリッジ（１６）を有する少なくとも１つのホイートストンブリッジ（１４）を備え、各ハーフブリッジ（１６）は、少なくとも２つのブリッジ抵抗器（３０）を有し、２つのブリッジ抵抗器（３０）の少なくとも１つは、Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置する磁場成分（３４）に関する磁場感応性抵抗器（１８）である。２つの磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）間に、強磁性体の磁束集中素子（２２）が対称に配置され、磁束集中素子（２２）は、Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に対して垂直に配向されたＺ磁場成分（２４）に対して非対称な磁場成分と、Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置する磁場成分とを生成する。付加的な観点は、このような磁場センサー装置（１０）により外部磁場の２次元又は３次元の配向を決定するための方法を提案する。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場の２つ又は３つの成分を決定するための磁場センサー装置（１０）であって、２つのハーフブリッジ（１６）を有する少なくとも１つのホイートストンブリッジ（１４）を備え、前記各ハーフブリッジ（１６）が少なくとも２つのブリッジ抵抗器（３０）を有し、前記２つのブリッジ抵抗器（３０）の少なくとも１つがＸ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置する磁場成分（３４）に関する磁場感応性抵抗器（１８）である磁場センサー装置（１０）において、
前記２つの磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）間に強磁性体の磁束集中素子（２２）が対称に配置され、該磁束集中素子（２２）は、前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に対して垂直に配向されたＺ磁場成分（２４）に関して、前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置する非対称な磁場成分を生成することを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）は、ＡＭＲ抵抗器、ＧＭＲ抵抗器、又はＴＭＲ抵抗器であることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記ブリッジ抵抗器（１８，３０）の前記回路構造、又は、少なくとも１つのハーフブリッジ（１６）の供給電圧は、個別に切り替え可能であることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）の少なくとも１つ、好ましくは全てが切替可能な抵抗特性曲線（３６）を有することを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項５】
請求項４に記載の磁場センサー装置（１０）において、
少なくとも１つの予磁化切替ユニット、特に、フリップ伝導体を備え、前記予磁化切替ユニットは、少なくとも１つの磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）の前記抵抗特性曲線（３６）の定義のために前記ブリッジ抵抗器の内部磁化のフリッピング、すなわち、磁性反転をすることができることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記ホイートストン測定ブリッジ（１４）の全ての抵抗器（３０）は、磁場感応性抵抗器（１８）であることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
２つのホイートストン測定ブリッジ（１４ａ、１４ｂ）を備え、前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置する、前記２つの測定ブリッジ（１４ａ、１４ｂ）の測定感応性磁場成分（３４）の配向は互いに対して垂直であることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記強磁性体の磁束集中素子（２２）は、鉄、コバルト、ニッケル、ＡｌＮｉＣｏ、ＳｍＣｏ、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ、Ｎｉ８０Ｆｅ２０などの強磁性体の合金、ＮｉＦｅＣｏ合金、又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記強磁性体の磁束集中素子（２２）は、前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）において対称の形態、特に、ミラー対称、又は回転対称の形態、特に、長方形、特に、正方形の形態を有し、前記磁束集中素子（２２）の側端は、好ましくは前記Ｘ／Ｙ方向に配向されていることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記磁束集中素子（２２）の上表面又は下表面が前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置することを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）により磁場の２つ又は３つの成分を決定するための方法において、
２つのハーフブリッジ（１６）においてＸ／Ｙセンサー面に位置する磁場センサー成分（３４）は、大きさの第１変化における前記ハーフブリッジ（１６）の中央タップにおける電圧変化Ｕ１、Ｕ２を引き起こし、前記Ｘ／Ｙセンサー面に対して垂直なＺ方向において、大きさの第２変化における異なる電圧変化を引き起こすことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
前記２つのハーフブリッジ（１６）の互いに関連付けられた磁場感応性抵抗器（１８）の抵抗特性曲線の少なくとも１つの切り替え、特に、ペアでの切り替え、又は、前記ブリッジ抵抗器（１８，３０）の回路構造の切り替えを少なくとも１つのハーフブリッジ（１６）において行い、第１状態Ｍ１、Ｍ３において、Ｘ／Ｙに位置する磁場成分（３４）は、互いに対応する磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）の逆向きの抵抗プロファイルにより測定可能であり、第２状態Ｍ２、Ｍ４において、Ｚ方向に位置する磁場成分（２４）は、互いに対応する磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）の同じ向きの抵抗プロファイルにより測定可能であることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法において、
前記状態の切り替えは、順序Ｍ１、Ｍ２、Ｍ１及びＭ２、又は、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４で行われることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１０、１１、又は１２に記載の方法において、
前記測定ブリッジ（１４）の電圧オフセットは、評価ユニットにより除去されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場の２つ又は３つの成分を測定するための磁場センサーに関する。磁場感応性測定素子は、磁気抵抗性の抵抗素子又はホール素子の形態であってもよい。この構造は、例えば、電子コンパスの実現のための低い強度の磁場の測定に適している。
【背景技術】
【０００２】
上記のような構造は既知である。例えば、独国特許出願公開第１０２００９００８２６５号明細書に、磁気的に軟らかい磁束ガイドの適切な構成により外部磁場の複数の成分を測定することが可能な構造が記載されている。この場合、センサー面に位置する成分の各々を測定するために、センサー素子と磁束ガイドとからなるユニットが必要とされる。垂直成分を測定するために、追加のセンサー素子が必要とされ、この場合、センサーの場所にセンサー面に位置する水平な磁場成分も形成され、この磁場成分をセンサー素子によって認識できるように、被測定磁場の垂直成分は適切な磁束ガイドによって誘導すなわち偏向される。
【０００３】
独国特許出願公開第１０２００８０４１８５９号明細書に、磁場センサー面に対して垂直に配向されたＺ磁場成分を測定するための構造が記載されている。この構造では、複数のセンサー素子が磁場センサー素子ユニットを形成するように相互接続され、特に環状の磁束ガイド素子の周囲に配置されている。磁束ガイド素子を用いて生じた水平で対称な補償磁場成分を、Ｚ磁場成分の磁束ガイド素子の外周における磁場不均一性に基づいて、磁束ガイド素子に隣接して配置されたセンサー素子によって決定することにより、垂直なＺ磁場成分を間接的に測定することが提案されている。更なるセンサー素子は、Ｘ／Ｙ磁場センサー面における磁場成分を決定することができ、この場合、３次元磁場測定のために、少なくとも３つの異なる磁場センサー素子ユニットが設けられている。複数のセンサー素子の使用により、測定精度及び干渉耐性を向上することができる。上記方法の欠点は、典型的なコンパス用途において必要とされるような、複数の磁場成分を認識するために必要とされる所要空間である。
【０００４】
従来技術によると、磁場センサー装置のデザインのために、「サインポール構造」、すなわち、アルミニウム、銅、金、又は銀などの極伝導性の材料からなる薄い伝導性の構造をＡＭＲ測定ストリップ上に配置することが知られている。サインポール構造は、ＡＭＲ抵抗ストリップの長手方向延長部に対して４５°に配向されている。この場合、抵抗ストリップを流れる電流は、図２に示すように、ストリップの長手方向延長部に対して４５°方向に強制される。これにより、電流ベクトルの配向に対する抵抗の依存性を示す図１の曲線は、図２に示すように、線形化された領域に変換され得るように磁場ベクトルに対して４５°シフトされる。サインポール構造の配向の関数として、抵抗と被測定磁場の大きさとの間で線形化のための正又は負の側面が生じる。
【０００５】
サインポール構造に基づく磁場センサー装置は、例えば、独国特許出願公開第３４４２２７８Ａ１号から知られている。これによると、様々に配向されたサインポール構造を有する４つのこのような磁場センサー装置がホイートストン測定ブリッジにおいて相互接続され、この場合、巨視的な磁気コイルにより生成される外部磁場は、外部磁場Ｈｅに対する線形化された抵抗依存性を生じさせるために、抵抗ストリップの内部磁化Ｍ０を予磁化する。
【０００６】
このようなデザインの向上については、例えば、独国特許第４３１９１４６Ｃ２号に記載されている。この文献は、サインポール構造を有する一連のＡＭＲ抵抗装置をフリップ電流の貫流する伝導体に沿って配置することを提案しており、フリップ電流伝導体は、予磁化Ｍ０をＡＭＲ測定ストリップの長手方向に引き起こす。内部磁化のフリッピング、すなわち逆転により、抵抗挙動を再配向又は較正することができる。この構造は、外部磁場の１成分を正確に測定することができる。センサー面に位置する第２成分を測定するためには、９０°旋回された更なる抵抗装置を備えることで十分である。更なる成分を測定するために、対応する追加の所要空間を有する更なる構造を設ける必要がある。磁場の３次元推移を決定するために、３つの磁場センサー素子ユニットが、互いに対してそれぞれ９０°シフトされたホイートストン測定ブリッジの形態で一般的に設けられている。したがって、各センサー素子測定ブリッジは、１成分を測定することができ、この場合、測定ブリッジは、Ｘ、Ｙ、及びＺの方向に配向されている必要がある。特に、Ｚ方向、すなわち、チップ基板又はＰＣＢ基板に対して垂直な構造は、大きな構造空間を必要とし、３Ｄセンサーの製造のための製造技術的な複雑さが増す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記従来技術に基づき、簡単に製造でき、センサー素子面における磁場成分とそれに対して垂直な成分との双方を決定することができる２Ｄ又は３Ｄのセンサーを提案するという課題が生じる。本発明の更なる課題は、磁場の複数の成分の小型の干渉耐性のある測定を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、主請求項１に記載の構造により達成される。有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。
【０００９】
本発明は、磁場の２つ又は３つの成分を決定するための磁場センサー装置を提案し、この磁場センサー装置は、２つのハーフブリッジを有する少なくとも１つのホイートストンブリッジを備え、各ハーフブリッジが少なくとも２つのブリッジ抵抗器を有する。２つのブリッジ抵抗器の少なくとも１つは、感応性方向がＸ／Ｙ面に位置する磁場感応性抵抗器である。２つの磁場感応性ブリッジ抵抗器間に強磁性体の磁束集中素子が対称に配置され、この磁束集中素子は、Ｘ／Ｙ磁場センサー面に対して垂直に配向されたＺ磁場成分に関して、Ｘ／Ｙ磁場センサー面に位置する非対称な磁場成分を生成する。
【００１０】
言い換えると、ホイートストン測定ブリッジの少なくとも２つのハーフブリッジが提案され、ハーフブリッジのブリッジ抵抗器は、磁気的に軟らかい磁束ガイドユニットに対向して配置された磁気抵抗性素子を備える。この場合、磁気抵抗性素子の磁化の方向、及び、それによるセンサー素子の感応性方向は、ほぼ平行又は非平行に設定可能である。対向するハーフブリッジは、「ホイートストン測定ブリッジ」を形成するように相互接続可能である。
【００１１】
本発明の解決策の説明を簡単化するため、以下では、前記面に位置する成分をＸ成分、センサー構造に対して垂直に位置する成分をＺ成分と称する。センサー素子の感応性方向は、Ｚ方向と見なされる。
【００１２】
磁場のＸ／Ｙセンサー面に位置する磁場成分は、Ｘ方向に位置する成分により、感磁ブリッジ抵抗器における第１抵抗挙動を２つのハーフブリッジにおいて引き起こす。第１抵抗挙動は、ブリッジの中心タップ間の差圧ΔＵ＝Ｕ１−Ｕ２、又は、基準電位Ｕ０に関する中央タップの電圧変化Ｕ１、Ｕ２に作用する。Ｚ磁場成分は、磁束集中素子により２つの非対称磁場成分を引き起こし、非対称磁場成分は、Ｘ／Ｙセンサー面に位置し、感磁ブリッジ抵抗器における第２抵抗挙動を引き起こす。したがって、Ｘ磁場成分上の中央タップ電圧Ｕ１、Ｕ２の抵抗挙動が知られている場合は、適切な評価電子機器によりＸ磁場成分及びＺ磁場成分の双方の大きさを決定することができる。磁化の方向は、２つのハーフブリッジの信号成分が完全なブリッジにおいて加法的であるように設定されるので、この構造は、Ｘ成分に対して感応性がある。磁束ガイドユニットが設けられているため、ハーフブリッジに存在する任意のＺ成分は、符号が真逆の成分を提供し、したがって、これらの成分は、完全なブリッジにおける信号成分の加算に基づき、信号全体には寄与しない。
【００１３】
したがって、本発明の構造により、互いに垂直な２つの磁場成分を、少なくとも１つのハーフブリッジにおける感応性方向が切替可能であることによって認識できるようになる。
【００１４】
有利な一形態では、磁場感応性ブリッジ抵抗器は、ＡＭＲ抵抗器、ＧＭＲ抵抗器、又はＴＭＲ抵抗器であってもよい。これらの抵抗器は、オーム抵抗の変化を伴う磁場成分の変化に反応する磁場感応性優先方向を有している。ＡＭＲ抵抗器の抵抗特性曲線挙動は、抵抗特性曲線をＸ成分及びＺ成分の評価のために切替可能に変更することができるように、内部予磁化に影響することにより影響を受けることがある。
【００１５】
有利な一形態では、１つのハーフブリッジの少なくともブリッジ抵抗器の回路構造は、個別に切り替え可能であってもよい。これにより、Ｘ磁場成分の場合の効果とＺ磁場成分の場合の効果とを区別できるように、変更された抵抗挙動がＸ成分に関して生じる。
【００１６】
有利な一形態では、磁場感応性ブリッジ抵抗器の少なくとも１つ、好ましくは全てが切替可能な抵抗特性曲線を有していてもよい。少なくとも１つの磁気抵抗性ブリッジ素子における磁化の内部方向を切り替えることにより、及び、これら２つ以上のハーフブリッジによる適切な信号評価により、水平な磁場成分、つまり、センサー面に位置する成分と、センサー面に対して垂直に位置する成分との双方を測定することが可能になる。
【００１７】
磁化の方向、したがって、１つのハーフブリッジにおける感応性方向が、Ｘ方向における磁場成分の存在の下で各寄与が完全なブリッジにおける差分計算によって正確に打ち消されるように設定されている場合、この構造は、この状態においてＸ方向における成分に対する感応性を有していない。しかしながら、被測定磁場にＺ成分が存在する場合、Ｚ成分はハーフブリッジにおいて逆の符号の寄与を行う。したがって、完全なブリッジにおける差分計算によって、被測定磁場のＺ成分のための測定信号が生じる。
【００１８】
有利な一形態は、少なくとも１つの予磁化切替ユニット、特に、フリップ伝導体を備えていてもよく、予磁化切替ユニットは、少なくとも１つの磁場感応性ブリッジ抵抗器の抵抗特性曲線の定義のための内部磁化のフリッピング、すなわち、磁性反転をすることができる。例えば、螺旋状又は蛇行状に磁場感応性ブリッジ抵抗器の下又は上にガイドされていてもよいフリップ伝導体、特に、各磁場感応性ブリッジ抵抗器に個々に割り当てられたフリップ伝導体を用いて、フリップ磁場が生成され得る。フリップ磁場により、ブリッジ抵抗器の内部予磁化状態が変更され、それにより、図２に示す抵抗特性曲線挙動を、短期的なフリップ電流パルスを指定することにより磁場感応性ブリッジ抵抗器の各々について個別に変更することができる。
【００１９】
基本的に、４つのブリッジ抵抗器のうちの２つが感磁性の構成であれば十分である。これらは、抵抗測定ブリッジの２つのハーフブリッジの下側の２つのブリッジ抵抗器、上側の２つのブリッジ抵抗器、又は対角線上に配置されたブリッジ抵抗器であってもよい。有利な一形態では、ホイートストン測定ブリッジの全ての抵抗器が磁場感応性抵抗器であってもよい。このようにすると、磁場センサー装置の感応性が向上する。
【００２０】
有利な一形態では、２つのホイートストン測定ブリッジが備えられていてもよく、Ｘ／Ｙ磁場センサー面に位置する、２つの測定ブリッジの測定感応性磁場成分の配向は、直角に、すなわち、互いに対して垂直に選択される。２つの測定ブリッジは、１つの測定ブリッジがＸ方向における磁場成分に対して感応性があり、他の測定ブリッジがＹ方向における磁場成分について感応性があるように、Ｘ／Ｙ面において互いに９０°オフセットされている。Ｚ成分は、２つの測定ブリッジが磁束集中素子を中心として対称に配置されているならば、２つの測定ブリッジに対して影響を有していてもよい。したがって、Ｚ成分は、２つのホイートストン測定ブリッジを用いて決定される。Ｚ成分の２つの値は、Ｚ成分の決定の際に比較的高い精度を達成するために平均化され得ることが有利である。あるいは、２つの測定ブリッジの１つについてのみＺ磁場成分を測定可能であるように、個々の測定ブリッジのハーフブリッジが磁束集中素子に関して対称に配置されていることが考えられる。
【００２１】
磁束集中素子の磁束に影響する作用は、非常に高い磁気透過性μであり、これにより、Ｚ磁場成分は、Ｚ磁束密度の不均一性が有利には直方体又は立方体の磁束集中素子の端部領域において生じるように、磁束集中素子へ文字通り引き込まれ、すなわち集束される。その結果、図３に示すように、Ｚ磁場成分の磁束ガイド集中により、Ｘ／Ｙ磁場成分に位置する磁場成分が、板状であることが有利な磁束集中素子の周縁部に沿って発生し、磁束集中素子の端部に対して垂直に向かうか、又は端部から垂直に離れる。有利な一形態では、強磁性体の磁束集中素子は、鉄、コバルト、ニッケル、ＡｌＮｉＣｏ、ＳｍＣｏ、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ、Ｎｉ８０Ｆｅ２０（パーマロイ）などの強磁性体の合金、ＮｉＦｅＣｏ合金、又はこれらの組み合わせからなっていてもよい。強磁性体の磁束集中素子は、非常の大きなＺ磁場成分磁束密度が磁束集中素子の縁領域において不均一になり得るように、上昇した磁気感受性と、それに伴う上昇した誘電率μとを有する。
【００２２】
有利な一形態では、強磁性体の磁束集中素子は、Ｘ／Ｙ磁場センサー面において対称の形態、特に、ミラー対称又は回転対称の形態、特に、長方形、特に、正方形の形態を有していてもよく、磁束集中素子の側端はＸ／Ｙ方向に配向されている。対称の形態により、Ｚ磁場成分による非対称なＸ／Ｙ磁場成分の形成は、Ｚ磁場成分による抵抗測定ブリッジのハーフブリッジにおける抵抗が対称に変化するように促進される。磁束集中素子は、直方体又は立方体の形態で形成されていることが好ましい。磁束集中素子の好ましい寸法は、１００μｍ〜１０００μｍの範囲である。
【００２３】
有利な一形態では、磁束集中素子の上表面又は下表面はＸ／Ｙ磁場センサー面に位置していてもよい。Ｘ／Ｙ磁場センサー面は、チップ基板表面又はボード基板表面に対して平行に配向された面を規定し、この面に磁場感応性抵抗器が配置され、この面において、この面に位置する磁場成分の感応性が最大になる。図３において分かるように、Ｚ磁場成分の推移は、磁束集中作用により磁束集中素子の下表面及び上表面において最大のＸ及びＹ磁場成分が生じるように、磁束集中素子の上表面及び下表面の領域において最大に偏向されている。磁束集中素子の上表面又は下表面の面にＸ／Ｙ磁場センサー面を配置することにより、Ｚ磁場成分の変化に関する最高の磁場感応性を達成することができる。
【００２４】
二次的観点では、上記磁場センサー装置により磁場の２つ又は３つの成分を決定するための方法が提案され、２つのハーフブリッジにおいてＸ／Ｙセンサー面に位置する磁場センサー成分は、大きさの第１変化におけるハーフブリッジの中央タップにおける電圧変化Ｕ１、Ｕ２を引き起こし、Ｘ／Ｙセンサー面に対して垂直なＺ方向において、大きさの第２変化における異なる電圧変化を引き起こす。したがって、センサー面に位置する磁場成分は、２つのハーフブリッジの感磁抵抗器に対して同一の影響を有している。抵抗器の抵抗特性曲線プロファイルとハーフブリッジに対するその割り当てとに応じて、ハーフブリッジ中央タップ電圧Ｕ１、Ｕ２は、差圧ΔＵが上昇又は最小化されるように変化する。Ｚ磁場成分は、感磁抵抗器に対して逆方向に作用する非対称の磁場成分をセンサー面に引き起こす。このことは、中央タップ電圧Ｕ１、Ｕ２の相反する挙動を引き起こす。したがって、測定ブリッジの抵抗挙動に対するＺ磁場成分の影響は、センサー面に位置する外部磁場成分の影響に対抗している。評価電子機器は、この対抗する抵抗変化を認識し、特定の抵抗挙動が分かっているならば、Ｚ成分の大きさとＸ又はＹ成分の大きさとの双方を推定することができる。したがって、個々の測定ブリッジにより、互いに垂直な２つの磁場成分を認識することができる。この場合、一方の成分はセンサー面に在り、他方の磁場成分は前記一方の成分に対して垂直である。
【００２５】
方法の有利な一形態によれば、２つのハーフブリッジの互いに関連付けられた磁場感応性抵抗器の抵抗特性曲線の少なくとも１つの切り替え、特に、ペアでの切り替え、又は、ブリッジ抵抗器の回路構造の切り替えを少なくとも１つのハーフブリッジにおいて行ってもよいか、又は、供給電圧の切り替えを少なくとも１つのハーフブリッジにおいて行ってもよく、この場合、第１状態Ｍ１、Ｍ３において、Ｘ／Ｙに位置する磁場成分は、互いに対応する磁場感応性ブリッジ抵抗器の逆向きの抵抗特性曲線プロファイルにより測定可能であり、第２状態Ｍ２、Ｍ４において、Ｚ方向に位置する磁場成分は、互いに対応する磁場感応性ブリッジ抵抗器の同じ向きの抵抗特性曲線プロファイルにより測定可能である。状態Ｍ１は、抵抗測定ブリッジの２つのハーフブリッジの２つの互いに割り当てられた磁場感応性抵抗器の逆向きの抵抗特性曲線として定義されてもよい。したがって、例えば、Ｘ磁場成分が生じる場合、第１ハーフブリッジの第１磁場感応性抵抗器において抵抗が上昇し、第２ハーブブリッジの第２磁場感応性抵抗器の抵抗は低下するということが引き起こされる。両抵抗器がハーフブリッジの下部抵抗器として配置されている場合、差圧ΔＵ＝Ｕ１−Ｕ２が上昇する。Ｚ磁場成分は、非対称のＸ磁場成分を引き起こし、その結果、差圧ΔＵがゼロに向かって低下する。状態Ｍ３は、同様に定義されてもよく、この場合、第１及び第２抵抗器は、第１状態Ｍ１に対して、抵抗特性曲線の逆の挙動を示す。状態Ｍ１において、＋Ｘ方向に配向された成分は、正の差圧ΔＵ＞０となり、状態Ｍ３において負の差圧ΔＵ＜０となる。Ｚ成分は、差圧ΔＵ≒０を最小化する状態Ｍ２及び／又はＭ４は、第１ハーフブリッジの下部抵抗器及び第２ハーフブリッジの下部抵抗器の抵抗特性曲線の同じ向きの挙動を意味する。したがって、Ｘ磁場成分は差圧ΔＵ≒０の最小化を引き起こし、Ｚ磁場成分は、正の差圧ΔＵ＞０（状態Ｍ２）又は負の差圧ΔＵ＜０を引き起こす。
【００２６】
好ましい方法によると、状態の切り替えは、順序Ｍ１、Ｍ２、Ｍ１及びＭ２、又は、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４で行われてもよい。例えば、所定の状態順序での順次切り替えにより、Ｘ及びＺ磁場成分の大きさを個別に考えることができる。この場合、状態Ｍ１、Ｍ３において、差圧は、Ｘ成分の大きさ及び符号についての情報を提供することができ、状態Ｍ２、Ｍ４において、Ｚ成分の大きさ及び符号についての情報を提供することができる。
【００２７】
測定ブリッジの電圧オフセットは、評価ユニットにより除去され得ることが有利である。評価ユニットは、所定の状態Ｍ１〜Ｍ４を、例えばフリップ電流パルスの出力、又は、ブリッジ抵抗器間の回路技術的な接続、若しくはハーフブリッジ電圧の極性の切り替えによって設定することができ、続いて、差圧ΔＵ又はハーフブリッジ電圧Ｕ１、Ｕ２を記録する。複数の状態の切り替えの頻度は、用途に応じて、数ヘルツの領域からｋＨｚ領域までである。抵抗器の製造技術的な不均一性により引き起こされ、磁場の無い状態で決定可能な２つのハーフブリッジ電圧の間のオフセットは、磁場測定の精度を高くするために、評価ユニットにより考慮され、除去されてもよい。
【００２８】
磁場センサー装置の定義のためのさらに考えられるパラメータは、チップ及び磁束ガイド素子の寸法、チップ又はハーフブリッジ抵抗器の磁束ガイド素子に対する間隔、又は、オフセットも決定し且つ除去するための磁化の順次切り替えの詳細である。磁束ガイド素子は、個別のユニットとして構成されていてもよく、厚膜法、電解メッキ、または印刷などのプロセスにより、チップ基板又はボード基板に設けられてもよい。
【００２９】
更なる利点は、本図面の説明から生じる。図面において本発明の実施形態を示す。図面、明細書、及び請求項は、複数の特徴を組み合わせて有している。当業者は、これらの特徴を、目的に応じて個別に考慮し、意味のある更なる組み合わせに組み合わせもする。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、サインポール構造を有する従来技術の抵抗ストリップを示す図である。
【図２】図２は、サインポール構造を有する従来技術の抵抗ストリップを示す図である。
【図３】図３は、磁束集中素子を備える第１実施形態のチップ構造のＺ−Ｘ面の断面図である。
【図４】図４は、ただ１つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図５】図５は、ただ１つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図６】図６は、ただ１つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図７】図７は、ただ１つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。これらの図４〜図７に磁化の４つの異なる内部方向が指定され、Ｘ及びＹ方向における外部磁場を有するハーフブリッジ電圧の感応性がそれぞれ示されている。
【図８】図８は、２つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図９】図９は、２つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図１０】図１０は、２つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図１１】図１１は、２つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。これらの図８〜図１１に磁化の４つの異なる内部方向が指定され、Ｘ及びＹ方向における外部磁場を有するハーフブリッジ電圧の感応性がそれぞれ示されている。
【図１２】図１２は、全ての３つの外部磁場を測定するための３Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の磁場センサー装置の様々な感応性方向を回路技術的に切り替えるための実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図面において同じ要素は同じ符号で示されている。
【００３２】
図１は、抵抗特性曲線を、磁場センサー装置１００のＡＭＲ抵抗ストリップ１０２を通る測定電流束ＩＳの方向に対する磁場Ｍ（Ｈ）の関数として示す。抵抗特性曲線Ｒ（Ｍ）は、式Ｒ＝Ｒ⊥＋Ｒ（Ｒ_−Ｒ⊥）ｃｏｓ２（Θ）により決定される。ただし、Θは、電流フロー方向ＩＳと総磁場Ｍ（Ｈ）との間の角度を表す。総磁場Ｍ（Ｈ）は、内部予磁化Ｍ０の磁場と測定しようとする外部磁場Ｈｅとからなる。小さい磁場Ｈｅ＜０では、外部磁場Ｈｅが変化しても抵抗Ｒにはわずかな変化しか生じないことが分かる。したがって、このような構成は不利である。なぜなら、この領域において抵抗特性曲線は小さい傾斜しか有していないため、小さい磁場についての感応性が比較的低いからである。
【００３３】
図２は、従来技術のＡＭＲ抵抗装置１００を示す。このＡＭＲ抵抗装置１００には、ＡＭＲ抵抗ストリップ１０２が設けられ、ＡＭＲ抵抗ストリップ１０２には、サインポール構造１０４が、すなわち、金又は銅の金属化コーティングなどの高伝導性の金属化ストリップが４５°傾斜して配置されている。概略図に示すように、サインポール構造１０４は、ＡＭＲ抵抗ストリップ１０２を通る電流束ＩＳを、平行な内部磁化Ｍ０又は垂直な外部磁場Ｈｅに対して電流束が４５°の線形化角度αを成すように、抵抗ストリップ１０２の長手方向の延長部に対して実質的に４５°方向に形成する。したがって、図１に示す抵抗曲線が、具体的には、曲線プロファイルの急傾斜面の領域へシフトされ、この領域では、外部磁場Ｈｅの僅かな変化がＡＭＲ磁場センサー装置の抵抗器の総抵抗Ｒの直線的な変化を引き起こすように、抵抗は磁場に線形従属している。磁場センサー装置の感応性を、サインポール構造による線形化により顕著に上昇させることができる。
【００３４】
図３の図は、独国特許出願公開第１０２００８０４１８５９Ａ１号明細書の図に基づくものであり、本発明の磁場センサー装置１０の第１実施形態を示している。図３に概略的に示す磁場センサー装置１０は、磁気的に軟らかい磁束集中素子２２からなり、磁束集中素子２２は、基板３２の表面上、本実施形態では、磁場感応性ブリッジ抵抗器１８としての、例えば、ＡＭＲセンサーの担持部としての半導体チップの表面上に設けられている。図３から、例えば、Ｚ方向に配向された認識しようとする磁場Ｈｚ２４の磁束線は、該磁束線が磁場感応性ブリッジ抵抗器１８により測定可能になるように、磁束集中素子２２の周縁部においてその元来は垂直なＺ方向から水平なＸ方向へ偏向されるということが分かる。非対称Ｈｘ成分３４が生じ、この成分は、素子２２の周縁部に隣接して配置された抵抗器１８において逆方向に作用する。垂直から水平への偏向のために磁束集中素子２２の材料において磁場線２４がカバーする距離は水平から垂直への偏向のためにカバーする距離よりも短いため、僅かな偏向効果、すなわち、Ｈｚ磁場強度に比べて著しく低いＨｘ成分が生じ、このＨｘ成分を、ブリッジ抵抗器３０の感応性を上昇させることで決定することができる測定効果を上げるために、磁束集中素子２２は、本実施形態では図示しない方法で半導体チップの基板層３２に埋め込まれていてもよい。Ｘ／Ｙ磁場センサー面、すなわち、Ｈｘ成分がブリッジ抵抗器１８において最大の抵抗変化を引き起こすチップ基板３２に対して平行な面は、直方体の磁束集中素子２２の表面の高さに位置している。Ｈｚ成分が磁束集中素子２２へ入射する際、図３に示すように、Ｈｘ成分は、Ｈｚ成分の磁場強度プロファイルにおいてその最大値であり、したがって、ブリッジ抵抗器１８により高感度で認識され得る。
【００３５】
図４から図１１は、本発明の磁場センサー装置１０の２つの更なる実施形態を示す。これらの実施形態では、サインポール構造を有するＡＭＲ磁場抵抗器１８が使用され、ＡＭＲ磁場抵抗器１８の抵抗特性曲線を、図２に示すように、内部予磁化の変更により切り替えることができる。図４の上部の部分図においてのみ符号が示されており、これらの符号は、更なる図５から図１１の全てにおいて明瞭性のために省略されているがこれらの図面において準用される。
【００３６】
図４から図７は、ホイートストン測定ブリッジ１４の２つのハーフブリッジ１６ａ、１６ｂを備える２Ｄ磁場センサー装置１０を示す。２つのハーフブリッジ１６ａ、１６ｂ間に、パーマロイなどの高透磁率の材料からなる直方体の磁束集中素子２２が配置されている。各ハーフブリッジ１６ａ、１６ｂは、２つのブリッジ抵抗器３０ａ−３０ｃ及び３０ｂ−３０ｄのペアをそれぞれ備える。２つのハーフブリッジ１６ａ、１６ｂの互いに関連付けられた下部ブリッジ抵抗器３０ａ、３０ｂは、磁場感応性ブリッジ抵抗器１８ａ、１８ｂとして構成されている。更なる関連付けられたブリッジ抵抗器３０ｃ、３０ｄは、磁場に影響されないオーム抵抗器である。２つの磁場感応性抵抗器１８ａ、１８ｂの各々は抵抗特性曲線３６ａ、３６ｂをそれぞれ有し、抵抗特性曲線は黒い矢印によって示され、図２において示された抵抗特性曲線３６ａ、３６ｂに相当している。
【００３７】
図４は、第１状態Ｍ１を示す。この状態では、Ｈｘ成分３４に関して、抵抗器１８ａは図２の左に示す抵抗特性曲線３６ａを有し、抵抗器１８ｂは図２の右に示す抵抗特性曲線３６ｂを有する。図４の上部の部分図において分かるように、Ｈｘ成分３４の上昇の際に、差圧ΔＵが大きくなるように、第１ハーフブリッジ１６ａの電圧Ｕ１が上昇し、一方、第２ハーフブリッジ１６ｂの電圧Ｕ２は低下する。図４の下部の部分図は、Ｚ磁場成分２４Ｈｚに関する推移を示す。Ｈｚ成分２４は、第１ハーフブリッジ１６ａに関してＨｘ成分を−Ｘ方向に引き起こし、第２ハーフブリッジ１６ｂに関して非対称のＨｘ成分を＋Ｘ方向に引き起こす。その結果、上記の状態Ｍ１において、差圧ΔＵがゼロへ向かうように、２つのハーフブリッジ電圧Ｕ１、Ｕ２が低下する。
【００３８】
図５は、両抵抗器１８ａ、１８ｂが図２の右の抵抗特性曲線３６ｂに従っている第２状態Ｍ２に関し、Ｈｘ及びＨｚ成分に対する磁場センサー装置の挙動を示す。この場合、Ｈｘ成分３４は、ゼロへ向かう差圧ΔＵを引き起こし、Ｈｚ成分２４は、正に上昇する差圧ΔＵを引き起こす。
【００３９】
図６は、状態Ｍ３を示す。この状態は、図４の状態Ｍ１に相当するが、２つの抵抗器１８ａ、１８ｂが非対称の抵抗特性曲線３６ｂ及び３６аをそれぞれ有している。同様のことが、図５の状態Ｍ２に関する状態Ｍ４を有する図７にも該当する。
【００４０】
図８から図１１は、全てのブリッジ抵抗器３０が磁場感応性抵抗器１８である２Ｄ磁場センサー装置１０の更なる実施形態を示す。図８は、図４に相当し、図示された４つのブリッジ抵抗器１８ａから１８ｄの第１状態Ｍ１を示す。図９から図１１は、図５から図７に相当する更なる状態Ｍ２からＭ４を示す。状態Ｍ１及びＭ３は互いに対応し、この場合、抵抗器１８ａから１８ｄの特性曲線プロファイル３６ａ、３６ｂは、ペアで非対称である。同様のことが、ハーフブリッジ１６ａ、１６ｂにおけるそれぞれ関連付けられた下部抵抗器１８ａ−１８ｂ及び上部抵抗器１８ｃ−１８ｄの対称の抵抗特性曲線３６ａ、３６ｂを有する状態Ｍ２及びＭ４に該当する。上部の部分図は、Ｈｘ成分３４に関する電圧挙動Ｕ１、Ｕ２を示し、下部の部分図は、Ｈｚ成分２４に関する電圧挙動Ｕ１、Ｕ２を示す。
【００４１】
状態Ｍ１、Ｍ３を、Ｈｘ成分３４の方向及び強度を決定するために使用でき、状態Ｍ２、Ｍ４をＨｚ成分２４の方向及び強度を決定するために使用できる。
【００４２】
図１２は、２つのホイートストン測定ブリッジ１４ａ、１４ｂを用いて３次元磁場プロファイルを決定するための磁場センサー装置１０の更なる実施形態を示す。３Ｄセンサー装置１０の場合、磁束集中素子２２は、実質的に方形の形態を有し、複数の状態の定義により、Ｈｘ成分だけではなく、Ｈｙ成分及びＨｚ成分も、２つの差圧ΔＵａ及びΔＵｂを用いて決定可能である。Ｈｚ成分の大きさは、測定ブリッジ１４ａ及び測定ブリッジ１４の双方によって認識され得る。２つの決定されたＨｚ値を平均化することにより精度を高めることができる。
【００４３】
最終的に、図１３ａ及び図１３ｂは、磁場センサー装置１０の更なる実施形態の電気的な等価回路図を示す。したがって、図１３аは、左の部分図において、状態Ｍ２として図９の構成に相当するブリッジ回路を示す。この構造は、Ｚ軸における成分を測定するために感度が高い。ブリッジ抵抗器１８ａから１８ｂの全ての端子接点が互いに独立して接触可能である場合、図１３ａの右の部分図は、供給電圧Ｖｓｓ、接地電位ＧＭＤ、又は中央タップ電圧Ｕ１、Ｕ２との個々のブリッジ抵抗器１８ａから１８ｄの接触と、結果として生じる差圧ΔＵ＝Ｕ１−Ｕ２を示す。
【００４４】
図１３ｂは、図１３ａと比べてＸ方向に感応性方向を有する、図１３ａに基づく構成を示す。素子１８ｄ及び１８ｂの磁化の方向の切り替えの他に（左の部分図）、感応性方向の切り替えは、右のハーフブリッジ１６ｂの供給電圧が切り替えられることにより（中央の部分図）、又は、図１３ａに比べて右のハーフブリッジ１６ｂにおける抵抗器１８ｂ及び１８ｄの回路構造が交換されることにより達成される。
【００４５】
本発明は、垂直な磁場成分を強磁性体の磁束集中素子によりセンサー面における非対称な磁場成分へ偏向することを、感応性方向の切り替え及び／又はフリッピングのための利点と組み合わせ、この場合、適切な評価電子機器により、測定オフセットを排除することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年5月15日(2015.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁場の２つ又は３つの成分を測定するための磁場センサーに関する。磁場感応性測定素子は、磁気抵抗性の抵抗素子又はホール素子の形態であってもよい。この構造は、例えば、電子コンパスの実現のための低い強度の磁場の測定に適している。
【背景技術】
【０００２】
上記のような構造は既知である。例えば、独国特許出願公開第１０２００９００８２６５号明細書に、磁気的に軟らかい磁束ガイドの適切な構成により外部磁場の複数の成分を測定することが可能な構造が記載されている。この場合、センサー面に位置する成分の各々を測定するために、センサー素子と磁束ガイドとからなるユニットが必要とされる。垂直成分を測定するために、追加のセンサー素子が必要とされ、この場合、センサーの場所にセンサー面に位置する水平な磁場成分も形成され、この磁場成分をセンサー素子によって認識できるように、被測定磁場の垂直成分は適切な磁束ガイドによって誘導すなわち偏向される。
【０００３】
独国特許出願公開第１０２００８０４１８５９号明細書に、磁場センサー面に対して垂直に配向されたＺ磁場成分を測定するための構造が記載されている。この構造では、複数のセンサー素子が磁場センサー素子ユニットを形成するように相互接続され、特に環状の磁束ガイド素子の周囲に配置されている。磁束ガイド素子を用いて生じた水平で対称な補償磁場成分を、Ｚ磁場成分の磁束ガイド素子の外周における磁場不均一性に基づいて、磁束ガイド素子に隣接して配置されたセンサー素子によって決定することにより、垂直なＺ磁場成分を間接的に測定することが提案されている。更なるセンサー素子は、Ｘ／Ｙ磁場センサー面における磁場成分を決定することができ、この場合、３次元磁場測定のために、少なくとも３つの異なる磁場センサー素子ユニットが設けられている。複数のセンサー素子の使用により、測定精度及び干渉耐性を向上することができる。上記方法の欠点は、典型的なコンパス用途において必要とされるような、複数の磁場成分を認識するために必要とされる所要空間である。
【０００４】
従来技術によると、磁場センサー装置のデザインのために、「サインポール構造」、すなわち、アルミニウム、銅、金、又は銀などの極伝導性の材料からなる薄い伝導性の構造をＡＭＲ測定ストリップ上に配置することが知られている。サインポール構造は、ＡＭＲ抵抗ストリップの長手方向延長部に対して４５°に配向されている。この場合、抵抗ストリップを流れる電流は、図２に示すように、ストリップの長手方向延長部に対して４５°方向に強制される。これにより、電流ベクトルの配向に対する抵抗の依存性を示す図１の曲線は、図２に示すように、線形化された領域に変換され得るように磁場ベクトルに対して４５°シフトされる。サインポール構造の配向の関数として、抵抗と被測定磁場の大きさとの間で線形化のための正又は負の側面が生じる。
【０００５】
サインポール構造に基づく磁場センサー装置は、例えば、独国特許出願公開第３４４２２７８Ａ１号から知られている。これによると、様々に配向されたサインポール構造を有する４つのこのような磁場センサー装置がホイートストン測定ブリッジにおいて相互接続され、この場合、巨視的な磁気コイルにより生成される外部磁場は、外部磁場Ｈｅに対する線形化された抵抗依存性を生じさせるために、抵抗ストリップの内部磁化Ｍ０を予磁化する。
【０００６】
このようなデザインの向上については、例えば、独国特許第４３１９１４６Ｃ２号に記載されている。この文献は、サインポール構造を有する一連のＡＭＲ抵抗装置をフリップ電流の貫流する伝導体に沿って配置することを提案しており、フリップ電流伝導体は、予磁化Ｍ０をＡＭＲ測定ストリップの長手方向に引き起こす。内部磁化のフリッピング、すなわち逆転により、抵抗挙動を再配向又は較正することができる。この構造は、外部磁場の１成分を正確に測定することができる。センサー面に位置する第２成分を測定するためには、９０°旋回された更なる抵抗装置を備えることで十分である。更なる成分を測定するために、対応する追加の所要空間を有する更なる構造を設ける必要がある。磁場の３次元推移を決定するために、３つの磁場センサー素子ユニットが、互いに対してそれぞれ９０°シフトされたホイートストン測定ブリッジの形態で一般的に設けられている。したがって、各センサー素子測定ブリッジは、１成分を測定することができ、この場合、測定ブリッジは、Ｘ、Ｙ、及びＺの方向に配向されている必要がある。特に、Ｚ方向、すなわち、チップ基板又はＰＣＢ基板に対して垂直な構造は、大きな構造空間を必要とし、３Ｄセンサーの製造のための製造技術的な複雑さが増す。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１３／１４１０９０Ａ１号明細書に、２つのハーフブリッジを有する１つのホイートストンブリッジを備え、各ハーフブリッジのその都度一方のブリッジ抵抗器が磁束集中素子上に配置されて磁束集中素子を外部磁場から遮蔽する磁場センサー装置が記載されている。他方のブリッジ抵抗器は、２つの磁束集中素子間に配置されてブリッジ抵抗器を通る磁束を上昇させる。各ホイートストンブリッジは、個々の磁場成分を測定するために設けられている。
【０００８】
国際出願第２０１２／１１６９３３Ａ１号に、個々のホイートストンブリッジにより磁場の３つの成分を互いに独立して検出するために、磁場感応性抵抗器を有する３つのホイートストンブリッジを備える３Ｄ磁場センサー装置が記載されている。各ホイートストンブリッジのブリッジ抵抗器は、半円形の磁束集中素子の端面に配置され、磁束集中素子は、個々の成分を測定できるように、成分方向に応じて磁束を強化又は減衰するように配向されている。
【０００９】
米国特許出願公開第２００４／１３７２７５Ａ１号明細書は、各ホイートストンブリッジによって１つの磁場成分を検出できるように、４つの磁気抵抗性のブリッジ抵抗器をそれぞれ有する２つのホイートストンブリッジを備える２Ｄ磁場センサー装置に関する。各ホイートストンブリッジのその都度２つのブリッジ抵抗器が基準抵抗器として磁束集中素子上に配置され、残りの２つのブリッジ抵抗器が磁束集中素子間に設けられて磁場感応性を上昇させる。各ホイートストンブリッジは、磁場の１成分を検出してもよい。
【００１０】
米国特許出願公開第２０１３／１６９２７１Ａ１は、個々の磁場成分を検出するための同じ一般的種類の磁場センサー装置を開示している。この文献は、磁場成分を検出するための４つの磁気抵抗性ブリッジ抵抗器を有するブリッジ回路を提案している。このブリッジ回路において、２つのブリッジセンサーは、磁束集中素子上に配置されて磁束集中素子を磁場から遮蔽し、残りの２つの抵抗器は、磁束誘導を向上するために、磁束集中素子間に配置される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記従来技術に基づき、簡単に製造でき、センサー素子面における磁場成分とそれに対して垂直な成分との双方を決定することができる２Ｄ又は３Ｄのセンサーを提案するという課題が生じる。本発明の更なる課題は、磁場の複数の成分の小型の干渉耐性のある測定を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、主請求項１に記載の構造により達成される。有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明は、磁場の２つ又は３つの成分を決定するための磁場センサー装置を提案し、この磁場センサー装置は、２つのハーフブリッジを有する少なくとも１つのホイートストンブリッジを備え、各ハーフブリッジが少なくとも２つのブリッジ抵抗器を有する。２つのブリッジ抵抗器の少なくとも１つは、感応性方向がＸ／Ｙ面に位置する磁場感応性抵抗器である。２つの磁場感応性ブリッジ抵抗器間に強磁性体の磁束集中素子が対称に配置され、この磁束集中素子は、Ｘ／Ｙ磁場センサー面に対して垂直に配向されたＺ成分に関して、Ｘ／Ｙ磁場センサー面に位置する非対称な磁場成分を生成する。
【００１４】
言い換えると、ホイートストン測定ブリッジの少なくとも２つのハーフブリッジが提案され、ハーフブリッジのブリッジ抵抗器は、磁気的に軟らかい磁束ガイドユニットに対向して配置された磁気抵抗性素子を備える。この場合、磁気抵抗性素子の磁化の方向、及び、それによるセンサー素子の感応性方向は、ほぼ平行又は非平行に設定可能である。対向するハーフブリッジは、「ホイートストン測定ブリッジ」を形成するように相互接続可能である。
【００１５】
本発明の解決策の説明を簡単化するため、以下では、前記面に位置する成分をＸ成分、センサー構造に対して垂直に位置する成分をＺ成分と称する。センサー素子の感応性方向は、Ｚ方向と見なされる。
【００１６】
磁場のＸ／Ｙセンサー面に位置する磁場成分は、Ｘ方向に位置する成分により、感磁ブリッジ抵抗器における第１抵抗挙動を２つのハーフブリッジにおいて引き起こす。第１抵抗挙動は、ブリッジの中心タップ間の差圧ΔＵ＝Ｕ１−Ｕ２、又は、基準電位Ｕ０に関する中央タップの電圧変化Ｕ１、Ｕ２に作用する。Ｚ磁場成分は、磁束集中素子により２つの非対称磁場成分を引き起こし、非対称磁場成分は、Ｘ／Ｙセンサー面に位置し、感磁ブリッジ抵抗器における第２抵抗挙動を引き起こす。したがって、Ｘ磁場成分上の中央タップ電圧Ｕ１、Ｕ２の抵抗挙動が知られている場合は、適切な評価電子機器によりＸ磁場成分及びＺ磁場成分の双方の大きさを決定することができる。磁化の方向は、２つのハーフブリッジの信号成分が完全なブリッジにおいて加法的であるように設定されるので、この構造は、Ｘ成分に対して感応性がある。磁束ガイドユニットが設けられているため、ハーフブリッジに存在する任意のＺ成分は、符号が真逆の成分を提供し、したがって、これらの成分は、完全なブリッジにおける信号成分の加算に基づき、信号全体には寄与しない。
【００１７】
したがって、本発明の構造により、互いに垂直な２つの磁場成分を、少なくとも１つのハーフブリッジにおける感応性方向が切替可能であることによって認識できるようになる。
【００１８】
有利な一形態では、磁場感応性ブリッジ抵抗器は、ＡＭＲ抵抗器、ＧＭＲ抵抗器、又はＴＭＲ抵抗器であってもよい。これらの抵抗器は、オーム抵抗の変化を伴う磁場成分の変化に反応する磁場感応性優先方向を有している。ＡＭＲ抵抗器の抵抗特性曲線挙動は、抵抗特性曲線をＸ成分及びＺ成分の評価のために切替可能に変更することができるように、内部予磁化に影響することにより影響を受けることがある。
【００１９】
本発明では、１つのハーフブリッジの少なくともブリッジ抵抗器の回路構造は、個別に切り替え可能である。これにより、Ｘ磁場成分の場合の効果とＺ磁場成分の場合の効果とを区別できるように、変更された抵抗挙動がＸ成分に関して生じる。
【００２０】
代替的に、又は、付加的に、磁場感応性ブリッジ抵抗器の１つ、好ましくは全てが切替可能な抵抗特性曲線を有していてもよい。少なくとも１つの磁気抵抗性ブリッジ素子における磁化の内部方向を切り替えることにより、及び、これら２つ以上のハーフブリッジによる適切な信号評価により、水平な磁場成分、つまり、センサー面に位置する成分と、センサー面に対して垂直に位置する成分との双方を測定することが可能になる。
【００２１】
磁化の方向、したがって、１つのハーフブリッジにおける感応性方向が、Ｘ方向における磁場成分の存在の下で各寄与が完全なブリッジにおける差分計算によって正確に打ち消されるように設定されている場合、この構造は、この状態においてＸ方向における成分に対する感応性を有していない。しかしながら、被測定磁場にＺ成分が存在する場合、Ｚ成分はハーフブリッジにおいて逆の符号の寄与を行う。したがって、完全なブリッジにおける差分計算によって、被測定磁場のＺ成分のための測定信号が生じる。
【００２２】
有利な一形態は、少なくとも１つの予磁化切替ユニット、特に、フリップ伝導体を備えていてもよく、予磁化切替ユニットは、少なくとも１つの磁場感応性ブリッジ抵抗器の抵抗特性曲線の定義のための内部磁化のフリッピング、すなわち、磁性反転をすることができる。例えば、螺旋状又は蛇行状に磁場感応性ブリッジ抵抗器の下又は上にガイドされていてもよいフリップ伝導体、特に、各磁場感応性ブリッジ抵抗器に個々に割り当てられたフリップ伝導体を用いて、フリップ磁場が生成され得る。フリップ磁場により、ブリッジ抵抗器の内部予磁化状態が変更され、それにより、図２に示す抵抗特性曲線挙動を、短期的なフリップ電流パルスを指定することにより磁場感応性ブリッジ抵抗器の各々について個別に変更することができる。
【００２３】
基本的に、４つのブリッジ抵抗器のうちの２つが感磁性の構成であれば十分である。これらは、抵抗測定ブリッジの２つのハーフブリッジの下側の２つのブリッジ抵抗器、上側の２つのブリッジ抵抗器、又は対角線上に配置されたブリッジ抵抗器であってもよい。有利な一形態では、ホイートストン測定ブリッジの全ての抵抗器が磁場感応性抵抗器であってもよい。このようにすると、磁場センサー装置の感応性が向上する。
【００２４】
有利な一形態では、２つのホイートストン測定ブリッジが備えられていてもよく、Ｘ／Ｙ磁場センサー面に位置する、２つの測定ブリッジの測定感応性磁場成分の配向は、直角に、すなわち、互いに対して垂直に選択される。２つの測定ブリッジは、１つの測定ブリッジがＸ方向における磁場成分に対して感応性があり、他の測定ブリッジがＹ方向における磁場成分について感応性があるように、Ｘ／Ｙ面において互いに９０°オフセットされている。Ｚ成分は、２つの測定ブリッジが磁束集中素子を中心として対称に配置されているならば、２つの測定ブリッジに対して影響を有していてもよい。したがって、Ｚ成分は、２つのホイートストン測定ブリッジを用いて決定される。Ｚ成分の２つの値は、Ｚ成分の決定の際に比較的高い精度を達成するために平均化され得ることが有利である。あるいは、２つの測定ブリッジの１つについてのみＺ磁場成分を測定可能であるように、個々の測定ブリッジのハーフブリッジが磁束集中素子に関して対称に配置されていることが考えられる。
【００２５】
磁束集中素子の磁束に影響する作用は、非常に高い磁気透過性μであり、これにより、Ｚ磁場成分は、Ｚ磁束密度の不均一性が有利には直方体又は立方体の磁束集中素子の端部領域において生じるように、磁束集中素子へ文字通り引き込まれ、すなわち集束される。その結果、図３に示すように、Ｚ磁場成分の磁束ガイド集中により、Ｘ／Ｙ磁場成分に位置する磁場成分が、板状であることが有利な磁束集中素子の周縁部に沿って発生し、磁束集中素子の端部に対して垂直に向かうか、又は端部から垂直に離れる。有利な一形態では、強磁性体の磁束集中素子は、鉄、コバルト、ニッケル、ＡｌＮｉＣｏ、ＳｍＣｏ、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ、Ｎｉ８０Ｆｅ２０（パーマロイ）などの強磁性体の合金、ＮｉＦｅＣｏ合金、又はこれらの組み合わせからなっていてもよい。強磁性体の磁束集中素子は、非常の大きなＺ磁場成分磁束密度が磁束集中素子の縁領域において不均一になり得るように、上昇した磁気感受性と、それに伴う上昇した誘電率μとを有する。
【００２６】
有利な一形態では、強磁性体の磁束集中素子は、Ｘ／Ｙ磁場センサー面において対称の形態、特に、ミラー対称又は回転対称の形態、特に、長方形、特に、正方形の形態を有していてもよく、磁束集中素子の側端はＸ／Ｙ方向に配向されている。対称の形態により、Ｚ磁場成分による非対称なＸ／Ｙ磁場成分の形成は、Ｚ磁場成分による抵抗測定ブリッジのハーフブリッジにおける抵抗が対称に変化するように促進される。磁束集中素子は、直方体又は立方体の形態で形成されていることが好ましい。磁束集中素子の好ましい寸法は、１００μｍ〜１０００μｍの範囲である。
【００２７】
有利な一形態では、磁束集中素子の上表面又は下表面はＸ／Ｙ磁場センサー面に位置していてもよい。Ｘ／Ｙ磁場センサー面は、チップ基板表面又はボード基板表面に対して平行に配向された面を規定し、この面に磁場感応性抵抗器が配置され、この面において、この面に位置する磁場成分の感応性が最大になる。図３において分かるように、Ｚ磁場成分の推移は、磁束集中作用により磁束集中素子の下表面及び上表面において最大のＸ及びＹ磁場成分が生じるように、磁束集中素子の上表面及び下表面の領域において最大に偏向されている。磁束集中素子の上表面又は下表面の面にＸ／Ｙ磁場センサー面を配置することにより、Ｚ磁場成分の変化に関する最高の磁場感応性を達成することができる。
【００２８】
二次的観点では、上記磁場センサー装置により磁場の２つ又は３つの成分を決定するための方法が提案され、２つのハーフブリッジにおいてＸ／Ｙセンサー面に位置する磁場センサー成分は、大きさの第１変化におけるハーフブリッジの中央タップにおける電圧変化Ｕ１、Ｕ２を引き起こし、Ｘ／Ｙセンサー面に対して垂直なＺ方向において、大きさの第２変化における異なる電圧変化を引き起こす。したがって、センサー面に位置する磁場成分は、２つのハーフブリッジの感磁抵抗器に対して同一の影響を有している。抵抗器の抵抗特性曲線プロファイルとハーフブリッジに対するその割り当てとに応じて、ハーフブリッジ中央タップ電圧Ｕ１、Ｕ２は、差圧ΔＵが上昇又は最小化されるように変化する。Ｚ磁場成分は、感磁抵抗器に対して逆方向に作用する非対称の磁場成分をセンサー面に引き起こす。このことは、中央タップ電圧Ｕ１、Ｕ２の相反する挙動を引き起こす。したがって、測定ブリッジの抵抗挙動に対するＺ磁場成分の影響は、センサー面に位置する外部磁場成分の影響に対抗している。評価電子機器は、この対抗する抵抗変化を認識し、特定の抵抗挙動が分かっているならば、Ｚ成分の大きさとＸ又はＹ成分の大きさとの双方を推定することができる。したがって、個々の測定ブリッジにより、互いに垂直な２つの磁場成分を認識することができる。この場合、一方の成分はセンサー面に在り、他方の磁場成分は前記一方の成分に対して垂直である。
【００２９】
本発明によれば、２つのハーフブリッジの互いに関連付けられた磁場感応性抵抗器の抵抗特性曲線の少なくとも１つの切り替え、特に、ペアでの切り替え、又は、ブリッジ抵抗器の回路構造の切り替えを少なくとも１つのハーフブリッジにおいて行うか、又は、供給電圧の切り替えを少なくとも１つのハーフブリッジにおいて行い、この場合、第１状態Ｍ１、Ｍ３において、Ｘ／Ｙに位置する磁場成分は、互いに対応する磁場感応性ブリッジ抵抗器の逆向きの抵抗特性曲線プロファイルにより測定可能であり、第２状態Ｍ２、Ｍ４において、Ｚ方向に位置する磁場成分は、互いに対応する磁場感応性ブリッジ抵抗器の同じ向きの抵抗特性曲線プロファイルにより測定可能である。状態Ｍ１は、抵抗測定ブリッジの２つのハーフブリッジの２つの互いに割り当てられた磁場感応性抵抗器の逆向きの抵抗特性曲線として定義されてもよい。したがって、例えば、Ｘ磁場成分が生じる場合、第１ハーフブリッジの第１磁場感応性抵抗器において抵抗が上昇し、第２ハーブブリッジの第２磁場感応性抵抗器の抵抗は低下するということが引き起こされる。両抵抗器がハーフブリッジの下部抵抗器として配置されている場合、差圧ΔＵ＝Ｕ１−Ｕ２が上昇する。Ｚ磁場成分は、非対称のＸ磁場成分を引き起こし、その結果、差圧ΔＵがゼロに向かって低下する。状態Ｍ３は、同様に定義されてもよく、この場合、第１及び第２抵抗器は、第１状態Ｍ１に対して、抵抗特性曲線の逆の挙動を示す。状態Ｍ１において、＋Ｘ方向に配向された成分は、正の差圧ΔＵ＞０となり、状態Ｍ３において負の差圧ΔＵ＜０となる。Ｚ成分は、差圧ΔＵ≒０を最小化する状態Ｍ２及び／又はＭ４は、第１ハーフブリッジの下部抵抗器及び第２ハーフブリッジの下部抵抗器の抵抗特性曲線の同じ向きの挙動を意味する。したがって、Ｘ磁場成分は差圧ΔＵ≒０の最小化を引き起こし、Ｚ磁場成分は、正の差圧ΔＵ＞０（状態Ｍ２）又は負の差圧ΔＵ＜０を引き起こす。
【００３０】
好ましい方法によると、状態の切り替えは、順序Ｍ１、Ｍ２、Ｍ１及びＭ２、又は、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４で行われてもよい。例えば、所定の状態順序での順次切り替えにより、Ｘ及びＺ磁場成分の大きさを個別に考えることができる。この場合、状態Ｍ１、Ｍ３において、差圧は、Ｘ成分の大きさ及び符号についての情報を提供することができ、状態Ｍ２、Ｍ４において、Ｚ成分の大きさ及び符号についての情報を提供することができる。
【００３１】
測定ブリッジの電圧オフセットは、評価ユニットにより除去され得ることが有利である。評価ユニットは、所定の状態Ｍ１〜Ｍ４を、例えばフリップ電流パルスの出力、又は、ブリッジ抵抗器間の回路技術的な接続、若しくはハーフブリッジ電圧の極性の切り替えによって設定することができ、続いて、差圧ΔＵ又はハーフブリッジ電圧Ｕ１、Ｕ２を記録する。複数の状態の切り替えの頻度は、用途に応じて、数ヘルツの領域からｋＨｚ領域までである。抵抗器の製造技術的な不均一性により引き起こされ、磁場の無い状態で決定可能な２つのハーフブリッジ電圧の間のオフセットは、磁場測定の精度を高くするために、評価ユニットにより考慮され、除去されてもよい。
【００３２】
磁場センサー装置の定義のためのさらに考えられるパラメータは、チップ及び磁束ガイド素子の寸法、チップ又はハーフブリッジ抵抗器の磁束ガイド素子に対する間隔、又は、オフセットも決定し且つ除去するための磁化の順次切り替えの詳細である。磁束ガイド素子は、個別のユニットとして構成されていてもよく、厚膜法、電解メッキ、または印刷などのプロセスにより、チップ基板又はボード基板に設けられてもよい。
【００３３】
更なる利点は、本図面の説明から生じる。図面において本発明の実施形態を示す。図面、明細書、及び請求項は、複数の特徴を組み合わせて有している。当業者は、これらの特徴を、目的に応じて個別に考慮し、意味のある更なる組み合わせに組み合わせもする。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、サインポール構造を有する従来技術の抵抗ストリップを示す図である。
【図２】図２は、サインポール構造を有する従来技術の抵抗ストリップを示す図である。
【図３】図３は、磁束集中素子を備える第１実施形態のチップ構造のＺ−Ｘ面の断面図である。
【図４】図４は、ただ１つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図５】図５は、ただ１つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図６】図６は、ただ１つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図７】図７は、ただ１つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。これらの図４〜図７に磁化の４つの異なる内部方向が指定され、Ｘ及びＹ方向における外部磁場を有するハーフブリッジ電圧の感応性がそれぞれ示されている。
【図８】図８は、２つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図９】図９は、２つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図１０】図１０は、２つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図１１】図１１は、２つの磁気抵抗性の抵抗器をそれぞれ備える２つのハーフブリッジを備える２Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。これらの図８〜図１１に磁化の４つの異なる内部方向が指定され、Ｘ及びＹ方向における外部磁場を有するハーフブリッジ電圧の感応性がそれぞれ示されている。
【図１２】図１２は、全ての３つの外部磁場を測定するための３Ｄ磁場センサーの更なる実施形態を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の磁場センサー装置の様々な感応性方向を回路技術的に切り替えるための実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図面において同じ要素は同じ符号で示されている。
【００３６】
図１は、抵抗特性曲線を、磁場センサー装置１００のＡＭＲ抵抗ストリップ１０２を通る測定電流束ＩＳの方向に対する磁場Ｍ（Ｈ）の関数として示す。抵抗特性曲線Ｒ（Ｍ）は、式Ｒ＝Ｒ⊥＋Ｒ（Ｒ_−Ｒ⊥）ｃｏｓ２（Θ）により決定される。ただし、Θは、電流フロー方向ＩＳと総磁場Ｍ（Ｈ）との間の角度を表す。総磁場Ｍ（Ｈ）は、内部予磁化Ｍ０の磁場と測定しようとする外部磁場Ｈｅとからなる。小さい磁場Ｈｅ＜０では、外部磁場Ｈｅが変化しても抵抗Ｒにはわずかな変化しか生じないことが分かる。したがって、このような構成は不利である。なぜなら、この領域において抵抗特性曲線は小さい傾斜しか有していないため、小さい磁場についての感応性が比較的低いからである。
【００３７】
図２は、従来技術のＡＭＲ抵抗装置１００を示す。このＡＭＲ抵抗装置１００には、ＡＭＲ抵抗ストリップ１０２が設けられ、ＡＭＲ抵抗ストリップ１０２には、サインポール構造１０４が、すなわち、金又は銅の金属化コーティングなどの高伝導性の金属化ストリップが４５°傾斜して配置されている。概略図に示すように、サインポール構造１０４は、ＡＭＲ抵抗ストリップ１０２を通る電流束ＩＳを、平行な内部磁化Ｍ０又は垂直な外部磁場Ｈｅに対して電流束が４５°の線形化角度αを成すように、抵抗ストリップ１０２の長手方向の延長部に対して実質的に４５°方向に形成する。したがって、図１に示す抵抗曲線が、具体的には、曲線プロファイルの急傾斜面の領域へシフトされ、この領域では、外部磁場Ｈｅの僅かな変化がＡＭＲ磁場センサー装置の抵抗器の総抵抗Ｒの直線的な変化を引き起こすように、抵抗は磁場に線形従属している。磁場センサー装置の感応性を、サインポール構造による線形化により顕著に上昇させることができる。
【００３８】
図３の図は、独国特許出願公開第１０２００８０４１８５９Ａ１号明細書の図に基づくものであり、本発明の磁場センサー装置１０の第１実施形態を示している。図３に概略的に示す磁場センサー装置１０は、磁気的に軟らかい磁束集中素子２２からなり、磁束集中素子２２は、基板３２の表面上、本実施形態では、磁場感応性ブリッジ抵抗器１８としての、例えば、ＡＭＲセンサーの担持部としての半導体チップの表面上に設けられている。図３から、例えば、Ｚ方向に配向された認識しようとする磁場Ｈｚ２４の磁束線は、該磁束線が磁場感応性ブリッジ抵抗器１８により測定可能になるように、磁束集中素子２２の周縁部においてその元来は垂直なＺ方向から水平なＸ方向へ偏向されるということが分かる。非対称Ｈｘ成分３４が生じ、この成分は、素子２２の周縁部に隣接して配置された抵抗器１８において逆方向に作用する。垂直から水平への偏向のために磁束集中素子２２の材料において磁場線２４がカバーする距離は水平から垂直への偏向のためにカバーする距離よりも短いため、僅かな偏向効果、すなわち、Ｈｚ磁場強度に比べて著しく低いＨｘ成分が生じ、このＨｘ成分を、ブリッジ抵抗器３０の感応性を上昇させることで決定することができる測定効果を上げるために、磁束集中素子２２は、本実施形態では図示しない方法で半導体チップの基板層３２に埋め込まれていてもよい。Ｘ／Ｙ磁場センサー面、すなわち、Ｈｘ成分がブリッジ抵抗器１８において最大の抵抗変化を引き起こすチップ基板３２に対して平行な面は、直方体の磁束集中素子２２の表面の高さに位置している。Ｈｚ成分が磁束集中素子２２へ入射する際、図３に示すように、Ｈｘ成分は、Ｈｚ成分の磁場強度プロファイルにおいてその最大値であり、したがって、ブリッジ抵抗器１８により高感度で認識され得る。
【００３９】
図４から図１１は、本発明の磁場センサー装置１０の２つの更なる実施形態を示す。これらの実施形態では、サインポール構造を有するＡＭＲ磁場抵抗器１８が使用され、ＡＭＲ磁場抵抗器１８の抵抗特性曲線を、図２に示すように、内部予磁化の変更により切り替えることができる。図４の上部の部分図においてのみ符号が示されており、これらの符号は、更なる図５から図１１の全てにおいて明瞭性のために省略されているがこれらの図面において準用される。
【００４０】
図４から図７は、ホイートストン測定ブリッジ１４の２つのハーフブリッジ１６ａ、１６ｂを備える２Ｄ磁場センサー装置１０を示す。２つのハーフブリッジ１６ａ、１６ｂ間に、パーマロイなどの高透磁率の材料からなる直方体の磁束集中素子２２が配置されている。各ハーフブリッジ１６ａ、１６ｂは、２つのブリッジ抵抗器３０ａ−３０ｃ及び３０ｂ−３０ｄのペアをそれぞれ備える。２つのハーフブリッジ１６ａ、１６ｂの互いに関連付けられた下部ブリッジ抵抗器３０ａ、３０ｂは、磁場感応性ブリッジ抵抗器１８ａ、１８ｂとして構成されている。更なる関連付けられたブリッジ抵抗器３０ｃ、３０ｄは、磁場に影響されないオーム抵抗器である。２つの磁場感応性抵抗器１８ａ、１８ｂの各々は抵抗特性曲線３６ａ、３６ｂをそれぞれ有し、抵抗特性曲線は黒い矢印によって示され、図２において示された抵抗特性曲線３６ａ、３６ｂに相当している。
【００４１】
図４は、第１状態Ｍ１を示す。この状態では、Ｈｘ成分３４に関して、抵抗器１８ａは図２の左に示す抵抗特性曲線３６ａを有し、抵抗器１８ｂは図２の右に示す抵抗特性曲線３６ｂを有する。図４の上部の部分図において分かるように、Ｈｘ成分３４の上昇の際に、差圧ΔＵが大きくなるように、第１ハーフブリッジ１６ａの電圧Ｕ１が上昇し、一方、第２ハーフブリッジ１６ｂの電圧Ｕ２は低下する。図４の下部の部分図は、Ｚ磁場成分２４Ｈｚに関する推移を示す。Ｈｚ成分２４は、第１ハーフブリッジ１６ａに関してＨｘ成分を−Ｘ方向に引き起こし、第２ハーフブリッジ１６ｂに関して非対称のＨｘ成分を＋Ｘ方向に引き起こす。その結果、上記の状態Ｍ１において、差圧ΔＵがゼロへ向かうように、２つのハーフブリッジ電圧Ｕ１、Ｕ２が低下する。
【００４２】
図５は、両抵抗器１８ａ、１８ｂが図２の右の抵抗特性曲線３６ｂに従っている第２状態Ｍ２に関し、Ｈｘ及びＨｚ成分に対する磁場センサー装置の挙動を示す。この場合、Ｈｘ成分３４は、ゼロへ向かう差圧ΔＵを引き起こし、Ｈｚ成分２４は、正に上昇する差圧ΔＵを引き起こす。
【００４３】
図６は、状態Ｍ３を示す。この状態は、図４の状態Ｍ１に相当するが、２つの抵抗器１８ａ、１８ｂが非対称の抵抗特性曲線３６ｂ及び３６аをそれぞれ有している。同様のことが、図５の状態Ｍ２に関する状態Ｍ４を有する図７にも該当する。
【００４４】
図８から図１１は、全てのブリッジ抵抗器３０が磁場感応性抵抗器１８である２Ｄ磁場センサー装置１０の更なる実施形態を示す。図８は、図４に相当し、図示された４つのブリッジ抵抗器１８ａから１８ｄの第１状態Ｍ１を示す。図９から図１１は、図５から図７に相当する更なる状態Ｍ２からＭ４を示す。状態Ｍ１及びＭ３は互いに対応し、この場合、抵抗器１８ａから１８ｄの特性曲線プロファイル３６ａ、３６ｂは、ペアで非対称である。同様のことが、ハーフブリッジ１６ａ、１６ｂにおけるそれぞれ関連付けられた下部抵抗器１８ａ−１８ｂ及び上部抵抗器１８ｃ−１８ｄの対称の抵抗特性曲線３６ａ、３６ｂを有する状態Ｍ２及びＭ４に該当する。上部の部分図は、Ｈｘ成分３４に関する電圧挙動Ｕ１、Ｕ２を示し、下部の部分図は、Ｈｚ成分２４に関する電圧挙動Ｕ１、Ｕ２を示す。
【００４５】
状態Ｍ１、Ｍ３を、Ｈｘ成分３４の方向及び強度を決定するために使用でき、状態Ｍ２、Ｍ４をＨｚ成分２４の方向及び強度を決定するために使用できる。
【００４６】
図１２は、２つのホイートストン測定ブリッジ１４ａ、１４ｂを用いて３次元磁場プロファイルを決定するための磁場センサー装置１０の更なる実施形態を示す。３Ｄセンサー装置１０の場合、磁束集中素子２２は、実質的に方形の形態を有し、複数の状態の定義により、Ｈｘ成分だけではなく、Ｈｙ成分及びＨｚ成分も、２つの差圧ΔＵａ及びΔＵｂを用いて決定可能である。Ｈｚ成分の大きさは、測定ブリッジ１４ａ及び測定ブリッジ１４の双方によって認識され得る。２つの決定されたＨｚ値を平均化することにより精度を高めることができる。
【００４７】
最終的に、図１３ａ及び図１３ｂは、磁場センサー装置１０の更なる実施形態の電気的な等価回路図を示す。したがって、図１３аは、左の部分図において、状態Ｍ２として図９の構成に相当するブリッジ回路を示す。この構造は、Ｚ軸における成分を測定するために感度が高い。ブリッジ抵抗器１８ａから１８ｂの全ての端子接点が互いに独立して接触可能である場合、図１３ａの右の部分図は、供給電圧Ｖｓｓ、接地電位ＧＭＤ、又は中央タップ電圧Ｕ１、Ｕ２との個々のブリッジ抵抗器１８ａから１８ｄの接触と、結果として生じる差圧ΔＵ＝Ｕ１−Ｕ２を示す。
【００４８】
図１３ｂは、図１３ａと比べてＸ方向に感応性方向を有する、図１３ａに基づく構成を示す。素子１８ｄ及び１８ｂの磁化の方向の切り替えの他に（左の部分図）、感応性方向の切り替えは、右のハーフブリッジ１６ｂの供給電圧が切り替えられることにより（中央の部分図）、又は、図１３ａに比べて右のハーフブリッジ１６ｂにおける抵抗器１８ｂ及び１８ｄの回路構造が交換されることにより達成される。
【００４９】
本発明は、垂直な磁場成分を強磁性体の磁束集中素子によりセンサー面における非対称な磁場成分へ偏向することを、感応性方向の切り替え及び／又はフリッピングのための利点と組み合わせ、この場合、適切な評価電子機器により、測定オフセットを排除することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場の２つ又は３つの成分を決定するための磁場センサー装置（１０）であって、２つのハーフブリッジ（１６）を有する少なくとも１つのホイートストンブリッジ（１４）を備え、前記各ハーフブリッジ（１６）が少なくとも２つのブリッジ抵抗器（３０）を有し、前記２つのブリッジ抵抗器（３０）の少なくとも１つがＸ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置する磁場成分（３４）に関する磁場感応性抵抗器（１８）であり、
前記２つの磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）間に強磁性体の磁束集中素子（２２）が対称に配置され、該磁束集中素子（２２）は、前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に対して垂直に配向されたＺ磁場成分（２４）に関して、前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置する非対称な磁場成分を生成する磁場センサー装置（１０）において、
前記２つのハーフブリッジ（１６）の互いに関連付けられた磁場感応性抵抗器（１８）の抵抗特性曲線の少なくとも１つの抵抗特性曲線の切り替え、特に、ペアでの切り替え、又は、前記ブリッジ抵抗器（１８，３０）の回路構造の切り替えを少なくとも１つのハーフブリッジ（１６）において可能にするために、前記ブリッジ抵抗器（１８，３０）の前記回路構造、又は、少なくとも１つのハーフブリッジ（１６）の供給電圧は、個別に切り替え可能であり、及び／又は、前記磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）の少なくとも１つ、好ましくは全てが切替可能な抵抗特性曲線（３６）を有し、第１状態Ｍ１、Ｍ３において、Ｘ／Ｙに位置する磁場成分（３４）が測定可能であり、第２状態Ｍ２，Ｍ４において、Ｚ方向に位置する磁場成分（２４）を測定可能であることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）は、ＡＭＲ抵抗器、ＧＭＲ抵抗器、又はＴＭＲ抵抗器であることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁場センサー装置（１０）において、
少なくとも１つの予磁化切替ユニット、特に、フリップ伝導体を備え、前記予磁化切替ユニットは、少なくとも１つの磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）の前記抵抗特性曲線（３６）の定義のために前記ブリッジ抵抗器（１８，３０）の内部磁化のフリッピング、すなわち、磁性反転をすることができることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記ホイートストン測定ブリッジ（１４）の全ての抵抗器（３０）は、磁場感応性抵抗器（１８）であることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
２つのホイートストン測定ブリッジ（１４ａ、１４ｂ）を備え、前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置する、前記２つの測定ブリッジ（１４ａ、１４ｂ）の測定感応性磁場成分（３４）の配向は互いに対して垂直であることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記強磁性体の磁束集中素子（２２）は、鉄、コバルト、ニッケル、ＡｌＮｉＣｏ、ＳｍＣｏ、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ、Ｎｉ８０Ｆｅ２０などの強磁性体の合金、ＮｉＦｅＣｏ合金、又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記強磁性体の磁束集中素子（２２）は、前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）において対称の形態、特に、ミラー対称、又は回転対称の形態、特に、長方形、特に、正方形の形態を有し、前記磁束集中素子（２２）の側端は、好ましくは前記Ｘ／Ｙ方向に配向されていることを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）において、
前記磁束集中素子（２２）の上表面又は下表面が前記Ｘ／Ｙ磁場センサー面（２０）に位置することを特徴とする磁場センサー装置（１０）。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の磁場センサー装置（１０）により磁場の２つ又は３つの成分を決定するための方法において、
前記２つのハーフブリッジ（１６）の互いに関連付けられた磁場感応性抵抗器（１８）の抵抗特性曲線の少なくとも１つの抵抗特性曲線の切り替え、特に、ペアでの切り替え、又は、前記ブリッジ抵抗器（１８，３０）の回路構造の切り替えを少なくとも１つのハーフブリッジ（１６）において行い、２つのハーフブリッジ（１６）においてＸ／Ｙセンサー面に位置する磁場センサー成分（３４）が大きさの第１変化における前記ハーフブリッジ（１６）の中央タップにおける電圧変化Ｕ１、Ｕ２を引き起こし、前記Ｘ／Ｙセンサー面に対して垂直なＺ方向において、大きさの第２変化における異なる電圧変化を引き起こすように、第１状態Ｍ１、Ｍ３において、Ｘ／Ｙに位置する磁場成分（３４）は、互いに対応する磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）の逆向きの抵抗プロファイルにより測定可能であり、第２状態Ｍ２、Ｍ４において、Ｚ方向に位置する磁場成分（２４）は、互いに対応する磁場感応性ブリッジ抵抗器（１８）の同じ向きの抵抗プロファイルにより測定可能であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、
前記状態の切り替えは、順序Ｍ１、Ｍ２、Ｍ１及びＭ２、又は、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３及びＭ４で行われることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の方法において、
前記測定ブリッジ（１４）の電圧オフセットは、評価ユニットにより除去されることを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2016529492.tif 000016
2016529492.tif 000017
2016529492.tif 000018
2016529492.tif 000019
2016529492.tif 000020
2016529492.tif 000021