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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetfeldsensoren und insbesondere
auf Hall-Sensoren zur Erfassung von räumlichen Komponenten eines
Magnetfeldes in einem Referenzpunkt, die insbesondere im Messbetrieb
kalibrierbar sind, sowie auf die dort eingesetzten Kalibrierungs-
und Messverfahren.
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Auf
dem Hall-Effekt basierende Hall-Sensorelemente werden in der Technik
neben der Vermessung von Magnetfeldern nach Betrag und Richtung,
häufig
auch für
kontaktfreie, berührungslose
Signalgeber zur verschleißfreien
Erfassung der Stellung von Schaltern oder Stellgliedern eingesetzt.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit
besteht in der Strommessung, wobei ein Hall-Sensorelement in der
Nähe einer
Leiterbahn angeordnet wird und den Strom in der Leiterbahn über die
Erfassung des durch den Strom in der Leiterbahn erzeugten Magnetfeldes
kontaktlos bemisst. In der praktischen Anwendung haben sich Hall-Sensorelemente
insbesondere durch ihre relativ starke Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen, wie
z. B. Verschmutzungen und so weiter, ausgezeichnet.
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In
der Technik sind sowohl sogenannte horizontale oder laterale Hall-Sensorelemente
als auch vertikale Hall-Sensorelemente
bekannt, wobei in 6a ein horizontales Hall-Sensorelement
und in 6b ein vertikales Hall-Sensorelement gemäß dem Stand
der Technik beispielhaft dargestellt sind.
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Ein
Hall-Sensorelement ist im Allgemeinen aus einem Halbleiterplättchen mit
vier Kontaktanschlüssen,
die zur elektrischen Verbindung mit einer externen Ansteuerschaltung
vorgesehen sind, aufgebaut. Von den vier Kontaktanschlüssen eines
Hall-Sensorelementes sind zwei Kontaktanschlüsse zur Betriebsstromeinprägung durch
einen aktiven Halbleiterbereich vorgesehen, während die anderen beiden Kontaktanschlüsse vorgesehen
sind, um die Hall-Spannung zu erfassen. Setzt man das von dem Betriebsstrom
durchflossene Halbleiterplättchen
einem Magnetfeld mit der Induktion B → aus, so kommt es zu einer Ablenkung
der Strombahnen, die durch die auf die bewegten Ladungsträger im magnetischen
Feld einwirkende „Lorenz-Kraft" verursacht wird.
Die Hall-Spannung ergibt sich senkrecht zur Richtung des Stromflusses
und senkrecht zum anliegenden Magnetfeld in dem aktiven Halbleitergebiet.
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Wie
nun in 6a prinzipiell dargestellt ist,
ist ein horizontales Hall-Sensorelement 600 gemäß dem Stand
der Technik im Allgemeinen aus einem n-dotierten Halbleiterbereich 602 auf
einem p-dotierten Halbleitersubstrat 604 aufgebaut. Als
horizontal wird ein Hall-Sensorelement bezeichnet, das parallel
zu einer Chipoberfläche
(x-y-Ebene) angeordnet ist.
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Der
n-dotierte aktive Bereich 602 ist üblicherweise über vier
Kontaktelektroden 606a–d,
die jeweils paarweise gegenüberliegend
in dem aktiven Bereich 602 angeordnet sind, mit einer externen
Ansteuer- bzw. Auswertelogik verbunden. Die Ansteuer- bzw. Auswertelogik
ist der Übersichtlichkeit
halber in 6 nicht dargestellt. Die
vier Kontaktelektroden 606a–d unterteilen sich in zwei
gegenüberliegende
Steuerstromkontaktelektroden 606a und 606c, die
vorgesehen sind, um einen Stromfluss IH durch
den aktiven Bereich 602 zu erzeugen, und ferner in zwei
gegenüberliegende
Spannungsabgriffskontaktelektroden 606b und 606d,
die vorgesehen sind, um eine Hall-Spannung UH,
die bei einem anliegenden Magnetfeld B → senkrecht zu dem Stromfluss
in dem aktiven Bereich 602 und dem anliegenden Magnetfeld
auftritt, als Sensorsignal abzugreifen. Indem nun der Stromfluss
IH zwischen verschiedenen Kontaktelektroden
eingeprägt
und entsprechend die Hall-Spannung UH an
den anderen Kontaktelektroden senkrecht zum Stromfluss abgegriffen
wird, lassen sich Kompen sationsverfahren implementieren, die es
ermöglichen,
Toleranzen, die in den Hall-Sensoren beispielweise aufgrund von
Herstellungstoleranzen usw. auftreten, über mehrere Messzyklen zu kompensieren.
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Wie
aus dem in 6a dargestellten horizontalen
Hall-Sensorelement 600 ersichtlich
ist, ist der aktive Bereich zwischen den Kontaktanschlüssen 606a–d definiert,
so dass der aktive Bereich eine effektive Länge L und eine effektive Breite
W aufweist. Die anhand von 6a dargestellten
horizontalen Hall-Sensorelemente 600 sind relativ einfach
mit herkömmlichen
CMOS-Prozessen (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor)
zur Herstellung von Halbleiterstrukturen herstellbar.
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Neben
den horizontalen Hall-Sensorelementen sind im Stand der Technik
ferner Realisierungen sogenannter vertikaler Hall-Sensoranordnungen
bekannt, die auch den Einsatz von Standard-Halbleiterherstellungstechnologien,
beispielsweise von CMOS-Prozessen, ermöglichen. Ein Beispiel für ein vertikales Hall-Sensorelement 620 ist
prinzipiell in 6b dargestellt, wobei mit vertikal
eine Ebene senkrecht zur Ebene der Chipoberfläche (X-Y-Ebene) gemeint ist.
Bei dem in 6b dargestellten vertikalen
Hall-Sensorelement 620 erstreckt der sich vorzugsweise
n-dotierte aktive Halbleiterbereich 622 in Form einer Wanne
in einem p-dotierten Halbleitersubstrat 624, wobei der
aktive Halbleiterbereich 622 eine Tiefe T aufweist. Wie
nun in 6b dargestellt ist, weist das
vertikale Hall-Sensorelement drei Kontaktbereiche 626a–c auf,
die angrenzend an die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 624 in
demselben angeordnet sind, wobei sich die Kontaktanschlüsse 626a–c alle
in dem aktiven Halbleiterbereich 622 befinden. Aufgrund
der drei Kontaktbereiche wird diese Variante von vertikalen Hall-Sensorelementen auch
3-Pin-Sensor genannt.
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Das
in 6b dargestellte vertikale Hall-Sensorelement 620 weist
also drei Kontaktbereiche 626a–c entlang der Hauptoberfläche des
aktiven Halbleiterbereichs 622 auf, wobei der Kontaktbereich 626a mit
einem Kontaktanschluss A verbunden ist, der Kontaktbereich 626b mit
einem Kontaktanschluss B verbunden ist und wobei der Kontaktbereich 626c mit
einem Kontaktanschluss C verbunden ist. Wird nun zwischen die beiden Kontaktanschlüsse A und
C eine Spannung angelegt, so stellt sich ein Stromfluss IH durch den aktiven Halbleiterbereich 622 ein,
und am Kontaktanschluss B kann nun eine Hall-Spannung UH,
die senkrecht zum Stromfluss IH und zum
Magnetfeld B → ausgerichtet ist, gemessen werden. Die effektiv wirksamen
Bereiche des aktiven Halbleiterbereichs 622 sind durch
die Tiefe T des aktiven Halbleiterbereichs 622 und die
Länge L
entsprechend dem Abstand zwischen den Stromeinspeisungskontaktelektroden 626a und 626c vorgegeben.
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Horizontale
und vertikale Hall-Sensoren, sowie die Verfahren zur Reduzierung
von Offsets, die durch Bauelementtoleranzen wie beispielsweise Verunreinigungen,
Asymmetrien, piezoelektrische Effekte, Alterungserscheinungen usw.
entstehen, beispielsweise mit dem Spinning-Current-Verfahren, sind
in der Literatur bereits bekannt, z. B. R. S. Popovic, „Hall Effect
Devices, Magnetic Sensors and Characterization of Semiconductors", Adam Hilger, 1991,
ISBN 0-7503-0096-5. Häufig
bestehen vertikale Sensoren, die Spinning-Current betrieben werden,
aus zwei, oder aus vier Einzelsensoren, wie dies beispielsweise
die
DE 101 50 955
C1 und
DE
101 50 950 C2 beschreiben.
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Ferner
gibt es neben der Variante der 3-pinnigen vertikalen Hall-Sensorelemente
auch sogenannte 5-pinninge vertikale Hall-Sensorelemente, die ebenfalls
in
DE 101 50 955 C1 und
DE 101 50 950 C2 beschrieben
werden. Auch bei den 5-Pin-Hall-Sensorelementen
besteht die Möglichkeit
mittels eines Kompensationsverfahrens, das sich über mehrere Messphasen erstreckt,
eine um Toleranzen der einzelnen Bauteile kompensierte Messung durchzuführen, beispielsweise
könnte
auch hier ein Spinning-Current-Verfahren eingesetzt werden.
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Die
Spinning-Current-Technik besteht nun darin, die Messrichtung zur
Erfassung der Hall-Spannung an dem Hall-Sensorelement ständig mit einer bestimmten Taktfrequenz
um beispielsweise 90° zyklisch
weiter zu drehen und über
alle Messsignale einer vollen Drehung um 360° aufzusummieren. Bei einem Hall-Sensorelement
mit vier Kontaktbereichen, von denen jeweils zwei Kontaktbereiche
paarweise zueinander zugeordnet sind, wird daher jedes der Kontaktpaare
je nach Spinning-Current-Phase sowohl als Steuerstromkontaktbereiche
zur Stromeinspeisung als auch als Messkontaktbereiche zum Abgreifen
des Hall-Signals genutzt. So fließt in einer Spinning-Current-Phase
bzw. in einem Spinning-Current-Zyklus
der Betriebsstrom (Steuerstrom IH) zwischen
zwei zugeordneten Kontaktbereichen, wobei die Hall-Spannung an den
beiden anderen einander zugeordneten Kontaktbereichen abgegriffen
wird.
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Beim
nächsten
Zyklus wird dann die Messrichtung um 90° weitergedreht, so dass die
Kontaktbereiche, die im vorangehenden Zyklus zum Abgreifen der Hall-Spannung
eingesetzt wurden, nunmehr zur Einspeisung des Steuerstroms dienen.
Durch die Summation über
alle vier Zyklen bzw. Phasen heben sich herstellungs- oder materialbedingte
Offset-Spannungen annähernd
gegenseitig auf, so dass nur die tatsächlich magnetfeldabhängigen Anteile
des Signals übrig
bleiben. Diese Vorgehensweise ist natürlich auch auf eine größere Anzahl
von Kontaktpaaren anwendbar, wobei beispielsweise bei vier Kontaktpaaren
(mit acht Kontaktbereichen) die Spinning-Current-Phasen um 45° zyklisch weiter gedreht werden,
um alle Messsignale über
einer vollen Drehung um 360° aufsummieren
zu können.
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Bei
horizontalen Hall-Sensoren werden ebenfalls häufig vier Sensoren verwendet,
da bei geeigneter Anordnung der Offset durch räumlichen Spinning-Current-Betrieb
zusätzlich
stark reduziert werden kann, siehe z. B.
DE 199 43 128 A1 .
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Soll
ein Magnetfeld für
mehrere Raumrichtungen gemessen werden, so werden hierzu zumeist
getrennte Hall-Sensorelemente
verwendet. Die Verwendung getrennter Sensoren, beispielsweise zur
Erfassung der drei Raumrichtungen eines Magnetfeldes, bringt generell
die Problematik mit sich, dass das zu vermessende Magnetfeld nicht
in einem Punkt, sondern in drei verschiedenen Punkten gemessen wird. 7 verdeutlicht
diesen Aspekt, wobei 7 drei Hall-Sensoren 702, 704 und 706 zeigt.
Der erste Hall-Sensor 702 ist zur Erfassung einer y-Raumkomponente,
der zweite Hall-Sensor 704 ist
zur Erfassung einer z-Raumkomponente und der dritte Hall-Sensor 706 ist
zur Erfassung einer x-Raumkomponente
vorgesehen. Die Einzelsensoren 702, 704 und 706 messen
dabei die entsprechenden Raumkomponenten eines Magnetfeldes näherungsweise
in den jeweiligen Mittelpunkten der Einzelsensoren.
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Ein
Einzelsensor kann wiederum aus mehreren Hall-Sensorelementen aufgebaut sein. 7 zeigt beispielhaft
drei Einzelsensoren, die jeweils vier Hall-Sensorelemente aufweisen,
wobei in 7 beispielhaft von einem horizontalen
Hallsensor 704 ausgegangen wird, der eine z-Komponente des zu
messenden Magnetfeldes erfasst, und von je einem vertikalen Hallsensor 702 und 706 für y- bzw.
x-Komponente des
zu messenden Magnetfeldes. Die Anordnung zur Erfassung der räumlichen
Magnetfeldkomponenten, wie beispielhaft in 7 dargestellt,
weist die Problematik auf, dass das Magnetfeld nicht in einem Punkt
gemessen werden kann, sondern in den jeweiligen Mittelpunkten der
Einzelsensoren. Dies bringt zwangsläufig eine Verfälschung mit
sich, da keine exakte Auswertung des Magnetfeldes basierend auf
den an unterschiedlichen Orten erfassten Magnetfeldkomponenten des
Magnetfeldsensors möglich
ist.
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Ein
weiterer Aspekt bei der Erfassung und Auswertung von Magnetfeldern
mittels Hall-Sensorelementen ist die Kalibrierung der Einzelelemente.
Gemäß dem Stand
der Technik werden Hall-Sensorelemente zumeist mit sogenannten Erreger leitungen
versehen, die es erlauben, ein definiertes Magnetfeld im Messpunkt eines
Einzelsensors zu erzeugen, um anschließend durch Vergleich bzw. Zuordnung
der gemessenen Hall-Spannung zu dem definierten Magnetfeld eine
Kalibrierung des Sensors zu erreichen.
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Mit
Erregerleitern ist es möglich
ein künstliches
Magnetfeld an einem Hall-Sensor zu erzeugen, mit dem ein einfacher
Wafertest, d. h. ein Test direkt auf dem Substrat, sowie ein Selbsttest
und eine Empfindlichkeitskalibrierung im laufenden Betrieb möglich ist,
vergleiche Janez Trontelj, „Optimization
of Integrated Magnetic Sensor by Mixed Signal Processing, Proceedings
of the 16th IEEE Vol. 1. Dies ist in sicherheitskritischen Bereichen,
z. B. im Automobilbereich oder auch in der Medizintechnik, von besonderem
Interesse, da hiermit eine Selbstüberwachung der Sensoren auch
im Betrieb möglich
wird.
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Werden
nun beispielsweise zur Erfassung der räumlichen Komponenten eines
Magnetfeldes mehrere Einzelsensoren, wie beispielhaft in 7 gezeigt,
verwendet, so benötigt
jeder Einzelsensor eine entsprechende Erregerleitung zur Kalibrierung,
und die Einzelsensoren werden weiterhin einzeln kalibriert. Der
Kalibrierungsaufwand eskaliert also mit der Anzahl von Einzelsensorelementen
und erhöht
sich also im Falle der räumlichen
Erfassung von drei Magnetfeldkomponenten um das Dreifache gegenüber dem
Kalibrierungsaufwand eines Einzelsensors.
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Ein
Ansatz, um eine Auswertung eines Magnetfeldes zu ermöglichen,
d. h. eine Messung in einem Punkt zu erfassen, ist ein 3D-Sensor
der Ecole Polytechnique Federal Lausanne EPFL, vergleiche C. Schott, R.
S. Popovic, „Integrated
3D Hall Magnetic Field Sensor",
Transducers '99,
June 7–10,
Sensai, Japan, VOL. 1, PP. 168–171,
1999. 8 zeigt schematisch einen solchen Hall-Sensor 800,
der auf ein Halbleitersubstrat 802 implementiert ist. Der
3D-Sensor weist zunächst
vier Kontaktflächen 804a–d auf, über die Ströme in das Halbleitersubstrat 802 eingeprägt werden
können.
Der 3D-Sensor weist ferner vier Messkontaktflächen 806a–d auf, über die
die verschiedenen Magnetfeldkomponenten erfasst werden können. In 8 ist
auf der rechten Seite eine Verschaltung 810 dargestellt.
Die gezeigte Verschaltung, die sich aus vier Operationsverstärkern 812a–d zusammensetzt,
wertet die zu den einzelnen Magnetfeldkomponenten proportionalen Hall-Spannungen
aus, und gibt die entsprechenden Komponenten an den Anschlüssen 814a–c, in Form
der Signale Vx, Vy und Vz aus.
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Der
dargestellte Sensor bringt die Problematik mit sich, dass er nur
durch ein definiertes von außen erzeugtes
Magnetfeld kalibriert werden kann und keine eigene Erregerleitung
aufweist. Ferner kann dieser Sensor aufgrund seines Aufbaus und
seiner Funktionsweise nicht mit einem Kompensationsverfahren, z.
B. Spinning-Current-Verfahren betrieben werden. Weiterhin besteht
ein Problem in der in 8 gezeigten Anordnung darin,
dass ein solcher Halbleiter-Baustein
aufgrund von Verunreinigungen des Halbleitermaterials, Asymmetrien
in der Kontaktierung, Varianzen in der Kristallstruktur usw. Offset-Spannungen
aufweist, die nicht über
eine entsprechende Spinning-Current-taugliche Kompensationsverschaltung
unterdrückt
werden können.
Der Sensor misst somit zwar Magnetfeldkomponenten in einem fokussierten
Punkt, besitzt aber einen hohen Offset und ist daher nur eingeschränkt für präzise Messungen
geeignet. 9 zeigt einen kompensationsfähigen (Spinning-Current)
3D-Sensor, der räumliche
Magnetfeldkomponenten in einem Messpunkt erfasst und von Enrico
Schurig in „Highly
Sensitive Vertical Hall Sensors in CMOS Technology", Hartung-Gorre Verlag Konstanz,
2005, Reprinted from EPFL Thesis N° 3134 (2004), ISSN 1438-0609,
ISBN 3-86628-023-8 WW. 185ff erörtert
wird. In 9 oben ist zunächst der
aus den drei Einzelsensoren bestehende 3D-Sensor aus 7 gezeigt. 9 zeigt
im oberen Teil drei getrennte Einzelsensoren 902, 904 und 906 zur
Erfassung der räumlichen
Magnetfeldkomponenten. In 9 ist im
unteren Teil eine alternative Anordnung der Einzelsensoren gezeigt.
Bei dieser Anordnung wird der Sensor 904 unverändert beibehalten,
da der Messpunkt des Sensors 904 in der Mitte der Anordnung 900 in 9 liegt,
ferner bestehen die beiden Einzelsensoren 902 und 906 aus
Einzelelementen, die trennbar sind. Der Sensor 902 wird
also jetzt in zwei Sensorteile 902a und 902b aufgeteilt
und symmetrisch um den Mittelpunkt des Sensorelements 904 angeordnet.
Eine analoge Verfahrensweise wird dem Sensor 906 zuteil,
so dass auch dieses in zwei Sensorteile 906a und 906b aufgeteilt
wird, die symmetrisch um den Mittelpunkt des Sensorelements 904 angeordnet
sind, entlang der entsprechenden Raumachse. Durch die symmetrische
Anordnung der einzelnen Sensorelemente wird nun das magnetische Feld
in einem Punkt erfasst, der im geometrischen Zentrum der Anordnung
liegt.
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Zusammenfassend
lässt sich
somit sagen, dass im Bereich der konventionellen Technik zur Messung mehrdimensionaler
Magnetfelder Einzelsensoren, die symmetrisch um einen Mittelpunkt
angeordnet sind, zum Einsatz kommen können. Solche Anordnungen können insbesondere
bei Winkelsensoren realisiert werden, wo ein Magnetfeld durch alle
Sensoren in einem Punkt gemessen werden soll. Problematisch bei
diesen Anordnungen ist die Überwachung,
Kalibrierung und das Testen der Sensoren.
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Die
DE 10 2006 037 226
A1 offenbart einen im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensor
zur Erfassung einer ersten, zweiten und dritten räumlichen
Komponente eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt, wobei das
Magnetfeld eine erste, zweite und dritte Messfeldkomponente und
eine erste, zweite und dritte Kalibrierungsfeldkomponente aufweist.
Der Magnetfeldsensor umfasst drei Sensorelementanordnungen zur Erfassung
der drei Magnetfeldkomponenten und der drei Kalibrierfeldkomponenten
bezüglich
dreier linear unabhängiger
Raumachsen im Referenzpunkt. Der Magnetfeldsensor umfasst ferner
eine Erregerleitung, die so bezüglich
der ersten, zweiten und dritten Sensorelementanordnung angeord net
ist, dass bei einer Einprägung eines
vorgegebenen Stroms in die Erregerleitung Kalibrierungsfeldkomponenten
bezüglich
der Sensorelementanordnungen erzeugt werden.
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BURGER,
F. u. a.: New fully integrated 3-D silicon Hall sensor for precise
angular-position measurements. In: Sensors and Actuators A 67, 1998,
S. 72–76
offenbart einen Magnetfeldsensor, der zur dreidimensionalen Erfassung
eines Magnetfeldes ausgebildet ist, und zwei orthogonale vertikale
Hallelemente aufweist, sowie vier horizontale Hallsensoren. Eine
Kalibrierung im Messfeld wird nicht berücksichtigt.
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LEMME,
H.: Punktgenau in drei Dimensionen messen. In: Elektronik, Heft
21, 1999, Seiten 106–112 offenbart
eine Anordnung aus horizontalen und vertikalen Hallelementen, die
auf einen Chip integrierbar sind. Ein 3-D-Sensorelement entsteht
auf einem Halbleiterchip, wobei Differenzenverstärker zum Einsatz kommen, um
die jeweiligen drei Messfeldkomponenten zu erfassen. Die Schrift
beschäftigt
sich nicht mit der Kompensation von Störgrößen oder einer Kalibrierung
des Magnetfeldsensors im Messfeld.
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SCHURIG,
E.: Highly Sensitive Vertical Hall Sensors in CMOS Technology. Hartung-Gore
Verlag Konstanz, 2005, reprinted from EPFL Thesis No 3.134, 2004,
ISSN 1438-0609, ISBN 3-86628-023-8,
Seiten 185–188
offenbart eine Anordnung aus einem horizontalen Hallsensor zur Erfassung
einer Z-Komponente
eines Magnetfeldes, und zwei Paaren von vertikalen Hallelementen
zur Erfassung der X- und Y-Komponenten eines Magnetfeldes. Die Schrift
offenbart ferner ein Blockdiagramm zur Erfassung der drei Hallspannungen. Kompensation
von Störgrößen und
einer Kalibrierung im Messfeld werden jedoch nicht in dieser Schrift
betrachtet.
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Die
DE 10 2005 008 724
A1 offenbart einen Magnetfeldsensor zum Messen eines Magnetfeldes,
der eine erste Hallsonde mit einem Hallstrom in einer ersten Hallstromrichtung,
die ein erstes Ausgangssignal liefert, umfasst. Der Magnetfeldsensor
umfasst ferner eine zweite Hallsonde mit einem Hallstrom in eine
zweite Hallstromrichtung, die ein zweites Ausgangssignal liefert,
wobei sich die zweite Hallstromrichtung von der ersten Hallstromrichtung
unterscheidet. Der Magnetfeldsensor umfasst ferner eine dritte Hallsonde,
in der ein dritter Hallstrom in einer dritten Hallstromrichtung
fließt,
wobei die dritte Hallstromrichtung sich von der ersten Hallstromrichtung
und der zweiten Hallstromrichtung unterscheidet, und die ein drittes
Ausgangssignal liefert, wobei die erste Hallsonde, die zweite Hallsonde
und die dritte Hallsonde auf einem Chip integriert sind.
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Die
DE 101 50 955 C1 offenbart
einen vertikalen Hallsensor, bei dem durch ein elektrisch leitfähiges Gebiet
zur Bildung eines Hallsensorelements senkrecht zur Oberfläche eines
Substrats in das Substrat erstreckt und mehrere erste Anschlussbereiche
entlang einer Seitenfläche
an der Oberfläche
des Substrats aufweist. Der vorliegende Hallsensor zeichnet sich
dadurch aus, dass zumindest ein zweites gleichartiges. Hallsensorelement
parallel zum ersten Hallsensorelement im Substrat angeordnet und
derart mit dem ersten Hallsensorelement verschaltet ist, dass beim
Betrieb des Hallsensors mit einer Spinning Current Technik in jeder Spinning
Current Phase die gleiche Kombination von Steuerstromverteilungen
im Hallsensor erhalten wird.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Magnetfeldsensor
zur mehrdimensionalen Erfassung von Magnetfeldkomponenten in einem
Referenzpunkt zu schaffen, dessen Toleranzen effizient kompensierbar
sind, der sowohl zuverlässig
und unaufwendig kalibrierbar ist, wobei eine Kalibrierung im Messbetrieb durchführbar ist,
und der aufwandgünstig
und effizient sowohl in einem On-Wafer-Test als auch im Betrieb
testbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen kalibrierbaren Magnetfeldsensor gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Magnetfeldsensors im Messbetrieb
gemäß Anspruch
16 sowie durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 27 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung schafft in einem Ausführungsbeispiel einen kalibrierbaren
Magnetfeldsensor zur Erfassung einer ersten und einer zweiten räumlichen
Komponente eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt, wobei das
Magnetfeld eine erste und eine zweite Messfeldkomponente und/oder
eine erste und zweite Kalibrierungsfeldkomponente aufweist, mit
einer ersten Sensorelementanordnung, die wenigstens ein erstes und
ein zweites Sensorelement aufweist, zur Erfassung der ersten Magnetfeldkomponente,
die eine erste Messfeldkomponente und/oder eine erste Kalibrierungsfeldkomponente
aufweist, bezüglich
einer ersten Raumachse in dem Referenzpunkt. Der Magnetfeldsensor
umfasst ferner eine zweiten Sensorelementanordnung zur Erfassung
der zweiten Magnetfeldkomponente, die eine zweite Messfeldkomponente
und/oder eine zweite Kalibrierungsfeldkomponente aufweist, bezüglich einer
zweiten Raumachse im Referenzpunkt. Ferner umfasst der Magnetfeldsensor
eine Erregerleitung, die so bezüglich
der ersten Sensorelementanordnung angeordnet ist, dass bei einer
Einprägung
eines vorgegebenen Stroms in die Erregerleitung ein Paar von unterschiedlichen
vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten in dem ersten Sensorelement
und in dem zweiten Sensorelement bezüglich der ersten Raumachse
in der ersten Sensorelementanordnung erzeugt wird, wobei die zwei
Raumachsen entlang linear unabhängigen
Ortsvektoren verlaufen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft in einem weiteren Ausführungsbeispiel
einen im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensor zur Erfassung
einer ersten, zweiten und dritten räumlichen Komponente Bz, By und Bx eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt,
wobei das Magnetfeld eine erste, zweite und dritte Messfeldkomponente
BMz, BMy, BMx und/oder eine erste, zweite und dritte
Kalibrierungsfeldkomponente BKz, BKy, und BKx aufweist.
Der Magnetfeldsensor umfasst eine erste Sensorelementanordnung,
die wenigstens zwei Sensorelemente aufweist, zur Erfassung der ersten
Magnetfeldkomponente Bz, die eine erste
Messfeldkomponente BMz und/oder ei ne erste
Kalibrierungsfeldkomponente BKz aufweist,
bezuglich einer ersten Raumachse z im Referenzpunkt.
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Ferner
umfasst der Magnetfeldsensor eine zweite Sensorelementanordnung,
die wenigstens zwei Sensorelemente aufweist, zur Erfassung der zweiten
Magnetfeldkomponente By, die eine zweite
Messfeldkomponente BMy und/oder eine zweite
Kalibrierungsfeldkomponente BKy aufweist,
bezüglich
einer zweiten Raumachse y im Referenzpunkt. Der Magnetfeldsensor
umfasst ferner eine dritte Sensorelementanordnung, die wenigstens
zwei Sensorelemente aufweist, zur Erfassung der dritten Magnetfeldkomponente
Bx, die eine dritte Messfeldkomponente BMx und/oder eine dritte Kalibrierungsfeldkomponente
BKx aufweist, bezüglich einer dritten Raumachse
x im Referenzpunkt. Der Magnetfeldsensor weist ferner eine Erregerleitung
auf, die so bezüglich
der ersten, zweiten und dritten Sensorelementanordnung angeordnet
ist, dass bei einer Einprägung eines
vorgegebenen Stroms Ik1 in die Erregerleitung
ein erstes Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKza und BKzb bezüglich der
ersten Raumachse z in der ersten Sensorelementanordnung erzeugt
wird, ein zweites Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten BKya und BKyb bezüglich der
zweiten Raumachse y in der zweiten Sensorelementanordnung erzeugt
wird und ein drittes Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKxa und BKxb bezüglich der
dritten Raumachse x in der dritten Sensorelementanordnung erzeugt
wird, wobei die drei Raumachsen z, y und x entlang linear unabhängiger Ortsvektoren
verlaufen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass vorzugsweise
paarweise symmetrisch angeordnete Sensorelemente, einen Magnetfeldsensor
zur mehrdimensionalen Erfassung eines Magnetfeldes schaffen können, der
mit Hilfe zumindest einer asymmetrischen Erregerleitung kalibrierbar
wird. Die Erregerleitung ist dabei bezüglich der paarweise angeordneten
Sensorelemente insofern asymmetrisch, als dass das durch Bestromung
mit der Erregerleitung erzeugbare Mag netfeld ungleiche Kalibrierfeldkomponenten
in den paarweisen Sensorelementen hervorruft. Dabei können auch
Sensorelemente gleicher Empfindlichkeit eingesetzt werden, denn
durch die erwähnte
Asymmetrie ergeben sich unterschiedliche Kalibrierfeldkomponenten,
deren Differenz messbar ist und mit deren Hilfe der Magnetfeldsensor
kalibrierbar ist. Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoren
lassen sich so zweidimensionale und auch dreidimensionale Magnetfelder
entlang zweier bzw. dreier linear unabhängiger Ortsvektoren erfassen.
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Es
können
auch mehrere Erregerleitungen eingesetzt werden, die bezüglich der
paarweisen Sensorelemente unterschiedliche oder auch gespiegelte
bzw. entgegengesetzte Asymmetrien aufweisen können. Beispielsweise können die
Erregerleitungen Spulen bilden, deren Magnetfelder sich überlagern
und so ein resultierendes Erregerfeld in einer Empfindlichkeitsrichtung
eines Sensorelementes hervorrufen. Dies wirkt sich vorteilhaft aus,
da der Magnetfeldsensor so im Messbetrieb kalibrierbar und überprüfbar ausgebildet
werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors und Verfahrens
liegt darin, dass der Magnetfeldsensor im Betrieb kalibriert werden
kann und dabei zusätzlicher
Hardware- oder Zeitaufwand eingespart werden kann. Beispielsweise
können
die Messergebnisse von einem Mikrocontroller oder einem Prozessor
kombiniert bzw. ausgewertet werden, so dass ein zusätzlicher
Aufwand auf nur eine zusätzliche
Rechenoperation beschränkt
wird. Die Messfeldkomponenten und die Kalibrierungsfeldkomponenten
können
dabei jeweils gleichzeitig und kompensiert zur Verfügung gestellt
werden. Dies ist gerade bei sicherheitskritischen Anwendungsfällen, wie
beispielsweise in der Automobil- oder Medizintechnik äußerst vorteilhaft,
da der Magnetfeldsensor kontinuierlich kalibriert bzw. justiert
und gleichzeitig seine Funktionsfähigkeit überwacht werden kann, ohne
dass dabei in vielen Fällen
Kompromisse hinsichtlich der Qualität oder Quantität einer
Messung eingegangen werden müssen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a eine
prinzipielle Anordnung von Hall-Sensorelementen
und einer Erregerleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel
des im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensors zur Erfassung
einer ersten und einer zweiten räumlichen
Magnetfeldkomponente gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1b eine
weitere prinzipielle Anordnung von Hall-Sensorelementen und einer Erregerleitung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensors zur Erfassung
einer ersten und einer zweiten räumlichen
Magnetfeldkomponente gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1c eine
prinzipielle Anordnung von Hall-Sensorelementen
und einer Erregerleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel
des im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensors zur Erfassung
einer ersten, einer zweiten und einer dritten räumlichen Magnetfeldkomponente
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1d eine
weitere prinzipielle Anordnung von Hall-Sensorelementen und einer Erregerleitung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensors zur Erfassung
einer ersten, einer zweiten und einer dritten räumlichen Magnetfeldkomponente
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
prinzipielle Anordnung von Hall-Sensorelementen
und einer Erregerleitung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
des im Messbe trieb kalibrierbaren Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3a eine
prinzipielle Anordnung von Hall-Sensorelementen
und einer Erregerleitung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
des im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3b eine
prinzipielle Anordnung von Hall-Sensorelementen
und einer Erregerleitung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
des im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors;
-
5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors;
-
6a den
prinzipiellen Aufbau eines horizontalen Hall-Sensorelementes gemäß dem Stand der Technik;
-
6b den
prinzipiellen Aufbau eines vertikalen Hall-Sensorelementes gemäß dem Stand der Technik;
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7 prinzipielle
Anordnung von Einzelsensoren zur räumlichen Erfassung von Magnetfeldkomponenten
gemäß dem Stand
der Technik;
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8 alternativer
3D-Sensor zur Erfassung räumlicher
Komponenten eines Magnetfeldes gemäß dem Stand der Technik; und
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9 prinzipielle
Anordnung von Einzel-Hall-Sensorelementen
zur Erfassung eines räumlichen
Magnetfeldes in einem Punkt.
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Bezüglich der
nachfolgenden Ausführungen
sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen
aufweisen und somit in den verschiedenen, in den nachfolgend dargestellten
Ausführungsbeispielen
untereinander austauschbar sind.
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Die 1a zeigt
einen kalibrierbaren Magnetfeldsensor 100 zur Erfassung
einer ersten und einer zweiten räumlichen
Komponente (By, Bz)
eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt 101, wobei das
Magnetfeld eine erste und eine zweite Messfeldkomponente (BMy, BMz) und/oder
eine erste und eine zweite Kalibrierungsfeldkomponente (BKy, BKz) aufweist.
Der Magnetfeldsensor 100 umfasst eine erste Sensorelementanordnung 104,
die wenigstens ein erstes und ein zweites Sensorelement (104a, 104b)
aufweist, zur Erfassung der ersten Magnetfeldkomponente By, die eine erste Messfeldkomponente BMy und/oder eine erste Kalibrierungsfeldkomponente
BKy aufweist, bezüglich einer ersten Raumachse
y im Referenzpunkt 101.
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Ferner
umfasst der Magnetfeldsensor 100 eine zweite Sensorelementanordnung 102 zur
Erfassung der zweiten Magnetfeldkomponente Bz,
die eine zweite Messfeldkomponente BMz und/oder
eine zweite Kalibrierungsfeldkomponente BKz aufweist,
bezüglich
einer zweiten Raumachse z im Referenzpunkt 101. Der Magnetfeldsensor 100 umfasst
ferner eine Erregerleitung 108, die so bezüglich der
ersten Sensorelementanordnung 104 angeordnet ist, das bei
einer Einprägung
eines vorgegebenen Stromes Ik1 in die Erregerleitung 108 ein
Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKya in dem ersten Sensorelement 104a und
BKyb in dem zweiten Sensorelement 104b bezüglich der
ersten Raumachse y in der ersten Sensorelementanordnung 104 erzeugt
wird, wobei die zwei Raumachsen y und z entlang linear unabhängiger Ortsvektoren
verlaufen.
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Die 1b zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines kalibrierbaren Magnetfeldsensors 100 zur Erfassung
einer ersten und einer zweiten räumlichen
Komponente (Bx, By)
eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt 101, wobei das
Magnetfeld eine erste und eine zweite Messfeldkomponente (BMx, BMy) und/oder
eine und eine zweite Kalibrierungsfeldkomponente (BKx,
BKy) aufweist. Der Magnetfeldsensor 100 umfasst
eine erste Sensorelementanordnung 106, die wenigstens ein
erstes und ein zweites Sensorelement 106a und 106b aufweist,
zur Erfassung der ersten Magnetfeldkomponente Bx,
die eine erste Messfeldkomponente BMx und/oder
eine erste Kalibrierungsfeldkomponente BKx aufweist,
bezüglich
der ersten Raumachse x im Referenzpunkt 101.
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Der
Magnetfeldsensor, der in der 1b dargestellt
ist, umfasst ferner eine zweite Sensorelementanordnung 104 zur
Erfassung der zweiten Magnetfeldkomponente By,
die eine zweite Messfeldkomponente BMy und/oder
eine zweite Kalibrierungsfeldkomponente BKy aufweist,
bezüglich
einer zweiten Raumachse y im Referenzpunkt 101.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1b umfasst der Magnetfeldsensor 100 ferner
eine Erregerleitung 108, die so bezüglich der ersten Sensorelementanordnung 106 angeordnet
ist, dass bei einer Einprägung
eines vorgegebenen Stromes IK1 in der Erregerleitung 108 ein
Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKxa in dem ersten Sensorelement 106a und
BKxb in dem zweiten Sensorelement 106b bezüglich der
ersten Raumachse x in der ersten Sensorelementanordnung 106 erzeugt
wird, wobei die zwei Raumachsen x und y entlang unabhängiger Ortsvektoren
verlaufen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die
Sensorelemente so angeordnet sein, dass sie sich auf die zwei Raumachsen
x und z beziehen, wobei in einem solchen Ausführungsbeispiel die erste Sensorelementanordnung
der Sensorelementanordnung 106 aus der 1b entspräche, und
die zweite Sensorelementanordnung der Sensorelementanordnung 102 aus
der 1a entspräche.
Im allgemeinen Fall können
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
Magnetfelder gemäß zweier
entlang linear unabhängigen
Ortsvektoren verlaufender Raumrichtungen erfassen, wobei die Erregerleitung 108 dabei
so angeordnet ist, dass sie zumindest bezüglich einer Sensorelementanordnung
des Magnetfeldsensors, die wenigstens zwei Sensorelemente aufweist,
unterschiedliche Kalibrierfeldkomponenten erzeugen kann. Dabei sind
die Richtungen der linear unabhängigen
Ortsvektoren nicht festgelegt, so dass zwei beliebige Raumrichtungen
realisierbar sind.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel,
dass in der 1b dargestellt ist, kann der
kalibrierbare Magnetfeldsensor 100 eine zweite Sensorelementanordnung 104 umfassen,
die ebenfalls wenigstens ein erstes 104a und ein zweites
Sensorelement 104b aufweist und die Erregerleitung ferner
so bezüglich
der zweiten Sensorelementanordnung 104 angeordnet ist,
dass ein zweites Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
Bkya in dem ersten Sensorelement 104a und
BKyb in dem zweiten Sensorelement 104b bezüglich der
zweiten Raumachse y in der zweiten Sensorelementanordnung 104 erzeugt
wird.
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Neben
den anhand der 1a und 1b beschriebenen
Magnetfeldsensoren zur Erfassung von wenigstens zwei räumlichen
Dimensionen können
in Ausführungsbeispielen
auch drei Raumrichtungen erfasst werden. Die 1c zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines kalibrierbaren Magnetfeldsensors 100, der ferner
ausgebildet ist, um eine dritte räumliche Komponente Bx oder Bz des Magnetfeldes
in dem Referenzpunkt 100 zu erfassen, wobei das Magnetfeld
eine dritte Messfeldkomponente BMx oder
BMz und/oder eine dritte Kalibrierungsfeldkomponente
BKx oder BKz aufweist.
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Bezüglich der 1a wird
von dem Ausführungsbeispiel
des Magnetfeldsensors, welcher in der 1c dargestellt
ist, zusätzlich
eine magnetische Raumkomponente Bx erfasst,
im Bezug auf die 1b erfasst das Ausführungsbeispiel
des Magnetfeldsensors der 1c zusätzlich die
magnetische Raumkomponente Bz.
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Das
Ausführungsbeispiel
des Magnetfeldsensors 100 der 1c umfasst
ferner eine dritte Sensorelementanordnung 106 oder 102,
zur Erfassung der dritten Magnetfeldkomponente Bx oder
Bz, die die dritte Messfeldkomponente BMx oder BMz und/oder
die dritte Kalibrierungsfeldkomponente BKx oder
BKz aufweist, bezüglich einer dritten Raumachse
x oder z im Referenzpunkt 101, wobei die drei Raumachsen
z, y und x entlang linear unabhängiger
Ortsvektoren verlaufen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors 100 ist in der 1d gezeigt.
In dem Ausführungsbeispiel
der 1d umfasst die dritte Sensorelementanordnung 102 ebenfalls
ein erstes und ein zweites Sensorelement 102a und 102b,
wobei die Erregerleitung 108 so bezüglich der dritten Sensorelementanordnung 102 angeordnet
ist, dass bei einer Einprägung
eines vorgegeben Stroms Ik1 in die Erregerleitung 108 ein
Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKza und BKzb in
dem ersten Sensorelement 102a und in dem zweiten Sensorelement 102b bezüglich der
dritten Raumachse z in der dritten Sensorelementanordnung erzeugt
wird.
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Generell
umfassen Ausführungsbeispiele
kalibrierbare Magnetfeldsensoren zur Erfassung zweier oder dreier
räumlicher
Magnetfeldkomponenten. Die 1a bis 1d zeigen
dabei verschiedene Varianten, wobei die einzelnen Raumrichtungen
dabei austauschbar sind. So kann beispielsweise einem Magnetfeldsensor
gemäß der 1a eine
dritte Sensorelementanordnung 106 gemäß der 1c zugefügt werden.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert. Um Wiederholungen zu
vermeiden, wird in den folgenden Ausführungsbeispielen davon ausgegangen,
dass die jeweiligen Magnetfeldsensoren ein Magnetfeld nach drei
Raumrichtungen erfassen, wobei die drei Raumrichtungen entlang linear
unabhängiger
Ortsvektoren verlaufen. Generell sind aber alle im Folgenden beschriebenen
Ausführungsbeispiele
auch zur Erfassung lediglich zweier Raumrichtungen von Magnetfeldern
denkbar. Deswegen kann bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen,
jeweils eine Sensorelementanordnung 102, 104 oder 106 auch
weggelassen werden. Die erläuterten
Konzepte gelten dann uneingeschränkt
auch für die
verbleibenden beiden Sensorelementanordnungen zur Erfassung eines
Magnetfeldes entlang zweier linear unabhängiger Raumrichtungen. Bzw.
sind die nachfolgenden Ausführungen
bezüglich
der Sensorelemente und deren Weiterbildungen jeweils gleichermaßen auch
auf die Ausführungsbeispiele
der 1a und 1b anwendbar.
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Die 1d zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines im Messbetrieb kalibrierbaren Magnetfeldsensors 100 zur
Erfassung einer ersten, zweiten und dritten räumlichen Komponente Bz, By und Bx eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt 101,
wobei das Magnetfeld eine erste, zweite und dritte Messfeldkomponente
BMz, BMy, BMx und/oder eine erste, zweite und dritte
Kalibrierungsfeldkomponente BKz, BKy und BKx aufweist.
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Der
Magnetfeldsensor 100 umfasst eine erste Sensorelementanordnung 102,
die wenigstens zwei Sensorelemente 102a und 102b aufweist,
zur Erfassung der ersten Magnetfeldkomponente Bz,
die eine erste Messfeldkomponente BMz und/oder
eine erste Kalibrierungsfeldkomponente BKz aufweist,
bezüglich
einer ersten Raumachse z im Referenzpunkt 101. Der Magnetfeldsensor 100 umfasst
ferner eine zweite Sensorelementanordnung 104, die wenigstens
zwei Sensorelemente 104a und 104b aufweist, zur
Erfassung der zweiten Magnetfeldkomponente By,
die eine zweite Messfeldkomponente BMy und/oder
eine zweite Kalibrierungsfeldkomponente BKy aufweist,
bezüglich
einer zweiten Raumachse y im Referenzpunkt 101. Der Magnetfeldsensor 100 umfasst
auch eine dritte Sensorelementanordnung 106, die wenigstens
zwei Sensorelemente 106a und 106b aufweist, zur
Erfassung der dritten Magnetfeldkom ponente Bx,
die eine dritte Messfeldkomponente BMx und/oder
eine dritte Kalibrierungsfeldkomponente BKx aufweist,
bezüglich
einer dritten Raumachse x im Referenzpunkt 101.
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Der
Magnetfeldsensor 100 umfasst ferner eine Erregerleitung 108,
die so bezüglich
der ersten 102, zweiten 104 und dritten Sensorelementanordnung 106 angeordnet
ist, dass bei einer Einprägung
eines vorgegebenen Stroms Ik1 in die Erregerleitung 108 ein
erstes Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKza in dem Sensorelement 102a und
BKzb in dem Sensorelement 102b bezüglich der ersten
Raumachse z in der ersten Sensorelementanordnung 102 erzeugt
wird, ein zweites Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKya in dem Sensorelement 104a und
BKyb in dem Sensorelement 104b bezüglich der
zweiten Raumachse y in der zweiten Sensorelementanordnung 104 erzeugt
wird und ein drittes Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKxa in dem Sensorelement 106a und
BKxb in dem Sensorelement 106b bezüglich der
dritten Raumachse x in der dritten Sensorelementanordnung 106 erzeugt
wird, wobei die drei Raumachsen z, y und x entlang linear unabhängiger Ortsvektoren
verlaufen.
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Die 1d zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors 100, der eine asymmetrisch angeordnete
Erregerleitung 108 aufweist. Die Paare von unterschiedlich
vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten bezüglich der je wenigstens zwei
Sensorelemente (z. B. 102a, 102b; 104a, 104b; 106a, 106b)
einer Sensorelementanordnung (z. B. 102, 104, 106)
werden dabei durch die Asymmetrie der Erregerleitung bezüglich des
Referenzpunktes 101 erreicht. Die Erregerleitung 108 kann
dabei gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1d derart
angeordnet sein, dass sie eine Spule mit zumindest einer Windung
bildet.
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Geometrisch
betrachtet kann die Erregerleitung 108 in Ausführungsbeispielen
derart angeordnet sein, dass die Spule mit der zumindest einen Windung,
kürzeste
Abstände
zu den wenigstens zwei Sensorelementen (z. B. 102a, 102b; 104a, 104b; 106a, 106b)
einer Sensorelementanordnung (z. B. 102, 104, 106)
aufweist, die unterschiedlich sind. Durch kürzere Abstände der Erregerleitung 108 zu
den Sensorelementanordnungen (z. B. 104, 106)
werden bei Bestromung des Erregerleiters 108 stärkere Kalibrierfeldkomponenten
erzeugt als bei größeren Abständen. Ein
kürzester
Abstand der Erregerleitung 108 zu einem Sensorelement (z.
B. 104a, 104b, 106a, 106b) kann
sich dabei auf einen mittleren wirksamen Abstand beziehen.
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Beispielsweise
können
dabei die Sensorelemente (z. B. 104a, 104b, 106a, 106b)
vorzugsweise paarweise symmetrisch, am Beispiel der 1d die
Sensorelemente 104a und 106a, bzw. 104b und 106b,
zu der Erregerleitung 108 ausgeführt sein. Allgemein können jedoch
auch beliebige „unsymmetrische" Geometrien realisiert
werden, bei denen eine definierte Unsymmetrie bezüglich der
Kalibrierfeldkomponenten in den verschiedenen Sensorelementen (z.
B. 104a, 104b, 106a, 106b) oder
Sensorelementanordnungen (z. B. 104, 106) erzeugt
wird. Die Unsymmetrie kann auch über
unterschiedlich starke Erregerströme erfolgen. Die paarweise
symmetrische Anordnung erlaubt eine einfache Auswertung, wohingegen
zwischen den Sensorelementen (z. B. 104a und 104b,
bzw. 106a und 106b) durch unterschiedliche Abstände eine
definierte Unsymmetrie und demzufolge auch eine definierte Unsymmetrie
bezüglich
der erzeugbaren Kalibrierfeldkomponenten vorhanden sein kann. Dies
kann beispielsweise gemäß der 1a bis 1d durch
eine geometrische Verschiebung oder eine Asymmetrie der Erregerleitung 108 hinsichtlich
des Referenzpunktes 101 erreicht werden. Die Erregerleitung 108 verläuft in den
Ausführungsbeispielen
der 1c und 1d direkt
oberhalb der Sensorelemente 104b und 106b, allerdings
seitlich der Sensorelemente 104a und 106a. Insofern
sind die unterschiedlichen kürzesten
Abstände
der Erregerleitung 108 zu den Sensorelementen (z. B. 104a, 104b; 106a, 106b)
einer Sensorelementanordnung (z. B. 104, 106)
so zu verstehen, dass die Erregerleitung 108 zu je zwei Sensorelementen
(z. B. 104a und 104b, bzw. 106a und 106b)
einer Sensorelementanordnung (z. B. 104 bzw. 106)
unterschiedliche Abstände
aufweist, so dass die magnetischen Feldkomponenten, die in den Sensorelementen
(z. B. 104a und 104b, bzw. 106a und 106b)
einer Sensorelementanordnung (z. B. 104 bzw. 106)
aufgrund eines Stromes Ik1 in der Erregerleitung 108 hervorgerufen
werden ebenfalls unterschiedlich sind.
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Wie
bereits oben erläutert
kann bei den erläuterten
Ausführungsbeispielen,
jeweils eine Sensorelementanordnung 102, 104 oder 106 auch
weggelassen werden. Die erläuterten
Konzepte gelten dann uneingeschränkt
auch für
die verbleibenden beiden Sensorelementanordnungen zur Erfassung
eines Magnetfeldes entlang zweier linear unabhängiger Raumrichtungen. Bzw.
sind die Ausführungen
bezüglich
der Sensorelemente und deren Weiterbildungen jeweils gleichermaßen auch
auf die Ausführungsbeispiele
der 1a und 1b anwendbar.
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In
anderen Ausführungsbeispielen
kann die Erregerleitung 108 bezüglich des Referenzpunktes 101 auch
symmetrisch angeordnet sein. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in der 2 illustriert.
Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors 100,
das die gleichen Komponenten aufweist, die bereits anhand der 1d dargestellt
und erläutert
wurden. Der Unterschied zu der 1d besteht
nun in der Anordnung der Erregerleitung 108, die in der 2 als
eine Spule mit 1,5 Windungen ausgeprägt ist. Generell sind in Ausführungsbeispielen
Spulenausprägungen
beliebiger Windungszahl denkbar, die bereits erwähnte Asymmetrie kann jedoch
auch durch nicht vollständige
Windungen bzw. Teilwindungen erreicht werden, wie es schematisch
in der 2 dargestellt ist. Generell wäre hier auch eine einzelne
Teilwindung, vgl. 1a und 1b, denkbar.
In diesen Fällen
kann also eine Teilwindung auch durch eine Leiterbahn gemäß der 1a und 1b realisiert
werden, die bezüglich
der Sensorelemente einer Sensorelementanordnung asymmetrisch angeordnet
ist.
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Ausführungsbeispiele
können
auch Erregerleitungen 108 aufweisen, die nicht symmetrisch
bezüglich des
Referenzpunktes 101 ausgebildet sind und eine nicht-ganzzahlige
Windungszahl aufweisen. Demnach kann die Erregerleitung 108 derart
ausgebildet sein, dass sie eine volle Windung und eine Teilwindung
aufweist. Auch hier ist eine paarweise symmetrische Anordnung der
Erregerleitung 108 bezüglich
der Sensorelemente (z. B. 104a, 104b, 106a, 106b)
denkbar, wobei der allgemeine Fall nicht auf diese Symmetrie beschränkt ist
und in Ausführungsbeispielen
beliebige Anordnungen vorkommen können, die definierte „unsymmetrische" Kalibrierfeldkomponenten
erzeugen können.
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Wie
bereits oben erläutert
kann bei den erläuterten
Ausführungsbeispielen,
jeweils eine Sensorelementanordnung 102, 104 oder 106 auch
weggelassen werden. Die erläuterten
Konzepte gelten dann uneingeschränkt
auch für
die verbleibenden beiden Sensorelementanordnungen, zur Erfassung
eines Magnetfeldes entlang zweier linear unabhängiger Raumrichtungen. Bzw.
sind die Ausführungen
bezüglich
der Sensorelemente und deren Weiterbildungen jeweils gleichermaßen auch
auf die Ausführungsbeispiele
der 1a und 1b anwendbar.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors 100 ist in der 3a dargestellt.
Der Magnetfeldsensor 100 der 3a weist
die gleichen Komponenten auf wie die, die anhand der 1a–d und 2 dargestellt
und erläutert
wurden. Zusätzlich
ist in dem Ausführungsbeispiel
der 3a eine zweite Erregerleitung 109 vorhanden.
Gemäß der 3a ist
die zweite Erregerleitung 109 bezüglich der Erregerleitung 108 verschoben,
d. h. die Erregerleitung 108 verläuft direkt oberhalb der Sensorelemente 104b und 106b,
allerdings seitlich der Sensorelemente 104a und 106a.
Die zweite Erregerleitung 109 verläuft direkt oberhalb der Sen sorelemente 104a und 106a,
allerdings seitlich der Sensorelemente 104b und 106b.
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Auch
hier kann bei den erläuterten
Ausführungsbeispielen,
jeweils eine Sensorelementanordnung 102, 104 oder 106 auch
weggelassen werden. Die erläuterten
Konzepte gelten dann uneingeschränkt
auch für die
verbleibenden beiden Sensorelementanordnungen zur Erfassung eines
Magnetfeldes entlang zweier linear unabhängiger Raumrichtungen. Bzw.
sind die Ausführungen
bezüglich
der Sensorelemente und deren Weiterbildungen jeweils gleichermaßen auch
auf die Ausführungsbeispiele
der 1a und 1b anwendbar.
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In
Ausführungsbeispielen
kann die zweite Erregerleitung 109 so bezüglich der
ersten 102, zweiten 104 und dritten Sensorelementanordnung 106 angeordnet
sein, dass bei einer Einprägung
eines weiteren vorgegebenen Stroms Ik2 in
die zweite Erregerleitung 109 ein erstes weiteres Paar
von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
BKza2 in dem Sensorelement 102a und
BKzb2 in dem Sensorelement 102b bezüglich der
ersten Raumachse z in der ersten Sensorelementanordnung 102 erzeugt
wird, ein zweites weiteres Paar von unterschiedlichen vorgegebenen
Kalibrierungsfeldkomponenten BKya2 in dem
Sensorelement 104a und BKyb2 in
dem Sensorelement 104b bezüglich der zweiten Raumachse
y in der zweiten Sensorelementanordnung 104 erzeugt wird
und ein drittes weiteres Paar von unterschiedlichen vorgegebenen
Kalibrierungsfeldkomponenten BKxa2 in dem
Sensorelement 106a und BKxb2 in
dem Sensorelement 106b bezüglich der dritten Raumachse
x in der dritten Sensorelementanordnung 106 erzeugt wird.
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Gemäß der 3a können über die
zweite Erregerleitung also zusätzliche
Kalibrierungsfeldkomponenten erzeugt werden. Auch hier ist eine
paarweise symmetrische Anordnung der zweiten Erregerleitung 109 bezüglich der
Sensorelemente (z. B. 104a, 104b, 106a, 106b)
denkbar, wobei der allgemeine Fall nicht auf diese Symmetrie beschränkt ist
und in Aus führungsbeispielen
beliebige Anordnungen vorkommen können, die definierte Kalibrierfeldkomponenten
erzeugen können.
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Dabei
können
in Ausführungsbeispielen
die erste Erregerleitung 108 und die zweite Erregerleitung 109 derart
angeordnet sein, dass das erste weitere Paar von unterschiedlichen
vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten in einer umgekehrten Relation
zueinander steht als das erste Paar von Kalibrierungsfeldkomponenten,
dass das zweite weitere Paar von unterschiedlichen vorgegebenen
Kalibrierungsfeldkomponenten in einer umgekehrten Relation zueinander
steht als das zweite Paar von Kalibrierungsfeldkomponenten und dass das
dritte weitere Paar von unterschiedlichen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten
in einer umgekehrten Relation zueinander steht als das dritte Paar
von Kalibrierungsfeldkomponenten. Die ist in der 3a beispielhaft
durch die Geometrie der ersten 108 und zweiten Erregerleitung 109 untereinander
dargestellt.
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Als
Beispiel sei die erste Erregerleitung 108 bestromt während die
zweite Erregerleitung keinen Strom führt. Demnach erzeugt die erste
Erregerleitung 108 in den Sensorelementen 104b und 106b starke
Kalibrierungsfeldkomponenten BKyb und BKxb, in den Sensorelementen 104a und 106a schwache
Kalibrierungsfeldkomponenten BKya und BKxa. Wird die Betromung nun umgekehrt, sodass
die erste Erregerleitung 108 stromlos wird und die zweite
Erregerleitung den Strom Ik2 führt, der
zuvor in der ersten Erregerleitung geflossen ist, dann erzeugt die
zweite Erregerleitung 108 in den Sensorelementen 104b und 106b schwache
Kalibrierungsfeldkomponenten BKyb2 und BKxb2, in den Sensorelementen 104a und 106a starke
Kalibrierungsfeldkomponenten BKya2 und BKxa2. In Ausführungsbeispielen können die
Erregerleitungen 108 und 109 so angeordnet sein,
dass in einem solchen Beispiel gelten kann BKyb/BKya = BKxb/BKxa, BKyb2/BKya2 =
BKxb2/BKxa2, oder BKyb/BKya =
BKxa2/BKxb2.
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In
Ausführungsbeispielen
kann die erste Sensorelementanordnung 102 ein bezüglich einer
Hauptoberfläche
des Magnetfeldsensors horizontales Hall-Sensorelement 102a oder 102b aufweisen.
Generell können
in Ausführungsbeispielen
beliebige Magnetfeldsensoren zum Einsatz kommen, die für die unterschiedlichen
Magnetfeldkomponenten (Bx, By,
Bz) entsprechende Empfindlichkeiten aufweisen.
Beispielsweise ist auch der Einsatz von magnetoresistiven Sensorelementen
denkbar. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung beispielhaft durch Realisierungen mit Hall-Sensorelementen beschrieben. Die
erste Sensorelementanordnung 102 kann ferner eine Mehrzahl
von bezüglich
einer Hauptoberfläche
des Magnetfeldsensors horizontalen Hall-Sensorelementen aufweisen, wobei die
geometrische Anordnung der Mehrzahl von horizontalen Hall-Sensorelementen
(z. B. 102a; 102b) bezüglich des Referenzpunktes 101 paarweise
symmetrisch sein kann und die Hall-Sensorelemente derart miteinander
gekoppelt sind, dass die Magnetfeldkomponente Offset-kompensiert
erfassbar sein kann.
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Die
zweite Sensorelementanordnung 104 kann in Ausführungsbeispielen
zumindest zwei bezüglich
einer Hauptoberfläche
des Magnetfeldsensors vertikale Hall-Sensorelemente (z. B. 104a; 104b)
aufweisen, wobei die geometrische Anordnung der mindestens zwei
vertikalen Hall-Sensorelemente bezüglich des Referenzpunktes 101 paarweise
symmetrisch sein kann, und die Sensorelemente derart miteinander
gekoppelt sein können,
dass die Magnetfeldkomponente Offset-kompensiert erfassbar wird.
Generell können
in Ausführungsbeispielen
auch hier beliebige Magnetfeldsensoren, die für die unterschiedlichen Magnetfeldkomponenten
(Bx, By, Bz) entsprechende Empfindlichkeiten aufweisen,
zum Einsatz kommen.
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In
Ausführungsbeispielen
kann die dritte Sensorelementanordnung 106 zumindest zwei
bezüglich
einer Hauptoberfläche
des Magnetfeldsensors vertikale Hall-Sensorelemente (z. B. 106a; 106b)
aufweisen, wobei die geometrische Anordnung der mindestens zwei
vertikalen Hall-Sensorelemente bezüglich des Referenzpunktes 101 paarweise
symmetrisch sein kann, und die derart miteinander gekoppelt sind,
dass die Magnetfeldkomponente Offset-kompensiert erfassbar wird.
In weiteren Ausführungsbeispielen
kann die erste 102, zweite 104 oder dritte Sensorelementanordnung 106 auch
im Spinning-Current-Modus
betreibbar sind. Generell können
in Ausführungsbeispielen
auch hier beliebige Magnetfeldsensoren zum Einsatz kommen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in der 3b dargestellt. Wie bereits
oben erläutert
kann bei den erläuterten
Ausführungsbeispielen,
jeweils eine Sensorelementanordnung 102, 104 oder 106 auch
weggelassen werden. Die erläuterten
Konzepte gelten dann uneingeschränkt
auch für
die verbleibenden beiden Sensorelementanordnungen zur Erfassung
eines Magnetfeldes entlang zweier linear unabhängiger Raumrichtungen. Bzw.
sind die Ausführungen
bezüglich
der Sensorelemente und deren Weiterbildungen jeweils gleichermaßen auch
auf die Ausführungsbeispiele
der 1a und 1b anwendbar.
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Der
Magnetfeldsensor 100 der 3b weist
die gleichen Komponenten auf wie die, die anhand der 1, 2 und 3a dargestellt
und erläutert
wurden. In dem Ausführungsbeispiel
der 3b ist ebenfalls eine zweite Erregerleitung 109 vorhanden,
die als gestrichelte Linie ausgeführt ist. Gemäß der 3b ist die
zweite Erregerleitung 109 bezüglich der Erregerleitung 108 verschoben,
d. h. die Erregerleitung 108 verläuft direkt oberhalb der Sensorelemente 104b und 106b,
allerdings seitlich der Sensorelemente 104a und 106a.
Die zweite Erregerleitung 109 verläuft direkt oberhalb der Sensorelemente 104a und 106a,
allerdings seitlich der Sensorelemente 104b und 106b.
In der 3b sind die Sensorelemente (z.
B. 102a, 102b, 104a, 104b, 106a, 106b)
aus je zwei Einzelsensoren zusammengesetzt, die gemäß ihrer
Messausrichtung bezeichnet sind.
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Beispielhaft
wird in der 3b davon ausgegangen, dass die
Sensorelementanordnung 102 zwei Sensorelemente 102a und 102b umfasst,
wobei das Sensorelement 102a zwei Einzelsensoren Z1 und
Z2 aufweist und das Sensorelement 102b zwei Einzelsensoren
Z3 und Z4 aufweist. Gemäß dem schematisch
dargestellten Koordinatenkreuz in der rechten oberen Ecke der 3b,
sei die Sensorelementanordnung 102 derart angeordnet, dass
Magnetfeldkomponenten in z-Richtung erfassbar sind. Beispielsweise
können
die Einzelsensoren Z1–Z4
durch horizontale Hall-Sensoren realisiert sein. In analoger Weise
setzt sich in der 3b die Sensorelementanordnung 104 aus
den Sensorelementen 104a und 104b zusammen, die
wiederum die Einzelsensoren Y1–Y4
zur Erfassung von Magnetfeldkomponenten in y-Richtung umfassen.
Zur Erfassung von Magnetfeldkomponenten in x-Richtung sei die Sensorelementanordnung 106,
mit den Sensorelementen 106a und 106b und den
Einzelsensoren X1–X4
entsprechend ausgerichtet. Die Einzelsensoren X1–X4 und Y1–Y4 könnten beispielsweise durch
vertikale Hall-Sensoren realisiert sein.
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In
Ausführungsbeispielen
können
die Magnetfeldsensoren nur mit einer Spule bzw. Erregerleitung 108 erregt
werden. Im folgenden wird deshalb die zweite Erregerleitung 109 bzw.
Spule zunächst
außer
Acht gelassen, sie wird in weiteren Ausführungsbeispielen, die später noch
betrachtet werden im Detail erläutert.
In dem Fall, dass nur eine Erregerleitung 108 bzw. Spule
vorhanden ist, kann die Sensorelementanordnung 102, die
beispielsweise das Magnetfeld in z-Richtung erfasst, mit einem Magnetfeld
erregt werden, das dann nur halb so groß ist, wie z. B. bei Verwendung
von zwei Spulen. Bei den Sensorelementanordnungen 104 und 106, die
beispielsweise Magnetfelder der x-Richtung und der y-Richtung erfassen,
funktioniert die Erregung auf eine andere Weise.
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Die
Sensorelementanordnungen 104 und 106 können aus
je vier Teilsensoren, wie es z. B. in der 3b dargestellt
ist, zusammengesetzt sein. In diesem Ausführungsbeispiel erfassen je
2 Teilsensoren das volle Feld der Spule (z. B. X1, X2, Y1, Y2),
die jeweils anderen (z. B. X3, X4, Y3, Y4) erfassen nur das deutlich geringere,
näherungsweise
auch verschwindende, Streufeld, das in die andere Richtung zeigt.
Durch eine entsprechende Verschaltung (z. B. Parallelschaltung)
der Teilsensoren (z. B. X1–X4,
Y1–Y4)
ergibt sich jedoch eine Mittelung der Ausgangssignale der Teilsensoren.
Zwei Teilsensoren zeigen dann in diesem Ausführungsbeispiel jeweils das
volle Signal (z. B. X1, X2, Y1, Y2), die jeweils anderen beiden
Teilsensoren (z. B. X3, X4, Y3, Y4) erfassen praktisch kein Signal.
Das bedeutet, dass in Summe in diesem Ausführungsbeispiel ein Ausgangssignal
mit vergleichsweise halber Intensität erzeugt wird.
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Die
Sensorelementanordnungen 104 und 106 erfassen
folglich in diesem Ausführungsbeispiel
im Vergleich zu einem Ausführungsbeispiel
mit zwei Erregerleitungen das halbe Signal durch Erregung der Hälfte der Teilsensoren
(z. B. X1, X2, Y1, Y2) mit vollem Magnetfeld. Die Sensorelementanordnung 102,
die in diesem Ausführungsbeispiel
das Magnetfeld in z-Richtung
erfasst, erfasst im Vergleich zu einem Ausführungsbeispiel mit zwei Erregerleitungen
das halbe Signal durch gleichmäßige Erregung
aller Teilsensoren mit halbem Feld, da nur eine Spule verwendet
wird.
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Im
Vergleich zu Ausführungsbeispielen
mit zwei Erregerleitungen ergibt sich dann der halbe Signal-Hub,
d. h. auch das halbe Signal-Rausch-Verhältnis. Zum Erreichen der gleichen
Güte wie
bei einer Erregung mit zwei Erregerleitungen kann deshalb eine Filterung
der Messung bzw. eine längere
Messung durchgeführt
werden. Ferner werden bei den Sensorelementanordnungen 104 und 106 (z.
B. X- und Y-Sensoren) nicht alle Teil-Sensoren (z. B. X1–X4, Y1–Y4) erregt.
Beispielsweise werden in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3b mit
nur einer Erregerleitung 108 die Einzelsensoren X3, X4, Y3
und Y4 nicht bzw. nur marginal magnetisch erregt. Damit erscheint
ein magnetischer Test der Empfindlichkeit dieser Einzelsensoren
zunächst nicht
möglich,
da diese aber baugleich zu den jeweils gegenüberliegenden Sensorelementen
sind, kann von deren Erregung zurückgeschlossen bzw. zurückgerechnet
werden. Ausgehend von einer symmetrischen Anordnung der Sensorelementanordnungen
(z. B. 104, 106) kann dann zunächst auf je ein Sensorelement,
z. B. 104b, eine Kalibrierfeldkomponente aufgeschaltet
werden. Aufgrund der definierten Kalibrierfeldkomponente kann dann
dieses Sensorelement kalibriert werden. Ferner kann aufgrund der
gegebenen Symmetrie und der Verwendung gleicher Sensorelemente 104a und 104b,
analog für
die Sensorelemente 106a und 106b, kann dann auf
die Kalibrierung des nicht unmittelbar mit der Kalibrierfeldkomponente
erregte Sensorelement zurückgeschlossen
werden.
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Ausführungsbeispiele
mit einer zweiten Erregerleitung 109 gemäß der 3b werden
im Folgenden erläutert.
Wie bereits oben erläutert
kann bei den erläuterten
Ausführungsbeispielen,
jeweils eine Sensorelementanordnung 102, 104 oder 106 auch
weggelassen werden. Die erläuterten
Konzepte gelten dann uneingeschränkt
auch für
die verbleibenden beiden Sensorelementanordnungen zur Erfassung
eines Magnetfeldes entlang zweier linear unabhängiger Raumrichtungen. Bzw.
sind die Ausführungen
bezüglich
der Sensorelemente und deren Weiterbildungen jeweils gleichermaßen auch
auf die Ausführungsbeispiele
der 1a und 1b anwendbar.
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In
der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Die 4 zeigt eine erste Sensorelementanordnung 102,
die beispielsweise durch vier horizontale Hall-Sensoren 102a, 102b, 102c und 102d realisiert
sein kann. Ferner zeigt die 4 eine zweite
Sensorelementanordnung 104, die durch vier vertikale Hall-Sensoren 104a, 104b, 104c und 104d realisiert
sein kann. Weiterhin zeigt die 4 eine dritte
Sensorelementanordnung 106, die durch vier vertikale Hall-Sensoren 106a, 106b, 106c und 106d realisiert
sein kann. Zusätzlich
sind in der 4 eine erste Erregerleitung 108 als
Spule A und eine zweite Erregerleitung 109 als Spule B
dargestellt. Dabei können
beispielsweise Sensorelemente, 102a–d, 104a–d oder 106a–d gleicher Empfindlichkeit
zum Einsatz kommen. Wie in der 4 dargestellt
können
in einem solchen Ausführungsbeispiel
zwei Erregerleitungen 108 und 109 als zwei geometrisch
zueinander verschobene Spulen realisiert werden.
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Ausführungsbeispiele
gemäß der 4 erlauben,
zwei Magnetfelder der Spulen A und B zu überlagern und so ein resultierendes
Erreger- oder Kalibrierungsfeld in einer Empfindlichkeitsrichtung
zu erzeugen. Beispielsweise kann dabei eine Spule auf einer Seite
der Anordnung direkt über
den Sensorelementen angeordnet sein, wie z. B. Spule A bezüglich der
Sensorelemente 104a, 104c, 106b und 106d,
bzw. die Spule B bezüglich
der Sensorelemente 104b, 104d, 106a und 106c in
der 4. Ferner können
dabei die Spulen an einer anderen Seite neben den Sensoren verlaufen,
wie z. B. Spule B bezüglich
der Sensorelemente 104a, 104c, 106b und 106d,
bzw. die Spule A bezüglich
der Sensorelemente 104b, 104d, 106a und 106c in
der 4. In Ausführungsbeispielen
können
die Spulen also entgegengesetzt platziert bzw. angeordnet sein.
Wie bereits oben erwähnt
können
auch hier vorzugsweise die Erregerleitungen (z. B. 108, 109)
oder Spulen 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
Kalibrierfeldkomponenten innerhalb eine Sensorelementanordnung zu
erzeugen.
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Verläuft eine
Spule direkt über
vertikalen Sensorelementen, so ist ihr Einfluss auf diese deutlich
größer als
der Einfluss einer benachbarten oder seitlich versetzten Spule,
dieser Einfluss kann in einem Ausführungsbeispiel auch vernachlässigbar
sein. Demnach erregt die Spule A in der
4 hauptsächlich die
vertikalen Sensorelemente
104a,
104c,
106b und
106d,
bzw. die Spule B hauptsächlich
die Sensor elemente
104b,
104d,
106a und
106c.
Beide Spulen erregen die horizontalen Sensorelemente
102a–d in der
Mitte der Anordnung. Die folgende Tabelle soll noch einmal für die beiden
Spule getrennt wiedergeben, wie sich die Erregungsrichtung in Abhängigkeit
der Richtung eines Erregerstromes verhält, aufgeschlüsselt nach
den Sensorelementanordnungen
102,
104 und
106.
Die Strompfeile in der
4 geben dabei die jeweils positive
Stromrichtung an, d. h. ein positiver Strom I
k1 in
der Spule A fließt
zunächst
an den Sensorelementen
106a,
106c,
104d und
104b seitlich
vorbei und dann direkt oberhalb der Sensorelemente
106d,
106b,
104a und
104c,
ein positiver Strom I
k2 in der Spule B fließt zunächst oberhalb
der Sensorelemente
106a,
106c,
104d und
104b und
dann seitlich vorbei and den Sensorelementen
106d,
106b,
104a und
104c.
| | Erregerstrom | Erregung 106 | Erregung 104 | Erregung 102 |
| Spule
A, Ik1 | + | + | + | + |
| | - | - | - | - |
| Spule
B, Ik2 | + | - | - | + |
| | - | + | + | - |
-
Die 5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Magnetfeldsensors 100. Das Ausführungsbeispiel der 5 weist
die gleichen Sensorelemente (z. B. 102a–d, 104a–d, 106a–d) und
die gleiche Geometrie der Sensorelemente und Sensorelementanordnungen
auf wie die 4, so dass auf eine wiederholte
Beschreibung verzichtet wird. Der Magnetfeldsensor 100 der 5 weist
nur eine Erregerleitung 108 auf, die als Spule mit 1,5
Windungen ausgeführt
ist und direkt oberhalb der vertikalen Sensorelemente verläuft. Ein
Strom Ik1 durch die Erregerleitung 108 in
der 5 fließt
demnach zweimal über
die Sensorelemente 106a, 106c, 104b und 104d und
nur einmal über
die Sensorelemente 106d, 106b, 104a und 104c,
wodurch die Unterschiedlichkeit bzw. die Asymmetrie der Kalibrierfeldkomponenten
in den Paaren von Sensorelementen erreicht wird. In weiteren Ausführungsbeispielen
kann der Magnetfeldsensor auch eine zweite Erregerleitung aufweisen
die ebenfalls 1,5 Windungen aufweist und entsprechend obiger Beschreibung
entgegengesetzt angeordnet sein kann. Generell sind Erregerleitungen
mit verschiedenen Windungszahlen denkbar, die letztlich eine Teilwindung
zum Erzeugen einer Asymmetrie der Kalibrierfeldkomponenten aufweisen.
-
In
Ausführungsbeispielen
ergeben sich verschiedene Messabläufe, die mit einer oder auch
zwei Erregerleitungen 108, 109 realisierbar sind.
Wird beispielsweise eine Spule bestromt, vgl. 1, 2, 3, 5 sowie
obige Tabelle, so können
alle drei Sensoranordnungen 102, 104 und 106 erregt
werden. Anhand der Ausführungsbeispiele
in der 3b, 4 und der
Tabelle ergibt sich bei einem positiven Strom Ik1 durch
die Spule A eine positive Erregung aller Sensorelemente. Dabei werden
alle horizontalen Sensorelemente 102a–d erregt, von den vertikalen
Sensorelementen jedoch nur die Sensorelemente links (z. B. 106b, 106d)
und unten (z. B. 104a, 104c). Die horizontalen
Sensorelemente 102a–d
werden mit dem vollen Magnetfeld der Spule A erregt, die vertikalen
Sensorelemente (z. B. 104a, 104c, 106b, 106d)
jedoch nur mit dem halben Magnetfeld, da nur jeweils zwei von vier
Sensorelementen erregt werden.
-
Wird
im Vergleich dazu nur die Spule B erregt, so erfahren die vertikalen
Sensorelemente (z. B. 104a, 104b, 104d, 106a, 106c)
eine negative Erregung und die horizontalen Sensorelemente (z. B. 102a–d) eine
positive Erregung. Ähnlich
wie oben werden alle horizontalen Sensorelemente (z. B. 102a–d) erregt
und erfassen somit das volle Magnetfeld der Spule B. Von den vertikalen
Sensorelementen werden analog (z. B. 104a–d, 106a–d) wieder
nur die Hälfte
erregt (z. B. 104a, 104b, 104d, 106a, 106c)
und dadurch nur das halbe Magnetfeld der Spule B erfasst.
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Durch
Kombination der Ansteuerungen der Spulen A und B lassen sich in
Ausführungsbeispielen
die Magnetfeldsensoren überwachen
und kalibrieren. Beispielsweise können auch beide Spulen in positiver Stromrichtung
angesteuert werden. Dadurch werden die horizontalen Sensorelemente
(z. B. 102a–d)
mit dem doppelten Magnetfeld erregt und bei den vertikalen Sensorelementen
(z. B. 104a–d, 106a–d) kann
sich das Feld aufheben.
-
Werden
beide Spulen in entgegengesetzter Richtung erregt, so können die
vertikalen Sensorelemente (z. B. 104a–d, 106a–d) mit
dem doppelten Feld angeregt werden, wobei sich das Feld bei den
horizontalen Sensorelementen (z. B. 102a–d) aufhebt.
In weiteren Ausführungsbeispielen
können
die Spulen auch mit unterschiedlich starken Strömen bestromt werden. Beispielsweise
ergibt sich bei einer Bestromung in positiver Richtung beider Spulen,
allerdings mit der doppelten Stromstärke in der ersten Spule A,
für die
horizontalen Sensorelemente (z. B. 102a–d) das dreifache Magnetfeld,
für die
vertikalen Sensorelemente (z. B. 106d, 106b, 104a, 104c)
nur das einfache Magnetfeld. Ein solche Erregung kann in anderen
Ausführungsbeispielen
auch durch Spulen mit Teilwindungen, beispielsweise wie in der 5 gezeigt,
erreicht werden. In der 5 würde dann die rechte Seite des
Magnetfeldsensors 100 doppelt negativ erregt, während die
linke Seite einfach positiv erregt werden würde, in Summe ergäbe sich
also das dreifache Magnetfeld bezüglich der horizontalen Sensorelementanordnungen
(z. B. 102) gegenüber
dem einfachen Magnetfeld bezüglich
der vertikalen Sensorelementanordnungen (z. B. 104, 106).
Das Erregerverhältnis
von 2:1 würde
in einem solchen Ausführungsbeispiel
nicht durch zwei Spulen, sondern durch eine Spule mit 1,5 Windungen
realisiert. Generell sind in Ausführungsbeispielen Spulen mit
beliebigen Windungszahlen denkbar die ein Erzeugen eines asymmetrischen Kalibrierfeldes
erlauben, beispielsweise sind beliebige nicht-ganzzahlige Windungszahlen,
die ein „unsymmetrisches" Erregerverhältnis erzeugen
können,
denkbar.
-
Wird
in obigem Beispiel die erste Spule A mit dem doppelten Strom Ik1 und die zweite Spule B in entgegengesetzter
Richtung bestromt, so sehen die horizontalen Sensorelemente (z.
B. 102a–d)
das einfache Magnetfeld, die vertikalen Sensoren (z. B. 104a–d, 106a–d) jedoch
das Dreifache. Gemäß den betrachteten Beispielen
lassen sich in weiteren Ausführungsbeispielen
noch vielerlei anderen Kombinationen oder Ansteuerungen finden,
um einzelne Magnetfeldkomponenten zu verstärken bzw. zu unterdrücken.
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Jede
diese Ansteuerungen hat Vorteile, je nachdem welche Komponente extrahiert
oder unterdrückt werden
soll. Sollen beispielsweise nur die vertikalen Sensorelemente (z.
B. 104a–d, 106a–d) überwacht
oder kalibriert werden, so könnte
eine entgegengesetzte Bestromung der Spulen genutzt werden. Sollen
beispielsweise nur die horizontalen Sensorelemente (z. B. 102a–d) erregt
werden so könnten
die Spulen in gleicher Richtung bestromt werden. Sind beide, sowohl
die horizontalen (z. B. 102a–d) als auch die vertikalen
Sensorelemente (z. B. 104a–d, 106a–d) von
Interesse, so könnten
die Spulen einzeln nacheinander oder mit unterschiedlichen Stromstärken gemäß obigen
Beispielen bestromt werden.
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Wie
bereits oben erläutert
kann bei den erläuterten
Ausführungsbeispielen,
jeweils eine Sensorelementanordnung 102, 104 oder 106 auch
weggelassen werden. Die erläuterten
Konzepte gelten dann uneingeschränkt
auch für
die verbleibenden beiden Sensorelementanordnungen zur Erfassung
eines Magnetfeldes entlang zweier linear unabhängiger Raumrichtungen. Bzw.
sind die Ausführungen
bezüglich
der Sensorelemente und deren Weiterbildungen jeweils gleichermaßen auch
auf die Ausführungsbeispiele
der 1a und 1b anwendbar.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil kann sich ergeben, wenn alle Sensorelemente (z. B. X1–X4, Y1–Y4) erregt werden.
Dies lässt
sich wie bereits oben erwähnt
durch eine zweite Erregerleitung
109, vgl.
3b,
erreichen, die dann beispielsweise zeitversetzt bestromt wird. Die
folgende Tabelle fasst am Beispiel des in der
3b gezeigten
Magnetfeldsensors, die Wirkungen der Bestromung der Erregerleitung
108 bzw.
Spule A und der Erregerleitung
109 bzw. Spule B zusammen.
Ein „+" bedeutet dabei Betromung
bzw. magnetische Durchflutung in positiver Richtung, ein „-" in negativer Richtung
und eine „0" bezeichnet kein
Signal.
| Strom
Ik1, Spule A | Strom,
Ik2 Spule B | Signal X1,
X2 | Signal Y1,
Y2 | Signal X3,
X4 | Signal Y3,
Y4 | Signal
X ges. | Signal
Y ges. | Signal
Z |
| + | 0 | + | + | 0 | 0 | + | + | + |
| - | 0 | - | - | 0 | 0 | - | - | - |
| 0 | + | 0 | 0 | - | - | - | - | + |
| 0 | - | 0 | 0 | + | + | + | + | - |
| + | + | + | + | - | - | 0 | 0 | ++ |
| + | - | + | + | + | + | ++ | ++ | 0 |
| - | + | - | - | - | - | -- | -- | 0 |
| - | - | - | - | + | + | 0 | 0 | -- |
-
Bei
obiger Zusammenstellung wird ferner davon ausgegangen, dass der
Strom durch beide Spulen gleich ist. Es könnten in anderen Ausführungsbeispielen,
wie bereits in den vorhergehenden Abschnitten erwähnt, auch
verschiedene Ströme
bzw. Windungszahlen verwendet werden. Ein Vorteil ergibt sich in
einem Ausführungsbeispiel
beim abwechselnden Betrieb der Spulen. Es können dann Signalanteile in
allen Sensorelementanordnungen 102, 104 und 106 erfasst
werden, dies ist in obiger Tabelle in den drei rechten Spalten dargestellt.
-
Gemäß obigen
Ausführungen
können
beim abwechselnden Betrieb nicht alle Sensorelemente einer Sensorelementanordnung
gleichzeitig getestet werden. Beim gleichzeitigen Betrieb der Spulen
ergibt sich dagegen ein Signal, das im Vergleich doppelt so hoch
sein kann, wobei alle Sensorelemente einer Sensorelementanordnung
gleichzeitig getestet werden können.
Unterschiedliche Sensorelementanordnungen, z. B. 104/106 (z.
B. X-, Y-Sensoren) und 102 (z. B. Z-Sensoren), können nur
abwechselnd kalibriert oder getestet werden.
-
Zusammenfassend
lässt sich
bezüglich
des erfindungsgemäßen Konzepts
des im Messbetrieb kalibrierbaren magnetischen mehrdimensionalen
Punktsensors feststellen, das Magnetsensoren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung also mit nur einem Erregerleiter auskommen, mit einer
zweiten Erregerleitung aber zusätzliche Überwachungs- und Kalibrierungsmöglichkeiten
bieten. Sie bieten den Vorteil, dass alle drei Feldkomponenten in
sehr guter Näherung
in einem Punkt gemessen werden können,
wobei Offsets, die durch beispielsweise Bauteiltoleranzen, Verunreinigungen
im Halbleitermaterial, Strukturinhomogenitäten im Halbleitermaterial usw.
hervorgerufen werden, kompensiert werden können und die Messwerte damit Offset-arm
zur Verfügung
gestellt werden können.
Durch die Verwendung der Erregerschleife, die auch beliebig viele
Windungen bzw. Teilwindungen aufweisen kann, wird ein einfacher
Wafer-Test, also ein Onchip-Test aller drei Sensoren ermöglicht.
Weiterhin ist es durch das Kombinieren der Messsignale aus den einzelnen
Erregungen möglich,
im laufenden Messbetrieb einen Selbsttest zuzulassen, da sowohl
Messsignalanteile, die auf die Messfeldkomponenten zurückgehen
zum einen, als auch Messsignalanteile, die auf Kalibrierungsfeldkomponenten
zurückgehen
zum anderen erheblich reduzierbar sind. Es ist somit möglich, an
einem solchen Magnetfeldsensor im laufenden Betrieb eine Empfindlichkeitskalibrierung
durchzuführen.
Die Erregerschleife selbst lässt
sich ebenfalls testen, da ein Ausfall aller drei Sensoren mit getrennter
Auswerteelektronik sehr unwahrscheinlich ist.
-
Insbesondere
wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten
das erfindungsgemäße Schema
auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann
auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette
oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen,
die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller
zusammenwirken können,
dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht
die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf
einem maschinenlesbaren Träger
gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder Mikrocontroller
abläuft.
In anderen Worten ausgedrückt
kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode
zur Durchführung
des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf
einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.