DE2444830A1 - Hall-effekt-vorrichtung in modulbauweise - Google Patents

Description

Böblingen, 18. September 1974 bu-we

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: EN 9-73-024

Hall-Effekt-Vorrichtung in Modulbauweise

Die Erfindung betrifft eine Hall-Effekt-Vorrichtung in Modulbauweise mit einem Gehäuse aus nichtmagnetischem Werkstoff zur Aufnahme eines HaIl-Effekt-Halbleiterplättchens, dessen Strom- und SpannungsZuführungen mit entsprechenden Paaren von im Gehäuseboden angeordneten Anschlußstiften verbunden sind.

Eine Hall-Effekt-Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Halbleiterplättchen eines Materials mit hoher Trägerbeweglichkeit, das mit Elektroden für den speisenden Strom sowie mit Elektroden zur Abnahme der Hall-Spannung versehen ist. Die Empfindlichkeit solcher Vorrichtungen gegenüber magnetischen Feldern ist indirekt proportional zu dem magnetischen Widerstand, den der Magnetpfad dem magnetischen Fluss in der Richtung senkrecht zur Fläche des Halbleiterplättchens bietet. Je geringer der-magnetische Widerstand ist,

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desto grosser wird folglich die Empfindlichkeit des Hall-Elementes und die Konzentration des magnetischen Flusses in dem Bereich zwischen den Elektroden des Halbleiterplättchens. Man ist deshalb bestrebt, in Hall-Effekt-Vorrichtungen eine grösstmögliche Konzentration des magnetischen Flusses zu erzielen, um diese Elemente so empfindlich wie möglich zu machen. Insbesondere müssen unvermeidliche Luftspalte so eng wie möglich gemacht werden. Die Erfindung zeigt einen Weg, wie solche Vorrichtungen in diesem Sinne verbessert werden können.

Gemäß der Erfindung ist die Hall-Effekt-Vorrichtung in Modulbauweise der eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, dass im Unterteil des Gehäuses sich eine magnetisierbare Tragplatte befindet, auf welche das genannte Halbleiterplättchen aufgekittet ist, dass im Oberteil des Gehäuses mit geringen Luftspalt oberhalb des Halbleiterplättchens ein T-förmiges Jochstück angeordnet ist, und dass weitere magnetisierbare Teile vorgesehen sind, die einen weitgehend geschlossenen magnetischen Pfad um das Halbleiterplättchen herum bilden.

Die Tragplatte des Halbleiterplättchens dient sowohl zur Konzentration des magnetischen Flusses als auch zur Wärmeabfuhr und damit zur Kühlung des Halbleiterelementes. Das T-förmige Jochstück sorgt für grösstmögliche Verringerung des Luftspaltes. Die bessere Wärmeabfuhr erlaubt eine höhere Strombelastung, erhöht somit auch die erzeugte Hall-Spannung und macht auf diese Weise das Element empfindlicher

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gegenüber magnetischen Feldern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hall-Effekt-Vorrichtung, wobei Teile weggebrochen dargestellt sind, um das Innere der Vorrichtung zu zeigen.

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung der Vorrichtung längs der Linie 2-2 der Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung der Vorrichtung längs der Linie 3-3 der Fig. 1.

Fig. 4 entspricht der Fig. 2, jedoch ist zusätzlich

ein Dauermagnet vorgesehen, um die Vorrichtung als Schalter benutzen zu können.

Fig. 5 ist eine Abänderung der in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellten

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Vorrichtung, um sie als StromfühLer geeignet zu machen. Fig. 6 zeigt eine andere Abwandlung der Vorrichtung, um sie als Stromfühler auszubilden. .

In den Figuren 1 bis 3 besitzt der Baustein der Hall-Effekt-Vorrichtung 10 ein Gehäuse, das aus einem Unterteil 11 und aus einem Oberteil 12 bestellt, die beispielsweise durch Ultraschallschweissung miteinander verbunden sind. Vorzügsweise werden die Teile 11 und 12 aus einem Plastikmaterial hergestellt. In diesem Beispiel betragen die äusseren Abmessungen des Gehäuses ' 2, 2 mm χ 4, 6 mm χ 6, 6 mm.

Längs der Unterseite des Unterteiles 11 erstreckt sich eine Nut 13, und zwei rechteckige Bohrungen 14 verlaufen von der Oberseite des Gehäuses zu der Nut. Die Ausnehmung und die Hohlräume sind dazu eingerichtet, einen U-förmigen Einsatz aus weichmagnetischem Eisen als Jochkern 15 aufzunehmen, um den Magnetfluss zu konzentrieren. Innerhalb des Unterteiles 11 mit Sitz unmittelbar auf dem Jochkern 15 befindet sich eine Tragplatte 16 aus weichmagnetischem Eisen, die ebenfalls zur Konzentration des magnetischen Flusses dient. Mittels eines geeigneten elastischen Epoxidharzes ist auf die Tragplatte 16 ein Hall-Effekt-Halbleiterplättchen 17 aufgekittet, das in

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dem dargestellten Beispiel die Höchstabmessungen von 1, 53 mm χ 1, 78 mm Q, 41 mm hat und in integrierter Schaltungstechnik hergestellt ist. Das Halbleiterplättchen befindet sich in einem Hohlraum 18. der Unterseite des Oberteils 12/ Vier, fliegende Zuführungen.19 verbinden die Sröiii- und Span- ..' nungselektroden mit Anschluss stiften 20 im Boden des Unterteiles 11. Im Oberteil 12 ist als Jochstück 21 ein T-förmiges Einsatzstück aus weichmagnetischem Eisen für die Konzentration des Magnetflusses so angeordnet, dass es in den Hohlraum 18 hineinragt und seine Endfläche nur durch einen sehr engen Luftspalt von der Oberseite des .Halbleiterplättchens getrennt ' \ ' ist. Der Hohlraum 18 kann mit einem Material ausgefüllt sein, das etwaige Schwingungen der Zuführungen zum Halbleiterplättchen zu dämpfen vermag. Die weichmagnetischen Teile und die Anschluss stifte können mit Hilfe von Ultraschall in das Gehäuse eingesetzt sein.

Die Anordnung des Halbleiterplättchens unmittelbar auf der eisernen Tragplatte 16 bewirkt nicht nur einen geringen magnetischen Widerstand, sondern ebenso eine gute Wärmeleitung, um das Halbleiterplättchen zu kühlen, wobei ausserdem mechanische Spannungen innerhalb des Plättchens weitgehend vermieden werden. In Fällen, wo es erwünscht ist, kann jedoch auch auf die Tragplatte 16 verzichtet werden und das Ilalbleiteiplättchen wird unmittelbar

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auf der Innenfläche des Basisteiles des U-förmigen Jochkernes 15 befestigt.

Die Modulbauweise der Vorrichtung und insbesondere die Anwendung des U-förmigen Jochkernes 15 bewirkt eine wesentliche Verbesserung ίηι..;ν,άκ-—y gleich zu bekannten Vorrichtungen, wobei ein praktisch geschlossener magnetischer Pfad zwischen den Endflächen des Jochkernes und dem mittleren Jochstück hergestellt werden kann, der nur noch durch einen effektiven Luftspalt in der Grössenordnung der Dicke des Halbleite rplättchens unterb rochen ist. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit der ,Vorrichtung beträchtlich . verbessert im Vergleich zu anderen Vorrichtungen, welche nicht mit Jochstücken zur Konzentration des magnetischen Flusses versehen sind. Der Bau von Wandlern und Schaltern mit aussergewöhnlich geringen Abmessun — gen ist mit Hilfe des beschriebenen Bausteines möglich, ebenso wie der Bau eines sehr empfindlichen Stromfühlers, der den Ueberwachungskreis nicht mit Ruhestrom belastet.

In Fig. 4 ist die Verwendung des Bausteines als Schalter dargestellt, wobei ein Dauermagnet für die ,äussere Betätigung verwendet wird. Der Dauermagnet 22 kann auf der Oberfläche des Bausteines schleifen. In der dargestellten Lage berührt der Südpol des Magneten die Endfläche des linken

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SchenkeLs des Jochkernes 15, und der Nordpol steht in Kontakt mit dom Jochstück 21. In dieser Lage geht der magnetische Fluss durch das Halbloiterplättchen längs eines magnetischen Pfades, der durch die gestrichelte Linie 23 dargestellt ist, und bewirkt die Erzeugung einer; Hall-Spannung· ''.-~._..-..■ einer bestimmten Polarität. Der magnetische Pfad ist praktisch- vollständig über Eisen geschlossen mit Ausnahme einer Unterbrechung, deren effektive Luftspaltbreite durch die Dicke des Halbleiterplättchens 17 und den geringen Luftspalt bis zum Jochstück 21 bestimmt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel betragt diese effektive Luftspaltbreite nur etwa 0, 51-mm; '"..-■·· _:. Durch die Bewegung des Dauermagneten nach rechts in eine Lage, wobei der Nordpol in Kontalct mit der Endfläche des rechten Schenkels des Jochkernes steht und der Südpol mit dem Jochstück 21, wird die Richtung des Magnetflusses im Halbleiterplättchen umgekehrt und eine Hall-Spannung der anderen Polarität erzeugt. Auch in diesem Falle isfder magnetische Kreis bis .auf ■' den nur noch geringen Luftspalt geschlossen.

Wie in Fig. 5 dargestellt, lässt sich der Baustein mit nur geringen Veränderungen auch als Stromfühler verwenden. Die Abänderung besteht darin, dass man einen Schenkel des U-förmigen Jochkernes 15 verlängert und so biegt, dass eine äussere Jochschleife 15a gebildet wird, die zweckmässig

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unmittelbar mit dem Jochstück 21 in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise wird ein praktisch geschlossener Pfad für den magnetischen Fluss gebildet, um elektrische Ströme abfühlen zu können. Ein im Leiter 24 .flies.send er . Strom erzeugt ein magnetisches Feld, das seinerseits einen magnetischen''. Fluss in der Jochschleife 15a induziert, welche diesen Leiter umfasst. Dieser Magnetfluss durchdringt das Hall-Effekt-Halbleiterplättchen J7 und verläuft längs eines Pfades, der durch die gestrichelte Linie 25 dargestellt ist. Auch hier wird durch die Anwendung des Jochkernes 15 mit seiner Verlängerung zur Jochschleife ein praktisch geschlossener Weg in Eisen für den magnetischen Fluss bereitgestellt, der praktisch nur eine Unterbrechung mit der effektiven Luftspaltbreite aufweist, die > durch die Dicke des HaIbleiterplättchens und den geringen Luftspalt zum Jochstück 21 hin bestimmt ist. Diese Spaltbreite ist in der Grössenordnung von nur 0, 51 mm.

Das Ausführungsbeispiel eines Stromfühlers gemäss der Fig. 6 zeichnet sich dadurch aus, dass ein äusseres U-förmiges Jochglied 2G dem Baustein zugefügt wird. ,Die Schenkel des Jochkernes 15 sind entfernt und nur dessen Basisteil 15b wird verwendet. Das U-förmige Jochglied 2 6 ist vorzugsweise aus weichmagnetischem Eisen hergestellt. Sein unterer Schenkel 2Ga ist unmittelbar mit dem Basisteil 15b verbunden, das vom ursprünglichen Joch-

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kern 15 übriggeblieben ist..Der obere Schenkel 26b wird zweckmässig für die Konzentration des Magnetflusses mit dem Jochsiück 21 in Kontakt gebracht. Auch diese Anordnung gewährleistet einen weitgehend geschlossenen .magnetischen Pfad. Wenn Strom durch den im Inneren desi Schleifqnieile,s~7-des Jochgliedes 26 verlaufenden Leiter 27 fliesst, läuft der verkettete Magnetfluss längs der gestrichelten Linie 28. Auch hier ist die Wirkungsweise die gleiche wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, und ebenso gilt das bezüglich des geschlossenen magnetischen Pfades oben . Gesagte. . ' . ' ' ■''''■'"·■■■'"■'.'■

Bei einigen Anwendungen, wie beispiels\veise als Annäherungsfühler, mag der effektive Luftspalt grosser werden, jedoch nur so\veit, wie die Hall-Effekt-Vorrichtung von der äusseren Quelle, eines magnetischen Feldes, das abgefühlt werden soll, entfernt ist. ·

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Claims (7)

1. PATENTANSPRÜC HE

   Hall-Effekt-Vorrichtung in Modulbauweise mit einem Gehäuse aus nichtmagnetischem Werkstoff zur Aufnahme eines HaIl-Effekt-Halbleiterplättchens, dessen Strom- und SpannungsZuführungen mit entsprechenden Paaren von im Gehäuseboden angeordneten Anschlußstiften verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Unterteil (11) des Gehäuses sich eine magnetisierbare Tragplatte (16) befindet, auf welche das genannte Halbleiterplättchen aufgekittet ist, dass im Oberteil (12) des Gehäuses mit geringem Luftspalt oberhalb des Halbleiterplättchens ein T-förmiges Jochstück (21) angeordnet ist, und dass weitere magnetisierbare Teile (15, 26) vorgesehen sind, die einen weitgehend geschlossenen magnetischen Pfad um das Halbleiterplättchen herum bilden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Anschlußstiften (20) an der Aussenseite des Unterteiles (11) des Gehäuses eine Nut (13) vorgesehen ist, welche einen die Tragplatte (16) von unten berührenden U-förmigen Jochkern (15) aufnimmt, dessen Schenkel sich durch Bohrungen (14) im Gehäuse nach oben erstrecken.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Oberteiles (12) des Gehäuses eine glatte Fläche bildet, und dass sowohl die

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   Endflächen der Schenkel des Jochkernes (15) als auch des T-förmigen Jochstückes (21) in der genannten Fläche liegen.
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der genannten Fläche verschiebbarer Dauermagnet (22) vorgesehen ist, der wahlweise zwei der genannten Endflächen berühren kann.
5. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Schenkel des U-förmigen Jochkernes (15) verlängert und zu einer zum T-förmigen Jochstück (21) hinführenden Jochschleife (15a) geformt ist, welche einen Leiter (24) umfaßt.
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass von dem U-förmigen Jochkern nur der die Tragplatte (16) von unten berührende Basisteil (15b) in der Nut (13) vorhanden ist, und dass ein besonderes U-förmig gebogenes Jochglied (26) vorgesehen ist, das einen Leiter (27) umfasst und dessen Schenkel den genannten Basisteil (15b) bzw. das T-förmige Jochstück (21) berühren.
7. 7. Vorrichtung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus Plastikmaterial besteht und dass die den magnetischen Pfad bildenden Teile aus weichmagnetischem Eisen bestehen.

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