DE2444830B2 - Hall-effekt-vorrichtung in modulbauweise - Google Patents

Description

eher gegenüber magnetischen Feldern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gegenüber der oben beschriebenen bekannten Anordnung besteht also dank der Erfindung der entscheidende Vorteil darin, daß das Halbleiterplättchen durch das es umgebende Gehäuse geschützt und daher zuverlässig zu betreiben ist, wobei ein nahezu geschlossener magnetischer Kreis beibehalten wird, so daß sich eine optimale Flußkonzentration des Magnetfeldes am Halbleiterplättehen ergibt Dadurch läßt sich in vorteilhafter Weise die Betriebssicherheit und Empfindlichkeit einer Hall-Effekt-Vorrichtung wesentlich gegenüber der bei bekannten Vorrichtungen erhöhen. Schließlich gestattet die erfindungsgemäße Ausführung einen Aufbau als Modul.

Ausführungsbeispiele der Erfindung wtrden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

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

F i g. 2 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung längs der Linie 2-2 der F i g. 1.

F i g. 3 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung längs der Linie 3-3 der Fi g. 1,

Fig. 4 eine Anordnung ähnlich Fig. 2, jedoch zusätzlich einen Dauermagneten, um die Vorrichtung als Schalter benutzen zu können,

Fig. 5 eine Abänderung der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Vorrichtung, um sie als Stromfühler geeignet zu machen,

Fig. 6 zeigt eine andere Abwandlung der Vorrichtung, um sie als Stromfühler auszubilden.

In den F i g. 1 bis 3 besitzt die Hall-Effekt-Vorrichtung

10 ein Gehäuse, das aus einem Unterteil 11 und aus einem Oberteil 12 besteht, die beispielsweise durch Ultraschallschweißung miteinander verbunden sind. Vorzugsweise werden die Teile 11 und 12 aus einem Plastikmaterial hergestellt. In diesem Beispiel betragen die äußeren Abmessungen des Gehäuses 2,2 mm x 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 Siti' unmittelbar auf dem Jochkern 15 befindet sich eine Tragplatte 16 aus weichmagnetischein 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 dem dargestellten Beispiel die Höchstabmessungen von 1,53 mm χ 1,78 mm χ 0,41 mm hat und in integrierter Schaltungstechnik hergestellt ist. Das Halbleiterplältchen befindet sich in einem Hohlraum 18 der Unterseite des Oberteils 12. Vier fliegende Zuführungen 19 verbinden die Strom- und Spannungselektroden mit Anschlußstiften 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 Anschlußstifte 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.

Die Modulbauweise der Vorrichtung und insbesondere die Anwendung des U-förmigen Jochkernes 15 bewirkt eine wesentliche Verbesserung im Vergleich 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 Halbleiterplättchens unterbrochen 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 Abmessungen ist mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung möglich, ebenso wie der Bau eines sehr empfindlichen Stromfühlers, der den Überwachungskreis nicht mit Ruhestrom belastet.

In Fig.4 ist die Verwendung der Vorrichtung 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 Schenkels des Jochkernes 15, und der Nordpol steht in Kontakt mit dem Jochstück 21. In dieser Lage geht der magnetische Fluß durch das Halbleiterplättchen 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 beträgt diese effektive Luftspaltbreite nur etwa 0,51 mm. Durch die Bewegung des Dauermagneten nach rechts in eine Lage, wobei der Nordpol in Kontakt mit der Endfläche des rechten Schenkels des Jochkernes 15 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 Fall ist der magnetische Kreis bis auf den nur noch geringen Luftspalt geschlossen.

Wie in Fig. 5 dargestellt, läßt sich die Vorrichtung mit nur geringen Veränderungen auch als Stromfühlei 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 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 fließender 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 17 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 Halbleiterplättchens und den geringen Luftspalt zum lochstück 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 26 dem Baustein zugefügt wird. Die Schenkel des Jochkernes 15 sind entfernt und nur dessen Basisteil 156 wird verwendet. Das U-förmige Jochglied 26 ist vorzugsweise aus weichmagnetischem Eisen hergestellt. Sein unterer Schenkel 26a ist unmittelbar mit dem Basisteil 156 verbunden, das vom ursprünglichen Jochkern 15 übriggeblieben ist. Der obere Schenkel 266 wird zweckmäßig für die Konzentration des Magnetflusses mit dem Jochstück 21 in Kontakt gebracht. Auch diese Anordnung gewährleistet einen weitgehend geschlossenen magnetischen Pfad. Wenn Strom durch den im Inneren des Schleifenteiles des lochgliedes 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 beispielsweise als Annäherungsfühler, mag der effektive Luftspalt größer werden, jedoch nur so weit, wie die Hall-Effekt-Vorrichtung von der äußeren Quelle eines magnetischen Feldes, das abgefühlt werden soll, entfernt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Hall-Effekt-Vorrichtung in Modulbauweise mit einem auf eine magnetisierbare Tragplatte aufgebrachten Hall-Effekt-Halbleiterplättchen, bei welcher in einem im Abstand vom Halbleiterplättchen angeordneten Bauteil aus nichtmagnetischem Werkstoff mit geringem Luftspalt oberhalb des Halbleiterplättchens ein magnetisierbares Jochstück angeordnet ist und bei der weitere magnetisierbare Teile vorgesehen sind, die einen weitestgehend geschlossenen magnetischen Pfad um das Halbleiterplättchen herum bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das im Abstand vom Halbleiterplättchen (17) angeordnete Bauteil das Oberteil (12) eines Gehäuses aus nichtmagnetiscbem Werkstoff zur Aufnahme des Halbleiterplättchens ist, in dessen Unterteil (11) sich die magnetisierbare Tragplatte (16) befindet und Paare von Anschlußstiften (20) angeordnet sind, die mit den Strom- und Spannungszuführungen (19) des Halbleiterplättchens (17) verbunden sind, und daß das magnetisierbare Jochstück (21) T-förmig ausgebildet ist.

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 magnetisierbaren Jochkerri (15) aufnimmt, dessen Schenkel sich durch Bohrungen (14) im Gehäuse nach oben erstrecken (F i g. 1 bis 4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite des Oberteiles (12) des Gehäuses eine glatte Fläche bildet, und daß sowohl die Endflächen der Schenkel des Jochkernes (15) als auch des T-förmigen Jochstückes (21) in dieser Fläche liegen (F i g. 1 bis 4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der glatten Fläche der Oberseite des Oberteils (12) des Gehäuses verschiebbarer Dauermagnet (22) vorgesehen ist, der wahlweise eine der Endflächen der Schenkel des Jochkerns (15) und die Endfläche des T-förmigen Jochstücks (21) berühren kann(Fig.4).

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 (F ig. 5).

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von dem U-förmigen Jochkern nur der die Tragplatte (16) >'on unten berührende Basisteil (\5b) 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 Basisteil (15fo) bzw. das T-förmige Jochstück (21) berühren (Fig. 6).

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Plastikmaterial besteht und daß die den magnetischen Pfad bildenden Teile (15, 21, 26) aus weichmagnetischem Eisen bestehen.

65 Hall-Effekt-Vorrichtung in Modulbauweise mit einem auf eine magnetisierbare Tragplatte aufgebrachten Hall-Effekt-Halbleiterplättchen, bei welcher in einem im Abstand vom Halbleiterplättchen angeordneten Bauteil aus nichtmagnetischem Werkstoff mit geringem Luftspalt oberhalb des Halbleiterplättchens ein magnetisierbares Jochstück angeordnet ist und bei der weitere magnetisierbare Teile vorgesehen sind, die einen weitestgehend geschlossenen magnetischen Pfad um das Halbleiterplättchen herumbilden.

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. Eine Hall-Effekt-Vorrichtung der obengenannten Art ist beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 15 40 405 bekannt, wo ein Hall-Effekt-Halbleiterplättchen beschrieben ist, das auf einer magnetisierbaren Tragplatte angeordnet ist und oberhalb des Halbleiterplättchens zur Konzentration des magnetischen Flusses bei geringem Luftspalt ein Jochstück aus magnetisierbarem Material angeordnet ist, das in einem Distanzrahmen aus nichtmagnetischem Material gehaltert ist. Auf dem Distanzrahmen ist eine weitere, mit dem Jochstück in Berührung stehende Plaae aus magnetisierbarem Material angeordnet, so daß ein magnetischer Pfad um das Halbleiterplättchen herum weitestgehend geschlossen ist. Die Empfindlichkeit solcher Vorrichtungen gegenüber magnetischen Feldern ist indirekt proportional zum magnetischen Widerstand, den der Magnetpfad dem magnetischen Fluß in Richtung senkrecht zur Fläche des Halbleiterplättchens bietet. Je geringer der magnetische Widerstand ist, desto größer wird folglich die Empfindlichkeit der Hall-Effekt-Vorrichtung und die Konzentration des magnetischen Flusses im Bereich zwischen den Elektroden des Halbleiterplättchens. Man sollte deshalb bestrebt sein, 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. Andererseits muß auch Vorsorge dalür getroffen sein, daß das Halbleiterplättchen nicht bei zu geringem Luftspalt beschädigt werden kann.

Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anordnung der eingangs geschilderten Art in einfacher, kompakter Bauweise bereitzustellen, die dabei aber zuverlässig zu betreiben ist.

Gemäß der Erfindung ist die Hall-Effekt-Vorrichtung in Modulbauweise der eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß das im Abstand vom Halbleiterplättchen angeordnete Bauteil das Oberteil eines Gehäuses aus nichtmagnetischem Werkstoff zur Aufnahme des Halbleiterplättchens ist, in dessen Unterteil sich die magnetisierbare Tragplatte befindet und Paare von Anschlußstiften angeordnet sind, die mit den Strom- und Spannungszuführungen der Halbleiterplättchen verbunden sind, und daß das magnetisierbare Jochstück T-förmig ausgebildet ist.

Die Tragplatte des Halbleiterplättchens dient sowohl zur Konzentration des magnetischen Flusses als auch zur Wärmeabfuhr und damit zur Kühlung des Halbleiterplättchens. 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 die Vorrichtung empfindli-