专利名称：对磁场敏感的传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对磁场敏感的传感器装置，德国专利申请101 41 371.8公开一种磁阻传感器设备，包括至少一个用于测量磁场的传感器单元和分配给该传感器单元的稳定磁体。所述文件还提及使用磁阻传感器设备作为邻近传感器、运动传感器或位置传感器。在这种情形下，在要被检测的物体的位置相对于外部磁场源改变的情形下，利用了一个引起产生传感器单元的成比例的电压信号的外部磁场。这样的磁阻传感器设备例如当测量曲轴角度时被用于检测参考标记。
按照德国专利申请101 41 371.8所阐述的内容，测量磁场的传感器单元通常不工作在它们的饱和区域，以及是基于各向异性磁阻效应的原理。这样的传感器单元也被称为AMR传感器。已经知道把磁场叠加在这些传感器单元上，这将稳定传送特性，这通常是通过把稳定磁体分配给传感器单元而实现的。在要被检测的是无源铁磁物体的情形下，磁体还提供一个工作的场，要检测的是在物体的影响下该场的改变。在这种情形下，磁体和传感器单元处在互相相对的、规定的固定位置。
德国的公开的技术说明书31 45 542公开了一种顺磁氧传感器，它允许根据与其它气体相比的显著的顺磁特性而有选择地测量气体混合物中的氧。这引起高频线圈的场中电感的改变。这种微弱的作用需要把干扰的影响保持在很小。提供了多个高频线圈，它们处在外壳中而在热和机械方面相对于环境进行了屏蔽，但它们互相间具有良好的热耦合。它们在桥电路中工作，而同时它们的感应场成对地伸展在测量气体和参考气体中。线圈是以热稳定的方式被设计成印刷在陶瓷载体上的银线圈。测量气体和参考气体以相对于线圈的气密方式被引导到反射石英管中。在一个设计中，这些管子延伸穿过线圈内部。在另一个设计中，线圈被放置在一个旋转板的两面，而该管子以像弦线那样的方式穿过处在感应场中的板。这个氧传感器提供来特别地用在呼吸保护、潜水设备和医学方面。
这样的传感器的制造与技术上的高花费相联系。
本发明的目的是提供一种用于测量影响磁场的介质的简单的传感器装置。
按照本发明，这个目的是通过一种对磁场敏感的传感器装置达到的，它包括-第一导体装置，具有至少两个半桥，每个半桥具有至少两个桥式支路，其中至少一个桥式支路包含对磁场敏感的半导体单元，该传感器装置提供取决于在至少一个半桥的位置上磁场的一个分量的磁场强度的测量信号，这被称为测量场并且它与传感器装置的测量方向相对准，以及-一个用于形成具有自己的磁场强度数值的测量场的装置，它取决于至少部分地包围传感器装置的介质的导磁率，由此测量信号是该介质的导磁率的量度。
藉助于这样的传感器装置，在包围传感器装置的该介质中的已知导磁率的特定物质的内容可以根据测量信号容易地确定，因为后者的数值已成为与为已知成分的介质而确定的数值相关的。具体地，液体或气体介质可以藉助于按照本发明的传感器装置而用这种方式来测量。优选地，可以确定在这样介质中的氧浓度。
按照本发明的具有至少一个对磁场敏感的半导体单元的传感器装置的设计允许其制作是简单、紧凑和成本极其低廉的。对机械和热应变的稳定性是极高的。与传统的具有约1到20公升的空间要求的大体积传感器装置相比较，可得到显著的小型化效果。得益于本发明，可提供小的、轻的、便宜的和有多种用途的传感器装置。除了在化学、物理或生物实验室技术、体育、医学、或广义的呼吸保护的领域中使用以外，按照本发明的传感器装置也可用于消费者技术的领域，特别是汽车技术。其优选的使用领域具体地可包括测量内燃机的氧供应以及在排放气体中的氧含量。
特别地，在按照本发明的对磁场敏感的传感器装置中，该至少一个对磁场敏感的单元被设计为磁阻单元。尽管可以这样得到的测量信号的较高的数值和这样提供的较高的抗干扰性，所使用的磁阻单元优选地是使用所谓的TMR效应或所谓的AMR效应作为磁阻效应的那些单元。也有可能使用所谓的AMR效应作为磁阻效应的磁阻单元，其中较低的数值是考虑到所述磁阻单元的物理特性而对测量信号设置的。取决于所使用的磁阻效应和可能地也取决于制造时所使用的另外的材料，例如外壳材料，这样设计的传感器装置可以在很宽的温度范围中使用。例如，-65℃到500℃的温度范围是可能的。原则上也可以采用使用霍尔(Hall)效应的单元。
优选地，形成磁场的设备被设计成带有一个稳定磁体。这优选地被设计为永磁体，由此按照本发明的传感器装置的设计可能是特别简单的、鲁棒的和成本低廉的。另一方面，如果想要具有可调节的场强的磁场，则形成磁场的设备也可以设计成具有线圈，在线圈中馈送电流以便生成磁场。
按照本发明的另外的开发方案，稳定磁体在它的一个表面上具有凹口，经由该凹口或在该凹口上安排第一导体装置。这样的凹口本身在德国专利申请101 41 371.8中被描述为像火山口那样的凹陷。所述文件还阐述像火山口那样的凹陷由伸展向定位面的平坦表面或凹面而形成。藉助于这样的设计，在所述文件中描述的传感器装置中，可以简单的方式达到下列状况位于传感器单元的定位区域中的磁场能以特定的最佳方式被最小化。这样设计的磁力线的路程也被称为“无散度的”。像沟槽那样的或壶形的凹口对于生成无散度场是特别有利的。
按照本发明的对磁场敏感的传感器装置的另外的开发方案，稳定磁体被这样磁化，使得由它形成的磁场的磁力线基本上从凹口的底面垂直地出射。这样，有利地有可能在第一导体装置的位置处得到这样一个磁场，即使得在导体装置被一个相对导磁率假设为至少几乎是数值1的介质包围时这个磁场至少是实际上无散度的。在第一导体装置的位置处该测量场的磁场强度的数值在这种情形下至少几乎是零。另一方面，藉助于磁力线路程的稳定磁体的表面的这种设计，可以达到测量场的磁场强度的数值随包围第一导体装置的介质的相对导磁率数值的增加而增加。结果，以简单的方式可以达到测量信号的数值是介质的导磁率的度量，因此是后者的成分的度量。
在另一个改进方案中，按照本发明的对磁场敏感的传感器装置具有至少第二导体装置，用于至少生成在传感器装置的测量方向上第一附加磁场分量。这个第一附加磁场分量可被叠加到测量场上，并可用来补偿测量场的某些部分或整个测量场。所以，第二导体装置也被称为补偿导体。为了形成第一附加磁场分量，第二导体装置受到一个也被称为补偿电流的电流的作用。
优选地，该至少第一附加磁场分量被提供来叠加到和/或补偿在测量方向上从外部加到传感器装置上的磁场。这是因为如果补偿电流是为了测量目的而设置的以使得整个测量场得到补偿，则补偿电流的数值也可被估计为在这样的补偿测量过程中的测量信号。另一方面，补偿电流也可这样来选择以使干涉场或测量信号的数值中不想要的移位的影响(称为偏移)得以补偿。
按照本发明的磁场敏感的传感器装置的另一个开发方案的特征在于至少一个第三个导体装置，用于生成至少第二附加磁场分量，其方向与传感器装置的测量方向至少大体上成直角。特别地，因此就可以实现传感器装置特性的受控的逆反，也就是说，测量信号的数值的函数作为测量场的磁场强度的函数。这种逆反，被称为“翻转(flipping)”，出现在与测量场的方向成直角的方向上磁场分量的场强的过零点处。所以，第三导体装置也被称为“翻转导体”，而流过它的用以生成至少第二附加磁场分量的电流被称为“翻转电流”。藉助于特性的这个“翻转”，有利地有可能确定在其中的偏移。这样，该至少第二附加磁场分量可被用来设置传感器装置的工作点，以及优选地为这个目的而被提供。
在本发明的另一个改进方案中，对磁场敏感的传感器装置的特征在于，传感器装置的测量信号被馈送到一个估计电路，温度测量装置也被耦合到估计电路，并在温度测量装置中生成温度信号，它是传感器装置和/或包围传感器装置的介质的当前温度的度量，其中温度信号同样被馈送到估计电路，以便补偿在传感器装置的测量信号中的由温度引起的改变。温度测量装置是例如由外部附加到导体装置或估计电路的附加传感器形成的，但也可以由在估计电路内的内置的传感器设备形成。通过使用这样的温度测量装置，温度起伏对测量信号的影响可以有利地从后者中被消除，因此温度和导磁率的发生影响的变量可互相区分开。
特别地，在估计电路中传感器装置的测量信号中温度引起的改变的补偿有利地可包括对形成测量场的设备的温度相关性的补偿。这样，不仅仅达到第一导体装置的温度分布的补偿，而且也达到稳定磁体的补偿，例如制造这个稳定磁体的材料剩磁感应的补偿。
有利地，按照第一变例，在估计电路中传感器装置的测量信号中温度引起的改变的补偿是通过按照预定的温度函数来变换测量信号的数值而实现的。特别地，这是通过在估计电路中所包含的算术单元中对测量信号进行另外的信号处理期间所作的数学补偿而实行的。在第二变例中，提供了被耦合到估计电路并接受后者按照预定的温度的函数的馈送的至少一个第四导体装置，该第四导体装置用于施加至少第三附加磁场分量，以便补偿在传感器装置的测量信号中温度引起的改变。这样的温度补偿优选地可以通过场生成线圈而实现，该线圈被连接到形成具有自己的磁场强度数值的测量场的该装置，也就是说，具体地被连接到稳定磁体。所述线圈由估计电路和被耦合到它的温度测量设备所激励。
按照另一个开发方案，对磁场敏感的传感器装置的特征在于至少一个第五导体装置，它包括至少一个具有对于磁场是不敏感的两个桥式支路的半桥，该第五导体装置在传感器装置的预定的工作状态下被连接到第一导体装置或它的一些部件，以形成桥电路。这个第五导体装置被提供来供应与磁场无关的参考信号，以及它也被称为“参考半桥”。
在一个开发方案中，第五导体装置与至少第一导体装置相组合而形成公共模块。在这种情形下，“参考半桥”与也被称为“传感器桥”的导体装置相合并。这种紧密的连接保证了在参考半桥与传感器桥之间的尽可能密切匹配的工作参数，特别地，温度将至少很好地一致。
在另一个开发方案中，第五导体装置与至少该估计电路相组合而形成公共模块。藉助于参考半桥与估计电路的这样的组合，特别地在这些模块间可达到制造容差与工作温度的尽可能密切的匹配。
在按照本发明的对磁场敏感的传感器装置的另一个改进方案中，包围传感器装置的介质仅仅在它的半桥的一部分区域中包围第一导体装置，而传感器装置的其余部分则由一种用于抑制该介质的导磁率对第一导体装置的至少一个半桥的影响的材料所包围。优选地，第一个半桥的至少一个对磁场敏感的半导体单元被这种其导磁率和因而其成分要被测量的介质所包围，以及第二个半桥的至少一个对磁场敏感的半导体单元由该用于抑制该介质导磁率对该至少一个对磁场敏感的半导体单元的影响的材料所包围。这个材料可以是导磁的或非导磁的。特别地，它的导磁率被选择成匹配于形成具有自己的磁场强度值的测量场的该装置(优选地是稳定磁体)的设计，以便产生包围第二个半桥的无散度的磁场。
第二和第三导体装置优选地可以具有各独立的部分，它们在空间上和功能上被分配给第一导体装置的各个半桥，也就是说，它们被安排成紧靠所述半桥，优选地在工作期间对它们起作用。因此第二和第三导体装置的这些部分优选地由要被测量的介质或由用于抑制要被测量的介质导磁率的影响的材料以相应方式所包围。
按照本发明的对磁场敏感的传感器装置可以有利地用来测量特定的气体或液体介质。优选地，它的特征在于对于一个具有可变的氧含量的介质的设计。这样，它可以特别有利地用作为氧传感器。这样的氧传感器至少对于以下因素是很不敏感的-在无氧介质中非零的测量信号，也就是说，在测量信号中的一个偏移，-在测量场的偏移、测量灵敏度和磁场强度中的温度和老化所引起的改变，以及-外部干扰磁场。
按照本发明的磁场敏感的传感器装置因此特别适用于汽车技术方面。
现在参照由附图显示的实施例的例子描述本发明，然而，本发明不限于此。
图1示意地显示按照本发明的对磁场敏感的传感器装置的实施例的第一例的平面图。
图2示意地显示图1所示的按照本发明的对磁场敏感的传感器装置的实施例的第一例的导体装置的平面图。
图3示意地显示通过图1的传感器装置在沿垂直于图1的图平面的y轴走向的平面上的截面，它具有第一工作状态的磁场的形式。
图4显示对于图3所示的第一工作状态其中在y轴方向上测量场的磁场强度的例子作为离坐标零点的距离的函数而画出的图。
图5示意地显示通过图1的传感器装置在沿垂直于图1的图平面的y轴走向的平面上的截面，它具有第二工作状态的磁场的形式。
图6显示对于图5所示的第二工作状态其中在y轴方向上测量场的磁场强度的例子作为离坐标零点的距离的函数而画出的图。
图7显示通过在x轴方向上施加第二附加磁场分量而控制的特性分布的偏移和翻转的磁阻传感器的示意表示图，其中测量信号值是对测量场的磁场强度值而画出的。
图8显示如图7所示的磁阻传感器特性的温度相关性的示意图。
图9示意地显示按照本发明的对磁场敏感的传感器装置的实施例的第二例的平面图。
图10示意地显示图9所示的、按照本发明的对磁场敏感的传感器装置的实施例的第二例的导体装置的平面图。
图11是显示磁场的磁场强度对相对导磁率的相关性的示例图。
图12显示在按照本发明的对磁场敏感的传感器装置中使用的稳定磁体设计的第一例。
图13显示在按照本发明的对磁场敏感的传感器装置中使用的稳定磁体设计的第二例。
图14显示在按照本发明的对磁场敏感的传感器装置中使用的稳定磁体的设计的第三例。
在图上，相同的单元具有相同的标号。
图1示意地显示具有方形轮廓的稳定磁体1的平面图，它被设计成在它的表面2上具有中心对准的凹口，像平板样的半导体基片4被安排成按平面平行于在所述凹口的中心处的表面2。半导体基片4在它的远离稳定磁体1的表面上具有第一导体装置，它由四个对磁场敏感的半导体单元6，7，8和9的示意图来显示。在实施例的这个例子中，半导体单元6，7，8和9被设计成为磁阻单元。每个半导体单元6，7，8和9是第一导体装置的桥支路，其中带有参考号6和7的第一和第二半导体单元形成两个半桥中的第一个半桥以及带有参考号8和9的第三和第四半导体单元形成这些半桥的第二个半桥。在半导体基片4的表面5上的笛卡尔坐标系统在传感器装置的测量方向上具有它的y轴和在其直角方向上有它的x轴。x轴因此表示传感器装置的坐标方向，也被称为不敏感的方向以及它垂直于磁阻单元的所谓的“艰难轴”。y轴因此表示传感器装置的一个坐标方向，它也被称为敏感的方向以及它垂直于磁阻单元的所谓的“容易轴”。磁阻单元在半导体基片4的表面5上延伸，也就是说，在前述的笛卡尔坐标系统的x-y平面上延伸。
图2显示如图1所示的、按照本发明的对磁场敏感的传感器装置的实施例的第一例的半导体基片4的详细的示意图。半导体单元6，7，8和9互相电连接，形成两个半桥，它们被安排在第一和第二电源电压端10与11之间。两个半桥的半导体单元6，7，和8，9在每种情形下分别经由连接点12和13互相连接，在每种情形下它形成用于抽取测量信号Vo的抽头。两个电源电压端之一，例如第二电源电压端11，可被引导到地电位。
半导体单元6，7，8和9在图2的图上由阴影线区域显示，当半导体单元6，7，8和9被设计为所谓的AMR单元(在这种情形下这个缩略词代表“各向异性磁阻”)时，该阴影线的斜率表示所谓的理发店招牌(barber pole)结构的对准。另一方面，如果半导体单元6，7，8和9被设计为所谓的GMR单元(在这种情形下这个缩略词代表“大型各向异性磁阻”)，在半导体单元6，7，8和9的代表中的阴影线的斜率表示GMR单元的所谓的内部“偏置方向”的设置。
除了包括半导体单元6，7，8和9的第一导体装置以外，第二导体装置14被安排在半导体基片4的表面5上，所述第二导体装置也被称为补偿导体。对于四个半导体单元6，7，8和9的每个半导体单元在每种情形下这包括一个导体条15，16，17，18，其被加到所述导体单元以及是互相电绝缘的。补偿导体4的所有的导体条15，16，17，18如图所示互相串联连接。在它的末端，补偿导体14被连接到端子19和20。如果在补偿导体14上加上电流(也称为补偿电流)，则在相关的半导体单元6，7，8和9的位置处每个导体条15，16，17，18在测量方向上，也就是说，在y轴的方向上，生成磁场分量，该磁场被叠加在测量场上，藉助于该测量场，外部磁场--具体地是干扰场，但也可能是取决于传感器装置的工作模式的测量场--可以得到补偿。在这种情形下，导体条15，16，17，18的串联连接被设计成使得由第一和第二导体条15和16生成的磁场的方向与由第三和第四导体条17和18生成的磁场分量的方向相反。
最后，在图2所示的实施例的例子中，第三导体装置21被加到第一和第二导体装置6，7，8，9和14的上面，所述第三导体装置同样地与另外两个导体装置电绝缘。这个第三导体装置21，也称为翻转导体，同样地对于四个半导体单元6，7，8和9的每个半导体单元在每种情形下包括导体条22，23，24，和25，其被加到所述导体单元并且互相电绝缘，以及也与补偿导体4的导体条15，16，17，18电绝缘。然而，翻转导体21的导体条22，23，24和25被安排成与与补偿导体4的导体条15，16，17，18成直角，因为它们在由所谓的翻转电流的电流作用时要生成在垂直于传感器装置的测量方向y的不敏感方向x上的第二附加磁场分量。这个第二附加磁场分量被使用来当半导体单元6，7，8，9被设计为AMR单元时控制翻转传感器装置的特性，或当半导体单元6，7，8，9被设计为GMR单元时设置内部偏置方向。翻转导体21的所有的导体条22，23，24，25也互相串联连接。在它的末端，翻转导体21被连接到端子26和27。在这种情形下，导体条22，23，24，25的串联连接被设计成以使得由它们生成的所有的磁场分量在x轴方向上以相同的方式对准。
图3显示通过图1的传感器装置的稳定磁体1与半导体基片4在沿垂直于图1的图平面的y轴走向的平面上的截面的示意图，它具有第一工作状态的磁场的形式，其中一种包围传感器装置的介质以及其中特别地是包围凹口3的区域中半导体基片4和稳定磁体1的表面2的介质的相对导磁率μrel被假设为数值1。这相应于在一个无氧介质中的工作状态。在这个工作状态下由稳定磁体1形成的磁场H的力线然后在半导体基片4的区域中延伸，因而在位于其上的、具有半导体单元6，7，8，9的第一导体装置中，至少实际上只是在与由x和y轴形成的平面成直角的方向(即处在被称为z轴的方向)上延伸。在具有半导体单元6，7，8，9的第一导体装置的位置处的磁场H因此至少实际上是无散度的，以及测量场的磁场强度Hy至少实际上是零。
在图4上使用作为例子给出的数字值画出沿y坐标的测量场的磁场强度Hy的分布。
在图1所示的传感器装置的实施例的例子中，优选地使用如图12分开地显示的稳定磁体1。图12所示的稳定磁体具有方形的形状。在它的方形表面2上提供凹口3，它同样具有方形的形状。在这个凹口3中安排有半导体基片4，该半导体基片4的表面5，在本例中是远离稳定磁体1的一面，处在稳定磁体1的表面2的平面上。在这个平面上另外安排了由x轴和y轴组成的笛卡尔坐标系统，其中两个轴的走向与稳定磁体1的表面2的边沿成直角，所述边沿与所述轴相交。与由x和y轴形成的平面成直角的坐标方向由z轴形成，该z轴在本例中被显示为穿过表面2、凹口3和半导体4的中心，这样，凹口的边缘被形成为在坐标方向x和y上所有的边上都有相同的宽度。稳定磁体1另外还如此被磁化，以使得在相对导磁率常数μrel假设为数值1的情形下，一个在x轴方向和y轴方向至少在很大程度上是无散度的磁场至少会在由半导体基片4包围的z轴的方向附近形成。作为其尺寸方面的例子，这样的稳定磁体1的尺寸可以是8mm×8mm×4.5mm。
在图13上，标号100分开地显示图12所示的稳定磁体1的变例，这个磁体具有圆形的形状。在它的圆形表面200上提供有凹口300，它同样具有圆形的形状。在这个凹口300中安排有半导体基片4，半导体基片的表面5，在本例中处在远离稳定磁体100的一面而是在稳定磁体100表面200的平面上。而且，在这个平面上安排由x轴和y轴组成的笛卡尔坐标系统，其中两个轴取与半导体基片4的两个边沿成直角的方向，所述边缘沿与所述轴相交。与由x和y轴形成的平面成直角的坐标方向在这种情形下也由z轴形成，该z轴在本例中被显示为穿过表面200、凹口300和半导体基片4的中心，这样，z轴与稳定磁体100的圆形的旋转轴重合。凹口300的边缘以具有在坐标方向x和y上所有的边上相同宽度而形成。稳定磁体100还被磁化，以使得在相对导磁率常数μrel假设为数值1的情形时，至少在由半导体基片4所包围的z轴方向附近形成一个磁场，它在由x和y轴形成的平面的所有方向上至少很大程度上是无散度的。
如果图1所示的传感器装置从图3和4所示的工作状态开始被暴露到具有较高数值的相对导磁率常数μrel的介质中，例如暴露到含氧气体的介质中，则图3所示的磁场H的分布就会变形，使得它在x轴和y轴的方向上在半导体基片4的区域中越来越发散。因此，穿过被安排在半导体基片4上的第一导体装置6的磁场H在传感器装置的敏感方向上具有自己的一个分量，它随相对导磁率常数μrel的数值增加而增加测量场的磁场强度Hy增加。结果，在传感器装置中生成测量信号Vo，该测量信号的数值直接正比于测量场的磁场强度Hy。测量信号Vo的数值因此直接正比于传感器装置周围的介质的氧含量。
图5显示对传感器装置周围的介质的氧含量是100％的工作状态，通过图1的传感器装置的稳定磁体1和半导体基片4的在沿垂直于图1的图平面的y轴运行的平面上的截面的示意图，图上显示了在这种工作状态下磁场H的形式，其中在传感器装置--以及具体地在凹口区域中稳定磁体1的半导体基片4和表面2--周围的介质的相对导磁率假设为1.15的数值。这相应于在包含纯氧的介质中的工作状态。为了比较起见，来自图3的工作状态的某些磁力线分布在图5上以虚线表示。
图6显示的图是可与图4比较的，它是测量磁场的磁场强度Hy作为对图5所示的工作状态的y坐标的函数的图，其中具有作为y坐标的函数的测量场的磁场强度Hy的示例性数值和明显的可看见的上升。
图7显示在图1，2，3，或5上显示的磁阻传感器装置的特性的示意代表的图。其中，测量信号Vo的数值是对测量场的磁场强度Hy的数值画出的。测量信号Vo描述了作为测量场的磁场强度Hy的函数的一个基本上的正弦曲线，该曲线具有零偏移，它被表示为“偏移(offset)”，以及它的取向取决于在不敏感方向也就是说x轴中磁场的方向。在图7上，作为例子显示了在x轴方向上对于磁场的两个方向的两个特性分布以连续线显示的特性分布是对于在一个方向上取向的磁场，而以虚线显示的特性分布是在这个取向被颠倒时得到的。这由特性上的箭头和标号Mx表示。
通过颠倒作用在传感器装置上的磁场沿x坐标的方向，特性分布可被翻转。特性的翻转发生在磁场沿x方向的分量的场强的过零点，以及作为例子是由流过翻转导体21的电流(即翻转电流)在所示的传感器装置中引起的，并因此生成第二附加磁场分量。第二附加磁场分量在x轴方向上被叠加到稳定磁体1的磁场上，并因此控制特性分布的翻转。
藉助于特性的翻转，可以有利地确定后者的偏移，为此，翻转电流以脉冲方式馈送到翻转导体21，以便能设置传感器装置的工作点以及能确定由此得到的特性分布。表示为“偏移(offset)”的零偏移是根据最终得到的特性分布的交叉点被确定的。
在传感器装置工作期间，稳定的工作点由翻转电流设置，该电流现在被保持为恒定的，因此，在确定零漂移之后x轴方向上第二附加磁场分量也保持恒定。在进一步流过翻转电流和因此传感器装置的稳定的工作点的情形下，补偿电流就被馈送到补偿导体14，它的数值被设置成使得测量信号Vo的数值等于以前确定的零偏移的数值。到那时流过的补偿电流的数值是在传感器装置周围的介质的相对导磁率μrel的度量，因此是介质的氧含量的度量。
在这种磁路设计中，仅仅在传感器装置周围的介质的相对导磁率改变时，才得到在y方向上磁场强度的有效分量Hy。在y方向上磁场强度的这个分量Hy与稳定磁体1的剩磁(也就是说，由稳定磁体1形成的磁场H的磁场强度或磁感应)具有相同的相对温度系数。以所描述的方式得到的测量信号Vo的数值因此取决于温度，以及必须使用附加温度传感器(图上未示出)来进行温度补偿。这优选地应在估计电路中出现，该估计电路经由第一和第二连接点12，13被连接到第一导体装置6，7，8，9，以及被馈送以传感器装置的测量信号Vo。温度传感器也被连接到估计电路，在温度传感器中生成温度信号，它是传感器装置的当前温度的度量值。温度信号同样被馈送到估计电路，以便补偿传感器装置的测量信号Vo中温度引起的改变。
图8显示磁阻传感器装置的Hy对特性Vo的温度相关性的示意性代表的示例图。图上画出对于传感器装置--也就是说，其上安排有元件的半导体基片4--的温度T的四个数值-25℃，25℃，75℃和125℃的特性例子。在所描述的例子中这个特性所用的工作范围表示为OR，在这种情形下约为4kA/m。当使用上述的补偿测量时(其中补偿电流被馈送到补偿导体14以及它的数值被设置为使得测量信号Vo的数值等于以前确定的零偏移值)，仅在零点附近的非常小的范围被图8所示的特性使用。因此传感器灵敏度的温度系数可以忽略。
上述的传感器装置形成一个综合的顺磁氧传感器。在这种情形下，均匀的磁干扰场通过组合在第一导体装置中的对磁场敏感的半导体单元的梯度测量仪的设计而被抑制，也就是说，通过在梯度传感器的配置中这些半导体单元的装置而被抑制。包括其温度效应的零偏移的补偿有可能通过翻转特性而被作出。温度对第一导体装置的测量灵敏度的影响在测量期间使用补偿电流的地方通过使用补偿原理，也被保持为很小，这样，它可以忽略不计。
温度对稳定磁体的剩磁的影响，一方面可以通过附加温度测量和藉助于估计电路补偿剩磁的温度系数而以所述的方式被抑制。为此，必须向估计电路送入有关剩磁的温度系数的数据，或把这样的数据存储在估计电路中。另一方面，剩磁的温度系数的补偿可以通过被附加地安排在稳定磁体的区域中的场生成线圈来实现，该线圈在引言中被称为第四导体装置。所述线圈同样地以作为在传感器装置上测量的温度和剩磁的温度系数的函数而工作，以及补偿在剩磁中温度引起的起伏。
在传感器装置工作期间，介质氧含量和温度两者同时起伏只能藉助于上述的附加温度测量而互相区分开。如果为了减小设备的费用，要省略温度测量，则必须排除这些同时起伏。
图9以平面图示意地显示按照本发明的磁场敏感的传感器装置的实施例的另一个例子。对于这里显示的传感器装置，使用方形稳定磁体301，它被设计成具有在它的表面201x轴上以中心对准的口301，像平板那样的半导体基片401被安排成以平面平行于所述凹口中心处的表面201。半导体基片401在它的远离稳定磁体101的表面501上具有第一导体装置，它由四个磁场敏感的半导体单元6，7，8和9的示意的表示来显示，以及是与图1和2的第一导体装置相同的。在半导体基片401的表面501上的笛卡尔坐标系统具有在传感器装置的测量方向上它的y轴和在其直角方向上它的x轴。x轴因此表示传感器装置的一个坐标方向，它也被称为不敏感的方向以及它垂直于磁阻单元的所谓的“艰难轴”。y轴因此表示传感器装置的坐标方向，也被称为敏感的方向以及它垂直于磁阻单元的所谓的“容易轴”。磁阻单元在半导体基片401的表面501上延伸，也就是说，在前述的笛卡尔坐标系统的x-y平面延伸。
与图1所示的装置相比较，图9上显示两个修改。一方面，在稳定磁体101的表面上的凹口301在稳定磁体101的整个范围内沿y方向延伸，也就是说，沿传感器装置的敏感的方向延伸。这样，在半导体基片401的位置处至少仅仅在x方向得到实际上无散度的磁场，而沿敏感的y方向的磁场在半导体基片401的位置处是发散的。另一方面，半个传感器装置(也就是说，稳定磁体101和半导体基片401)配备有外罩502，它的边缘在稳定磁体101和半导体基片401上以中心沿x轴伸展。外罩502由一种材料制成，该材料能抑制要测量的介质的导磁率对第一导体装置6，7，8，9的第二个半桥的影响，所述第二个半桥由第三和第四半导体单元8，9形成，该外罩优选地完全包装所述第二个半桥。要测量的和包围传感器装置其余部分的介质对第一导体装置6，7，8，9的包围仅限于由第一和第二半导体单元6，7形成的它的第一个半桥区域。外罩502的材料可以是导磁的或非导磁的；它的导磁率优选地是恒定的。具体地，这个导磁率可被选择成与稳定磁体101的设计相匹配，这样，在第二个半桥8，9周围生成至少很大的无散度磁场。
图10显示图9所示的、按照本发明的对磁场敏感的传感器装置的实施例的第二例的半导体基片401的更详细的示意图。包括半导体单元6，7，8，9的第一导体装置相应于图2所示的装置，虽然测量信号现在可以在各个半桥6，7，8，9的第一和第二连接点12，13处被分开地估计，所以，它具有不同的参考Vo1和Vo2。这是通过与估计电路(未示出)的适当的连接而达到的。
除了第一导体装置以外，第二导体装置被安排在半导体基片401的表面501上。所述第二导体装置对于四个半导体单元6，7，8，9的每个半导体单元，在每种情形下包括一个导体条15，16，17，18，其被加到所述导体单元以及与其是电绝缘的。这些导体条的第一15和第二16导体条如图所示互相串联连接，形成第一补偿导体141。在它的末端，第一补偿导体141被连接到端子143和144。第二导体装置的第三17和第四18导体条同样地互相串联连接，形成第二补偿导体142。在它的末端，第二补偿导体142被连接到端子145和146。如果在补偿导体141和142上加上电流(也称为第一和第二补偿电流Icomp1和Icomp2)，则在相关的半导体单元6，7，8和9的位置处每个导体条15，16，17，18在测量方向上(也就是说，在y轴的方向上)生成磁场分量，该磁场被叠加在测量场上，藉助于该测量场，外部磁场(特别是干扰场，但取决于传感器装置的工作模式，也可能是测量场)可以被补偿。在这种情形下，不同的补偿电流可被加到补偿导体141，142，因此在测量方向上的不同磁场分量可被叠加到各种不同的半桥的半导体单元6，7和8，9上。
最后，在图10所示的实施例的例子中，第三导体装置21被加到第一和第二导体装置6，7，8，9和141，142的上面，该第三导体装置在它的设计方面相应于图2的导体装置，以及再次被用作为翻转导体。
按照图9所示的实施例的例子的对磁场敏感的传感器装置最后包含第五导体装置，它包括一个半桥，具有对磁场不敏感的两个桥式支路。这个第五导体装置，也称为参考半桥，被提供来供应与磁场无关的参考信号(图上未示出)。参考半桥在传感器装置的预定的工作状态下被连接到第一导体装置的各个半桥，以形成桥式电路。参考半桥任选地与第一导体装置合并，或优选地与估计电路合并。
作为在按照本发明的对磁场敏感的传感器装置中使用的稳定磁体的设计的第三例，图14显示在如图9和10所示的传感器装置中使用的稳定磁体101的分开的表示。作为其尺寸的例子，这样的稳定磁体101可以具有8mm×6mm×4.5m的外部尺寸。
通过使用如图9和10所示的传感器装置，例如在第一个半桥6，7周围的介质中氧的浓度的测量可以按照以下的方案实行。
在第一操作步骤，通过把第一个半桥6，7和参考半桥电连接而形成一个全桥。补偿导体141，142在这个操作步骤不流过任何补偿电流。通过把翻转电流加到翻转导体21，对磁场敏感的第一个半桥6，7的特性就可被翻转，并可以在第一个半桥6，7的这样设置的两个工作点处测量桥输出电压，该桥输出电压由第一个半桥6，7的测量信号Vo1和与磁场无关的参考信号组成。对于测量信号Vo1的特性分布的零偏移—同样表示为“偏移(offset)”—就相应于在两个工作点处测量的桥输出电压的平均值。这个测量是基于与图7可比较的条件。
在第二操作步骤，通过电连接在半导体基片401和稳定磁体101上配备有外罩502的第二个半桥8，9和参考半桥而形成全桥。补偿导体141，142在这个操作步骤仍旧不流过任何补偿电流。通过把翻转电流加到翻转导体21，对磁场敏感的第二个半桥8，9的特性就可被翻转，以及可以在第二个半桥8，9的这样设置的两个工作点处测量桥输出电压，该桥输出电压由第二个半桥8，9的测量信号Vo2和参考信号组成。对于测量信号Vo2的特性分布的零偏移—同样表示为“偏移(offset)”—就相应于在两个工作点处测量的桥输出电压的平均值。这个测量也是基于与图7可比较的条件。
在第三操作步骤，考虑到在第一和第二操作步骤确定的零偏移，在第二操作步骤形成的全桥可以藉助于被馈送到第二补偿导体142的第二补偿电流Lcomp2被平衡。在对磁场敏感的半导体单元8，9的敏感的方向上的磁场强度就被直接测量，以便把稳定磁体101的磁性材料的温度系数考虑在内，也就是说它对测量的影响被抑制。
在第四操作步骤，另外还把在第三操作步骤中确定的第二补偿电流Icomp2馈送到加外罩的第二个半桥8，9的第二补偿导体142。然后第一补偿电流Icomp1被馈送到不加外罩的第一个半桥6，7的第一补偿导体141，以及被设置成使得总的桥输出信号，也就是说，测量信号Vo1和Vo2的差值变为零。因此就使用了对磁场敏感的半导体单元6，7的敏感方向的磁场强度Hy与这些半导体单元6，7周围的介质的相对导磁率之间的线性依赖关系，如图11所示。这个图显示通过改变介质，优选地气体介质的氧含量在相对导磁率μre1的数值的范围中所述的相关性，也就是说，通过改变周围的气体介质的相对导磁率μre1而在敏感方向上磁场--也称为散射场--的分量的磁场强度Hy的调制。这个线性关系因此可被使用来测量氧。
在第五操作步骤，确定在以前的操作步骤中设置的两个补偿电流Icomp1和Icomp2中的差值。它是周围的介质的氧含量的量度。另一方面，流过在外罩502下面的第二补偿导体142的导体条17，18的第二补偿电流Icomp2是磁场的可能与温度和老化有关的磁场强度的直接度量。
在上述的实施例的第二例子中，如果第五操作步骤被循环地重复执行，则均匀的干扰磁场可以通过如在实施例的第一个描述的例子中的半导体单元6，7，8，9的梯度测量仪设计用这样的传感器装置而被抑制。在这种情形下特性的翻转也允许对包括后者的温度相关性的零偏移作简单和有效的确定和补偿。通过对使用被馈送到传感器装置的补偿电流的补偿原理的应用，温度对传感器装置的测量灵敏度的影响可被保持为低的，使得它可以被忽略。另外，温度对稳定磁体的剩磁的影响得以补偿。最后，通过估计在两个补偿导体中的补偿电流，还有可能估计随时间发生的温度或氧含量的改变，而不需要附加温度测量。
本发明提供顺磁氧传感器的成本低廉的小型化设计，通过它，有可能在给定足够高的信号偏移和可忽略的交叉灵敏度下，测量气体混合物的氧含量，这在许多应用领域是需要的。使用所谓GMR效应作为磁阻效应的磁阻单元的使用是优选的，因为由此可得到按照本发明的传感器装置的特别高的测量灵敏度。
标号表1具有方形的稳定磁体2稳定磁体1的表面3在稳定磁体1的表面2上的凹口4半导体基片5远离稳定磁体1的半导体基片4的表面6用于第一导体装置的第一个半桥的第一对磁场敏感的半导体单元7用于第一导体装置的第一个半桥的第二对磁场敏感的半导体单元8用于第一导体装置的第一个半桥的第三对磁场敏感的半导体单元9用于第一导体装置的第一个半桥的第四对磁场敏感的半导体单元10第一电源电压端11第二电源电压端(例如，地电位)12第一连接点13第二连接点14第二导体装置，也称为补偿导体15第二导体装置14或141，142的第一导体条(用于第一半导体单元6)16第二导体装置14或141，142的第二导体条(用于第二半导体单元7)17第二导体装置14或141，142的第三导体条(用于第三半导体单元8)18第二导体装置14或141，142的第四导体条(用于第四半导体单元9)19第二导体装置14的第一端20第二导体装置14的第二端21第三导体装置，也称为翻转导体22第三导体装置21的第一导体条(用于第一半导体单元6)23第三导体装置21的第二导体条(用于第二半导体单元7)24第三导体装置21的第三导体条(用于第三半导体单元8)25第三导体装置21的第四导体条(用于第四半导体单元9)26第三导体装置21的第一端27第三导体装置21的第二端100稳定磁体，图13所示的变例101稳定磁体，图14所示的变例141图10所示的第一补偿导体142图10所示的第二补偿导体143第一补偿导体141的第一端144第一补偿导体141的第二端145第二补偿导体142的第一端146第二补偿导体142的第二端200稳定磁体100的表面201稳定磁体101的表面300稳定磁体100的表面200上的凹口301稳定磁体101的表面201上的凹口401半导体基片，图10所示的变例501远离稳定磁体101的半导体基片401的表面502在半导体基片401和稳定磁体101上的外罩H由稳定磁体1形成的磁场Hy测量场的磁场强度Icomp1在第一补偿导体141中的第一补偿电流Icomp2在第二补偿导体142中的第二补偿电流Mx在Vo对Hy的特性分布的表示中在传感器装置的位置处在x方向上磁场的取向方向的符号offset Vo对Hy的特性分布的零偏移
OR使用在Vo对Hy的特性分布中的工作范围T传感器装置的温度，也就是说，具有在其上安排的元件的半导体基片4的温度Vo测量信号Vo1第一个半桥6，7的测量信号Vo2第二个半桥8，9的测量信号x在传感器装置的半导体基片4表面上的笛卡尔坐标系统的不敏感的坐标方向y在传感器装置的半导体基片4表面上的笛卡尔坐标系统的敏感的坐标方向；传感器装置的测量方向z与由x和y轴形成的平面成直角的的坐标方向μrel传感器装置周围的介质的相对导磁率
权利要求
1.一种对磁场敏感的传感器装置，包括-第一导体装置，具有至少两个半桥，每个半桥具有至少两个桥式支路，其中至少一个桥式支路包含对磁场敏感的半导体单元，该传感器装置提供取决于在至少一个半桥的位置上磁场的一个分量的磁场强度的测量信号，这被称为测量场并且它与传感器装置的测量方向对准，以及-一个用于形成具有自己的磁场强度数值的测量场的装置，它取决于至少部分地包围传感器装置的介质的导磁率，由此测量信号是该介质的导磁率的度量。
2.如权利要求1中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，至少一个对磁场敏感的单元是作为磁阻单元而设计的。
3.如权利要求2中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，形成磁场的该设备被设计为具有稳定磁体。
4.如权利要求3中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，稳定磁体在它的表面之一上具有凹口，经由该凹口或在该凹口上安排第一导体装置。
5.如权利要求4中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，稳定磁体被磁化，以使得由它形成的磁力线基本上从凹口的底面垂直地发出。
6.如权利要求2中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，具有至少第二导体装置，用于至少生成在传感器装置的测量方向上的第一附加磁场分量。
7.如权利要求6中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，提供至少第一附加磁场分量来叠加和/或补偿在测量方向上的从外部加到传感器装置上的磁场。
8.如权利要求2中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，至少第三个导体装置，用于生成在与传感器装置的测量方向至少几乎成直角的方向上的至少第二附加磁场分量。
9.如权利要求8中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，提供至少第二附加磁场分量来设定传感器装置的工作点。
10.如前述权利要求的任一项中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，一个估计电路被馈送以传感器装置的测量信号，并且还有一个温度测量装置也被耦合到估计电路，并且在其中生成一个作为传感器装置的和/或包围传感器装置的介质的当前温度的度量的温度信号，其中该温度信号同样地被馈送到估计电路，以便补偿在传感器装置的测量信号中的温度引起的改变。
11.如权利要求10中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，对估计电路中传感器装置的测量信号中温度引起的改变的补偿还包括对形成测量场的该设备的温度相关性的补偿。
12.如权利要求10中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，对估计电路中传感器装置的测量信号中温度引起的改变的补偿是通过按照预定的温度函数去变换测量信号的数值而实现的。
13.如权利要求10中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，被耦合到估计电路和由该估计电路按照预定的温度的函数向其进行馈送的至少第四导体装置，该第四导体装置用于施加至少第三附加磁场分量，以便补偿在传感器装置的测量信号中温度引起的改变。
14.如权利要求10中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于至少第五导体装置，它包括至少一个具有对于磁场不敏感的两个桥式支路的半桥，该第五导体装置在传感器装置的预定的工作状态下被连接到第一导体装置或它们的部件，以形成桥电路。
15.如权利要求14中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，第五导体装置与至少第一导体装置相组合，以形成公共模块。
16.如权利要求14中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，第五导体装置至少与估计电路相组合，以形成公共模块。
17.如前述权利要求的任一项中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，包围传感器装置的介质仅仅在它的半桥的一部分的区域中包围第一导体装置，还在于传感器装置的其余部分由一种材料包围，该材料抑制该介质的导磁率对第一导体装置的至少一个半桥的影响。
18.如前述权利要求的任一项中要求的对磁场敏感的传感器装置，其特征在于，用于具有可变的氧含量的介质的设计。
全文摘要
一种对磁场敏感的传感器装置，包括－第一导体装置，具有至少两个半桥，每个半桥具有至少两个桥式支路，其中至少一个桥式支路包含对磁场敏感的半导体单元，该传感器装置提供取决于在至少一个半桥的位置上的磁场分量的磁场强度的测量信号，这被称为测量场并且它对准传感器装置的测量方向，以及－形成具有自己的磁场强度数值的测量场的装置，该测量场取决于至少部分地包围传感器装置的介质的导磁率，由此该测量信号是介质的导磁率的度量。因此提供了用于测量影响磁场的介质的简单的传感器装置。
文档编号G01N27/74GK1890576SQ200480035960
公开日2007年1月3日 申请日期2004年11月25日 优先权日2003年12月4日
发明者R·布赫霍尔德, M·德谢尔, S·布茨曼 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司