[发明专利]带有平面校准线圈的Z磁场传感器

说明书

在此描述的创新概念涉及一种传感器芯片(100)，其具有至少两个垂直于芯片层面测量的磁场传感器(101、102)，它们彼此相邻地布置在传感器芯片(100)上，其中在磁场传感器(101、102)中的至少一个(101)上布置了平面绕组(130)，其被设计为产生垂直于芯片层面定向的磁场(120、121)。控制器(140)可以在平面绕组(130)产生磁场(120、121)的校准模式中操作磁场传感器(101、102)。为了校准磁场传感器(101、102)的目的，可以执行差分测量，其中一个磁场传感器(101、102)的响应信号减去各另一个磁场传感器(101、102)的响应信号。

技术领域

在此所述的创新概念涉及一种传感器芯片，其具有至少两个垂直于芯片层面测量的磁场传感器，它们可以使用至少一个平面绕组被校准，并且还涉及一种用于校准这种磁场传感器的相应方法。

背景技术

磁场传感器用于测量外部磁场。根据磁场传感器的设计，可以在不同方向上测量磁场，其中通常感兴趣的是垂直于芯片层面定向的磁场分量。该磁场分量也称为z分量，并且垂直于芯片层面的磁化方向相应地也称为z方向。

在z方向测量的磁场传感器的已知代表是磁阻传感器，例如AMR传感器(AMR)、GMR传感器(GMR)、TMR传感器(TMR)等，它们可以被概括地统称为xMR传感器(x磁阻传感器)。如果xMR传感器垂直于芯片层面测量，即在z方向上，它们也可以称为Z-xMR传感器。借助于Z-xMR传感器，导电材料的电阻值会受到作用于z方向的外部磁场的影响。垂直于芯片层面(即在z方向)测量的其他已知传感器代表是磁场效应晶体管，即所谓的Mag-FET或垂直霍尔传感器。用于测量磁场的带有霍尔板的电路称为霍尔传感器。

这些在z方向上测量的磁场传感器(以下也称为z磁场传感器)可以在其使用寿命和一定温度范围内(例如，用于汽车应用-40℃至+150℃)具有～1％的精度。为了达到这种高精度，制造商必须在测试中校准z磁场传感器。必须施加高精度磁场，并且然后测量传感器电路对所施加磁场的相应响应。

然而，在生产环境中，提供产生这种磁场的方法既困难又昂贵：专门为这些校准目的制造的磁体必须集成到标准生产线(处理设备和测试设备)中，但是标准生产线又会具有可以扭曲磁场的铁磁部件(螺丝、钢)。此外，磁体必须保持恒温，而测试对象本身(DUT：待测设备)在-40℃和+150℃之间的可变温度范围内进行测试。此外，磁体必须能够产生一个磁场，该磁场可以同时应用于多个(例如8到64个)待测试对象进行并行测试。测试台中通常存在相当大的磁场干扰场，这会显著扭曲校准结果。此外，每个测试对象的测试时间不应超过一秒。

尽管z磁场传感器经常在不同的温度下进行测试和校准，但不能保证特定测试对象可以在同一测试台内的所有温度下进行测试。即使磁体与磁体规格的偏差很小(例如在0.1％数量级)，这已经导致在温度范围内进行多次校准时出现相当大的误差，最终对校准精度产生负面影响。

因此，已知使用集成测试线圈来校准z磁场传感器。例如，在霍尔传感器的情况下，可以为此目的将一个小平面绕组放置在霍尔板的顶部。平面绕组由半导体工艺的中间连接层组成。中间连接层的示例是半导体工艺的布线层，通常以金属层(通常在铝或铜合金中添加少量硅)的形式实现。在校准期间，精确的电流通过线圈。电流产生作用在霍尔板上的磁场。校准只是测量霍尔响应，然后将其调整为预定义值。

但是，集成校准线圈也存在一些问题：

a)例如，纯金属线圈通常只产生很小的磁场。对于大磁场，这样的线圈必须提供大电流，或者绕组必须有很多个匝，即匝数必须相应大。然而，这会导致相当大的自热，从而影响传感器电路。线圈不仅会加热电路，还会产生数量在时间和空间上并不恒定的余热。因此，测试工程师必须优化所应用的磁场模型的时间顺序，以达到最佳的可重复校准结果。此外，线圈比电路的其余部分更能加热霍尔板。然而该电路使用温度校准，其检测温度并相应地调整信号处理电路的放大因数。因此，如果温度传感器测量的温度与霍尔板上实际存在的温度不同，则会导致校准错误。