DE10011176A1

DE10011176A1 - Zweidimensionaler Lagesensor mit magnetischem Widerstand

Info

Publication number: DE10011176A1
Application number: DE10011176A
Authority: DE
Inventors: Thaddeus Schroeder
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2000-09-28
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: US6326782B1; DE10011176C2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetempfindlichen Chip (102) und einen Aktualisierungsschaltkreis für diesen, durch die mehrere einzelne magnetempfindliche Elemente (MW1', MW2', MW1'', MW2'') derart eingerichtet und konfiguriert sind, daß ein zweidimensionaler Lagesensor (100) erzeugt ist, der nicht die Verwendung aktiver Bauteile erfordert. Es sind vier MW-Elemente vorgesehen, wobei jedes MW-Element die Gestalt einer rechtwinkligen Schlangenlinie aufweist. Ein erster MW-Sensor (128) ist aus zwei MW-Elementen (MW1', MW2') gebildet, die diametral längs einer ersten Achse (A) gegenübergestellt sind, und ein zweiter MW-Sensor (130) ist aus den restlichen beiden MW-Elementen (MW1'', MW2'') gebildet, die diametral längs einer zweiten rechtwinkligen Achse (B) gegenübergestellt sind. Jedes MW-Element ist mit den beiden MW-Elementen des anderen MW-Sensors verschachtelt, so daß jeder MW-Sensor elektrisch unabhängig und rechtwinklig in bezug auf den anderen MW-Sensor orientiert ist. Dementsprechend erfaßt ein MW-Sensor (128), der aus zwei MW-Elementen (MW1', MW2') besteht, eine Lage längs einer ersten Achse (A), und der andere MW-Sensor (130), der aus den beiden anderen MW-Elementen (MW1'', MW2'') besteht, erfaßt eine Lage längs einer zweiten Achse (B), die rechtwinklig zur ersten Achse liegt. Die Verschachtelung der MW-Elemente kann mit anderen Geometrien als die Form einer rechtwinkligen Schlangenlinie bewerkstelligt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lagesensoren und insbesondere einen zweidimensionalen Positionssensor, der einen Chip mit magnetischem Wi derstand (MW) verwendet, der durch zwei rechtwinklig zueinander orien tierte Magnetwiderstandspaare gekennzeichnet ist, die elektrisch unab hängig und gleich vormagnetisiert sind.

Das Prinzip der Verwendung eines Paares angepaßter MW in einer Diffe rentialanordnung zum Zweck des Messens kleiner linearer Verschiebun gen längs einer Dimension ist in der Technik bekannt. Fig. 1 zeigt ein der artiges Beispiel. Nach Fig. 1 umfaßt der MW-Chip 10 zwei angepaßte MW, MW1 und MW2, einen ersten Anschluß 16, einen zweiten Anschluß 18 und einen dritten Anschluß 20. Ein kleiner, sich bewegender Impulsgeber 22 weist die Form eines Permanentmagneten auf, falls der Chip nicht durch ein äußeres Magnetfeld vormagnetisiert wird. Falls der MW-Chip 10 durch ein äußeres Magnetfeld vormagnetisiert werden würde, bestünde der Impulsgeber dann statt dessen aus einem ferromagnetischen Material. Der Impulsgeber 22 ist gewöhnlich einen Bruchteil eines Millimeters über dem MW-Chip 10 aufgehängt. Ein zweidimensionales kartesisches (X-Y)- Koordinatensystem 30, das aus einer X-Achse und einer Y-Achse besteht, ist über den MW-Chip 10 gelegt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wodurch der Impulsgeber 22 entlang der X-Achse bewegbar ist.

Es ist in der Technik bekannt, daß der Widerstand R_MW eines MW modu liert werden kann, indem die magnetische Flußdichte durch den MW hin durch verändert wird, was wiederum den Widerstand des MW verändert. Die Abschnitte von MW1 und MW2 unter dem Impulsgeber 22 sind einem beträchtlich stärkeren Magnetfeld als die Abschnitte von MW1 und MW2 ausgesetzt, die nicht unter dem Impulsgeber liegen. Je größer die von dem Impulsgeber 22 überdeckte Fläche von MW1 oder MW2 ist, desto größer ist somit jeweils der Widerstand von MW1 oder MW2.

Wenn die Mittellinie 24 des Impulsgebers 22 mit der Y-Achse zusammen fällt, die auf halbem Weg zwischen MW1 und MW2 ausgerichtet ist, sind dann die von dem Impulsgeber überdeckten Flächen von MW1 und MW2 gleich, und somit ist der Widerstand R_MW1 von MW1 gleich dem Wider stand R_MW2 von MW2, da MW1 an MW2 angepaßt ist. Sobald der Impuls geber 22 beispielsweise in die positive X-Richtung zu dem Punkt bewegt wird, an dem die Mittellinie 24 des Impulsgebers sich an der Position 36 auf der X-Achse befindet, ist die von dem Impulsgeber überdeckte Fläche von MW1 kleiner als die von dem Impulsgeber überdeckte Fläche von MW2, wodurch bewirkt wird, daß der Widerstand von MW2 zunimmt, während der Widerstand von MW1 abnimmt. Eine geeignet konstruierte elektrische Schaltung, wie sie kurz diskutiert werden wird, kann diese Wi derstandsänderung verarbeiten und eine Ausgangsspannung erzeugen, die eine lineare Funktion der Lage oder Position des Impulsgebers 22 re lativ zu MW1 und MW2 ist.

Eine derartige Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Der erste Anschluß 16 von MW1 ist mit dem positiven Anschluß 38 einer Konstantspannungsquelle V_Ein verbunden, wohingegen der dritte Anschluß 20 von MW2 mit Masse 40 verbunden ist. Die Widerstände R1 und R2 weisen vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, den gleichen Wert auf. V_AUS wird in bezug auf zwei Ausgangsanschlüsse 42, 44 gemessen.

Wenn die Widerstände R1 und R2 den gleichen Wert besitzen, kann V_AUS als der Strom I_MW ausgedrückt werden, der jeweils durch MW1 und MW2 und die Widerstände R_MW1 bzw. R_MW2 von MW1 bzw. MW2 fließt, als:
V_AUS = (I_MW/2) (R_MW2-R_MW1), wobei I_MW = V_EIN/(R_MW2 + R_MW1).

Die Bewegung des Impulsgebers 22 von Fig. 1 in der X-Richtung erhöht den Widerstand des einen MW und verringert den Widerstand des anderen MW. Da jedoch die MW angepaßt sind, ist die Größe der Zunahme des Wi derstandes des einen MW gleich der Größe der Abnahme des Widerstan des des anderen MW, wodurch bewirkt wird, daß der Gesamtwiderstand (R_MW2 + R_MW1) konstant bleibt, wodurch der Strom I_MW ebenfalls konstant bleibt.

Somit ist die Ausgangsspannung V_AUS direkt proportional zur Differenz des jeweiligen Widerstandes von MW2 und MW1 und ist deshalb eine li neare Funktion von (R_MW2-R_MW1). Da der Widerstand jedes MW proportio nal zu der von dem Impulsgeber 22 überdeckten Fläche ist und die über deckte Fläche proportional zur Lage des Impulsgebers längs der X-Achse ist (wobei die Lage des Impulsgebers längs der Y-Achse konstant bleibt), ist die Ausgangsspannung V_AUS ebenso direkt proportional zur Lage des Impulsgebers längs der X-Achse.

Jedoch kann es viele Anwendungen geben, die zweidimensionale Lagesen soren erfordern. Wahrscheinlich ist die bekannteste Anwendung dieser Art die allgegenwärtige Computer-Maus, die eine gummiüberzogene Kugel, zwei Walzen und zwei Positionscodierer verwendet. Einen zweidimensio nalen Lagesensor, der MW-Elemente verwendet, kann man sich als einen MW-Chip vorstellen, der aus einer Überlagerung zweier rechtwinklig ange ordneter MW-Schichten besteht, wobei jede Schicht aus zwei MW-Elemen ten gebildet ist. Unglücklicherweise sind zweischichtige MW unpraktisch, und das Chip-Muster würde tatsächlich auf eine aus vier unabhängigen MW-Elementen bestehenden Schicht reduziert werden, die die Verwen dung von aktiven Bauteilen, wie Operationsverstärker, zur Realisierung eines zweidimensionalen Lagesensors erforderte.

Dementsprechend wird in der Technik eine Lösung des Problems der Be reitstellung eines MW-Chips für einen zweidimensionalen Lagesensor be nötigt, der nicht notwendigerweise die Verwendung aktiver Bauteile erfor dert.

Die vorliegende Erfindung ist ein MW-Chip und ein Aktualisierungs schaltkreis für diesen, durch die mehrere einzelne MW-Elemente derart eingerichtet und konfiguriert sind, daß ein zweidimensionaler Lagesensor erzeugt ist, der nicht notwendigerweise die Verwendung aktiver Bauteile erfordert.

Strukturell ist die vorliegende Erfindung aus einem MW-Chip gebildet, der aus einer Anzahl miteinander verschachtelter MW-Elemente besteht, wo bei jedes MW-Element aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten, gera den Segmenten besteht, die jeweils durch ein magnetempfindliches Mate rial gekennzeichnet sind, auf dem eine Vielzahl von leitenden Kurzschluß bügeln in regelmäßig beabstandeten Intervallen entlang desselben abge schieden ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er findung sind die Segmente aus einer Epitaxiefilm-Mesa-Struktur aus In diumantimonid (InSb) gebildet, und die leitenden Kurzschlußbügel sind aus auf dieser abgeschiedenen Goldbügeln gebildet. Die Enden der Seg mente jedes MW-Elements sind durch leitfähige Brücken, vorzugsweise aus Gold, in Reihe geschaltet. Die Techniken zur Herstellung der MW- Elemente sind in US-Patent 5 153 557, das am 6. Oktober 1992 veröffent licht wurde, und US Patent 5 184 106, das am 2. Februar 1993 veröffent licht wurde, ausgeführt, wobei beide Patente dem Inhaber dieser Anmel dung gehören und hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen sind.

Bei dem MW-Chip gemäß der bevorzugten Ausführungsform des zweidi mensionalen Lagesensors der vorliegenden Erfindung sind vier MW-Ele mente vorgesehen, wobei jedes MW-Element eine Gestalt einer rechtwink ligen Schlangenlinie aufweist. Ein erster MW-Sensor ist aus zwei MW-Ele menten gebildet, die diametral längs einer ersten Achse gegenübergestellt sind, und ein zweiter MW-Sensor ist aus den restlichen beiden MW-Ele menten gebildet, die diametral längs einer zweiten, rechtwinkligen Achse gegenübergestellt sind.

Jedes MW-Element ist mit beiden MW-Elementen des anderen MW-Sen sors verschachtelt, so daß jeder MW-Sensor elektrisch unabhängig und rechtwinklig in bezug auf den anderen MW-Sensor orientiert ist. Dement sprechend erfaßt ein MW-Sensor, der aus zwei MW-Elementen besteht, eine Lage längs einer ersten Achse, und der andere MW-Sensor, der aus den beiden anderen MW-Elementen besteht, erfaßt eine Lage längs einer zweiten Achse, die rechtwinklig zur ersten Achse liegt, worauf ein elektro nischer Schaltkreis, der aus passiven Bauteilen besteht (d. h. Operations verstärker sind nicht erforderlich), angewandt wird, wie es analog für den eindimensionalen Sensor von Fig. 2 vorgenommen wird.

Die Verschachtelung der MW-Elemente kann mit anderen Geometrien als die Form einer rechtwinkligen Schlangenlinie bewerkstelligt werden. Es ist bevorzugt, daß die MW-Elemente aneinander angepaßt sind, und daß die Geometrie der Verschachtelung der MW-Elemente derart ist, daß die Grö ße der Zunahme des Widerstandes des einen MW-Elements gleich der Größe der Abnahme des Widerstandes des anderen MW-Elements ist, je doch ist dies nicht wesentlich. Es kann von Fachleuten ein passender Schaltungsentwurf mit geeigneten empirisch oder theoretisch bestimmten Gewichtungsfaktoren zum Ausgleich von MW-Element-Fehlanpassung und Verschachtelungsgeometrien auf der Grundlage der in der vorliegen den Offenbarung ausgeführten Prinzipien angewandt werden.

Es ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Chip mit verschachtelten MW zu schaffen, der einen zweidimensionalen MW- Lagesensor bereitstellt.

Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, einen zweidimen sionalen Lagesensor zu schaffen, der nicht notwendigerweise die Verwen dung aktiver Bauteile erfordert.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be schrieben, in dieser zeigt:

Fig. 1 einen eindimensionalen MW-Sensor nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine elektronische Schaltung nach dem Stand der Technik zum Aktualisieren des eindimensionalen MW-Sensors von Fig. 1,

Fig. 3 ein Beispiel der bevorzugten Ausführungsform eines MW- Chips eines zweidimensionalen MW-Lagesensors gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3A eine Detailansicht eines MW-Elements des MW-Chips bei Kreis 3A von Fig. 3,

Fig. 4 einen elektronischen Schaltkreis zum Aktualisieren des zwei dimensionalen MW-Lagesensors längs einer ersten Achse, und

Fig. 5 einen elektronischen Schaltkreis zum Aktualisieren des zwei dimensionalen MW-Lagesensors längs einer zweiten, recht winkligen Achse.

Nun den Fig. 3 bis 5 zugewandt, ist in diesen ein Beispiel der bevorzugten Ausführungsform des zweidimensionalen MW-Lagesensors 100 gemein sam durch die Fig. 4 und 5 gezeigt, wobei die Fig. 3 und 3A einen bevor zugten MW-Chip 102 desselben zeigen und die Fig. 4 und 5 gemeinsam dessen Schaltung zur Realisierung zeigen. Die Einfügung von Fig. 3 zeigt ein kartesisches Koordinatensystem 104 mit einer A-Achse, eine recht winkligen B-Achse und einem Ursprung 106, wobei das kartesische Koor dinatensystem derart über den MW-Chip 102 gelegt ist, daß der Ursprung 106 in der Mitte des MW-Chips liegt, die A-Achse längs der Linie A-A liegt und die B-Achse längs der Linie B-B liegt.

Nach Fig. 3 besteht der MW-Chip 102 aus mehreren verschachtelten MW- Elementen, wobei jedes MW-Element an die anderen MW-Elemente ange paßt ist. Es gibt vier MW-Elemente, die in Fig. 3 gezeigt sind: MW1', MW2', MW1'' und MW2'', die jeweils Widerstände R_MW', R_MW2', R_MW1' bzw R_MW2' aufweisen, die sich mit einer Veränderung des Magnetfelds verändern. Gemäß der in Fig. 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist jedes MW-Element aus einer Anzahl von geraden Segmenten 115 gebildet, die aus mehreren MW-Zellen 108 gebildet sind, die durch Kurzschlußbügel 110 abgegrenzt sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung sind die Segmente 115 aus Epitaxiefilm-Mesa-Strukturen aus Indiumantimonid (InSb) gebildet, und die Kurzschlußbügel 110, die die MW-Zellen 108 abgrenzen, sind vorzugsweise aus auf diesen abge schiedenen Goldbügeln gebildet. Die Enden benachbarter Segmente 115 jedes MW-Elements sind durch leitfähige Brücken 117, die vorzugsweise aus Gold gebildet sind, in Reihe geschaltet, und Leitungen 119, die vor zugsweise auch aus Gold gebildet sind, sind von jedem MW-Element bis zu seinen jeweiligen Bondingflächen (oder Anschlüssen) vorgesehen.

Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird ein Indiumantimo nid-Epitaxiefilm gebildet, dann maskiert und geätzt, um dadurch die vor stehend erwähnten Mesa-Strukturen zu schaffen, die die Segmente 115 kennzeichnen. Die Kurzschlußbügel 110 werden auf diese abgeschieden, wobei die InSb-Mesa-Strukturen, die nicht von den Kurzschlußbügeln be deckt sind, die MW-Zellen 108 bereitstellen. Die Techniken zum Herstellen der MW-Elemente sind in US-Patent 5 153 557, das am 6. Oktober 1992 veröffentlicht wurde, und US-Patent 5 184 106, das am 2. Februar 1993 veröffentlicht wurde, ausgeführt, wobei beide Patente dem Inhaber dieser Anmeldung gehören und hierin durch die obige Bezugnahme mit einge schlossen sind.

Wie man es aus Fig. 3 klar erkennen kann, enden die Endpunkte des MW- Elements MW1' an einem ersten Anschluß (Bondingfläche) 112 und einem zweiten Anschluß (Bondingfläche 114). Die Endpunkte des MW-Elements MW2' enden an einem dritten Anschluß (Bondingfläche) 116 und einem vierten Anschluß (Bondingfläche) 118. Die Endpunkte des MW-Elements MW1'' enden an einem fünften Anschluß (Bondingfläche) 120 und einem sechsten Anschluß (Bondingfläche) 122. Die Endpunkte des MW-Elements MW2'' enden an einem siebten Anschluß (Bondingfläche) 124 und einem achten Anschluß (Bondingfläche) 126.

Dadurch sind zwei MW-Sensoren gebildet, die jeweils aus diametral ge genübergestellten MW-Elementen längs jedem der beiden zueinander rechtwinkligen Achsen A, B zusammengesetzt sind, und zwar ein erster MW-Sensor 128, der aus MW-Elementen MW1' und MW2' gebildet ist, und ein zweiter MW-Sensor 130, der aus MW-Elementen MW1'' und MW2'' ge bildet ist. Jedes MW-Element ist mit beiden MW-Elementen des anderen MW-Sensors derart verschachtelt, daß jeder MW-Sensor elektrisch unab hängig und rechtwinklig in bezug auf den anderen MW-Sensor orientiert ist. Dementsprechend besteht der erste MW-Sensor 128 aus MW-Elemen ten MW1' und MW2' und erfaßt eine Lage längs der A-Achse (Linie A-A) über den elektrischen Schaltkreis von Fig. 4, und der zweite MW-Sensor 130 besteht aus MW-Elementen MW1'' und MW2'' und erfaßt eine Lage längs der B-Achse (Linie B-B) über den elektrischen Schaltkreis von Fig. 5. Vorzugsweise ist die Verschachtelung durch ein Muster einer rechtwinkli gen Schlangenlinie (meanderndes Muster) vorgesehen, wie es in Fig. 3 ge zeigt ist. Die Verschachtelung als rechtwinklige Schlangenlinie und An passung der MW-Elemente MW1', MW2', MW1'' und MW2'' stellt den MW- Chip 102 des zweidimensionalen MW-Lagesensors 100 bereit.

Wenn nun die Aufmerksamkeit dem ersten MW-Sensor 128 zugewandt wird, ist das MW-Element MW1' analog MW1 von Fig. 1, und MW-Element MW2' ist analog MW2 von Fig. 1, wobei die A-Achse (Linie A-A) analog der X-Achse von Fig. 1 ist. Der erste Anschluß 112 ist analog dem ersten An schluß 16 der Fig. 1 und 2, der dritte Anschluß 116 ist analog dem dritten Anschluß 20 der Fig. 1 und 2, und die Verbindung des zweiten Anschlus ses 114 mit dem vierten Anschluß 118 ist analog dem zweiten Anschluß 18 der Fig. 1 und 2.

Im Betrieb ist ein beweglicher Impulsgeber aus magnetischem Material 132 gewöhnlich einen Bruchteil eines Millimeters über dem MW-Chip 102 aufgehängt, wobei der Impulsgeber die Form eines Permanentmagneten aufweist, wenn der MW-Chip nicht durch ein äußeres Magnetfeld vorma gnetisiert wird, oder die Form eines ferromagnetischen Materials aufweist, wenn der MW-Chip durch ein äußeres Magnetfeld vormagnetisiert wird. Wenn der Impulsgeber 132 dann längs der A-Achse (Linie A-A) bewegt wird, ist die Wirkung auf den Widerstand des MW-Elements analog derje nigen, die zuvor für die Fig. 1 und 2 beschrieben wurde.

Wenn beispielsweise der MW-Chip 102 nicht durch ein äußeres Magnet feld vormagnetisiert wird, weist der Impulsgeber 132 die Form eines Per manentmagneten auf, und die jeweiligen MW-Zellen 108 von MW-Element MW1' bzw. MW-Element MW2', die sich unter dem Impulsgeber befinden, sind einem beträchtlich stärkeren Magnetfeld als die jeweiligen MW-Zellen der MW-Elemente MW1' bzw. MW2' ausgesetzt, die sich nicht unter dem Impulsgeber befinden. Je mehr MW-Zellen des MW-Elements MW1' oder des Elements MW2' jeweils von dem Impulsgeber überdeckt sind, desto größer ist somit der jeweilige Widerstand des MW-Elements MW1' oder des MW-Elements MW2'. Wenn die Mitte des Impulsgebers 132 mit dem Ur sprung 106 zusammenfällt, dessen Koordinaten mit der Mitte des MW- Chips 102 ausgerichtet sind, sind die Anzahlen der von dem Impulsgeber überdeckten MW-Zellen 108 des MW-Elements MW1' und des MW-Ele ments MW2' gleich. Somit ist der Widerstand R_MW1' des MW-Elements MW1' gleich dem Widerstand R_MW2' des MW-Elements MW2', da das MW- Element MW1' an das MW-Element MW2' angepaßt ist.

Sobald der Impulsgeber 132 beispielsweise längs der positiven A-Achse entsprechend einer Bewegung von links nach rechts in Fig. 3 längs der Linie A-A bewegt wird, ist die Anzahl der von dem Impulsgeber überdeck ten MW-Zellen 108 des MW-Elements MW1' kleiner als die Anzahl der von dem Impulsgeber überdeckten MW-Zellen des Elements MW2'. Entspre chend nimmt der Widerstand R_MW2' des MW-Elements MW2' zu, während der Widerstand R_MW1' des MW-Elements MW1' abnimmt. Ein passend konstruierter, elektrischer Schaltkreis, wie er unten diskutiert und in Fig. 4 gezeigt ist, verarbeitet diese Änderung des Widerstandes und erzeugt ei ne Ausgangsspannung, die eine lineare Funktion der Lage des Impulsge bers 132 in Relation zu dem MW-Chip 102 ist.

Wenn nun die Aufmerksamkeit dem Schaltkreis zur Realisierung von Fig. 4 zugewandt wird, ist der erste Anschluß 112 des Elements MW1' mit dem positiven Anschluß 134 einer Konstantspannungsquelle +V'_EIN verbunden, wohingegen der dritte Anschluß 116 des MW-Elements MW2' mit Masse 136 verbunden ist. Die Widerstände R1' und R2' weisen vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, den gleichen Wert auf. V'_AUS wird in bezug auf die Ausgangsanschlüsse 138, 140 gemessen. Wenn die Widerstände R1' und R2' den gleichen Wert aufweisen, kann V'_AUS als Strom I'_MW aus gedrückt werden, der durch MW1' und MW2' und die Widerstände R_MW1' und R_MW2' von jedem der MW-Elemente MW1' und MW2' fließt, als:
V'_AUS = (I'_MW/2) (R_MW2-R_MW1), wobei I'_MW = V'_EIN/(R_MW2' + R_MW1').

Die Bewegung des Impulsgebers 132 längs nur der A-Achse (Linie A-A) er höht den Widerstand des einen MW-Elements und verringert den Wider stand des anderen MW-Elements. Aufgrund der Anpassung der MW- Elemente MW1', MW2' und der Geometrie der Verschachtelung der MW- Elemente ist jedoch die Größe der Zunahme des Widerstandes des einen MW-Elements vorzugsweise gleich der Größe der Abnahme des Wider standes des anderen MW-Elements, wodurch bewirkt wird, daß der Ge samtwiderstand (R_MW2' + R_MW1') konstant bleibt, wodurch der Strom I'_MW ebenfalls konstant bleibt.

Somit ist die Ausgangsspannung V'_AUS direkt proportional zur Differenz der Widerstände von MW-Element MW2' und MW-Element MW1' und ist deshalb eine lineare Funktion von (R_MW2'-R_MW1'). Da der Widerstand jedes MW-Elements proportional zur Anzahl der von dem Impulsgeber 132 überdeckten MW-Zellen 108 ist und die Anzahl von überdeckten MW- Zellen proportional zur Lage des Impulsgebers längs der A-Achse (Linie A- A) ist, wobei die Lage des Impulsgebers in bezug auf die B-Achse (Linie B- B) konstant bleibt, ist entsprechend die Ausgangsspannung V'_AUS ebenso direkt proportional zur Lage des Impulsgebers längs der A-Achse (Linie A- A).

Wenn nun die Aufmerksamkeit dem zweiten MW-Sensor 130 zugewandt wird, ist MW-Element MW1'' analog MW1 von Fig. 1, MW-Element MW2'' ist analog MW2 von Fig. 1, und die B-Achse ist analog X von Fig. 1 (die X- Achse von Fig. 1 war die Bewegungsachse des Impulsgebers). Der sechste Anschluß 122 ist analog dem ersten Anschluß 16 der Fig. 1 und 2, der achte Anschluß 126 ist analog dem dritten Anschluß 20 der Fig. 1 und 2, und die Verbindung des fünften Anschlusses 120 mit dem siebten An schluß 124 ist analog dem zweiten Anschluß 18 der Fig. 1 und 2.

Wenn der kleine, sich bewegende Impulsgeber 132, wie er vorstehend be schrieben ist, über dem MW-Chip 102 aufgehängt ist, wie es vorstehend beschrieben ist, und dann längs der B-Achse (d. h. längs der Linie B-B) bewegt wird, ist die Wirkung auf den MW-Widerstand analog derjenigen, die zuvor für die Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben wurde.

Wenn beispielsweise der MW-Chip 102 nicht von einem äußeren Magnet feld vormagnetisiert wird, weist der Impulsgeber 132 die Form eines Per manentmagneten auf. Die MW-Zellen 108 des MW-Elements MW1'' und des MW-Elements MW2' unter dem Impulsgeber 132 sind einem beträcht lich stärkeren Magnetfeld als die MW-Zellen der MW-Elemente MW1'' und MW2'' ausgesetzt, die sich nicht unter dem Impulsgeber befinden. Je mehr MW-Zellen 108 der MW-Elemente MW1'' oder MW2'' von dem Impulsgeber überdeckt sind, desto größer ist somit jeweils der Widerstand von R_MW1' bzw. R_MW2' des MW Elements MW1'' oder des MW-Elements MW2''. Wenn die Mitte des Impulsgebers 132 mit dem Ursprung 106, dessen Koordina ten mit der Mitte des MW-Chips 102 ausgerichtet sind, zusammenfällt, sind die Anzahlen der von dem Impulsgeber überdeckten MW-Zellen 108 der MW-Elemente MW1'' und MW2'' gleich, und somit ist der Widerstand R_MW1' des MW-Elements MW1'' gleich dem Widerstand R_MW2' des MW- Elements MW2'', da MW-Element MW1'' an MW-Element MW2'' angepaßt ist.

Sobald der Impulsgeber 132 längs beispielsweise der positiven B-Achse gemäß einer Bewegung von oben nach unten in Fig. 3 längs Linie B-B be wegt wird, ist die Anzahl der von dem Impulsgeber überdeckten MW- Zellen 108 des MW-Elements MW1'' kleiner als die Anzahl der von dem Impulsgeber 132 überdeckten MW-Zellen des MW-Elements MW2''. Dem entsprechend nimmt der Widerstand R_MW2' des MW-Elements MW2'' zu, während der Widerstand R_MW1' des MW-Elements MW1'' abnimmt. Ein passend entworfener elektrischer Schaltkreis, der unten diskutiert und in Fig. 5 gezeigt ist, verarbeitet diese Änderung des Widerstandes und er zeugt eine Ausgangsspannung, die eine lineare Funktion der Lage des Im pulsgebers 132 relativ zum MW-Chip 102 ist.

Wenn nun die Aufmerksamkeit dem Schaltkreis zur Realisierung von Fig. 5 zugewandt wird, ist der sechste Anschluß 122 des MW-Elements MW1'' mit dem positiven Anschluß 142 einer Konstantspannungsquelle +V'' (die identisch mit +V' sein kann) verbunden, wohingegen der achte Anschluß 126 des Elements MW2'' mit Masse 144 (die identisch mit der Masse 136 sein kann) verbunden ist. Die Widerstände R1'' und R2'' weisen vorzugs weise, aber nicht notwendigerweise, den gleichen Wert auf. V''_AUS wird in bezug auf die Ausgangsanschlüsse 146, 148 gemessen.

Wenn die Widerstände R1'' und R2'' den gleichen Wert aufweisen, kann V''_AUS als der Strom I''_MW ausgedrückt werden, der durch die MW-Elemente MW1'' und MW2'' und die Widerstände R_MW1' und R_MW2' der MW-Elemente MW1'' und MW2'' fließt, als:
V''_AUS = (I''_MW/2) (R_MW2'-R_MW1'), wobei I''_MW = V''_EIN/R_MW2' + R_MW1').

Die Bewegung des Impulsgebers 132 längs nur der B-Achse (Linie B-B) erhöht den Widerstand des einen MW-Elements und verringert den Wider stand des anderen MW-Elements. Aufgrund der Anpassung der MW-Ele mente und der Geometrie der Verschachtelung der MW-Elemente ist je doch die Größe der Zunahme des Widerstandes des einen MW-Elements vorzugsweise gleich der Größe der Abnahme des Widerstandes des ande ren MW-Elements, wodurch bewirkt wird, daß der Gesamtwiderstand (R_MW2' + R_MW1') konstant bleibt, wodurch der Strom I''_MW ebenfalls kon stant bleibt.

Somit ist die Ausgangsspannung V''_AUS direkt proportional zur Differenz des Widerstandes der MW-Elemente MW2'' und MW1'' und ist deshalb eine lineare Funktion von (R_MW2'-R_MW1'). Da der Widerstand jedes MW-Ele ments proportional zur Anzahl der von dem Impulsgeber 132 überdeckten MW-Zellen 108 ist und die Anzahl der überdeckten MW-Zellen proportio nal zur Lage des Impulsgebers längs der B-Achse (Linie B-B) ist, wobei die Lage des Impulsgebers 132 längs der A-Achse (Linie A-A) konstant bleibt, ist infolgedessen die Ausgangsspannung V''_AUS ebenso direkt proportional zur Lage des Impulsgebers 132 längs der B-Achse (Linie B-B).

Als Schlußfolgerung stellen die rechtwinklig schlangen- oder serpentinen artige Verschachtelung der MW-Elemente MW1', MW2', MW1'' und MW2'' und die zugehörige Schaltung zur Realisierung dafür einen zweidimensio nalen MW-Lagesensor 100 mit den Eigenschaften der beiden MW-Senso ren bereit, wobei jeder der MW-Sensoren aus zwei MW-Elementen besteht, so daß jeder MW-Sensor elektrisch unabhängig und magnetisch recht winklig in bezug auf den anderen MW-Sensor ist. Dementsprechend be steht der erste MW-Sensor 128 aus zwei MW-Elementen MW1' und MW2' und erfaßt eine Impulsgeberlage längs der A-Achse (Linie A-A), während der zweite MW-Sensor 130 aus den restlichen beiden MW-Elementen MW1'' und MW2'' besteht und eine Impulsgeberlage längs der B-Achse (Li nie B-B) erfaßt, so daß ein elektronischer Schaltkreis, der aus passiven Bauteilen besteht, das einzige ist, was zur Realisierung benötigt wird (d. h., Operationsverstärker sind nicht erforderlich).

Die Verschachtelung der MW-Elemente MW1', MW2', MW1'' und MW2'' kann mit anderen Geometrien als die Gestalt einer rechtwinkligen Schlan genlinie, die in Fig. 3 gezeigt ist, bewerkstelligt werden. Beispielsweise kann abhängig vom Chip-Herstellungsverfahren eine dreieckige Ver schachtelung angewandt werden. Es ist bevorzugt, daß die MW-Elemente aneinander angepaßt sind und daß die Geometrie der Verschachtelung der MW-Elemente so kompakt wie möglich ist, so daß sich beispielsweise deren Breite dem Trennungsabstand zwischen ihnen annähert und folg lich die Größe der Zunahme des Widerstandes des einen MW-Elements gleich der Größe der Abnahme des Widerstandes des anderen MW- Elements ist, jedoch ist dies nicht wesentlich. Ein passender Schaltkreis entwurf mit geeigneten empirisch oder theoretisch bestimmten Gewich tungsfaktoren kann von Fachleuten angewandt werden, um eine MW- Element-Fehlanpassung und Verschachtelungsgeometrien auszugleichen, wobei als Anleitung die hierin bereitgestellte Offenbarung verwendet wird.

Es ist einzusehen, daß, während in der vorstehenden detaillierten Be schreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung Magnetwiderstände (MW) beispielhaft aufgeführt wurden, andere analoge Erfassungselemente, wie Hall-Elemente, als ein äquivalenter Er satz für diese verwendet werden können und allgemein als "magnetemp findliches Element" bezeichnet sind.

Die Erfindung betrifft zusammenfassend einen magnetempfindlichen Chip 102 und einen Aktualisierungsschaltkreis für diesen, durch die mehrere einzelne magnetempfindliche Elemente MW1', MW2', MW1'', MW2'' derart eingerichtet und konfiguriert sind, daß ein zweidimensionaler Lagesensor 100 erzeugt ist, der nicht die Verwendung aktiver Bauteile erfordert. Es sind vier MW-Elemente vorgesehen, wobei jedes MW-Element die Gestalt einer rechtwinkligen Schlangenlinie aufweist. Ein erster MW-Sensor 128 ist aus zwei MW-Elementen MW1', MW2' gebildet, die diametral längs ei ner ersten Achse A gegenübergestellt sind, und ein zweiter MW-Sensor 130 ist aus den restlichen beiden MW-Elementen MW1'', MW2'' gebildet, die diametral längs einer zweiten rechtwinkligen Achse B gegenüberge stellt sind. Jedes MW-Element ist mit den beiden MW-Elementen des an deren MW-Sensors verschachtelt, so daß jeder MW-Sensor elektrisch un abhängig und rechtwinklig in bezug auf den anderen MW-Sensor orien tiert ist. Dementsprechend erfaßt ein MW-Sensor 128, der aus zwei MW- Elementen MW1', MW2' besteht, eine Lage längs einer ersten Achse A, und der andere MW-Sensor 130, der aus den beiden anderen MW-Elementen MW1'', MW2'' besteht, erfaßt eine Lage längs einer zweiten Achse B, die rechtwinklig zur ersten Achse liegt. Die Verschachtelung der MW-Elemen te kann mit anderen Geometrien als die Form einer rechtwinkligen Schlangenlinie bewerkstelligt werden.

Claims

1. Chip (102) für einen zweidimensionalen Lagesensor (100), umfas send:
einen ersten magnetempfindlichen Sensor (128) mit einem er sten Paar diametral angeordneten, magnetempfindlichen Elementen (MW1', MW2') und
einen zweiten magnetempfindlichen Sensor (130) mit einem zweiten Paar diametral angeordneten, magnetempfindlichen Ele menten (MW1'', MW2''), wobei das erste und das zweite Paar ma gnetempfindliche Elemente rechtwinklig zueinander orientiert und ineinander verschachtelt sind, so daß das erste Paar magnetemp findliche Elemente von dem zweiten Paar magnetempfindliche Ele mente elektrisch unabhängig ist, und wobei die ersten und zweiten magnetempfindlichen Elemente im wesentlichen gleich vormagneti siert sind,
wobei der erste magnetempfindliche Sensor eine Bewegung ei nes Impulsgebers aus magnetischem Material (132) längs einer er sten Achse (A) erfaßt, und wobei der zweite magnetempfindliche Sensor eine Bewegung eines Impulsgebers aus magnetischem Mate rial längs einer zweiten Achse (B) erfaßt, die rechtwinklig zur ersten Achse liegt.

2. Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetempfindliche Element (MW1', MW2', MW1'', MW2'') eine Vielzahl von magnetempfindlichen Zellen (108) umfaßt.

3. Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Paar magnetempfindliche Elemente umfas sen:
ein erstes magnetempfindliches Element (MW1'),
ein zweites magnetempfindliches Element (MW2'), wobei das erste und das zweite magnetempfindliche Element diametral in be zug auf eine erste Achse (A) angeordnet sind,
ein drittes magnetempfindliches Element (MW1'') und
ein viertes magnetempfindliches Element (MW2''), wobei das dritte und das vierte magnetempfindliche Element diametral in be zug auf eine zweite Achse (B) angeordnet sind,
wobei die erste und die zweite Achse rechtwinklig zueinander liegen, und
wobei das erste und das zweite magnetempfindliche Element mit dem dritten und dem vierten magnetempfindlichen Element un abhängig verschachtelt sind, und das dritte und das vierte magnet empfindliche Element mit dem ersten und dem zweiten magnetemp findlichen Element unabhängig verschachtelt sind.

4. Chip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschachtelung die Form einer rechtwinkligen Schlangenlinie aufweist.

5. Chip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetempfindliche Element mehrere parallele Segmente (115) umfaßt, die durch leitfähige Brücken (117) in Reihe geschaltet sind, und daß die Verschachtelung kompakt ist.

6. Chip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetempfindliche Element (MW1', MW2', MW1'', MW2'') eine Vielzahl von magnetempfindlichen Zellen (108) umfaßt.

7. Chip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
jedes magnetempfindliche Element (MW1', MW2', MW1'', MW2'') mehrere parallele Segmente (115) umfaßt, die durch leitfähi ge Brücken (117) in Reihe geschaltet sind, und daß
die magnetempfindlichen Zellen (108) jedes Segments durch eine Vielzahl von auf diesen angeordneten, regelmäßig beabstande ten Kurzschlußbügeln (110) abgegrenzt sind.

8. Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschachtelung die Form einer rechtwinkligen Schlangenlinie aufweist.

9. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschachtelung kompakt ist.

10. Zweidimensionaler Lagesensor (100), umfassend:
einen ersten magnetempfindlichen Sensor (128) mit einem er sten Paar diametral angeordneten, magnetempfindlichen Elementen (MW1', MW2'), wobei der erste magnetempfindliche Sensor eine Be wegung eines Impulsgebers aus magnetischem Material (132) längs einer ersten Achse (A) erfaßt,
einen zweiten magnetempfindlichen Sensor (130) mit einem zweiten Paar diametral angeordneten, magnetempfindlichen Ele menten (MW1'', MW2''), wobei das erste und das zweite Paar magnet empfindliche Elemente rechtwinklig zueinander orientiert und in einander verschachtelt sind, so daß die ersten und zweiten magnet empfindlichen Elemente im wesentlichen gleich vormagnetisiert sind, wobei der zweite magnetempfindliche Sensor eine Bewegung eines Impulsgebers aus magnetischem Material längs einer zweiten Achse (B) erfaßt, die rechtwinklig zur ersten Achse liegt, und
ein Schaltkreismittel mit passiven Bauteilen (R1', R2', R1'', R2''), das mit dem ersten und dem zweiten magnetempfindlichen Sensor verbunden ist, um ein Signal bereitzustellen, das auf den er sten und den zweiten magnetempfindlichen Sensor anspricht, um eine Lage des Impulsgebers aus magnetischem Material in bezug auf diese zu erfassen, wobei das erste Paar magnetempfindliche Ele mente von dem zweiten Paar magnetempfindliche Elemente elek trisch unabhängig ist.

11. Lagesensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetempfindliche Element (MW1', MW2', MW1'', MW2'') eine Vielzahl von magnetempfindlichen Zellen (108) umfaßt.

12. Lagesensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Paar magnetempfindliche Elemente umfas sen:
ein erstes magnetempfindliches Element (MW1'),
ein zweites magnetempfindliches Element (MW2'), wobei das erste und das zweite magnetempfindliche Element diametral in bezug auf eine erste Achse (A) angeordnet sind,
ein drittes magnetempfindliches Element (MW1'') und ein viertes magnetempfindliches Element (MW2''), wobei das dritte und das vierte magnetempfindliche Element diametral in be zug auf eine zweite Achse (B) angeordnet sind,
wobei die erste und die zweite Achse rechtwinklig zueinander liegen, und
wobei das erste und das zweite magnetempfindliche Element mit dem dritten und dem vierten magnetempfindlichen Element un abhängig verschachtelt sind, und das dritte und das vierte magnet empfindliche Element mit dem ersten und dem zweiten magnetemp findlichen Element unabhängig verschachtelt sind.

13. Lagesensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschachtelung die Form einer rechtwinkligen Schlangenlinie aufweist.

14. Lagesensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetempfindliche Element (MW1', MW2', MW1'', MW2'') mehrere parallele Segmente (115) umfaßt, die durch leitfähige Brüc ken (117) in Reihe geschaltet sind, und daß die Verschachtelung kompakt ist.

15. Lagesensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetempfindliche Element (MW1', MW2', MW1'', MW2'') eine Vielzahl von magnetempfindlichen Zellen (108) umfaßt.

16. Lagesensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetempfindliche Element (MW1', MW2', MW1'', MW2'') mehrere parallele Segmente (115) umfaßt, die durch leitfähige Brüc ken (117) in Reihe geschaltet sind, wobei die magnetempfindlichen Zellen jedes Segments durch eine Vielzahl von auf diesen angeord neten, regelmäßig beabstandeten Kurzschlußbügeln (110) abge grenzt sind.

17. Lagesensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschachtelung die Form einer rechtwinkligen Schlangenlinie aufweist.

18. Lagesensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschachtelung kompakt ist.

19. Chip (102) für einen zweidimensionalen Lagesensor (100), umfas send:
einen ersten magnetempfindlichen Sensor (128) mit einem er sten Paar diametral angeordneten, magnetempfindlichen Elementen (MW1', MW2') und
einen zweiten magnetempfindlichen Sensor (130) mit einem zweiten Paar diametral angeordneten, magnetempfindlichen Ele menten (MW1'', MW2''), wobei das erste und das zweite Paar magnet empfindliche Elemente rechtwinklig zueinander orientiert und in einander verschachtelt sind, so daß das erste Paar magnetempfind liche Elemente von dem zweiten Paar magnetempfindliche Elemente elektrisch unabhängig ist, und wobei die ersten und zweiten ma gnetempfindlichen Elemente gleich vormagnetisiert sind,
wobei der erste magnetempfindliche Sensor eine Bewegung ei nes Impulsgebers aus magnetischem Material (132) längs einer er sten Achse (A) erfaßt, und wobei der zweite magnetempfindliche Sensor eine Bewegung eines Impulsgebers aus magnetischem Mate rial längs einer zweiten Achse, (B) erfaßt, die rechtwinklig zur ersten Achse liegt, und
wobei jedes magnetempfindliche Element eine Vielzahl von magnetempfindlichen Zellen (108) umfaßt.

20. Chip nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jedes magnetempfindliche Element (MW1', MW2', MW1'', MW2'') mehrere parallele Segmente (115) umfaßt, die durch leitfähige Brüc ken (117) in Reihe geschaltet sind, und daß die magnetempfindli chen Zellen (108) jedes Segments durch eine Vielzahl von auf diesen angeordneten, regelmäßig beabstandeten Kurzschlußbügeln (110) abgegrenzt sind.