DE10011176C2 - Zweidimensionaler Lagesensor mit magnetischem Widerstand - Google Patents
Zweidimensionaler Lagesensor mit magnetischem WiderstandInfo
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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 RMW eines MW modu
liert werden kann, indem die magnetische Flußdichte durch den MW hindurch
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 RMW1 von MW1 gleich dem Wider
stand RMW2 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
VEIN 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. VAUS wird in bezug auf
zwei Ausgangsanschlüsse 42, 44 gemessen.
Wenn die Widerstände R1 und R2 den gleichen Wert besitzen, kann VAUS
als der Strom IMW ausgedrückt werden, der jeweils durch MW1 und MW2
und die Widerstände RMW1 bzw. RMW2 von MW1 bzw. MW2 fließt, als:
VAUS = (IMW/2)(RMW2 - RMW1), wobei IMW = VEIN/(RMW2 + RMW1).
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
(RMW2 + RMW1) konstant bleibt, wodurch der Strom IMW ebenfalls konstant
bleibt.
Somit ist die Ausgangsspannung VAUS direkt proportional zur Differenz
des jeweiligen Widerstandes von MW2 und MW1 und ist deshalb eine li
neare Funktion von (RMW2 - RMW1). 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 VAUS 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 zweidimensionalen
Lagesensor, der MW-Elemente verwendet, kann man sich als einen
MW-Chip vorstellen, der aus einer Überlagerung zweier rechtwinklig
angeordneter MW-Schichten besteht, wobei jede Schicht aus zwei MW-
Elementen 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 Verwendung von aktiven Bauteilen, wie Operationsverstärker, zur
Realisierung eines zweidimensionalen Lagesensors erforderte.
Dementsprechend wird in der Technik eine Lösung des Problems der
Bereitstellung eines MW-Chips für einen zweidimensionalen Lagesensor
benötigt, der nicht notwendigerweise die Verwendung aktiver Bauteile
erfordert.
In DE 43 17 512 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Nullpunkt-,
Positions- und Drehwinkelmessung beschrieben, die ein Substrat mit
flächig verteilten, magnetoresistiven Sensoren aufweist. Vier oder acht
Paare jeweils paralleler magnetoresistiver Streifenleiter sind dabei in
gleichen Winkelabständen voneinander sternförmig angeordnet. Dabei
bilden zwei Paare von sich diametral gegenüberliegenden, in einem
gleichen Abstand von einem Zentrum und parallel angeordneten,
magnetoresistiven Streifenleitern einen Lagesensor für diese Richtung mit
einer Wheatstone-Brücke, wobei jeweils ein Paar eine Halbbrücke bildet.
In US 4 429 276 ist ein magnetoresistiver Meßaufnehmer zur Erfassung
einer Lageänderung durch eine lineare Bewegung oder eine Drehbewegung
relativ zu einem magnetischen Gitter beschrieben. Hierbei werden
nebeneinander angeordnete Sensoren verwendet, die jeweils
Anordnungen mit geraden, parallel angeordneten magnetoresistiven Strei
fen und diese verbindenden Leiterbahnen aufweisen und parallel ausge
richtet entlang einer Achse angeordnet sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen MW-Chip für einen zweidimensiona
len Lagesensor und einen solchen Lagesensor bereitzustellen, der nicht
notwendigerweise die Verwendung aktiver Bauteile erfordert.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine MW-Chip mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 sowie einen zweidimensionalen Lagesensor mit den Merkma
len des Anspruchs 7.
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,
wobei jedes MW-Element aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten,
geraden Segmenten besteht, die jeweils durch ein magnetempfindliches
Material gekennzeichnet sind, auf dem eine Vielzahl von leitenden
Kurzschlußbügeln in regelmäßig beabstandeten Intervallen entlang des
selben abgeschieden ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorlie
genden Erfindung sind die Segmente aus einer Epitaxiefilm-Mesa-
Struktur aus Indiumantimonid
(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 RMW1', RMW2', RMW1' bzw RMW2'
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 gezeigt
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 RMW1' des MW-Elements
MW1' gleich dem Widerstand RMW2' 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 RMW2' des MW-Elements MW2' zu, während
der Widerstand RMW1' 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 zugwandt 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 RMW1'
und RMW2' von jedem der MW-Elemente MW1' und MW2' fließt, als:
V'AUS = (I'MW/2)(RMW2' - RMW1'), wobei I'MW = V'EIN/(RMW2' + RMW1').
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 (RMW2' + RMW1') 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 (RMW2' - RMW1'). 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 RMW1'
bzw. RMW2' 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
RMW1' des MW-Elements MW1" gleich dem Widerstand RMW2' 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 RMW2' des MW-Elements MW2" zu,
während der Widerstand RMW1' 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 RMW1' und RMW2' der MW-Elemente
MW1" und MW2" fließt, als:
V"AUS = (I"MW/2) (RMW2' - RMW1'), wobei I"MW = V"EIN/RMW2' + RMW1').
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
(RMW2'' + RMW1'') 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 (RMW2'' - RMW1''). 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-Sensoren
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 (7)
1. Chip (102) für einen zweidimensionalen Lagesensor (100), umfas
send:
einen ersten magnetempfindlichen Sensor (128) mit einem ersten Paar diametral angeordneter, magnetempfindlicher Elemente (MW1', MW2') und
einen zweiten magnetempfindlichen Sensor (130) mit einem zweiten Paar diametral angeordneter, magnetempfindlicher Elemen te (MW1", MW2"), wobei das erste und das zweite Paar magnetemp findliche Elemente rechtwinklig zueinander orientiert sind,
wobei jedes der magnetempfindlichen Elemente des ersten Paars mit wenigstens einem entsprechenden magnetempfindlichen Element des zweiten Paars ineinander verschachtelt ist, so daß das erste Paar magnetempfindlicher Elemente von dem zweiten Paar magnetempfindlicher Elemente elektrisch unabhängig ist,
wobei die ersten und zweiten magnetempfindlichen Elemente im wesentlichen gleich vormagnetisiert sind, und
wobei der erste magnetempfindliche Sensor eine Bewegung ei nes Impulsgebers aus magnetischem Material (132) längs einer ers ten Achse (A) erfaßt, und wobei der zweite magnetempfindliche Sen sor eine Bewegung eines Impulsgebers aus magnetischem Material längs einer zweiten Achse (B) erfaßt, die rechtwinklig zur ersten Achse liegt.
einen ersten magnetempfindlichen Sensor (128) mit einem ersten Paar diametral angeordneter, magnetempfindlicher Elemente (MW1', MW2') und
einen zweiten magnetempfindlichen Sensor (130) mit einem zweiten Paar diametral angeordneter, magnetempfindlicher Elemen te (MW1", MW2"), wobei das erste und das zweite Paar magnetemp findliche Elemente rechtwinklig zueinander orientiert sind,
wobei jedes der magnetempfindlichen Elemente des ersten Paars mit wenigstens einem entsprechenden magnetempfindlichen Element des zweiten Paars ineinander verschachtelt ist, so daß das erste Paar magnetempfindlicher Elemente von dem zweiten Paar magnetempfindlicher Elemente elektrisch unabhängig ist,
wobei die ersten und zweiten magnetempfindlichen Elemente im wesentlichen gleich vormagnetisiert sind, und
wobei der erste magnetempfindliche Sensor eine Bewegung ei nes Impulsgebers aus magnetischem Material (132) längs einer ers ten Achse (A) erfaßt, und wobei der zweite magnetempfindliche Sen sor eine Bewegung eines Impulsgebers aus magnetischem Material 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 oder 2,
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.
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.
6. Chip nach Anspruch 2 und Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetempfindlichen Zellen (108) jedes Segments durch
eine Vielzahl von auf diesen angeordneten, regelmäßig beabstande
ten Kurzschlußbügeln (110) abgegrenzt sind.
7. Zweidimensionaler Lagesensor (100), umfassend
einen Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 6 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 Elemen te von dem zweiten Paar magnetempfindliche Elemente elektrisch unabhängig ist.
einen Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 6 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 Elemen te von dem zweiten Paar magnetempfindliche Elemente elektrisch unabhängig ist.
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