DE10113131A1

DE10113131A1 - Anordnung zur Messung der magnetischen Feldstärke oder von örtlichen Differenzen magnetischer Feldstärken

Info

Publication number: DE10113131A1
Application number: DE2001113131
Authority: DE
Inventors: Fritz Dettmann; Uwe Loreit; Joerg Traute
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2001-03-17
Filing date: 2001-03-17
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2021-03-18
Also published as: DE10113131B4

Abstract

Es wird eine Anordnung zur Messung der magnetischen Feldstärke oder von örtlichen Differenzen magnetischer Feldstärken mit magnetischen Winkelsensoren, die vorteilhaft in der potentialfreien Strommessung eingesetzt werden kann, beschrieben. Ein Winkelsensor befindet sich in einem bekannten Magnetfeld, dessen Richtung mit der Vorzugsrichtung des Sensors übereinstimmt. Das zu messende Feld steht dazu senkrecht. Es ist so zum Tangens des Winkels des gesamten Magnetfeldes und zum bekannten Feld proportional. Der Tangens des Winkels gegen die Vorzugsrichtung wird als Quotient des Sinussignals und des Kosinussignals des Winkelsensors gebildet. Die Ausgangssignale der Anordnung sind linear und temperaturunabhängig. Für die Strommessung werden Differenzwinkelsensoren vorgeschlagen, die Störfelder unterdrücken. Eine neue Auswerteschaltung für die Sensorsignale ist mit geringem Aufwand realisierbar und für hohe Meßgeschwindigkeit geeignet.

Description

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Magnetfeldmessung und Magnetfeldgradienten messung einsetzbar. In der modernen Meßtechnik gibt es eine ganze Reihe von Größen, die auf Magnetfelder oder Magnetfeldgradienten zurückgeführt oder in solche umgewandelt werden können. Besonderes Gewicht hat im Fall der vorliegenden Erfindung dabei die po tentialfreie Strommessung.

Die bekannten Magnetfeldsensoren, die mit einer Technologie, die der in der Halbleiterferti gung angewendeten zumindest ähnlich ist, hergestellt werden können und die damit kosten günstig verfügbar sind, weisen mehr oder weniger starke Nichtlinearitäten in ihren Kennlinien auf und liefern in allen Fällen Signale mit solchen Temperaturabhänigkeiten, daß aufwendige Maßnahmen zum Erreichen einer guten Meßgenauigkeit getroffen werden müssen. In den Patentschriften DE 43 00 605 und DE 44 36 876 werden Sensoren auf der Basis des ma gnetoresistiven Effektes beschrieben, die bei hoher Sensorempfindlichkeit und Anordnung als Magnetfeldgradientensensor dadurch zur Linearität und zur Temperaturunabhängigkeit der Meßergebnisse kommen, daß im Sensorchip Dünnschichtstromleiter integriert sind, in die ein Strom eingespeist werden kann, der bei Benutzung einer Regelschaltung genau den Wert annimmt, bei dem das Magnetfeld dieses Stromes die zu messenden Felder aufhebt. Die magnetoresistiven Sensoren wirken nur als Nullinstrument. Linearität und Temperatur unabhängigkeit sind hundertprozentig gewährleistet. Ein Nachteil bei der Anwendung solcher Sensoren für den Kompensationsbetrieb liegt darin, daß für die Kompensation der zu mes senden Magnetfelder relativ hohe Ströme benötigt werden. Erstens ist ein bestimmter Auf wand an elektronischen Bauelementen zu betreiben, um die Ströme im Bereich bis zu 100 mA geregelt bereitzustellen. Zweitens erreichen oder überschreiten diese Ströme die Migrationsfestigkeit des im Chip integrierbaren Leitermaterials, was zur wesentlichen Be grenzung der Lebensdauer führt. Drittens wird auf dem Chip eine erhebliche Wärmeleistung erzeugt, wodurch der Einsatztemperaturbereich merklich eingeschränkt und die Driften der Offsets der Sensoren und der Verstärkerelemente so erhöht werden, daß eine Einschrän kung der Meßgenauigkeit nicht verhindert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Anordnungen zur Messung von Magnetfeldern und von Magnetfeldgradienten anzugeben, deren Ausgangssignal linear mit der Feldstärke oder der Feldstärkedifferenz ansteigt und nicht von der Temperatur abhängig ist, obwohl die Sen sorkennlinien nichtlinear und temperaturabhängig sind. Für die Anwendbarkeit dieser Anord nungen in der potentialfreien Strommessung sind dieselben Eigenschatten zu sichern.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den Anspruch 1 für die Magnetfeld- und Magnetfelddif ferenzmessung und durch den Anspruch 36 für die potentialfreie Strommessung gegeben. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Zur Messung der magnetischen Feldstärke oder der Differenz der Magnetfeldstärke zwi schen zwei Orten im Raum befinden sich magnetische Sensoren in einem bekannten Ma gnetfeld, das mit dem zu messenden Feld einen Winkel bildet. Die Ausgangssignale der ma gnetischen Sensoren sind durch den Winkel zwischen dem gesamten Magnetfeld und einer Vorzugsrichtung bestimmt. Die Vorzugsrichtung kann mit der Richtung des bekannten Fel des übereinstimmen. So nimmt mit Ansteigen des zu messenden Feldes der Winkel des aus der Summe des bekannten Feldes und des zu messenden Feldes gebildeten gesamten Ma gnetfeldes ständig zu, und es ist eine eindeutige Bestimmung des gesuchten Feldstärke wertes gewährleistet.

Üblicherweise enthalten magnetische Winkelsensoren zwei Sensorelemente, deren Aus gangssignal sinusförmig vom Winkel abhängig sind und die gegeneinander um ein Viertel der Periodenlänge phasenversetzt sind, so daß ein Sinus- und ein Kosinussignal vorliegen. Durch die Bildung des Quotienten aus beiden Signalen wird der Tangens erhalten. Stimmt die Vorzugsrichtung, gegen die der Winkel des gesamten Magnetfeldes mit den magneti schen Sensoren gemessen wird, mit der Richtung des bekannten Magnetfeldes überein, dann entspricht das Verhältnis der Feldstärke des zu messenden Feldes zur Stärke des be kannten Feldes ebenfalls dem Tangens des Winkels. Die Stärke des zu messenden Feldes ergibt sich also aus dem Quotienten der beiden Signale der Elemente des magnetischen Winkelsensors multipliziert mit der Stärke des bekannten Magnetfeldes. Da die Tempera turabhängigkeiten der Signale der Sensorelemente lediglich in den Amplituden enthalten sind, entfällt diese durch die Quotientenbildung. Damit ist sowohl die Linearität als auch die Temperaturunabhängigkeit des Meßergebnisses gesichert.

Das bekannte Magnetfeld kann durch einen Strom in einem in der Nähe des magnetischen Sensors befindlichen Leiters erzeugt werden. Damit sind durch Auswahl bestimmter Ströme in einfacher Weise unterschiedliche bekannte Magnetfeldstärken einstellbar, die den jeweili gen Meßbereich festlegen. Die Leiter, in denen der das bekannte Magnetfeld erzeugende Strom fließt, können vorteilhafterweise in einer zusätzlichen Schicht aus Leitermaterial auf dem Sensorchip integriert hergestellt sein. Damit ist die genaue Ausrichtung des bekannten Magnetfeldes in der Vorzugsrichtung des Winkelsensors von vornherein gegeben.

Eine einfache und wenig aufwendige Möglichkeit bei festem Meßbereich besteht in der Nut zung des Feldes eines Dauermagneten. Hier werden vorzugsweise AlNiCo-Magnete mit ge ringem Temperaturkoeffizienten der Remanenz oder SmCo-Magnete eingesetzt, die eben falls geringe Temperaturkoeffizienten der Remanenz und hohe Stabilität gegen hohe Stör feldstärken aufweisen.

Für die Anordnung sind unterschiedliche magnetische Winkelsensoren geeignet. Werden beispielsweise Winkelsensoren auf der Basis des GMR-Effektes genutzt, die aus Spin-Valve- Schichtsystemen bestehen, so sind die Ausgangssignale der beiden Sensorelemente durch den Sinus und durch den Kosinus des Winkels zwischen der anliegenden Magnetfeldrich tung und der Vorzugsrichtung gegeben. In der Auswerteeinheit muß nur noch die Quotien tenbildung vorgenommen werden.

Winkelsensoren auf der Basis des AMR-Effektes liefern zwar auch sinus- und kosinusförmi ge Ausgangssignale, allerdings vom doppelten Winkel zwischen der Magnetfeld- und der Vorzugsrichtung. Mit der Beziehung

ist es jedoch einfach, in der Auswerteeinheit aus dem Sinus- und Kosinuswert des doppelten Winkels den Tangens des Winkels zu bilden, der proportional zum zu messenden Magnet feld ist. Da das Ergebnis der Gleichung (1) von der Signalamplitude A abhängig ist, die sich aber im Betrieb des Sensors beispielsweise durch Temperaturschwankungen verändern kann, ist es vorteilhaft, statt der Gleichung (1) die daraus abgeleitete Beziehung

und S_w1 = -S_w ^-1 für U_cos < 0 (2)

zu benutzen. Dabei ist U_sin die Ausgangsspannung der Sinusbrücke und U_cos die Ausgangs spannung der Kosinusbrücke des AMR-Winkelsensors. Führt die Auswerteeinheit die mit Gleichung (2) vorgeschriebene Berechnung durch, kann die Auswertung auch mit AMR- Sensoren bis zu einem Winkel, der bis zu 90° von der Vorzugsrichtung der Winkelsensoren abweicht, durchgeführt werden und es liegt keine Beschränkung für das maximal meßbare Feld vor.

Die Auswerteschaltung, die aus den vom Winkelsensor gelieferten Spannungen des Sinus sensors und des Kosinussensors eine zum Tangens des Winkels und damit zum zu mes senden Magnetfeld proportionale Ausgangsspannung bildet, kann eine einfache Regel schaltung sein. Das Signal des Kosinussensors wird einem Regelverstärker zugeführt, des sen Ausgang die gemeinsame Betriebsspannung für den Sinus- und den Kosinussensor be stimmt. Wird der Wert des Signals des Kosinussensors ohne zu messendes Feld als fester Ausgangswert des Kosinussensors vorgegeben, dann wird sich mit steigendem Meßfeld und Winkelwert β eine Betriebsspannung ergeben, die mit (cos β)^-1 ansteigt. Da der Betriebs spannungsanstieg auch für den Sinussensor gilt, erhält man an dessen Ausgang ein zum tanβ = sinβ.(cosβ)^-1 proportionales Signal, das auch zum zu messenden Magnetfeld proportional ist. Die Auswertung ist so mit geringem Aufwand bei hoher Geschwindigkeit reali sierbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Regelschaltung bei Verwendung von magnetoresisti ven Sensorbrücken, die einen Regelverstärker zum Konstanthalten der Ausgangsspannung des Kosinussensors durch Regelung der positiven Sensorbrückenspannung, einen Span nungsteiler und einen Spannungsfolger zur Einstellung der halben Betriebsspannung, einen Symmetrierverstärker zur Erzeugung der gegenüber der halben Betriebsspannung negativen Sensorbrückenspannung und einen Ausgangsverstärker am Ausgang des Sinussensors zur Einstellung eines Eichfaktors benötigt, benötigt nur eine Betriebsspannung. Sie ist mit wenig Aufwand, der aus einem Vierfach-OP und sechs Widerständen besteht, realisierbar.

Zur Messung der Differenz der Feldstärke in zwei Punkten können zwei magnetische Win kelsensoren verwendet werden, deren Vorzugsrichtung mit der Richtung des bekannten Ma gnetfeldes übereinstimmt. Der Differenzfeldwert wird dann als Differenz der einzeln be stimmten Feldstärken ermittelt. Bei Einsatz von magnetoresistiven Sensorbrücken kann man vorteilhafterweise am Ort des ersten Punktes jeweils einen Teil der Brückenwiderstände der Sinusbrücke und der Kosinusbrücke anordnen und den zweiten gleich großen Teil der bei den Brücken am Ort des zweiten Punktes. Zur Bildung des Ausgangssignales in der Aus werteeinheit werden die Signale an den Ausgängen dieser Differenzbrücken benutzt. Die Ausgangssignale der beiden Differenzbrücken können zur Ermittlung der Magnetfelddiffe renz genau so in der Auswerteeinheit verarbeitet werden wie die Signale bei der Messung eines Feldes. Bei Anwendung eines Differenzwinkelsensors mit Spin-Valve-Schichten als Brückenwiderständen kann wieder die oben beschriebene Regelschaltung mit Vorteil einge setzt werden. Für die Feldstärken, deren Differenz mit dieser Anordnung bestimmt werden kann, gibt es bezüglich der Linearität der Anzeige jedoch Einschränkungen. Ohne Berück sichtigung dieser Einschränkungen können nur die Differenzen von Feldstärken bestimmt werden, die den Winkel des gesamten Feldes gegen das bekannte Feld um weniger als etwa 20° verdrehen.

Diese Einschränkung der Linearität des ermittelten Ausgangssignales entfällt jedoch für den Fall, daß die Feldstärken in den beiden Punkten genau entgegengesetzt gleich sind. Diesen Fakt kann man in der Anwendung der Differenzfeldmessung für die potentialfreie Strommes sung nutzen. Bei der Messung eines Stromes über das von ihm erzeugte Magnetfeld sind in jedem Fall Maßnahmen erforderlich, um die Einwirkung von magnetischen Störfeldern aus der Umgebung der Meßelemente auf die gemessene Stromstärke zu verhindern. Eine dieser Maßnahmen besteht darin, daß die durch den zu messenden Strom erzeugte Felddifferenz zwischen zwei im Abstand einer Basislänge angeordnete Sensororte bestimmt wird. Da die Basislänge sehr kurz im Vergleich mit dem Abstand zu magnetischen Störquellen wie Strö men oder Dauermagneten gewählt wird, ist die durch diese Störquellen bewirkte Feldstärkedifferenz gegenüber der vom zu messenden Strom erzeugte vernachlässigbar. Dazu muß der Stromleiter, der den zu messenden Strom führt, geeignet geformt sein. Eine solche ge eignete Form stellt beispielsweise eine Anordnung von zwei sich in parallelen Ebenen ge genüberstehenden Bandleitern gleicher Abmessung dar, die in gleicher Richtung vom Strom durchflossen werden, zwischen denen in der Mitte der Winkeldifferenzsensor positioniert ist. Eine andere vorteihafte Form des Stromleiters besteht in einem U-förmigen Bandleiter, des sen Schenkel möglichst nahe beieinander liegen und über denen sich der Winkeldifferenz sensor befindet.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Zur Beschreibung gehörende Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung im Überblick,

Fig. 2 einen Winkelsensor mit zwei Sensorelementen,

Fig. 3 ein Sensorelement eines anisotrop magnetoresistiven Winkelsensors,

Fig. 4 ein Sensorelement eines GMR-Winkelsensors,

Fig. 5 das Prinzip einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit,

Fig. 6 eine spezielle Ausführung der Auswerteeinheit,

Fig. 7 eine Differenzfeldmeßanordnung mit zwei Winkelsensoren,

Fig. 8 eine Anordnung eines Winkeldifferenzsensors,

Fig. 9 die Verwendung eines Winkeldifferenzsensors als Stromsensor und in

Fig. 10 eine andere Anordnung eines Stromsensors.

In Fig. 1 ist ein magnetischer Sensor 1 mit zwei Sensorelementen 4; 5 und einer Vorzugs richtung 2 dargestellt. Die Ausgangssignale 6; 7 der Sensorelemente 4; 5, die der Auswerte einheit 3 zugeführt werden, sind periodische Funktionen des Winkels β zwischen der Vor zugsrichtung 2 und der insgesamt auf die Sensorelemente 4; 5 einwirkenden magnetischen Feldstärke. Ein bekanntes Magnetfeld H_b gleicher Stärke und gleicher Richtung liegt an bei den Sensorelementen 4; 5 an. Es wird von einem Dauermagneten 11 mit Nordpol N und Südpol S erzeugt. Die Richtung des bekannten Magnetfeldes H_b am Ort der Sensorelemente 4; 5 ist parallel zur Vorzugsrichtung des magnetischen Sensors 1. Die Richtung des zu mes senden Magnetfeldes H bildet mit der Richtung des bekannten Magnetfeldes einen Winkel von 90°. Damit ist wegen der Beziehung

H = H_b.tanβ (3)

neben der bekannten Feldstärke H_b nur der Tangens des Winkels β aus den Meßwerten des magnetischen Sensors 1 zu ermitteln. Die Sensorelemente 4; 5 liefern Ausgangssignale 7; 6, die sinusförmig bezüglich ihrer Abhängigkeit vom Winkel β zwischen der Richtung des be kannten Magnetfeldes H_b und des sich aus der Vektorsumme des bekannten Feldes H_b und des zu messenden Feldes H ergebenden gesamten Magnetfeldes H_g sind. Die beiden Sen sorelemente 4; 5 sind völlig gleich aufgebaut. Zwischen den beiden Signalen 7; 6 der Sensorelemente 4; 5 gibt es jedoch einen Phasenunterschied, der zu 90° gewählt wurde. Dieser Phasenunterschied wird durch eine Verdrehung beider Sensorelemente gegeneinander er reicht, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt. Bei 90° Phasenversatz liefert das erste Sensor element 4 ein Ausgangssignal 7 U_sin = U₁.sinβ und das zweite Sensorelement 5 ein Aus gangssignal 6 U_cos = U₁.cosβ. In der Auswerteeinheit 3 wird der Quotient aus beiden Sen sorsignalen 7; 6 gebildet. Dabei entsteht ein Ausgangssignal 8, das dem tanß entspricht und damit der Stärke des zu messenden Feldes proportional ist. Da beide Sensorelemente 4; 5 gleich sind, sind die Amplituden der periodischen Winkelfunktionen gleich und auch ihre Temperaturabhängigkeit ist gleich. Damit entfällt bei der Quotientenbildung in der Auswerte einheit 3 die Temperaturabhängigkeit. Die Linearität des Ausgangssignales ist durch diesel be funktionelle Abhängigkeit vom Winkel β gesichert. Die Auswerteeinheit kann dabei ent weder digital oder analog arbeiten.

In den Meßelementen 4; 5 können solche Effekte zur Anwendung kommen, die es gestatten, ein Signal, daß nur von der Richtung und nicht von der Stärke des Magnetfeldes abhängt, zu erzeugen. Fig. 4 zeigt den Aufbau eines Meßelementes 4 aus Spin-Valve-Schichten 10. Die se bestehen mindestens aus einer ersten ferromagnetischen Schicht, deren Magnetisierung in ihrer Richtung festgehalten wird, beispielsweise durch eine in unmittelbarer Nachbarschaft befindlichen antiferromagnetischen Schicht, einer unmagnetischen Metallzwischenschicht und einer zweiten ferromagnetischen Schicht, deren Magnetisierungsrichtung durch die Zwi schenschicht weitgehend von der der ersten ferromagnetischen Schicht abgekoppelt und so durch äußere Magnetfelder leicht einstellbar ist. Der Widerstand eines Streifens aus einer Spin-Valve-Schicht 10 ist wegen des hier auftretenden GMR-Effektes bei Parallelität der Ma gnetisierungsrichtungen beider ferromagnetischer Schichten minimal und bei Antiparallelität maximal. Er ändert sich mit dem Kosinus des Winkels zwischen beiden Magnetisierungs richtungen. Die vier gezeichneten Spin-Valve-Schichtstreifen 10 bilden eine Wheatstone brücke. In jedem Brückenzweig sind die Magnetiserungsrichtungen der ersten ferromagneti schen Schicht entgegengesetzt eingestellt, wie durch die Pfeile neben den Spin-Valve- Schichten angezeigt wird. Da die in der Anordnung vorhandene Gesamtfeldstärke H_g dazu führt, daß die Magnetisierungsrichtung der zweiten ferromagnetischen Schicht sich parallel zu H_g einstellt, ändern die vier Widerstände der Brücke sich so, daß die Differenzspannung am Brückenausgang zum Kosinus des Winkels β proportional ist.

Als zweites Sensorelement 5 dient dann eine weitere, gleich aufgebaute Wheatstonebrücke, die gegen die beschriebene um 90° verdreht ist. Mit dieser Verdrehung ist ein Phasenversatz von 90° verbunden, so daß diese Brücke eine zum Sinus des Winkels β proportionale Diffe renzspannung liefert. Mit der Bildung des Quotienten beider Signale 6; 7 der Sensorbrücken in der Auswerteeinheit 3 liegt ein zum Tangens des Winkels β proportionales Ausgangs signal 8 vor, das auch zum zu messenden Feld H proportional ist.

Die Erfindung bezieht sich auch auf die Nutzung von Spin-Valve-Schichtsystemen, deren Komplexität über die oben beschriebenen hinausgeht.

Ein anderer für die Sensorelemente 4; 5 nutzbarer Effekt ist der anisotrope magnetoresistive (AMR) Effekt. Fig. 3 zeigt eine aus vier AMR-Schichtstreifen 9 aufgebaute Wheatstonebrüc ke. Der Widerstand von AMR-Schichtstreifen 9 ist maximal, wenn die Richtung von Strom und Magnetisierung in ihm übereinstimmen. Er nimmt seinen minimalen Wert an, wenn Strom- und Magnetisierungsrichtung senkrecht aufeinander stehen. Zwischen diesen Ex tremwerten variiert der Widerstand mit dem Kosinus des doppelten Winkels zwischen Strom und Magnetisierung. Die Magnetisierung stellt sich im wesentlichen parallel zum anliegenden gesamten Magnetfeld H_g ein. Die Stromrichtungen in den vier AMR-Schichtstreifen 9 sind in der Fig. 3 durch Pfeile gekennzeichnet. In jedem Brückenzweig kommt es zu gegenläufiger Änderung der Widerstände der AMR-Schichtstreifen 9. Am Brückenausgang kommt es so zu einem Signal, das zum Kosinus des doppelten Winkels β zwischen der Vorzugsrichtung 2 in Fig. 1 und dem gesamten Magnetfeld H_g proportional ist. Eine gegen die Darstellung in Fig. 3 um 45° verdrehte Anordnung wird als zweites Sensorelement 5 eingesetzt. Diese liefert ein Signal am Brückenausgang, das dem Sinus des doppelten Winkels proportional ist. Da zur Bestimmung des Magnetfeldes der Tangens des Winkels β ermittelt werden muß, wird in der Auswerteeinheit 3 die Gleichung (2) der Erfindungsbeschreibung benutzt. Damit ist das Aus gangssignal 8 wieder der zu messenden Feldstärke proportional.

Die Signale magnetoresistiver Winkelsensorbrücken, sowohl solche, die den AMR- als auch den GMR-Effekt nutzen, weisen unter bestimmten Bedingungen Abweichungen von der rei nen Sinusförmigkeit auf, die bei dem hier vorgesehenen Einsatz zu Meßfehlern führen kön nen. Korrekturen dieser Abweichungen sind möglich und sollten in dieser Anwendung auch mit Vorteil genutzt werden. Sie sind aber nicht Gegenstand dieser Erfindung und werden deshalb hier nicht angeführt.

Zur einfachen und wenig aufwendigen Verarbeitung der Signale 6; 7 der Sensorelemente 4; 5 wird eine analoge Auswerteeinheit 3 vorgeschlagen. Das Prinzip der Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Ausgang des Sensorelementes 4 mit dem Kosinussignal 7 ist mit dem Ein gang eines Regelverstärkers verbunden. Auf dessen zweiten Eingang 12 wird eine Span nung gelegt, die der Amplitude des Kosinussensors bei einer mittleren Arbeitstemperatur entspricht. Der Ausgang des Regelverstärkers liefert die positive Betriebsspannung des Ko sinus- 4 und des Sinussensorelementes 5. Durch den Negator in der Schaltung wird erreicht, daß die negative Betriebsspannung der positiven betragsmäßig gleicht. Der Regelverstärker stellt die Betriebsspannung der Sensorelemente 4; 5 so ein, daß der Ausgang 7 des Senso relementes 4 immer auf dem am Eingang 12 liegenden Spannungswert U₁₂ bleibt. Die Ver stärker in der Schaltung werden mit symmetrisch um den Nullpunkt liegenden Betriebsspan nungen versorgt.

Bei Verwendung eines magnetischen Winkelsensors 1 auf der Basis von Spin-Valve- Schichten ergibt sich folgendes: Da der Ausgang 7 des Sensorelementes 4 den Kosinus des Winkels β enthält und eine Wheatstonebrücke darstellt, bei der die Ausgangsspannung 7 zur jeweils anliegenden Betriebsspannung U_b proportional ist, gilt

U_b.a.cosβ = U₁₂. (4)

a ist dabei ein Proportionalitätsfaktor, der bei den beiden Sensorelementen 4; 5 denselben Wert hat, da beide in gleicher Weise aufgebaut und nur gegeneinander verdreht sind. Damit liegt eine Betriebsspannung an den Brücken, die gegeben ist durch

U_b = U₁₂/(a.cosβ). (5)

Am Ausgang 6 des Sensorelementes 5 ergibt sich mit dieser Betriebsspannung der Signal wert

Mit der Gleichung (3) der Erfindungsbeschreibung kommt man zu dem Ergebnis

Die Ausgangsspannung des Sensorelementes 5, das die Sinusbrücke enthält, ist also pro portional zum zu messenden Feld H. Mir Hilfe eines Verstärkers kann der Vorfaktor geeignet eingestellt werden und man erhält das gewünschte Ausgangssignal 8, das linear und tempe raturunabhängig ist.

Bei Verwendung von AMR-Schichten in den Sensorelementen 4; 5 ist zu beachten, daß die Sensorelemente 4; 5 den Sinus und Kosinus des doppelten Winkels liefern. In diesem Fall wird eine Brücke für den Kosinus benutzt, deren Ausgangsspannung 7 um einen bestimmten Offsetwert verschoben ist. Dieser Offsetwert entspricht der Amplitude des Kosinussignales. Die Summe aus Offsetspannung und Kosinusspannung wird auf den Wert der Spannung U₁₂ geregelt:

U_b.a.cos(2β) + U_b.a = U₁₂. (8)

Damit ergibt sich eine Betriebsspannung für die Sinus- und die Kosinusbrücke von

Als Ausgangssignal 6 des Sensorelementes 5 (der Sinusbrücke) erscheint bei dieser Be triebsspannung

Mit Gleichung (1) wird daraus

U_6A = U₁₂.tanβ, (11)

was mit dem zweiten Teil der Gleichung (6) übereinstimmt. Damit liegt auch hier eine Pro portionalität zwischen der Ausgangsspannung 8 und der zu messenden Feldstärke vor. Es soll noch einmal darauf hingewiesen werden, daß dieses Ergebnis voraussetzt, daß die Aus gangsspannung der Kosinusbrücke um den Wert der Amplitude des Kosinus erhöht ist.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auswerteeinheit in Form der oben beschriebenen Regelschaltung. Zu ihrem Betrieb ist nur eine Versorgungsspannung erforderlich. Es werden lediglich ein Vierfach-Operationsverstärker und sechs Widerstände benötigt. Die Ausgangsspannung 7 des Sensorelementes 4 mit der Kosinusabhängigkeit vom Winkel β wird auf den Regelverstärker 14 gegeben. Ein Spannungsteiler an seinem Eingang legt den Spannungspegel fest, auf den geregelt wird. Der Ausgang des Regelver stärkers 14 ist mit dem positiven Betriebsspannungsanschluß beider Sensorelemente 4; 5 verbunden. Der Spannungsfolger 16 mit dem Spannungsteiler am Eingang liefert die Hälfte der Versorgungsspannung als Vergleichsniveau. Der Symmetrierverstärker 15 sorgt dafür, daß der negative Betriebsspannungsanschluß der Sensorelemente 4; 5 denselben Poten tialabstand vom Vergleichsniveau hat wie der positive. Der Signalverstärker 13 ist mit zwei Widerständen zur Einstellung seiner Verstärkung versehen. Er liefert als Ausgangssignal 8 einen Spannungswert, der der auf den magnetischen Sensor 1 wirkenden Magnetfeldstärke proportional ist. Das vorhandene bekannte Magnetfeld ist in der Fig. 6 nicht dargestellt. Sie dient nur der Erläuterung der als Auswerteeinheit verwendeten Schaltung.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung zur Bestimmung der Differenz der Feldstärken im Abstand einer Basislänge 17. Es sind zwei magnetische Winkelsensoren 1 mit je zwei Sensorelementen in einem bekannten Magnetfeld gemeinsamen Ursprungs (Dauermagnet 11) angeordnet. Beide magnetischen Winkelsensoren verfügen über eine Auswerteeinheit. Die Differenz der Feld stärken wird durch Bildung der Differenz der beiden Ausgangssignale 8 bestimmt.

Eine Anordnung zur Messung der Feldstärkedifferenz zwischen zwei Punkten im Abstand der Basislänge 17 mit einem halbierten Flächenaufwand für den magnetischen Winkelsensor und einem halbierten Aufwand in der Auswertung zeigt Fig. 8. Hier sind die Halbbrücken des Sinussensors und des Kosinussensors jeweils im Abstand der Basislänge angeordnet. Damit stehen zwei Winkeldifferenzsignale, die sinus- und kosinusförmig sind, zur Verfügung. Ihre Umformung in ein Signal 8, das zur Differenz der Feldstärken proportional ist, erfolgt in einer Auswerteeinheit 3, die völlig mit jeder der oben beschriebenen Varianten zur Bestimmung der Feldstärke übereinstimmen kann und deshalb hier nicht noch einmal erläutert wird. Im allgemeinen gibt eine Anordnung nach Fig. 8 die Felddifferenz nur für kleine Winkel β zwi schen der Vorzugsrichtung 2 des Winkelsensors 1 und dem gesamten anliegenden Ma gnetfeld wieder. Im dem Spezialfall, daß die Feldstärken in den beiden Punkten von glei chem Betrag und entgegengesetztem Vorzeichen sind, ergeben sich ohne Einschränkung des Winkels β stets exakte Werte. Gerade dieser Spezialfall wird aber bei der Anwendung der Erfindung in der potentialfreien Strommessung benötigt. Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß die Aufteilung der beiden Sensorbrücken nicht nur auf die getrennte Anordnung der beiden Brückenzweige im Abstand der Basislänge 17 beschränkt ist. Andere Aufteilun gen sind möglich. So kann auch die Hälfte der Schichtstreifen jedes einzelnen Brückenwi derstandes in ersten Punkt und die andere Hälfte im zweiten Punkt angeordnet sein.

Ein Beispiel der Anwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur potentialfreien Strommessung zeigt Fig. 9. Die Anordnung zur Messung der Felddifferenz befindet sich symmetrisch zwischen zwei gleichen Bandleitern 18, die den gleichen in die Zeichenebene hinein gerichteten zu messenden Strom führen und die im Querschnitt gezeigt werden. Auf der Symmetrielinie zwischen beiden Bandleitern 18 ist die Feldkomponente in Richtung die ser Symmetrielinie null. Die senkrecht dazu verlaufende Feldkomponente zeigt im rechten Teil nach unten und ist im linken Teil nach oben gerichtet. Ihre Feldstärke ist symmetrisch zum Mittelpunkt der Symmetrielinie, so daß im linken Teil des Winkeldifferenzsensors zwar die gleiche Feldstärke herrscht wie im rechten, die Feldrichtungen aber entgegengesetzt sind. Damit zeigt der Winkeldifferenzsensor die Felddifferenz unabhängig vom Winkelwert richtig an. Die Felddifferenz ist eindeutig dem sie erzeugenden Strom proportional und auch die Proportionalität zum Signal der Sensoranordnung ist gewährleistet.

Fig. 10 zeigt eine andere Möglichkeit der Gestaltung des Stromleiters 19, der den zu mes senden Strom J führt. Nahe den beiden Punkten des Winkeldifferenzsensors fließen die Ströme in entgegengesetzter Richtung. Damit sind auch die Magnetfeldrichtungen entge gengesetzt. Die Magnetfeldstärke ist jedoch in beiden Punkten vom gleichen Betrag. Damit ist auch hier die Proportionalität von Stromstärke und Sensorausgangssignal gegeben.

Bezugszeichenliste

1

magnetischer Sensor

2

Vorzugsrichtung

3

Auswerteeinheit

4

;

5

Sensorelemente

6

;

7

Ausgangssignale der Sensorelemente

8

Ausgangssignal

9

Schichten, die den AMR-Effekt zeigen

10

Spin-Valve-Schichten

11

Dauermagnet

12

Eingang des Regelverstärkers

13

Signalverstärker

14

Regelverstärker

15

Symmetrierverstärker

16

Spannungsfolger

17

Basisabstand

18

Stromleiter

19

Stromleiter
H Magnetfeld
H_b

bekanntes Magnetfeld
H_g

gesamtes Magnetfeld
β Winkel
N Nordpol
S Südpol
U_B

Betriebsspannung
J Strom

Claims

1. Anordnung zur Messung der magnetischen Feldstärke oder von örtlichen Differenzen magnetischer Feldstärken mit magnetischen Sensoren und Mitteln zur Erzeugung be kannter Magnetfelder, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein bekanntes Magnet feld (H_b) vorhanden ist, daß die bekannten Magnetfelder (H_b) Winkel mit dem zu mes senden Magnetfeld (H) bilden, und daß ein oder mehrere magnetische Sensoren (1), de ren Ausgangssignal (8) durch den Winkel (β) der Magnetfeldrichtung des auf sie wirken den gesamten Magnetfeldes (H_g) gegen eine Vorzugsrichtung (2) bestimmt ist, und eine Auswerteeinheit (3) vorhanden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Sensoren (1) zwei oder mehr Sensorelemente (4; 5) enthalten, deren Ausgangssignale (6; 7) um bestimmte Werte gegeneinander phasenversetzt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Sensoren (1) zwei um ein Viertel ihrer Periodenlänge phasenversetzte Sensorelemente (4; 5) ent halten, die sinus- bzw. kosinusförmige Signale bezüglich einer Vorzugsrichtung (2) abge ben.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugsrichtung (2) mit der Richtung eines bekannten Magnetfeldes (H_b) übereinstimmt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung der Tempe raturabhängigkeit der Signale der Sensorelemente (4; 5) in der Auswerteeinheit (3) der dem Tangens des Winkels entsprechende Wert mindestens in einem begrenzten Win kelbereich aus den beiden Signalen (6; 7) der Sensorelemente (4; 5) bildbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bekannte Magnetfeld (Hb) durch Strom in elektrischen Leitern erzeugbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bekannte Magnetfeld (Hb) durch in der Nähe vorhandene Dauermagnete (11) verursacht ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des bekannten Magnetfeldes (H_b) und die des zu messenden Magnetfeldes (H) einen Winkel von 90° einschließen, so daß der Tangens des Winkels (β) zwischen dem gesamten Magnetfeld (Hg) und dem bekannten Magnetfeld (H_b) durch das Verhältnis der Stärke des zu mes senden Magnetfeldes (H) zu der des bekannten Magnetfeldes (H_b) gegeben ist.

9. Anordnung nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Auswerte einheit (3) gebildete Wert dem Verhältnis der Stärke des zu messenden Magnetfeldes (H) zu der des bekannten Magnetfeldes (H_b) mindestens in einem begrenzten Bereich proportional ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Sensoren (1) aus Schichten (9), die den anisotropen magnetoresistiven (AMR)-Effekt zeigen, auf gebaut sind.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei um 45° zueinander ver drehte Sensorelemente (4; 5) das sinus- bzw. kosinusförmige Signal (6; 7) liefern.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Sensoren (1) aus Schichten, die den giant magnetoresistiven (GMR)-Effekt zeigen, aufgebaut sind.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Sensoren (1) durch Spin-Valve-Schichten (10) gebildet sind.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei um 90° zueinander verdrehte Sensorelemente (4; 5) das sinus- bzw. kosinusförmige Signal (6; 7) liefern.

15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (3) ei nen Rechner enthält, der aus den Signalen (6; 7) der Sensorelemente (4; 5) den Signal wert (8) bildet.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sensor (1) zwei um 90° verdrehte Sensorelemente (4; 5) enthält, die aus Spin-Valve-Schichten (10) aufgebaut sind, und daß der Rechner mit den sinus- und kosinusförmigen Signalen (6; 7) durch Quotientenbildung den Signalwert (8) bereitstellt, der dem Tangens des Winkels (β) zwischen der Richtung des gesamten Magnetfeldes (H_g) und der Vorzugsrichtung (2) entspricht und zum zu messenden Magnetfeld (H) proportional ist.

17. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sensor (1) zwei um 45° zueinander verdrehte Sensorelemente (4; 5) enthält, die aus AMR- Schichten (9) aufgebaut sind, und daß der Rechner mit dem sinus- und kosinusförmigen Signal (U_sin bzw. U_cos) den Signalwert (8)
bildet, der dem zu messenden Feld (H) proportional ist.

18. Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Tangens des Winkels (β) zwischen der Richtung eines magnetischen Feldes und einer Vorzugsrichtung (2) mit einem magneti schen Sensor (1), der zwei Sensorelemente (4; 5) enthält, die ein sinusförmiges bzw. ko sinusförmiges Signal (6; 7) liefern, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Sensorele menten (4; 5) eine gemeinsame Betriebsspannung anliegt, und daß diese Betriebsspan nung am Ausgang einer Regelschaltung entsteht, deren Regelgröße das Signal des Sensorelementes (4) mit dem kosinusförmigen Signal (7) ist, und daß die Regelschaltung die Betriebsspannung so regelt, daß das Signal dieses Sensorelementes (4) immer bei dem Wert bleibt, der am zweiten Eingang (12) des Regelverstärkers vorgegeben wird.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert, der am zweiten Eingang (12) des Regelverstärkers vorgegeben wird, der Amplitude des kosinusförmigen Signals (7) bei einer bestimmten Temperatur entspricht.

20. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensorelemente (4; 5), die das sinus- und kosinusförmige Signal (6; 7) liefern, aus Brückenschaltungen zu je vier Widerständen aus magnetoresistiven Schichten bestehen, daß das kosinusförmige Signal (7) am Eingang eines Regelverstärkers (14) bei Addition des einzuhaltenden Spannungsniveaus anliegt und der Regelverstärker (14) die Betriebsspannung am ersten Brückenbetriebsspannungsanschluß der beiden Brückenschaltungen erzeugt, daß ein Spannungsfolger (16) durch einen Spannungsteiler aus gleichen Widerständen den Wert der halben Betriebsspannung bildet, der über einen Symmetrierverstärker (15) am zwei ten Brückenbetriebsspannunganschluß einen Spannungswert hält, der zur Symmetrie der Brückenbetriebsspannung zur halben Betriebsspannung führt, und daß ein über ein Widerstandspaar einstellbarer Signalverstärker (13) am Ausgang der Brückenschaltung für das sinusförmige Signal (6) den Ausgangssignalwert (8) des magnetischen Sensors (1) als Differenz zur halben Betriebsspannung bildet.

21. Anordnung nach Anspruch 1 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sensor (1) zwei um 90° gegeneinander verdrehte Sensorelemente (4; 5) enthält, die aus Spin-Valve-Schichten (10) aufgebaut sind, und daß der Ausgangssignalwert (8) des Si gnalverstärkers (13) proportional zum zu messenden Magnetfeld (H) ist.

22. Anordnung nach Anspruch 1 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sensor (1) zwei um 45° gegeneinander verdrehte Sensorelemente (4; 5) enthält, die aus AMR-Schichten (9) aufgebaut sind, und daß der Ausgangssignalwert (8) des Signalver stärkers (13) mindestens in einem Bereich, für den H < 0.2 H_b ist, näherungsweise pro portional zum zu messenden Magnetfeld (H) ist.

23. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (11) aus AlNiCo bestehen und einen geringen Temperaturkoeffizienten haben.

24. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauermagnete (11) aus SmCo bestehen und so einen geringen Temperaturkoeffizienten haben und gegen ma gnetische Störfelder stabil sind.

25. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter die Form einer Spule hat, die den magnetischen Sensor (1) umgibt.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spule durchfließen de Strom umschaltbar ist, so daß unterschiedliche Meßbereiche für das zu messende Magnetfeld (H) entstehen.

27. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter als ein oder mehrere elektrisch parallel oder in Reihe geschaltete Dünnschichtstreifenleiter auf dem Chip des magnetischen Sensors (1) integriert ist.

28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der die Dünnschichtstrei fenleiter durchfließende Strom umschaltbar ist, so daß unterschiedliche Meßbereiche für das zu messende Magnetfeld (H) entstehen.

29. Anordnung nach Anspruch 1 zur Bestimmung der örtlichen Differenz magnetischer Feld stärken, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einer Meßebene voneinander beabstandet zwei magnetische Sensoren (1) in einem bekannten Magnetfeld (H_b) gleicher Richtung und Feldstärke befinden, und daß die Vorzugsrichtung der magnetischen Sensoren (2) mit der Richtung des bekannten Magnetfeldes (H_b) übereinstimmt.

30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Senso ren (1) aus magnetoresistiven Schichten aufgebaut sind und ihre Schichtebene mit der Meßebene übereinstimmt.

31. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sensorelement (4; 5) der magnetischen Sensoren (1) als Brückenschaltung, bestehend aus Widerständen, die aus magnetoresistiven Schichtelementen aufgebaut sind, ausgeführt ist, und daß die Er mittlung der Felddifferenz in der Bildung der Differenz der beiden einzelnen Feldwerte besteht.

32. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Sensorelemente (4; 5) der magnetischen Sensoren (1) als Teil einer Brückenschaltung ausgeführt ist, und daß die die sinusförmigen Signale (6) abgebenden Sensorelemente (4) beider magneti scher Sensoren (1) und die die kosinusförmigen Signale (7) abgebenden Sensorele mente (4) beider magnetischer Sensoren (1) jeweils gemeinsam eine Brücke bilden, und daß an den jeweils zwei Brückenausgängen Signale zur Bestimmung des Differenzwin kels anstehen.

33. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (4; 5) aus Spin-Valve-Schichten (10) aufgebaut sind, und daß die Auswerteeinheit (3) einen Rechner enthält, der den Quotienten aus den Signalen der Brücke der sinusförmigen Si gnale (6) und der Brücke der kosinusförmigen Signale (7) bildet.

34. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (4; 5) aus AMR-Schichten (9) aufgebaut sind, und daß die Auswerteeinheit (3) einen Rechner enthält, der den Signalwert S_w1 aus den Signalen der Brücke der sinusförmigen Signale U_sin1 und der Brücke der kosinusförmigen Signale U_cos1 bildet nach

35. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerteeinheit (3) eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 18 verwendet wird.

36. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28 zur potentialfreien Strommessung, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Magnetfeld (H) in be kannter Weise durch einen zu messenden Strom in einem Leiter erzeugt wird.

37. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 29 bis 35 zur potentialfreien Strommessung, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Felddifferenz durch ei nen zu messenden Strom (J) in einem oder mehreren Leitern (18; 19) in bekannter Wei se erzeugt wird

38. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Strom (J) erzeugten Magnetfelder im Bereich der beiden magnetischen Sensoren (1) gleichen Betrages aber entgegengesetzter Richtung sind.