DE10113131B4

DE10113131B4 - Anordnung zur Messung der magnetischen Feldstärke oder von örtlichen Differenzen magnetischer Feldstärken, sowie Schaltungsanordnung für die Auswerteeinheit und Verwendungen der Anordnung und der Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE10113131B4
Application number: DE2001113131
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr. Dettmann; Uwe Loreit; Jörg TRAUTE
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2001-03-17
Filing date: 2001-03-17
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2021-03-18
Also published as: DE10113131A1

Abstract

Anordnung zur Messung der magnetischen Feldstärke oder von örtlichen Differenzen der magnetischen Feldstärke mit magnetischen Sensoren und Mitteln zur Erzeugung bekannter Magnetfelder, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere magnetische Winkelsensoren (1), die jeweils zwei oder mehr Sensorelemente (4; 5) enthalten, deren Ausgangssignale (6; 7) durch den Winkel (β) der Magnetfeldrichtung des auf sie wirkenden gesamten Magnetfeldes (H_g) gegen eine Bezugsrichtung (2) bestimmt und gegeneinander phasenversetzt sind, und eine Auswerteeinheit (3), die aus den Ausgangssignalen (6; 7) den Signalwert der magnetischen Feldstärke oder der örtlichen Differenz der magnetischen Feldstärken ermittelt, vorhanden sind, und dass sich die Sensorelemente (4; 5) in Magnetfeldern (H_b) bekannter Feldstärke und bekannter Richtung, die mit der Richtung des zu messenden Magnetfeldes (H) Winkel einschließt, befinden, und die bekannte Feldstärke und die bekannte Richtung mindestens im Bereich der Sensorelemente (4; 5) jeweils konstant sind.

Description

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Magnetfeldmessung und Magnetfeldgradientenmessung 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 potentialfreie Strommessung.

Die bekannten Magnetfeldsensoren, die mit einer Technologie, die der in der Halbleiterfertigung angewendeten zumindest ähnlich ist, hergestellt werden können und die damit kostengünstig 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 A1 und DE 44 36 876 A1 erden Sensoren auf der Basis des magnetoresistiven 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 Temperaturunabhängigkeit sind hundertprozentig gewährleistet. Ein Nachteil bei der Anwendung solcher Sensoren für den Kompensationsbetrieb liegt darin, daß für die Kompensation der zu messenden Magnetfelder relativ hohe Ströme benötigt werden. Erstens ist ein bestimmter Aufwand 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 Begrenzung 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 Einschränkung der Messgenauigkeit nicht verhindert werden kann.

Wie aus der DE 198 39 450 A1 hervorgeht, enthält ein magnetoresistiver Winkelsensor zwei Messelemente, deren Ausgangssignale proportional zum Kosinus bzw. zum Sinus des Winkels sind, den das am Sensor anliegende Magnetfeld mit einer Bezugsrichtung des Sensors bildet. Die Feldstärke spielt für die sich einstellenden Sensorsignale im we sentlichen keine Rolle, sie werden allein durch die Feldrichtung bestimmt. Somit ist ein solcher Winkelsensor nicht zur Bestimmung der magnetischen Feldstärke geeignet. Der gesuchte Winkel wird aus dem Quotienten des Sinus- und Kosinussignals, der dem Tangens entspricht, durch die Arcustangens-Interpolation ermittelt. Die Amplituden des Sinus- und Kosinussignals, die wegen des gleichen Aufbaus der beiden Messelemente, die gegeneinander verdreht angeordnet sind, den gleichen Wert haben, werden durch diese Quotientenbildung eliminiert. Da diese Amplituden den wesentlichen Anteil der Temperaturabhängigkeit der Messelementesignale enthalten, wird so ein Temperatur unabhängiger Winkelwert erhalten. Die DE 198 39 450 A1 gibt Strukturen für den Aufbau von Widerstandsstreifen aus anisotrop magnetoresistiven (AMR) Materialien an, die eine reinere Sinus- und Kosinusförmigkeit der beiden Signale gewährleistet und so zu geringeren Messfehlern für den Winkelwert führen.

In der DE 199 49 714 A1 werden magnetische Dünnschichtelemente beschrieben, die den GMR-Effekt zeigen und insbesondere den Spin-Valve-Systemen zuzuordnen sind. Diese Dünnschichtelemente sind zum Aufbau von Sensorbrücken geeignet, deren Ausgangssignal durch die Feldstärke eines anliegenden Magnetfeldes bestimmt wird. Dabei sind jedoch sowohl die Signalamplituden als auch die Sensorempfindlichkeiten stark von der Temperatur und dem Feldstärkewert abhängig, so dass auch hier die Feldmessung mit einem sehr großen Fehler behaftet ist. Die beschriebenen Dünnschichtelemente eignen sich auch für den Aufbau von magnetischen Winkelsensoren ähnlich den in der DE 198 39 450 A1 beschriebenen. Mit diesen Winkelsensoren kann dann auch die Feldrichtung ohne Einfluss der Messtemperatur bestimmt werden, nicht aber die magnetische Feldstärke.

Die US 6 104 187 A beschreibt ein Verfahren, nach dem der Nulloffset von magnetoresistiven Winkelsensoren so eingestellt wird, dass sich für die angezeigten Winkelwerte ein minimaler Fehler ergibt.

Ein Lesekopf mit einem Abtastsignal, das ein abgetastetes Magnetfeld kennzeichnet, wird in der DE 695 20 642 T2 vorgeschlagen. Hier befindet sich ein Streifen anisotrop magnetoresistiven (AMR) Materials in einem Magnetfeld zwischen zwei Polschuhen. Nähert sich dem Polschuhspalt ein nachzuweisendes weichmagnetisches Material, ändert sich dadurch die magnetische Feldstärke am Ort des Streifens und es tritt eine Widerstandsänderung auf, die zu einer Ausgangssignaländerung führt. Die Ausgangssignaländerung hängt von der Feldänderung nichtlinear ab und ist temperaturabhängig. Deshalb wird in der Schrift auch nicht von Messung sondern von Kennzeichnung des Magnetfeldes gesprochen.

In der US 6 166 539 A wird ein anders Spin-Valve-Schichtsystem für einen magnetoresistiven Sensor als in der DE 199 49 714 A1 vorgeschlagen. Damit dieser Sensor mit mini malen Störungen durch magnetische Hysterese arbeiten kann, wird er wie das Element eines Flux-Gate-Sensors betrieben. Dazu gehört, dass auf den Streifen des Spin-Valve-Schichtsystems quer zu seiner Längsrichtung nicht nur das zu messende Magnetfeld sondern auch ein hochfrequentes Magneffeld mit einer Amplitude einwirkt, die für die magnetische Sättigung des Streifens abwechselnd in beiden Richtungen ausreicht. Das Ausgangsignal des Sensors entsteht durch die Widerstandsänderung des Streifens. Nachteilig an dieser Anordnung ist der hohe Aufwand an Messelektronik, die Begrenzung der Nutzfrequenz, die auf jeden Fall weit unter der des angelegten hochfrequenten Feldes liegt und die Begrenzung der zu messenden Feldstärke, die wesentlich unter der Amplitude des hochfrequenten Feldes bleibt.

Zur Einsparung eines erheblichen Teiles des Aufwandes, der bisher beispielsweise bei der Messung aller drei Komponenten des magnetischen Feldes der Erde notwendig war, wird in der DE 197 29 896 A1 vorgeschlagen die drei für die x-, y- und z-Richtung nötigen magnetischen Sensorelemente mit Hilfe eines Taktgebers nacheinander mit derselben Auswerteelektronik zu verbinden. Durch diese Maßnahme wird der Aufwand zur Erreichung einer höheren Quantität von Feldmessungen vermindert, es kommt aber darauf an, den Aufwand bei erhöhter Qualität der Messwerte zu verringern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung mit minimalem Aufwand für die Auswerteeinheit zur Messung von Magneffeldern und Magneffeldgradienten anzugeben, die magnetoresistive Sensorelemente mit nichtlinearen und Temperatur abhängigen Kennlinien benutzten, und deren Ausgangssignale linear mit der Feldstärke oder Feldstärkedifferenz ansteigen und nicht von der Temperatur abhängen, sowie eine Schaltungsanordnung für die Auswerteeinheit. Bei der Verwendung dieser Anordnung und der Schaltungsanordnung in der potentialfreien Strommessung sind dieselben Eigenschaften zu sichern.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Anordnung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Schaltungsanordnung durch die im Anspruch 32 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Verwendungen durch die in den Ansprüchen 29 und 30 bzw. 38 und 39 angegebenenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Zur Messung der magnetischen Feldstärke oder der Differenz der Magnetfeldstärke zwischen zwei Orten im Raum befinden sich magnetische Sensoren in einem bekannten Magnetfeld, das mit dem zu messenden Feld einen Winkel bildet. Die Ausgangssignale der magnetischen Sensoren sind durch den Winkel zwischen dem gesamten Magnetfeld und einer Bezugsrichtung bestimmt. Die Bezugsrichtung kann mit der Richtung des bekannten Feldes 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 gneffeldes ständig zu, und es ist eine eindeutige Bestimmung des gesuchten Feldstärkewertes gewährleistet.

Üblicherweise enthalten magnetische Winkelsensoren zwei Sensorelemente, deren Ausgangssignal 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 Bezugsrichtung, gegen die der Winkel des gesamten Magnetfeldes mit den magnetischen Sensoren gemessen wird, mit der Richtung des bekannten Magneffeldes überein, dann entspricht das Verhältnis der Feldstärke des zu messenden Feldes zur Stärke des bekannten 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 Temperaturabhängigkeiten 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 jeweiligen 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 Magneffeldes in der Vorzugsrichtung des Winkelsensors von vornherein gegeben.

Eine einfache und wenig aufwendige Möglichkeit bei festem Meßbereich besteht in der Nutzung des Feldes eines Dauermagneten. Hier werden vorzugsweise AlNiCo-Magnete mit geringem Temperaturkoeffizienten der Remanenz oder SmCo-Magnete eingesetzt, die ebenfalls geringe Temperaturkoeffizienten der Remanenz und hohe Stabilität gegen hohe Störfeldstärken 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 Magnetfeldrichtung und der Bezugsrichtung gegeben. In der Auswerteeinheit muß nur noch die Quotientenbildung vorgenommen werden.

Winkelsensoren auf der Basis des AMR-Effektes liefern zwar auch sinus- und kosinusförmige Ausgangssignale, allerdings vom doppelten Winkel zwischen der Magnetfeld- und der Bezugsrichtung. 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 Magnetfeld 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

zu benutzen. Dabei ist U_sin die Ausgangsspannung der Sinusbrücke und U_cos die Ausgangsspannung 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 Bezugsrichtung 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 Sinussensors und des Kosinussensors eine zum Tangens des Winkels und damit zum zu messenden Magnetfeld proportionale Ausgangsspannung bildet, kann eine einfache Regelschaltung sein. Das Signal des Kosinussensors wird einem Regelverstärker zugeführt, dessen Ausgang die gemeinsame Betriebsspannung für den Sinus- und den Kosinussensor bestimmt. 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 (cosβ)^–1 ansteigt. Da der Betriebsspannungsanstieg auch für den Sinussensor gilt, erhält man an dessen Ausgang ein zum tanβ = sin·β(cosβ)^–1 proportionales Signal, das auch zum zu messenden Magnetfeld proportional ist. Die Auswertung ist so mit geringem Aufwand bei hoher Geschwindigkeit realisierbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Regelschaltung bei Verwendung von magnetoresistiven Sensorbrücken, die einen Regelverstärker zum Konstanthalten der Ausgangsspannung des Kosinussensors durch Regelung der positiven Sensorbrückenspannung, einen Spannungsteiler 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 Zur Messung der Differenz der Feldstärke in zwei Punkten können zwei magnetische Winkelsensoren verwendet werden, deren Bezugsrichtung mit der Richtung des bekannten Magnetteldes übereinstimmt. Der Differenzfeldwert wird dann als Differenz der einzeln bestimmten 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 beiden Brücken am Ort des zweiten Punktes. Zur Bildung des Ausgangssignales in der Auswerteeinheit werden die Signale an den Ausgängen dieser Differenzbrücken benutzt. Die Ausgangssignale der beiden Differenzbrücken können zur Ermittlung der Magnetfelddifferenz 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 eingesetzt werden. Für die Feldstärken, deren Differenz mit dieser Anordnung bestimmt werden kann, gibt es bezüglich der Linearität der Anzeige jedoch Einschränkungen. Ohne Berücksichtigung 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 Strommessung 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 Strömen 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 geeignete Form stellt beispielsweise eine Anordnung von zwei sich in parallelen Ebenen gegenüberstehenden 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, dessen Schenkel möglichst nahe beieinander liegen und über denen sich der Winkeldifferenzsensor befindet.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Zur Beschreibung gehörende Zeichnungen zeigen in
1 eine erfindungsgemäße Anordnung im Überblick,
2 einen Winkelsensor mit zwei Sensorelementen,
3 ein Sensorelement eines anisotrop magnetoresistiven Winkelsensors,
4 ein Sensorelement eines GMR-Winkelsensors,
5 das Prinzip einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit,
6 eine spezielle Ausführung der Auswerteeinheit,
7 eine Differenzfeldmeßanordnung mit zwei Winkelsensoren,
8 eine Anordnung eines Winkeldifferenzsensors,
9 die Verwendung eines Winkeldifferenzsensors als Stromsensor und in 10 eine andere Anordnung eines Stromsensors.
In 1 ist ein magnetischer Winkelsensor 1 mit zwei Sensorelementen 4; 5 und einer Bezugsrichtung 2 dargestellt. Die Ausgangssignale 6; 7 der Sensorelemente 4; 5, die der Auswerteeinheit 3 zugeführt werden, sind periodische Funktionen des Winkels β zwischen der Vorzugsrichtung 2 und der insgesamt auf die Sensorelemente 4; 5 einwirkenden magnetischen Feldstärke. Ein bekanntes Magnetfeld H_b gleicher Stärke und gleicher Richtung liegt an beiden 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 Bezugsrichtung des magnetischen Winkelsensors 1. Die Richtung des zu messenden Magnetfeldes H bildet mit der Richtung des bekannten Magnetfeldes einen Winkel von 90°. Damit ist wegen der Beziehung H = Hb·tanβ (3)neben der bekannten Feldstärke H_b nur der Tangens des Winkels β aus den Meßwerten des magnetischen Winkelsensors 1 zu ermitteln. Die Sensorelemente 4; 5 liefern Ausgangssignale 7; 6, die sinusförmig bezüglich ihrer Abhängigkeit vom Winkel β zwischen der Richtung des bekannten 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 Sensorelemente 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 erreicht, wie schematisch in 2 dargestellt. Bei 90° Phasenversatz liefert das erste Sensorelement 4 ein Ausgangssignal 7 U_sin = U₁·sinβ und das zweite Sensorelement 5 ein Ausgangssignal 6 U_cos = U₁·cosβ. In der Auswerteeinheit 3 wird der Quotient aus beiden Sensorsignalen 7; 6 gebildet. Dabei entsteht ein Ausgangssignal 8, das dem tanβ 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 Auswerteeinheit 3 die Temperaturabhängigkeit. Die Linearität des Ausgangssignales ist durch dieselbe funktionelle Abhängigkeit vom Winkel β gesichert. Die Auswerteeinheit kann dabei entweder 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. 4 zeigt den Aufbau eines Meßelementes 4 aus Spin-Valve-Schichten 10. Diese 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 Zwischenschicht 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 Magnetisierungsrichtungen beider ferromagnetischer Schichten minimal und bei Antiparallelität maximal. Er ändert sich mit dem Kosinus des Winkels zwischen beiden Magnetisierungsrichtungen. Die vier gezeichneten Spin-Valve-Schichtstreifen 10 bilden eine Wheatstonebrücke. In jedem Brückenzweig sind die Magnetiserungsrichtungen der ersten ferromagnetischen 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 Differenzspannung liefert. Mit der Bildung des Quotienten beider Signale 6; 7 der Sensorbrücken in der Auswerteeinheit 3 liegt ein zum Tangens des Winkels β proportionales Ausgangssignal 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. 3 zeigt eine aus vier AMR-Schichtstreifen 9 aufgebaute Wheatstonebrücke. 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 Extremwerten 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 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 1 und dem gesamten Magnetfeld H_g proportional ist. Eine gegen die Darstellung in 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 Ausgangssignal 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 reinen Sinusförmigkeit auf, die bei dem hier vorgesehenen Einsatz zu Meßfehlern führen können. 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 5 dargestellt. Der Ausgang des Sensorelementes 4 mit dem Kosinussignal 7 ist mit dem Eingang eines Regelverstärkers verbunden. Auf dessen zweiten Eingang 12 wird eine Spannung gelegt, die der Amplitude des Kosinussensors bei einer mittleren Arbeitstemperatur entspricht. Der Ausgang des Regelverstärkers liefert die positive Betriebsspannung des Kosinus- 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 Sensorelementes 4 immer auf dem am Eingang 12 liegenden Spannungswert U₁₂ bleibt. Die Verstärker in der Schaltung werden mit symmetrisch um den Nullpunkt liegenden Betriebsspannungen 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 Ub·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 Ub = U12/(a·cosβ) (5).
Am Ausgang 6 des Sensorelementes 5 ergibt sich mit dieser Betriebsspannung der Signalwert
Mit der Gleichung (3) der Erfindungsbeschreibung kommt man zu dem Ergebnis
Die Ausgangsspannung des Sensorelementes 5, das die Sinusbrücke enthält, ist also proportional 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 temperaturunabhängig 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: Ub·a·cos(2β) + Ub·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 Betriebsspannung
Mit Gleichung (1) wird daraus U6A = U12·tanβ (11),was mit dem zweiten Teil der Gleichung (6) übereinstimmt. Damit liegt auch hier eine Proportionalität zwischen der Ausgangsspannung 8 und der zu messenden Feldstärke vor. Es soll noch einmal darauf hingewiesen werden, daß dieses Ergebnis voraussetzt, daß die Ausgangsspannung der Kosinusbrücke um den Wert der Amplitude des Kosinus erhöht ist.
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 Regelverstärkers 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 Potentialabstand 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 6 nicht dargestellt. Sie dient nur der Erläuterung der als Auswerteeinheit verwendeten Schaltung.
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 Feldstärken 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 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 8 die Felddifferenz nur für kleine Winkel β zwischen der Vorzugsrichtung 2 des Winkelsensors 1 und dem gesamten anliegenden Magnetfeld wieder. Im dem Spezialfall, daß die Feldstärken in den beiden Punkten von gleichem 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 Aufteilungen sind möglich. So kann auch die Hälfte der Schichtstreifen jedes einzelnen Brückenwiderstandes im ersten Punkt und die andere Hälfte im zweiten Punkt angeordnet sein.
Ein Beispiel der Anwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur potentialfreien Strommessung zeigt 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 dieser 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.
10 zeigt eine andere Möglichkeit der Gestaltung des Stromleiters 19, der den zu messenden Strom J führt. Nahe den beiden Punkten des Winkeldifferenzsensors fließen die Ströme in entgegengesetzter Richtung. Damit sind auch die Magnetfeldrichtungen entgegengesetzt. Die Magnetfeldstärke ist jedoch in beiden Punkten vom gleichen Betrag. Damit ist auch hier die Proportionalität von Stromstärke und Sensorausgangssignal gegeben.

1: magnetischer Winkelsensor
2: Bezugsrichtung
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

Anordnung zur Messung der magnetischen Feldstärke oder von örtlichen Differenzen der magnetischen Feldstärke mit magnetischen Sensoren und Mitteln zur Erzeugung bekannter Magnetfelder, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere magnetische Winkelsensoren (1), die jeweils zwei oder mehr Sensorelemente (4; 5) enthalten, deren Ausgangssignale (6; 7) durch den Winkel (β) der Magnetfeldrichtung des auf sie wirkenden gesamten Magnetfeldes (H_g) gegen eine Bezugsrichtung (2) bestimmt und gegeneinander phasenversetzt sind, und eine Auswerteeinheit (3), die aus den Ausgangssignalen (6; 7) den Signalwert der magnetischen Feldstärke oder der örtlichen Differenz der magnetischen Feldstärken ermittelt, vorhanden sind, und dass sich die Sensorelemente (4; 5) in Magnetfeldern (H_b) bekannter Feldstärke und bekannter Richtung, die mit der Richtung des zu messenden Magnetfeldes (H) Winkel einschließt, befinden, und die bekannte Feldstärke und die bekannte Richtung mindestens im Bereich der Sensorelemente (4; 5) jeweils konstant sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Sensoren (1) zwei um ein Viertel ihrer Periodenlänge phasenversetzte Sensorelemente (4; 5) enthalten, die sinus- bzw. kosinusförmige Signale bezüglich einer Bezugsrichtung (2) abgeben.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsrichtung (2) mit der Richtung eines bekannten Magnetfeldes (H_b) übereinstimmt.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung der Temperaturabhängigkeit der Signale der Sensorelemente (4; 5) in der Auswerteeinheit (3) der dem Tangens des Winkels entsprechende Wert mindestens in einem begrenzten Winkelbereich aus den beiden Signalen (6; 7) der Sensorelemente (4; 5) bildbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bekannte Magnetfeld (H_b) durch Strom in einem oder mehreren elektrischen Leitern erzeugbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bekannte Magnetfeld (H_b) durch in der Nähe vorhandene Dauermagnete (11) verursacht ist.
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 (H_g) und dem bekannten Magnetfeld (H_b) durch das Verhältnis der Stärke des zu messenden Magnetfeldes (H) zu der des bekannten Magnetfeldes (H_b) gegeben ist.
Anordnung nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Auswerteeinheit (3) gebildete Signalwert dem Verhältnis der Stärke des zu messenden Magnetfeldes (H) zu der des bekannten Magnetfeldes (H_b) mindestens in einem begrenzten Bereich proportional ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Sensoren (1) aus Schichten (9), die den anisotropen magnetoresistiven (AMR) Effekt zeigen, aufgebaut sind.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei um 45° zueinander verdrehte Sensorelemente (4; 5) das sinus- bzw. kosinusförmigen Signal (6; 7) liefern
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Sensoren (1) aus Schichten, die den „giant" magnetoresistiven (GMR) Effekt zeigen, aufgebaut sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Sensoren (1) durch Spin-Valve-Schichten (10) gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei um 90° zueinander verdrehte Sensorelemente (4; 5) das sinus- bzw. kosinusförmigen Signal (6; 7) liefern.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (3) einen Rechner enthält, der aus den Signalen (6; 7) der Sensorelemente (4; 5) den Signalwert (8) bildet.
Anordnung nach Anspruch 14, 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 aus 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 Bezugsrichtung (2) entspricht und zum zu messenden Magnetfeld (H) proportional ist.
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.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (11) aus AlNiCo bestehen und einen geringen Temperaturkoeffizienten haben.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (11) aus SmCo bestehen und so einen geringen Temperaturkoeffizienten haben und gegen magnetische Störfelder stabil sind.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter die Form einer Spule hat, die den magnetischen Sensor (1) umgibt.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der die Spule durchfließende Strom umschaltbar ist, so dass unterschiedliche Messbereiche für das zu messende Magnetfeld (H) entstehen.
Anordnung nach Anspruch 5, 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.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der die Dünnschichtstreifenleiter durchfließende Strom umschaltbar ist, so dass unterschiedliche Messbereiche für das zu messende Magnetfeld (H) entstehen.
Anordnung nach Anspruch 1 zur Bestimmung der örtlichen Differenz magnetischer Feld stärken, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einer Messebene voneinander beabstandet zwei magnetische Winkelsensoren (1) in einem bekannten Magnetfeld (H_b) gleicher Richtung und Feldstärke befinden, und dass die Bezugsrichtung der magnetischen Winkelsensoren (2) mit der Richtung des bekannten Magnetfeldes (H_b) übereinstimmt.
Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Winkelsensoren (1) aus magnetoresistiven Schichten aufgebaut sind und ihre Schichtebene mit der Messebene übereinstimmt.
Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Sensorelement (4; 5) der magnetischen Winkelsensoren (1) als Brückenschaltung, bestehend aus Widerständen, die aus magnetoresistiven Schichtelementen aufgebaut sind, ausgeführt ist, und dass die Ermittlung der Felddifferenz in der Bildung der Differenz der beiden einzelnen Feldwerte besteht.
Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Sensorelemente (4; 5) der magnetischen Winkelsensoren (1) als Teil einer Brückenschaltung ausgeführt ist, und dass die die sinusförmigen Signale (6) abgebenden Sensorelemente (4) beider magnetischer Winkelsensoren (1) und die die kosinusförmigen Signale (7) abgebenden Sensorelemente (4) beider magnetischer Winkelsensoren (1) jeweils gemeinsam eine Brücke bilden, und dass an den jeweils zwei Brückenausgängen Signale zur Bestimmung des Differenzwinkels anstehen.
Anordnung nach Anspruch 26, 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 Signale (6) und der Brücke der kosinusförmigen Signale (7) bildet.
Anordnung nach Anspruch 26, 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
Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22 zur potentialfreien Messung eines elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Magnetfeld (H) durch einen elektrischen Strom in einem Leiter erzeugt ist.
Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 23 bis 28 zur potentialfreien Messung eines elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Felddifferenz durch einen zu messenden Strom (J) in einem oder mehreren Leitern (18; 19) erzeugt ist.
Verwendung der Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Strom (J) erzeugten Magnetfelder im Bereich der beiden magnetischen Winkelsensoren (1) gleichen Betrages aber entgegengesetzter Richtung sind.
Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Tangens des Winkels (β) zwischen der Richtung eines magnetischen Feldes und einer Bezugsrichtung (2) mit einem magnetischen Winkelsensor (1), der zwei Sensorelemente (4; 5) enthält, die Ausgangssignale (6; 7) liefern, die sinusförmig bzw. kosinusförmig von dem Winkel (β) der Magnetfeldrichtung des auf sie wirkenden gesamten Magnetfeldes (H_g) gegen die Bezugsrichtung (2) abhängen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sensorelemente (4; 5) in Magnetfeldern (H_b) bekannter Feldstärke und bekannter Richtung, die mit der Richtung des zu messenden Magnetfeldes (H) Winkel einschließt, befinden und die bekannte Feldstärke und die bekannte Richtung mindestens im Bereich der Sensorelemente (4; 5) jeweils konstant sind, dass an beiden Sensorelementen (4; 5) eine gemeinsame Betriebsspannung anliegt, und dass diese Betriebsspannung 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.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 32, 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.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 32, 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 zweiten Brückenbetriebsspannungsanschluß 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.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 34, 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 Signalverstärkers (13) proportional zum zu messenden Magnetfeld (H) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 34, 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 Signalverstärkers (13) mindestens in einem Bereich, für den H < 0.2 H_b ist, näherungsweise proportional zum zu messenden Magnetfeld (H) ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 34 zur Bestimmung der örtlichen Differenz magnetischer Feldstärken, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Sensorelemente (4; 5) der magnetischen Winkelsensoren (1) als Teil einer Brückenschaltung ausgeführt ist, und dass die die sinusförmigen Signale (6) abgebenden Sensorelemente (4) beider magnetischer Winkelsensoren (1) und die die kosinusförmigen Signale (7) abgebenden Senso relemente (4) beider magnetischer Winkelsensoren (1) jeweils gemeinsam eine Brücke bilden, und dass an den jeweils zwei Brückenausgängen Signale zur Bestimmung des Differenzwinkels anstehen.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 32 bis 36 zur potentialfreien Messung eines elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass das zu messende Magnetfeld (H) durch einen elektrischen Strom in einem Leiter erzeugt ist.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 37 zur potentialfreien Messung eines elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Felddifferenz durch einen zu messenden Strom (J) in einem oder mehreren Leitern (18; 19) erzeugt ist.
Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Strom (J) erzeugten Magnetfelder im Bereich der beiden magnetischen Winkelsensoren (1) gleichen Betrages aber entgegen gesetzter Richtung sind.