DE102004026460A1

DE102004026460A1 - Temperaturkompensierte Meßschaltungsanordnung mit einer magnetoresistiven Sensorbrücke sowie Abgleichverfahren zum Abgleich deren Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE102004026460A1
Application number: DE200410026460
Authority: DE
Inventors: Jochen Schmitt
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2004-05-29
Filing date: 2004-05-29
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-05-30
Also published as: DE102004026460B4

Abstract

In einer temperaturkompensierten Meßschaltungsanordnung mit einer magnetoresistiven Sensorbrücke (5), deren Signalausgang (6) mit einem Eingang eines Ausleseverstärkers (7) verbunden ist, steht ein Verstärkerausgang (8) über einen Kompensationsleiter (9) mit einem Shuntwiderstand (10) in Verbindung, an dem eine Meßspannung abfällt. Der Kompensationsleiter (9) ist an der Sensorbrücke (5) so angeordnet, daß er ein einem Meßfeld entgegengesetztes Kompensationsfeld erzeugt. Damit der Temperaturkoeffizient der Meßschaltungsanordnung weiter verringert ist, wird die Sensorbrücke (5) aus einer Stromquelle gespeist und ein Kompensationswiderstand (24) ist einerseits mit dem Signalausgang (6) und der Sensorbrücke (5) und andererseits mit einer Hilfspotentialquelle (15) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte Meßschaltungsanordnung mit einer magnetoresistiven Sensorbrücke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige aus der Praxis bekannte temperaturkompensierte Meßschaltungsanordnungen weisen magnetoresistive Sensoren, die abgekürzt als MR-Sensoren bezeichnet werden, in einer Brückenschaltung auf, mit der allein sich jedoch der Temperatur- und Offseteinfluß nicht vollkommen eliminieren lassen. Daher wird zur Kompensation eines Steilheitstemperaturkoeffizienten das Ausgangssignal der Brücke verstärkt und als Kompensationsstrom in einen Kompensationsleiter eingespeist, der so an den MR-Sensoren angeordnet ist, daß er an diesen ein dem Meßfeld oder Meßfeldgradienten entgegengesetztes Feld durch den Kompensationsstrom erzeugt. Der Kompensationsstrom stellt sich dabei proportional zum Primärfeld oder Primärfeldgradienten ein. An einem Shuntwiderstand, der mit dem Kompensationsleiter in Reihe verbunden ist, wird der Kompensationsstrom in eine proportionale Spannung gewandelt, welche die mit der Meßschaltungsanordnung erzeugte Meßspannung darstellt. Ein Offset dieser Meßspannung wird üblicherweise entweder am Brückenausgang durch Einkoppeln von Strömen verringert oder in Signalflußrichtung hinter dem Shuntwiderstand eliminiert. – Ein Offsettemperaturkoeffizient bzw. Temperaturkoeffizient des Offset dieser temperaturkompensierten Meßschaltungsanordnung ist Null, wenn der Temperaturkoeffizient des Sensoroffsets und der Temperaturkoeffizient der Steilheit gleich groß sind. Vorausgesetzt wird dabei, daß beide Temperaturkoeffizienten linear sind, was in einem üblichen Einsatzbereich von ca. – 40°C bis + 125°C der Meßschaltungsanordnung in der Regel zutrifft. Da jedoch die genannten Temperaturkoeffizienten in der Praxis nicht gleich groß sind, verbleibt ein oft unerwünscht großer Temperaturkoeffizient des Offset der gesamten Meßschaltungsanordnung bzw. der mit ihr erzeugten Meßspannung.

Zum Stand der Technik gehört auch, den Temperatur- und Offseteinfluß einer magnetoresistiven Sensorbrückenschaltung in integrierter Technik schalttechnisch zu kompensieren (Wolf-Joachim Fischer, Mikrosystemtechnik, Würzburg: Vogel, 2000, S. 259). Dabei wird die Sensorbrücke mit einer Brückenspannung aus einer Temperaturkompensationselektronik beaufschlagt. Die Signalspannung der Sensorbrücke wird in einen programmierbaren Ausleseverstärker mit Offsetkompensation eingespeist, dessen Ausgang die Meßspannung entnommen werden kann. Die Temperaturkompensationselektronik in Verbindung mit einer Referenzspannungsquelle und der programmierbare Ausleseverstärker werden mit einem Taktgenerator getaktet betrieben. Der schaltungstechnische Aufwand dieser Kompensation ist somit erheblich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Temperaturkoeffizienten der Meßschaltungsanordnung mit möglichst geringem Aufwand weiter zu verringern, insbesondere für den Fall, daß die Temperaturkoeffizienten der Sensorspannung der magnetoresistiven Sensorbrücke und der Temperaturkoeffizient deren Steilheit nicht gleich sind.

Erfindungsgemäß wird zur Lösung der obigen Aufgabe ein zusätzlicher Temperaturkoeffizient, mit dem ungleichen Temperaturkoeffizienten des Sensoroffsets und deren Steilheit Rechnung getragen wird, durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen unkomplizierten schaltungstechnischen Mittel erzeugt. Zu diesen Mitteln gehört ein an den Ausgang der Sensorbrücke bzw. einen mit diesem verbundenen Eingang des Ausleseverstärkers angekoppelter Kompensationswiderstand, dessen der Koppelseite entgegengesetztes Ende auf einem – nach Einstellung – festen Hilfspotential liegt. Für die Versorgung der Sensorbrücke ist an Stelle einer Spannungsquelle eine Stromquelle vorgesehen. Daher verändert sich die Spannung an der Sensorbrücke, wenn sich deren Widerstand abhängig von der Temperatur ändert. Abhängig von dieser Temperatur, der Umgebungstemperatur, ist damit auch der Strom durch den Kompensationswiderstand. Da der Kompensationswiderstand das Ausgangssignal der Sensorbrücke beeinflußt, wird damit ein zusätzlicher Temperaturkoeffizient erzeugt.

Durch die Größe des Hilfspotentials – Anspruch 2 – oder durch die Größe des Kompensationswiderstands – Anspruch 3 – kann der zusätzliche Temperaturkoeffizient so eingestellt werden, daß der resultierende Temperaturkoeffizient des Offset der gesamten Meßschaltungsanordnung praktisch vollständig kompensiert ist.

In der erfindungsgemäß temperaturkompensierten Meßschaltanordnung wird ein Kompensationsstrom I_off(komp) nach folgender Beziehung erzeugt:

worin ist U_off der Offset der Sensorbrücke ist,
TK_off deren Temperaturkoeffizient,
S die Steilheit der Sensorbrücke,
TK_s deren Temperaturkoeffizient,
TK_H ein zusätzlicher Temperaturkoeffizient, der durch den Kompensationswiderstand und das Hilfspotential U_H einstellbar ist, und
ΔT eine Temperaturdifferenz zwischen der aktuellen Temperatur der Sensorbrükke und der Temperatur, bei der U_off gilt. Zu einer Kompensation zumindest des Offsettemperaturkoeffizienten der Meßschaltungsanordnung wird das Hilfspotential U_H bzw. der Kompensationswiderstand so eingestellt, daß gilt: TKs = TKoff + TKH.

Um die voranstehende Gleichung für die individuellen Exemplare der Sensorbrükke zu erfüllen, wird zweckmäßig ein Abgleichverfahren gemäß Anspruch 6 durchgeführt. Demgemäß wird bei einer ersten Temperatur, zweckmäßig der Raumtemperatur, der Verlauf des Offset der Meßspannung der Meßschaltungsanordnung abhängig von dem Hilfspotential ermittelt. Desgleichen wird der Verlauf des Offset der Meßspannung bei einer zweiten, weitgehend beliebigen Temperatur, die nur unterschiedlich zur ersten Temperatur, der Raumtemperatur, sein muß, ermittelt. Es wird dann aus den ermittelten Werten ein Wert des Hilfspotentials ausgewählt, bei dem der Offset der Meßspannung jeweils bei beiden Temperaturen gleich ist. Auf diesen Wert wird also das Hilfspotential fest eingestellt.

Der verbleibende statische Offset der Meßspannung kann nach obigem Abgleich des Temperaturkoeffizienten gemäß Anspruch 4 in einer dem Shuntwiderstand nachgeschalteten Stufe ausgeglichen werden, so daß jedenfalls in den Kompensationskreis, in dem der Kompensationsleiter liegt, nicht eingegriffen wird.

Es ist statt dessen aber auch möglich, gemäß Anspruch 5 die Hilfspotentialquelle und den Kompensationswiderstand so auszuwählen bzw. einzustellen, daß sowohl der statische Offset der Meßspannung der Meßschaltungsanordnung als auch deren Temperaturkoeffizient kompensiert werden.

Gemäß Anspruch 6 ist die Hilfspotentialquelle vorteilhaft durch einen Digital-Analog-Umsetzer verwirklicht, der insbesondere für einen automatischen Abgleich einfach und präzise mit einem durch einen Rechner generierten Digitalwert beaufschlagt werden kann.

Mit ähnlichem Ziel kann der Kompensationswiderstand vorteilhaft in Switched-Capacitor-Technik gemäß Anspruch 7 realisiert sein, es braucht sich also nicht um einen ohmschen Widerstand zu handeln.

Ebenfalls besonders geeignet für einen automatischen Abgleich, aber auch kompakt und robust ist eine Realisierung der Hilfsspannungsquelle, der Stromquelle und des Kompensationswiderstandes in mindestens einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 8.

Zur Kompensation des statischen Offset der Meßspannung der Meßschaltanordnung sowie deren Temperaturkoeffizienten erfolgt der Abgleich für die individuelle Sensorbrücke ausgehend von dem in Anspruch 9 definierten Abgleichverfahren gemäß Anspruch 10 dadurch, daß eine Auswahl des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands erfolgt, bei dem der statische Offset der Meßspannung minimiert ist, der für zwei Temperaturen mit dem Hilfspotential auf einen gleichen Wert einstellbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und die Abgleichverfahren werden im folgenden anhand einer Zeichnung mit 3 Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 eine temperaturkompensierte Meßschaltungsanordnung in einer schematischen Darstellung,
2 den Verlauf des statischen Offset der Meßschaltungsanordnung entsprechend der Meßspannung Ua bei fehlendem Meßfeld abhängig von einem Hilfspotential Uh für zwei verschiedene Temperaturen der Meßschaltungsanordnung und
3 den Verlauf des statischen Offset der Meßschaltungsanordnung für drei Kompensationswiderstände jeweils bei zwei verschiedenen Temperaturen der Meßschaltungsanordnung abhängig von dem Hilfspotential Uh.
In 1 sind magnetoresistive Sensoren 1–4 in einer Wheatstone'schen Brücke angeordnet, die als magnetoresistive Sensorbrücke 5 bezeichnet wird. Ein Signalausgang 6 dieser Brücke steht mit Eingängen eines Ausleseverstärkers 7 in Verbindung, dessen Verstärkerausgang 8 über einen Kompensationsleiter 9 mit einem Shuntwiderstand 10 in Reihe geschaltet ist. Von einer Klemme 11 an dem Shuntwiderstand kann die mit der Meßschaltungsanordnung erzeugte Meßspannung Ua abgegriffen werden.
Der Kompensationsleiter 9 ist bezüglich den Sensoren 1–4 so auf einem gemeinsamen Chip 12 angeordnet, daß er ein einem magnetischen Meßfeld oder Meßfeldgradienten entgegengesetztes magnetisches Feld erzeugt, wenn in dem Kompensationsleiter ein Kompensationsstrom/fließt, der in dem Shuntwiderstand 10 in die Meßspannung Ua gewandelt wird.
Die Sensorbrücke 5 ist an Punkten 17, 18 mit einer Stromquelle 13 verbunden, die einen konstanten Brückenstrom in die Sensorbrücke 5 einspeist.
Zur zusätzlichen Kompensation des Temperaturkoeffizienten des Offset der von der Klemme 11 abnehmbaren Meßspannung ist weiterhin eine Reihenschaltung eines Kompensationswiderstands 14 mit einer Hilfspotentialquelle 15 mit einem Eingang 16 des Ausleseverstärkers 7 verbunden.
Im Betrieb der Meßschaltungsanordnung ändert sich die Brückenspannung zwischen den Punkten 17 und 18 und damit an dem Eingang 16 des Ausleseverstärkers 7, wenn sich die Temperatur der Sensorbrücke 5 und damit deren Widerstand ändert. Damit ändert sich auch der Strom temperaturabhängig, der durch den Kompensationswiderstand 14 fließt und den Signalausgang 6 der Brücke beeinflußt, was einen zusätzlichen temperaturabhängigen Offset darstellt.
Zur Einstellung des Temperaturkoeffizienten des Offset der Meßspannung wird bevorzugt das Potential bzw. die Spannung Uh der Hilfpotentialquelle 15 verwendet, die somit zum Abgleich einstellbar bzw. auswählbar ist. Der Vorzug der Einstellung des Temperaturkoeffizienten mit der Hilfspotentialquelle besteht darin, daß mit dieser sowohl ein negativer als auch ein positiver Temperaturkoeffizient erzeugt werden kann.
Gemäß 2 wird abhängig von der Einstellung der Hilfspotentialquelle 15 mit dem Potential bzw. der Spannung Uh die Ausgangsspannung bzw. Meßspannung Ua gleich dem Offset der Meßschaltungsanordnung verändert, wobei diese Meßspannung angenähert als Gerade verläuft. Die Variation des Hilfspotentials Uh erfolgt jeweils bei einer ersten Temperatur der Sensorbrücke, beispielsweise der Raumtemperatur von ca. 25°C entlang einer ersten Geraden eines Geradenpaars und bei einer zweiten Temperatur von ca. 85°C entlang der zweiten, steileren Gerade des Geradenpaars. Wie ersichtlich schneiden sich die beiden Geraden bei einem Hilfspotential Uh von etwas größer als 3 V. Auf diesem Wert bleibt die Hilfspotentialquelle 15 für den Meßbetrieb der somit temperaturkompensierten Meßschaltungsanordnung für den vorliegenden Wert des Kompensationswiderstands 14 optimal eingestellt.
Mit 3 wird das Abgleichverfahren zum zusätzlichen Abgleich des statischen Offset der Meßspannung der Schaltungsanordnung gemäß 1 durch geeignete Wahl des Kompensationswiderstands 14 erläutert. Aus 3 sind drei sich jeweils kreuzende Geradenpaare ersichtlich, die für einen Kompensationswiderstand 14 bzw. R1 von 400 kΩ, 600 kΩ und 800 kΩ realisiert werden, wenn für jedes Geradenpaar wie oben zu 2 beschrieben das Hilfspotential Ua variiert wird und für die beiden Geraden eines Paars jeweils die unterschiedlichen Temperaturen wie zu 2 eingestellt werden. Es ist ersichtlich, daß der Schnittpunkt des Geradenpaars für R1 = 600 kΩ den geringsten statischen Offset in der Nähe von Null einnimmt, so daß dieser Wert des Kompensationswiderstands, wenn nicht ein noch etwas größerer Wert, der zwischen 600 kΩ und 800 kΩ interpoliert werden kann, ausgewählt wird, um auch den statischen Offset zu minimieren.

Claims

Temperaturkompensierte Meßschaltungsanordnung mit einer magnetoresistiven Sensorbrücke (5), deren Signalausgang (6) mit einem Eingang eines Ausleseverstärkers (7) verbunden ist, wobei ein Verstärkerausgang (8) über einen Kompensationsleiter (9) mit einem Shuntwiderstand (10) in Verbindung steht, an dem eine Meßspannung abfällt, und wobei der Kompensationsleiter (9) an der Sensorbrücke (5) ein einem Meßfeld entgegengesetztes Kompensationsfeld erzeugend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorbrücke (5) aus einer Stromquelle gespeist ist und daß ein Kompensationswiderstand (14) einerseits mit dem Signalausgang (6) der Sensorbrücke (5) und andererseits mit einer Hilfspotentialquelle (15) verbunden ist.
Meßschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspotentialquelle (15) so ausgewählt bzw. eingestellt ist, daß der Temperaturkoeffizient eines Offset der Meßspannung (Ua) der Meßschaltungsanordnung kompensiert ist.
Meßschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationswiderstand (14) so ausgewählt bzw. eingestellt ist, daß der Temperaturkoeffizient des Offset der Meßspannung (Ua) der Meßschaltungsanordnung kompensiert ist.
Meßschaltung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensation des statischen Offset der Meßspannung (Ua) in einer dem Shuntwiderstand (10), an dem die mit dem statischen Offset behaftete Meßspannung abfällt, nachgeschalteten Stufe erfolgt.
Meßschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspotentialquelle (15) und der Kompensationswiderstand (14) so ausgewählt bzw. eingestellt sind, daß sowohl ein statischer Offset der Meßspannung (Ua) der Meßschaltungsanordnung als auch deren Temperaturkoeffizient kompensiert sind.
Meßschaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspotentialquelle (15) durch einen Digital-Analog-Umsetzer realisiert ist.
Meßschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationswiderstand (14) in Switched-Capacitor-Technik realisiert ist.
Meßschaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (15), die Stromquelle (13) und der Kompensationsleiterwiderstand (14) in mindestens einer integrierten Halbleiterschaltung realisiert sind.
Abgleichverfahren zum Abgleich der Temperaturkompensation der Meßschaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ersten Temperatur der Verlauf des Offset der Meßspannung (Ua) der Meßschaltungsanordnung abhängig von dem Hilfspotential (Uh) ermittelt wird, daß bei wenigstens einer zweiten Temperatur der Verlauf des Offset der Meßspannung (Ua) der Meßschaltungsanordnung abhängig von dem Hilfspotential (Uh) ermittelt wird und daß ein Hilfspotential (Uh) ausgewählt wird, bei dem der Offset der Meßspannung (Ua) jeweils bei beiden Temperaturen gleich ist.
Abgleichverfahren nach Anspruch 9 zum zusätzlichen Abgleich des statischen Offset der Meßspannung der Meßschaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandswert des Kompensationswiderstands (14) ausgewählt wird, bei dem der statische Offset der Meßspannung (Ua), der für wenigstens zwei Temperaturen durch Auswahl des Hilfspotentials (Uh) gleich eingestellt ist, minimiert ist.