DE102004047770A1

DE102004047770A1 - Sensor zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufgrund eines Messmagnetfelds sowie Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb eines solchen

Info

Publication number: DE102004047770A1
Application number: DE200410047770
Authority: DE
Inventors: Bernhard Forster; Klaus Grambichler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: DE102004047770B4

Abstract

Ein Sensor zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufgrund eines Messmagnetfelds umfasst ein Sensorelement zum Erfassen eines Magnetfeldes und eine Leiteranordnung zum Erzeugen eines dem Messmagnetfeld überlagerten Magnetfeldes zum Einstellen eines Arbeitspunkts des Sensorelements durch einen Stromfluss durch die Leiteranordnung. Bei einem Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors wird der Stromfluss durch die Leiteranordnung abgeglichen, um einen optimalen Arbeitspunkt des Sensorelements einzustellen. Bei einem Verfahren zum Betrieb eines derartigen Sensors wird der Stromfluss während des Betriebs des Sensors so eingestellt, dass sich das Sensorelement stets in einem optimalen Arbeitspunkt befindet. Ein solcher Sensor bringt den Vorteil, dass das Sensorelement stets in einem Arbeitspunkt mit optimaler Empfindlichkeit und optimalem Aussteuerungsbereich betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Sensor zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufgrund eines Messmagnetfelds, im speziellen auf einen integrierten magnetoresistiven Sensor mit einer Einrichtung zur Kompensation des magnetischen Offsets.

Sensoren zur Erfassung einer Position, Geschwindigkeit oder Drehzahl, bei denen ein auf einem magnetoresistiven Effekt beruhender Sensor zur Bestimmung von Position und Orientierung eines beweglichen Bauteils verwendet wird, werden heute sehr häufig im Bereich des Automobilbaus und des Maschinenbaus eingesetzt. Derartige Sensoren besitzen zwar den Vorteil einer sehr hohen Empfindlichkeit, müssen jedoch für eine ordnungsgemäße Funktion sehr genau platziert sein. Die bei einem Einsatz herkömmlicher magnetoresistiver Sensoren auftretenden Probleme werden im Nachfolgenden detailliert beschrieben.

Der Begriff „magnetoresistiver Sensor" soll im folgenden alle Sensoren beschreiben, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von dem Magnetfeld ändert, insbesondere solche Sensoren, die den großen magnetoresistiven Effekt (GMR), den tunnelquantenmagnetoresistiven Effekt (TMR), den kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR) oder den anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR) verwenden. Solche magnetoresistive Sensoren (auch als xMR-Sensoren bezeichnet) werden wegen ihrer hohen Sensitivität und ihrem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis zunehmend als Drehzahl- bzw. Positionssensoren eingesetzt. Man erreicht mit ihnen eine höhere Genauigkeit, bessere Jitter-Eigenschaften und einen größeren zulässigen Luftspalt als z. B. mit Hallsensoren.

Die magnetoresistiven Sensoren haben jedoch gegenüber Hallsensoren einen entscheidenden Nachteil. Während Hallsensoren prinzipbedingt einen nahezu unendlich großen Linearitätsbereich aufweisen, haben magnetoresistive Sensoren nur in einem kleinen magnetischen Fenster um den Nullpunkt exzellente Eigenschaften. Ab einer bestimmten Größe der gemessenen Felder ist ein Sättigungsverhalten zu beobachten.

7 zeigt die Übertragungskennlinien einer Hallsonde und einer Vollbrückenschaltung mit magnetoresistiven Elementen. Auf der Abszisse 502 ist hierbei sowohl für eine Hallsonde als auch für eine Vollbrückenschaltung mit magnetoresistiven Elementen jeweils die Größe einer Magnetfeldkomponente aufgetragen, auf die der jeweilige Sensor empfindlich ist. Auf der Ordinate 504 ist die Ausgangsspannung einer entsprechenden Brückenschaltung in normierter Form eingetragen. Die erste Kennlinie 510 eines Hallelementes ist hierbei in dem dargestellten Bereich eine Gerade, was auf einen großen linearen Arbeitsbereich hinweist. Die zweite Kennlinie 512 einer Brückenschaltung mit magnetoresistiven Elementen zeigt dagegen eine ausgeprägte S-Charakteristik. In dem Bereich um den Ursprung 520 ist die Übertragungskennlinie weitgehend linear. Für größere Beträge des magnetischen Feldes ergibt sich ein Sättigungsverhalten, so dass eine Veränderung der magnetischen Feldstärke einer Komponente des Magnetfelds keine Änderung der Ausgangsspannung der Brückenschaltung mehr mit sich bringt. Bereiche mit einem solchen Verhalten sind Sättigungsbereiche, welche für eine Messung mit befriedigender Genauigkeit nicht verwendbar sind.

Zu beachten ist außerdem, dass magnetoresistive Sensoren eine planare Magnetfeldkomponente, d. h. eine Komponente des Magnetfelds in der Sensorebene (hier beispielsweise B_x) messen, während Hallsensoren die normale Komponente, d. h. eine Magnetfeldkomponente normal zu der Sensorebene (hier beispielsweise B_z) messen.

Bezüglich der Anwendung eines entsprechenden Magnetfeldsensors kann man für die Positions-, Geschwindigkeits- oder Drehzahlmessung zwei grundlegende Prinzipien unterscheiden. Es existieren Applikationen mit Permanentmagneten, die fest mit einem Magnetfeldsensor verbunden sind (Backbias-Magneten) und Applikationen mit Polrädern bzw. Polstangen.

Bei den Anwendungen mit einem Polrad bzw. einer Polstange sind die zu detektierenden Objekte mit einem magnetischen Muster vormagnetisiert, so dass in einem bestimmten Abstand abwechselnd Nord- und Südpole auftreten. Bewegt sich nun so ein Objekt vor einem ortsfesten magnetoresistiven Sensor in Richtung der Sensorebene vorbei, so misst der Sensor die sich ändernden Magnetfelder. Die Magnetfelder bzw. der Verlauf der Änderungen wird anschließend ausgewertet. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem Polrad bzw. einer Polstange. Die Anwendung umfasst hier eine Polstange 600 sowie einen Magnetfeldsensor 602. Gezeigt ist ferner die Richtung des Magnetfelds, die hier durch Magnetfeld-Pfeile 604 angedeutet ist. Die Polstange 600, die auch als Polrad ausgeführt sein kann, umfasst Gebiete 610, die magnetische Nordpole darstellen, sowie ein Gebiet 612, das einen magnetischen Südpol darstellt. Der Magnetfeldsensor umfasst drei Magnetfeldsonden 620, 622, 624, die in einem Sensorgehäuse 630 untergebracht sind. Die Magnetfeldsonden 620, 622, 624 messen hierbei die Stärke einer Magnetfeldkomponente an dem Ort der jeweiligen Magnetfeldsonde. Mit der Bewegung der Polstange bzw. des Polrads ändern sich die Magnetfelder, was durch den Magnetfeldsensor detektiert wird und in einem Ausgangssignal resultiert.

Bei Applikationen mit Dauermagneten (Backbias-Magneten) wird hinter dem magnetoresistiven Sensor ein Dauermagnet angebracht, der ein statisches Gleichfeld liefert. Bewegt sich nun vor dieser Magnetsensoranordnung ein ferromagnetisches Objekt mit Erhöhungen (Zähnen) und Vertiefungen (Lücken) in der Sensorebene vorbei, so wird das von dem Sensor gemessene Feld moduliert. Das dadurch entstehende Signal kann wiederum gemessen bzw. als Ausgangssignal ausgegeben werden.

9 zeigt eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem feststehenden Dauermagneten (Backbias-Magnet). Die Anwendung umfasst eine Sensoranordnung 650, die mit einem Dauermagneten 654 (Backbias-Magnet) verbunden ist. Weiter umfasst die Anordnung eine Zahnstange 658, die auch als Teil eines Zahnrades mit hinreichend großem Radius ausgeführt sein kann. Die Sensoranordnung umfasst drei Magnetfeldsonden 660, 662, 664, die in einem Sensorgehäuse 670 untergebracht sind. Die Magnetfeldsonden sind in der Sensoranordnung 650 in einer Reihe angeordnet. Die Zahnstange 658 weist in regelmäßigem Abstand Erhöhungen und Vertiefungen auf.

Die Funktionsweise der vorbeschriebenen Anwendung wird im folgenden aufbauend auf der strukturellen Beschreibung näher erläutert. Der Dauermagnet 654, der mit der Sensoranordnung 650 verbunden ist, erzeugt ein permanentes Magnetfeld. Dieses wird durch die Sensoranordnung selbst nur geringfügig verändert, da die Sensoranordnung erstens sehr klein ist und zweitens im wesentlichen Materialien mit geringer magnetischer Permeabilität umfasst. Die Zahnstange 658 bzw. ein gegebenenfalls vorhandenes Zahnrad aus einem Material mit hoher Permeabilität beeinflusst das Magnetfeld stark. Es kommt zu einer deutlichen Verzerrung der Feldlinien, die von der augenblicklichen Position der Zahnstange 658 bzw. des Zahnrads abhängig ist. Somit ändert sich auch das Magnetfeld, das die Sensoranordnung 650 durchsetzt, in Abhängigkeit von der Position der Zahnstange 658. Die Veränderungen des Magnetfelds durch die Sensoranordnung 650 aber wird von dieser detektiert. Eine geeignete Auswerteschaltung ermöglicht es, von dem detektierten Magnetfeld auf die Position der Zahnstange 658 bzw. eines Zahnrads zurückzuschließen.

Im folgenden wird die Problemstellung, die beim Einsatz von Magnetfeldsensoren zur Positionsbestimmung auftritt, näher erläutert. Es wird hierbei als Beispiel eine Anwendung gezeigt, die einen ortsfesten Permanentmagnet verwendet (Backbias-Magnet). Die Ausführungen gelten jedoch sinngemäß genauso für Anwendungen mit einem Polrad bzw. einer Polstange. Die Ausführungen beziehen sich hierbei auf die 10–15, bei denen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Einrichtungen kennzeichnen. Die 10, 12 und 14 zeigen schematische Darstellungen einer Anwendung mit einem feststehenden Permanentmagnet ohne Positionierungsfehler, mit einer Verschiebung zwischen Dauermagnet und Sensoranordnung und einer Verkippung zwischen Dauermagnet und Sensoranordnung. In den Abbildungen gezeigt sind jeweils ein feststehender Dauermagnet 700 sowie eine Sensoranordnung 702. Die Sensoranordnung 702 umfasst eine zentrierte magnetoresistive Sonde 710 in der Mitte des Sensors (mittlere Sonde) sowie eine differenzielle Anordnung von magnetoresistiven Sonden 712, 714 (linke und rechte Sonde).

Ferner zeigen die Abbildungen ein Sensorgehäuse 720. Die differenzielle Anordnung ist so zu verstehen, dass aus dem Signal der linken Sonde 712 und dem Signal der rechten Sonde 714 ein Differenzsignal (Signal der linken Sonde 712 minus Signal der rechten Sonde 714) gebildet wird, welches weiter ausgewertet wird. Überdies sind in den Abbildungen auch der feststehende Dauermagnet 700 (Backbias-Magnet) und die von demselben erzeugten magnetischen Feldlinien bzw. Feldpfeile 730 gezeigt. Da es sich um magnetoresistive Sonden handelt, sind (in erster Näherung) nur die planaren Feldanteile durch die Sonden relevant. Dies sind jene Feldanteile, welche die Sonden in Richtung der größeren Dimension der Sonde durchsetzen. Vorzugsweise wird für die Einzelsonde eine Halbbrücke und für die differenziellen Sonden eine verteilte Vollbrücke angewendet. Für beide Anordnungen ergeben sich Übertragungsfunktionen, die anhand von 7 beschrieben wurden. Für eine differenzielle Anordnung ist allerdings auf der Abszisse die Magnetfeldkomponente B_x durch die Differenz der entsprechenden Felder der linken Sonde 712 (B_x1) und der rechten Sonde (B_x2) zu ersetzen.

Im folgenden wird anhand der 10 und 11 erläutert, wie sich durch die Feldlinienkrümmung der Arbeitspunkt der Sensoren selbst bei idealem Einbau von Sensor und Magnet verschiebt. 10 zeigt, dass auch bei idealem Einbau von Sensoranordnung 702 und feststehendem Dauermagnet 700, also wenn die Sensoranordnung 702 bezogen auf den feststehenden Dauermagnet 700 weder verschoben noch verdreht eingebaut ist, bei einem differenziellen Sensor schon eine Arbeitspunktverschiebung auftritt. Dies kommt daher, dass bei einer magnetischen Anordnung die Feldlinien schon gekrümmt aus dem Magnet austreten. Dadurch ergibt sich bei der linken Sonde 712 ein Magnetfeld mit einer Komponente in der negativen x-Richtung und bei der rechten Sonde 714 ein Magnetfeld mit einer Komponente in der positiven x-Richtung. Dadurch ist das Differenzfeld, also die Differenz zwischen dem x-gerichteten Magnetfeld an dem Ort der linken Magnetfeldsonde 712 und der rechten Magnetfeldsonde 714, auch ohne Modulation durch ein weiteres Objekt, z. B. eine Zahnstange oder ein Zahnrad, schon positiv.

11 zeigt die Kennlinie einer magnetoresistiven Sensoranordnung mit eingezeichneten Arbeitspunkten ohne Positionierungsfehler. Auf der Übertragungskennlinie ergibt sich durch das positive Differenzfeld ein Ruhearbeitspunkt in dem ersten Quadranten, was einem magnetischen Offset gleichzusetzen ist. Wird dieser magnetische Offset zu groß, verlagert sich der Arbeitspunkt des Sensors immer mehr in den Sättigungsbereich der Kennlinie. Die Eigenschaften des Sensors bezüglich Empfindlichkeit und Linearität werden verschlechtert. Eine zentrale Brückenanordnung (mittlere Sonde 710) misst bei idealem Einbau keine Magnetfelder in x-Richtung und hat daher auch keinen magnetischen Offset. 11 zeigt sowohl die Arbeitspunkte für eine zentrale Brückenanordnung 750 sowie für eine differenzielle Brückenanordnung 754. Der sogenannte magnetische Offset ist hierbei mit 758 gekennzeichnet. Auf der Abszisse des Diagramms ist wiederum eine Magnetfeldkomponente in einer planaren Richtung, d. h. in der Ebene der Magnetfeldsonde entlang der größeren Dimension der Magnetfeldsonde, eingetragen. Für die differenzielle Anordnung wird hierbei die Differenz zwischen den entsprechenden Magnetfeldkomponenten an dem Ort der linken Sonde und der rechten Sonde verwendet. Die Ordinate zeigt jeweils eine normierte Ausgangsspannung einer Brückenschaltung mit Magnetfeldsonden.

Anhand der 12 und 13 wird im folgenden erläutert, wie sich der Arbeitspunkt eines Magnetfeldsensors durch eine Einbauungenauigkeit, die zu einer Verschiebung zwischen dem feststehenden Dauermagnet und dem Magnetfeldsensor führt, verschieben kann. In den 12 und 13 kennzeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente wie in den 10 und 11. Gezeigt ist ein Dauermagnet 700, der gegenüber dem Sensorgehäuse 720 um eine Verschiebungsstrecke 780 verschoben ist. Der Feldlinienverlauf relativ zu dem Dauermagneten ist im wesentlichen unverändert, da die Sensoranordnung 702 im wesentlichen eine geringe magnetische Permeabilität aufweist. Die Verschiebung zwischen Magnet 700 und Sensoranordnung 702 ist hierbei in x-Richtung. 13 zeigt den Effekt der Einbauungenauigkeit auf den Arbeitspunkt der Sensorbrücken. Sowohl der Arbeitspunkt 770 der zentralen magnetoresistiven Brücke als auch der Arbeitspunkt 774 der differenziellen magnetoresistiven Brücke sind aus dem Ursprung heraus verschoben. Es ergibt sich ein magnetischer Offset 776 für die zentrale magnetoresistive Brücke sowie ein magnetischer Offset 778 für die differenzielle magnetoresistive Brücke.

Weiterhin wird anhand der 14 und 15 beschrieben, wie sich der Arbeitspunkt der Magnetfeldsensoren durch eine Verkippung zwischen dem feststehenden Dauermagnet 700 und Sensoranordnung 702 verschieben kann. Die Verkippung ist hier mit 790 bezeichnet. 15 zeigt die Kennlinien einer magnetoresistiven Sensoranordnung mit eingezeichneten Arbeitspunkten mit einer Verkippung. Sind der Magnet und der Sensor gegeneinander verkippt, so sieht die zentrale Brückenanordnung im Ruhepunkt wieder eine x-Komponente des magnetischen Felds. Daraus ergibt sich der Arbeitspunkt 792 der zentralen magnetoresistiven Brücke sowie der daraus folgende magnetische Offset 794. Bei der differenziellen Brückenanordnung kommt es zu keiner Veränderung des Arbeitspunkts gegenüber der anhand von 10 und 11 beschriebenen, solange der Arbeitspunkt im linearen Bereich die Übertragungskennlinie bleibt. Es ergibt sich somit der Arbeitspunkt 796 der differenziellen magnetoresistiven Brücke und der zugehörige magnetische Offset 798.

Es zeigt sich also, dass selbst bei einem optimal positionierten Einbau der Sensoranordnung in Bezug auf den feststehenden Dauermagnet ein magnetischer Offset entsteht. Ist zusätzlich noch die Sensoranordnung gegenüber dem Dauermagnet verschoben oder verkippt, so verschieben sich die Arbeitspunkte der entsprechenden Brückenschaltungen, die die Magnetfeldsensoren umfassen, weiter. Die Sensoren werden dann nahe an ihrem nichtlinearen Betriebsbereich betrieben, was sich negativ auf die Empfindlichkeit oder Linearität der Anordnung auswirkt. Sind die Sensoren tatsächlich in Sättigung, so ist eine Erfassung einer Magnetfeldänderung nicht mehr möglich. Somit ist es wünschenswert, eine Verschiebung oder Verkippung zwischen dem Dauermagnet und den Magnetfeldsensoren so weit als möglich zu verringern.

Eine herkömmliche Lösung zur Festlegung eines Arbeitspunkts ohne störende Magnetfeldkomponenten in planarer Richtung ist die Verwendung eines Homogenisierungsblechs aus einem ferromagnetischen Material mit hoher Permeabilität. Ein solches Blech wird zur externen Kompensation des (planaren) Magnetfelds zwischen den Dauermagneten und die Sensoranordnung eingebaut. Durch die hohe Permeabilität des Homogenisierungs blechs treten die Magnetfeldlinien aus diesem senkrecht aus, und es kommt zu einer Parallelisierung der Feldlinien über den Sensorbrücken. Die Verwendung eines Homogenisierungsblechs kann jedoch den magnetischen Offset einer differenziellen Brückenanordnung nie ganz beseitigen, da immer eine Restkrümmung der Feldlinien übrig bleibt. Auch muss der mechanische Aufbau weiterhin sehr exakt ausgeführt werden, da sich jede Einbautoleranz wieder in einem magnetischen Offset niederschlägt. Sowohl die Verwendung eines zusätzlichen Bauteils, d. h. des Homogenisierungsblechs, als auch die geringen zulässigen Einbautoleranzen führen zu einem hohen Preis bei der Anwendung.

16 zeigt eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem feststehenden Dauermagnet und einem Homogenisierungsblech. Die Anwendung umfasst eine Sensoranordnung 800, ein Homogenisierungsblech 804 sowie einen Dauermagneten 808. Die Sensoranordnung 800 umfasst eine mittlere Magnetfeldsonde 820 sowie eine linke Magnetfeldsonde 822 und eine rechte Magnetfeldsonde 824. Ebenso ist der Verlauf der magnetischen Feldlinien durch Pfeile 830 gekennzeichnet. Ist die geometrische Ausrichtung optimal, d. h. liegt keine Verkippung bzw. Verschiebung zwischen Dauermagnet 808, Homogenisierungsblech 804 und Sensoranordnung 800 vor, so ist bei der gezeigten Anordnung am Ort der mittleren Sonde 820 ein Magnetfeld in x-Richtung nicht vorhanden. Der magnetische Offset in der mittleren Sonde ist also Null. Dies spiegelt sich in dem Arbeitspunkt 840 der mittleren Magnetfeldsonde 820 wider, der in 17 gezeigt ist. Die Restkrümmung der magnetischen Feldlinien 830, die trotz der Anwesenheit des Homogenisierungsblechs 804 noch übrig bleibt, führt dazu, dass der magnetische Offset der differenziellen Brückenanordnung niemals ganz beseitigt werden kann. Der Arbeitspunkt der differenziellen Brückenanordnung ist mit 844 bezeichnet und in 17 dargestellt. Der magnetische Offset ist mit 848 bezeichnet. Ein Vergleich der Anordnungen mit und ohne Homo genisierungsblech zeigt, dass der magnetische Offset mit Homogenisierungsblech geringer ist (vergleiche 11).

Eine weitere Verbesserungsmöglichkeit besteht darin, einen feststehenden Dauermagneten (Backbias-Magneten) mit einem wesentlichen größeren Durchmesser zu verwenden. Es ist nämlich der Krümmungsradius der austretenden Feldlinien direkt proportional zu dem Durchmesser des Magneten. Somit resultiert ein größerer Magnet in Feldlinien mit einem größeren Krümmungsradius. Die Krümmung (bzw. Inhomogenität) an sich ist somit geringer. Das Vorliegen eines möglichst homogenen Magnetfelds aber verringert den magnetischen Offset auch bei Vorhandensein von toleranzbedingten Abweichungen von einer idealen Geometrie. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist allerdings ein höherer Preis und eine größere Bauform als bei Verwendung eines kleinen Permanentmagneten.

Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass herkömmliche Magnetfeldsensoren mit magnetoresistiven Widerständen sehr anfällig gegen geringe geometrische Fertigungstoleranzen sind. Sowohl eine Verschiebung eines feststehenden Magneten gegenüber der Sensoranordnung als auch eine Verkippung resultieren in einem magnetischen Offset. Selbst bei optimaler geometrischer Anordnung ist ein magnetischer Offset durch die Krümmung der Feldlinie unvermeidbar. Der magnetische Offset allerdings führt zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes einer Magnetfeldsonde aus dem Ursprung heraus, was darin resultieren kann, dass der lineare Bereich des Magnetfeldsensors verlassen wird. In einem solchen Fall ist eine Messung eines Magnetfelds nicht mehr möglich.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen Magnetfeldsensor zu schaffen, der weniger empfindlich auf Verschiebungen des magnetischen Arbeitspunktes reagiert.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 sowie durch Verfahren zur Herstellung und zum Betreiben eines Sensors gemäß den Ansprüchen 34 und 35 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Sensor zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufgrund eines Messmagnetfeldes mit einem Sensorelement zum Erfassen des Magnetfeldes und einer Leiteranordnung zum Erzeugen eines dem Messmagnetfeld überlagerten Magnetfeldes zum Einstellen eines Arbeitspunkts des Sensorelements durch einen Stromfluss durch die Leiteranordnung.

Es ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass es vorteilhaft ist, wenn der Arbeitspunkt eines Magnetfeldsensors elektrisch abgleichbar ist. Ein solcher Arbeitspunktabgleich erfolgt vorteilhafter Weise durch eine Beeinflussung des Magnetfelds, das an dem Sensorelement anliegt, durch Erzeugung eines dem Messmagnetfeld überlagerten Magnetfeldanteils.

Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung unterscheidet sich somit von einer herkömmlichen Sensoranordnung dadurch, dass die Einstellung des Arbeitspunktmagnetfelds nicht durch eine mechanische Optimierung der Geometrie, wie etwa das Hinzufügen eines Homogenisierungsblechs oder die Vergrößerung der geometrischen Abmessung eines Dauermagneten, erfolgt, sondern auf elektronischem Wege durch Einprägen eines Stroms in eine Leiterschleife.

Der Abgleich des Arbeitspunkts durch einen Stromfluss in einer Leiteranordnung ist dabei wesentlich vorteilhafter als die Veränderung einer mechanischen Anordnung. So ist die Auswahl an möglichen Leiteranordnungen, die eine Beeinflussung des Magnetfelds bzw. einer Magnetfeldkomponente an einem bestimmten Ort ermöglichen, sehr groß. Der Abstand der Leiteranordnung zu dem Sensorelement kann variiert werden, wodurch sich lediglich der benötigte Strom durch die Lei teranordnung verändert. Weiterhin ist es möglich, den Stromfluss durch die Leiteranordnung, die das Arbeitspunktmagnetfeld für das Sensorelement erzeugt, elektronisch zu steuern.

Weiterhin bietet die Verwendung einer Leiteranordnung große Vorteile bei Entwurf, Herstellung und Wartung des Sensors. Die Simulation eines statischen Magnetfelds ist mit Hilfe eines statischen Magnetfeldlösers möglich, so dass der Entwurf ohne große Probleme möglich ist. Weiterhin steht eine Vielzahl von technologischen Ausführungsformen für eine Leiteranordnung zur Verfügung. Die Leiter können sowohl als diskrete Leiterstücke ausgeführt als auch monolithisch auf einer integrierten Schaltung integriert sein. Besonders im letzteren Fall sind die Herstellungstoleranzen sehr gering. Werden die Leiteranordnungen sehr nahe bei den einzelnen Sensorelementen eines Sensors angeordnet, so kann das Magnetfeld in jedem einzelnen Sensorelement separat beeinflusst werden. Dies ermöglicht die Homogenisierung des Magnetfelds an den Orten aller Sensorelemente. Die Herstellung eines Sensors, der zusätzlich eine Leiteranordnung enthält, ist typischerweise problemlos möglich. Auch ein späterer Abgleich der Arbeitspunkte der Magnetfeldsensoren (d.h. ein Abgleich, der nicht unmittelbar bei der Herstellung des Sensors erfolgt) ist durch Veränderung des Stromflusses durch die Leiterschleifen leicht möglich. Es sind nämlich jegliche Veränderungen einer elektronischen Einrichtung typischerweise leichter und mit geringeren Kosten durchführbar als Modifikationen an mechanischen Anordnungen, wie sie herkömmlicherweise bei einer Einstellung eines magnetischen Arbeitspunkts verwendet werden.

Somit ist nachvollziehbar, dass die Beeinflussung des Arbeitspunkts durch eine elektrische Leiteranordnung wesentlich vorteilhafter ist als die Verwendung einer optimierten mechanischen Anordnung, wie beispielsweise eines Homogenisierungsblechs oder eines größeren Dauermagneten, zur Arbeitspunkteinstellung.

Für den Betrieb des Sensors ergeben sich durch eine Möglichkeit zur Arbeitspunkteinstellung wesentliche Vorteile. Auch wenn das Magnetfeld deutlich inhomogen ist bzw. wenn größere mechanische Toleranzen bezüglich der Positionierung von Dauermagnet und Magnetfeldsensor auftreten, kann ein Betrieb der Sensoren an einem optimalen Arbeitspunkt gewährleistet werden. Durch Einstellung eines Stromflusses durch die Leiteranordnung wird sichergestellt, dass die Sensorelemente in einem linearen Betriebspunkt, idealer Weise nahe an dem Ursprung (d.h. bei verschwindender planarer Magnetfeldkomponente), beschrieben werden. Typische Magnetfeldsensoren weisen an diesem Betriebspunkt eine maximale Empfindlichkeit für Veränderungen des Magnetfelds auf. Weiterhin kann durch eine geeignete Einstellung des Arbeitspunkts vermieden werden, dass ein Magnetfeldsensor in den Bereich der Sättigung übergeht, wo eine Messung eines Magnetfelds nicht mehr möglich ist. Es kann somit durch eine geeignete Arbeitspunkteinstellung für den Sensor auch der maximal zulässige Bereich für ein Messmagnetfeld vergrößert werden. Dies erhöht den Dynamikbereich des Sensors. Die Empfindlichkeit gegenüber Rauschen wird verringert, da der Sensor an einem Betriebspunkt maximaler Dynamik betrieben werden kann, wodurch eine Abschwächung des Messmagnetfelds zur Vermeidung einer Übersteuerung nicht nötig ist.

Somit schafft die erfindungsgemäße Anordnung einen Magnetfeldsensor, der durch die Möglichkeit zur elektrischen Arbeitspunkteinstellung mit geringen Kosten gefertigt und mit optimalem Dynamikbereich eingesetzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird bevorzugter Weise in Verbindung mit Magnetfeldsensoren eingesetzt, die eine deutlich nichtlineare Kennlinie aufweisen bzw. die nur einen begrenzten linearen Bereich haben. Gerade in Verbindung mit Magnetfeldsensoren, die eine Sättigungscharakteristik aufweisen, ist der Einsatz einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Arbeitspunkteinstellung sehr hilfreich. Grund dafür ist die Tatsache, dass bei Sensoren mit nichtlinearer Charakteristik die Einstellung eines geeigneten Arbeitspunkts essentiell für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Sensors ist. Solche nichtlinearen Sensoren weisen Arbeitsbereiche auf, in denen sie besonders empfindlich auf Veränderungen der Messgröße (d.h. des Messmagnetfelds) reagieren, sowie Arbeitspunkte, in denen das Ausgangssignal weitgehend unabhängig von einer Änderung der Messgröße ist. Somit ist eine Einrichtung zur Arbeitspunkteinstellung besonders vorteilhaft, wenn ein verwendeter Magnetfeldsensor ein stark nichtlineares Verhalten aufweist, aber nur kleine Änderungen eines Messmagnetfelds um einen Arbeitspunkt herum aufnehmen soll, d.h. Änderungen, die klein genug sind, um die Sensorcharakteristik durch eine lineare Näherung mit hinreichender Genauigkeit beschreiben zu können.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement ein magnetoresistives Sensorelement, das seinen Widerstand abhängig von dem Messmagnetfeld ändert. Ein solches Sensorelement erfüllt genau die vorstehend beschriebenen Anforderungen. Eine Arbeitspunkteinstellung ist nötig, da das magnetoresistive Sensorelement einen vergleichsweise kleinen linearen Bereich aufweist. In dem linearen Bereich jedoch ist das magnetoresistive Sensorelement sehr empfindlich auf Veränderungen des Magnetfelds. Bevorzugter Weise können Sensorelemente verwendet werden, die auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt, dem großen magnetoresistiven Effekt, dem kolossalen magnetoresistiven Effekt und dem tunnelquanten-magnetoresistiven Effekt basieren.

Bevorzugte Magnetfeldsensorelemente erfassen typischerweise eine Magnetfeldkomponente in einer Vorzugsrichtung. Dies bringt den Vorteil, dass auch durch die Leiteranordnung zur Arbeitspunkteinstellung nur eine Magnetfeldkomponente in einer vorbestimmten Richtung beeinflusst werden muss. Somit erleichtert die richtungsabhängige Charakteristik eines magnetoresistiven Elements auch die Gestaltung der Leiteranordnung.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst das Sensorelement eine oder mehrere Schichten, die auf einem Trägersubstrat aufgebracht sind. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung des Sensorelements in einer Technologie, die ähnlich zu den herkömmlichen Halbleitertechnologien ist. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass bei der Herstellung von Magnetfeldsensoren teilweise Materialien zum Einsatz kommen, die in üblichen Halbleiterprozessen nicht verwendet werden. Unabhängig davon ist es aber möglich, die Leiteranordnung zur Arbeitspunkteinstellung in Dünnschichttechnologie auszuführen. Dies bringt den Vorteil, dass die Leiteranordnung mit der hohen Präzision der Halbleitertechnologie ausgeführt werden kann. Abweichungen bezüglich der Dimensionen sind sehr gering. Somit ist es möglich, dass die Leiteranordnung sehr nahe an das Sensorelement herangeführt wird. Da die erzeugte magnetische Feldstärke von dem Abstand der Leiteranordnung von dem Sensorelement abhängt, genügt bei einer geringen räumlichen Distanz zwischen dem Sensorelement und der Leiteranordnung ein geringer Stromfluss in der Leiteranordnung, um das Magnetfeld bzw. eine Magnetfeldkomponente an dem Ort des Magnetfeldsensorelements zu beeinflussen. Dies bringt den wesentlichen Vorteil, dass der benötigte Stromfluss sehr viel kleiner wird als bei räumlich ausgedehnten Ausführungsformen. Die Versorgungsspannungen werden wesentlich weniger stark belastet als in einem Fall, bei dem eine große räumliche Distanz zwischen der Leiteranordnung und dem Magnetfeldsensorelement besteht.

Außerdem ist es bei Verwendung eines geringen Abstandes zwischen Magnetfeldsensorelement und Leiterschleife möglich, auch bei Vorhandensein mehrerer Sensorelemente das Magnetfeld an dem Ort eines jeden Sensorelements getrennt einzustellen. Somit bringt eine sehr feine Leiterstruktur auch den Vorteil mit sich, dass eine hohe räumliche Auflösung erzielbar ist.

Schließlich beeinflusst eine sehr fein strukturierte Leiteranordnung, in der entsprechend niedrige Ströme fließen, das Magnetfeld außerhalb des Sensors nicht. Damit wirkt die Arbeitspunkteinstellung wie gewünscht nur lokal, d. h. innerhalb des Sensors.

Bezüglich der technologischen Ausführung ist es möglich, die Leiterstruktur zwischen einem Substrat und dem Sensorelement einzubetten oder die Leiterstruktur oberhalb des Sensorelements anzufertigen. Bei dem letzteren Beispiel befindet sich also das Sensorelement zwischen der Leiterstruktur und dem Substrat. Somit sind bevorzugter Weise sowohl das Sensorelement als auch die Leiteranordnung auf einem Chip integriert. Dies bringt wiederum den Vorteil einer einfachen Herstellung sowie einer geringen Distanz zwischen Leiteranordnung und Sensorelement. Bezüglich der technologischen Struktur besteht eine Reihe von Wahlmöglichkeiten, was die Einbindung einer Leiterstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung in eine Vielzahl von Sensorelementen bzw. Sensorchips ermöglicht.

Andererseits ist es auch möglich, dass der Sensor als Chip ausgeführt ist und die Leiterstruktur in das Chipgehäuse integriert ist. Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass der Sensorchip an sich nicht verändert werden muss. Auch die technologischen Schritte können unverändert bleiben, d. h. es ist insbesondere nicht erforderlich, einen zusätzlichen technologischen Schritt zur Erzeugung einer Leiterstruktur zu implementieren. Je nach Gehäuseform ist es mit gewissem Aufwand möglich, eine leitende Struktur zu integrieren. Dies kann z. B. durch Aufdampfen und Strukturieren einer geeigneten leitenden Schicht erfolgen. Es ist aber genauso gut denkbar, dass die Leiterstruktur aus gestanzten Metallteilen oder aus Bonddrähten besteht. Eine Realisierung der Leiterstruktur in dem Chipgehäuse bringt weiterhin den Vorteil, dass hierbei eine bessere Wärmeabfuhr der Verlustwärme als bei einer auf dem Chip realisierten Leiteranordnung gewährleistet ist. Die Erzeugung von Verlustwärme aber ist unver meidbar, da bei Vorliegen eines Stromflusses durch eine Leiterstruktur aufgrund des unvermeidlichen ohmschen Widerstands eine Verlustleistung entsteht. Diese kann durch die thermische Kopplung der Leiterstruktur mit dem Gehäuse leichter abgeführt werden als dies bei On-Chip-Lösungen der Fall ist.

Die Leiteranordnung kann weiterhin in einer vielfältigen Weise modifiziert sein. Sie kann einen geraden Leiter sowie mehrere Leiter, die parallel zueinander verlaufen, umfassen. Es ist auch möglich, dass die Leiteranordnung das Sensorelement umschließt. In diesem Fall ist eine besonders effektive Erzeugung eines Magnetfelds möglich. Der Auswahl der jeweils geeignetsten Leiteranordnung erfolgt in Abhängigkeit von der gewünschten Struktur des Magnetfelds und von den technologischen Gegebenheiten. Die Verwendung mehrerer paralleler Leiter kann vorteilhaft sein, um ein möglichst homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Bei der Verwendung einer Leiterschleife verdoppelt sich das durch einen vorgegebenen Strom erzeugbare Magnetfeld.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Sensor eine Steuerschaltung zur Einstellung des Stromflusses in der Leiteranordnung. Dies bringt den Vorteil, dass die gesamte zur Einstellung des Stromflusses durch die Leiteranordnung nötige Schaltungstechnik bereits in dem Sensor selbst enthalten ist. Der Sensor benötigt daher keine weiteren externen Komponenten zur Arbeitspunkteinstellung. Die Steuerschaltung wird bevorzugt so ausgelegt, dass sie es ermöglicht, den Stromfluss so einzustellen, dass in dem Ruhezustand des Sensors die gesamte magnetische Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung in dem Sensorelement verschwindet. Dies ist typischerweise der Arbeitspunkt mit der höchsten Empfindlichkeit.

Bevorzugter Weise umfasst die Steuerschaltung ein Speicherelement, das ausgelegt ist, um eine Information über die Größe des Stromflusses zu speichern. Ein solches Speicherelement, das typischerweise ein nichtflüchtiges Speicherelement ist, kann bei der Herstellung des Sensors so programmiert werden, dass der Sensor in Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen und sonstigen Prozessschwankungen auf einen idealen Arbeitspunkt eingestellt ist. Bei einem Betrieb des Sensors kann eine Steuerschaltung dann Informationen aus dem Speicherelement entnehmen und den Steuerstrom für die Leiteranordnung entsprechend einstellen. Somit ist es möglich, den Arbeitspunkt des Sensors mindestens einmal abzugleichen. Der Sensor wird hierbei an die Umgebungsverhältnisse (d.h. die ihn umgebenden Komponenten) angepasst. Daneben ist es möglich, dass das Speicherelement mehrmals umprogrammiert werden kann, so dass der Sensor an verschiedene Anwendungsumgebungen anpassbar ist.

Die Speicherzellen können auch ausgelegt sein, um den optimalen Arbeitspunktstrom für verschiedene Werte eines weiteren von außen festgelegten Parameters zu enthalten. Beispielsweise kann der ideale Steuerstrom für verschiedene Temperaturen oder verschiedene anderweitig definierte Betriebszustände einprogrammiert sein. Damit entsteht ein sehr mächtiges Werkzeug, um einen Sensorchip an verschiedene äußere Betriebszustände anpassbar zu machen. Auch eine Information über den optimalen Arbeitspunktstrom in Abhängigkeit von dem Abstand eines beweglichen Elements von dem Magnetfeldsensor kann in die Speicherzellen eingeschrieben sein. Somit ist es möglich, einen Sensor zu bauen, der für verschiedene Betriebszustände die geeigneten Arbeitspunktströme gespeichert hat. Die Anwendung muss dem Sensor nur noch mitteilen, in welchem Betriebszustand bzw. in welcher Betriebsumgebung er betrieben wird. Dies ergibt ein sehr flexibles Sensorkonzept. Insbesondere ist der Endanwender von der Notwendigkeit befreit, den Sensor selbst kalibrieren zu müssen.

Daneben ist bevorzugter Weise auch eine dynamische Einstellung des Arbeitspunkts möglich. Hierzu ist eine Schaltungsan ordnung notwendig, die das Ausgangssignal eines Sensorelements bzw. einer Brückenschaltung aus Sensorelementen erfasst und auswertet. Insbesondere kann die Auswerteschaltung ausgelegt sein, um einen minimalen und maximalen Wert des Sensorausgangssignals bzw. des Sensorbrückenausgangssignals zu bestimmen. Aus diesen Werten kann ermittelt werden, in welchem Betriebsbereich ein Sensor betrieben wird. Die dynamische Anpassschaltung kann sodann einen Steuerstrom bereitstellen bzw. in die Leiteranordnung einprägen, der geeignet ist, um den Sensor in seinen günstigsten Arbeitspunkt zu bringen. Die dynamische Anpassschaltung kann beispielsweise in Form einer Regelschaltung realisiert sein. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass das Sensorelement unabhängig von etwaigen Schwankungen der äußeren Bedingungen in dem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Die Sensorelemente werden unabhängig von den äußeren Bedingungen an einen Betriebspunkt gebracht, an dem sie eine maximale Empfindlichkeit aufweisen und an dem nicht die Gefahr besteht, dass ein Sensorelement die Sättigung erreicht. Letztlich ist es so möglich, ein optimales steilflankiges Ausgangssignal zu erzeugen. Dies verringert die Ungenauigkeit bei einer Positionsbestimmung bzw. den Jitter. Auch werden geometrische Schwankungen, beispielsweise Schwankungen des Abstands zwischen dem Sensorelement und einem beweglichen Element, ausgeglichen. Auch Veränderungen der Temperatur können weitgehend kompensiert werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine dynamische Anpassschaltung ausgelegt sein, um den Steuerstrom durch die Leiteranordnung so einzustellen, dass das Ausgangssignal eines Sensorelements zu jedem Zeitpunkt einen vorgegebenen Wert annimmt. Damit ist gewährleistet, dass zu jedem Zeitpunkt eine feste vorgegebene Magnetfeldkomponente an dem Sensorelement anliegt. Somit wird das Sensorelement an einem festen Arbeitspunkt betrieben. Jedwede Linearitätsfragen des Sensorelements treten dabei in den Hintergrund. Es handelt sich hier um ein Kompensationsmessverfahren, das darauf beruht, das Magnetfeld in dem Sensorelement konstant zu halten. Der benötigte Steuerstrom, der notwendig ist, um eine Magnetfeldkomponente in dem Sensorelement konstant zu halten, ist hierbei ein Maß für das an dem gesamten Sensor anliegende (durch äußere Quellen erzeugte) Messmagnetfeld.

Bevorzugter Weise umfasst ein Sensor mehr als ein Sensorelement. Es ist sehr günstig, zwei Sensorelemente so in einer Messbrücke zu verschalten, dass ein differenzielles Sensorausgangssignal entsteht. Eine differenzielle Messanordnung ist typischerweise weniger anfällig gegenüber Störeinflüssen als eine Anordnung, die nur ein Sensorelement verwendet. Solange eine Symmetrie der Anordnung gewährleistet ist, führt eine differenzielle Ausführung typischerweise zu einer höheren Präzision insbesondere bezüglich eines Schaltzeitpunkts, der durch eine Symmetrie in der Anordnung bestimmt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Sensors sind drei Sensorelemente vorhanden. Die beiden äußeren Sensorelemente sind hierbei bevorzugter Weise zu einer Messbrücke verschaltet, um ein Differenzsignal, das ein Maß für die Differenz der Größe der die Sensorelemente durchsetzenden Magnetfeldkomponenten in einer vorbestimmten Richtung ist, zu erzeugen. Ein mittleres Sensorelement ist hierbei typischerweise Teil einer zentralen Messbrücke. Werden die drei Sensorelemente entlang einer Geraden angeordnet, so erlaubt dies eine sehr exakte Bestimmung der Position des Sensors relativ zu einer Anordnung, die den Verlauf des Magnetfelds formt bzw. stört.

Bevorzugter Weise wird ein Magnetfeldsensor mit einem Permanentmagneten gekoppelt, der als Quelle des Messmagnetfelds dient. Eine bewegliche Gebereinrichtung, die ausgelegt ist, um das Messmagnetfeld zu beeinflussen, führt hierbei zu Veränderungen des Messmagnetfelds in dem Sensor. Ausgehend von diesen Magnetfeldänderungen ist es möglich, eine Veränderung der Position der Gebereinrichtung relativ zu dem Sensor zu erkennen. Als Gebereinrichtung kann beispielsweise eine Zahnstange oder ein Zahnrad dienen. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Realisierung eines Positions-, Geschwindigkeits- oder Drehzahlsensors.

Weiterhin ist es möglich, dass die Quelle des Messmagnetfelds beweglich ist. Hierbei ist das Messmagnetfeld abhängig von einer Position und einer Ausrichtung der beweglichen Quelleneinrichtung. Die Quelleneinrichtung kann beispielsweise ein Polrad oder eine Polstange sein. Durch die Kombination eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer solchen Quelleneinrichtung ist es möglich, wiederum einen sehr hochauflösenden Sensor zu realisieren, dessen Funktion im wesentlichen unbeeinflusst von Veränderungen der äußeren Bedingungen ist. Dazu gehören auch geometrische Veränderungen, die durch Toleranzen entstehen können. Somit ist ein erfindungsgemäßer Sensor ideal geeignet für den Einsatz mit einem Polrad bzw. einer Polstange.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Kennlinie eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit eingezeichnetem Arbeitspunkt;
4a ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4b ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung und zum Abgleich eines Sensors;
6 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Sensors;
7 eine Übertragungskennlinie einer Hallsonde und einer Vollbrückenschaltung mit magnetoresistiven Elementen gemäß dem Stand der Technik;
8 eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem Polrad bzw. einer Polstange gemäß dem Stand der Technik;
9 eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem feststehenden Dauermagnet gemäß dem Stand der Technik;
10 eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem feststehenden Dauermagnet ohne Positionierungsfehler gemäß dem Stand der Technik;
11 eine Kennlinie einer magnetoresistiven Sensoranordnung mit eingezeichnetem Arbeitspunkt ohne Positionierungsfehler gemäß dem Stand der Technik;
12 eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem feststehenden Dauermagnet mit montagebedingter Verschiebung in x-Richtung gemäß dem Stand der Technik;
13 eine Kennlinie einer magnetoresistiven Sensoranordnung mit eingezeichnetem Arbeitspunkt mit montagebedingter Verschiebung in x-Richtung gemäß dem Stand der Technik;
14 eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem feststehenden Dauermagnet mit Verkippung gemäß dem Stand der Technik;
15 eine Kennlinie einer magnetoresistiven Sensoranordnung mit eingezeichnetem Arbeitspunkt mit Verkippung gemäß dem Stand der Technik;
16 eine schematische Darstellung einer Anwendung mit einem feststehenden Dauermagnet und einem Homogenisierungsblech gemäß dem Stand der Technik; und
17 eine Kennlinie einer magnetoresistiven Sensoranordnung mit eingezeichnetem Arbeitspunkt mit Homogenisierungsblech gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor ist in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Der Sensor umfasst ein Sensorelement 12 sowie eine Leiteranordnung 14. Weiterhin ist ein Koordinatensystem 16 gegeben, das eine x-, y- und z-Richtung festlegt. In dem Sensor existiert ein Messmagnetfeld 20, das hier durch Pfeile repräsentiert wird. Weiterhin erzeugt die Leiteranordnung 14 aufgrund des von der Stromquelle 24 eingeprägten Stromfluss I ein Leitermagnetfeld 28, das wiederum durch Feldlinien und Pfeile angedeutet ist. Das Leitermagnetfeld 28 umschließt im wesentlichen die Leiteranordnung 14. Ein hier nicht gezeigtes Gesamtmagnetfeld ergibt sich durch Überlagerung des Messmagnetfelds und des Leitermagnetfelds. Hierbei kann von einer linearen Überlagerung ausgegangen werden, da sich die vorhandenen magnetischen Materialien typischerweise noch nicht in der Sättigung befinden.
Ausgehend von der strukturellen Beschreibung des Sensors 10 soll nun die Funktionsweise näher erläutert werden. Das Magnetfeldsensorelement 12 ist so ausgelegt, dass es im wesentlichen empfindlich auf eine x-Komponente der magnetischen Feldstärke an dem Ort des Sensorelements ist. Somit erfasst das Sensorelement 12 im wesentlichen das durch die Überlagerung des Messmagnetfelds 20 und des Leitermagnetfelds 28 gegebene gesamte Magnetfeld in x-Richtung. Der Arbeitspunkt des Sensors hängt somit von der Größe des Gesamtmagnetfelds an dem Ort des Magnetfeldsensorelements 12 ab. Durch ein Einstellen des Stromflusses I, der in der Leiteranordnung 14 fließt, kann somit der Arbeitspunkt des Magnetfeldsensorelements 12 so eingestellt werden, dass dieses mit einer optimalen Empfindlichkeit auf Veränderungen des Messmagnetfelds 20 reagiert. Dadurch ergibt sich bei Veränderungen des Messmagnetfelds 20 an dem Ausgang 30 des Sensors 10 ein maximal mögliches Ausgangssignal. Das Wort Ausgangssignal ist hier in seiner allgemeinsten Form zu verstehen. Unter Ausgangssignal wird hier die Veränderung einer elektrisch messbaren Größe verstanden. Dies kann beispielsweise auch die Veränderung eines Widerstandswerts sein.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung kann hier als vereinfachtes Schnittbild durch einen Sensor verstanden werden.
Das eigentliche Sensorelement ist hier als Sensorelement unter Verwendung des groß-magnetoresistiven Effekts (GMR) ausgelegt. Der Sensor ist in seiner Gesamtheit mit 50 be zeichnet. Das Sensorelement umfasst im wesentlichen einen GMR-Schichtstapel, der mit 54 bezeichnet ist. Weiterhin umfasst der Sensor 50 drei Leiter, die mit 58 bezeichnet sind. Der GMR-Schichtstapel 54 umfasst dabei mehrere Lagen. Oberhalb der drei Leiter 58 schließt sich eine antiferromagnetische Lage 64 an. Darüber ist eine Lage 66 mit festgelegter magnetischer Ausrichtung (pinned layer) aufgetragen. Es folgt eine Abstandslage aus Ruthenium (Ru spacer layer) 68 sowie eine Bezugslage (reference layer) 70. Daneben umfasst der GMR-Schichtstapel 54 eine weitere Abstandslage 72 (spacer layer) sowie eine freie Lage 74 (free layer). Der GMR-Schichtstapel 54 weist weiterhin elektrische Kontakte auf, die hier nicht gezeigt sind.
Die Funktion der beschriebenen Struktur basiert darauf, dass der GMR-Schichtstapel 54 seinen elektrischen Widerstand verändert, wenn er von einem Magnetfeld parallel zu einer Vorzugsrichtung 80 durchsetzt wird. Das Sensorelement bzw. der GMR-Schichtstapel 54 werden von einem Messmagnetfeld 84, das hier durch Pfeile und Feldlinien gekennzeichnet ist, durchsetzt. Es werden hier im übrigen nur Magnetfeldkomponenten parallel zu der Vorzugsrichtung berücksichtigt, da das Sensorelement unempfindlich gegen Magnetfelder in anderen Richtungen ist. Durch einen Stromfluss I₁, I₂, I₃ in den drei Leitern 58 wird ferner ein Leitermagnetfeld 88 erzeugt, das wiederum durch Feldlinien und Pfeile dargestellt ist. Somit ist offensichtlich, dass sich innerhalb des Sensorelements bzw. innerhalb des GMR-Stapels 54 das Messmagnetfeld 84 und das Leitermagnetfeld 88 überlagern. Somit kann durch den Stromfluss I₁, I₂, I₃ in en Leitern 58 der Arbeitspunkt des Sensorelements bzw. des GMR-Schichtstapels 54 eingestellt werden. Die Anordnung der Leiter 58 unterhalb, aber in direkter Nähe des GMR-Schichtstapels 54 ermöglicht hierbei eine möglichst gute Wirksamkeit des elektrischen Stroms I₁, I₂, I₃ in den Leitern bezüglich der Erzeugung eines Magnetfelds in dem Sensorelement. Das Magnetfeld, das nach dem Ampereschen Gesetz berechnet werden kann, ist in direkter Nähe der Leiter 58 am stärksten. Die Verwendung von mehreren Leitern hat hierbei den Vorteil, dass das Magnetfeld 88 sehr homogen erzeugt werden kann. Es ist hier allerdings auch die Verwendung von nur einem Leiter denkbar, wobei eine stärkere Inhomogenität des Feldes entsteht.
Die vorbeschriebene Ausführungsform kann in einem weiten Bereich variiert werden. Insbesondere ist es möglich, dass unterhalb der Leiteranordnung, die hier durch die drei Leiter 58 beschrieben wird, weitere Schichten bzw. ein Substrat als Trägermaterial angeordnet sind. Die Verwendung eines Substrats ist zweckmäßig, da dadurch eine einfachere mechanische Handhabung des gesamten Sensors möglich ist. Auch können auf dem gleichen Substrat zusätzliche Funktionalitäten, wie z. B. eine Auswerteschaltung, implementiert werden. Die Art und Lage der Leiteranordnung kann wesentlich verändert werden. So ist es möglich, dass die Leiter nicht zwischen einem gegebenenfalls vorhandenen Substrat und dem GMR-Schichtstapel 54 liegen, sondern oberhalb des GMR-Schichtstapels (so dass also der GMR-Schichtstapel zwischen Substrat und Leiteranordnung liegt). Auch ist es denkbar, dass Leiter auf beiden Seiten des GMR-Schichtstapels 54 angeordnet sind. Dies bringt den Vorteil, dass bei gleichbleibendem Strom ein größeres Magnetfeld in dem GMR-Schichtstapel erzeugt werden kann. Die Anzahl der Leiteranordnungen in der Struktur ist ebenso nicht beschränkt. Es kann nur ein Leiter verwendet werden oder auch mehrere Leiter. Eine Anordnung der Leiter 58 in gleichem Abstand mag aus technologischen und/oder thermischen Gründen vorteilhaft sein, ist jedoch nicht die einzig mögliche Ausführungsform. Vielmehr können andere technische oder technologische Faktoren eine Modifikation der Leiteranordnung als zweckmäßig erscheinen lassen. Im übrigen kommt einer thermischen Optimierung der Leiteranordnung große Bedeutung zu.
Auch die Festlegung der Schichtenreihenfolge ist nicht zwingend. Vielmehr kann als Sensorelement jedes magnetoresistive Element verwendet werden. Darunter fallen insbesondere alle Anordnungen, die den anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR), den großen magnetoresistiven Effekt (GMR), den kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR) oder den tunnelquantenmagnetoresistiven Effekt (TMR) verwenden. Je nach Art des verwendeten Effekts kann sich die Schichtenfolge und die Schichtenanzahl in einem weiten Umfang ändern. Schließlich können neben magnetoresistiven Sensoren auch andere Magnetfeldsensoren verwendet werden. Besonders sinnvoll einsetzbar ist eine erfindungsgemäße Anordnung immer dann, wenn die jeweiligen Magnetfeldsensoren eine nichtlineare Charakteristik aufweisen. Selbst bei Verwendung von Hallsonden, die einen großen Linearitätsbereich aufweisen, ist es allerdings möglich, eine erfindungsgemäße Anordnung zu verwenden.
Schließlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Leiterstruktur von dem GMR-Schichtstapel 54 zu isolieren. Je nach technologisch verfügbaren Möglichkeiten kann ein Oxid, ein Kunststoffmaterial, ein Luftspalt oder eine andere isolierende Materialanordnung verwendet werden, um eine Isolation sicherzustellen.
Die Herstellung einer vorbeschriebenen Anordnung auf einem Substrat kann sowohl in einer Dünnschichttechnologie als auch einer Dickschichttechnologie erfolgen. Die entsprechenden Materialien können im Siebdruck, durch Sputtern, Bedampfen, Chemische Anlagerung (z.B. CVD), Physikalische Anlagerung (z.B. PVD) oder durch jedes andere Verfahren zur Erzeugung von dünnen Schichten aufgetragen werden. Die Strukturierung ist auf verschiedene Weisen möglich, beispielsweise unter Verwendung von Photomasken und Ätzprozessen. Genauso sind aber Material-abscheidende Prozesse denkbar, bei denen Materialien nur an bestimmten Stellen, die nicht von einer Maske bedeckt sind, abgeschieden wird bzw. Lift-Off-Prozesse, bei denen nicht benötigte Schichten durch Entfernen eines tragenden Materials (Opfermaterial, sacrificial layer) entfernt werden.
Somit beruht die erfindungsgemäße Anordnung darauf, dass durch einen oder mehrere Leiter, welche jeweils von einem Strom durchflossen sind, und welche unterhalb der magnetoresistiven Sensorelemente angeordnet sind, in den magnetoresistiven Elementen ein zusätzliches dem Messmagnetfeld überlagertes Magnetfeld aufgebaut wird, welches einen magnetischen Offset kompensieren kann. Werden mehrere Leiter verwendet, so wird es bevorzugt, dass alle in der gleichen Richtung stromdurchflossen sind. Grundsätzlich können diese Leiter auf dem Sensorchip oder auch in einem Sensorgehäuse angeordnet sein. Dabei kann man die Leiter als Einzelleiter, oder als eine Anordnung von mehreren übereinander oder nebeneinander liegenden Leitern ausführen. Eine Lösung, bei der Metallbahnen auf dem Sensorchip als stromführende Leiter verwendet werden, hat den Vorteil, dass die benötigten Ströme kleiner werden. Der Nachteil einer solchen Lösung sind die bedingt durch die dünnen Leiterbahnen nötigen hohen Stromdichten und die Wärmeentwicklung auf dem Sensorchip. Unabhängig davon, welche geometrische Anordnung der Leiter gewählt wird, kann die Größe und Richtung der notwendigen Stromflüsse durch geeignete Algorithmen bestimmt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der in seiner Gesamtheit mit 110 bezeichnet ist. Der Sensor umfasst einen Dauermagneten 114 sowie eine Sensoranordnung 118, die miteinander verbunden sind. Die Sensoranordnung 118 umfasst drei Magnetfeldsonden, die so ausgerichtet sind, dass sie ein Magnetfeld parallel zu der x-Richtung erfassen können. Eine zentrale Magnetfeldsonde 120 ist hierbei in der Mitte des Sensors angeordnet und ist Teil einer zentralen Brückenschaltung, die hier nicht gezeigt ist. Weiterhin gibt es zwei weitere Magnetfeldsonden, die bezüglich der x-Richtung auf beiden Seiten der zentralen Magnetfeldsonde 120 angeordnet sind. Diese sind als linke Magnetfeldsonde 122 und als rechte Magnetfeldsonde 124 bezeichnet und zu einer Meßbrücke verschaltet, um eine Diffe renz zwischen den x-Orientierten Magnetfeldkomponenten auf beiden Seiten der zentralen Magnetfeldsonde 120 zu ermitteln. Daneben umfasst die Sensoranordnung 118 drei Einzelleiter 128. Die Magnetfeldsonden 120, 122, 124 sowie die drei Einzelleiter 128 sind in einem Sensorgehäuse 132 untergebracht. Eingezeichnet sind weiterhin magnetische Feldlinien 140, deren Richtungen durch Pfeile gekennzeichnet sind.
Die Gesamtanordnung stellt einen Sensor 110 in einem Ruhezustand dar, in dem die magnetischen Feldlinien 140 im wesentlichen durch eine vorbestimmte äußere Anordnung festgelegt sind. Quelle des globalen Magnetfelds ist der Dauermagnet 114.
Basierend auf der Struktur der Anordnung wird im Folgenden deren Funktionsweise beschrieben. Hauptquelle des Magnetfelds 140 ist bei der vorliegenden Anordnung der Dauermagnet 114. Dieser erzeugt ein Magnetfeld, das die Sensoranordnung 118 durchsetzt und sich darüber hinaus in die Umgebung des Sensors 110 erstreckt. In der Nähe der Magnetfeldsonden 120, 122, 124 angeordnete Einzelleiter 128 werden von Strömen I₄, I₅, I₆ durchflossen. Diese Ströme I₄, I₅, I₆ erzeugen in der Nähe der Einzelleiter 128 eine Veränderung des magnetischen Feldes 140 gegenüber einem Feld, das sich in Abwesenheit der Ströme I₄, I₅, I₆ einstellen würde. Würde beispielsweise der Strom I₄ verschwinden, so würde sich offensichtlich an dem Ort der linken Magnetfeldsonde 122 ein magnetisches Feld einstellen, das eine Komponente in negativer x-Richtung (siehe Koordinatensystem 150) aufweisen würde. (Ein entsprechender Feldverlauf wurde anhand von 10 beschrieben.) Durch das Vorhandensein eines Stroms I₄, der, wie gezeigt, in die Zeichenebene hineinfließt, wird das Magnetfeld an dem Ort der linken Magnetfeldsonde 122 so verändert, dass die x-Komponente lokal verschwindet. In ähnlicher Weise verändert der Strom I₆ das Magnetfeld an dem Ort der rechten Magnetfeldsonde 124 derart, dass die x-Komponente ebenso verschwindet. Die x-Komponente des Magnetfelds an dem Ort des mittle ren Sensors 120 ist aufgrund der Symmetrie der Anordnung Null. Dies wird auch durch die Ströme I₄ und I₆ nicht verändert. Bei den bisherigen Überlegungen wurde vernachlässigt, dass auch der Strom I₆ einen Einfluss auf das Magnetfeld an dem Ort der linken Magnetfeldsonde 122 hat und der Strom I₄ einen Einfluss auf das Magnetfeld an dem Ort der rechten Magnetfeldsonde 122. Diese Vernachlässigung ist aber in guter Näherung möglich, da der Stromfluss I₆ wesentlich weiter von der linken Magnetfeldsonde 122 entfernt ist als der Stromfluss I₄ und umgekehrt. Damit hat nur der jeweils räumlich am nächsten verlaufende Stromfluss einen merklichen Einfluss auf das Magnetfeld an dem Ort der jeweils benachbarten Magnetfeldsonde.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird also ersichtlich, dass das Magnetfeld an dem Ort der drei Magnetfeldsonden 120, 122, 124 durch die Ströme I₄, I₅ und I₆ so eingestellt werden kann, dass die x-Komponente jeweils verschwindet. Dies gilt im übrigen auch dann, wenn die Symmetrie der Anordnung aufgehoben ist. Die durch die Ströme I₄, I₅ und I₆ erzeugten Magnetfelder an Orten der drei Magnetfeldsonden 120, 122, 124 sind stets lineare Funktionen der Ströme I₄, I₅ und I₆. Damit kann bei geeigneter Anordnung der Einzelleiter 128 in der Nähe der drei Magnetfeldsonden jedes beliebige Feld erzeugt werden. (Es kann ein lineares Gleichungssystem aufgestellt werden, das die Ströme I₄, I₅ und I₆ durch die benötigten Magnetfelder an den Orten der drei Magnetfeldsonden 120, 122 und 124 ausdrückt. Ist das Gleichungssystem lösbar, was im Regelfall sichergestellt ist, so genügen drei einstellbare Ströme, um die x-Komponenten des Magnetfelds an drei diskreten Orten auf einen vorgegebenen Wert einzustellen.)
Prinzipiell kann auch eine beliebige Anordnung der Leiter verwendet werden. Die Forderung einer räumlichen Nähe zu den Magnetfeldsonden ist bei einer integrierten Anordnung zweckmäßig, aber nicht generell erforderlich. Aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaft, dass an drei Orten beliebige x- orientierte Feldkomponenten erzeugt werden können, ist es möglich, auch dann entlang der Achsen der Magnetfeldsonden gerichteten Komponenten des Magnetfelds zu Null zu machen, wenn die Sensoranordnung 118 durch mechanische Toleranzen bedingt gegenüber dem Dauermagneten 114 verschoben bzw. verkippt ist. Wiederum genügen aufgrund der Linearität drei Ströme, um drei Feldkomponenten an drei Orten zu Null machen. Somit ist es mit der beschriebenen Anordnung möglich, sowohl bei idealem als auch bei nichtidealem Einbau der Sensoranordnung in ein System die relevanten Feldkomponenten an den Orten der Magnetfeldsonden 120, 122 und 124 zu Null zu machen. Diese Eigenschaft gilt nicht nur in Verbindung mit einem feststehenden Dauermagneten 114, sondern kann allgemein auch mit beweglichen Magneten, wie sie z. B. in Polrädern und Polstangen auftreten, verwendet werden. Hierbei wird quasi willkürlich ein Ruhezustand ausgewählt, in dem die axialen Feldkomponenten in den Magnetfeldsonden durch die Kompensationsströme I₄, I₅ und I₆ zu Null gemacht werden.
Sowohl in Verbindung mit einem Dauermagnet 114 als auch mit einem Polrad bzw. einer Polstange wird also ein Grundzustand vorgegeben. Verändert sich die geometrische Anordnung gegenüber dem Grundzustand, so verändert sich auch das Messmagnetfeld. Werden die Ströme I₄, I₅ und I₆ nun festgehalten, so ergeben sich durch das veränderte Magnetfeld nunmehr axiale Komponenten in den Magnetfeldsonden 120, 122, 124. Somit detektieren die Magnetfeldsonden 120, 122, 124 Veränderungen gegenüber dem Grundzustand. Da die Magnetfeldsonden 120, 122, 124 an einem Arbeitspunkt, bei dem das axiale Magnetfeld Null ist, sehr empfindlich sind, können Veränderungen des Magnetfelds mit hoher Auflösung und Genauigkeit detektiert werden. Somit können als Folge Lageänderungen sehr präzise erkannt werden.
Die Anordnung gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann natürlich in einem weiten Rahmen verändert werden. Insbesondere ist die geometrische Anordnung nicht bindend. Kern der Erfindung ist vielmehr, dass mindestens ein Einzelleiter 128 verwendet wird, um den Arbeitspunkt der Magnetfeldsonden 120, 122 und 124 zu beeinflussen. Lage und Geometrie dieses Leiters ist in einem weiten Bereich wählbar. Er kann sich auf dem gleichen Chip wie die Magnetfeldsonden befinden, aber auch getrennt davon angeordnet sein, z. B. in dem Sensorgehäuse 132. Auch die Form der Leiter ist in einem weiten Rahmen frei wählbar. Es können ein oder mehrere Leiter verwendet werden, die bei Bedarf in Form von Schleifen ausgeführt sein können. Ferner kann die Erzeugung eines räumlich weit ausgedehnten Magnetfelds durch verschiedene Quellen erfolgen. Ein Dauermagnet, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet, ist nur ein Beispiel. Ebenso sind bewegliche Magneten, die in Polrädern bzw. Polstangen enthalten sind, sowie stromdurchflossene Spulenanordnungen denkbar. Magnetfelder können schließlich auch durch induzierte Ströme aufgrund von Bewegungen entstehen (z. B. Wirbelströme).
4 zeigt eine Kennlinie eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit eingezeichnetem Arbeitspunkt. Die Abszisse und Ordinate zeigen wie schon bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß dem Stand der Technik in normierter Form das magnetische Feld B_x in einer axialen Richtung einer Magnetfeldsonde und eine Sensorausgangsspannung V_out (die z.B. durch eine Messbrücke erzeugt werden kann). Für eine differenzielle Anordnung bestehend aus einer linken Magnetfeldsonde 122 und einer rechten Magnetfeldsonde 124 ist auch das Differenzfeld B_x,diff gezeigt.
Wie aus der vorliegenden Kennlinie leicht ersichtlich ist, liegen sowohl der Arbeitspunkt 160 der zentralen magnetoresistive Brücke als auch der Arbeitspunkt 162 der differenziellen magnetoresistiven Brücke in dem Ursprung der Kennlinie. Es zeigt sich also, dass ein magnetischer Offset durch die Kompensationsleiter eliminiert werden konnte. Dies geht mit einer Parallelisierung der Feldlinien an den Orten der Magnetfeldsonden einher, die wie vorher beschrieben erzielt werden kann.
4a zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor umfasst eine Magnetfeldsonde 210 sowie eine Leiteranordnung, die hier als Leiterschleife 212 ausgeführt ist und die Magnetfeldsonde 210 umschließt. Ferner umfasst der Sensor eine steuerbare Stromquellenschaltung 220, die den Strom I, der durch die Leiterschleife 212 fließt, bereitstellt. Die steuerbare Stromquellenschaltung 220 wird durch eine Speichereinrichtung 224 angesteuert. Die Speichereinrichtung wiederum empfängt eine Adressinformation 226 von einer Auswahlschaltung 228. Die Auswahlschaltung wiederum empfängt eine Auswahlinformation 230. Die Magnetfeldsonde 210 weist ferner zwei Anschlüsse auf, die mit einem Messanschluss 234 verbunden sind. An diesem liegt ein Messsignal 238 an. Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung eine Messbrückenschaltung 244, die mit einer oder mehreren weiteren Magnetfeldsonden verbunden werden kann. Die Messbrückenschaltung 244 liefert ein Messbrückenausgangssignal 248.
Basierend auf der strukturellen Beschreibung wird im folgenden die Funktionsweise der vorliegenden Schaltungsanordnung näher beschrieben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass die Magnetfeldsonde Teil einer geometrisch verteilten Halb- oder Vollbrücke aus magnetoresistiven Sensoren ist, die durch einen feststehenden Dauermagnet (Backbias-Magnet) erregt werden. Der bei herkömmlichen Anordnungen gemäß dem Stand der Technik auftretende magnetische Offset soll hier kompensiert, d. h. zu Null abgeglichen werden. Es wird also angenommen, dass der hier beschriebene Sensor mit einem feststehenden Dauermagneten verbunden ist, wie z. B. anhand von 3 beschrieben. Nach dem Montieren des feststehenden Permanentmagneten (Backbias-Magneten) an der Sensoranordnung (Sensor-IC) sind die Feldlinien zunächst gekrümmt, wie anhand von 10 beschrieben. Feldlinien zeigen insbesondere bei einer geometrisch verteilten Vollbrücke in verschiedene x-Richtungen. Dies entspricht einem Differenzsignal, welches auch als magnetischer Offset betrachtet werden kann. Mit anderen Worten, obwohl noch keine Modulation durch die Zähne und Lücken eines Zahnrads stattfindet, liefert der Sensor-IC (bzw. die magnetoresistive Brücke) schon ein Ausgangssignal. Die zusätzliche Modulation durch das Zahnrad bewirkt dann eine Änderung der Ausgangsspannung der magnetoresistiven Vollbrücke um diesen Punkt. Um optimale Eigenschaften bezüglich Aussteuerbereich und Empfindlichkeit zu erzielen, sollte der Ruhepunkt bzw. Arbeitspunkt aber im Ursprung der Kennlinie liegen, wie anhand von 4 gezeigt wurde.
Wird der Strom I durch die Leiterschleife 212, die hier als Kompensationsleiter dient, so eingestellt, dass an dem Ausgang der magnetoresistiven Brücke 244 ein Differenzsignal, das hier dem Brückenausgangssignal 248 entspricht, von Null anliegt, so ist der magnetische Offset abgeglichen. Den Wert des Kompensationsstroms kann man zweckmäßigerweise entweder mit Fuse-Elementen abgleichen oder in einem PROM, einem EPROM oder einem anderen nichtflüchtigen Speicher in codierter Form ablegen.
Diese Aufgabe kann durch die vorliegende Schaltungsanordnung erfüllt werden. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass hier stellvertretend eine Magnetfeldsonde 210 und eine Leiterschleife 212 gezeigt ist. Die Anordnung kann jedoch auf eine quasi beliebige Anzahl von Magnetfeldsonden und Leiterschleifen ausgedehnt werden. Insbesondere ist in manchen Fällen zweckmäßig, für eine Magnetfeldsonde mehrere Kompensationsleiter vorzusehen. Die Anordnung der Leiter ist natürlich wieder in einem weiten Bereich wählbar. Die Ausführung als Leiterschleife 212 ist lediglich ein Ausführungsbeispiel. Wie in der Schaltungsanordnung gezeigt, kann hier durch eine steuerbare Stromquellenschaltung 220 der Strom I in der Leiterschleife 212 eingestellt werden. Die steuerbare Strom quellenschaltung umfasst beispielsweise neben der reinen Stromquellensteuerung noch einen Digital-zu-Analog-Wandler und kann somit direkt mit einem digitalen Signal angesteuert werden. Eine solche Ausführung ist günstig, da digitale Signale wenig störanfällig sind, in einfacher Weise gespeichert und digital verarbeitet werden können. Die Ansteuersignale für die Stromquellenschaltung können beispielsweise von der Speichereinrichtung 224 geliefert werden, die Teil des Sensors ist. Als Speichereinrichtung eignet sich hierbei jede Speichereinrichtung, die einen in digitaler Form repräsentierten Wert dauerhaft speichern kann.
Das Programmieren der Speichereinrichtung kann je nach Anwendung direkt bei der Herstellung oder auch bei einem Kunden erfolgen. Es können sowohl einmal beschreibbare Speichereinrichtungen als auch mehrmals beschreibbare Speichereinrichtungen verwendet werden. Falls eine Programmierung lediglich bei dem Herstellung nötig ist, können Speichereinrichtungen verwendet werden, die beispielsweise durch einen Laserstrahl programmierbar sind, wie etwa Metall- oder Halbleiterkontakte. In manchen Fällen ist eine elektrische Programmierung wesentlich zweckmäßiger, so dass PROM-Zellen, EPROM-Zellen, EEPROM-Zellen oder FLASH-Zellen vorteilhaft eingesetzt werden können. Solche Zellen können elektrisch programmiert werden. Gegebenenfalls ist eine Löschung und Neuprogrammierung ebenso möglich. Die Größe des nötigen Speicherbereichs richtet sich hierbei danach, mit welcher Auflösung eine Einstellung des Stroms I durch die Leiterschleife 212 ermöglicht werden soll. Je höher die Auflösung, desto mehr Speicherzellen werden benötigt.
Ebenso ist es denkbar, Stromwerte für mehrere mögliche äußere Konfigurationen des Sensorchips vorzugeben. Solche Konfigurationen können durch die Auswahlschaltung 228 in Abhängigkeit von einer Auswahlinformation 230 selektiert werden. Dabei wird einer von mehreren Speicherplätzen in der Speichereinrichtung 224 durch die Adressinformation 226 ausgewählt.
Somit ist es möglich, den Strom I durch die Leiterschleife an mehrere vorher bekannte Konfigurationen anzupassen. Es ist lediglich erforderlich, eine Auswahlinformation 230 bereitzustellen, die angibt, welche Konfiguration verwendet werden soll.
Eine große Freiheit besteht darin, wie die Information darüber erzeugt wird, wie groß der Strom I durch die Leiterschleife gewählt werden muss, um eine Kompensation des magnetischen Offsets zu erreichen. So ist es prinzipiell denkbar, die vorherrschenden Magnetfelder sowie den zur Kompensation nötigen Strom simulativ zu bestimmen. Diese Lösung ist allerdings meist nicht befriedigend, da es sehr schwer ist, Phänomene, die durch Toleranzen bedingt sind, in die Simulation mit aufzunehmen. Somit ist es typischerweise zweckmäßig, das Messsignal 238 einer Magnetfeldsonde 210 über das Messbrückenausgangssignal 248 einer realen Sensoranordnung zu messen. Ist dieses Signal bekannt, so kann darauf mit guter Genauigkeit auf die Größe des vorliegenden magnetischen Offsets geschlossen werden. Es ist nunmehr möglich, den Strom I so einzustellen, dass der magnetische Offset kompensiert wird. Dies kann entweder erfolgen, indem aus dem bestimmten magnetischen Offset ein Stromwert für den Strom I berechnet wird oder indem der Stromwert des Stroms I so lange verändert wird, bis das Messsignal 238 einen Arbeitspunktwert annimmt oder das Messbrückenausgangssignal 248 zu Null wird. Im ersten Fall muss von vornherein bekannt sein, wie sich ein bestimmter Strom I durch die Leiterschleife auf das Magnetfeld an dem Ort der Magnetfeldsonde 210 auswirkt, in dem zweiten Fall ist die Kenntnis dieses Zusammenhangs nicht zwingend erforderlich.
Für die praktische Ausführung dieses Kalibrierverfahrens gibt es viele Möglichkeiten. Die Messung des Messsignals 238 bzw. des Messbrückenausgangssignals 248 kann entweder durch ein extern mit der Sensoranordnung verbundenes Messgerät oder durch einen auf dem Sensorchip enthaltenen Analog-Digital- Wandler erfolgen. Letzterer kann implementiert werden, wenn es aufgrund der verfügbaren Schaltungstechnologie möglich ist, eine mikroelektronische Schaltung mit der Sensoranordnung zu integrieren. Dies ist in vielen Fällen wünschenswert und möglich. Die Verwendung eines chipinternen Analog-Digital-Wandlers ist vorteilhaft, da Störungen, die durch eine Übertragung des Analogsignals nach außen hin auftreten, minimiert werden können. Daneben ist das Vorhandensein eines Analog-Digital-Wandlers auf dem Sensorchip zur Auswertung der Ergebnisse während des laufenden Betriebs des Sensors heute üblich, so dass ein vorhandener Analog-Digital-Wandler zum Zwecke der Kalibrierung mit verwendet werden kann.
Die Programmierung der Speicherelemente kann auf elektrischem Wege oder beispielsweise mittels eines Laserstrahls erfolgen. Es sind jedoch alle Speichertechnologien verwendbar, die technologisch verfügbar sind. Insbesondere wird auch darauf hingewiesen, dass eine derartige Kalibrierung durch den Hersteller eines Sensorchips, der eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst, durchgeführt werden kann, wobei Standardbedingungen vorgegeben werden müssen. Ebenso ist es jedoch möglich, dass die Kalibrierung bei dem Anwender eines Chips erfolgt, der den Sensorchip bereits in eine mechanische Anordnung eingebaut hat und daher die Kalibrierung direkt an dem Objekt durchführen kann. Die Durchführung der Kalibrierung in einem Zustand, in dem die gesamte mechanische Anordnung bereits zusammengesetzt ist, bietet den großen Vorteil, dass jegliche mechanischen Toleranzen in die Kalibrierung mit einfließen und somit herauskalibriert werden.
Weiterhin sind bei der Kalibrierung zwei Varianten zu unterscheiden. Es ist am günstigsten, den Strom in den Leiterschleifen 212 so einzustellen, dass das Magnetfeld durch jede einzelne Magnetfeldsonde zu Null wird. Die Konsequenz daraus ist, dass das Messsignal 238 einer Magnetfeldsonde 210 einen festen vorgegebenen Wert annimmt. Beispielsweise lässt sich aus dem Vorliegen eines vorgegebenen Widerstandswerts das Anliegen eines verschwindenden Magnetfelds folgern. In manchen Fällen ist es ungünstig, das Messsignal 238 eines einzelnen Sensorelements auszuwerten. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn mehrere Magnetfeldsonden zu einer Brückenschaltung verschaltet sind. In diesem Fall gibt das Messbrückenausgangssignal 248 lediglich eine Auskunft darüber, ob das Magnetfeld an den Orten der beteiligten Magnetfeldsonden gleich ist. Somit kann durch Auswertung des Messbrückenausgangssignals 248 die Einstellung des Stroms I durch die Leiterschleife so erfolgen, dass das Magnetfeld in allen an der Messbrückenanordnung beteiligten Magnetfeldsonden gleich ist. Eine solche Einstellung ist zwar nicht optimal bezüglich des Aussteuerbereichs, ist aber dennoch geeignet, um eine präzise Messung zu gewährleisten, solange sichergestellt ist, dass die Magnetfeldsonden hinreichend weit von dem Sättigungsbereich entfernt betrieben werden. (Die vorher beschriebene Einstellung des Magnetfelds auf den Nullwert ermöglicht freilich einen größeren Aussteuerbereich als die Einstellung des Magnetfelds auf gleiche, aber nicht notwendigerweise verschwindende Magnetfeldwerte.)
Die vorliegende Schaltungsanordnung kann in einem weiten Bereich verändert werden. Insbesondere kann die steuerbare Stromquelle 220 deutlich verändert werden. Es ist nicht nötig, dass die steuerbare Stromquellenschaltung einen Digital-Analog-Wandler umfasst. So ist es möglich, dass ein Abgleich auf analogem Wege beispielsweise durch Veränderung eines Widerstands mit Hilfe eines Laserstrahls erfolgt. Auch ist es möglich, dass dem Sensor direkt ein Analogsignal zugeführt wird, das durch eine äußere Anpassschaltung erzeugt wird. Auch die Speichereinrichtung 224 kann verschieden ausgelegt sein. So kann jede beliebige Art von Speicherzellen verwendet werden. Es ist neben den nichtflüchtigen Speichern auch denkbar, einen flüchtigen Speicher zu verwenden, der bei dem Einschalten des Sensorchips von außen initialisiert wird. Somit kann die Verantwortung für die Einstellung eines geeigneten Arbeitspunkts für den Sensor auch zu einer externen Ansteuerschaltung hin verlagert werden. Ähnliches gilt für die Auswahlschaltung 228. Diese kann entfallen, wenn nur eine einzige Sensorkonfiguration möglich ist, oder aber in eine externe Steuerschaltung verlagert sein. Auch die Messbrückenschaltung 240, die mehrere Magnetfeldsonden 210 zu einer Messbrücke verschaltet, kann entfallen. So ist es möglich, das Messsignal 238 einer Magnetfeldsonde 210 direkt als Ausgangssignal zu verwenden. Die Messbrückenschaltung 244 erleichtert es zwar, Veränderungen eines Magnetfelds zu erkennen, ist jedoch nicht zwingend nötig.
4b zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor, der in seiner Gesamtheit mit 300 bezeichnet ist, umfasst eine Magnetfeldsonde 310, eine Leiteranordnung 314, die in räumlicher Nähe zu der Magnetfeldsonde 310 angeordnet ist, sowie eine steuerbare Stromquellenschaltung 320. Das Messsignal 338 der Magnetfeldsonde 310 wird einem Widerstands-Spannungs-Wandler 344 zugeführt. Dieser erzeugt ein Spannungsmesssignal 348, das einem Spitzenwertdetektor 352 zugeführt wird. Dieser liefert eine Spitzenwertinformation 356. Die Spitzenwertinformation 356 wird einer Stromquellensteuerschaltung 360 zugeführt, die ein Stromquellensteuersignal 364 an die steuerbare Stromquellenschaltung 320 liefert. Es ist also erkennbar, dass in dem Sensor eine Regelkreisstruktur enthalten ist.
Ausgehend von der Struktur des Sensors 300 wird im folgenden die Funktionsweise der Schaltungsanordnung beschrieben. Der Kern des Sensors ist wiederum eine Magnetfeldsonde 310, deren Arbeitspunkt durch den Stromfluss I durch die Leiteranordnung 314 bestimmt werden kann. Der Stromfluss wird hierbei durch eine steuerbare Stromquellenschaltung 320 erzeugt. Bei Anliegen eines zeitlich veränderbaren externen Magnetfelds in x-Richtung ändert sich das Messsignal 338. Es schwankt dabei um einen Arbeitspunktwert. Wird als Magnetfeldsonde ein magnetoresistiver Sensor verwendet, so ist es notwendig, die durch die Veränderung des Magnetfelds hervorgerufene Widerstandsänderung in ein Spannungssignal umzusetzen. Dies erfolgt durch den Widerstands-Spannungs-Wandler 344. (Das Spannungssignal ist hier nur beispielhaft gewählt, es kann genauso gut mit einem Stromsignal oder einem digitalisierten Signal gearbeitet werden.)
Der Widerstands-Spannungs-Wandler 344 kann in verschiedener Weise ausgeführt werden, und beispielsweise auch eine Messbrückenanordnung umfassen. Das Spannungsmesssignal wird dann einem Spitzenwertdetektor 352 zugeführt. Dieser ist ausgelegt, um einen minimalen und einen maximalen Wert des Spannungsmesssignals und somit auch des Signals 338 während einer vollen Periode zu erfassen. Dadurch wird der maximale Wertebereich, in dem sich das Spannungsmesssignal 348 bzw. das ursprüngliche Messsignal 338 und somit auch das Magnetfeld durch den Sensor bewegt, erfasst. Basierend auf der Information über diesen Wertebereich erzeugt die Stromquellensteuerschaltung ein Stromquellensteuersignal, das über die steuerbare Stromquellenschaltung 320 den Strom I durch die Leiteranordnung so einstellt, dass die Magnetfeldsonde 310 in dem optimalen Arbeitsbereich und maximaler Empfindlichkeit und maximalem Linearitätsbereich betrieben wird. Somit wird erreicht, dass sich das Spannungsmesssignal und damit auch das Messsignal 338 sowie die x-Komponente des gesamten Magnetfelds in der Magnetfeldsonde in einem technisch vorteilhaften Bereich bewegen. Die Auslegung der Stromquellensteuerschaltung 360 kann in einem weiten Rahmen variieren. Bei einer digitalen Auslegung kann die Stromquellensteuerschaltung beispielsweise aufbauend auf Tabellen einen geeigneten Korrekturwert für das Stromquellensteuersignal 364 berechnen. Es ist aber genauso gut möglich, dass die Stromquellensteuerschaltung einen Regler mit einem integrierenden Verhalten umfasst. Auch der Spitzenwertdetektor 352 kann variiert sein. So ist es möglich, anstelle des minimalen und maximalen Werts des Spannungsmesssignals 348 den zeitlichen Mittelwert zu bestimmen. Auch damit ist eine optimale Einstellung des Arbeitspunkts der Magnetfeldsonde 310 möglich. Als Ausgangssignal der Sensorschaltung kann beispielsweise ein Signal 370 des Widerstands-Spannungs-Wandlers 344, das Stromquellensteuersignal 364 oder ein davon abgeleitetes Signal 372 verwendet werden.
Somit ist es möglich, während des Betriebs des Sensors beispielsweise die Minima und Maxima des Brückenausgangssignals zu messen und den Kompensationsstrom I so nachzuregeln, dass der Mittelwert dieser beiden Werte wieder um Null liegt.
Damit können etwaige im Betrieb mit einem Zahnrad auftretende Verschiebungen des Arbeitspunkts (z. B. durch eine Veränderung des Luftspalts oder durch eine Veränderung der Temperatur oder ähnliches) abgeglichen werden. Dies funktioniert nur für Messsignale 338 von der Magnetfeldsonde 310, bei denen die Amplitude so klein ist, dass der lineare Sensorbereich nicht verlassen wird, mit zufrieden stellender Genauigkeit. Für größere Signale, die den Sättigungsbereich erreichen, entsteht je nach Unsymmetrie des Messsignals 338 in der Magnetfeldsonde 310 ein Fehler.
Auch die beschriebene Schaltungsanordnung kann in einem weiten Rahmen verändert werden. So kann eine Ausführung insbesondere in analoger oder digitaler Realisierung erfolgen. Die geometrische Anordnung des Sensors kann verändert werden, wobei sichergestellt sein muss, dass ein Stromfluss I durch die Leiteranordnung 314 einen Einfluss auf das Magnetfeld an dem Ort der Magnetfeldsonde 310 hat. Als Magnetfeldsonde kann prinzipiell jeder Magnetfeldsensor verwendet werden, bevorzugt werden allerdings magnetoresistive Magnetfeldsensoren. Wiederum ist es möglich, die entsprechende Schaltungsanordnung direkt in dem Sensor unterzubringen oder extern zu realisieren. Auch der Spitzenwertdetektor 352 kann in einem weiten Rahmen verändert werden. So gibt es verschiedene Verfahren, um den Spitzenwert des Signals zu erkennen. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die Spitzenwerte nicht statisch sind, sondern gleitende Spitzenwerte. Die Zeitkonstante, mit denen die Spitzenwerte sich verändern, ist festzulegen. So kann es beispielsweise auch erforderlich sein, eine Signalperiode zu detektieren, und die Bildung des Spitzenwerts über eine bestimmte Anzahl von Perioden durchzuführen. Gerade in dem Fall, in dem der Sensor an Änderungen der Umgebungsbedingungen während des Betriebs angepasst werden soll, ist die Dynamik dieser Änderungen bei der Auslegung des Spitzenwertdetektors 352 zu berücksichtigen. Wie schon beschrieben, kann an Stelle der Spitzenwerte auch ein Signalmittelwert verwendet werden.
Weiterhin umfasst eine Schaltungsanordnung zweckmäßigerweise eine Initialisierungseinrichtung, die einen Anfangswert für einen Strom I festlegt. Es ist aber auch denkbar, dass der Anfangswert entweder von einer externen Schaltungsanordnung in den Sensor übertragen wird oder dass innerhalb des Sensors ein Speicher existiert.
Basierend auf einer erfindungsgemäßen Sensorschaltung kann ein Verfahren zur Herstellung des Sensors sowie zum Betrieb desselben entworfen werden. Solche Verfahren werden im Folgenden beschrieben.
Die Durchführung der nachfolgend beschriebenen Verfahren setzt das Vorhandenseins eines Sensors zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufgrund eines Messmagnetfelds voraus, der ein Sensorelement zum Erfassen eines Messmagnetfelds sowie eine Leiteranordnung zum Erzeugen eines dem Messmagnetfeld überlagerten Magnetfelds zum Einstellen eines Arbeitspunkts des Sensorelements durch einen Stromfluss durch die Leiteranordnung umfasst. Weiterhin wird vorausgesetzt, dass der Sensor eine Steuerschaltung zur Einstellung des Stromflusses durch die Leiteranordnung umfasst, wobei die Steuerschaltung ein Speicherelement umfasst, das ausgelegt ist, um eine Information über eine Größe des Stromflusses zu speichern. Das nachfolgend anhand von 5 beschriebene Verfahren wird bei der Herstellung des Sensors durchgeführt. Es ist hierbei erforderlich, dass der Sensor in seiner Gesamtheit bereits funktionsfähig ist, wenn das Verfahren durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher als Abgleichsverfahren zu verstehen, das einmal bei der Herstellung des Sensors ausgeführt wird. Dabei ist es im übrigen unerheblich, ob dies bei dem Hersteller des Sensors oder bei einem Anwender desselben erfolgt. Auch ist nicht ausgeschlossen, dass das Verfahren zu einem späteren Zeitpunkt, an dem eine neue Kalibrierung des Sensors erforderlich ist, wiederholt wird.
Ist ein Sensor soweit funktionsfähig, dass die Sensorelemente ein auswertbares Messsignal aufgrund eines anliegenden Magnetfelds liefern können, so wird der Sensor in Betrieb genommen und es wird ein Prüfmagnetfeld an denselben angelegt. Das Prüfmagnetfeld kann entweder durch eine speziell dafür vorgesehene Einrichtung erzeugt werden oder entsteht dadurch, dass der Sensor entsprechend seiner bestimmungsgemäßen Anwendung in ein System eingebaut wird, in dem sich eine Magnetfeldquelle befindet. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es lediglich entscheidend, dass das Prüfmagnetfeld, das einem Messmagnetfeld entspricht, wohl definiert ist. Bevorzugterweise ist das Prüfmagnetfeld gleich einem Magnetfeld, das während des Betriebs des Sensors in einem vorbestimmten Ruhezustand oder Grundzustand auftritt.
Bei Anliegen des Prüfmagnetfelds wird weiterhin in einem zweiten Schritt ein Ausgangssignal des Sensors gemessen. Es kann sich hierbei um das Ausgangssignal eines einzelnen Sensorelements bzw. einer einzelnen Magnetfeldsonde handeln, jedoch in gleicher Weise um das Ausgangssignal einer Brückenschaltung. Entscheidend ist lediglich, dass das Ausgangssignal von dem Magnetfeld bzw. einer Magnetfeldkomponente an dem Ort eines Sensorelements abhängt. In einem dritten Schritt wird ein Steuerstrom bestimmt, der in die Leiteranordnung zum Einstellen eines Arbeitspunkts eingeprägt werden muss, um den Sensor in einen vorgegebenen Arbeitspunkt zu bringen. Diese Aufgabe ist äquivalent dazu, einen Steuerstrom so zu wählen, dass das Ausgangssignal einen vorgegebenen Wert annimmt. Der Wert des Ausgangssignals korrespondiert hierbei mit dem Arbeitspunkt des Sensors, d. h. der Größe einer Magnetfeldkomponente an dem Ort des Sensorelements. Der nötige Steuerstrom kann auf mehrere Weisen bestimmt werden. So ist es denkbar, den Steuerstrom aus dem gemessenen Ausgangssignal zu berechnen, wenn ein Zusammenhang zwischen Steuerstrom und Ausgangssignal quantitativ bekannt ist. Es ist aber genauso gut möglich, den Steuerstrom durch eine iterative Suche zu bestimmen, d. h. den Steuerstrom solange zu verändern, bis das Ausgangssignal mit hinreichender Genauigkeit einen vorgegebenen Wert annimmt. Auch die Einschaltung einer analogen Regelschleife ist zur Ausführung dieses Verfahrensschrittes möglich.
Ist der Steuerstrom bekannt, der notwendig ist, um den Sensor in einen geeigneten Arbeitspunkt zu bringen, d. h. auch das Ausgangssignal des Sensors auf einen vorgegebenen Wert einzustellen, so wird in einem letzten Schritt ein nichtflüchtiges Speicherelement programmiert, das den Steuerstrom festlegt. Das Programmieren des nichtflüchtigen Speicherelements kann hierbei in vielerlei Weise erfolgen. Einem Hersteller eines Sensorchips ist es möglich, dies durch einen Laserstrahl durch Verdampfen von Metall- oder Halbleiterkontakten durchzuführen. Ebenso ist jedoch auch jede andere Möglichkeit zur Programmierung eines Speicherelements verwendbar.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ermöglicht also die Einstellung eines geeigneten Arbeitspunkts des Sensors durch Anlegen eines statischen Prüfmagnetfelds. Es ist vorteilhaft, wenn hierbei bekannt ist, welchen Wert das Prüfmagnetfeld an dem Ort des Sensorelements annimmt. Insbesondere ist es zweckmäßig, wenn das Prüfmagnetfeld an dem Ort des Sensorelements einen Wert annimmt, der in etwa in der Mitte des während eines Betriebs des Sensors auftretenden Wertebereichs liegt. In diesem Fall gewährleistet der Einsatz des Prüfmagnetfelds eine optimale Arbeitspunkteinstellung.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Sensors. Zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird ein Sensor zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufgrund eines Messmagnetfelds vorausgesetzt, der ein Sensorelement zum Erfassen eines Magnetfelds sowie eine Leiteranordnung zum Erzeugen eines dem Messmagnetfeld überlagerten Magnetfelds zum Einstellen des Arbeitspunkts des Sensorelements durch einen Stromfluss durch die Leiteranordnung umfasst. Ferner wird davon ausgegangen, dass der Sensor eine Steuerschaltung zur Einstellung des Stromflusses in der Leiteranordnung umfasst sowie dass die Steuerschaltung eine dynamische Anpassschaltung umfasst, die ausgelegt ist, um den Sensorstrom basierend auf einem Sensorelement-Ausgangssignal eines Sensorelements und eines davon abgeleiteten Signals einzustellen.
Ziel des Verfahrens ist es, den Arbeitspunkt des Sensorelements dynamisch so einzustellen, dass sich dieses zu jedem Zeitpunkt in einem optimalen Betriebszustand befindet. Zu diesem Zweck wird in dem ersten Schritt des Verfahrens das Sensorausgangssignal während mindestens einer halben Signalperiode empfangen. Es ist zweckmäßig, dass erkannt wird, wann eine halbe Signalperiode, die ein Signalminimum und ein Signalmaximum umfasst, abgelaufen ist. Dies kann z. B. durch die Detektion von Nulldurchgängen bzw. Minima oder Maxima erfolgen.
In einem zweiten Schritt wird ein Minimalwert und ein Maximalwert des Sensorausgangssignals bestimmt. Dabei werden die empfangenen Sensorausgangssignale während mindestens einer halben Signalperiode ausgewertet. Der Minimalwert ist hierbei der kleinste auftretende Wert des Sensorausgangssignals, der Maximalwert ist der größte auftretende Wert des Sensorausgangssignals. Minimalwert und Maximalwert werden jeweils für ein vorgegebenes Zeitintervall gebildet.
In einem weiteren Schritt wird ein Arbeitspunktstromwert so bestimmt, dass ein für die Zukunft erwarteter Minimalwert und ein erwarteter Maximalwert innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen. Hierbei wird über eine Kenntnis darüber ausgenutzt, wie stark ein Arbeitspunktstromwert den Minimalwert bzw. den Maximalwert in seiner Lage verschiebt. Mit anderen Worten, aus der derzeitigen Lage des Minimalwerts und Maximalwerts wird ein Arbeitspunktstromwert bestimmt, der bewirkt, dass die durch den Arbeitspunktstrom verschobenen Minimalwerte und Maximalwerte innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen. Dies kann sowohl unter Verwendung von Wertetabellen bei digitaler Realisierung oder unter Verwendung von analogen Rechenschaltungen erfolgen. Weiterhin ist es möglich, den Arbeitspunktstromwert in einem Regelprozess zu bestimmen, wobei als Zielgröße für die Regelung der vorgegebene Wertebereich für den Minimalwert und den Maximalwert dient und als Stellgröße der Arbeitspunktstrom verändert wird. Auch eine derartige Regelung kann in digitaler und analoger Weise erfolgen. Allerdings muss bei der Auslegung einer Regelschaltung darauf geachtet werden, dass gegebenenfalls mehrere Signalperioden nötig sind, bis eine Ausregelung des Arbeitspunkts erfolgt ist. Dies liegt daran, dass Minimalwert und Maximalwert nicht instantan zur Verfügung stehen, sondern erst nach Ablauf einer Signalperiode ermittelt werden können. Somit bringt die Verwendung einer Regelschaltung (anstelle einer Steuerschaltung) den Nachteil von hohen Latenzzeiten mit sich. Die Regelschaltung muss daher geeignet ausgelegt werden, um eine Instabilität zu vermeiden.
In einem letzten Schritt wird die Steuerschaltung so eingestellt, dass sie einen Stromfluss durch die Leiteranordnung von der Größe des Arbeitspunktstromwerts erzeugt. Der letzte Schritt entspricht somit der Ausgabe des Arbeitspunktstroms an die Leiterschleife. Ein solcher Schritt ist notwendig, um den Sensor tatsächlich in den geforderten Arbeitspunkt zu bringen. Wird wie oben beschrieben ein Regelalgorithmus verwendet, so muss bei jedem Regelschritt wiederum die Ein stellung der Steuerschaltung auf den geeigneten Stromfluss erfolgen.
Das beschriebene Verfahren ist somit geeignet, während der Betriebszeit des Sensors den Arbeitspunkt so einzustellen, dass der Minimalwert und der Maximalwert des Sensorausgangssignals innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen. Wird der vorgegebenen Wertebereich geeignet gewählt, so ist dies gleichbedeutend damit, dass sich auch ein Sensorelement an einem optimalen Arbeitspunkt befindet. Damit kann eine maximale Empfindlichkeit sowie ein maximaler Aussteuerbereich erzielt werden. Der Übergang des Sensors in den Sättigungszustand kann vermieden werden.
Die vorliegende Anordnung und die vorliegenden Verfahren schaffen somit einen Magnetfeldsensor, dessen Arbeitspunkt zur Optimierung von Empfindlichkeit und Aussteuerbereich eingestellt werden kann. Ein erfindungsgemäßer Sensor kann insbesondere überall dort angewendet werden, wo Hallsensoren durch magnetoresistive Sensoren ersetzt werden sollen, welche eine schaltende Charakteristik besitzen. Dies sind z. B. Sensoren für das Antiblockiersystem (ABS-Sensoren), Getriebesensoren, Nockenwellensensoren und magnetische Schalter. Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Sensors und die Herstellung und der Betrieb des Sensors nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht es, Magnetfeldsensoren und insbesondere magnetoresistive Sensoren auch dort mit hoher Genauigkeit einzusetzen, wo mechanische Toleranzen zu deutlichen Veränderungen des Magnetfeldverlaufs führen. Auch wird erfindungsgemäß der Aussteuerbereich und die Linearität der Sensoren verbessert. Auch dies erlaubt eine höhere Genauigkeit. Die Kosten eines erfindungsgemäßen Sensors können als gering eingeschätzt werden, wenn die Herstellung auf einem Chip erfolgt. Die gesamte notwendige Schaltungsanordnung kann dann integriert werden. Eine aufwendige mechanische Bearbeitung entfällt.

10: Sensor
12: Sensorelement
14: Leiteranordnung
16: Koordinatensystem
20: Messmagnetfeld
24: Stromquelle
28: Leitermagnetfeld
30: Sensorausgang
50: Sensor
54: GMR-Schichtstapel
58: Leiter
64: antiferromagnetische Schicht
66: Lage mit festgelegter magnetischer Orientierung
68: Abstandslage
70: Bezugslage
72: Abstandslage
74: freie Lage
80: Vorzugsrichtung
84: Messmagnetfeld
88: Leitermagnetfeld
110: Sensor
114: Dauermagnet
118: Sensoranordnung
120: mittlere Magnetfeldsonde
122: linke Magnetfeldsonde
124: rechte Magnetfeldsonde
128: Einzelleiter
132: Sensorgehäuse
140: magnetisches Feld
150: Koordinatensystem
160: Arbeitspunkt
162: Arbeitspunkt
210: Magnetfeldsonde
212: Leiterschleife
220: steuerbare Stromquellenschaltung
224: Speichereinrichtung
226: Adressinformation
228: Auswahlschaltung
230: Auswahlinformation
234: Messanschluss
238: Messsignal
244: Messbrückenschaltung
248: Messbrückenausgangssignal
300: Sensor
310: Magnetfeldsonde
314: Leiteranordnung
320: steuerbare Stromquellenschaltung
338: Messsignal
344: Widerstands-Spannungs-Wandler
348: Spannungsmesssignal
352: Spitzenwertdetektor
356: Spitzenwertinformation
360: Stromquellensteuerschaltung
364: Stromquellensteuersignal
370: Signal
372: Signal
502: Abszisse
504: Ordinate
510: erste Kennlinie
512: zweite Kennlinie
520: Ursprung
600: Polstange
602: Magnetfeldsensor
604: Magnetfeldpfeile
610: magnetisches Gebiet
612: magnetisches Gebiet
620: Magnetfeldsonde
622: Magnetfeldsonde
624: Magnetfeldsonde
630: Sensorgehäuse
650: Sensoranordnung
654: Dauermagnet (Backbias-Magnet)
658: Zahnstange
660: Magnetfeldsonde
662: Magnetfeldsonde
664: Magnetfeldsonde
670: Sensorgehäuse
700: feststehender Dauermagnet
702: Sensoranordnung
710: mittlere Magnetfeldsonde
712: linke Magnetfeldsonde
714: rechte Magnetfeldsonde
720: Sensorgehäuse
730: Magnetfeld
750: Arbeitspunkt für eine zentrale Brückenanordnung
754: Arbeitspunkt für eine differenzielle Brückenanord
: nung
758: magnetischer Offset
760: Abszisse
762: Ordinate
770: Arbeitspunkt der zentralen magnetoresistiven Brücke
774: Arbeitspunkt der differenziellen magnetoresistiven
: Brücke
776: magnetischer Offset der zentralen magnetoresistiven
: Brücke
778: magnetischer Offset der differenziellen magnetore
: sistiven Brücke
780: Verschiebungsstrecke
790: Verkippung
792: Arbeitspunkt der zentralen magnetoresistiven Brücke
794: magnetischer Offset der zentralen magnetoresistiven
: Brücke
796: Arbeitspunkt der differenziellen magnetoresistiven
: Brücke
798: magnetischer Offset der differenziellen magnetore
: sistiven Brücke
800: Sensoranordnung
804: Homogenisierungsblech
808: Dauermagnet
812: Sensorgehäuse
820: mittlere Magnetfeldsonde
822: linke Magnetfeldsonde
824: rechte Magnetfeldsonde
830: Sensorgehäuse
840: Arbeitspunkt der zentralen Brückenanordnung
844: Arbeitspunkt der differenziellen Brückenanordnung
848: magnetischer Offset
B_x: Magnetfeldkomponente
B_x,diff: Differenzfeldkomponente
I: Stromfluss
I₁: Stromfluss
I₂: Stromfluss
I₃: Stromfluss
V_out: Sensorausgangsspannung

Claims

Sensor (10) zum Erzeugen eines Ausgangssignals (30) aufgrund eines Messmagnetfelds (20) mit folgenden Merkmalen: einem Sensorelement (12) zum Erfassen eines Magnetfeldes; und einer Leiteranordnung (14) zum Erzeugen eines dem Messmagnetfeld (20) überlagerten Magnetfeldes (28) zum Einstellen eines Arbeitspunkts des Sensorelements (12) durch einen Stromfluss (I) durch die Leiteranordnung (14).
Sensor (10) gemäß Anspruch 1, bei dem das Sensorelement (12) eine nichtlineare Kennlinie aufweist, derart, dass eine Größe einer durch eine vorgegebene Änderung des Messmagnetfelds (20) erzeugten Änderung des Ausgangssignals (30) abhängig von einer Größe des Messmagnetfelds (20) ist.
Sensor (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Sensorelement (12) einen linearen Bereich und einen Sättigungsbereich aufweist, wobei, falls das die Größe des Messmagnetfelds (20) in dem linearen Bereich liegt, eine vorgegebene Änderung des Messmagnetfelds (20) eine vorgegebene, durch eine Proportionalitätskonstante bestimmte, Änderung des Ausgangssignals (30) bewirkt, die unabhängig von der Größe des Messmagnetfelds (20) ist, und wobei, falls die Größe des Messmagnetfelds (20) in dem Sättigungsbereich liegt, eine vorgegebenen Änderung des Messmagnetfelds (20) eine kleine Änderung des Ausgangssignals (30) bewirkt.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor ausgelegt ist, um eine Veränderung des Messmagnetfelds (20) zu erfassen.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Sensorelement (12) ein magnetoresistives Sensorelement ist, das so ausgelegt ist, dass ein elektrischer Widerstand abhängig von dem Messmagnetfeld (20) ist.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Sensorelement (12) so ausgelegt ist, dass es im wesentlichen eine Magnetfeldkomponente in einer Vorzugsrichtung erfasst.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Sensorelement (12) einen anisotropen magnetoresistiven Effekt, einen großen magnetoresistiven Effekt, einen kolossalen magnetoresistiven Effekt oder einen tunnelquantenmagnetoresistiven Effekt ausnutzt.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Sensorelement (12) eine oder mehrere Schichten (64, 66, 68, 70, 72, 74) umfasst, die auf einem Substrat, das ausgelegt ist, um als ein mechanischer Träger zu dienen, aufgebracht sind.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Leiteranordnung (14) eine Leiterstruktur (58) umfasst, die in einer Dickschichttechnologie oder einer Dünnschichttechnologie ausgeführt ist.
Sensor (10) gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem die Leiterstruktur (14, 58) als Schicht zwischen dem Substrat und einer Schicht (64) des Sensorelements (12, 54) ausgeführt ist.
Sensor (10) gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem das Sensorelement (12, 54) zwischen dem Substrat und der Leiterstruktur (14, 58) gebildet ist.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Sensorelement (12) und die Leiterstruktur (14) auf einem Chip ausgeführt sind, der ein Substrat als Trägermaterial sowie mindestens eine darauf aufgebrachte Schicht umfasst.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Sensorelement (12) auf einem Chip, der ein Substrat als Trägermaterial sowie mindestens eine darauf aufgebrachte Schicht umfasst, gebildet ist, und bei dem die Leiteranordnung (14) in einem Gehäuse, das den Chip häust, gebildet ist.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Leiteranordnung (14) einen einzelnen Leiter umfasst.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Leiteranordnung (14) mehrere nebeneinander liegende Leiter (58) umfasst.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Leiteranordnung (14) eine Leiterschleife (212) umfasst, die das Sensorelement (12) umschließt.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Sensor (10) eine Steuerschaltung (220) zur Einstellung des Stromflusses (I) durch die Leiteranordnung (14, 212) umfasst.
Sensor (10) gemäß Anspruch 17, bei dem die Steuerschaltung (220) ausgelegt ist, um den Stromfluss (I) so einzustellen, dass in einem vorbestimmten Ruhezustand des Sensors (10) eine gesamte magnetische Feldkomponente in einer vorbestimmten Richtung (x) in dem Sensorelement (12) verschwindet oder einen vorbestimmten Wert annimmt.
Sensor (10) gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei der Sensor (10) weiterhin eine Speichereinrichtung (224) umfasst, die ausgelegt ist, um eine Information über eine Größe des Stromflusses (I) zu speichern.
Sensor (10) gemäß Anspruch 19, bei dem die Speichereinrichtung (224) ein nichtflüchtiges Speicherelement umfasst, das ausgelegt ist, um die Information über die Größe des Stromflusses (I) auch dann zu speichern, wenn eine Versorgungsspannung nicht vorhanden ist.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Sensor eine dynamische Anpassschaltung (344, 352, 360, 320) umfasst, die ausgelegt ist, um den Stromfluss (I) basierend auf dem Ausgangssignal (338) eines Sensorelements (310) oder eines davon abgeleiteten Signals einzustellen.
Sensor (10) gemäß Anspruch 21, bei dem die dynamische Anpassschaltung (344, 352, 360, 320) ausgelegt ist, um den Stromfluss (I) so einzustellen, dass das Ausgangssignal (338) des Sensorelements (310) sich innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs befindet.
Sensor (10) gemäß Anspruch 22, bei dem die dynamische Anpassschaltung (344, 352, 360, 320) ausgelegt ist, um den Stromfluss (I) so einzustellen, dass das Ausgangssignal (338) des Sensorelements (310) zu jedem Zeitpunkt einen festen Wert annimmt und bei dem ein externes Ausgangssignal des Sensors von dem Stromfluss (I) abhängig ist.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Sensor (10) mindestens zwei Sensorelemente (12) umfasst und ausgelegt ist, um ein externes Ausgangssignal von einem differenziellen Sensorausgangssignal, das von zwei Sensorelementen gebildet wird, abzuleiten.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Sensor drei Sensorelemente (120, 122, 124) umfasst, wobei ein erstes äußeres Sensorelement (122) und ein zweites äußeres Sensorelement (124) zu einer ersten Messbrücke verschaltet sind, um ein Differenzsignal, das ein Maß für die Differenz der Größe der die Sensorelemente durchsetzenden Magnetfeldkomponente in einer vorbestimmten Richtung ist, zu erzeu gen, und wobei ein mittleres Sensorelement (120) Teil einer zweiten Messbrücke ist.
Sensor (10) gemäß Anspruch 25, bei dem die drei Sensorelemente (120, 122, 124) entlang einer Geraden angeordnet sind.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei der Sensor einen Permanentmagneten (114) zum Erzeugen des Messmagnetfelds (20) sowie eine bewegliche Gebereinrichtung (658), die ausgelegt ist, um das Messmagnetfeld (20) zu beeinflussen, umfasst.
Sensor (10) gemäß Anspruch 27, bei dem die bewegliche Gebereinrichtung (658) ein Zahnrad oder eine Zahnstange ist.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei der Sensor eine bewegliche Quelleneinrichtung (600) umfasst, die ausgelegt ist, um das Messmagnetfeld (20) zu erzeugen, wobei das Messmagnetfeld (20) abhängig von einer Position oder einer Ausrichtung der beweglichen Quelleneinrichtung (600) ist.
Sensor (10) gemäß Anspruch 29, bei dem die bewegliche Quelleneinrichtung (600) ein Polrad oder eine Polstange ist.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei der Sensor ausgelegt ist, um eine Position zu bestimmen.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei der Sensor ausgelegt ist, um eine Geschwindigkeit zu bestimmen.
Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei der Sensor ausgelegt ist, um eine Drehzahl zu bestimmen.
Verfahren zum Abgleichen eines Sensors (10) zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufgrund eines Messmagnetfelds (20) gemäß den Ansprüchen 1, 17 und 19 mit folgenden Schritten: Anlegen eines Prüfmagnetfelds als Messmagnetfeld (20) an den Sensor (10); Messen des Ausgangssignals (238) des Sensorelements (210); Bestimmen eines Arbeitspunktsteuerstroms, so dass das Ausgangssignal (238) des Sensorelements (210) bei Vorhandensein des Arbeitspunktsteuerstroms in der Leiteranordnung (212) einen vorgegebenen Wert annimmt; und Programmieren der Speichereinrichtung (224), so dass die Steuerschaltung (220) aufgrund der Information der Speichereinrichtung (224) einen Strom (I) von der Größe des Arbeitspunktsteuerstroms an die Leiteranordnung (212) ausgibt.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Erzeugen eines Ausgangssignals aufgrund eines Messmagnetfelds gemäß den Ansprüchen 1, 17 und 21 mit folgenden Schritten: Empfangen des Ausgangssignals (338) eines Sensorelements (310) während mindestens einer halben Signalperiode, während der ein minimaler und ein maximaler Wert des Ausgangssignals (338) des Sensorelements (310) bezogen auf eine volle Periode bestimmbar ist; Bestimmen eines Minimalwerts und eines Maximalwerts des Ausgangssignals des Sensorelements, wobei ein Minimalwert der kleinste Wert des Ausgangssignals während einer vorbestimmten Zeitdauer, die länger als eine Signalperiode ist, und wobei der Maximalwert der größte Wert des Ausgangssignals während der vorbestimmten Zeitdauer ist; Bestimmen eines Arbeitspunktstromwerts, so dass ein erwarteter Minimalwert und ein erwarteter Maximalwert des Ausgangssignals, die von dem aktuellen Minimalwert und dem aktuellen Maximalwert sowie von dem Arbeitspunktstromwert anhängig sind, innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen; und Einstellen der Steuerschaltung (320), so dass diese einen Stromfluss (I) durch die Leiteranordnung (314) von der Größe des Arbeitspunktstromwerts erzeugt.