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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zu
beachten ist außerdem,
dass magnetoresistive Sensoren eine planare Magnetfeldkomponente,
d. h. eine Komponente des Magnetfelds in der Sensorebene (hier beispielsweise
Bx) messen, während Hallsensoren die normale
Komponente, d. h. eine Magnetfeldkomponente normal zu der Sensorebene
(hier beispielsweise Bz) messen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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
Bx durch die Differenz der entsprechenden
Felder der linken Sonde 712 (Bx1)
und der rechten Sonde (Bx2) zu ersetzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstigen
Magnetfeldsensor zu schaffen, der weniger empfindlich auf Verschiebungen
des magnetischen Arbeitspunktes reagiert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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).
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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 Bx in
einer axialen Richtung einer Magnetfeldsonde und eine Sensorausgangsspannung
Vout (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
Bx,diff gezeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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.
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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.
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Basierend
auf einer erfindungsgemäßen Sensorschaltung
kann ein Verfahren zur Herstellung des Sensors sowie zum Betrieb
desselben entworfen werden. Solche Verfahren werden im Folgenden
beschrieben.
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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.
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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.
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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
- Bx
- Magnetfeldkomponente
- Bx,diff
- Differenzfeldkomponente
- I
- Stromfluss
- I1
- Stromfluss
- I2
- Stromfluss
- I3
- Stromfluss
- Vout
- Sensorausgangsspannung