DE102004056384A1

DE102004056384A1 - Verfahren zur Offseteliminierung aus Signalen magnetoresistiver Sensoren

Info

Publication number: DE102004056384A1
Application number: DE102004056384A
Authority: DE
Inventors: Uwe Loreit; Jochen Schmitt; Fritz Dr. Dettmann
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2006-02-02

Abstract

Das Verfahren setzt die ständig wiederholte Umkehr der Richtung der Magnetisierung der den magnetoresistiven Sensor bildenden Schichtstreifen voraus. Am Ausgang eines solchen Sensors entstehen in unterschiedlichen Frequenzbändern liegende Signalanteile, die dem zu messenden Feld und dem störenden Offset der Sensorbrücke proportional sind. Die Abtrennung des feldproportionalen Signalanteils gelingt in einfacher Weise durch einen Hochpass, der entweder im direkten Signalweg oder in der Rückkopplung vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Signalen magnetoresistiver Sensoren, bei denen zur Eliminierung eines zum Nulloffset proportionalen Störsignales die Magnetisierung der magnetoresistiven Widerstandsstreifen periodisch durch Flipstromimpulse durch eine integrierte Flipleitung oder eine externe Flipspule abwechselnd in positiver und negativer Richtung eingestellt wird. Dabei kann der magnetoresistive Sensor zur hochauflösenden Messung eines Magnetfeldes, beispielsweise des Erdfeldes, oder eines Magnetfeldgradienten oder darauf zurückführbarer Größen, wie zum Beispiel in der potentialfreien Strommessung, eingesetzt werden.
Magnetfeldmessgeräte, die solche Verfahren mit dem Ziel einsetzen, die durch Ungleichheit der Widerstände und deren Temperaturabhängigkeit bedingte Offsetspannung in magnetoresistiven Sensorbrücken vom magnetfeldproportionalen Sensorsignal zu trennen, sind bereits bekannt. So wird in der Offenlegungsschrift DE 34 42 278 ein Magnetfeldmessgerät beschrieben, das einen Magnetfeldsensor mit vier aus magnetoresistiven Schichtstreifen mit Barber Pole Strukturen bestehenden Sensorelementen enthält, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet sind und von einer Gleichstromquelle gespeist werden. Bedingt durch Toleranzen in der Fertigung der magnetoresistiven Schichtstreifen sind nicht alle vier Brückenwiderstände vollständig gleich und es tritt am Ausgang der Sensorbrücke ohne Vorhandensein eines zu messenden Magnetfeldes die durch einen Gleichspannungswert gegebene Offsetspannung auf. Alle magnetoresistiven Schichtstreifen des Sensors weisen jeweils zu demselben Zeitpunkt dieselbe magnetische Vorzugsrichtung auf, die durch die Richtung ihrer jeweiligen Magnetisierung gegeben ist. In der Nähe der Sensorelemente ist eine Magnetisierungsspule angeordnet, die von einem Stromimpulsgenerator mit kurzen, abwechselnd positiven und negativen Stromimpulsen gespeist wird, die in der Magnetisierungsspule ein magnetisches Wechselfeld erzeugen, welches die magnetoresistiven Schichtstreifen im Takt der Flipstromimpulse ummagnetisiert. Bei Anliegen eines zu messenden Magnetfeldes entsteht am Nullzweig der Sensorbrücke zusätzlich zu der erwähnten Offsetgleichspannung eine Wechselspannung. Diese kann von einem durch den Stromimpulsgenerator gesteuerten phasenempfindlichen Gleichrichter angezeigt werden, der am Ausgang zur Beseitigung der als Wechselspannungsanteil enthaltenen Offsetspannung einen Integrator aufweist, dessen Ausgangsspannung dem am Magnetfeldsensor anliegenden Magnetfeld proportional ist, solange dieses im Linearitätsbereich des Magnetfeldsensors liegt.
Ein wesentlicher Nachteil des beschriebenen Messverfahrens besteht darin, dass die Messung von Magnetfeldern nur noch mit einer maximalen Bandbreite erfolgen kann, die bei einem Hundertstel bis zu einem Zehntel der Frequenz der Flipstromimpulse liegt, da die als Wechselanteil im Signal nach dem phasenempfindlichen Gleichrichter vorhandene Offset spannung der Sensorbrücke sonst mit einem zu großen Anteil vorhanden ist. Schnelle Feldänderungen können also nicht nachgewiesen werden. Ein zweiter Nachteil des Messverfahrens ist durch den begrenzten Linearitätsbereich der Kennlinie der Sensorbrücke und durch die Temperaturabhängigkeit der Steigung der Kennlinie sowie deren Abhängigkeit von der in der Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen wirkenden Magnetfeldkomponente bedingt. Das führt dazu, dass die Proportionalität der Ausgangsspannung der beschriebenen Messschaltung zur Feldstärke der gemessenen Magnetfeldkomponente nur in einem stark eingeschränkten Feldstärkebereich und nur bei konstanter Temperatur und konstanter Magnetfeldkomponente in Streifenlängsrichtung gegeben ist.
Dieser zweite Nachteil ist bereits in einem verbesserten Messverfahren nach der Patentschrift US 5 351 005 nicht mehr vorhanden. In der angegebenen Schaltung wird durch phasenempfindliche Gleichrichtung ein Strom erzeugt, der der zu messenden Magnetfeldstärke proportional ist. Dieser Strom wird in eine Kompensationsspule eingespeist, in der sich die magnetoresistive Sensorbrücke befindet und erzeugt hier ein Magnetfeld. Die Schaltung regelt diesen Strom auf einen Wert, der in der Spule ein Magnetfeld erzeugt, das das von außen angelegte Magnetfeld gerade aufhebt. Die magnetoresistive Sensorbrücke wirkt hier nur noch als Nullinstrument. Deshalb spielen Nichtlinearitäten der Kennlinie und ihre Abhängigkeit von der Temperatur und der entsprechenden Magnetfeldkomponente hier auch keine Rolle mehr. Das Ausgangssignal der Schaltung wird aus einem Spannungsabfall gewonnen, den der Strom durch die Kompensationsspule an einem festen Widerstand erzeugt. Zwei „Sample and Hold"-Verstärker werden abwechselnd, gesteuert im Takt des Flipstromgenerators, zur Messung des jeweiligen Spannungsabfalls für die beiden Magnetisierungsrichtungen im magnetoresistiven Sensor benutzt. Die von einem Tiefpassverstärker gebildete Differenz der beiden Spannungen der „Sample and Hold"-Verstärker enthält nur noch den magnetfeldproportionalen Anteil des Signals, während der zum Offset der Sensorbrücke proportionale Anteil durch die Differenzbildung heraus fällt. Die Bandbreite, mit der mit der hier beschriebenen Schaltung Magnetfelder gemessen werden können, wird im Wesentlichen durch die Bandbreite des Tiefpassverstärkers bestimmt. Im günstigsten Fall kann eine Bandbreite von der halben Frequenz der Flipstromimpulse erreicht werden, denn für das Erhalten des richtigen Magnetfeldwertes müssen beide „Sample and Hold"-Verstärker mindestens je einen Messwert aufgenommen haben.
Im „Data Handbook SC 17" (1997) von Philips Semiconductors, Seite 36 ist eine weitere Schaltung zur Eliminierung des Brückenoffsets aus dem Sensorsignal angegeben. Hier wird das Brückensignal zunächst einem Differenzverstärker zugeführt. Der Gleichspannungsanteil des Signals nach dem Differenzverstärker, der die Offsetspannung der Sensorbrücke und des Differenzverstärkers enthält, wird über ein Tiefpassfilter auf den Eingang des Differenzverstärkers negativ zurückgekoppelt und damit auf null geregelt. Der dem zu messenden Magnetfeld proportionale Wechselspannungsanteil des Signals wird über einen gesteuerten Verstärker gleichgerichtet. Das gleichgerichtete Signal wird als Strom in eine Kompensationsspule eingespeist und hebt hier das zu messende Magnetfeld auf. Da die sprungartige Änderung der Eingangsspannung des gesteuerten Verstärkers um die Regelabweichung zu Spannungsspitzen an dessen Ausgang führt, wird ein Filter nachgeschaltet. Damit ist auch hier die Messung des Magnetfeldes nur mit einer Bandbreite möglich, die weit unter der Flipfrequenz liegt.
In der DE 198 34 153 wird vorgeschlagen, die Polarität der Brückenbetriebsspannung synchron mit dem Umflippen der Magnetisierung der magnetoresistiven Streifen umzuschalten. Die dem Magnetfeld proportionale Gleichspannung steht somit am Ausgang des Differenzverstärkers direkt und sofort an. Der enthaltene Wechselspannungsanteil, der durch die Offsetspannung der Sensorbrücke allein bedingt ist, wird durch zwei Demodulatoren und einen Tiefpass auf den Eingang des Differenzverstärkers phasenrichtig zurückgekoppelt und somit auf null geregelt. Mit diesem Verfahren sind Magnetfeldänderungen mit Frequenzen, die weit über der Flippfrequenz liegen, sicher messbar. Nachteilig ist, dass der Offset des Differenzverstärkers nicht aus dem Signal entfernt werden kann.
Die US 6,445,171 enthält gegenüber dem Verfahren aus dem „Data Handbook SC 17" (1997) von Philips Semiconductors die Neuerung, dass der den Offset enthaltende Gleichspannungsanteil zunächst mit dem das Signal enthaltenden Wechselspannungsanteil über einen Demodulator geschickt und hier zum Wechselspannungsanteil wird. Dieser wird dann von einem Integrator weitestgehend verringert. Danach wird er wieder verstärkt, dann demoduliert. Der jetzt noch als Wechselspannungsstörung enthaltene Signalanteil wird in einem weiteren Integrator beseitigt. Das so enthaltene Offsetsignal wird auf den Eingang des Differenzverstärkers zurückgekoppelt und somit praktisch auf Null geregelt. Nachteilig ist hier, dass ein erheblicher Schaltungsaufwand betrieben wird und dass wegen des Integrators im Signalweg trotzdem keine Messung schneller Feldänderungen möglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, Verfahren zur Eliminierung des Offsets magnetoresistiver Sensoren anzugeben, die einen geringen Aufwand erfordern und Messungen in einem weiten Frequenzbereich ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch das im Hauptanspruch beschriebene und in den Unteransprüchen weiter spezifisch ausgebildete Verfahren gelöst.

Kennzeichnend für die Erfindung ist in jedem Fall, dass der Ausgang des Differenzverstärkers, dem die Ausgangsspannung der Sensorbrücke zugeführt wird, direkt mit einem Hochpassfilter verbunden ist. In einer ersten vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird die Magnetisierungsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen der Widerstände einer Sensorbrücke im gleichen Takt umgeschaltet wie die Polarität der Betriebsspannung der Sensorbrücke. Damit liegt am Ausgang des Differenzverstärkers, dem eingangsseitig die Brücken ausgangsspannung zugeführt wird, ein Gleichspannungssignal vor, das dem auf die Sensorbrücke einwirkenden Magnetfeld proportional ist, und ein Wechselspannungssignal, das im Takt der Umschaltung der Magnetisierungsrichtungen sein Vorzeichen ändert, das der Offsetspannung der Sensorbrücke proportional ist und außerdem Störspitzen enthält, die durch die Umschaltungen der Magnetisierung und der Betriebsspannung bedingt sind. Dieses Wechselspannungssignal passiert den dem Differenzverstärker nachgeschalteten Hochpassfilter und wird auf den Eingang des Differenzverstärkers zurückgekoppelt, wobei die Verbindung so gewählt wird, dass eine Gegenkopplung vorliegt. Durch diese Gegenkopplung wird der Wechselspannungsanteil am Ausgang des Differenzverstärkers herausgeregelt und es liegt die dem zu messenden Magnetfeld proportionale Spannung an. Es liegt ein einfacher Schaltungsaufbau vor. Die Grenzfrequenz, mit der Feldsignale hier ausgewertet werden können, liegt nahezu bei der Frequenz der Umschaltung der Magnetisierungen und ist in jedem Fall höher als bei bekannten Schaltungen, die Tiefpassfilter verwenden.

In einer vorteilhaften Ausbildung dieses Verfahrens wird aus der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ein proportionaler Strom gebildet, der einen Kompensationsleiter durchfließt, dessen Magnetfeld dem einwirkenden Magnetfeld entgegengerichtet ist. Damit wird das Gesamtmagnetfeld am Ort der Sensorbrücke auf null geregelt. Ausgangssignal ist nun der genannte Strom, der vorzugsweise aus einem Spannungsabfall an einem Arbeitswiderstand gemessen werden kann.

In einer anderen Ausbildung der Erfindung wird die Magnetisierungsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen der Widerstände einer Sensorbrücke im Takt umgeschaltet, die Betriebspannung der Sensorbrücke ist konstant. Damit liegt am Ausgang des Differenzverstärkers, dem eingangsseitig die Brückenausgangsspannung zugeführt wird, ein Wechselspannungssignal vor, das dem auf die Sensorbrücke einwirkenden Magnetfeld proportional ist und das im Takt der Umschaltung der Magnetisierungsrichtungen sein Vorzeichen ändert, und ein Gleichspannungssignal, das der Summe der Offsetspannungen der Sensorbrücke und des Differenzverstärkers proportional ist. Der dem Differenzverstärker nachgeschaltete Hochpassfilter lässt nur das Wechselspannungssignal passieren. Es wird in einem Demodulator, der im Takt der Ummagnetisierung gesteuert wird, gleichgerichtet. Somit liegt die zum einwirkenden Magnetfeld proportionale Ausgangsspannung vor. Der Schaltungsaufbau ist einfach und erfordert einen geringen Aufwand. Es wird sowohl der Offset der Sensorbrücke als auch der Offset des Differenzverstärkers eliminiert. Die Grenzfrequenz, mit der Feldsignale hier ausgewertet werden können, ist weit höher als die Frequenz der Umschaltung der Magnetisierungen.

In einer vorteilhaften Ausführung wird dem Demodulator ein Tiefpassfilter nachgeschaltet. Dessen Grenzfrequenz hat einen Wert, der weit über dem der Frequenz der Umschaltung der Magnetisierungen liegt. Er dient dem Herausfiltern der Störspitzen, die durch die Um schaltung der Magnetisierungen und durch das Schalten des Demodulators entstehen. Ihre Dauer ist kürzer als die Dauer der Magnetisierungsimpulse, die wenige Mikrosekunden beträgt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens, bei dem dem Hochpassfilter ein Demodulator nachgeschaltet ist, wird aus der Ausgangsspannung des Demodulators bzw. des nachgeschalteten Tiefpassfilters ein proportionaler Strom gebildet, der einen Kompensationsleiter durchfließt, dessen Magnetfeld dem einwirkenden Magnetfeld entgegengerichtet ist. Damit wird das Gesamtmagnetfeld am Ort der Sensorbrücke auf null geregelt. Ausgangssignal ist nun der genannte Strom, der vorzugsweise aus einem Spannungsabfall an einem Arbeitswiderstand gemessen werden kann.

Die Sensorbrücke der bisher dargestellten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens lieferte stets ein im Wesentlichen zum einwirkenden Magnetfeld proportionales Ausgangssignal. Das Verfahren kann aber auch ebenso vorteilhaft mit Sensorbrücken durchgeführt werden, deren Ausgangssignal zu einem einwirkenden Magnetfeldgradienten proportional ist. Bei einer Kompensation der einwirkenden Größe ist dann darauf zu achten, dass ein entsprechender Strom einen Kompensationsleiter durchfließt, so dass die durch ihn erzeugte Magnetfeldverteilung den einwirkenden Gradienten aufhebt.

Bei Erzeugung des einwirkenden Magnetfeldgradienten durch einen Strom wird bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schaffung eines Stromsensors hoher Präzision und hoher Grenzfrequenz ermöglicht. Dabei sind ferromagnetische Feldkonzentratoren nicht erforderlich und es werden geringste Baugrößen erreicht.

Bei Anwendung von magnetoresistiven Sensorbrücken, bei denen, wie beispielsweise in der DE 43 19 146 oder der DE 196 48 879 beschrieben, die Kompensationsleiter und die Leiter für die Erzeugung der Magnetfelder zur Ummagnetisierung der magnetoresistiven Streifenleiter bereits auf demselben Chip integriert sind, ergeben sich Vorteile dadurch, dass geringe Ströme zur Ummagnetisierung ausreichend sind, dass eine geringe Dauer der Stromimpulse, die beispielsweise unterhalb einer Mikrosekunde liegen kann, ausreicht und dass wegen der geringen Induktivität der Leiter für die Erzeugung der Magnetfelder für die Ummagnetisierung geringe Anstiegszeiten der Umschaltimpulse und hohe Umschaltfrequenzen möglich sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Messungen von Magnetfeldern in einem Frequenzband möglich, dessen obere Grenze weit über der Frequenz der Ummagnetisierungsimpulse liegt. Dadurch kann bei der Anwendung auch der Fall auftreten, dass die Änderungsfrequenz des zu messenden Feldes mit einer konstant gewählten Ummagnetisierungsfrequenz übereinstimmt. Wäre das der Fall, würde dieser Frequenzanteil des Feldsignals wie aus dem Messsignal entfernt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, mit zeitlich variabler Ummagnetisierungsfrequenz zu arbeiten. Vorteilhafterweise wird eine zeitlich periodisch variierende Frequenz der Ummagnetisierung gewählt. Ein anderes vorteilhaftes Verfahren besteht darin, die Ummmagnetisierungsimpulse durch einen Rauschgenerator auszulösen. Dadurch ist auch die Bedingung erfüllt, dass die Dauer, in der sich die Magnetisierung der magnetoresistiven Streifen in einer bestimmten Richtung befindet im Mittel mit der Dauer übereinstimmt, in der die entgegen gesetzte Magnetisierungsrichtung eingestellt ist. Das gilt so bereits für Zeitabschnitte, deren Dauer weit unter der reziproken Grenzfrequenz des Hochpasses liegen.

Die Erfindung wird im Folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu sind folgende Zeichnungen enthalten:
1: Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Eliminierung des Sensoroffsets,
2: Darstellung des Verfahrens nach 1 mit Kompensation des zu messenden Feldes oder Feldgradienten,
3: Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Eliminierung der Summe des Sensoroffsets und des Offsets des Differenzverstärkers,
4: Darstellung des Verfahrens nach 3 mit Kompensation des zu messenden Feldes oder Feldgradienten.
In 1 ist schematisch eine Schaltung dargestellt, an Hand deren ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden soll. Gemessen wird das Magnetfeld H, das nur in 3 und 4 eingezeichnet ist. Dieses Feld H wirkt auf alle magnetoresistiven Widerstände der Sensorbrücke 2 ein. Die Sensorbrücke 2 befindet sich mit den Leitern 3, die den Impulsstrom zur Ummagnetisierung der magnetoresistiven Streifen der Sensorbrücke 2 führen, integriert auf demselben Chip 1. Diese Leiter 3 sind schematisch als Spule gezeichnet. Ein Chip der beschriebenen Art wird beispielsweise in der Patentschrift DE 196 48879 beschrieben und ist dort in der 4 dargestellt. Der Strom durch die Spule 3 wird im Impulsgenerator 5 erzeugt. Die Stromimpulse des Impulsgenerators 5 haben abwechselnde Richtung und haben eine Dauer, die kurz ist im Vergleich mit dem Impulsabstand. Sie kann im Bereich einiger Zehntel einer Mikrosekunde liegen. Die Stromstärke der Impulse ist so gewählt, dass in der Spule 3 ein Feld H₃ entsteht, das die Koerzitivfeldstärke der magnetoresistiven Streifen überschreitet und so dazu führt, dass die jeweilige Richtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Streifen der Brückenwiderstände mit der des Feldes H₃ übereinstimmt. Der Impulsgenerator 5 steuert einen Umschalter 13, durch den die Betriebsspannung 7 abwechselnd im Takt der Stromimpulse mit dem ersten und dem zweiten Betriebsspannungskontakt der Sensorbrücke 2 verbunden wird. Durch die gleichzeitige Richtungsumkehr der Magnetisierung in den Schichtstreifen und der Brückenbetriebsspannung 7 bleibt die Steigung der Kennlinie der Sensorbrücke erhalten. Wirkt ein Magnetfeld H auf die Sensorbrücke 2, so entsteht am Brückenausgang also eine dem Magnetfeld proportionale Gleichspannung, die der durch die Offsetspannung der Sensorbrücke 2 bedingten Wechselspannung überlagert ist.
Dieses Signal wird durch den Differenzverstärker 6 verstärkt. Am Ausgang des Differenzverstärkers 6 befindet sich ein Hochpassfilter 9, das den Wechselspannungsanteil des Signals auf den Eingang des Differenzverstärkers 6 zurückkoppelt. Da es sich dabei um eine Gegenkopplung handelt, regelt der Differenzverstärker den Wechselspannungsanteil auf null. Somit ist am Ausgang 11 des Differenzverstärkers 6 kein Wechselanteil mehr im Signal vorhanden und damit auch kein Anteil des Offsets der Sensorbrücke 2. Durch die Stromimpulse des Impulsgenerators 5 werden im Brückensignal Spannungsspitzen erzeugt, deren Dauer etwa der der Stromimpulse entspricht. Diese werden durch die Rückkopplung über den Hochpassfilter 9 ebenfalls stark gedämpft. Damit liegt am Ausgang 11 eine dem Magnetfeld H proportionale Spannung vor.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das gegenüber dem in 1 dargestellten erweitert wurde. Hier wird die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 6 nicht direkt gemessen, sondern diese wird in einen Strom umgewandelt, der die Kompensationsleitung 4, hier als Spule dargestellt, durchfließt. Das Feld H₄ des Kompensationsleiters 4, eingezeichnet in 4, ist dem zu messenden Feld H entgegengerichtet. Der Kompensationsstrom wird stets auf einen solchen Wert geregelt, dass die am Ort der Sensorbrücke 2 wirkende Summe aus den Feldern H und H₄ den Wert null hat. Mit dem Strom durch die Kompensationsleitung 4 ist also auch das zu messende Feld H bekannt. Er wird in 2 aus der Spannung am Arbeitswiderstand 8 bestimmt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Verfahren in 1 wird hier mit konstanter Betriebsspannung 7 der Sensorbrücke 2 gearbeitet. Aus dem Impulsgenerator 5 werden wieder Stromimpulse wechselnder Richtung in den Leiter 3 eingespeist, die am Ort der Sensorbrücke 2 die Feldstärke H₃ zur Umkehr der Richtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Streifen der Widerstände der Sensorbrücke 2 erzeugt. Damit ändert sich im Takt der Stromimpulse das Vorzeichen der Kennlinie der Sensorbrücke 2. Am Ausgang der Sensorbrücke 2 liegt somit ein im Takt der Stromimpulse sein Vorzeichen wechselnder Spannungsanteil vor, der dem zu messenden Feld H proportional ist, und ein Gleichspannungsanteil, der dem Offset der Sensorbrücke 2 entspricht. Der Wechselspannungsanteil kann den nachgeschalteten Hochpassfilter 9 passieren, während der Offsetanteil des Signals herausgefiltert wird. Die Grenzfrequenz des Hochpassfilters 9 ist so eingestellt, dass sie sicher unter der Frequenz der Stromimpulse liegt. Änderungen des Offsets der Sensorbrücke 2, die beispielsweise durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, erfolgen mit Frequenzen, die sicher unter der Grenzfrequenz liegen. Das Signal durchläuft nach der Filterung einen Demodulator, der als Negator 12 und als ein im Takt der Stromimpulse des Impulsgenerators 5 gesteuerter Umschalter 10 gezeichnet ist. Das Signal am Ausgang 11 ist so dem zu messenden Feld H proportional. Es enthält auch alle hochfrequenten Anteile, die schnellen Feldänderungen entsprechen, da sich im Signalweg lediglich ein Hochpassfilter 9 befindet. Die übertragenen Signalanteile können dabei auch Frequenzen enthalten, die weit über der Taktfrequenz des Impulsgenerators 5 liegen. Es sind Magnetfelder H messbar, deren Frequenz zwischen 0 Herz und der Frequenz liegt, die sich aus der reziproken Dauer der Ummagnetisierungsimpulse des Impulsgenerators 5 ergibt. Während dieser Dauer wird die Richtung der magnetoresistiven Streifen der Widerstände der Sensorbrücke 2 umgeschaltet und ihr Widerstandwert ist nicht zum Feld H proportional.
Wird mit konstanter Taktfrequenz des Impulsgenerators gearbeitet und die Änderungsfrequenz des zu messenden Magnetfeldes H stimmt zufällig mit der Taktfrequenz überein, so liegt nach dem Demodulator keine Signalspannung vor. Um diese Singularität in der Messbandbreite zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, mit zeitlich variabler Ummagnetisierungsfrequenz zu arbeiten. Vorteilhafterweise wird eine zeitlich periodisch variierende Frequenz der Ummagnetisierung gewählt. Ein anderes vorteilhaftes Verfahren besteht darin, die Ummmagnetisierungsimpulse durch einen Rauschgenerator auszulösen. Dadurch ist auch die Bedingung erfüllt, dass die Dauer, in der sich die Magnetisierung der magnetoresistiven Streifen in einer bestimmten Richtung befindet im Mittel mit der Dauer übereinstimmt, in der die entgegen gesetzte Magnetisierungsrichtung eingestellt ist. Das gilt so bereits für Zeitabschnitte, deren Dauer weit unter der reziproken Grenzfrequenz des Hochpasses liegen.
Ein weitgehend mit der Ausführung nach 3 übereinstimmendes Verfahren wird in 4 dargestellt. Es enthält wieder die schon aus der Beschreibung der 2 bekannte Kompensation des zu messenden Feldes H am Ort der Sensorbrücke 2 durch Umwandlung der Ausgangsspannung des Demodulators in einen proportionalen Strom und dessen Einspeisung in die Kompensationsleitung 4 des Sensorchips 1. Das aus der Summe der Felder H und H₄ gebildete Gesamtfeld wird auf null geregelt. Der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand 8 stellt das zum Feld H proportionale Ausgangssignal dar.
Alle in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschreiben die Messung magnetischer Felder H. Für die Messung von Magnetfeldgradienten oder örtlichen Magnetfelddifferenzen sind dieselben Verfahren anwendbar, Änderungen sind dazu nur in der Gestaltung der magnetoresistiven Streifen der Widerstände der Sensorbrücke 2 erforderlich.
Die Bestimmung von Strömen, die die Magnetfelder, Feldgradienten oder örtlichen Differenzen von Magnetfeldern erzeugen, die dann mit den beschriebenen Verfahren gemessen werden, ist im Erfindungsumfang enthalten.

1: Chip
2: Sensorbrücke
3: Leiter
4: Kompensationsleiter
5: Impulsgenerator
6: Differenzverstärker
7: Betriebsspannung
8: Arbeitswiderstand
9: Hochpassfilter
10: Umschalter
11: Ausgang
12: Negator
H: zu messendes Magnetfeld
H₃: Ummagnetisierungsfeld
H₄: Kompensationsfeld

Claims

Verfahren zur Signalauswertung mit Eliminierung eines zum Nulloffset proportionalen Störsignales an magnetoresistiven Sensoren, bei dem eine Elektronik eine Magnetisierungsrichtung in den die Widerstände bildenden magnetoresistiven Elementen durch Anlegen eines magnetischen Impulsfeldes mit einer Taktfrequenz in abwechselnder Richtung umschaltet und die Ausgangsspannung der Sensoren einem Differenzverstärker zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Differenzverstärkers direkt einem Hochpass zugeführt wird
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände eine Wheatstone-Brücke bilden, deren Betriebsspannung im Takt des Impulsfeldes ihr Vorzeichen wechselt und dass das Signal am Ausgang des Hochpasses auf den Eingang des Differenzverstärkers zurückgekoppelt und so der durch den Offsetanteil des Signals der Wheatstone-Brücke bedingte Wechselanteil des Signals am Ausgang des Differenzverstärkers auf einen minimalen Wert geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände eine Wheatstone-Brücke bilden, deren Betriebsspannung eine Gleichspannung ist und dass das Ausgangssignal des Hochpasses einem im Takt des Impulsfeldes gesteuerten Demodulator zugeführt und so an dessen Ausgang eine dem auf die Wheatstone-Brücke wirkenden Feldsignal proportionale Spannung aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers proportionaler Strom in mindestens einen in der Nähe der Wheatstone-Brücke befindlichen Kompensationsleiter eingespeist und so die Summe der auf den magnetoresistiven Sensor einwirkenden Magnetfelder auf null geregelt wird, und dass der Wert der Stromstärke durch den Kompensationsleiter als Ausgangssignal der Schaltung benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Ausgangssignal des Demodulators proportionaler Strom in mindestens einen in der Nähe der Wheatstone-Brücke befindlichen Kompensationsleiter eingespeist und so die Summe der auf den magnetoresistiven Sensor einwirkenden Magnetfelder auf null geregelt wird, und dass der Wert der Stromstärke durch den Kompensationsleiter als Ausgangssignal der Schaltung benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke aus einem Spannungsabfall an einem Arbeitswiderstand bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz, mit der das magnetische Impulsfeld umgeschaltet wird, zeitlich variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Variation periodisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Variation stochastisch erfolgt und beispielsweise durch einen Rauscheffekt ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Zeitabschnitte, in denen sich die Magnetisierung der magnetoresistiven Elemente in einer bestimmten Richtung befindet mit der Summe der Zeitabschnitte, in denen sich die Magnetisierung in der entgegen gesetzten Richtung befindet, in Zeiten, die kurz verglichen mit der reziproken Grenzfrequenz des Hochpassfilters sind, übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetoresistive Sensorbrücke zur Messung benutzt wird, deren Ausgangsspannung zum angelegten Magnetfeld proportional ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetoresistive Sensorbrücke zur Messung benutzt wird, deren Ausgangssignal zum angelegten Magnetfeldgradienten proportional ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldgradient durch einen Strom erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass magnetoresistive Sensorbrücken verwendet werden, die integriert Mittel zur Erzeugung des Ummagnetisierungsfeldes enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass magnetoresistive Sensorbrücken verwendet werden, die integriert Mittel sowohl zur Erzeugung des Ummagnetisierungsfeldes als auch des Kompensationsfeldes enthalten.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik ganz oder teilweise auf einem Chip als ASIC integriert ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass auch der magnetoresistive Sensor auf demselben Chip integriert ist.