DE102005037905A1

DE102005037905A1 - Magnetfeldsensor zum Messen eines Gradienten eines magnetischen Feldes

Info

Publication number: DE102005037905A1
Application number: DE102005037905A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Ein Magnetfeldsensor zum Messen des Gradienten eines magnetischen Feldes mit einer passiven Brückenschaltung (2) enthält zumindest zwei Brückenzweige (22, 24), in denen jeweils zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R¶1¶, R¶2¶, R¶3¶, R¶4¶) angeordnet sind, von denen jeweils zumindest einer magnetoresistiv ist, wobei die zumindest zwei magnetoresistiven, zu verschiedenen Brückenzweige (22, 24) gehörenden Widerstände (R¶1¶, R¶2¶ bzw. R¶3¶, R¶4¶) in Richtung einer Basisachse (x) zumindest annähernd eine Basislänge (b) voneinander beabstandet angeordnet sind. Gemäß der Erfindung sind die zur elektrischen Verbindung der Widerstände (R¶1¶, R¶2¶, R¶3¶, R¶4¶) erforderlichen Verbindungsleiter (6 bzw. 8) derart angeordnet, dass die von der Brückenschaltung (2) umschlossene Fläche bei gegebener Anordnung der magnetoresistiven Widerstände (R¶1¶, R¶2¶, R¶3¶, R¶4¶) zumindest weitgehend minimiert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor zum Messen eines Gradienten eines magnetischen Feldes, wie er beispielsweise aus der DE 44 36 876 A1 bekannt ist.

Zum Messen eines Magnetfeldes ist es im Stand der Technik bekannt, Sensoren zu verwenden, die auf der Basis des magnetoresistiven Effektes arbeiten. Ein solcher Magnetfeldsensor ist beispielsweise aus der US 6,538,437 B2 bekannt. Bei diesem Magnetfeldsensor handelt es sich um eine modifizierte Ausführungsform eines sogenannten Fluxgate-Magnetometers, bei dem in einem Sekundärkreis vier magnetoresistive Widerstände in einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet sind. Jedem dieser Widerstände ist ein stromdurchflossener Leiter zugeordnet, der am Ort der widerstände einmagnetisches Wechselfeld erzeugt. Diese Leiter bilden einen Primärkreis, der magnetisch mit dem Sekundärkreis gekoppelt ist. Bei aktivem Primärkreis wird in Anwesenheit eines Magnetfeldes im Sekundärkreis ein Spannungssignal an der Brückendiagonale erzeugt. Diese bekannte Messanordnung erfordert aber stets das Vorhandensein eines aufwändigen aktiven Primärkreises. Ohne einen solchen Primärkreis kann weder ein Magnetfeld noch ein Magnetfeldgradient gemessen werden.

Alternativ zu einer solchen aktiven Messanordnung ist aus der DD 256 628 A3 ein Magnetfeldsensor mit einer passiven, d. h. ohne die aktive Einkopplung eines mit einem Primär- oder Anregungskreises erzeugten magnetischen Wechselfeldes arbeitenden Messanordnung bekannt. Bei diesem Magnetfeldsensor sind ebenfalls vier streifenförmige magnetoresistive Widerstände zu einer Wheatstone-Brücke geschaltet. Die zu verschiedenen Brückenzweigen gehörenden und an ein gemeinsames Potential angeschlossenen Widerstände unterscheiden sich jedoch jeweils hinsichtlich des Vorzeichens ihrer Magnetfeldempfindlichkeit, so dass bei Anwesenheit eines Magnetfeldes über der Brückendiagonalen eine Spannungsdifferenz auftritt, ohne dass es hierzu eines aktiven Anregungskreises bedarf.

Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, beispielsweise bei der potentialfreien Strommessung, ist es jedoch wünschenswert, kleinräumige Magnetfelder zu erfassen, die von großräumigen homogenen Störmagnetfeldern überlagert sind. Zur Trennung solcher großräumiger Störmagnetfelder von den zu messenden kleinräumigen Magnetfeldern wird ausgenutzt, dass letztere auf Grund ihrer Kleinräumigkeit einen relativ hohen Gradienten aufweisen. Wird nun eine Messanordnung eingesetzt, die empfindlich gegenüber eines solchen Gradienten aber unempfindlich gegenüber einem homogenen Magnetfeldanteil ist, können auch betragsmäßig kleine Magnetfelder in der Umgebung betragsmäßig großer Störmagnetfelder sicher erfasst werden.

Ein solcher zum Messen eines Gradienten eines Magnetfeldes geeigneter und aus der DE 44 36 876 A1 bekannter passiver Magnetfeldsensor ist in einer Prinzipdarstellung in 7 dargestellt. Er enthält eine Brückenschaltung 2 in Form einer Wheatstone-Brücke mit zwei Brückenzweigen 22 und 24, die um eine Basislänge b = x₂ – x₁ voneinander entfernt angeordnet sind. Jeder Brückenzweig 22, 24 enthält zwei in Reihe geschaltete Teilzweige 22-1, 22-2 bzw. 24-3, 24-4, mit jeweils zumindest einem magnetoresistiven Widerstand R₁, R₂ bzw. R₃, R₄. Bei den magnetoresistiven Widerständen R_1,2 und R_3,4 handelt es sich jeweils um einen oder mehrere in Serie geschaltete Schichtwiderstände, die sich in Längsrichtung senkrecht zur Abstandsachse x der Brückenschaltung 2 erstrecken und auf einem in der Figur nicht dargestellten Substrat angeordnet sind. Die von einem gemeinsamen Verzweigungspunkt ausgehenden oder in einen gemeinsamen Verzweigungspunkt mündenden Teilzweige 22-1, 24-3 bzw. 22-2, 24-4 werden ebenso wie die in ihnen angeordneten magnetoresistiven Widerstände R_1,3 bzw. R_2,4 nachfolgend als einander zugeordnete Telzweige 22-1, 22-3 bzw. 22-2, 24-4 bzw. magnetoresistive Widerstände R_1,3 bzw. R_2,4 bezeichnet.

Die magnetoresistiven Widerstände R_1,2 und R_3,4 eines jeden Brückenzweiges 22 bzw. 24 sind jeweils mit einer Mehrzahl von sogenannten Barberpolen 4 versehen, die gegen die Längsachse eine Neigung von 45° aufweisen und in der Figur schematisch durch diagonale Linien veranschaulicht sind. Zum Nachweis eines Gradienten der Komponente B_x eines Magnetfeldes B in Richtung der Abstandsachse x sind die in einem Brückenzweig 22, 24 in verschiedenen Teilzweigen 22-1, 22-2 bzw. 24-3, 24-4 angeordneten magnetoresistiven Widerstände R_1,2 bzw. R_3,4 jeweils mit um 90° versetzt zueinander angeordneten Barberpolen 4 versehen, wobei die an ein gemeinsames Potential angeschlossenen Teilzweige 22-1, 24-3 bzw. 22-2, 24-4 verschiedener Brückenzweige 22, 24 zueinander parallel orientierte Barberpole 4 aufweisen.

Die Brückenschaltung 2 wird mit einer konstanten Versorgungsspannung V₀ (oder alternativ mit einem konstanten Versorgungsstrom) gespeist und ein dem Gradienten eines magnetischen Feldes B in Richtung der Abstandsachse x annähernd proportionales Spannungssignal V₁ – V₂ wird über der Brückendiagonale 26 abgegriffen. In Abwesenheit eines Magnetfeldgradienten ist die Spannungsdifferenz V₁ – V₂ (Brückenspannung) über der Brückendiagonale bei ideal abgeglichenen Widerständen R₁ bis R₄ gleich Null.

Für die Spannungen V₁ und V₂ gelten die Beziehungen V1 = V0R2/(R1 + R2) V2 = V0R4/(R3 + R4),wobei V₀ die Versorgungsspannung der Brückenschaltung 2 ist.

Für die Brückenspannung V₁ – V₂ folgt näherungsweise: V1 – V2 = V0(R2 – R4)/2R

Wobei R der nominelle Widerstandswert, d. h. der Widerstandswert in Abwesenheit eines Magnetfeldes B (B = 0) aller magne toresistiven Widerstände R_1-4 ist. Wegen der Orientierung der Barberpole 4 folgt für die Magnetfeldabhängigkeit R2 = R2(0) + (∂R2/∂B)B(X1) R4 = R4(0) + (∂R4/∂B)B(X2)

Dabei sind R₂(0) und R₄(0) die jeweiligen tatsächlichen Widerstandswerte der Widerstände R₂ bzw. R₄ für B = 0, die aus fertigungstechnischen Gründen vom nominellen Widerstandswert abweichen. Mit den Beziehungen ∂R2/∂B = ∂R/∂B + ∂(R2 – R)/∂B ∂R4/∂B = ∂R/∂B + ∂(R4 – R)/∂Bergibt sich für die Spannungsdifferenz V₁ – V₂: (V1 – V2)(2R/V0) =[R2(0) – R4(0)] +[∂(R2 – R)/∂B – ∂(R4 – R)/∂B]B(x1)+[(x2 – x1)∂R/∂B]∂B/∂x (1)

Das erste Glied der Summe stellt eine Offsetspannung dar, die zusammenhängt mit der nicht perfekten Gleichheit der Magnetowiderstände, d. h. deren Abweichung vom nominellen Widerstandswert R und der daraus folgenden Asymmetrie der Brückenschaltung 2. Diese Offsetspannung kann prinzipiell in einer nachgeschalteten Verstärkerstufe abgeglichen werden, kann aber zusätzlich eine Temperaturdrift aufweisen, da die magnetoresistiven Widerstände eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Das zweite Glied ist eine Spannung, die proportional zu der Magnetfeldstärke ist und durch eine Asymmetrie der Brückenschaltung 2 verursacht ist. Störende homogene Magnetfelder würden sich entsprechend dieses Glieds bemerkbar machen. Das dritte Glied stellt das eigentliche Messsignal dar und ist proportional zum Gradienten ∂B/∂x des Magnetfeldes B in Abstandsrichtung x. Das Gradiometerprinzip in der Messbrücke führt im Sensorausgang (Brückendiagonale 26) zu einem Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal entsprechend der Gleichung [(x2 – x1)(∂R/∂B)/{∂(R2 – R)/∂B – ∂(R4 – R)/∂B}]·[(∂B/∂x)/B] (2)

Dieses Verhältnis wird wesentlich beeinflusst durch die Symmetrie der Brückenschaltung 2, die durch die Fertigungstechnik bestimmt ist und insbesondere bei einer photolithographischen Herstellung der magnetoresistiven Widerstände aus Dünnschichten optimiert werden kann.

Den Gleichungen (1) und (2) ist nun zu entnehmen, dass die Messempfindlichkeit des Magnetfeldsensors direkt proportional zur Basislänge b = x₂ – x₁ ist.

Eine Vergrößerung der Basislänge b der Brückenschaltung 2 führt jedoch bei der bekannten Anordnung der magnetoresistiven Widerstände R_1-4 zu einer großen von der Brückenschaltung 2 eingeschlossenen und durch Schraffur hervorgehobenen Fläche A. Somit addiert sich zu der Einwirkung von magnetischen Störfeldern auf die magnetoresistiven Widerstände R_1-4 eine induktive Einwirkung in der die Fläche A umgebenden geschlossenen Schleife der Brückenschaltung 2. Ein solches induktives Störsignal ist jedoch unerwünscht und führt zu einer Verschlechterung des Verhältnisses von Nutzsignal zu Störsignal.

Die vorstehend anhand eines sogenannten AMR-Wandlers, dessen magnetoresistive Widerstände einen anisotropen oder anomalen Magnetowiderstandseffekt zeigen (anomalous magnetoresistance), vorgetragenen Überlegungen gelten auch für Wheatstone-Brückenschaltungen, deren Widerstände einen von der Magnetfeldstärke und von der Magnetfeldrichtung abhängigen ohmschen Widerstand aufweisen, beispielsweise auf der Grundlage des GMR- oder TMR-Effektes beruhen (giant bzw. tunneling magnetoresistance). Aufgrund der in neuerer Zeit entdeckten Vielzahl von neuen Magnetowiderstandseffekten werden diese in der Literatur auch unter dem Sammelabkürzung „XMR" geführt. Wesentliche Merkmale sind lediglich, dass einerseits die magnetoresistiven Widerstände, die in einem Brückenzweig angeordnet sind, eine einander entgegengesetzte magnetische Empfindlichkeit aufweisen, so dass der Gesamtwiderstand in einem Brückenzweig im wesentlichen unabhängig vom Magnetfeld ist, und dass andererseits die magnetoresistiven Widerstände, die in verschiedenen Brückenzweigen angeordnet sind, aber jeweils Teilzweigen angehören, die an ein gemeinsames Potential angeschlossen sind, in gleicher Weise magnetfeldempfindlich sind, also insbesondere die gleiche Richtungsempfindlichkeit aufweisen. Nur in diesem Fall ist sichergestellt, dass ausschließlich der Gradient eines Magnetfeldes erfasst wird und ein homogener Magnetfeldanteil das Messergebnis nicht beeinflusst.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, einen Magnetfeldsensor zum Messen eines Gradienten eines Magnetfeldes anzugeben, dessen durch induktive Einwirkung verursachte Störsignalanteile bei zugleich hoher Messempfindlichkeit weitgehend minimiert sind.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Magnetfeldsensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält ein Magnetfeldsensor eine passive Brückenschaltung mit zumindest zwei Brückenzweigen, in denen jeweils mindestens zwei in Reihe geschaltete Widerstände angeordnet sind, von denen jeweils zumindest einer magnetoresistiv ist, wobei die zumindest zwei magnetoresistiven, zu verschiedenen Brückenzweigen gehörenden Widerstände voneinander in Richtung einer Basisachse zumindest annähernd eine Basislänge voneinander beabstandet und hinsichtlich ihrer betrags- und vorzeichenmäßigen Magnetfeldabhängigkeit derart in der Brückenschaltung angeordnet sind, dass bei ausschließlicher Anwesenheit eines homogenen magnetischen Feldes die an einer Diagonale der Brückenschaltung gemessene Spannungsdifferenz zumindest annähernd verschwindet. Mit anderen Worten: Jedem magnetoresistiven Widerstand eines Teilzweiges eines Brückenzweiges ist in dem diesen zugeordneten Teilzweig des anderen Brückenzweiges ein hinsichtlich seiner betrags- und vorzeichenmäßigen Magnetfeldempfindlichkeit zumindest nahezu identischer magnetoresistiver Widerstand zugeordnet, wobei die beiden einander zugeordneten magnetoresistiven Widerstände voneinander um die Basislänge beabstandet sind. Die zur elektrischen Verbindung der magnetoresistiven widerstände erforderlichen Leiter sind derart angeordnet, dass die von der Brückenschaltung umschlossene Fläche bei gegebener Anordnung der magnetoresistiven Widerstände zumindest weitgehend minimiert ist. Durch diese Maßnahme werden die in der Brückenschleife durch induktive Einwirkung erzeugten Störsignalanteile entsprechend reduziert.

Vorzugsweise sind die zur elektrischen Verbindung der Brückenzweige erforderlichen Verbindungsleiter zumindest auf einer die Basislänge überbrückenden Basisstrecke eng benachbart nebeneinander angeordnet.

Werden die jeweils zu einem Brückenzweig gehörenden Widerstände in Längsrichtung hintereinander angeordnet, sind gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Verbindungsleiter bis zur Basisstrecke eng benachbart entlang der magnetoresistiven Widerstände geführt.

Eine weitgehende Minimierung der von der Widerstandsbrückenschleife eingeschlossene Fläche wird erreicht, wenn gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung gemäß der Erfindung die zu einem Brückenzweig gehörenden Widerstände an ihren Längsseiten eng benachbart nebeneinander angeordnet sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kreuzen sich die Verbindungsleiter im Bereich der Basisstrecke kontaktfrei. Auf diese Weise wird die Brückenschaltung in zwei gegensinnig orientierte Schleifen aufgeteilt, und die induktiven Einwirkungen sind weitgehend kompensiert.

Wird die Brückendiagonale gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kapazitiv überbrückt, so werden die Einflüsse hochfrequenter Störfelder weitgehend unterdrückt.

Vorzugsweise ist in jedem der Teilzweige zumindest ein magnetoresistiver Widerstand angeordnet, wobei die magnetoresistiven Widerstände insbesondere AMR-Widerstände sind, die mit ihrer Längsrichtung senkrecht zur Basisachse mit unter 45° zu dieser Längsrichtung orientierten Barberpolen angeordnet sind. Sind außerdem die zu verschiedenen Teilzweigen eines Brückenzweiges gehörenden magnetoresistive Widerstände mit um 90° versetzt zueinander angeordneten Barberpolen versehen, lässt sich eine besonders hohe Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors realisieren.

Zur Unterdrückung inhomogener magnetischer Störfelder ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Anordnung vorgesehen, bei der jeder Brückenzweig in zumindest einem seiner Teilzweige wenigstens zwei magnetoresistive Widerstände umfasst. Die magnetoresistiven widerstände eines Teilzweiges sind voneinander jeweils um eine Basislänge beabstandet derart angeordnet sind, dass ein magnetoresistiver Widerstand eines Brückenzweiges gemeinsam mit einem magnetoresistiven Widerstand des anderen Brückenzweiges eng benachbart in der Mitte zwischen den anderen beiden magnetoresistiven widerständen angeordnet sind. Auf diese Weise können auch Störfelder, die im Bereich des Magnetfeldsensors einen nicht vernachlässigbaren Feldgradienten erster Ordnung erzeugen weitgehend unterdrückt werden und magnetische Felder, die nichtlinear vom Ort abhängen, d.h. einen Feldgradienten zweiter Ordnung aufweisen nachgewiesen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
1 einen Magnetfeldsensor gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
2 eine alternative Ausgestaltung des Magnetfeldsensors gemäß der Erfindung,
3 einen Magnetfeldsensor mit sich kreuzenden Verbindungsleitern,
4a,b eine kapazitive Überbrückung der Verbindungsleiter eines Magnetfeldsensors,
5 ein Prinzipschaltbild eines Magnetfeldsensors zum Messen von magnetischen Gradientenfeldern zweiter Ordnung,
6 ein erfindungsgemäßes des Layout des in 5 dargestellten Schaltbildes ebenfalls in einer stark schematisierten Darstellung,
7 einen Magnetfeldsensor, wie er im Stand der Technik bekannt ist.
Gemäß 1 sind bei einem Magnetfeldsensor gemäß der Erfindung die magnetoresistiven Widerstände R_1,2 und R_3,4 der Brückenzweige 22 bzw. 24 der Brückenschaltung 2 durch streifenförmige Schichtwiderstände gebildet, die in Längsrichtung hintereinander auf einem in der Figur nicht dargestellten Substrat angeordnet sind. Die zu verschiedenen Teilzweigen 22-1, 22-2 und 24-3, 24-4 eines jeden Brückenzweiges 22 bzw. 24 gehörenden magnetoresistiven Widerstände R_1,2 und R_3,4 sind mit unter 45° zur Basisachse x und um 90° versetzt zueinander angeordneten Barberpolen 4 versehen. Die beiden Brückenzweige 22, 24 sind voneinander in Richtung der Basisachse x um die Basislänge b voneinander beabstandet. Eine solche Anordnung entspricht der in 7 erläuterten Brückenschaltung. Jeder magnetoresistive Widerstand R_1-4 kann im Prinzip auch aus einer Mehrzahl von in der Längsrichtung eng benachbart nebeneinander liegenden, elektrisch in Serie gestalteten diskreten Schichtwiderständen bestehen, wobei zur Vereinfachung der Darstellung in dieser als auch in den folgenden Figuren jeweils nur ein Schichtwiderstand symbolisch dargestellt ist. Grundsätzlich ist es auch ausreichend, wenn jeder Brückenzweig nur in einem der Teilzweige 22-1, 22-2, 24-3, 24-4 einen magnetoresistiven Widerstand enthält. Wesentliche Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit als Gradiometer ist jedoch, dass die zu einander zugeordneten Teilzweigen 22-1, 24-3 bzw. 22-2, 24-4 gehörenden, also an ein gemeinsames Potential angeschlossenen magnetoresistiven Widerstände R₁, R₃ bzw. R₂, R₄ zumindest annähernd dieselbe betrags- und vorzei chenmäßige Abhängigkeit von einem magnetischen Feld aufweisen, wie dies im Beispiel der Figur für AMR-Widerstände anhand der gleichen Orientierung der Barberpole 4 veranschaulicht ist. Nur in einem solchen Fall ist sichergestellt, dass die Brückenschaltung 2 nur Magnetfeldgradienten erfasst. Mit anderen Worten: Ein homogenes Magnetfeld erzeugt unter idealen Voraussetzungen keine von Null verschiedene Spannungsdifferenz V₂-V₁ über der Brückendiagonale.
Die Brückenzweige 22, 24, d.h. der Teilzweig 22-1 des Brückenzweiges 22 und der Teilzweig 24-4 des Brückenzweigs 24 sowie der Teilzweig 22-2 des Brückenzweiges 22 und der Teilzweig 24-3 des Brückenzweiges 24, sind durch Verbindungsleiter 6, 8 miteinander elektrisch verbunden, die in der schematischen Darstellung als Linien gezeichnet, in der praktischen Ausführung jedoch metallische Leiterbahnen sind. Die Teilzweige 22-1, 22-2 und 24-3, 24-4 eines jeden Brückenzweiges 22 bzw. 24 sind untereinander jeweils mit kurzen Verbindungsleitern 7 elektrisch verbunden. Auf einer die Basislänge b überbrückenden Basisstrecke 10 sind diese Verbindungsleiter 6, 8 eng benachbart nebeneinander angeordnet. Eine besonders günstige Führung der Verbindungsleiter 6, 8 entlang dieser Basisstrecke 10 liegt dann vor, wenn ihr Abstand im Rahmen der technischen Möglichkeiten und bei Erhalt der notwendigen Isolationsstrecke möglichst gering ist. Um die von der Brückenschaltung 2 eingeschlossene Fläche A (Schleifenfläche) möglichst gering zu halten, sind die Verbindungsleiter 6, 8 außerhalb der Basisstrecke 10 ebenfalls möglichst nahe entlang der magnetoresistiven Widerstände R_1-4 geführt. Im Beispiel ist der Bereich, auf dem die Verbindungsleiter 6, 8 die Basislänge b überbrücken, d. h. die Basisstrecke 10, befindet sich an einem Brückenende, so dass sich eine U-förmige Gestalt der Schleifenfläche A ergibt.
Der Bereich, auf dem die Verbindungsleiter 6, 8 die Basislänge b überbrücken, kann sich jedoch auch an beliebiger Position zwischen den beiden Brückenzweigen 22 und 24 befinden, so dass sich für die eingeschlossene Fläche A eine von der U- Form abweichende Gestalt, beispielsweise bei mittiger Anordnung ein H-förmige Gestalt ergibt.
Durch eine solche Anordnung der Verbindungsleiter 6,8 ist die Schleifenfläche A gegenüber der Schleifenfläche einer geometrischen Anordnung, wie sie in 7 dargestellt ist, erheblich reduziert.
Zur Unterdrückung von weiteren hochfrequenten Störsignalen am Ausgang des Magnetfeldsensors ist ein in der Fig. nur mit Schaltsymbolen angedeutetes Tiefpassfilter 11 in Dünnfilmtechnik integriert. Dieses Tiefpassfilter 11 ist ein RC-Filter, dessen Impedanz im Hochfrequenzbereich klein ist gegenüber dem Gesamtwiderstandswert R der Brückenschaltung 2, wobei zusätzlich der Filterwiderstand wesentlich kleiner sein soll als dieser Gesamtwiderstandswert R.
In der alternativen Ausgestaltung gemäß 2 sind die mit um 90° zueinander versetzt angeordneten Barberpolen 4 versehenen Widerstände R_1,2 des Brückenzweiges 22 eng benachbart im Abstand a mit ihren Längsseiten nebeneinander angeordnet. In einem der Basislänge b entsprechenden Abstand hiervon sind die beiden magnetoresistiven Widerstände R_3,4 des anderen Brückenzweiges 24 ebenfalls eng benachbart zueinander mit ihren Längsseiten nebeneinander angeordnet. Die Verbindungsleiter 6, 8 sind praktisch auf ihrer gesamten Länge ebenfalls eng benachbart nebeneinander angeordnet, so dass die von der Brückenschaltung umschlossene und in der Figur durch Schraffur hervorgehobene Fläche A ebenfalls die Form eines U bildet. Wie in 1 sind die magnetoresistiven Widerstände R₁, R₃ bzw. R₂, R₄ einander zugeordneter Teilzweige 22-1, 22-3 bzw. 24-2, 24-4 soweit dies im Hinblick auf die Fertigungstoleranzen möglich ist, identisch.
Gemäß 3 kreuzen sich die Verbindungsleiter 6, 8 kontaktfrei. Auf diese Weise entstehen zwei gegensinnig stromdurchflossene Leiterschleifen. Die für die induktiven Störeinflüsse effektive Fläche ist dann gleich der Differenz A₁ – A₂ der von den beiden Leiterschleifen eingeschlossenen Flächen A_1,2. In diesem Fall müssen die Barberpole 4 in den beiden Zweigen spiegelsymmetrisch zur Mittenachse 12 angeordnet werden. Die Überbrückung der Verbindungsleiter 6 und 8 erfordert auf dem Substrat eine weitere Leiterbahnebene und entsprechende elektrisch leitfähige Übergänge zwischen den beiden Ebenen.
In den in 1 bis 3 sind jeweils die Ausgänge V₁, V₂ der Brückenschaltungen 2 mit einem Kondensator C kapazitiv zur Masse hin überbrückt. Die Ausgänge V₁, V₂ sind auf diese weise über zwei Kondensatoren C für Störfelder mit hohen Frequenzen kurzgeschlossen sind. Durch eine solche kapazitive Überbrückung der Brückendiagonale ist der Einfluss hochfrequenter Störfelder auf das Ausgangsignal reduziert Die Kondensatoren C werden gemäß 4a und 4b jeweils durch eine dielektrische Schicht 30 erzeugt, die auf den auf dem Substrat 31 angeordneten Leiterbahnen der Verbindungsleiter 6, 7 angeordnet und mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 32 versehen ist.
Um die Anwesenheit inhomogener magnetischer Störfelder zu unterdrücken, ist gemäß dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Magnetfeldsensor vorgesehen, bei dem in jedem Brückenzweig 22, 24 vier magnetoresistive Widerstände R_1a,b, R_2a,b bzw. R_3a,b und R_4a,b angeordnet sind. Jeder Teilzweig 22-1, 22-2 bzw. 24-3, 24-4 eines Brückenzweiges 22 bzw. 24 enthält zwei magnetoresistive Widerstände R_1a,b, R_2a,b, R_3a,b bzw. R_4a,b, die jeweils um 90° versetzt zueinander orientierte Barberpole 4 aufweisen und in Richtung der Basisachse x um eine Basislänge b voneinander beabstandet angeordnet sind. Zwei zu verschiedenen Teilzweigen 22-1, 22-2 24-3 und 24-4 eines Brückenzweiges 22, 24 gehörende magnetoresistive Widerstände R_1a,R_1b, R_2a,R_2b, R_3a,R_3b, bzw. R_4a,R_4b mit ebenfalls jeweils um 90° versetzt zueinander orientierten Barberpolen 4 sind bezüglich der Basisachse x zumindest annähernd an der gleichen Position auf dem Substrat angeordnet und bilden ein Widerstandspaar. Ein Widerstandspaar eines Brückenzweiges ist eng benachbart zu einem Widerstandspaar des anderen Brü ckenzweiges annähernd in der Mitte zwischen den anderen Widerstandspaaren derart angeordnet, dass diese einen Abstand voneinander aufweisen, der doppelt so groß wie die Basislänge b ist. Mit anderen Worten: Die Widerstandspaare sind derart angeordnet, dass ein Widerstandspaar eines Brückenzweiges 22, 24 gemeinsam mit einem Widerstandspaar des anderen Brückenzweiges eng benachbart zueinander zwischen den anderen, voneinander und von diesen jeweils entfernt angeordneten anderen Widerstandspaaren angeordnet ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsleiter 6, 8 sowie die innerhalb der Teilzweige 22-1, 22-2 24-3 und 24-4 und zwischen diesen verlaufenden Leiter eng benachbart zueinander angeordnet, so dass die von der Brückenschaltung eingeschlossene Fläche A minimal ist.
Die Anordnung der Barberpole 4 innerhalb eines Brückenzweiges 22, 24 ist alternierend, damit der Gesamtwiderstand der Brückenschaltung 2 unabhängig vom Magnetfeld und konstant ist. Für die Differenzspannung V₁ – V₂ gilt: V1 – V2 = (E/4R)(∂R/∂B)[B(x2) – 2B(x2) + B(x3)]
Für die Fälle B(x1) = B(x2) = B(x3) und B(x) = B(0) + x ∂B/∂x folgt V1 – V2 = 0
Die Spannungsdifferenz ist somit nur dann ungleich Null, wenn ein Feldgradient zweiter oder höherer Ordnung vorhanden ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in 6 dargestellt, bei der die magnetoresistiven Widerstände R_1a-4b an ihren Längsseiten nebeneinander angeordnet sind.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, in denen als magnetoresistive Widerstände AMR-Widerstände ge zeigt sind. Als magnetoresistive Widerstände sind jedoch grundsätzlich auch widerstände geeignet, deren magnetoresistive Eigenschaften auf anderen physikalischen Effekten beruhen, beispielsweise TMR- oder GMR-Widerstände, und bei denen der ohmsche Widerstand von der Richtung und der Stärke des Magnetfeldes abhängt.
Darüber hinaus ist es – wenngleich aufgrund der verringerten Empfindlichkeit wenig vorteilhaft – auch prinzipiell ausreichend, wenn jeder Brückenzweig nur in einem seiner Teilzweige einen oder mehrere magnetoresistive Widerstände aufweist.

Claims

Magnetfeldsensor zum Messen des Gradienten eines magnetischen Feldes mit einer passiven Brückenschaltung (2) mit zumindest zwei Brückenzweigen (22, 24), in denen jeweils zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R₁, R₂, R₃, R₄) angeordnet sind, von denen jeweils zumindest einer magnetoresistiv ist, und die zumindest zwei magnetoresistiven, zu verschiedenen Brückenzweigen (22, 24) gehörenden Widerstände (R₁, R₂ bzw. R₃, R₄) in Richtung einer Basisachse (x) zumindest annähernd eine Basislänge (b) voneinander beabstandet und hinsichtlich ihrer betrags- und vorzeichenmäßigen Magnetfeldabhängigkeit derart in der Brückenschaltung (2) angeordnet sind, dass bei ausschließlicher Anwesenheit eines homogenen magnetischen Feldes die an einer Diagonale der Brückenschaltung (2) gemessene Spannungsdifferenz (V₂-V₁) zumindest annähernd verschwindet, wobei die zur elektrischen Verbindung der Widerstände (R₁, R₄, R₂, R₃) erforderlichen Verbindungsleiter (6 bzw. 8) derart angeordnet sind, dass die von der Brückenschaltung (2) umschlossene Fläche bei gegebener Anordnung der magnetoresistiven Widerstände (R₁, R₂, R₃, R₄) zumindest weitgehend minimiert ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, bei dem zur Verbindung der Brückenzweige Verbindungsleiter (6, 8) vorgesehen sind, die zumindest auf einer die Basislänge (b) überbrückenden Basisstrecke (10) eng benachbart nebeneinander angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die jeweils zu einem Brückenzweig (22, 24) gehörenden Widerstände (R₁, R₂ bzw. R₃, R₄) in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind, und die Verbindungsleiter (6, 8) bis zur Basisstrecke (10) eng benachbart entlang der Widerstände (R₁, R₂, R₃, R₄) geführt sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die jeweils zu einem Brückenzweig (22, 24) gehörenden Widerstände (R₁, R₂ bzw. R₃, R₄) an ihren Längsseiten eng benachbart nebeneinander angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Verbindungsleiter (6, 8) im Bereich der Basisstrecke (10) kontaktfrei kreuzen.
Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Brückendiagonale kapazitiv überbrückt ist.
Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in jedem der Teilzweige (22-1, 22-2, 24-3, 24-4) zumindest ein magnetoresistiver Widerstand (R₁, R₂, R₃, R₄) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die magnetoresistiven Widerstände (R₁, R₂, R₃, R₄, R_1a,b, R_2a,b, R_3a,b, R_4a,b) AMR-Widerstände sind, die mit ihrer Längsrichtung senkrecht zur Basisachse (x) mit unter 45° zu dieser Längsrichtung orientierten Barberpolen (4) angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 7, bei dem die zu verschiedenen Teilzweigen (22-1, 22-2, 24-3, 24-4) eines Brückenzweiges (22, 24) gehörende magnetoresistive Widerstände mit um 90° versetzt zueinander angeordneten Barberpolen (4) versehen sind.
Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Brückenzweig (22, 24) in zumindest einem seiner Teilzweige (22-1, 22-2, 24-3, 24-4) wenigstens zwei magnetoresistive Widerstände (R_1a,b, R_2a,b, R_3a,b, R_4a,b) umfasst, die voneinander jeweils um eine Basislänge (b) beabstandet derart angeordnet sind, dass ein magnetoresistiver Widerstand eines Brückenzweiges (22, 24) gemeinsam mit einem magnetoresistiven Widerstand des anderen Brückenzweiges (22 bzw. 24) eng benachbart in der Mitte zwischen den anderen beiden magnetoresistiven Widerständen angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 9, wobei jeweils zwei mit um 90° versetzt zueinander angeordneten Barberpolen (4) versehene und zu verschiedenen Teilzweigen (22-1, 22-2, 24-3, 24-4) eines Brückenzweiges (22, 24) gehörende magnetoresistive Widerstände (R_1a,b, R_2a,b, R_3a,b, R_4a,b) ein sich zumindest annähernd an derselben Position bezüglich der Basisachse (x) befindliches Widerstandspaar bilden.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 11, bei dem die magnetoresistiven Widerstände (R_1a,b, R_2a,b, R_3a,b, R_4a,b) der Widerstandspaare jeweils paarweise mit ihren Längsseiten eng benachbart nebeneinander angeordnet sind.