DE102006046739A1

DE102006046739A1 - Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102006046739A1
Application number: DE200610046739
Authority: DE
Inventors: Gotthard Dr. Rieger; Richard Schmidt; Roland Dr. Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: WO2008040659A2; DE102006046739B4; WO2008040659A3

Abstract

Es sind Magnetfeldsensoren aus magnetoresistiven Elementen bekannt, vier solcher Elemente in Brückenschaltung verwendet werden. Bekanntermaßen haben derartige magnetoresistive Elemente, bei denen als Magnetfeldsignal ein Messstrom erfassbar ist, eine hysteresebehaftete Kennlinie. Zur Reduzierung bzw. Minimierung der Hysterese erfolgt erfindungsgemäß die Überlagerung von wenigstens einem hochfrequenten Endmagnetisierungspuls über den Messstrom, womit die Messeigenschaften wesentlich verbessert werden. Dazu ist in den Sensor (40), vorzugsweise mit in Brückenschaltung verschalteten magnetoresistiven Sensorelementen (41m -44), eine Leiterschleife (45) geschaltet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor aus wenigstens einem magnetoresistiven Element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Für eine praxisgerechte Realisierung sind dabei vorzugsweise vier magnetoresistive Elemente in Brückenschaltung vorhanden.
Nach dem magnetoresistiven Effekt arbeitende Magnetfeldsensoren sind insbesondere als so genannte GMR (Giant Magneto Resistance) und TMR (Tunnel Magneto Resistance) bekannt. Solche Sensoren stellen in der Magnetfeld-basierten Positions-, Geschwindigkeits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik eine Alternative zu den in der Praxis häufig verwendeten Hallsensoren dar.
Vor allem im Bereich der Positions- und Stromsensorik sind während der letzten Jahre verstärkt MR-basierte Sensoren bekannt geworden. Die Hauptvorteile liegen im Vergleich zu Hall-Sensoren im einfacheren Systemaufbau, der größeren Störsicherheit – bedingt durch die Möglichkeit eines Designs mit stark reduzierter Fremdfeldempfindlichkeit – und dem geringeren Rauschen. Es bieten sich bei MR-basierten Sensoren vor allem voll integrierte Lösungen an, da die magnetoresistiven Elemente als Backend-Prozess beispielsweise in CMOS-Technologie aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chipfläche beansprucht wird.
Für praxisrelevante Anwendungen, vor allem in der Positions-, Drehzahl- und Stromsensorik, werden jeweils vier Elemente zu einer aus der Elektrotechnik bekannten Wheatstone-Brücke verschaltet, um eine genauere, von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern oder anderer Störeinflüsse unabhängigere Messung zu erreichen.
Allerdings kommt es vor allem bei gegenüber Raumtemperatur (T = 20°C) erhöhten Temperaturen (T > 70°C) – bedingt durch die Temperaturabhängigkeit der intrinsischen Materialeigenschaften der Hysterese – zu teilweise ganz erheblichen Ungenauigkeiten bei der magnetischen Feldmessung. Vor allem die in der Stromsensorik geforderte Toleranz gegenüber Überströmen, d.h. Strömen, die um den Faktor 5 bis 12 größer sind als der nominale Maximalwert des zu messenden Stromes, stellt ein großes Problem dar.
Überströme können, wenn sie gleichzeitig mit hohen Temperaturen auftreten, was durchsetzt Erwärmungseffekte infolge des Überstromes häufig der Fall ist, über die Eigenschaft der Hysterese zu in vielen Anwendungsfällen nicht mehr tolerierbaren Messfehlern führen.
Bekanntermaßen hängt die Auswirkung auf das Ausgangssignal des sensitiven Elementes oder der sensitiven Elemente zur Magnetfeld-/Strommessung stark von der Historie des magnetischen Feldes und der Temperatur am Ort des Sensors ab, kann der Einfluss praktisch nicht numerisch herausgerechnet werden. Neben der reduzierten Genauigkeit über Temperatur- und Strombereich wird daher auch die mögliche Offset-Kalibrierung erschwert.
In der Praxis erzielen MR-Sensoren hohe Genauigkeiten, d.h. ±1 % Fehler bei Raumtemperatur, nur im Temperaturbereich bis 85°C. Eine Erhöhung der spezifizierten Maximaltemperatur auf z. B. 150°C, die z.B. für Automobilanwendunge erwünscht wird, bei gleichzeitig hoher Bandbreite kann bei MR-Sensoren mit erhöhtem Aufwand und Kosten über eine kontinuierliche Regelung, so genannte „closed loop"-Schaltung, erreicht werden. Eine solche Schaltung hat aber den Nachteil einer sehr hohen Leistungsaufnahme (1 W bei einem Messstrom von 25 A). Darüber hinaus ist bei einem closed loop-Verfahren ohne Verwendung eines teuren Flusskonzentrators der Messbereich auf ca. 150 A begrenzt.
Eine andere Lösung besteht in der Verwendung von Hall-Effekt-Sensoren, die, um hohe Genauigkeit zu erzielen, immer einen teuren Flusskonzentrator benötigen und weitere Nachteile, insbesondere Piezoeffekt und starkes thermisches bzw. Halbleiterrauschen, aufweisen.
Weiterhin ist aus der DE 41 21 374 C1 ein kompensierter Magnetfeldsensor, der bezüglich einer Sensorebene aus Dünnschichtstreifen aufgebaut ist, mit Mitteln zur Kompensation bekannt, bei dem die Kompensation durch in spezifischer Geometrie ausgebildete Schichtstreifenleiter zu beiden Seiten der Sensorebene erfolgt.
Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Magnetfeldsensor zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist die Reduzierung und insbesondere die Minimierung der Hysterese-Eigenschaften beim Magnetfeldsensor mit magnetoresistiven Elementen, die einer Hysterese unterliegen. Vorteilhafterweise kann durch Überlagerung eines hochfrequenten Magnetfeldpulses über den Messstrom – bevorzugt mit abklingender Amplitude –, das mit Hilfe eines insbesondere integrierten stromdurchflossenen Leiters, einer stromdurchflossenen Leiterschleife oder einer stromführenden Spulenanordnung erzeugt wird, die Hysterese eines einzelnen magnetoresistiven Elementes bzw. einer daraus aufgebauten Brücke erheblich reduziert werden. Das Endmagnetisierungsfeld ist dabei so gewählt, dass ein maximaler Effekt der Hysteresereduktion bei vertretbarem Energieaufwand erreicht wird.
Beim erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor unterliegt die Hysterese nicht mehr so stark dem Einfluss der zufälligen Abfolge von Werten des Messfeldes. Damit wird das magnetische Gedächtnis des einzelnen magnetoresistiven Elementes durch die temporär überlagerten Entmagnetisierungsfelder reduziert bzw. überschrieben und damit minimiert.
Mit der Erfindung kann insbesondere durch hochfrequente Überlagerung eines Wechselfeldes im magnetischen System eine Hysterese-reduzierte Kennlinie gewonnen werden. In MR-basierten Stromsensoren kann das dem Messfeld überlagerte Wechselfeld bzw. der Strompuls, insbesondere mit abnehmender Amplitude, durch eine interne Leiterschleife erzeugt werden.
Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass durch Überlagerung eines hochfrequenten Pulses, der ungedämpft oder abklingend sein kann, in einer internen Leiterschleife zu einer signifikanten Reduktion der Hysterese erreicht wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Es zeigen
1 ein Diagramm mit magnetischen Hysteresekurven,
2 ein Diagram zur Verdeutlichung der Erfindung,
3 ein Diagramm zur Bestimmung der Hysterese in Abhängigkeit von der Stromamplitude und dem Messverfahren,
4 in Schnittdarstellung den Aufbau eines verbesserten Magnetfeldsensors und
5 die Draufsicht auf den Magnetfeldsensor gemäß 4.
In 1 ist auf der Abszisse das Magnetfeld H und auf der Ordinate die magnetische Induktion B aufgetragen. Für magnetische Werkstoffe ergibt sich in bekannter Weise eine Kennlinie 1 als so genannte Neukurve nach der Wechselfeldentmagnetisierung, wobei nach einzelnen Zyklen jeweils eine Remanenz verbleibt, wodurch die bekannten Hysteresekurven realisiert werden. Dieser Effekt ist vom Stand der Technik bekannt.
Eine Verringerung der Hysterese kann durch Überlagerung eines Entmagnetisierungspulses erfolgen. Dabei wird die Verminderung der Hysterese bzw. der remanenten Magnetisierung von ferromagnetischen Materialien zweckmäßigerweise mit einem Wechselfeld abnehmender Amplitude durchgeführt.
In 2 ist hierzu auf der Abszisse die Stromstärke I und auf der Ordinate das Sensorsignal V dargestellt. Es ergibt sich eine hysteresebehaftete Kennlinie 21 bzw. 21' und die ideale, hysteresefreie Kennlinie 22.
Durch die hochfrequente Überlagerung des Wechselfeldes kann im magnetischen System eine hysteresereduzierte Kennlinie gewonnen werden. Vorteilhaft ist dabei, dass bei magnetoresistiven Elementen das dem Messfeld überlagerte Wechselfeld bzw. der Stromimpuls mit abnehmender Amplitude durch eine interne Leiterschleife erzeugt werden kann.
Experimentelle Ergebnisse dazu sind in 3 wiedergegeben, bei der auf der Abszisse die Stromhöhe aufgetragen ist und auf der Ordinate die jeweils ermittelte Hysterese in mV. Es sind Graphen 31 bis 33 für verschiedene Methoden zur Hysterese-Reduzierung dargestellt.
Aus der 3 ergibt sich im Einzelnen, dass durch Überlagerung eines hochfrequenten Pulses, der ungedämpft oder abklingend ausgebildet sein kann, in einer internen Leiterschleife eine signifikante Reduktion der Hysterese erreicht wird. Die Graphen 31 bis 33 zeigen, dass bei einem üblichen Aufbau von einer Ausgangsamplitude von etwa 1 A eine effektive Reduktion der Hysterese um den Faktor 3 erreicht werden kann.
In 4 und 5 ist ein Substrat mit 40 bezeichnet. Auf dem Substrat sind vier gleich aufgebaute, magnetoresistive Elemente 41, 42 43 und 44 angeordnet, die insgesamt eine Wheatstone-Brücke bilden. Derartige Brückenschaltungen für Magnetfeldsensoren aus magnetoresistiven Elementen 41, 42 43 und 44 sind vom Stand der Technik bekannt.
In 4/5 ist eine Schleife mit einem stromdurchflossenen Leiter 45 vorhanden, der als rechteckförmige Stromschleife mit jeweils mehreren Windungen so ausgelegt ist, dass jeweils zwei magnetoresistive Elemente 41, 42 43 und 44 paarweise im Längsschenkel der Schleife angeordnet sind. Es ergibt sich somit eine U-förmige Anordnung.
Aus 4 ist ersichtlich, dass die magnetoresistiven Elemente 41, 42 43 und 44 im Substrat 40 selbst eingebracht sind, wobei das Substrat 40 von einer nicht leitenden Schicht 46 zur elektrischen Isolierung der Leiterschleife 45 abgedeckt ist.
Auf oder im Substrat 40 ist weiterhin eine Anordnung 50 zur Impulsstromgenerierung vorhanden, die eine diskrete Schaltung aus einem Filter 51, einem A/D-Wandler 52, einer Recheneinheit 53 und einer Steuereinheit 54 oder eine integrierte Chip-Topographie mit diesen Funktionen bildet. Die Chip-Topographie kann auch unmittelbar das Substrat für die magnetoresitiven Elemente bilden. Das Spannungssignal U_B gelangt über das Filter 51 mit zugeordnetem A/D-Wandler 52 auf die Recheneinheit 53 und Steuereinheit 54 auf die nachfolgende Impulsstromquelle 55. Das Stromsignal I_S speist die Leiterschleife 45 und generiert das Wechselfeld bzw. die Pulse mit abnehmender Amplitude.
Substrat und Chip-Topographie ist vorteilhafterweise in CMOS-Technologie realisiert, welche die Möglichkeit einer weitestgehenden Miniaturisierung bietet.
Da die magnetoresistiven Elemente 41, 42 43 und 44 in die CMOS-Strukturen eines Chips eingebracht sind und darauf als Abschluss die Leiterschleife 45 aufgebracht ist, kann I_S vom IC, der auf dem Substrat 40 integriert ist, abgenommen werden. Im stromdurchflossenen Leiter 45 werden somit bei Ein prägung eines Wechselfeldes die Abmagnetisierungspulse generiert. Diese wirken als Steuerfeld, das in 5 mit 47 bezeichnet ist, welches auf das Messfeld, das in 4 mit 48 bezeichnet ist, einwirkt.
Mit einer Anordnung gemäß 4/5 kann also der Hysteresefehler gesenkt werden, womit die Auflösung und Genauigkeit der Anordnung deutlich gesteigert ist. Bei geeigneter Auslegung kann eine Reduktion bis um den Faktor 4 erreicht werden. Da die Abmagnetisierungsphasen sehr kurz sein können, bereits eine vergleichsweise geringe Amplitude ausreicht, ist die Leistungsaufnahme bei der Anordnung gemäß 4/5 deutlich geringer als beim bekannten close loop-Verfahren. Zudem wird keine Regelung benötigt, so dass der Sensor seinen quasi passiven Charakter beibehält.
Es können bei der Anordnung gemäß 4/5 auch Abmagnetisierungsphasen gezielt bei einer so genannten „power an reset"-Vorgehensweise oder nach besonders kritischen Betriebszuständen, beispielsweise Kurzschluss mit sehr hohen magnetischen Feldern, zur Schaffung eines definierten, reproduzierbaren Anfangszustandes der Messkurven eingesetzt werden.

Claims

Magnetfeld-Sensor aus wenigstens einem magnetoresistiven Element, vorzugsweise vier Elementen in Brückenschaltung, wobei das wenigstens eine magnetoresistive Element eine hysteresebehaftete Kennlinie aufweist und als Magnetfeldsignal ein Messstrom durch das wenigstens eine magnetoresistive Element erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine magnetoresistive Element (41, 42, 43, 44) ein Mittel (45, 47) enthält, durch das die Kennlinie (21, 22, 22') des wenigstens einen magnetoresistiven Elementes (41, 42, 43, 44) verbesserbar und die Hysterese reduzierbar ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysterese der Kennlinie (21, 22, 22') durch Überlagerung von wenigstens einen hochfrequenten Entmagnetisierungspuls über den Messstrom reduzierbar ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysterese um den Faktor 3 bis 5 verringert ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung durch der Hysterese durch mehrere nacheinander eingeprägte Entmagnetisierungspulse erfolgt, wodurch eine Minimierung der Hysterese-Eigenschaften erreichbar ist.
Sensor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass Magnetfeldpulse mit abklingender Amplitude aufgeprägt sind.
Sensor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Magnetfeldpuls/e mit Hilfe eines stromdurchflossenen Leiters, einer stromdurchflossenen Leiterschleife (45) oder einer stromführenden Spulenanordnung erzeugt wird/werden.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als stromdurchflossener Leiter eine Leiterschleife (45) auf oder in dem Substrat (40) für das wenigstens eine magnetoresistive Element (41-44) integriert ist, wobei der Leiterschleife (45) eine Pulsstromquelle (55) zur Erzeugung hochfrequenter Stromsignale zugeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsstromquelle (55) mit den zugehörigen Versorgungseinheiten (51-54) auf einem Chip (50) integriert ist.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip (50) auf dem Substrat (40) angeordnet ist oder selbst das Substrat (40) bildet.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vier magnetoresistive Elemente in Brückenschaltung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der stromdurchflossener Leiter (45) mehrere rechteckförmige Leiterschleifen (45, 45', 45'') bildet, in deren längs gegenüberliegenden Leiterbereichen jeweils zwei magnetoresistive Elemente (41, 41; 43, 44) der Brückenschaltung paarweise hintereinander angeordnet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Integration im Chip (50), insbesondere in CMOS-Technologie.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stromversorgung der Leiterschleife (45) der im Chip (50) erzeugte Strom (I) verwendbar ist