DE102007029819A1

DE102007029819A1 - Sensor und Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102007029819A1
Application number: DE200710029819
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Ausserlechner; Dirk Dr. Hammerschmidt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: DE102007029819B4

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung (100-1) zum Erfassen eines von einem Geberobjekt erzeugten oder beeinflussten periodischen Magnetfeldes umfasst ein erstes (120-1), zweites (120-2), ein drittes (120-3) und ein viertes magnetoresistives Sensorelement (120-4), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120-1, 120-2) in einem ersten Abstand angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120-3, 120-4) in einem zweiten Abstand (410) angeordnet sind, wobei das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120-1, 120-3) in einem dritten Abstand (420) angeordnet sind, wobei der erste Abstand und der zweite Abstand einem kleinsten absoluten Phasenunterschied, bezogen auf das periodische Magnetfeld, von wenigstens 1° und weniger als 90° entsprechen, und wobei der dritte Abstand (420) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25° entspricht.

Description

Hintergrund
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Sensoren und Sensoranordnungen, die beispielsweise zur Erfassung magnetischer Feld in verschiedensten Bereichen der Technik eingesetzt werden können.
In vielen Bereichen der Technik werden Informationen, die zum Betrieb, zur Steuerung und zur Überwachung einer Maschine oder Anlage notwendig sein können, in Form magnetischer Signale und Informationen bereitgestellt werden. Daher werden im Rahmen der betreffenden Anlagen und Maschinen beispielsweise Magnetfeldsensoren oder auch andere Sensoren eingesetzt, die in der Lage sind, die betreffenden Informationen aus den entsprechenden magnetischen Signalen zu extrahieren. Anders ausgedrückt, können entsprechende Sensoren eingesetzt werden, um magnetische Signale in elektrische umzusetzen, so dass eine weitere Prozessierung, Auswertung oder Verarbeitung ermöglicht wird.
Beispiele für entsprechende in magnetischen Signalen umfasste Informationen stellen beispielsweise Informationen im Hinblick auf eine Bewegung von Objekten, ihre Position, ihre Beschleunigung oder ähnliche dynamische Größen dar. Im Automobilbereich können so beispielsweise entsprechende magnetische Sensoren und Sensoranordnungen eingesetzt werden, um Winkel, Drehzahl, Drehrichtungen, Winkelbeschleunigungen oder andere entsprechende Informationen zu gewinnen. Ebenso können Informationen hinsichtlich einer linearen oder einer anderen gekrümmten Bewegung im Raum einer Komponente bezüglich einer anderen durch entsprechende magnetische Sensoren erfasst werden.
Auch in anderen Bereichen der Technologie können entsprechende Sensoren eingesetzt werden, um entsprechende, in magnetischen Signalen umfasste Informationen freizulegen. Hierzu können beispielsweise die Bestimmung von Füllständen, die Speicherung von magnetischen Informationen, deren Wiedergewinnung oder andere Informationsquellen zählen.
Häufig sind die betreffenden Sensoren hierbei Störungen unterworfen, die eine genaue Erfassung der betreffenden Informationen je nach konkretem Einsatzgebiet und Randbedingungen stören können.
Zusammenfassung
Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zum Erfassen eines von einem Geberobjekt erzeugten oder beeinflussten periodischen Magnetfelds umfasst ein erstes, zweites, drittes und viertes magnetoresistive Sensorelement, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement benachbart in einem ersten Abstand angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement benachbart in einem zweiten Abstand angeordnet sind, wobei das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement in einem dritten Abstand angeordnet sind, wobei der erste Abstand und der zweite Abstand einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 1° und weniger als 90° entsprechen und wobei der dritte Abstand einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25° entspricht.
Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zum Erfassen eines von einem Geberobjekt erzeugten oder beeinflussten periodischen Magnetfelds umfasst ein erstes, zweites und drittes magnetoresistive Sensorelement, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement benachbart in einem ersten Abstand angeordnet sind, wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement in einem zweiten Abstand angeordnet sind, wobei der erste Abstand einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 1° und weniger als 90° entsprechen und wobei der zweite Abstand einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25° entspricht.
Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zum Erfassen eines von einem Geberobjekt erzeugten oder beeinflussten periodischen Magnetfelds umfasst ein erstes, zweites, drittes und viertes magnetoresistive Sensorelement, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement in einem ersten Abstand angeordnet sind, wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement in einem zweiten Abstand angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement in einem dritten Abstand angeordnet sind, wobei der erste Abstand und der dritte Abstand einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 20° entspricht und wobei der zweite Abstand einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von höchstens 40° entspricht.
Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zum Erfassen eines von einem Geberobjekt erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds umfasst ein erstes, zweites, drittes und viertes magnetoresistiven Sensorelement, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement benachbart in einem ersten Abstand angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement benachbart in einem zweiten Abstand angeordnet sind, wobei das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement in einem dritten Abstand angeordnet sind, wobei der erste Abstand (400) und der zweite Abstand (410) wenigstens 1% des dritten Abstands (420) und weniger als 50% des dritten Abstands (420) beträgt.
Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zum Erfassen eines von einem Geberobjekt erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds weist ein erstes, zweites und drittes magnetoresistives Sensorelement auf, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement benachbart in einem ersten Abstand angeordnet sind, wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement in einem zweiten Abstand angeordnet sind, und wobei der erste Abstand wenigstens 1% des zweiten Abstands und weniger als 50% des zweiten Abstands entspricht.
Ein Ausführungsbeispiel eines Sensors zum Erfassen eines von einem Geberobjekt erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds umfasst ein erstes, zweites, drittes und viertes magnetoresistive Sensorelement und eine Auswerteschaltung, die konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des zweiten magnetoresistiven Sensorelements und um basierend auf einem zweiten Differenzsignal des dritten und des vierten Sensorelements ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei das Summensignal eine Information bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts aufweist, und wobei das Differenzsignal eine Information bezüglich einer Richtung des Geberobjekts aufweist, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement in einem ersten Abstand angeordnet sind, wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement in einem zweiten Abstand angeordnet sind und wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement in einem dritten Abstand angeordnet sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Zuhilfenahme der nachfolgend aufgeführten Figuren beschrieben.
1 zeigt ein Anwendungsszenario von Ausführungsbeispielen von Sensoren und Sensoranordnungen;
2 zeigt ein weiteres Szenario eines Einsatzgebiets von Ausführungsbeispielen eines Sensors oder einer Sensoranordnung;
3 zeigt ein weiteres Anwendungsszenario von Ausführungsbeispielen von Sensoren und Sensoranordnungen;
4 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Sensors bzw. einer Sensoranordnung;
5 zeigt schematisch eine Phasenbeziehung von Signalen des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels;
6a zeigt ein Ersatzschaltbild einer Halbbrückenschaltung;
6b zeigt ein Ersatzschaltbild einer Vollbrückenschaltung;
7 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensors bzw. einer Sensoranordnung;
8 zeigt ein weiteres Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensors bzw. einer Sensoranordnung;
9 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Sensors bzw. einer Sensoranordnung;
10 zeigt ein weiteres Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensors und einer Sensoranordnung;
11 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensors und einer Sensoranordnung mit zwei Gradiometern;
12 zeigt schematisch zwei Verläufe von Signalen von Sensorelementen des in 11 gezeigten Ausführungsbeispiels; und
13 zeigt schematisch weitere Verläufe von Signalen des in 11 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Sensors bzw. einer Sensoranordnung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 bis 13 zeigen Blockdiagramme, Anwendungsbeispiele und Signalverläufe von Ausführungsbeispielen von Sensoren und Sensoranordnungen. Bevor im Zusammenhang mit den 4 bis 13 Ausführungsbeispiele von Sensoren und Sensoranordnungen beschrieben werden, werden zunächst im Zusammenhang mit den 1 bis 3 verschiedene Anwendungsmöglichkeiten, Anwendungsbeispiele und Grundlagen möglicher Anwendungen von Ausführungsbeispielen eines Sensors bzw. Sensoranordnung beschrieben.
1 zeigt eine erste schematische Darstellung eines möglichen Anwendungsszenarios eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100. Der Sensor 100 umfasst Ausführungsbeispiele einer Sensoranordnung 110 mit einer Mehrzahl von magnetoresistiven Sensorelementen 120. Genauer gesagt zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100, bei dem die Sensoranordnung 110 im Querschnitt gezeigt ist, wobei zur Vereinfachung der Darstellung lediglich zwei einzelnen magnetoresistive Sensorelemente 120 dargestellt sind.
Auf einer Rückseite des Sensors 100 ist ein sogenannter Backbiasmagnet 130 befestigt, der den Sensor 100 bzw. die magnetoresistiven Sensorelemente 120 einem zeitlich (konstanten) Magnetfeld bzw. einer magnetischen Flussdichte aussetzt. Der Backbiasmagnet 130 ist hierbei häufig als ein Permanentmagnet ausgeführt, der eine durch die in 1 gezeigten Pfeile angedeuteten Magnetisierung aufweist. Zusammen mit dem Ausführungsbeispiel des Sensors 100, seiner Sensoranordnung 110 und den magnetisch sensitiven Elementen 120 ist der Backbiasmagnet 130 in einem Schutzgehäuse 140 eingebettet oder auch vergossen.
Der Backbiasmagnet 130 setzt den Sensor 100 mit seinen magnetoresistiven Sensorelemente 120 einem zeitlich konstanten Magnetfeld bzw. einer zeitlich konstanten magnetischen Flussdichte aus, die beispielsweise durch ein Geberobjekt 150 dann in Abhängigkeit einer Bewegung eines weiteren Objektes, das mit dem Geberobjekt 150 mechanisch gekoppelt oder verbunden ist, beeinflusst wird. Bei dem in 1 gezeigten Anwendungsbeispiel ist das Geberobjekt 150 beispielsweise als Zahnrad ausgeführt, das mit einer rotierenden Komponente mechanisch verbunden bzw. mechanisch gekoppelt sein kann oder selbst als Teil des betreffenden Objekts ausgeführt sein kann. Hierbei ist das Geberobjekt 150 bezogen auf die magnetoresistiven Sensorelemente 120 in einem Abstand angeordnet, der auch als magnetischer Luftspalt (magnetic air gap) oder als Luftspalt bezeichnet wird. Dieser ist in 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet.
Das Geberobjekt, das manchmal auch als permeables Zielrad (Permeable Target Wheel) bezeichnet wird, weist an seinem Umfang oder durch eine andere Topologie bildenden Maßnahme häufig eine periodische Struktur auf, die dazu führt, dass im Falle einer Bewegung, also beispielsweise einer Rotation des Zahnrads 150, die magnetoresistiven Sensorelemente 120 einem zeitlich periodischen Magnetfeld bzw. einer zeitlich periodischen Magnetflussdichte ausgesetzt sind.
Neben dem zuvor erläuterten Zahnrad kann ein Geberobjekt alternativ oder ergänzend auch als Lochrad oder Polrad ausgeführt sein, wobei ein Polrad beispielsweise an seinem äußeren Umfang periodisch angeordnete Bereiche einer wechselnden Mag netisierung aufweisen kann. Mit anderen Worten können im Falle eines Polrades an seinem Umfang magnetische Bereiche derart angeordnet sein, dass beispielsweise Nordpole und Südpole periodisch abwechselnd angeordnet sind. Ein solches Beispiel wird im Zusammenhang mit 2 noch näher erläutert.
Darüber hinaus kann das Geberobjekt 150 im Falle einer linearen Bewegung bzw. im Falle einer als linearen Bewegung zu detektierenden Bewegung auch als Zahnstange, Lochstange oder Polstange ausgeführt werden, wobei in diesem Fall wiederum die betreffende Stange häufig eine periodische Struktur an ihrem Umfang aufweist, die geeignet ist, dass von dem Backbiasmagneten 130 hervorgerufene Magnetfeld ansprechend auf eine Bewegung des betreffenden Geberobjekts 150 periodisch zu modulieren bzw. zu ändern, so dass ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100 diese Bewegung durch ein Erfassen der periodischen Änderung des Magnetfeldes bzw. durch die Messung des Magnetfeldes erfassen kann.
Wie zuvor angedeutet wurde, können entsprechende Ausführungsbeispiele von Sensoren 100 beispielsweise im Kfz-Bereich eingesetzt werden. Im Falle von ABS-Systemen (ABS = Anti-Blockiersystem) kann so beispielsweise die Bewegung der Räder mittels Ausführungsbeispielen von Magnetsensoren 100 detektiert werden. In einem solchen Fall kann beispielsweise das Geberobjekt 150 direkt mit dem Rad, einer zugeordneten Welle oder einem anderen Bauteil gekoppelt werden, das sich der Bewegung des Rades entsprechend bewegt. Im Falle eines angetriebenen Rades kann so beispielsweise das Geberobjekt 150 mit einem Ausgang eines Differentials mechanisch gekoppelt sein.
Im Bereich der Motorentechnik können entsprechende Ausführungsbeispiele eines Sensors 100 im Bereich von Kurbelwellensensoren und/oder Nockenwellensensoren eingesetzt werden, die beispielsweise zur Detektion einer Rotation der betreffenden Wellen verwendet werden können. Entsprechend können Ausfüh rungsbeispiele eines Sensors 100 auch bei anderen Wellen, etwa im Getriebebereich zur Messung einer Drehzahl an einem Ausgang des Getriebes herangezogen werden. Je nach konkreter Implementierung entsprechender Ausführungsbeispiele, insbesondere im Hinblick auf unterschiedliche Technologien im Bereich der magnetoresistiven Sensorelemente 120 können so beispielsweise Ausführungsbeispiele entsprechender Sensoren 100 in Form inkrementeller GMR-Geschwindigkeitssensoren (GMR = Giant Magneto Resistance = Riesenmagnetwiderstand) implementiert werden.
Wie bereits erläutert wurde, werden dabei häufig entweder Polräder mit permanentmagnetisierten Mustern oder Zahnräder als Geberobjekte 150 mit kleinen Permanentmagneten 130 an der Rückseite der Ausführungsbeispiele von Sensoren 100 verwendet. In beiden Fällen entsteht durch eine Bewegung des Rades, genauer gesagt durch die Bewegung des Geberobjektes 150, an dem Sensor 110 ein periodisches, häufig sinus-ähnliches oder sinusförmiges Magnetfeld. Werden anstelle von magnetoresistiven Sensorelemente 120 Hallsonden eingesetzt, ist in diesem Fall die Komponente senkrecht zu einem Chip oder einem Substrat gemeint, auf dem die betreffenden Hallsonden hergestellt bzw. präpariert sind. Im Falle von magnetoresistiven Sensoren (xMR-Sensoren) ist im Allgemeinen eine Komponente parallel zu der Chipebene bzw. die Komponente parallel zu einer Hauptoberfläche des Substrats oder Chips.
Hierbei umfassen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung magnetoresistive Sensorelemente, also etwa die magnetoresistiven Sensorelemente 120 beispielsweise sogenannte AMR-Sensorelemente (AMR = Anisotropic Magneto Resistance = Anistroper Magnetwiderstand), GMR-Sensorelemente (GMR = Giant Magneto Resistance = Riesenmagnetwiderstand), CMR-Elemente (CMR = Colossal Magneto Resistance = Kolossaler Magnetwiderstand), TMR-Sensorelemente (TMR = Tunnel Magneto Resistance = Tunnelmagnetwiderstand), EMR-Sensorelemente (EMR = Extraordinary Magneto Resistance = Außergewöhnlicher Magnetwiderstand) oder Spin-Valve-Sensorelemente (Spin-Ventil-Sensorelemente). Je nach eingesetzter Technologie entsprechender magnetoresistiver Sensorelemente weisen diese eine unterschiedliche Schichtstruktur auf. In manchen Fällen, beispielsweise bei GMR-Sensorelementen oder TMR-Sensorelementen weisen diese eine weichmagnetische Schicht und eine hartmagnetische Schicht auf, wobei die hartmagnetische Schicht beispielsweise als synthetischer Antiferromagnet (SAF) ausgeführt sein kann, der bezüglich einer Vorzugsrichtung magnetische Feldstärken bzw. deren Komponenten entlang dieser Vorzugsrichtung detektieren kann. Im Falle von GMR-Sensoren, denen zu den GMR-Sensoren sehr verwandten Spin-Valve-Strukturen, und im Falle von TMR-Strukturen kann ein solcher synthetischer Antiferromagnet beispielsweise durch einen sogenannten Konditionierungsprozess, bei dem die betreffende Struktur oberhalb einer als Blocking-Temperatur bezeichneten Temperatur erhitzt wird und in einem Magnetfeld der betreffenden Richtung, die mit der Vorzugsrichtung übereinstimmt, wieder abgekühlt werden. Hierdurch wird das betreffende Magnetfeld in den betreffenden Sensor „eingeschrieben".
Je nach verwendeter Struktur bzw. je nach verwendeter Sensorelement-Technologie können andere Maßnahmen, beispielsweise des Designs oder des Layouts, getroffen werden, um eine entsprechende Vorzugsrichtung zu definieren. Im Falle von GMR-Strukturen, Spin-Valve-Strukturen und TMR-Strukturen liegen diese häufig parallel zu der Hauptoberfläche des Substrats bzw. des Chips, auf den sie präpariert oder abgeschieden wurden.
1 zeigt also ein Anwendungsbeispiel eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 mit einem Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung im Falle einer üblichen Anwendung. Hierbei wird ein kleiner Permanentmagnet als Backbiasmagnet 130 an den Sensor 100 angebracht, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Beide werden dann vor das Geberobjekt 150, beispielsweise einer gezahnten, permeablen Scheibe platziert.
Wird die Scheibe dann, wie in 1 durch den Pfeil angedeutet, rotiert, passieren die Zähne der Scheibe einen Bereich vor dem Sensor 100 und erzeugen so eine kleine Magnetfeldvariation bzw. eine kleine Variation der magnetischen Flussdichte, die dann durch das Ausführungsbeispiel des Sensors 100 erfasst werden kann. Diese Feldvariation kann beispielsweise Informationen über die Winkelposition und/oder die Drehgeschwindigkeit der Scheibe (Geberobjekt 150) umfassen. Ferner kann je nach konkreter Ausführung eines Sensors 100 in der Variation des Magnetfeldes weitere Informationen, beispielsweise die Drehrichtung umfasst sein. Eine Wellenform der Variation des Magnetfeldes bzw. der magnetischen Flussdichte, die durch die Rotation des Geberobjekts 150 hervorgerufen werden kann, ist in vielen Fällen sinusförmig bzw. nahezu sinusförmig. Hierbei kann es insbesondere ratsam sein, zumindest über einen Bereich des Umfangs des Zahnrads oder eine vergleichbare Abmessung anderer Geberobjekte 150 die entsprechenden Strukturen oder Magnetisierungen periodisch auszuführen, so dass in einem solchen Fall im Allgemeinen die Wellenform periodisch ist. Eine Amplitude der Magnetfeldvariation nimmt hierbei drastisch mit wachsendem Luftspalt.
Je nach konkreter Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100, kann es ferner ratsam sein, um gegenüber homogenen Hintergrundfeldern eine gesteigerte Unempfindlichkeit zu erreichen, dass sich an dem betreffenden Chip des Sensors 100 wenigstens zwei Sensoren in einem Abstand befinden, der ca. 50% der Zahnperiode, die auch als Pitch bezeichnet wird, entspricht. Bei vielen Anwendungsbeispielen, werden häufig als übliche Zahnräder, solche verwendet, die eine Periode von 5 mm aufweisen, so dass es also im Falle eines Ausführungsbeispiels für ein solches Zahnrad als Geberobjekt 150 ratsam sein kann, die beiden magnetoresistiven Sensoren 120 in einem Abstand von etwa 2,5 mm voneinander entfernt beabstandet anzuordnen, wie dies in 1 skizziert ist.
Ihre Signale können beispielsweise durch den Einsatz einer Halbrückenschaltung aber auch unter Verwendung anderer technischer Realisierungen voneinander subtrahiert werden. Durch den Abstand beider Sensoren 120 sind ihre Signalverläufe (Sinussignale) etwa um 180° außer Phase. Eine Subtraktion verdoppelt somit etwa ihre Amplitude. Anders ausgedrückt, gewinnt man durch die Verwendung einer entsprechenden Schaltung also Signalstärke. Darüber hinaus ist im Falle einer entsprechenden Verschaltung es ebenso im Falle mancher Ausführungsbeispiele vorteilhaft, dass homogene Störfälle, die auf beide magnetoresistiven Sensorelemente 120 einwirken, im idealen Fall aufgrund der Subtraktion bei der Differenzbildung weitgehend unterdrückt bzw. eliminiert werden. Die Subtraktion der beiden Signale kann, wie zuvor angedeutet wurde, beispielsweise durch eine Brückenschaltung in Form einer Halbbrückenschaltung (H-Brücke) direkt im Bereich des Ausführungsbeispiels des Sensors 100 bzw. im Bereich des Ausführungsbeispiels der Sensoranordnung 110 geschehen. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, erst in der nachfolgenden Signalverarbeitung, beispielsweise im Rahmen einer Auswerteschaltung, eine entsprechende Signalsubtraktion vorzunehmen. Wie später noch erläutert wird kann ggf. die zuerst erläuterte Variante in manchen Anwendungs- und Ausführungsbeispielen jedoch bessere Ergebnisse liefern. Eine solche Sensorkonfiguration wird auch Gradiometer genannt, da aufgrund der Subtraktion zweier räumlich getrennter Signale im Falle einer hinreichend geringen Beabstandung der beiden Sensorelemente 120 zueinander ein einer Komponente eines Gradienten des betreffenden Magnetfeldes bzw. der magnetischen Flussdichte, proportionales Signal erzeugt wird. Entsprechend werden Ausführungsbeispiele eines Sensors 100, der eine entsprechende Gradiometer-Konfiguration aufweist, auch als differentielle Magnetfeldsensoren bezeichnet.
In manchen Ausführungsbeispielen eines Sensors 100 kann darüber hinaus zur Ermittlung der Drehrichtung des Geberobjekts 150, ein oder mehrere zusätzliche Sensoren eingesetzt werden. Will man also zugleich wissen, ob sich das betreffende Rad 150 nach links oder nach rechts dreht, kann es ratsam sein, ein zusätzliches magnetoresistive Sensorelement an einem dritten Ort auf dem Substrat oder Chip vorzusehen.
Mit anderen Worten werden im Rahmen mancher Ausführungsbeispiele eines Sensors 100 bzw. im Rahmen mancher Ausführungsbeispiele einer Sensoranordnung 110 Gradiometer-Konfigurationen oder Gradiometer-Anordnungen eingesetzt, die in der Lage sind, eine Differenz von Magnetfeldern bzw. magnetischen Flussdichten bezüglich zweier beabstandeter Punkte zu detektieren und zu erfassen. Im Unterschied hierzu kann ein einzelnes magnetoresistives Sensorelement das Magnetfeld bzw. die entsprechend herrschende magnetische Flussdichte nur in einzelnen Punkt detektieren, so dass ein einzelnes magnetoresistives Element also nur in der Lage ist, eine absolute Feldstärke bzw. eine absolute Information bezüglich der magnetischen Flussdichte zu detektieren. Ein solches Signal eines einzelnen magnetoresistiven Sensorelements kann daher besonders empfindlich gegenüber überlagerten Störungen des Magnetfelds, die von außen auf das betreffende System einwirken sein, da diese häufig nicht vom Nutzsignal unterschieden werden können. Je nach konkretem Anwendungsbeispiel eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 bzw. einer Sensoranordnung 110 kann daher eine Signalerfassung verbessert werden, indem eine gradiometrische Anordnung der Sensorelemente (beispielsweise in Form von Brückenschaltungen) eingesetzt werden, da auf wenigstens zwei Sensorelemente einwirkende, gleichgerichtete Störungen durch die Differenzbildung wenigstens teilweise eliminiert bzw. kompensiert werden.
Hierbei ist zu beachten, dass die in den 1, 2 und 3 gezeigten Geometrien von Ausführungsbeispielen von Sensoren 100 nur schematisch zu verstehen sind. Hierbei zeigt insbesondere 1, wie erläutert, zwei magnetoresistive Sensorelemente. Sowohl im Hinblick auf die Anzahl der magnetoresistiven Sen sorelemente als auch deren Positionierung bezogen auf den Backbiasmagneten 130 und/oder ein gegebenenfalls vorhandenes Geberobjekt 150 sind die in den 1 bis 3 gewählten Darstellungen nicht vollständig bzw. erschöpfend. Im Rahmen der 1 bis 3 werden vielmehr lediglich verschiedene Anwendungsbeispiele skizziert, in denen die einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente 120, ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100 und der Sensoranordnung 110 einem durch das Geberobjekt 150 periodisch beeinflussten oder erzeugten Magnetfeldes unterworfen sind, welches durch die zuvor genannten Ausführungsbeispiele detektiert und erfasst werden können. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die in den 1 bis 3 gezeigten magnetoresistiven Sensorelemente bzw. ihre Positionen nur zur Illustration von Anwendungsgebieten und zur grundsätzlichen Einführung im Hinblick auf das periodisch beeinflusste oder erzeugte Magnetfeld durch das Geberobjekt 150 gegebenenfalls im Zusammenhang mit dem Backbiasmagneten 130 dienen. Detaillierte Beschreibungen von Ausführungsbeispielen 100 und einer Sensoranordnung 120 werden im Zusammenhang mit den 4 bis 13 später folgen.
2 zeigt ein weiteres Anwendungsgebiet bzw. eine weitere Anwendung eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 bzw. einer Sensoranordnung 110. Hierbei ist in 2 eine entsprechende Sensoranordnung für zwei verschiedene Zeitpunkte (t1) und (t2) dargestellt, wobei bezüglich des Zeitpunkts (t2) einmal eine Anordnung des betreffenden Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 110 für eine Linksdrehung (t2_L) und für eine Rechtsdrehung (t2_R) wiedergegeben sind. 2 zeigt darüber hinaus eine weitere Art des Geberobjekts 150, die bereits zuvor erläutert wurde. Genauer gesagt handelt es sich bei dem Geberobjekt 150 um ein magnetisches Rad bzw. ein Magnetrad, das auch als Polrad bezeichnet wird. An seinem Umfang weist das Polrad 150 eine Mehrzahl von periodisch angeordneten magnetischen Bereichen 160-S, 160-N, die der Verwendung des Bezugszeichens folgend als Südpol (S) bzw. als Nordpol (N) ausgebildet sind. Das Polrad 150 erzeugt somit im Be reich seiner Oberfläche, also im Bereich der magnetischen Bereiche 160 magnetische Feldlinien 170, wie sie in 2 eingezeichnet sind.
Im Hinblick auf die Sensoranordnung 110 sind diese, wie zuvor erläutert, hinsichtlich der beiden Zeitpunkte t1, t2 dargestellt. Die Sensoranordnungen 110 sind hierbei bezüglich dreier Orte bzw. bezüglich dreier unterschiedlicher Positionen 180-1, 180-2, 180-3 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 übt das Polrad 150 als Geberobjekt 150 auf ein bei Position 180-1 angeordnetes erstes magnetoresistives Sensorelement aufgrund der Feldlinien 170 einen Effekt aus, der durch ein Pluszeichen (+) wiedergegeben ist. Auf ein zweites magnetoresistives Sensorelement bei Position 180-2 wird entsprechend der umgekehrten Richtung des entsprechenden Feldlinien 170 ein entsprechend um 180° gedrehtes Magnetfeld ein, so dass auf dieses magnetoresistive Sensorelement das Magnetfeld einen Einfluss ausübt, der durch ein Minuszeichen (–) angedeutet ist. Ein drittes magnetoresistives Sensorelement bei Position 180-3 zwischen den beiden Positionen 180-1, 180-2 ist dagegen in einem Bereich angesiedelt, auf den in der eingezeichneten Konfiguration kein Magnetfeld einwirkt, so dass der entsprechende Effekt durch eine Ziffer 0 wiedergegeben ist.
Wird nun im Rahmen einer Linksdrehung das Geberobjekt 150 bewegt, ergibt sich die Situation bezüglich der Sensoranordnung 110 und dem Geberobjekt 150, wie sie durch die Lage der Sensoranordnung 110 zum Zeitpunkt t2_L wiedergeben ist. In diesem Fall wirkt auf das erste magnetoresistive Sensorelement und das zweite magnetoresistive Sensorelement an den Positionen 180-1, 180-2 in horizontaler Richtung keine magnetische Komponente ein, so dass das Magnetfeld auf die betreffenden magnetoresistiven Sensorelemente keinen Einfluss einübt, was durch die Ziffer 0 dargestellt ist. Im Unterschied hierzu ist das dritte, mittlere magnetoresistive Sensorelement bei Position 180-3 einer magnetischen Flussdichte ausgesetzt, die zu einem Einfluss führt, der in 2 durch ein (–) wiedergeben ist. Entsprechend ergibt sich auch eine Situation im Falle eines rechtsdrehenden Geberobjekts 150, wie sie in der Teilabbildung darunter wiedergegeben ist. Genauer gesagt, wirken auch hier wiederum auf das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-2 in horizontaler Richtung keine magnetischen Flusslinien auf diese ein, so dass die Wirkung des Magnetfeldes auf diese beiden Sensorelemente wiederum durch die Ziffer 0 dargestellt ist. Im Unterschied zu dem Fall eines linksdrehenden Geberobjekts herrscht nunmehr jedoch im Bereich des dritten magnetoresistiven Sensorelements 120-3 ein Magnetfeld vor, das zu einem positiven Effekt führt, der in 2 durch ein (+) wiedergegeben ist. Dieses zeigt schon, dass durch Einsatz eines dritten magnetoresistiven Sensorelements 120 zwischen den beiden äußeren magnetoresistiven Sensorelementen 120-1, 120-3 eine Information bezüglich einer Richtung des Drehsinns des Geberobjekts 150 ableitbar ist.
Bei der Verwendung von Ausführungsbeispielen eines Magnetfeldsensors 100 bzw. eines Sensors 100 zur inkrementellen Geschwindigkeitsmessung werden in einigen Fällen rotierende, wechselnd magnetisierte Magneträder oder Metallzahnräder als Geberobjekte 150 verwendet, die gegebenenfalls das Feld eines hinter dem eigentlichen Sensor 100 angebrachten Magneten 130 ablenken bzw. modulieren. Im Falle eines Polrades als Geberobjekt 150, wie dies in 2 gezeigt ist, kann die Messung der Geschwindigkeit beispielsweise durch Detektion der Nulldurchgänge des Differenzfeldes erfolgen, wie es beispielsweise durch die äußeren magnetoresistiven Sensorelemente bei den Positionen 180-1, 180-2 bei der in 2 gezeigten Konfiguration erfolgen kann. Ein solches Differenzfeld kann erfasst werden, wenn zwei Magnetfeldsensorelemente, beispielsweise zwei Hall-Sensorelemente oder magnetoresistive Sensorelemente (zum Beispiel GMR-Sensorelemente) im Abstand einer Magnetpollänge bzw. einer Zahnlänge in dem betreffenden Magnetfeld platziert werden.
In vielen oder manchen Anwendungen kann es darüber hinaus ggf. erforderlich oder ratsam sein, neben der Geschwindigkeit des rotierenden Geberobjekts 150, also beispielsweise des Rades oder einer Welle, auch die Drehrichtung zu erkennen. Dies ist beispielsweise im Falle von ABS-Sensoren, Kurbelwellensensoren, Nockenwellensensoren oder Getriebedrehzahlsensoren im Kfz-Bereich der Fall.
So zeigt 3 schematisch den Einsatz eines Sensormoduls 190, mit einem Ausführungsbeispiel eines Sensors und einer Sensoranordnung 110, wie sie im weiteren Verlauf der vorliegenden Anmeldung noch näher beschrieben und erläutert wird. Genauer gesagt, zeigt 3 eine Anwendung eines entsprechenden Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 (nicht gezeigt in 3), der im Rahmen des Sensormoduls 190 umfasst ist, im Falle eines Motors 200, der in 3 schematisch im Querschnitt gezeigt ist. Als Geberobjekt 150 wird in diesem Fall ein Zahnrad verwendet, das mit der Kurbelwelle des Motors 200 mechanisch verbunden bzw. gekoppelt ist.
Das Zahnrad als Geberobjekt 150 weist hierbei eine Indexlücke 210 auf, in deren Bereich wenigstens ein Zahn des Zahnrads nicht ausgeführt ist. Hierdurch ist es möglich, eine bestimmte Winkelposition der Kurbelwelle zu bestimmen, indem die Modulation des Magnetfeldes, die durch das Geberobjekt 150 hervorgerufen wird, kurzzeitig dadurch gestört wird, dass ein von der sonstigen Periodizität abweichendes Signal erzeugt wird.
3 zeigt so im Innern eines Motorgehäuses 220 einen Querschnitt durch einen Zylinder, indem sich ein Kolben 230 bewegt, der über eine Pleuelstange 240 mit der Kurbelwelle mechanisch gekoppelt ist. 3 zeigt darüber hinaus im Bereich eines Zylinderkopfs 250 im Querschnitt einen Einlasskanal 260, einen Auslasskanal 270, die jeweils von einem Ventil 280 einen gemeinsamen Brennraum 290 oberhalb des Kolbens 230 abtrennen. Eine Zündkerze 300 und eine Einspritzdüse 310 sind darüber hinaus so in dem Zylinderkopf 250 angebracht, dass diese ebenfalls in dem Brennraum 290 hineinragen. Darüber hinaus sind in 3 verschiedene Kühlmittelbereiche 320 mit einem Temperatursensor 330 gezeigt. 3 zeigt somit einen Einsatz eines Ausführungsbeispiels eines Sensors bzw. einer Sensoranordnung 110 im Rahmen des Sensormoduls 190 als Kurbelwellensensor. Entsprechend können ähnliche Sensormodule auch im Bereich der Nockenwellen eingesetzt werden, die die Ventile 280 ansteuern.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-1 mit einem Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 110-1 und einer Auswerteschaltung 350, die mit dem Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 110-1 gekoppelt ist. Genauer gesagt umfasst die Sensoranordnung 110-1 vier magnetoresistive Sensorelemente 120-1, ..., 120-4, von denen jeweils zwei über einen Knotenpunkt 360-1, 360-2 in Serie zwischen eine Versorgungsleitung 370 für eine positive Versorgungsspannung (z. B. Vbridge+) und eine Versorgungsleitung 380 für eine negative Versorgungsspannung (z. B. Vbridge-) geschaltet sind. Die positive Versorgungsspannung Vbridge+ kann beispielsweise aus einer positiven Versorgungsspannung des Sensors 100-1 abgeleitet Spannung oder es kann sich um die entsprechende Versorgungsspannung des Sensors selbst handeln. Entsprechend kann je nach konkreter Implementierung eines Ausführungsbeispiels auch die negative Versorgungsspannung Vbridge-, die über die Versorgungsleitung 380 den Sensorelementen 120 zur Verfügung gestellt wird, eine bezogen auf ein Bezugspotential negative äußere Versorgungsspannung, eine aus einer solchen Spannung abgeleiteten Spannung oder aber auch ein Bezugspotential darstellen, also beispielsweise Masse (GND).
Die beiden magnetoresistiven Sensorelemente 120-1, 120-2 sind hierbei jeweils mit einem Anschluss an die Versorgungsleitung 370 gekoppelt, während sie mit ihrem zweiten Anschluss jeweils an einem Knotenpunkt 360-1, 360-2 gekoppelt sind. Die beiden anderen magnetoresistiven Sensorelemente 120-3, 120-4 sind entsprechend ebenfalls mit einem Anschluss an die beiden zuvor genannten Knotenpunkte gekoppelt, mit ihrem jeweiligen anderen Anschluss, jedoch mit der Versorgungsleitung 380 gekoppelt. So bilden die magnetoresistiven Sensorelemente 120-1 und 120-3 über den Knotenpunkt 360-1 eine Halbbrückenschaltung, während die magnetoresistiven Sensorelemente 120-2 und 120-4 zusammen mit den Knotenpunkt 360-2 als entsprechender Mittelabgriff eine weitere Halbbrückenschaltung bilden. In 4 sind die beiden sich hieraus ergebenden Halbbrückenschaltungen innerhalb der betreffenden magnetoresistiven Sensorelemente 120 mit den Ziffern 1 und 2 gekennzeichnet. Mit anderen Worten bilden die vier magnetoresistiven Sensorelemente 120-1 bis 120-4 insgesamt zwei Sensorbrücken, die über ihre Mittelabgriffe in Form der Knotenpunkte 360 mit der Auswerteschaltung 350 gekoppelt sind.
Hinsichtlich einer Anordnung der magnetoresistiven Sensorelemente 120 auf einem Substrat oder Chip auf dem die entsprechende Sensoranordnung 110 beispielsweise in Form eines Dünnschicht- oder Dünnfilmbauelements realisiert sein kann, zeigt die horizontale Anordnung der vier Sensorelemente 120 eine mögliche Anordnung auf dem betreffenden Chip oder Substrat. Anders ausgedrückt, illustriert ein Pfeil 390 eine x-Achse, die gleichzeitig eine Haupterfassungsrichtung des Ausführungsbeispiels der Sensoranordnung 110-1 bzw. des Sensors 100-1 darstellt. Im Unterschied hierzu ist die in 4 hierzu senkrechte Richtung nicht im Sinne einer Orientierung oder Anordnung der betreffenden magnetoresistiven Sensorelemente 120 auf dem Chip oder dem Substrat zu verstehen. Die zu der Haupterfassungsrichtung 390 senkrechte in 4 dargestellte Raumrichtung dient vielmehr zur deutlicheren Darstellung der Halbbrückenschaltung. In vielen Fällen von Ausführungsbeispielen einer Sensoranordnung 110 bzw. eines Sensors 100 sind vielmehr die vier magnetoresistiven Sensorelemente 120-1 bis 120-4 parallel auf einer in Figur entsprechend nicht eingezeichneten Linie bezüglich der Haupterfassungsrichtung 390 angeordnet.
Die ersten beiden magnetoresistiven Sensorelemente 120-1, 120-2 sind hierbei ferner, bezogen auf die Haupterfassungsrichtung 390, also beispielsweise eine x-Achse, in einem ersten Abstand 400 angeordnet. Während das dritte und vierte magnetoresistive Sensorelement 120-3, 120-4 in einem zweiten Abstand 410 und das erste und dritte magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-3 in einem dritten Abstand zueinander angeordnet sind.
Je nach konkreter Ausgestaltung eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 können hierbei die einzelnen Abstände 400, 410, 420 relativ zueinander definiert werden. Wird beispielsweise als Basisabstand der dritte Abstand 420 definiert, so können der erste und der zweite Abstand 400, 410 beispielsweise in manchen Ausführungsbeispielen als ein Bruchteil dieses Basisabstands angegeben werden. In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegen so der erste und der zweite Abstand 400, 410 bei weniger als 50% des dritten Abstands, sind jedoch größer als 1% des betreffenden dritten Abstands 420. In weiteren Ausführungsbeispielen können ferner der erste und der zweite Abstand 400, 410 bezogen auf den dritten Abstand 420 in einem Bereich zwischen 1% bzw. 2% bzw. 5% als untere Grenze des entsprechenden Bereichs und bei weniger als 40%, 30%, 20% oder 10% des betreffenden dritten Abstand 420 liegen.
In vielen Fällen werden entsprechende Ausführungsbeispiele von Sensoren 100 auf ein entsprechendes Anwendungsgebiet hin ausgelegt bzw. optimiert. Wie zuvor erläutert wurde, werden so Ausführungsbeispiele von Sensoren häufig im Zusammenhang mit einem Geberobjekt 150 eingesetzt, das aufgrund seiner Außenabmessung bzw. seiner über die Außenabmessung wenigstens teilweise periodisch verteilten Strukturen ein zumindest abschnittsweise räumlich und/oder zeitlich erzeugtes oder be einflusstes periodisches Magnetfeld bereitstellt. In einem solchen Fall basiert im Allgemeinen der dritte Abstand 420 auf einem charakteristischen Abstand, einer charakteristischen Länge oder einer charakteristischen Abmessung des Geberobjekts 150. So kann beispielsweise der dritte Abstand etwa einer Zahnlänge, einer Lückenlänge oder einer anderen charakteristischen Länge der zumindest über einen Teil der Außenabmessung des Geberobjekts 150 verteilten periodischen Strukturen entsprechen oder auf diesen zumindest basieren. Aus diesem Grund wird nicht zuletzt zur Vereinfachung der Darstellung und der funktionalen Zusammenhänge im Folgenden sehr häufig eine Beschreibung der Positionierung der einzelnen Sensorelemente bezogen auf ein entsprechendes zumindest abschnittsweise periodisches Magnetfeld durchgeführt. Selbstverständlich können die einzelnen auch im Rahmen der weiteren Ausführungsbeispiele auftretenden einzelnen Abstände auf einen anderen Abstand der betreffenden Ausführungsbeispiele bezogen werden. So kann beispielsweise bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel unter der Voraussetzung, dass der dritte Abstand 420 mit einer Genauigkeit von weniger als 20%, 10% oder 5% der Hälfte des Pitches des Geberobjekts 150 entspricht, entsprechenden Abstände als Phasenunterschiede auf den dritten Abstand 420 bezogen werden. Entsprechendes gilt auch für die weiteren im Rahmen der vorliegenden Anmeldung erläuterten Ausführungsbeispiele. Bezogen auf ein von einem Geberobjekt 150 erzeugten oder beeinflussten räumlich periodischen Magnetfeld kann so der erste Abstand einem kleinsten absoluten Phasenunterschied entsprechen, der größer als 1° und kleiner als 90° ist.
Auch das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement, die benachbart zueinander in dem zweiten Abstand 410 angeordnet sind, entspricht dieser Abstand ebenfalls bezogen auf die Haupterfassungsrichtung 390 und auf das zumindest abschnittsweise periodische Magnetfeld einem kleinsten absoluten Phasenunterschied, der größer als oder gleich 1° und kleiner als 90° ist. Während das erste und das zweite magne toresistive Sensorelement 120-1 und 120-2 und das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement 120-3, 120-4 also zueinander jeweils benachbart angeordnet sind, ist das erste magnetoresistive Sensorelement 120-1 und das dritte magnetoresistive Sensorelement 120-3 in dem dritten Abstand 420 angeordnet, der wiederum bezogen auf die Haupterfassungsrichtung 390 und das periodische Magnetfeld einen kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25° entspricht.
In diesem Zusammenhang sollte darauf hingewiesen werden, dass aufgrund der Periodizität von Phasen periodischer Objekte, Effekte, Verläufe, Felder oder Magnetfelder Phasenunterschiede, die einer oder mehrerer ganzen Perioden (360°) entsprechen, beliebig abgezogen oder addiert werden können, ohne einen Einfluss auf das resultierende physikalische System zu nehmen. Aufgrund der periodischen Natur des Magnetfeldes, wie es durch das Geberobjekt erzeugt oder beeinflusst wird, gilt dies auch für Magnetfelder, die von einem Geberobjekt 150 erzeugt oder beeinflusst werden, solange dies periodisch geschieht. Aus diesem Grund entspricht beispielsweise ein Phasenunterschied von 190° einem kleinsten Abstand von 170° (= |190°–360°|), da, wie zuvor erläutert wurde, ein beliebiges ganzzeiliges Vielfaches eines einer Periode entsprechenden Phasenunterschieds von 360° hinzu addiert oder subtrahiert werden kann. Mit anderen Worten, existiert zu jedem beliebigen Phasenunterschied, der kleiner als 0° oder größer als 180° ist, ein kleinster absoluter Phasenunterschied, der in dem Intervall zwischen 0° und 180° liegt. Formal ausgedrückt bedeutet dies, dass zu jedem Phasenunterschied φ ein kleinster absoluter Phasenunterschied α in dem Intervall zwischen 0° und 180° liegt, der der Gleichung α = |φ – m·2π|genügt. Hierbei ist m eine beliebige ganze Zahl.
Darüber hinaus sind in vielen Ausführungsbeispielen von Sensoranordnungen 110 und Sensoren 100 die entsprechenden magnetoresistiven Sensorelemente 120 entsprechend ihrer Nummerierung auf dem Substrat bzw. Chip angeordnet. So sind in vielen Ausführungsbeispielen, wie dies 4 aufzeigt, bezogen auf eine x-Koordinate gemäß der Haupterfassungsrichtung 390 das zweite magnetoresistive Sensorelement auf einer gleichen Seite des magnetoresistiven Sensorelements 120-1 angeordnet, wie das vierte magnetoresistive Sensorelement 120-4 bezogen auf das dritte magnetoresistive Sensorelement 120-3. In noch anderen Worten ausgedrückt ist das zweite magnetoresistive Sensorelement bezogen auf das erste magnetoresistive Sensorelement in einer vorbestimmten Richtung angeordnet und das vierte magnetoresistive Sensorelement 120-4 bezogen auf das dritte magnetoresistive Sensorelement 120-3 ebenfalls in der vorbestimmtem Richtung angeordnet.
In vielen Ausführungsbeispielen einer Sensoranordnung 110 bzw. eines Sensors 100 sind darüber hinaus der erste Abstand 400 und der zweite Abstand 410 im Wesentlichen gleich groß. Mit anderen Worten, sind in vielen Ausführungsbeispielen der erste Abstand und der zweite Abstand, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer beispielsweise prozessbedingten Positionierungstoleranz gleich groß. Hierbei werden je nach konkreter Implementierung der einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente, also insbesondere im Hinblick auf die verwendete Technologie, die Abstände beispielsweise im Hinblick auf einen Mittelpunkt der betreffenden Sensorelemente, also beispielsweise ein Flächenschwerpunkt oder ein anderer ähnlich definierter Punkt definiert. Im Falle mäanderförmiger Sensorelemente kann so beispielsweise ein Basispunkt, bezogen auf den die Abstände 400, 410, 420 definiert sind, für die einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente 120 dadurch gegeben sein, dass ein Erfassungsschwerpunkt, ein Flächenschwerpunkt, ein Mittelpunkt oder ein anderer markanter oder vorbestimmter Punkt herangezogen wird. In diesem Zusammenhang ist es in ei nigen Ausführungsbeispielen einer Sensoranordnung 110 bzw. eines Sensors 100 hilfreich, wenn im Falle identisch oder ähnlich ausgeformter magnetoresistiver Sensorelemente 120 die betreffenden Basispunkte gleich bzw. identisch gewählt werden.
Hinsichtlich der Periodizität des Magnetfeldes, dass durch das Geberobjekt 150 erzeugt oder beeinflusst werden kann, ist anzumerken, dass die Periode, genauer gesagt, die räumliche Periode maßgeblich durch die Periode des betreffenden Geberobjekts 150 bestimmt sein kann. Mit anderen Worten, ist in vielen Anwendungsbebieten eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 oder einer Sensoranordnung 110 die (räumliche) Periode durch beispielsweise den Pitch des Geberobjektes 150, also beispielsweise den Abstand zweier Zähne im Falle eines Zahnrades als Geberobjekt 150 definiert. Darüber hinaus ist anzumerken, dass aufgrund der Rotation bzw. allgemein angesprochen der Bewegung des Geberobjekts 150 die räumliche Periodizität des periodischen Magnetfelds bzw. des Geberobjekts 150 über eine entsprechende Geschwindigkeit in eine zeitliche Periodizität verwandelt wird. Je nach konkreter Implementierung kann es sich beispielsweise im Falle der Geschwindigkeit um eine Winkelgeschwindigkeit ω oder eine lineare Geschwindigkeit v handeln kann. Bezogen auf einen Phasenwinkel bzw. Phasenunterschied φ ergibt sich so im Falle einer Rotation des Geberobjekts 150 ein Phasenunterschied φ = w·t (1)und im Falle einer linearen Geschwindigkeit ein Phasenunterschied φ = v·t/λ, (2) wobei λ der Pitch bzw. die Periodizität des entsprechenden Geberobjekts 150 und t die Zeit darstellt. Je nach konkreter Implementierung eines Geberobjekts 150 kann es hierbei durchaus auch zu einer Unterbrechung der Periodizität des Geberobjekts 150 als Ganzes betrachtet kommen. So kann beispielsweise, wie dies 3 gezeigt hat, eine Indexlücke 210 oder ein Indexzahn in einem entsprechenden Geberobjekt integriert werden, um beispielsweise eine bestimmte Winkelposition oder eine andere bestimmte Position zu markieren. In einem solchen Fall sind selbstverständlich die zuvor gemachten Aussagen hinsichtlich der Periodizität, der Phasenunterschiede und andere damit verbundener Größen ggf. auf einen Bereich zu beschränken, der den betreffenden Indexzahn oder die entsprechende Indexlücke 210 nicht umfasst. Im Allgemeinen stellt dies jedoch keine ernstzunehmende Einschränkung dar, da die Periodizität beispielsweise des von dem Geberobjekt 150 erzeugten oder beeinflussten periodischen Magnetfeldes sich auf eine viel kleinere Periode, nämlich den Pitch oder den Zahnabstand bezieht. Ein Fehlen eines oder mehrerer entsprechender Zähne, also das Vorhandensein einer Indexlücke 210 kann zwar die Periodizität des Gesamtgeberobjekts 150 stören, kann jedoch vernachlässigt werden bzw. außer Acht bleiben, da in Anwendungsbeispielen eine entsprechende Periodizität über einen bestimmten Bereich, der nicht das gesamte Geberobjekt 150 umfassen muss, ausreichend sein kann.
Weist also ein entsprechendes Geberobjekt eine Indexlücke 210 oder eine entsprechende andere Markierung auf, so führt dieses jedoch zumindest zu einem abschnittsweise periodischen Magnetfeld oder erzeugt dieses. So ist beispielsweise bei Kurbelwellensensoren, die eine wesentliche Anwendung für richtungserkennende Geschwindigkeitssensoren (Speed-Sensoren) darstellen, eine Verwendung von Zahnrädern oder Polrädern, bei denen ein längerer Abschnitt als Absolutpositionsmarkierung dient, durchaus üblich. Zu diesem Zweck wird zum Beispiel eine Lücke zwischen zwei Zähnen weggelassen, so dass dieser Abschnitt insgesamt dreimal länger wird. Wird jetzt eine Phasenverschiebung betrachtet, weicht diese bezüglich dieser Absolutpositionsmarkierung von einer Phasenverschiebung ab, die bezüglich der Zähne oder der anderen Strukturen des betreffenden Geberobjekts definiert ist. Dies stellt jedoch im vorliegenden Fall kein Problem dar, da abgesehen von dem Bereich der Absolutpositionsmarkierung (zum Beispiel der Indexlücke 210) die durch das Geberobjekt hervorgerufene Modifikation bzw. Beeinflussung des Magnetfeldes zumindest in dem Bereich außerhalb der Indexlücke bezüglich der kürzeren Periodenlänge periodisch ist. Somit ist also auch ein von einem solchem Geberobjekt hervorgerufenes oder beeinflusstes Magnetfeld zumindest abschnittsweise periodisch.
Entsprechend kann selbstverständlich eine Definition bzw. Festlegung der Abstände der einzelnen Sensorelemente 120 zueinander in diesem Ausführungsbeispiel, wie auch in den weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, bezüglich des Geberobjekts definiert werden. So können beispielsweise die betreffenden Abstände auch auf Abstände des Geberobjekts, also etwa eine Länge eines Zahns, eine Länge einer Lücke oder eines anderen an dem Außenrand des Geberobjekts angeordnetes Objekt bezogen werden. Selbstverständlich können die betreffenden Abstände auch relativ zueinander definiert werden, wenn beispielsweise ein Abstand, etwa der dritte Abstand bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel auf einer charakteristischen Länge basiert, die entweder von dem (zumindest abschnittsweise) periodischen Magnetfeld oder dem entsprechenden Geberobjekt abhängt.
Anders ausgedrückt weist das Geberobjekt 150 zumindest über einen Teil einer Außenabmessung des Geberobjekts verteilte periodische Strukturen auf, die in der Lage sind, ein zumindest abschnittsweise periodisches Magnetfeld zu erzeugen oder zu beeinflussen. Entsprechende Strukturen umfassen Zähne, Löcher, Lücken, magnetische Bereiche und Bereiche unterschiedlicher Magnetisierung.
Im Hinblick auf die Phasenunterschiede der Abstände der des ersten, zweiten und dritten Abstands 400, 410, 420 ist anzumerken, dass in weiteren Ausführungsbeispielen eines Sensors 100 bzw. einer Sensoranordnung 110 der erste und der zweite Abstand 400, 410 abhängig von den genauen technischen Implementierungsdetails in einem Phasenbereich zwischen 5° und 20° oder 10° bis 20° liegen kann. Je nach konkreter Implementierung können der erste Abstand und der zweite Abstand zwischen den Sensorelementen 120-1 und 120-2 bzw. 120-3 und 120-4 bezogen auf das zumindest abschnittsweise periodische Magnetfeld auch Phasenunterschieden zwischen 2°–80°, 2°–40°, 2°–20°, 5°–80°, 5°–40° oder 5°–20° entsprechen. Im Hinblick auf die Phasenunterschiede, die dem dritten Abstand 420 entsprechen, kann es je nach konkreter Implementierung sein, dass der dritte Abstand 420 einem Phasenwinkel von wenigstens 90°, von wenigstens 120° oder von wenigstens 160° aufweist. Entsprechend kann auch der dritte Abstand einem Phasenunterschied in manchen Ausführungsbeispielen von wenigstens 40°, 80°, 110° oder 150° entsprechen. In manchen Ausführungsbeispielen einer Sensoranordnung 110 bzw. eines Sensors 100 können die magnetoresistiven Sensorelemente 120-1 und 120-3 in einem Abstand angeordnet sein, der einem Phasenunterschied von 180° +/– 5° oder von 180° +/– 2° entspricht.
Im Falle eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-1, der neben der Sensoranordnung 110-1 auch die Auswerteschaltung 350 umfasst, kann diese beispielsweise so konfiguriert sein, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements 120-1, 120-3, das an dem als Mittelabgriff wirkenden Knotenpunkt 360-1 der betreffenden Halbbrückenschaltung abgreifbar ist, und basierend auf einem zweiten Differenzsignal des zweiten und vierten magnetoresistiven Sensorelements 120-2, 120-4, das an dem als Mittelabgriff wirkenden Knotenpunkt 360-2 dieser Halbbrückenschaltung verfügbar ist, ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen. Das Summensignal kann hierbei In formationen bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts aufweisen, die beispielsweise aus einer Frequenz des Summensignals sich ergeben. Entsprechend kann das Differenzsignal Informationen bezüglich einer Drehrichtung oder Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts 150 aufweisen. Eine solche Information kann beispielsweise in einem Wert des Differenzsignals zu einem bestimmten Zeitpunkt, der beispielsweise auf Basis des Summensignals ableitbar ist, sich ergeben. Je nach konkreter Implementierung einer Auswerteschaltung 350 kann so das Summensignal und/oder das Differenzsignal selber oder die daraus gewonnenen Informationen beispielsweise an einem oder mehreren Ausgängen der Auswerteschaltung 350 für eine spätere Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-1 bzw. einer Sensoranordnung 110-1 werden folglich zwei nur leicht versetzte Brücken mit den magnetoresistiven Sensorelementen 120-1, 120-3 und 120-2, 120-4 verwendet. Dadurch können beide Signale der beiden Brücken, die an den Knotenpunkten 360 abgreifbar sind, zur Nullpunktsdetektion eingesetzt werden. Eine Abtastung der betreffenden beiden Signale oder Differenzsignale kann, wie im Folgenden noch erläutert wird, gemultiplext erfolgen. Durch eine Verdoppelung der Abtastrate im Falle einer digitalen oder auch analogen Verarbeitung der beiden Differenzsignale durch die Auswerteschaltung 350 gegenüber einer Implementierung nur einer einzelnen Halbbrücke kann so etwa eine gleitende Mittelwertbildung vorgenommen werden, was zu einer Verbesserung des Signalrauschabstands führen kann.
Das gemittelte Signal bzw. das Summensignal entspricht hierbei einem virtuellen Sensor, der zwischen den beiden Einzelsensoren, genauer gesagt zwischen den beiden Halbbrückenschaltungen, angeordnet ist. Das Differenzsignal, das auf Basis der an den beiden Knotenpunkten 360-1, 360-2 abgreifbaren Differenzsignalen von der Auswerteschaltung 350 gewonnen werden kann, weist so Informationen auf, die beispielsweise auch durch einen zwischen den magnetoresistiven Sensorelementen 120 einer Halbbrückenschaltung gelegenen weiteren Sensor bestimmbar sind. Ein solcher weiterer Sensor in der Mitte eines solchen Sensor-ICs (IC = integrated circuit = integrierte Schaltung) würde ein 90°-phasenversetztes Signal gegenüber einem der (Differenz-)Signale von zwei der äußeren Sensorelemente (zum Beispiel Sensorelemente 120-1, 120-3 oder 120-2, 120-4) liefern. Je nach Drehrichtung würde dann bei einer Nullstelle des Differenzsignals an einem der Knotenpunkte 360 ein solches Signal eines Mittensensors ein Minimum oder ein Maximum aufweisen. In Verbindung mit einer Ableitung des Differenzsignals, das an einem der Knotenpunkte 360 abgreifbar ist, könnte dann das Vorzeichen eines Extremums des Differenzsignals Aufschluss über die Drehrichtung geben, wenn beispielsweise eine Nullstelle des Signals eines solchen Mittensensors ausgewertet wird.
Liegt ein entsprechend platziertes drittes Sensorelement in der Mitte zwischen zwei äußeren Sensorelementen am Chip, ergeben sich Signale der drei einzelnen Sensorelemente, die jeweils 90° zueinander phasenverschoben sind. Durch eine Verschaltung der beiden äußeren Sensorsignale in Form einer Halbbrückenschaltung werden diese subtrahiert und ein entsprechendes Differenzsignal, das an einem Knotenpunkt 360 abgreifbar ist, kann entsprechend als Geschwindigkeitssignal oder auch als Speed-Signal bezeichnet werden. Ein gegebenenfalls vorhandener mittlerer Sensor würde ein entsprechendes Richtungssignal, das als Direktion-Signal bezeichnet wird, zur Verfügung stellen. Durch eine Beobachtung des Vorzeichens des Richtungssignals im Nulldurchgang des Geschwindigkeitssignals kann so die Drehrichtung des Geberobjekts abgeleitet werden, wie die folgende Tabelle illustriert. Tabelle 1:

Nulldurchgang Speed-Signal Linkslauf Rechtslauf

steigend Direction-Signal > 0 Direction-Signal < 0

fallend Direction-Signal < 0 Direction-Signal > 0
Dies bedeutet, dass beispielsweise, wenn das Geschwindigkeitssignal eine Nulllinie passiert, also durch Null geht, und dabei ansteigt, so weist das Richtungssignal Werte auf, die größer als Null sind, im Falle eines Linkslaufs und kleiner als Null sind, im Falle eines Rechtslaufs des Geberobjekts 150. Entsprechend ist das Geschwindigkeitssignal im Nulldurchgang fallend, so ist das Richtungssignal im Falle des Linkslaufs negativ und im Falle des Rechtslaufs positiv.
4 zeigt somit ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110 zum Erfassen von einem Geberobjekt 150 erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfeldes mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Sensorelement 120-1, ..., 120-4, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-2 in einem ersten Abstand 400 angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement 120-3, 120-4 benachbart in einem zweiten Abstand 410 angeordnet sind, wobei das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-3 in einem dritten Abstand 420 angeordnet sind, und wobei der erste Abstand 400 und der zweite Abstand 410 weniger als 50% des dritten Abstands 420, jedoch nicht weniger als 1% des dritten Abstands 420 betragen.
5 zeigt so schematisch drei Verläufe von Signalen, wie sie an den beiden Knotenpunkten 360-1, 360-2 des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-1 bzw. der entsprechenden Sensoranordnung 110-1 abgreifbar sind. Genauer gesagt zeigt 5 einen Verlauf 430-1, wie er beispielswei se an dem Knotenpunkt 360-1 der beiden magnetoresistiven Sensorelemente 120-1, 120-3 abgreifbar ist. Entsprechend zeigt 5 einen weiteren Verlauf 430-2, wie er beispielsweise an dem Knotenpunkt 360-2 der beiden Sensorelemente 120-2, 120-4 abgreifbar ist. Mit anderen Worten entspricht der Verlauf 430-1 der linken Halbbrücke, während der Verlauf 430-2 der rechten Halbbrücke entspricht, wie sie in 4 gezeigt sind.
Darüber hinaus ist zwischen den Verläufen 430-1, 430-2 ein gemittelter Verlauf 440 eingezeichnet, der beispielsweise einem Verlauf entsprechen könnte, wie er auf Basis eines Summation der beiden Verläufe 430-1, 430-2, also wie er dem Summensignal der Auswerteschaltung 250 entsprechen könnte. Der gemittelte Verlauf 440 ist hierbei der Einfachheit halber mit der gleichen Signalamplitude eingezeichnet, wie die beiden äußeren Verläufe 430-1, 430-2. Mit anderen Worten ist bei der in 5 gezeigten Darstellung des gemittelten Verlaufs 440 vernachlässigt worden, dass das entsprechende Summensignal der Auswerteschaltung 350 eine Signalamplitude aufweisen würde, die etwa doppelt so groß ist, wie die einzelnen Signalamplituden der beiden beteiligten Halbbrückenschaltungen.
Hinsichtlich der in 5 dargestellten Verläufe ist ferner anzumerken, dass auf einer Abszisse der dort gezeigten Darstellung beispielsweise die Zeit im Falle eines sich bewegenden Geberobjekts 150 aufgetragen sein kann. Im Hinblick auf die Ordinate zeigt 5 eine Oszillation um eine durch die Abszisse (x-Achse) markierten Nullpunktswert. Je nach konkreter Implementierung eines Ausführungsbeispiels, wie es beispielsweise in 4 gezeigt ist, kann dies eine numerische oder eine anderweitige Berücksichtigung einer entsprechenden Nullpunktsverschiebung (Offset) erforderlich machen. Selbstverständlich kann eine entsprechende Nullpunktsverschiebung auch schaltungstechnisch realisiert werden, indem beispielsweise der Auswerteschaltung 350 ein in 4 nicht gezeigtes Referenzsignal einer Referenzbrücke oder eines Spannungstei lers bereitgestellt wird. Ein solcher Spannungsteiler kann beispielsweise aus Poly-Silizium-Widerstandselementen und/oder aus metallischen Widerstandsbahnen erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend kann selbstverständlich auch der Versorgungsleitung 380 ein, bezogen auf ein Referenzpotential, negatives Potential aufgeprägt werden, das betragsmäßig dem Potential der Versorgungsleitung 370 entspricht. In einem Fall und eine symmetrische Auslegung der magnetoresistiven Sensorelemente 120 der beiden in 4 gezeigten Halbleiterbrückenschaltungen vorausgesetzt kann so auch ohne Implementierung eines Spannungsteilers bzw. einer Referenzbrücke ein entsprechendes Signal generiert werden, das um einen Nullwert herum eine periodische Oszillation, ansprechend auf eine Bewegung des Geberobjekts 150 ausführt.
Darüber hinaus sollte darauf hingewiesen werden, dass grundsätzlich auch die Möglichkeit besteht, eine entsprechende Nullpunktsberücksichtigung durch den Einsatz einer Vollbrückenschaltung zu realisieren. Zu diesem Zweck ist in den 6a und 6b ein Vergleich einer Halbbrückenschaltung (6a) und einer Vollbrückenschaltung (6b) gezeigt.
6a zeigt die schon in 4 gezeigte Serienschaltung der magnetoresistiven Sensorelemente 120-1 und 120-3 über den Mittelabgriff bzw. Knotenpunkt 360-1. Im Unterschied hierzu ist bei der in 6b gezeigten Vollbrückenschaltung der zuvor beschriebenen Halbbrückenschaltung mit den magnetoresistiven Sensorelementen 120-1, 120-3 und dem Knotenpunkt 360-1 eine weitere Halbbrückenschaltung mit den Sensorelementen 120'-3 und 120'-1 und dem dazwischengelegenen Knotenpunkt bzw. Mittelabgriff 360'-1 parallel geschaltet. Die magnetoresistiven Sensorelemente 120'-1, 120'-3 können hierbei beispielsweise durch eine Verdopplung der entsprechenden magnetoresistiven Sensorstruktur im Bereich der jeweiligen magnetoresistiven Sensorelemente 120-1, 120-3 auf dem Substrat bzw. Chip erzeugt werden.
Hinsichtlich ihrer Kopplung an die Versorgungsleitungen 370, 380 ist in diesem Fall jedoch zu beachten, dass im Unterschied zu dem magnetoresistiven Sensorelement 120-3 das magnetoresistive Sensorelement 120'-3 mit der Versorgungsleitung 370, also einer positiven Versorgungsspannung gekoppelt ist. Entsprechend ist das magnetoresistive Sensorelemente 120'-1 elektrisch parallel zu dem magnetoresistiven Sensorelement 120-3 mit der Versorgungsleitung 380 für die negative Versorgungsspannung (z. B. Masse (GND)) gekoppelt.
Darüber hinaus bietet es sich an, in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass bei einer Implementierung einer Vollbrückenschaltung, wie sie 6b zeigt und wie sie im Rahmen von 8 noch näher erläutert wird, die Knotenpunkte 360'-1 und 360' gegebenenfalls beide mit der Auswerteschaltung 350 gekoppelt werden können. Darüber hinaus bietet es sich an, an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass grundsätzlich auch die Möglichkeit besteht, einzelne magnetoresistive Sensorelemente 120 gegen entsprechende Widerstandselemente aus Polysilizium, einer Metallleitung oder einem anderen Metall auszutauschen. In einem solchen Fall könnte das entsprechend ausgetauschte magnetoresistive Sensorelement selbstverständlich keinen Magnetfeld-abhängigen Beitrag zu dem an dem entsprechenden Knotenpunkt 360 abgreifbaren Differenzsignal oder Messsignal liefern.
Darüber hinaus bietet die Verwendung einer Vollbrückenschaltung, wie sie in 6b gezeigt ist, neben der bereits erwähnten Kompensation des Nullpunkts im Falle einer idealen Auslegung auch den weiteren Vorteil einer Vergrößerung der Signalamplitude der betreffenden Signale, da diese nunmehr differenziell von zwei unterschiedlichen Knotenpunkten 360, 360' abgreifbar sind.
Bevor jedoch im Zusammenhang mit den 7 bis 13 weitere Ausführungsbeispiele von Sensoren 100 und Sensoranordnungen 110 erläutert werden, sollte an dieser Stelle erwähnt werden, dass im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung eine erste Komponente, die mit einer zweiten Komponente (elektrisch) gekoppelt ist, elektrisch direkt mit dieser verbunden oder über eine weitere Schaltung oder eine weitere Komponente mit dieser in elektrischer Verbindung stehen kann. Anders ausgedrückt, wird im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung unter zwei Komponenten, die miteinander (elektrisch) gekoppelt sind, also solche verstanden, die entweder direkt miteinander oder über eine weitere Schaltung oder Komponente elektrisch miteinander verbunden sind. So sind beispielsweise bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die beiden magnetoresistiven Sensorelemente 120-1, 120-3 mittelbar über den Knotenpunkt 360 miteinander gekoppelt. Je nach konkreter Ausführung können diese beiden magnetoresistiven Sensorelemente mit dem betreffenden Knotenpunkt 360-1 jedoch direkt elektrisch verbunden sein.
Darüber hinaus bietet es sich an, an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung für Objekte, Strukturen und Komponenten, die die gleichen oder ähnlichen funktionalen Merkmale aufweisen, identische oder ähnliche Bezugszeichen verwendet werden. Sofern dies nicht explizit anderweitig angegeben ist, können Abschnitte der Beschreibung, die sich auf Objekte, Strukturen und Komponenten mit ähnlichen gleichen funktionalen Eigenschaften und Merkmalen beziehen, untereinander ausgetauscht werden. Hierdurch kann die Beschreibung gerade im Hinblick auf Merkmale, Eigenschaften und andere Details dadurch verkürzt werden, dass diese im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsbeispielen nicht mehr fachbeschrieben werden müssen. Darüber hinaus werden im Folgenden zusammenfassende Bezugszeichen für Objekte, Strukturen und Komponenten verwendet, die identisch oder in ähnlicher Art und Weise in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Struktur in einer Figur auftreten. Sofern dies nicht anderweitig vermerkt ist, können auch im Hinblick auf solche Strukturen, Komponenten oder Objekte die betreffenden Beschreibungspassagen untereinander ausgetauscht werden. So mit dient auch die Verwendung zusammenfassender Bezugszeichen einer kompakteren und klareren Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, da unnötige Wiederholungen vermieden werden können.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-1 mit einem Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110-1. Die Sensoranordnung 110 unterscheidet sich hierbei von der in 4 gezeigten nicht, auch wenn in 7 der erste Abstand 400, der zweite Abstand 410 und der dritte Abstand 420 nicht eingezeichnet sind. Auch im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels werden die einzelnen Abstände 400, 410, 420 im Hinblick auf Phasenunterschiede bezüglich des zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds diskutiert und erläutert. Die zuvor gemachten Aussagen im Zusammenhang mit dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind entsprechend übertragbar.
Das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Sensors 100 unterscheidet sich jedoch im Hinblick auf die Auswerteschaltung 350 und im Hinblick auf eine zusätzliche Referenzbrücke 450, die als Halbbrückenschaltung der Widerstandselemente 460-1 und 460-2 aufweist, die ihrerseits über einen Knotenpunkt 470 in Serie geschaltet sind. Die Referenzbrücke 450 ist hierbei zwischen die beiden Versorgungsleitungen 370, 380, geschaltet, die auch die Versorgungsspannungen für die magnetoresistiven Sensorelemente 120 des Ausführungsbeispiels der Sensoranordnung 110-1 aus 7 liefert. Der Knotenpunkt 470 der Referenzbrücke 450 stellt hierbei den Mittelabgriff der Halbbrückenschaltung der beiden Wiederstandselemente 460 dar und ist mit der Auswerteschaltung 350 gekoppelt. Die Widerstandselemente 460-1, 460-2 können hierbei, wie zuvor erläutert wurden, beispielsweise aus Poly-Silizium, aus metallischen Strukturen oder anderen Materialien gefertigt sein. Je nach konkreter Implementierung kann so beispielsweise ein optional hoch-dotierter oder dotierter Poly-Silizium-Widerstandsspannungsteiler in einen entsprechenden Chip imp lementiert werden, der die beiden Widerstandselemente 460-1, 460-2 umfasst. Die Widerstandselemente 460 werden auch als Referenzelemente bezeichnet, weshalb sie in 7 als „Ref" bezeichnet sind.
Die Auswerteschaltung 350 umfasst einen Multiplexer 480, an dessen Eingänge die beiden Knotenpunkte 360-1, 360-2 angeschlossen sind. Der Multiplexer 480 ermöglicht es so, wahlweise einen der beiden Knotenpunkte 360, die als Mittelabgriffe der Halbbrückenschaltungen aus den magnetoresistiven Sensorelementen 120 dient, mit einem der Multiplexer 480 nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler 490 zu koppeln. Der Multiplexer 480 stellt somit einen Schalter dar, der in der Lage ist, wenigstens einen der beiden Mittelabgriffe 360 der magnetoresistiven Halbbrückenschaltungen mit einem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 490 zu koppeln. Ein weiterer Eingang des Analog/Digital-Wandlers 490 ist darüber hinaus mit dem Mittelabgriff bzw. Knotenpunkt 470 der Referenzbrückenschaltung 450 gekoppelt.
Der Analog/Digital-Wandler 490 ist über einen oder mehrere Ausgänge einerseits mit einem Additionsmodul 500 und einem Subtraktionsmodul 510 gekoppelt, denen jeweils bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-1 eine digitalisierte und um eine Referenzspannung des Mittelabriffs 470 der Referenzbrücke 450 korrigiertes Messsignal der beiden Halbbrückenschaltungen mit magnetoresistiven Sensorelementen 120 von den Knotenpunkten 360-1, 360-2 zur Verfügung stellt.
Mit anderen Worten ist so das Additionsmodul 500 beispielsweise in der Lage und ausgebildet, an die nachfolgenden Module, Schaltungen und Komponenten ein Signal zu liefern, das auf einer Summe der beiden an den Knotenpunkten 360-1, 360-2 abgegriffenen Messsignale der Halbbrückenschaltungen des Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 110-1 basiert. Entsprechend ist das Subtraktionsmodul 510 in der Lage und ausgebildet, eine entsprechende Differenz der betreffenden Mess signale an die nachfolgenden Komponenten auszugeben. Hierbei sind die dem Additionsmodul 500 und dem Subtraktionsmodul 510 zur Verfügung gestellten Messsignale durch den Analog/Digital-Wandler 490 digitalisiert und um das Referenzsignal der Referenzbrücke 450 korrigiert worden.
Das Subtraktionsmodul 510 ist seinerseits mit einem Ausgang an einen Integrator 520 gekoppelt, der in der Lage ist, die an seinem Eingang oder seinen Eingängen zur Verfügung gestellten Signale zeitlich aufzuintegrieren. An den Integrator 520 ist ferner eine Prozessierungsschaltung 530 zur weiteren Prozessierung der inkrementellen Richtungssensordaten (further incremental direction processing) gekoppelt. Die Prozessierungsschaltung 530 ist dann in der Lage, ein Ausgangssignal bezüglich einer Richtung (direction out) an einem entsprechenden Ausgang bereitzustellen. So kann beispielsweise die Prozessierungsschaltung 530 eine Abtast- und Halteschaltung aufweisen, die in der Lage und konfiguriert ist, um an einem Eingang das betreffende Summensignal zu empfangen und an einem Ausgang dann ein Richtungssignal basierend auf dem Summensignal bereitzustellen, wobei beispielsweise die Auswerteschaltung 350 der Abtast- und Halteschaltung ein Taktsignal bereitstellen kann, wenn das Differenzsignal des Subtraktionsmoduls 510 oder ein daraus abgeleitetes Signal beispielsweise einen Nulldurchgang aufweist.
Das Additionsmodul 500 ist seinerseits an eine Minimum/Maximum-Detektionsschaltung 540 und einer Prozessierungsschaltung 550 zur weiteren Prozessierung der inkrementellen Geschwindigkeitssensordaten gekoppelt. Während die Prozessierungsschaltung 550 vergleichbar zu der Prozessierungsschaltung 530 auf Basis der eingehenden Signale ein Ausgangssignal bezüglich der Geschwindigkeit erzeugt (speed out) ist die Minimum/Maximum-Detektionsschaltung 540 in der Lage und entsprechend ausgebildet, um das Vorliegen eines Minimums oder eines Maximums des betreffenden eingehenden Signals, also des Summensignals, wie es von dem Additionsmodul 500 ausgegeben wird, zu erkennen. Die Minimum/Maximum-Detektionsschaltung 540 ist darüber hinaus mit dem Integrator 520 derart gekoppelt, dass der Integrator 520 durch ein von der Minimum/Maximum-Detektionsschaltung 540 zur Verfügung gestellte Signal (reset-Signal) auf Null oder auf einen anderen Wert zurückgesetzt wird, wenn ein Extremum, also ein Minimum oder ein Maximum, vorliegt.
Die Signaldifferenz zwischen den beiden phasenverschobenen Einzelsignalen der beiden Halbbrückenschaltungen mit den magnetoresistiven Sensorelementen umfasst im Hinblick auf das Vorzeichen der Phasenverschiebung die Information über die Drehrichtung, wie dies bereits die beiden Verläufe 430-1, 430-2 aus 5 im Verhältnis zu dem Summensignal 440 bzw. im gemittelten Signal 440 gezeigt haben. Da der Phasenversatz jedoch im Vergleich zu einem 90°-phasenverschobenen Signal kleiner ist, ist die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Brücken ebenfalls nur gering. Da jedoch die Richtungsinformation ohnehin nur zweimal pro Periode bestimmt wird, kann zwischen zwei aufeinanderfolgenden Extremwerten die phasenverschiebungsbedingte Differenz der Brückensignale integriert werden. Hierdurch ist es möglich, den Signalrauschabstand zu verbessern und eine zuverlässige Richtungsdetektion zu ermöglichen. Ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-1, wie er in 7 gezeigt ist, ermöglicht so eine Richtungserkennung für inkrementelle Geschwindigkeitssensoren oder Speedsensoren mit einer erhöhten Abtastrate. Hinzu kommt, dass ein Drehrichtungswechsel ein vorhergehendes Absenken der Drehzahl mit sich bringt, so dass die Richtungsinformation durch die Verlängerung der Integrationsperiode zwischen zwei Extremwerten umso genauer wird, je geringer die Drehzahl ist.
Anders ausgedrückt, wird im Rahmen der Auswerteschaltung 350 der Integrator 520 dazu verwendet, die gegebenenfalls verrauschten Messsignale der beiden Halbbrückenschaltungen, wie sie an den beiden Knotenpunkten 360 abgegriffen werden können, auch zu integrieren, da im Mittel Rauschkomponenten der beiden Signale durch die Integration numerisch ausgelöscht werden können. Dadurch, dass der Integrator 520 implementiert ist, kann so trotz des im Vergleich zu 90° sehr geringen Phasenabstands der beiden magnetoresistiven Sensorelemente 120-1, 120-2 bzw. 120-3, 120-4 auch im Falle einer starken Rauschüberlagerung noch eine zuverlässige Richtungsdetektion ermöglichen kann.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-1 mit einem Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110-1 und einer Auswerteschaltung 350. Im Unterschied zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das in 8 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-1 im Hinblick auf die Sensoranordnung 110-1 im Wesentlichen dadurch, dass diese nunmehr ein erstes bis viertes magnetoresistive Sensorelement 120-1 bis 120-4 aufweist, sondern ebenfalls ein fünftes bis achtes magnetoresistive Sensorelement 120'-1 bis 120'-4, die zusammen mit den ersten vier magnetoresistiven Sensorelementen 120-1 bis 120-4 zu zwei Vollbrückenschaltungen geschaltet sind, wie dies im Zusammenhang mit 6b erläutert wurde. Entsprechend sind nicht nur die Knotenpunkte 360-1, 360-2 der beiden Halbbrückenschaltungen mit den ersten vier magnetoresistiven Sensorelementen 120-1 bis 120-4 in der Sensoranordnung 110-1 umfasst, sondern es sind vielmehr zwei weitere Knotenpunkte 360'-1 und 360'-2 zwischen die magnetoresistiven Sensorelemente 120'-1 und 120'-3 bzw. 120'-2 und 120'-4 geschaltet. Dafür ist im Gegenzug im Rahmen des in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-1 keine Referenzbrücke wie im Fall von 7 implementiert.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel gelten die im Hinblick auf 4 gemachten Aussagen hinsichtlich der einzelnen Abstände und ihrer Dimensionierung zueinander bzw. zu denen der Abmessung eines Geberobjekts bzw. zu denen hinsichtlich der Phasenunterschiede des periodischen Magnetfeldes.
Hieraus ergibt sich ein weiterer Unterschied im Hinblick auf die Auswerteschaltung 350 in Bezug auf den Multiplexer 480 und den Analog/Digital-Wandler 490. So ist der Multiplexer 480 bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel mit allen vier Knotenpunkten 360 des Ausführungsbeispiels der Sensoranordnung 110-1 und der Ausgang des Multiplexers 480 ist ausschließlich mit dem Analog/Digital-Wandler 490 gekoppelt. Die in 7 gezeigte Kopplung des Analog/Digital-Wandlers 490 zu der Referenzbrücke 450 ist zusammen mit der Referenzbrücke 450 bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiels entfallen. Darüber hinauskönnen sich ggf. weitere Änderungen ergeben, die eine Folge des durch die Verwendung einer Vollbrückenschaltung erhöhten Signalpegels und anderer implementierungs-spezifischen Details sein können.
Im Zusammenhang mit den in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispielen sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass grundsätzlich eine Implementierung eines Analog/Digital-Wandlers 490 entfallen kann. In einem solchen Fall kann die Auswerteschaltung auch als reine analoge Schaltung implementiert werden. Ferner kann die Auswerteschaltung 350 weitere analoge oder digitale Signalverarbeitungsstufen umfassen, also etwa eine Vorverstärkerstufe und/oder eine oder mehrere Verstärkerstufen. All diese Komponenten sind jedoch als optionale Komponenten zu betrachten.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-2 mit einem Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110-2 und eine Auswerteschaltung 350'. Genauer gesagt, umfasst das Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110-2 ein erstes magnetoresistives Sensorelement 120-1, ein zweites magnetoresistives Sensorelement 120-1 und ein drittes magnetoresistives Sensorelement 120-3. Das erste magnetoresistive Sensorelement 120-1 und das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-2 sind hierbei wiederum an eine Versorgungsleitung 370 gekoppelt, die eine positive Versorgungsspannung Vbridge+, den betreffenden magnetoresistiven Sensorelementen bereitstellt. Das dritte magnetoresistive Sensorelement 120-3 ist seinerseits mit der Versorgungsleitung 380 gekoppelt, die diesem eine negative Versorgungsspannung Vbridge- zur Verfügung stellt, bei dem es sich beispielsweise um ein Referenzpotential, also beispielsweise Masse (GND) handeln kann.
Das erste und zweite magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-2 ist mit einem Multiplexer 480 eingangsseitig gekoppelt. Ausgangsseitig ist der Multiplexer 480 mit einem Knotenpunkt 360 und dem dritten magnetoresistiven Sensorelement seinerseits wiederum gekoppelt. Mit Hilfe des Multiplexers 480 können so das erste magnetoresistive Sensorelement 120-1 zusammen mit dem dritten magnetoresistiven Sensorelement 120-3 über den Knotenpunkt 360 als Mittelabgriff zu einer Halbbrückenschaltung umverschaltet werden. Analog kann mit dem Multiplexer 480 auch das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-2 mit dem dritten magnetoresistiven Sensorelement 120-3 entsprechend zu einer zweiten Halbbrückenschaltung verschaltet werden, die in 9 auch mit der Ziffer 1 gekennzeichnet ist. Entsprechend ist die zuvor erläuterte Halbbrückenschaltung mit der Ziffer 2 in 9 gekennzeichnet.
Der Multiplexer 480 kann hierbei, wie dies in 9 gezeigt ist, einerseits als der eigentlichen Sensoranordnung 110-2 ausgeführt sein oder aber Teil der Auswerteschaltung 250' sein. In diesem Fall wären die einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente 120 nicht über den Knotenpunkt 360 mit der Auswerteschaltung 350' gekoppelt, sondern vielmehr mit ihren jeweiligen nicht an die Versorgungsleitung 370 oder 380 gekoppelten Anschlüssen. Hinsichtlich der Funktionalität, der Funktionsweise und weiterer Parameter haben diese implementierungsspezifischen Details jedoch keine weiteren Einflüsse auf das in 9 gezeigte Ausführungsbeispiel.
Wie bereits im Zusammenhang mit den in 4 gezeigten Ausführungsbeispielen eines Sensors 100-1 erläutert wurde, illustriert auch bei der in 9 gezeigten Darstellung der Pfeil 390 die Haupterfassungsrichtung, bei der es sich beispielsweise um die x-Achse eines Koordinatensystems des Sensors 100-2 bzw. der Sensoranordnung 110-2 handeln kann. Ebenso, wie in 4, lässt die Anordnung der einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente 120 im Hinblick auf eine senkrecht zu der Haupterfassungsrichtung 390 gezeigten Richtung in 9 keinen Rückschluss auf ihre geometrische Anordnung auf dem Substrat bzw. dem Chip des betreffenden Sensors 100-2 zu. Diese Anordnung ist im Wesentlichen im Hinblick auf eine übersichtliche und einfache Darstellung der betreffenden Ausführungsbeispiele abgezielt.
Das erste magnetoresistive Sensorelement 120-1 und das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-2 sind hierbei wiederum in einem ersten Abstand 400 angeordnet, der bezogen auf das periodische Magnetfeld und die Haupterfassungsrichtung 390 einem Phasenunterschied von wenigstens 1° und weniger als 90° entspricht. Je nach konkreter Implementierung können hierbei die zuvor im Zusammenhang mit den 4 bis 8 erläuterten alternativen Phasenunterschiede implementiert werden. Ebenso wird in diesem Zusammenhang auf den Zusammenhang mit der alternativen Definition bezüglich weiterer Abstände gemachten Aussage im Zusammenhang mit dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel verwiesen.
Das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement 120-2, 120-3 sind darüber hinaus in einem weiteren Abstand, dem zweiten Abstand 560 angeordnet, der einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 110° entspricht. Je nach konkreter Implementierung eines entsprechenden Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-2 kann der zweite Abstand 560 auch einen kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25°, 40°, 80°, 110°, 120°, 150° oder wenigstens 170° entsprechen.
Im Hinblick auf eine Definition des ersten Abstand 400 bezogen auf den zweiten Abstand 560 kann so beispielsweise ein Verhältnis des ersten Abstands 400 zu dem zweiten Abstand 560 derart definiert werden, dass dieses weniger als 50%, weniger als 40%, weniger als 25%, weniger als 15% oder weniger als 10% beträgt, jedoch nicht weniger als 1%, 2% oder 5% beträgt.
Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-2 erfolgt somit durch den Multiplexer 180 nicht ein Hin- und Herschalten zwischen verschiedenen, getrennten Halbbrückenschaltungen, wie dies im Rahmen der in den 4, 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispielen von entsprechenden Sensoren 100-1 der Fall war, sondern im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-2 bzw. der zugehörigen Sensoranordnung 110-2, wenn einzelne magnetoresistive Sensorelemente zu neuen Sensorbrücken bzw. Halbbrücken verschaltet.
Darüber hinaus unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele eines Sensors 100-2 von denen eines Sensors 100-1 hinsichtlich der Auswerteschaltung 350 bzw. 350' kaum. Einzig im Hinblick auf die genaue Anordnung des Multiplexers 480 und der daraus folgenden genauen Position des Knotenpunkts 360 unterscheiden die Auswerteschaltungen 350 bzw. 350', wie dies nicht zuletzt im Zusammenhang mit dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-2 noch erläutert wird.
Somit wird auch bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-2 durch die Verschaltungen des ersten magnetoresistiven Sensorelements 120-1 mit dem dritten magnetoresistiven Sensorelement 120-3 bzw. der Verschaltung des zweiten mit dem dritten magnetoresistiven Sensorelement 120-2, 120-3 ein virtuelles magnetoresistives Sensorelement zwischen den Positionen des ersten und des zweiten magnetoresistiven Sensorelements 120-1, 120-2 geschaffen, welches virtuell über den Knotenpunkt 360 mit dem dritten magnetoresistiven Sensorelement 120-3 zu einer Halbbrückenschaltung verschaltet ist. Somit entspricht ein Abstand dieses virtuellen magnetoresistiven Sensorelements zu dem dritten magneto resistiven Sensorelement 120-3 etwa einer in 9 eingezeichneten Distanz 570, die in manchen Ausführungsbeispielen einer Phasendifferenz von etwa 180° entsprechen.
Hierbei entsprechen Phasenunterschiede φ, bezogen auf eine Periode λ des Geberobjekts 150, die auch als Periode bezeichnet wird, einer Distanz D, die gemäß der folgenden Gleichung ineinander überführt werden können: φ/360° = D/λ (3)
Beträgt also beispielsweise die Periode 2,5 mm, so entspricht selbstverständlich eine Distanz D = 2,5 mm einem Phasenunterschied von 360°. Analog entsprechen ein Phasenunterschied von 90° einer Distanz von etwa 0,625 mm und ein Phasenunterschied von 180° einer Länge bzw. Distanz von 1,25 mm.
9 zeigt somit ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 100-2 zum Erfassen eines von einem Geberobjekt 150 erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds mit einem ersten, zweiten und dritten magnetoresistiven Sensorelement 120-1, 120-2, 120-3, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement benachbart zu einem ersten Abstand 400 angeordnet sind, wobei dass zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement 120 in einem zweiten Abstand 560 angeordnet sind, und wobei der erste Abstand weniger als 50% des zweiten Abstands 560, nicht jedoch weniger als 1% des zweiten Abstands 560 beträgt.
10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-2 mit einem Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110-2. Das in 10 gezeigte Ausführungsbeispiel 100-2 unterscheidet sich, abgesehen von der detaillierteren Beschreibung einer möglichen Implementierung einer Auswerteschaltung 350' im Wesentlichen wiederum darin, dass im Unterschied zu dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel das in 10 gezeigte Ausführungsbeispiel wiederum auf einer Vollbrückenschaltung basiert. So umfasst die Sensoranordnung 110-2 neben den zuvor erwähnten drei magnetoresistiven Sensorelementen 120-1, 120-2 und 120-3 in ihrer zuvor erläuterten Anordnung ebenso ein viertes magnetoresistives Sensorelement 120'-1, ein fünftes magnetoresistives Sensorelement 120'-2 und ein sechstes magnetoresistives Sensorelement 120'-3, die über einen weiteren Multiplexer 480' und einen weiteren Knotenpunkt 260' in einer im Wesentlichen zu der Schaltung der ersten drei magnetoresistiven Sensorelemente 120 spiegelbildlichen Schaltung verschaltet sind. Hierbei sind das vierte und das fünfte magnetoresistive Sensorelement 120'-1, 120'-2 ebenso in dem ersten Abstand bzw. der ersten Distanz 400 angeordnet, wobei das fünfte und das sechste magnetoresistive Sensorelement 120'-2, 120'-3 ebenso in dem weitern oder in dem zweiten Abstand 560 angeordnet sind.
Hierdurch ist es im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-2 möglich, zwischen (wenigstens) zwei Vollbrückenkonfigurationen hin- und her zu schalten, indem jeweils das erste und das vierte magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120'-1 als Sensorbrückenkonfiguration 2 oder das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-2 und das fünfte magnetoresistive Sensorelement 120'-2 als erste Sensorbrückenkonfiguration entsprechend verschaltet sind.
Hinsichtlich der Auswerteschaltung 350' unterscheidet sich diese von der beispielsweise in 8 gezeigten Auswerteschaltung 350 im Wesentlichen dadurch, dass der Multiplexer 480 aus 8 in Form zweier Multiplexer 480, 480' im Rahmen der Sensoranordnung 110-2 implementiert sein können. Als Folge sind die Knotenpunkte 360, 360' direkt mit dem Analog-Digital-Wandler 490 gekoppelt. Darüber hinaus unterscheiden sich jedoch die Auswerteschaltungen 350, 350' aus den 8 und 10 grundsätzlich nicht.
Wie bereits im Zusammenhang mit 9 erläutert wurde, kann in einer alternativen Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-2 die Implementierung der Multiplexer 480, 480' auch in Form beispielsweise eines einzigen oder mehrerer Multiplexer im Rahmen der Auswerteschaltung 250' vorgenommen werden. In diesem Fall kann es ratsam sein, alle sechs magnetoresistiven Sensorelemente 120 direkt mit der Auswerteschaltung 350' zu koppeln, wobei jeweils ein Anschluss der magnetoresistiven Sensorelemente 120 mit einer der Versorgungsleitungen 370, 380 gekoppelt ist.
Darüber hinaus unterscheidet sich das in 10 gezeigte Ausführungsbeispiel jedoch beispielsweise auch im Hinblick auf die geometrische Anordnung der einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente nicht von dem in 9 gezeigten. Aus diesem Grund wird an dieser Stelle auch die entsprechende Beschreibung im Hinblick auf die geometrische Anordnung der einzelnen Sensorelemente zuvor verwiesen. Auch im Hinblick auf die unterschiedlichen Definitionen der einzelnen Abstände zueinander wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit 4 und 9 verwiesen.
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3, bei dem eine Ausführungsform zur differentiellen Messung und Gewinnung von zuvor beschriebenen zwei 90°-phasenverschobenen Signalen.
Das Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3 umfasst so ein erstes magnetoresistives Sensorelement 120-1, ein zweites magnetoresistives Sensorelement 120-2, die über einen Knotenpunkt 360-1 in Serie zwischen einer Versorgungsleitung 370 für eine positive Versorgungsspannung und eine Versorgungsleitung 380 für eine negative Versorgungsspannung, beispielsweise ein Referenzpotential (Masse(GND)) geschaltet sind. Das erste magnetoresistive Sensorelement und das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-2 bilden so eine Halbbrückenschaltung mit einem Mittelabgriff 360-1. Analog umfasst das Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3 bzw. das der Sensoranordnung 110-3 ein drittes magnetoresistives Sensorelement 120-3 und ein viertes magnetoresistive Sensorelement 120-4, die über einen weiteren Knotenpunkt 360-2 miteinander in Serie geschaltet sind. Ebenso, wie das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-2 bilden auch diese beiden magnetoresistiven Sensorelemente eine Halbbrückenschaltung, die zwischen die Versorgungsleitungen 370 und 380 geschaltet ist.
Wie auch zuvor im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen in den 4 und 9 beschrieben wurde, sind hierbei die einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente 120, bezogen auf die Haupterfassungsrichtung 390 des Sensors 100-3, also beispielsweise bezogen auf eine x-Koordinate, entsprechend räumlich verteilt. Senkrecht hierzu ist die entsprechende Darstellung wiederum zur vereinfachten Darstellung der betreffenden Schaltung dargestellt. Hierbei wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter einer Haupterfassungsrichtung 390 eine solche verstanden, die beispielsweise eine Richtung der Drehbewegung eines Geberobjekts 150 oberhalb oder unterhalb des Sensors beschreibt.
Das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-2 sind hierbei in einem ersten Abstand 580 angeordnet, das einen kleinsten absoluten Phasenunterschied, bezogen auf das periodische Magnetfeld, dem ein entsprechender Sensor beispielsweise durch das Geberobjekt 150 ausgesetzt sein kann, von wenigstens 20° entspricht. Das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement 120-2, 120-3 sind dem hingegen in einem zweiten Abstand 590 angeordnet, der einem kleinsten absoluten Phasenunterschied, bezogen auf das periodische Magnetfeld von höchstens 40° entspricht. Das dritte magnetoresistive Sensorelement und das vierte magnetoresistive Sensorelement 120-3, 120-4 sind darüber hinaus in einem dritten Abstand 600 angeordnet, der ebenso wie der erste Abstand 580 einem kleinsten absoluten Phasenunterschied, bezo gen auf das periodische Magnetfeld, von wenigstens 20° entspricht.
In weiteren Ausführungsbeispielen eines entsprechenden Sensors 100-3 kann der erste Abstand 580 und der dritte Abstand 600 einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 30°, 40°, 60° oder wenigstens 80° entsprechen. Entsprechend kann in anderen Ausführungsbeispielen der zweite Abstand 590 einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von weniger als 30°, 20°, 10°, 5°, 2° oder weniger als 1° entsprechen. Unter optimalen Bedingungen entspricht der erste Abstand 580 und der dritte Abstand 600 jeweils einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld und die Haupterfassungsrichtung 390 von etwa 90° (+/–1° oder +/–2°). Darüber hinaus entspricht in diesem Fall der zweite Abstand 590 einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von weniger als 1°, 2° oder 5°.
Auch im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-3 gelten die zuvor gemachten Aussagen hinsichtlich der Beziehungen der einzelnen Abstände zueinander, wie sie im Zusammenhang mit 4 näher erläutert wurden. So kann auch in diesem Fall beispielsweise der zweite Abstand 590 in Abhängigkeit des ersten Abstands 580 oder auch in Abhängigkeit des dritten Abstands 600 definiert werden. Ebenso kann der dritte Abstand 600 in Abhängigkeit des ersten Abstands 580 definiert werden. Abhängig von den Gegebenheiten kann so beispielsweise der dritte Abstand 600 bezogen auf den ersten Abstand 580 in einem Bereich zwischen 50% des ersten Abstands und 200% des ersten Abstands 580 liegen. Entsprechend kann beispielsweise der dritte Abstand 600 in Bezug auf den ersten Abstand 580 auch in einem Bereich zwischen 80% und 120% des ersten Abstands 580 bzw. in einem Bereich zwischen 90% und 110% des ersten Abstands 580 liegen. Im Hinblick auf den zweiten Abstand 590 kann dieser bezogen auf den ersten Abstand 580 in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen bei weniger als 50%, 30%, 20%, 10% oder 5% liegen.
Ferner sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel die einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente parallel auf einer Linie, beispielsweise einer Geraden angeordnet. Darüber hinaus können in verschiedenen Ausführungsbeispielen eines entsprechenden Sensors 100-3 die magnetoresistiven Sensorelemente 120 eine gemeinsame Vorzugsrichtung bezüglich der Erfassung von Magnetfeldern aufweisen. Je nach konkreter technologischer Ausgestaltung der magnetoresistiven Sensorelemente 120 können diese so beispielsweise eine Konditionierung bezüglich einer gemeinsamen Richtung aufweisen.
Darüber hinaus weist das Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3 eine Auswerteschaltung 350'' auf, die mit den beiden Knotenpunkten bzw. Mittelabgriffen 360-1, 360-2 der zu zwei Halbbrücken verschalteten magnetoresistiven Sensorelemente 120 gekoppelt ist. Je nach konkreter Implementierung können hier die betreffenden Messsignale der beiden Knotenpunkte 360-1, 360-2 einer oder mehreren optionalen Vorverarbeitungsschaltungen 610, die beispielsweise eine Vorverstärkung, eine Filterung und/oder eine Analog/Digital-Wandlung durchführen können.
Der gegebenenfalls implementierten Vorverarbeitungsschaltung 160 folgend sind dann in der Auswertungsschaltung 350'' jeweils ein Additionsmodul 620 und ein Subtraktionsmodul 630 nachgeschaltet, wobei sowohl dem Additionsmodul 620 als auch dem Subtraktionsmodul 630 jeweils die ggf. vorverarbeitenden Signale der beiden Knotenpunkte 360-1, 360-2 zur Verfügung gestellt werden. Das Additionsmodul 620 ist hierbei in der Lage und ausgebildet, basierend auf den ihm zur Verfügung gestellten gegebenenfalls vorverarbeitenden Messsignale ein Summensignal zu bilden, das eine Information bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Frequenz des betreffenden Sig nals, eine Flankensteilheit oder eine andere entsprechende Information handeln. Das Subtraktionsmodul 630 ist im Unterschied hierzu in der Lage und ausgebildet, auf Basis der hierzu zur Verfügung gestellten optional vorverarbeiteten Messsignale eine Differenz dieser zu erzeugen, die ihrerseits eine Information bezüglich einer Richtung des Geberobjekts 150 aufweist, das für die Modulation, genauer gesagt, die periodische Modulation des Magnetfeldes verantwortlich ist, dem das Ausführungsbeispiel des Sensors 100-3 ausgesetzt ist.
Sowohl das Additionsmodul 620 als auch das Subtraktionsmodul 630 weisen jeweils einen Ausgang auf, der ggf. mit einem Ausgang der Auswerteschaltung 350'' übereinstimmen kann und an dem ggf. die betreffenden Informationen in Form weiterer Signale im Rahmen einer in 11 nicht gezeigten Nachverarbeitung extrahiert werden können.
In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, dass entsprechend den zuvor im Rahmen der vorliegenden Anmeldung erläuterten Ausführungsbeispielen nicht nur Halbbrückenschaltungen eingesetzt werden können, sondern es kann durch eine Verdopplung der betreffenden magnetoresistiven Sensorelemente entsprechend auch eine Vollbrückenschaltung bzw. mehrere Vollbrückenschaltungen im Rahmen eines Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 110-3 implementiert werden.
11 zeigt somit ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3 zum Erfassen eines von einem Geberobjekt 150 erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfeldes mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistive Sensorelement 120-1, ..., 120-4, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement 120-1, 120-2 in einem ersten Abstand 580 angeordnet sind, wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement 120-2, 120-3 in einem zweiten Abstand 590 angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement 120-3, 120-4 in einem dritten Abstand angeordnet sind, und der fer ner eine Auswerteschaltung 350 aufweist, die konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des zweiten magnetoresistiven Sensorelements 120-1, 120-2 und um basierend auf einem zweiten Differenzsignal des dritten und des vierten Sensorelements 120-3, 120-4 ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei das Summensignal eine Information bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts 150 aufweist und wobei das Differenzsignal eine Information bezüglich einer Richtung des Geberobjekts 150 aufweist.
Bevor im Rahmen der 12 und 13 verschiedene Messsignalverläufe und Auswertesignalverläufe, beispielsweise des zuvor erläuterte Differenzsignal und das zuvor erläuterte Summensignal, hinsichtlich ihrer funktionalen Abhängigkeiten näher beschrieben werden, sollte erwähnt werden, dass im Folgenden die Messsignale bzw. Widerstandswerte der vier magnetoresistiven Sensorelemente 120 aus 11 mit den Bezeichnungen B1, B2 und B3 bezeichnet werden. Hierbei wird für die Messsignale bzw. Widerstandswerte der beiden magnetoresistiven Sensorelemente 120-2 und 120-3 die gemeinsame Bezeichnung B2 verwendet, da diese, wie zuvor erläutert wurde, in dem zweiten Abstand 590 angeordnet sind, der bezogen auf die Haupterfassungsrichtung 390 und dem durch das Geberobjekt erzeugte oder beeinflusste periodische Magnetfeld einen Phasenunterschied von höchstens 10° entspricht. Aus diesem Grund können in guter Näherung die Messsignale des zweiten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements 120-2, 120-3 durch ein entsprechendes Messsignal bzw. seinen Bezeichner B2 beschrieben werden.
Wie im Folgenden erläutert wird, ermöglicht es ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3 eine Methode zu implementieren, die eine Drillrichtungserkennung ermöglicht, deren Störabstand gegenüber externen Störfeldern signifikant verbessert wird. So zeigt 12 zwei Verläufe von Signalen in willkürlichen Einheiten als Funktion der Zeit t, die wie zu vor erläutert wurde, über eine Drehgeschwindigkeit oder eine andere Geschwindigkeit v des Geberobjekts 150 einer entsprechenden Koordinate, beispielsweise einer x-Koordinate entspricht. Genauer gesagt, ist in 12 einerseits ein Verlauf 640 des zweiten magnetoresistiven Sensors 120-2 bzw. des dritten magnetoresistiven Sensors 120-3, also das Signal B2 wiedergebeben, bei dem der Einfachheit halber angenommen ist, dass es sich um sinusförmiges bzw. cosinus-förmiges Signal handelt. Darüber hinaus ist in 12 ebenfalls als Verlauf 650 ein Verlauf eines Differenzsignals der Einzelsignale B3 (von Element 120-1) und des Einzelsignals B1 (des Elements 120-4). Dieses weist aufgrund der zuvor beschriebenen Bedingungen einen Phasenunterschied zu dem Verlauf 640 auf, der beispielsweise bei 90° liegen kann.
Mit anderen Worten, sind in 12 die Signale für den optimalen Fall dargestellt, dass der Abstand der beiden äußeren Sensoren einer halben Zahnperiode entspricht. Die Zahnperiode oder der Pitch ist hierbei die Summe aus Zahnbreite und Lückenbreite und es ist hierbei ferner angenommen, dass die Zahnbreite und die Lückenbreite identisch groß sind. In diesem Fall ist das auch als Geschwindigkeitssignal (Speed-Signal) heranziehbare Signal B3 – B1 maximal groß, nämlich doppelt so groß wie das Richtungssignal (Direction Signal), das beispielsweise dem Messsignal B2 entsprechen kann. Umgekehrt ist das Richtungssignal typischerweise nur halb so groß wie das Geschwindigkeitssignal.
Wenn der Luftspalt, also die Entfernung des Sensors 110 zu dem Zahnrad oder dem Geberobjekt 150 groß wird, so werden die Felder exponentiell kleiner, so dass schlussendlich ggf. das Richtungssignal nunmehr so klein ist, dass externe Störungen einen signifikanten Einfluss auf die Erfassung haben können. Gegebenenfalls kann so das Signal B2 nunmehr auf einer Flussdichte von ca. 1 mT beruhen. In einem solchen Fall kann bereits eine kleine Störungen von außen im Moment eines Nulldurchgangs des Geschwindigkeitssignals bewirken, dass das betreffende Richtungssignal beispielsweise ein falsches Vorzeichen annimmt, was ggf. zu einer fehlerhaften Richtungserkennung führen kann. Ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3, wie es in 11 gezeigt ist, kann vielmehr eine robuste Erkennung und Detektion eines Richtungssignals durch Verwendung einer Gradiometerschaltung ermöglichen, so dass eine Messerkennung in diesem Fall ggf. durch den Einsatz eines Ausführungsbeispiels verbessert werden kann.
Im Rahmen des entsprechenden Ausführungsbeispiels eines Sensors 100-3 kann im Grunde genommen mit nur 4 magnetoresistiven Sensorelementen, wie dies 11 auch zeigt, eine sehr robuste Richtungserkennung implementiert werden, so dass kein zusätzlicher Sensor bzw. kein zusätzliches Sensorelement benötigt wird. Selbstverständlich können mehrere zusätzliche Sensorelemente eingesetzt werden, um beispielsweise eine entsprechende Detektion im Rahmen einer Vollbrückenschaltung auszuführen.
Es werden vielmehr die vier, in 11 gezeigten magnetoresistiven Sensorelemente 120 in mehreren Gradiometeranordnungen betrieben, also in Form von Schaltungen, bei denen ein Differenzsignal auf Basis räumlich getrennter Einzelsignale ermittelt wird. Im Falle des in 11 gezeigten Ausführungsbeispiels wird dies beispielsweise durch die Verwendung zweier Halbbrückenschaltungen realisiert, bei denen die beiden magnetoresistiven Sensorelemente 120, die an einer Halbbrückenschaltung beteiligt sind, in einem entsprechenden Abstand, also dem ersten oder dritten Abstand 580, 600 angeordnet sind.
Werden die vier magnetoresistiven Sensoren 120 von links beginnend mit 1, 2 und 3 nummeriert, wobei der zweite magnetoresistive Sensor und der dritte magnetoresistive Sensor, wie zuvor erläutert wurde, als ein Signalgeber für das Signal B2 gewertet werden, so ist ein Geschwindigkeitssignal beispielsweise gewinnbar auf Basis der Signale B3 – B1. Als Richtungs signal kann darüber hinaus eine Differenz Dir1 = B1 – B2 und Dir2 = B2 – B3 definiert werden.
Aufgrund der durch die Brückenschaltung implizit vorgenommenen Subtraktion sind die beiden Signale Dir1 und Dir2 nunmehr als differentielle Signale gegenüber homogenen Störungen unempfindlich geworden. Werden also die beiden Signale Dir1 und Dir2, die an den Knotenpunkten 360 direkt abgreifbar sind, durch die Brückenschaltungen der Einzelsensoren 120 gewonnen und ggf. erst anschließend im Rahmen der Vorverarbeitungsschaltungen 610 verstärkt.
Hierdurch kommt es dazu, dass ein großes Gleichfeld, beispielsweise ein homogenes Magnetfeld, das auf den gesamten Sensor 100-3 einwirkt, nicht mehr zu einer Übersteuerung der ggf. in einer Vorverarbeitungsschaltung 610 implementierten Vorverstärker führt. Darüber hinaus können kleine hochfrequente überlagerte Gleichfelder, sogenannte Spikes, die häufig anzutreffen sind, beispielsweise beim Starten eines Motors, durch die implizite Subtraktion im Rahmen der Brückenschaltungen vor dem Erreichen der Vorverarbeitungsschaltung 610 eliminiert werden.
Anders ausgedrückt, laufen diese nicht mehr durch einen vorhandenen Vorverstärker, so dass dieser weniger breitbandig ausgeführt sein muss, da die betreffenden Signale in einem solchen Fall nicht mehr vollständig übertragen werden müssen. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Vorteile im Hinblick auf eine Implementierung eines solchen Verstärkers, da die Signale nunmehr in einem geringeren Frequenzband verzerrungsfrei übertragen werden sollten. So kann ein Einfluss unterschiedlicher Nullpunktswerte (Offset) oder unterschiedlicher Linearitäten der Vorverstärkerschaltungen im Rahmen der Vorverarbeitungsschaltung 610 implementiert werden, da entsprechende Signale nicht mehr bzw. in guter Näherung die Vorverarbeitungsschaltung 610 nicht mehr erreichen.
Die Vorverstärker bzw. Verstärker können also mit einer geringeren Bandbreite implementiert werden, was einerseits eine Verringerung der Chipfläche und andererseits eine Reduktion des Strom- und Energieverbrauchs realisieren kann. Darüber hinaus kann es in Abhängigkeit von der konkreten Implementierung eines Ausführungsbeispiels dazu kommen, dass aufgrund des schmalbandigeren Vorverstärkers einem Nutzsignal ggf. weniger Rauschen überlagert wird. Darüber hinaus können auch nicht-homogene Störfelder ein Messergebnis bzw. die Messsignale weniger stark beeinflussen, da die entsprechenden Vorverarbeitungsschaltungen in diesem Fall mit einer geringeren Bandbreite ausgelegt werden können bzw. gar nicht erst anfallen.
Im Falle einer digitalen Signalverarbeitung, wenn also beispielsweise ein Analog/Digital-Wandler im Rahmen einer Vorverarbeitungsschaltung 610 implementiert ist, kann es darüber hinaus zu einer Verringerung von Aliasingfehlern kommen, die eine Folge hochfrequenter Störungen im Zusammenspiel mit einer vorgegebenen Abtastrate im Rahmen der Analog/Digital-Wandlung auftreten können. Anders ausgedrückt, können Ausführungsbeispiele eines Sensors 100-3 den zusätzlichen Vorteil aufweisen, dass im Falle einer digitalen Verrechnung der Signale hochfrequente homogene Anteile besser herausgerechnet werden können.
Ausführungsbeispiele eines Sensors 100-3 weisen darüber hinaus zusätzlich den Vorteil auf, dass durch die Trennung der mittleren Sensoren, also durch Einführen des zweiten magnetoresistiven Sensors 120-2 und eines hiervon getrennten dritten magnetoresistiven Sensorelements 120-3 eine Aufspaltung des Messaufbaus in zwei galvanisch getrennte Halbbrückenschaltungen möglich ist, so dass eine gegenseitige Störung der beiden Halbbrücken bzw. der mit ihr verbundenen Infrastruktur reduziert werden kann.
Mit anderen Worten kann sich, je nach konkreter Implementierung eines Ausführungsbeispiels verschiedenste Vorteile ergeben, indem die Verrechung bzw. Differenzbildung der betreffenden Messsignale auf die Brückenschaltung verschoben werden, so dass eine entsprechende Summation nicht mehr explizit implementiert werden muss. Die einzelnen Signale der einzelnen magnetoresistiven Sensorelemente 120 müssen daher je nach entsprechender Implementierung eines Sensors 100-3 nicht im Rahmen der Auswerteschaltung 350'', durchgeführt werden.
Somit ergeben sich bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3 die folgenden, in 13 dargestellten Signalverläufe in willkürlichen Einheiten (w. E.), wobei wiederum die dort gezeigten Verläufe auf dem Fall basieren, dass der Abstand der beiden äußeren Sensoren 120-1, 120-4 der halben Periodenlänge des Zahnrads (Pitch) entspricht.
13 illustriert so eine Richtungserkennung mir rein differentiellen Signalen. Genauer gesagt, zeigt 13 vier Verläufe 660, 670, 680 und 690, wobei der Verlauf 660 dem Signal Dir1 = B1 – B2 entspricht. Entsprechend bezieht sich der Verlauf 670 auf das Dir2-Signal, also auf das Signal B2 – B3. Ein Geschwindigkeitssignal (Speed-Signal) ist darüber hinaus in 13 als Verlauf 680 eingezeichnet, das sich als Summe der beiden Signale Dir1 und Dir2, also als Summensignal an einem Ausgang des Additionsmoduls 620 ergibt. Schließlich ist in 13 der Verlauf 690 eingezeichnet, der einem Richtungssignal Dir = Dir2 – Dir1 = 2B2 – B1 – B3 entspricht.
13 zeigt somit einen weiteren Vorteil, der sich im Falle verschiedener Ausführungsbeispiele eines Sensors 100-3 ergeben kann. So sind nunmehr die Amplituden der Signale Dir1 und Dir2, die an den Knotenpunkten 360 abgreifbar sind, mit einer um etwa 41% größeren Amplitude als ein vergleichbares Signal B2 zu detektieren. Hierbei ergibt sich eine Zuordnung der Signale zur Drehrichtung gemäß der folgenden Tabelle: Tabelle 2:

Nulldurchgang Speed-Signal Linkslauf Rechtslauf

steigend Dir1-Signal > 0 Dir1-Signal < 0

Fallend Dir1-Signal < 0 Dir1-Signal > 0
Alternativ kann dies ebenfalls ausgedrückt werden im Hinblick auf das Dir2-Signal. Es ergibt sich somit die folgende Tabelle: Tabelle 3:

Nulldurchgang Speed-Signal Linkslauf Rechtslauf

steigend Dir2-Signal < 0 Dir2-Signal > 0

Fallend Dir2-Signal > 0 Dir2-Signal < 0
Zusammengenommen ergibt sich somit die folgende Beziehung im Fall des Nulldurchgangs des Geschwindigkeits-Signals bzw.
Speed-Signals gemäß der folgenden Tabelle: Tabelle 4:

Nulldurchgang Linkslauf Rechtslauf

Speed-Signal

steigend Dir1-Signal > Dir2- Dir1-Signal < Dir2-

Signal Signal

Fallend Dir1-Signal < Dir2- Dir1-Signal > Dir2-

Signal Signal
Auch wenn im Prinzip grundsätzlich die Möglichkeit besteht, auf Basis des Dir1-Signals oder des Dir2-Signals bereits eine Richtungserkennung durchzuführen, bietet eine Verwendung des zuvor erläuterten Richtungssignals Dir auf Basis beider Signale, also dem ersten Differenzsignal Dir1 und dem zweiten Differenzsignal Dir2, ggf. den Vorteil einer deutlich erhöhten Störsicherheit. Dies liegt daran, dass, wenn es zu starken Störungen kommt, die z. B. die magnetoresistiven Sensorelemente 120 (xMR-Elemente) nahe ihrer Sättigung treiben oder die verstärkende Elektronik der Vorverarbeitungsschaltung 610 an die Grenze ihres Aussteuerbereichs bringen, so mag sich zwar das erste Differenzsignal Dir1 oder das zweite Differenzsignal Dir2 etwas davon beeinflussen lassen, der Abstand beider Differenzsignale Dir1 und Dir2 ist jedoch in vielen Fällen nochmals robuster gegen solche gleichlaufenden Störungen. Beide Richtungssignale bzw. beide Differenzsignale sind dabei im Nulldurchgang des Geschwindigkeits-Signals doppelt so weit beabstandet, wie beispielsweise ein einzelnes Signal B2.
Durch ein erneutes voneinander Subtrahieren der beiden Differenzsignale Dir1 und Dir2 kann man somit ein Richtungssignal (Direction-Signal) Dir = Dir2 – Dir1 = 2B2 – B1 – B3 erhalten, wie dies als Verlauf 690 in 13 eingetragen ist. Dieses Signal bzw. dieser Verlauf hat nunmehr die gleiche Amplitude wie das Geschwindigkeitssignal (Speed-Signal) des Verlaufs 680 und es gelten die folgenden Beziehungen: Tabelle 5:

Nulldurchgang Speed-Signal Linkslauf Rechtslauf

steigend Dir-Signal < 0 Dir-Signal > 0

Fallend Dir-Signal > 0 Dir-Signal < 0
Diese Beziehungen entsprechen im Prinzip denen eines einzelnen zentral angeordneten Sensorelements, nur dass sich aufgrund der Verschaltung nunmehr eine doppelte Signalamplitude unter idealen Voraussetzungen ergeben kann. Selbstverständlich sollte angemerkt werden, dass entsprechende Relationen auch durch eine geänderte Verschaltung bzw. einen geänderten Einbau des Sensors bezüglich des Geberobjekts 150 realisiert werden können, so dass ggf. entsprechend geänderte Relationen für die einzelnen Signalverläufe gelten.
Hierbei liegt den in 13 gezeigten Verläufen 660 bis 690 die folgenden mathematischen Relationen zugrunde B1 = B0·cos(2π·(x – dx)/p) = B0·cos(2π·(v·t – dx)/p) (4) B2 = B0·cos(2π·/p) = B0·cos(2π·v·t/p) (5) B3 = B0·cos(2π(x + dx)/p) = B0·cos(2π(vt + dx)/p) (6)
Hierbei gibt B₀ eine Amplitude des Magnetfelds, x die Entfernung bezogen auf den Umfang des Zahnrads als Geberobjekt 150, dx den Abstand zwischen dem mittleren Sensor bzw. den mittleren Sensoren 120-2 und 120-3 und dem rechten bzw. dem linken Sensor 120-1, 120-4 an. Darüber hinaus ist p die Periode bzw. der Pitch des Zahnrads oder des Geberobjekts 150.
Somit gilt in diesem Fall für das Geschwindigkeitssignal bzw. das Speed-Signal: B3 – B1 = 2B0·sin(2π vt/p)·sin(2π dx/p) (7)
Für das Dir1-Signal gilt entsprechend Dir1 = B1 – B2 = 2·B0·sin(π·dx/p)·sin(2π·(v·t – dx/2)/p) (8) und für das Dir2-Signal dir2 = B2 – B3 = 2B0 sin(π·dx/p)·sin(2π·(vt + dx/2)/p). (9)
Somit folgt für das Gesamtsignal bzw. Differenzsignal Dir die folgende Gleichung: dir = dir1 – dir2 = 2B2 – B1 – B3 = 4B0·cos(2π vt/p)·sin2(π·dx/p) (10)
Also ist das Differenzsignal, Dir-Signal oder Richtungssignal um 90° gegen das Geschwindigkeitssignal unabhängig von der Zahnradperiode verschoben. Somit kann das Richtungssignal jeweils in einem Maximum oder Minimum abgetastet werden, wenn das Geschwindigkeitssignal (Speed-Signal) einen Nulldurchgang aufweist.
Wie zuvor erläutert wurde, ist das Geschwindigkeitssignal mit der Summe der beiden Differenzsignale Dir1 und Dir2 identisch, wie es an den Knotenpunkten 360 abgreifbar ist. Damit lässt sich eine sehr ökonomische Schaltung aufbauen, wie sie als Ausführungsbeispiels eines Chips 100-3 in 11 beispielhaft gezeigt ist. Es werden lediglich die beiden an den Knotenpunkten 360-1, 360-2 abgreifbaren Dir1, Dir2 verstärkt und ggf. weiter vorverarbeitet, wie dies im Rahmen einer möglichen Implementierung der Vorverarbeitungsschaltungen 610 erläutert wurde. Daraus lässt sich dann durch eine Addition im Rahmen des Additionsmoduls 620 das Geschwindigkeitssignal (Speed-Signal) und durch Subtraktion im Rahmen des Subtraktionsmoduls 630 das Richtungssignal (Dir-Signal) gewinnen. Je nach konkreter Implementierung können selbstverständlich auch weitere bzw. auf dem Geschwindigkeitssignal und/oder dem Richtungssignal basierende Signale gewonnen werden. Gegenüber einer einfachen Auswertung der Signale B3 – B1 und B2 entspricht dies einem nicht wesentlich vergrößerten Aufwand, da diese Signale ggf. auch einer entsprechende Vorprozessierung bzw. Vorverarbeitung unterworfen werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines Sensors 100-3, wie es in 11 gezeigt ist, weist somit den Vorteil auf, dass alle Signale aus differentiellen „Feldern" bzw. Differenzsignalen gewonnen werden und damit im Wesentlichen immun gegen homogene Hintergrundfelder oder Störfelder sind. Darüber hinaus kann in manchen Ausführungsbeispielen eines Sensors 100-3 das Richtungssignal nunmehr mit einer vergleichbar oder gleichgroßen Amplitude wie das Geschwindigkeits-Signal detektiert werden, so dass auch bei größeren Luftspalten zwischen dem Sensor und dem Geberobjekt eine Richtungsdetektion noch zuverlässig erfolgen kann. Insbesondere durch die Verwendung der beiden magnetoresistiven Sensorelemente 120-2, 120-3 kann somit durch Verwendung zweier Halbbrückenschaltungen aus den Sensorelementen 120-1, 120-2 sowie 120-3 und 120-4 die beiden Differenzsignale Dir1 und Dir2 mit ähnlichen Brücken gewonnen werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines Sensor 100-3, wie er in 11 gezeigt ist, erzielt somit ein Richtungssignal auf Basis zweier Differenzsignale durch Verschaltung einer Gradiometeranordnung der vier in 11 gezeigten magnetoresistiven Sensorelemente 120, wodurch eine wesentlich robustere Sensoranordnung gegen überlagerte Störmagnetfelder erzielt werden kann. Werden, wie beschrieben, beide Richtungssignale zur Richtungserkennung verwendet, so verdoppelt sich der Störabstand gegenüber einer einfachen Verwendung eines einzelnen Sensorelements. Je nach genauer Implementierung eines Ausführungsbeispiels eines Chips 100 kann somit eine robustere Richtungserkennung oder eine Richtungserkennung für inkrementelle Geschwindigkeitssensoren (Speed-Sensoren) ggf. unter Verwendung einer erhöhten Abtastrate erzielt werden.
Abhängig von den Gegebenheiten kann ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette, CD oder DVD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt wird. Allgemein besteht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung somit auch in eine, Software-Programm-Produkt bzw. eine, Computer-Programm-Produkt bzw. eine, Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Software-Programm-Produkt auf einem Rechner oder einem Prozessor abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung somit als ein Computer-Programm bzw. ein Software-Programm bzw. Programm mit einem Programmcode zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens realisiert werden, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft. Der Prozessor kann hierbei von einem Computer, einer Chipkarte (Smartcard), einen Sensor, einem anwendungs-spezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) oder einem anderen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit) gebildet sein.

100: Sensor
110: Sensoranordnung
120: Magnetoresistives Sensorelement
130: Backbiasmagnet
140: Schutzgehäuse
150: Geberobjekt
160: Magnetischer Bereich
170: Feldlinien
180: Position
190: Sensormodul
200: Motor
210: Indexlücke
220: Motorgehäuse
230: Kolben
240: Pleuelstange
250: Zylinderkopf
260: Einlasskanal
270: Auslasskanal
280: Ventil
290: Brennraum
300: Zündkerze
310: Einspritzdüse
320: Kühlmittelkanal
330: Kühlmitteltemperatursensor
350: Auswerteschaltung
360: Knotenpunkt
370: Versorgungsleitung
380: Versorgungsleitung
390: Haupterfassungsrichtung
400: Erster Abstand
410: Zweiter Abstand
420: Dritter Abstand
430: Verlauf
440: Gemittelter Verlauf
450: Referenzbrücke
460: Widerstandselement
470: Knotenpunkt
480: Multiplexer
490: Analog/Digital-Wandler
500: Additionsmodul
510: Subtraktionsmodul
520: Integrator
530: Prozessierungsschaltung
540: Minimum/Maximum-Detektionsschaltung
550: Prozessierungsschaltung
560: Zweiter Abstand
570: Distanz
580: Erster Abstand
590: Zweiter Abstand
600: Dritter Abstand
610: Vorverarbeitungsschaltung
620: Additionsmodul
630: Subtraktionsmodul
640: Verlauf
650: Verlauf
660: Verlauf
670: Verlauf
680: Verlauf
690: Verlauf

Claims

Sensoranordnung (110) zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds, mit folgenden Merkmalen: einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Sensorelement (120), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem ersten Abstand (400) angeordnet sind; wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem zweiten Abstand (410) angeordnet sind; wobei das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem dritten Abstand (420) angeordnet sind; wobei der erste Abstand (400) und der zweite Abstand (410) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 1° und weniger als 90° entsprechen; und wobei der dritte Abstand (440) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25° entspricht.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 1, bei der das erste, zweite, dritte und vierte magnetoresistive Sensorelement (120) parallel auf einer Linie bezüglich einer Haupterfassungsrichtung (390) der Sensoranordnung (110) angeordnet sind.
Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste, zweite, dritte und vierte magnetoresistive Sensorelement (120) eine gemeinsame Vorzugsrichtung zur Erfassung eines Magnetfeldes aufweisen.
Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste, zweite, dritte und vierte magnetoresistive Sensorelement (120) eine Konditionierung bezüglich einer gemeinsamen Richtung aufweisen.
Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Sensoranordnung ferner eine Auswerteschaltung (350) aufweist, die konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) und basierend auf einem zweiten Differenzsignal des zweiten und des vierten magnetoresistiven Sensorelements (120) ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei das Summensignal Informationen bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist, wobei das Differenzsignal Informationen bezüglich einer Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, bei der die Auswerteschaltung (350) ferner einen Integrator (520) aufweist, der konfiguriert ist, um das Differenzsignal aufzuintegrieren, und bei der die Auswerteschaltung (350) ferner so konfiguriert ist, dass das aufintegrierte Differenzsignal Informationen bezüglich der Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (190) aufweist.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 6, bei der die Auswerteschaltung ferner einen Minimum/Maximum-Detektor (540) aufweist, der mit dem Integrator (520) gekoppelt ist und konfiguriert ist, um bei einem Vorliegen eines Maximums oder eines Minimums des Summensignals den Integrator (520) zurückzusetzen.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Auswerteschaltung (350) ferner einen Analog/Digital-Wandler (490) aufweist und bei dem die Auswerteschaltung (350) ferner konfiguriert ist, um das erste Differenzsignal, das zweite Differenzsignal, das Summensignal und das Differenzsignal digital zu verarbeiten und/oder bereitzustellen.
Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in Serie zu einer Halbbrückenschaltung mit einem Mittelabgriff (360) zwischen dem ersten und dem dritten magnetoresistiven Sensorelement (120) gekoppelt sind und bei dem das zweite und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120) als Serienschaltung zu einer weiteren Halbbrückenschaltung mit einem Mittelabgriff (360) zwischen dem zweiten und dem vierten magnetoresistiven Sensorelement (120) gekoppelt sind.
Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Abstand (400) und der zweite Abstand (410) sich um weniger als 20% bezogen auf den ersten Abstand (400) unterscheiden.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, die ferner ein fünftes, sechstes, siebtes und achtes magnetoresistives Sensorelement (120) aufweist, wobei das fünfte und das sechste magnetoresistive Sensorelement (120) in dem ersten Abstand (400) angeordnet sind, wobei das siebte und das achte magnetoresistive Sensorelement (120) in dem zweiten Abstand (410) angeordnet sind, wobei das fünfte und das siebte magnetoresistive Sensorelement (120) in dem dritten Abstand (420) angeordnet sind, und wobei die Auswerteschaltung (350) ferner konfiguriert ist, um das Differenzsignal und das Summensignal basierend auf dem ersten Differenzsignal und dem zweiten Differenzsignal bereitzustellen, wobei das erste Dif ferenzsignal auf dem ersten, dritten, fünften und siebten Sensorelement (120) basiert, und wobei das zweite Differenzsignal auf dem zweiten, vierten, sechsten und achten magnetoresistiven Sensorelement (120) basiert.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 11, bei dem das erste und das fünfte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem vierten Abstand bezogen auf eine Haupterfassungsrichtung (390) des Sensoranordnung (110) angeordnet sind, wobei der vierte Abstand kleiner oder gleich dem ersten Abstand (400) ist.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, bei der das fünfte und das siebte magnetoresistive Sensorelement (120) als Serienschaltung zu einer Halbbrückenschaltung mit einem Mittelabgriff (360) gekoppelt sind, und wobei das sechste und das achte magnetoresistive Sensorelement (120) als Serienschaltung zu einer Halbbrückenschaltung mit einem Mittelabgriff (360) gekoppelt sind.
Sensoranordnung (110) zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds, mit folgenden Merkmalen: einem ersten, zweiten und dritten magnetoresistiven Sensorelement (120), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem ersten Abstand (400) angeordnet sind; wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem zweiten Abstand (560) angeordnet sind; wobei der erste Abstand (400) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 1° und weniger als 90° entsprechen; und wobei der zweit Abstand (560) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25° entspricht.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 14, bei der die Sensoranordnung ferner eine Auswerteschaltung (350) aufweist, die konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) und basierend auf einem zweiten Differenzsignal des zweiten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei das Summensignal Informationen bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist, wobei das Differenzsignal Informationen bezüglich einer Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 15, bei der die Auswerteschaltung (350) ferner einen Integrator (520) aufweist, der konfiguriert ist, um das Differenzsignal aufzuintegrieren, und bei der die Auswerteschaltung (350) ferner so konfiguriert ist, dass das aufintegrierte Differenzsignal Informationen bezüglich der Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 16, bei der die Auswerteschaltung ferner einen Minimum/Maximum-Detektor (540) aufweist, der mit dem Integrator (520) gekoppelt ist und konfiguriert ist, um bei einem Vorliegen eines Maximums oder eines Minimums des Summensignals den Integrator (520) zurückzusetzen.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der die Auswerteschaltung (350) ferner einen Analog/Digital-Wandler (490) aufweist und bei dem die Auswerte schaltung (350) ferner konfiguriert ist, um das erste Differenzsignal, das zweite Differenzsignal, das Summensignal und das Differenzsignal digital zu verarbeiten und/oder bereitzustellen.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, die ferner ein viertes, fünftes und sechstes magnetoresistives Sensorelement (120) aufweist, wobei das vierte und das fünfte magnetoresistive Sensorelement (120) in dem ersten Abstand (400) angeordnet sind, wobei das fünfte und das sechste magnetoresistive Sensorelement (120) in dem zweiten Abstand (560) angeordnet sind, und wobei die Auswerteschaltung (350) ferner konfiguriert ist, um das Differenzsignal und das Summensignal basierend auf dem ersten Differenzsignal und dem zweiten Differenzsignal bereitzustellen, wobei das erste Differenzsignal auf dem ersten, dritten, vierten und sechsten Sensorelement (120) basiert, und wobei das zweite Differenzsignal auf dem zweiten, dritten, fünften und sechsten magnetoresistiven Sensorelement (120) basiert.
Sensor (100) zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds, mit folgenden Merkmalen: einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Sensorelement (120); und einer Auswerteschaltung (350), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem ersten Abstand (400) angeordnet sind; wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem zweiten Abstand (410) angeordnet sind; wobei das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem dritten Abstand (420) angeordnet sind; wobei der erste Abstand (400) und der zweite Abstand (410) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 1° und weniger als 90° entsprechen; wobei der dritte Abstand (420) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25 entspricht; wobei die Auswerteschaltung (350) konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) und um basierend auf einem zweiten Differenzsignal des zweiten und des vierten magnetoresistiven Sensorelements (120) ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei die Auswerteschaltung (330) ferner einen Integrator (520) umfasst, der konfiguriert ist, um das Differenzsignal aufzuintegrieren; wobei das Summensignal Informationen bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist; und wobei das aufintegrierten Differenzsignal Informationen bezüglich einer Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensor (100) nach Anspruch 20, bei dem die Auswerteschaltung (350) ferner einen Minimum/Maximum-Detektor (540) aufweist, der mit dem Integrator (520) gekoppelt ist und konfiguriert ist, um bei einem Vorliegen eines Maximums oder ei nes Minimums des Summensignals ein Zurücksetzen des Integrators (520) zu bewirken.
Sensor nach einem der Ansprüche 20 oder 21, der ferner ein fünftes, sechstes, siebtes und achtes magnetoresistives Sensorelement (120) aufweist, wobei das fünfte und das sechste magnetoresistive Sensorelement (120) in dem ersten Abstand (400) angeordnet sind, wobei das siebte und das achte magnetoresistive Sensorelement (120) in dem zweiten Abstand (410) angeordnet sind, wobei das fünfte und das siebte magnetoresistive Sensorelement (120) in dem dritten Abstand (420) angeordnet sind, und wobei die Auswerteschaltung (350) ferner konfiguriert ist, um das Summensignal und das Differenzsignal basierend auf dem ersten Differenzsignal und dem zweiten Differenzsignal bereitzustellen, wobei das erste Differenzsignal auf dem ersten, dritten, fünften und siebten magnetoresistiven Sensorelement (120) basiert, und wobei das zweite Differenzsignal auf dem zweiten, vierten, sechsten und achten magnetoresistiven Sensorelement (120) basiert.
Sensor (100) nach Anspruch 22, bei dem das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120), das zweite und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120), das fünfte und das siebte magnetoresistive Sensorelement (120) und das sechste und das achte magnetoresistive Sensorelement (120) jeweils als Serienschaltungen zu einer Halbbrückenschaltung mit einem jeweiligen Mittelabgriff (360) zwischen den jeweiligen magnetoresistiven Sensorelementen (120) gekoppelt sind.
Verfahren zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Sensorelement (120), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem ersten Abstand (400) angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem zweiten Abstand (410) angeordnet sind, wobei das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement in einem dritten Abstand (420) angeordnet sind, wobei der erste Abstand (400) und der zweite Abstand (410) mit einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 1° und weniger als 90° entsprechen, und wobei der dritte Abstand (420) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25° entspricht, umfassend: Bereitstellen eines Summensignals basierend auf einer ersten Differenz von Signalen des ersten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) und einer zweiten Differenz von Signalen des zweiten und des vierten magnetoresistiven Sensorelements (120), das Informationen bezüglich der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist; und Bereitstellen eines Differenzsignals auf Basis der ersten Differenz und der zweiten Differenz, das Informationen bezüglich einer Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24, das ferner ein Aufintegrieren des Differenzsignals umfasst, so dass das aufintegrierte Differenzsignal die Information bezüglich der Richtung des Geberobjekts (150) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 25, das ferner eine Detektion eines Minimums oder eines Maximums des Summensignals umfasst und ein Zurücksetzen der Aufintegration des Differenzsignals, wenn ein Maximum oder ein Minimum des Summensignals vorliegt.
Verfahren zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds mit einem ersten, zweiten und dritten magnetoresistiven Sensorelement (120), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem ersten Abstand (400) angeordnet sind, wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem zweiten Abstand (560) angeordnet sind, wobei der erste Abstand (400) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 1° und weniger als 90° entsprechen, und wobei der zweite Abstand (560) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied von wenigstens 25° entspricht, umfassend: Bereitstellen eines Summensignals basierend auf einer ersten Differenz von Signalen des ersten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) und einer zweiten Differenz von Signalen des zweiten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120), das Informationen bezüglich der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist; und Bereitstellen eines Differenzsignals auf Basis der ersten Differenz und der zweiten Differenz, das Informationen bezüglich einer Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner ein Aufintegrieren des Differenzsignals umfasst, so dass das aufintegrierte Differenzsignal die Information bezüglich der Richtung des Geberobjekts (150) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner eine Detektion eines Minimums oder eines Maximums des Summensignals umfasst und ein Zurücksetzen der Aufintegration des Differenzsignals, wenn ein Maximum oder ein Minimum des Summensignals vorliegt.
Sensoranordnung (110) zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds, mit folgenden Merkmalen: einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Sensorelement (120), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) in einem ersten Abstand (580) angeordnet sind; wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem zweiten Abstand (590) angeordnet sind; wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem dritten Abstand (600) angeordnet sind; wobei der erste Abstand (580) und der dritte Abstand (600) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 20° entspricht; und wobei der zweite Abstand (590) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von höchstens 40° entspricht.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 30, bei der das erste, zweite, dritte und vierte magnetoresistive Sensorelement (120) parallel auf einer Linie bezüglich einer Haupterfassungsrichtung (390) der Sensoranordnung angeordnet sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 30 oder 31, bei der das erste, zweite, dritte und vierte magnetoresistive Sensorelement (120) eine gemeinsame Vorzugsrichtung bezüglich der Erfassung von Magnetfeldern aufweisen.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 30 bis 32, bei der das erste, zweite, dritte und vierte magnetoresistive Sensorelement (120) eine Konditionierung bezüglich einer gemeinsamen Richtung aufweisen.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 30 bis 33, bei dem die Sensoranordnung (110) ferner eine Auswerteschaltung (350) aufweist, die konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des zweiten magnetoresistiven Sensorelements (120) und um basierend auf einem zweiten Differenzsignal des dritten und des vierten Sensorelements (120) ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei das Summensignal eine Information bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist, und wobei das Differenzsignal eine Information bezüglich einer Richtung des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 34, bei der die Auswerteschaltung (350) eine Abtast- und Halteschaltung aufweist, die konfiguriert ist, um an einem Eingang das Summensignal zu empfangen und an einem Ausgang ein Richtungssignal basierend auf dem Summensignal bereitzustellen, wobei die Auswerteschaltung ferner konfiguriert ist, um der Abtast- und Halteschaltung ein Taktsignal bereitzustellen, wenn das Differenzsignal einen Nulldurchgang aufweist.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 30 bis 35, bei der der erste Abstand (580) und der dritte Abstand (600) sich um weniger als 20% bezogen auf den ersten Abstand (580) unterscheiden.
Verfahren zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfeldes mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Sensorelement (120), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) in einem ersten Abstand (580) angeordnet sind, wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem zweiten Abstand (590) angeordnet sind, wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem dritten Abstand (600) angeordnet sind, wobei der erste Ab stand (580) und der dritte Abstand (600) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von wenigstens 20° entspricht, und wobei der zweite Abstand (590) einem kleinsten absoluten Phasenunterschied bezogen auf das periodische Magnetfeld von höchstens 40° entspricht, umfassend: Bereitstellen eines Summensignals basierend auf einer ersten Differenz von Signalen des ersten und zweiten magnetoresistiven Sensorelements (120) und basierend auf einer zweiten Differenz von Signalen des dritten und des vierten magnetoresistiven Sensorelements (120), wobei das Summensignal eine Information bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist; und Bereitstellen eines Differenzsignals auf Basis der ersten Differenz und der zweiten Differenz, wobei das Differenzsignal eine Information bezüglich einer Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensoranordnung (110) zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds, mit folgenden Merkmalen: einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Sensorelement (120), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem ersten Abstand (400) angeordnet sind; wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem zweiten Abstand (410) angeordnet sind; wobei das erste und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem dritten Abstand (420) angeordnet sind; und wobei der erste Abstand (400) und der zweite Abstand (410) wenigstens 1% des dritten Abstands (420) und weniger als 50% des dritten Abstands (420) beträgt.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 38, bei der das erste, zweite, dritte und vierte magnetoresistive Sensorelement (120) parallel auf einer Linie bezüglich einer Haupterfassungsrichtung (390) der Sensoranordnung (110) angeordnet sind.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 38 oder 39, bei der die Sensoranordnung ferner eine Auswerteschaltung (350) aufweist, die konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) und basierend auf einem zweiten Differenzsignal des zweiten und des vierten magnetoresistiven Sensorelements (120) ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei das Summensignal Informationen bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist, wobei das Differenzsignal Informationen bezüglich einer Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensoranordnung nach Anspruch 40, bei der die Auswerteschaltung (350) ferner einen Integrator (520) aufweist, der konfiguriert ist, um das Differenzsignal aufzuintegrieren, und bei der die Auswerteschaltung (350) ferner so konfiguriert ist, dass das aufintegrierte Differenzsignal Informationen bezüglich der Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (190) aufweist.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 41, bei der die Auswerteschaltung ferner einen Minimum/Maximum-Detektor (540) aufweist, der mit dem Integrator (520) gekoppelt ist und konfiguriert ist, um bei einem Vorliegen eines Maximums oder eines Minimums des Summensignals den Integrator (520) zurückzusetzen.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 38 bis 42, bei der dritte Abstand (420) einer Periodenlänge einer zumindest abschnittsweise über einen Teil einer Außenabmessung eines Geberobjekts (150) verteilten periodischen Struktur entspricht.
Sensoranordnung (110) zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds, mit folgenden Merkmalen: einem ersten, zweiten und dritten magnetoresistiven Sensorelement (120), wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) benachbart in einem ersten Abstand (400) angeordnet sind; wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem zweiten Abstand (560) angeordnet sind; und wobei der erste Abstand (400) wenigstens 1% des zweiten Abstands (560) und weniger als 50% des zweiten Abstands (560) entspricht.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 44, bei der das erste, zweite und dritte magnetoresistive Sensorelement (120) parallel auf einer Linie bezüglich einer Haupterfassungsrichtung (390) der Sensoranordnung (110) angeordnet sind.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 45, bei der die Sensoranordnung ferner eine Auswerteschaltung (350) aufweist, die konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) und basierend auf einem zweiten Differenzsignal des zweiten und des dritten magnetoresistiven Sensorelements (120) ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei das Summensignal Informationen bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist, wobei das Differenzsignal Informationen bezüglich einer Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 46, bei der die Auswerteschaltung (350) ferner einen Integrator (520) aufweist, der konfiguriert ist, um das Differenzsignal aufzuintegrieren, und bei der die Auswerteschaltung (350) ferner so konfiguriert ist, dass das aufintegrierte Differenzsignal Informationen bezüglich der Richtung der Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist.
Sensoranordnung (110) nach Anspruch 47, bei der die Auswerteschaltung ferner einen Minimum/Maximum-Detektor (540) aufweist, der mit dem Integrator (520) gekoppelt ist und konfiguriert ist, um bei einem Vorliegen eines Maximums oder eines Minimums des Summensignals den Integrator (520) zurückzusetzen.
Sensoranordnung (110) nach einem der Ansprüche 44 bis 48, bei der zweite Abstand (560) einer Periodenlänge einer zumindest abschnittsweise über einen Teil einer Außenabmessung eines Geberobjekts (150) verteilten periodischen Struktur entspricht.
Sensor (100) zum Erfassen eines von einem Geberobjekt (150) erzeugten oder beeinflussten zumindest abschnittsweise periodischen Magnetfelds, mit folgenden Merkmalen: einem ersten, zweiten, dritten und vierten magnetoresistiven Sensorelement (120); und eine Auswerteschaltung (350), die konfiguriert ist, um basierend auf einem ersten Differenzsignal des ersten und des zweiten magnetoresistiven Sensorelements (120) und um basierend auf einem zweiten Differenzsignal des dritten und des vierten Sensorelements (120) ein Summensignal und ein Differenzsignal bereitzustellen, wobei das Summensignal eine Information bezüglich einer Geschwindigkeit des Geberobjekts (150) aufweist, und wobei das Differenzsignal eine Information bezüglich einer Richtung des Geberobjekts (150) aufweist, wobei das erste und das zweite magnetoresistive Sensorelement (120) in einem ersten Abstand (580) angeordnet sind; wobei das zweite und das dritte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem zweiten Abstand (590) angeordnet sind; wobei das dritte und das vierte magnetoresistive Sensorelement (120) in einem dritten Abstand (600) angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 50, bei dem der zweite Abstand (590) eine Länge von weniger als 50% des ersten Abstands (580) aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 50 oder 51, bei dem der dritte Abstand (600) eine Länge von wenigstens 50% und höchstens 200% des ersten Abstands (580) aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 50 bis 52, bei dem das erste und das zweite Sensorelement (120) über einen mit der Auswerteschaltung (350) gekoppelten Knoten in Serie geschaltet sind und bei dem das dritte und das vierte Sensorelement (120) über einen mit der Auswerteschaltung (350) gekoppelten Knoten in Serie geschaltet sind.
Programm mit einem Programmcode zum Durchführen eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 24, 27 oder 37, wenn das Programm auf einem Prozessor abläuft.