DE102008039331B4

DE102008039331B4 - Integrierte Schaltung, die magnetoresistive Strukturen umfaßt, Sensor und Verfahren zum Messen eines Magnetfelds

Info

Publication number: DE102008039331B4
Application number: DE102008039331.2A
Authority: DE
Inventors: Klemens Pruegl; Juergen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2028-08-23
Also published as: US20090058402A1; DE102008039331A1; US7598736B2

Abstract

Integrierte Schaltung, die folgende Merkmale aufweist: zwei erste benachbarte xMR-Strukturen (120, 122), wobei jede erste xMR-Struktur (120, 122) dahin gehend konfiguriert ist, ein erstes Magnetfeld zu erfassen; und zwei zweite benachbarte xMR-Strukturen (124, 126), die von den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) beabstandet sind, wobei jede zweite xMR-Struktur (124, 126) dahin gehend konfiguriert ist, ein zweites Magnetfeld zu erfassen; wobei die zwei ersten xMR-Strukturen und die zwei zweiten xMR-Strukturen derart konfiguriert sind, dass das durch einen Wandler an den zwei ersten xMR-Strukturen gelieferte erste Magnetfeld von dem durch den Wandler an den zwei zweiten xMR-Strukturen gelieferten zweiten Magnetfeld um 180° phasenverschoben ist, und wobei die erste In-Ebene-Magnetfeldkomponente von der zweiten In-Ebene-Magnetfeldkomponente um 180° phasenverschoben ist, wobei die zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) und die zwei zweiten xMR-Strukturen für In-Ebene-Magnetfeldkomponenten konfiguriert sind, die zu dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld senkrecht sind und von dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld, die auf die zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) und die zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) einwirken, um 90° phasenverschoben sind, wobei die ersten und zweiten xMR-Strukturen (120–126) geeignet sind, um eine variierende Magnetfeldrichtung zu detektieren, eine zu den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) benachbarte erste Leitung (209a), die dahin gehend konfiguriert ist, eine zu dem ersten Magnetfeld senkrechte, um 90° phasenverschobene erste In-Ebene-Magnetfeldkomponente zu liefern; und eine zu den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) benachbarte zweite Leitung (209b), die dahin gehend konfiguriert ist, eine zu dem zweiten Magnetfeld senkrechte, um 90° phasenverschobene zweite In-Ebene-Magnetfeldkomponente zu liefern.

Description

Typische lineare magnetoresistive (xMR-)Sensoren zur Detektion einer Drehzahl beruhen auf der Messung einer In-Ebene-Magnetfeldkomponente (z. B. x-Komponente) entlang einer Achse, die durch die Laufrichtung eines magnetischen oder ferromagnetischen Materials, das den Sensor passiert, definiert ist. Bei idealen Orientierungen der Magnetfeldachse zu der Sensorstruktur und wenn keine unbeabsichtigten Magnetfeldkomponenten vorliegen, können die linearen xMR-Sensoren dahin gehend entworfen sein, äußerst präzise zu sein und einen geringen Hystereseeffekt aufzuweisen. In der Realität können jedoch mehrere Effekte die Signalqualität der linearen xMR-Sensoren stark beeinflussen.
Ein Effekt, der die Signalqualität stark beeinflussen kann, sind phasenverschobene In-Ebene-Magnetfelder entlang einer Achse, die zu der gewünschten Mess-(d. h. x-Komponente-)Magnetfeldachse senkrecht ist. Beispielsweise können bei einer Polradanwendung je nach der Einstellung der Sensorstruktur Magnetfeldkomponenten in der y-Richtung (d. h. y-Komponenten, die parallel zu der Achse des Polrades sind) vorhanden sein, die um etwa 90° bezüglich der x-Komponente-Magnetfeldachse phasenverschoben sind. Somit führt ein sich drehendes Polrad, das die Sensorstruktur passiert, zu einem Magnetfeldvektor, der sich kreisförmig oder elliptisch dreht.
Ein weiterer Effekt, der die Signalqualität stark beeinflussen kann, ist eine Fehlausrichtung der Sensorstruktur auf Grund eines verbogenen Chips in dem Sensorgehäuse (was mit der Gehäusetoleranz zusammenhängt) oder eine Fehlausrichtung der Sensorstruktur bezüglich der gewünschten Magnetfeldachse (was mit der Einstellungstoleranz zusammenhängt). Die Fehlausrichtung führt zu einem unerwünschten Winkel zwischen der Sensorstruktur und der Achse des zu messenden Magnetfeldes.
Diese Effekte können zu Hysterese und Jitter bei dem Ausgangssignal eines linearen xMR-Sensors führen, der dahin gehend entworfen ist, lediglich eine einzige Magnetfeldkomponente zu detektieren. Hysterese und Jitter beeinträchtigen die Leistungsfähigkeit des xMR-Sensors und verkomplizieren dadurch die Entwicklung weiterer Anwendungsgebiete für den xMR-Sensor. Typische anisotrope magnetoresistive (AMR-)Sensoren (AMR = anisotropic magneto-resistive) verringern Hystere und Jitter, indem sie ein konstantes Hilfsmagnetfeld verwenden, das eine Komponente aufweist, die zu dem zu messenden Magnetfeld senkrecht ist. Solange die störenden y-Komponente-Magnetfelder niedriger sind als das zu messende x-Komponente-Magnetfeld, haben die y-Komponente-Magnetfelder keinen negativen Einfluss auf das Hystereseverhalten. Das Hilfsmagnetfeld wird üblicherweise durch einen Hilfsmagneten bereitgestellt, der außen unterhalb der Sensorstruktur angebracht ist. Der Hilfsmagnet erhöht die Kosten des AMR-Sensors. Außerdem gibt es Magnetfeldgrenzen, die nicht überschritten werden dürfen, um eine ordnungsgemäße Sensorfunktionalität zu gewährleisten.
Aus diesen und anderen Gründen besteht ein Erfordernis der vorliegenden Erfindung.
Aus der DE 198 10 218 A1 ist ein Magnetfeldsensor bekannt, bei dem ein Stromleiter zur Führung eines Hilfsstroms parallel zu mindestens einem Sensorstreifen vorgesehen ist, um eine Magnetoresistiv-Charakteristik des Sensors zu linearisieren, die Wirkung eines externen Magnetfelds zu kompensieren und den Messbereich zu erweitern.
Weitere Vorrichtungen zum Messen eines Magnetfelds sind aus der DE 33 08 352 A1 , der DE 10 2004 047 770 A1 , der US 5 497 082 A , der DE 196 18 509 A1 , der US 5 436 560 A , der DE 699 07 016 T2 , der DE 196 21 886 A1 , der US 6 452 382 B1 , der DE 102 13 941 A1 und der US 2005/0258820 A1 bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine integrierte Schaltung, einen Sensor sowie ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes zu liefern, die verbesserte Charakteristika aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch eine integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, einen Sensor gemäß Anspruch 9 sowie ein Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes gemäß Anspruch 13 und 14 gelöst.
Die beiliegenden Zeichnungen sind enthalten, um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu liefern, und sie sind in die vorliegende Spezifikation integriert und stellen einen Bestandteil derselben dar. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres einleuchten, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind in Bezug aufeinander nicht unbedingt maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Drehzahlsensors, der auf xMR-Strukturen und einem Polrad beruht, veranschaulicht;
2 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Integrierte-Schaltung-xMR-Sensors;
3 einen Graphen, der ein Ausführungsbeispiel eines Nebenschleifenverhaltens einer xMR-Struktur, die eine geringe magnetische Anisotropie aufweist, veranschaulicht;
4 einen Graphen, der ein Ausführungsbeispiel des Ansprechens der xMR-Strukturen ansprechend auf ein sich drehendes Polrad veranschaulicht;
5A ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel von Magnetfelderzeugungsleitungen neben einer xMR-Struktur zum Erzeugen eines zusätzlichen lateralen y-Komponente-Magnetfeldes, das zu dem zu messenden Magnetfeld senkrecht ist, veranschaulicht;
5B ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel von Magnetfelderzeugungsleitungen neben einer xMR-Struktur zum Erzeugen eines zusätzlichen lateralen y-Komponente-Magnetfeldes, das zu dem zu messenden Magnetfeld senkrecht ist, veranschaulicht;
5C ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Magnetfelderzeugungsleitung neben einer xMR-Struktur zum Erzeugen eines zusätzlichen lateralen y-Komponente-Magnetfeldes, das zu dem zu messenden Magnetfeld senkrecht ist, veranschaulicht;
6A eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines xMR-Sensors, der eine Magnetfelderzeugungsleitung unterhalb einer xMR-Struktur umfasst;
6B eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines xMR-Sensors, der eine Magnetfelderzeugungsleitung oberhalb einer xMR-Struktur umfasst;
7 ein schematisches Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Erzeugen eines um 90° phasenverschobenen y-Komponente-Magnetfeldes neben den xMR-Strukturen veranschaulicht;
8 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Integrierte-Schaltung-xMR-Sensors;
9 ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Erzeugen eines um 90° phasenverschobenen y-Komponente-Magnetfeldes neben den xMR-Strukturen veranschaulicht;
10 ein schematisches Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Erfassen eines Magnetfeldes auf der Basis der xMR-Strukturen veranschaulicht;
11 einen Graphen, der ein Ausführungsbeispiel eines Ausgangssignals der Schaltung zum Erfassen eines Magnetfeldes auf der Basis der xMR-Strukturen veranschaulicht;
12 einen Graphen, der ein Ausführungsbeispiel eines simulierten Signals von einer xMR-Struktur für ein ungestörtes und für ein um +/–10% variiertes Auslösesignal zur Erzeugung des um 90° phasenverschobenen y-Komponente-Magnetfeldes veranschaulicht; und
13 einen Graphen, der ein Ausführungsbeispiel eines simulierten Signals von einer xMR-Struktur für zwei Vorwärtszyklen und zwei Rückwärtszyklen veranschaulicht, wobei die gewünschte Magnetfeldachse bezüglich der optimalen Konfiguration um 30° geneigt ist.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die ein Bestandteil des vorliegenden Dokuments sind und in denen veranschaulichend spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, bei denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diesbezüglich wird eine richtungsbezogene Terminologie wie z. B. „obere(r, s)”, „untere(r, s)”, „vordere(r, s)”, „hintere(r, s)”, „vorauseilende(r, s)”, „nacheilende(r, s)” usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in einer Anzahl unterschiedlicher Orientierungen positioniert sein können, wird die richtungsbezogene Terminologie zu Veranschaulichungszwecken verwendet und ist keineswegs einschränkend. Die folgende ausführliche Beschreibung ist somit nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Patentansprüche definiert. 1 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel eines Drehzahlsensors 100 veranschaulicht, der auf xMR-Strukturen und einem Polrad beruht. Der Drehzahlsensor 100 umfasst ein Polrad 102 und einen Integrierte-Schaltung-xMR-Sensor 108. Das Polrad 102 umfasst eine Mehrzahl von Dipolen 104a–104c. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst jeder Dipol 104a–104c einen Permanentmagneten, der einen Nordpol und einen Südpol aufweist. Der Nordpol jedes Dipols 104a–104c befindet sich neben einem Südpol eines benachbarten Dipols 104a–104c.
Die Dipole 104a–104c erzeugen magnetische Wechselfelder. Beispielsweise erzeugen die Dipole 104a und 104b ein Magnetfeld 106a, der Dipol 104b erzeugt ein Magnetfeld 106b, und die Dipole 104b und 104c erzeugen ein Magnetfeld 106c. Das Magnetfeld 106a ist bezüglich des Magnetfeldes 106b um 180° phasenverschoben. Das Magnetfeld 106b ist bezüglich des Magnetfeldes 106c um 180° phasenverschoben. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Polrad 102 durch ein Zahnrad in Kombination mit einem Sperrspannungsmagneten ersetzt, um die magnetischen Wechselfelder zu erzeugen.
Der Integrierte-Schaltung-xMR-Sensor 108 umfasst xMR-Sensorelemente 110 und 112 und ein Substrat 114. Die xMR-Sensorelemente 110 und 112 erfassen die durch das Polrad 102 erzeugten Magnetfelder. Beispielsweise erfassen die xMR-Sensorelemente 110 das Magnetfeld 106a, und die xMR-Sensorelemente 112 erfassen das Magnetfeld 106b. Durch ein Kombinieren von durch die xMR-Sensorelemente 110 und 112 erzeugten Signale wird die Drehzahl des Polrades 102 ermittelt.
Die xMR-Sensorelemente 110 und 112 beruhen auf Anisotroper-Magnetowiderstandseffekt(AMR-Effekt)-, Gigantischer-Magnetowiderstandseffekt(GMR-)Effekt-(GMR = giant magneto-resistive) oder Tunnel-Magnetowiderstandseffekt(TMR-Effekt)-Stapelstrukturen. Die xMR-Strukturen weisen eine geringe oder null betragende magnetische Anisotropie auf. Der Integrierte-Schaltung-xMR-Sensor 108 verwendet keinerlei Hilfs- oder Vorspannungsmagnetfeld, um unter typischen Anwendungsbedingungen zu arbeiten. Der Integrierte-Schaltung-xMR-Sensor 108 liefert im Vergleich zu typischen AMR-Sensoren eine höhere Sensorempfindlichkeit. Außerdem ist der Integrierte-Schaltung-xMR-Sensor 108 in Bezug auf eine mechanische Fehlausrichtung und auf externe Magnetfeldkomponenten, die nicht das zu messende Magnetfeld sind, robuster als typische AMR-Sensoren.
Die xMR-Sensorelemente 110 und 112 verwenden breite Strukturen (z. B. 10 μm oder eine andere geeignete Breite), was zu einem minimalen Formanisotropieeffekt für eine Winkelerfassung führt. Dadurch wird der starke Einfluss der erzeugten 160° aufweisenden magnetischen Domänen in der Nahe der Seitenwände der xMR-Strukturen auf das elektrische Signal unterdrückt. Die xMR-Sensorelemente 110 und 112 sind dafür geeignet, eine durch ein sich drehendes Wandler- oder Polrad erzeugte variierende Magnetfeldrichtung zu detektieren. Im Gegensatz dazu messen die Sensorelemente typischer linearer Sensoren eine variierende Magnetfeldstärke. Breite xMR-Strukturen sind leichter herzustellen als schmälere Strukturen, die bei typischen linearen Sensoren verwendet werden. Außerdem können schmälere Strukturen je nach der Herstellungsprozesssteuerung und -stabilität im Vergleich zu breiteren Strukturen bei einer Temperaturspeicherung eine viel höhere Verschiebung der Leistungsfähigkeit sowie allgemein geringere Signale aufweisen. Breitere Strukturen ermöglichen im Vergleich zu schmäleren Strukturen einen stärker steuerbaren und stabileren Herstellungsprozess.
Falls das sich drehende Wandler- oder Polrad 102 nur x-Komponente-Magnetfelder erzeugt, liefert die Verwendung der xMR-Sensorelemente 110 und 112 bei geringen Magnetfeldschwankungen eine Schaltsignaländerung. Bei Anwendungen, bei denen eine elektrische Karte von Signaturen in dem Wandlerrad gewunscht ist (z. B. zur Referenzpunktdetektion), wird an der Position der xMR-Sensorelemente 110 und 112 ein um 90° phasenverschobenes y-Komponente-Magnetfeld erzeugt. Das y-Komponente-Magnetfeld wird erzeugt, indem ein Strom durch Magnetfelderzeugungsleitungen, die neben den xMR-Strukturen 110 und 112 platziert sind, angelegt wird. Die Magnetfelderzeugungsleitungen werden oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 110 und 112 platziert, um eine laterale Magnetfeldkomponente (d. h. y-Komponente), die zu dem zu messenden Feld (d. h. x-Komponente) senkrecht ist, zu erzeugen.
2 veranschaulicht eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Integrierte-Schaltung-xMR-Sensors 108a. Der Integrierte-Schaltung-xMR-Sensor 108a umfasst ein Substrat 114, xMR-Sensorelemente 110 und 112 und eine xMR-Struktur 128 (R5). Die xMR-Sensorelemente 110 umfassen eine xMR-Struktur 120 (R1) und eine xMR-Struktur 122 (R3). Die xMR-Struktur 120 befindet sich neben der xMR-Struktur 122. Die xMR-Sensorelemente 112 umfassen eine xMR-Struktur 124 (R2) und eine xMR-Struktur 126 (R4). Die xMR-Struktur 124 befindet sich neben der xMR-Struktur 126. Die xMR-Sensorelemente 110 weisen von den xMR-Sensorelementen 112 einen Abstand „d” auf, wie bei 130 angegeben ist. Die xMR-Struktur 128 befindet sich ungefähr in der Mitte zwischen den xMR-Sensorelementen 110 und 112 und weist von den xMR-Sensorelementen 110 und 112 einen Abstand „d/2” auf, wie bei 132 angegeben ist.
Die xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 sind breiter als die xMR-Struktur 128 oder weisen ein geringeres Seitenverhältnis auf als dieselbe. Die xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 weisen eine null betragende oder relativ geringe magnetische Anisotropie auf, und die xMR-Struktur 128 weist eine relativ hohe magnetische Anisotropie auf.
Wenn ein Polrad 102, das eine Polteilung von etwa d aufweist, an dem xMR-Sensor 108a vorbei gedreht wird, weisen die xMR-Sensorelemente 110 einen geringen Widerstandswert auf, wenn die xMR-Sensorelemente 112 einen hohen Widerstandswert aufweisen, und weisen die xMR-Sensorelemente 110 einen hohen Widerstandswert auf, wenn die xMR-Sensorelemente 112 einen geringen Widerstandswert aufweisen. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 4 näher beschrieben wird, beträgt die Phasenkorrelation des Ansprechens des xMR-Sensors 108a zwischen den xMR-Sensorelementen 110 und 112 etwa 180°. Somit liefert die xMR-Struktur 128 zwischen den xMR-Sensorelementen 110 und 112 ein Signal, das bezüglich der Signale der xMR-Sensorelemente 110 und 112 um +/–90° phasenverschoben ist.
Ein Strom, der zu dem Widerstandswert der xMR-Struktur 128 proportional ist, wird erzeugt und an Magnetfelderzeugungsleitungen oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 110 und 112 angelegt. Der Strom erzeugt y-Komponente-Magnetfelder, die bezüglich der x-Komponente-Magnetfelder um 90° phasenverschoben sind. Die erzeugten y-Komponente-Magnetfelder weisen für die xMR-Sensorelemente 110 und 112 entgegengesetzte Richtungen auf (d. h. der Strom oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 110 fließt in die entgegengesetzte Richtung des Stroms oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 112.
Um eine kontinuierliche Änderung des angelegten Stroms (und nicht eine Schaltcharakteristik) zu liefern, ist die Widerstandswertänderung der xMR-Struktur 128 proportional zu der Magnetfeldänderung. Um die Widerstandswertänderung der xMR-Struktur 128 zu liefern, weist die xMR-Struktur 128 eine sehr hohe magnetische Anisotropie (d. h. eine sehr geringe Breite) auf, die eine minimale Hysterese umfasst, die sehr nahe an einem Idealverhalten liegt.
3 ist ein Graph 140, der ein Ausführungsbeispiel eines Nebenschleifenverhaltens einer xMR-Struktur, die eine geringe magnetische Anisotropie aufweist, veranschaulicht. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 eine geringe magnetische Anisotropie auf, wie durch den Graphen 140 veranschaulicht ist. Der Graph 140 umfasst ein Magnetfeld in Millitesla (mT) auf einer X-Achse 142 und eine xMR-Signalamplitude in beliebigen Einheiten (w. E.) auf einer y-Achse 144. Ein Signal 146 umfasst eine Schaltcharakteristik, die durch einen Pegelabschnitt 148, einen Schaltabschnitt 150 und einen Pegelabschnitt 152 veranschaulicht ist.
Ansprechend auf ein Magnetfeld unterhalb von etwa –1 mT liefert die xMR-Struktur in dem Pegelabschnitt 148 ein konstantes Signal von etwa 0,11 w. E.. Ansprechend auf ein Magnetfeld oberhalb von etwa 1 mT liefert die xMR-Struktur in dem Pegelabschnitt 152 ein konstantes Signal von etwa 0,01 w. E.. Ansprechend auf ein Magnetfeld zwischen etwa +/–1 mT liefert die xMR-Struktur in dem Schaltabschnitt 150 ein Signal zwischen etwa 0,11 w. E und 0,01 w. E., so dass die xMR-Struktur bei etwa 0 mT ein Signal von etwa 0,06 w. E. liefert.
4 ist ein Graph 160, der ein Ausführungsbeispiel des Ansprechens der xMR-Strukturen 120, 122, 124, 126 und 128 ansprechend auf ein sich drehendes Polrad veranschaulicht. Der Graph 160 umfasst eine Polradposition (das 1/360fache des Polabstands) auf einer x-Achse 162 und einen normierten Widerstandswert in relativen Einheiten (r. E.) auf einer y-Achse 164. Der Widerstandswert der xMR-Strukturen 120 und 122 wird durch ein Signal 166 angegeben. Der Widerstandswert der xMR-Strukturen 124 und 126 wird durch ein Signal 168 angegeben. Der Widerstandswert der xMR-Struktur 128 wird durch ein Signal 170 angegeben.
Wie bei dem Graphen 160 angegeben ist, liegt eine Phasenkorrelation von etwa 180° zwischen den Signalen 166 und 168 vor. Das Signal 170 ist bezüglich der Signale 166 und 168 um +/–90° phasenverschoben. Somit werden dadurch, dass ein zu dem Signal 170 proportionaler Strom an Magnetfelderzeugungsleitungen oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 110 und 112 angelegt wird, y-Komponente-Magnetfelder erzeugt, die bezüglich der x-Komponente-Magnetfelder um 90° phasenverschoben sind.
5A ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel 200a einer Magnetfelderzeugungsleitung 208a neben einer xMR-Struktur 206 zum Erzeugen eines zusätzlichen lateralen y-Komponente-Magnetfeldes, das zu dem zu messenden Feld senkrecht ist, veranschaulicht. Die Magnetfelderzeugungsleitung 208a ist an einem Ende mit einer positiven Spannung (V+) 202 und an einem anderen Ende mit einer negativen Spannung (V–) 204 elektrisch gekoppelt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 ähnlich der xMR-Struktur 206. Die Magnetfelderzeugungsleitung 208a ist spiralförmig, um einen bei 210 angegebenen Strom zu liefern, der ein Magnetfeld erzeugt, das zu dem Strom, der bei 212 in der xMR-Struktur 206 angegeben ist, senkrecht ist.
Dadurch, dass ein Strom geliefert wird, der proportional zu dem Widerstandswert der xMR-Struktur 128 ist, wird das um 90° phasenverschobene y-Komponente-Magnetfeld an der Position der xMR-Struktur 206 erzeugt. Die Magnetfelderzeugungsleitung 208a wird oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Struktur 206 platziert, um die laterale Magnetfeldkomponente (y-Komponente), die zu dem zu messenden Feld (x-Komponente) senkrecht ist, zu erzeugen. Um eine gewünschte Steigung der Transfercharakteristik zu erhalten, wenn sich das Wandler- oder das Polrad an dem xMR-Sensor vorbei dreht, wird der Betrag des erzeugten y-Komponente-Magnetfeldes mit dem x-Komponente-Magnetfeld korreliert.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind 10 bis 20% des x-Komponente-Magnetfeldes für das y-Komponente-Magnetfeld ausreichend, um eine langsame und gut gesteuerte Drehung der Freischichtmagnetisierung zu liefern. Falls lediglich ein Umschalten der Magnetisierung in die +y- oder –y-Richtung gewünscht wird (d. h. falls lediglich der Nulldurchgang ausgewertet wird), ist das erzeugte y-Komponente-Magnetfeld zumindest ausreichend hoch, um zu garantieren, dass die freie Schicht magnetisch gesättigt ist. Bei einem Ausfuhrungsbeispiel sind die y-Komponente-Magnetfelder um etwa 0,2 mT ausreichend.
5B ist ein Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel 200b von Magnetfelderzeugungsleitungen 208b neben der xMR-Struktur 206 zum Erzeugen eines zusätzlichen lateralen y-Komponente-Magnetfeldes, das zu dem zu messenden Feld senkrecht ist, veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Magnetfelderzeugungsleitungen 208b in einer Kammkonfiguration vorgesehen, um den bei 210 angegebenen Strom zu liefern, der ein Magnetfeld erzeugt, das zu dem Strom, der bei 212 in der xMR-Struktur 206 angegeben ist, senkrecht ist. Die Magnetfelderzeugungsleitungen 208b fungieren ähnlich der Magnetfelderzeugungsleitung 208a, die zuvor unter Bezugnahme auf 5A beschrieben und veranschaulicht wurde.
5C veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel 200c einer Magnetfelderzeugungsleitung 208c neben der xMR-Struktur 206 zum Erzeugen eines zusätzlichen lateralen y-Komponente-Magnetfeldes, das zu dem zu messenden Feld senkrecht ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Magnetfelderzeugungsleitung 208c als breite Einzelleitung vorgesehen, um den bei 210 angegebenen Strom zu liefern, der ein Magnetfeld erzeugt, das zu dem Strom, der bei 212 in der xMR-Struktur 206 angegeben ist, senkrecht ist. Die Magnetfelderzeugungsleitung 208c fungiert ähnlich der Magnetfelderzeugungsleitung 208a, die zuvor unter Bezugnahme auf 5A beschrieben und veranschaulicht wurde.
6A veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines xMR-Sensors 220a, der eine Magnetfelderzeugungsleitung unterhalb einer xMR-Struktur umfasst. Der xMR-Sensor 220a umfasst eine xMR-Struktur 206, eine Magnetfelderzeugungsleitung 208, erste Metallisierungsabschnitte 222a–222b, zweite Metallisierungsabschnitte 224a–224b, einen dritten Metallisierungsabschnitt 226a, zugrunde liegende Strukturen 234, Durchgangskontakte 228a–228d, 230a–230b und 232a–232b, ein Oxid 236, ein Intermetalloxid 238a–238c und ein Passivierungsmaterial 240. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die xMR-Struktur 206 oberhalb der Magnetfelderzeugungsleitung 208 positioniert. Ein bei 210 angegebener Strom durch die Magnetfelderzeugungsleitung 208 erzeugt das zusätzliche laterale y-Komponente-Magnetfeld, das zu dem zu messenden Feld senkrecht ist.
Die xMR-Struktur 206 ist durch die Durchgangskontakte 232a und 232b mit dem dritten Metallisierungsabschnitt 226a elektrisch gekoppelt. Die Magnetfelderzeugungsleitung 208 ist durch die Durchgangskontakte 230a und 230b mit dem zweiten Metallisierungsabschnitt 224a elektrisch gekoppelt. Der zweite Metallisierungsabschnitt 224a ist durch Durchgangskontakte 228a und 228b mit dem ersten Metallisierungsabschnitt 222a elektrisch gekoppelt. Der zweite Metallisierungsabschnitt 224b ist durch die Durchgangskontakte 228c und 228d mit dem ersten Metallisierungsabschnitt 222b elektrisch gekoppelt. Die zugrunde liegenden Strukturen 234 sind durch das Oxid 236 von den ersten Metallisierungsabschnitten 222a und 222b getrennt. Das Intermetalloxid 238a–238c umgibt die Metallisierungsabschnitte 222a–222b, 224a–224b, 226a, die Durchgangskontakte 228a–228d, 230a–230b und 232a–232b und die Magnetfelderzeugungsleitung 208. Das Passivierungsmaterial 240 schützt die xMR-Struktur 206.
Die 6B veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines xMR-Sensors 220b, der eine Magnetfelderzeugungsleitung oberhalb einer xMR-Struktur umfasst. Der xMR-Sensor 220b umfasst eine xMR-Struktur 206, eine Magnetfelderzeugungsleitung 208, erste Metallisierungsabschnitte 222a–222c, zweite Metallisierungsabschnitte 224a–224c, zugrunde liegende Strukturen 234, Durchgangskontakte 228a–228f und 230a–230f, das Oxid 236, das Intermetalloxid 238a–238c und das Passivierungsmaterial 240. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die xMR-Struktur 206 unterhalb der Magnetfelderzeugungsleitung 208 positioniert. Ein bei 210 angegebener Strom durch die Magnetfelderzeugungsleitung 208 erzeugt das zusätzliche laterale y-Komponente-Magnetfeld, das zu dem zu messenden Feld senkrecht ist.
Eine Seite der Magnetfelderzeugungsleitung 208 ist durch die Durchgangskontakte 230a und 230b mit dem zweiten Metallisierungsabschnitt 224a elektrisch gekoppelt. Der zweite Metallisierungsabschnitt 224a ist durch die Durchgangskontakte 228a und 228b mit dem ersten Metallisierungsabschnitt 222a elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der Magnetfelderzeugungsleitung 208 ist durch die Durchgangskontakte 230e und 230f mit dem zweiten Metallisierungsabschnitt 224c elektrisch gekoppelt. Der zweite Metallisierungsabschnitt 224c ist durch die Durchgangskontakte 228e und 228f mit dem ersten Metallisierungsabschnitt 222c elektrisch gekoppelt. Die xMR-Struktur 206 ist durch die Durchgangskontakte 230c und 230d mit dem zweiten Metallisierungsabschnitt 224b elektrisch gekoppelt. Der zweite Metallisierungsabschnitt 224b ist durch die Durchgangskontakte 228c und 228d mit dem ersten Metallisierungsabschnitt 222b elektrisch gekoppelt. Die zugrunde liegenden Strukturen 234 sind durch das Oxid 236 von den ersten Metallisierungsabschnitten 222a–222c getrennt. Das Intermetalloxid 238a–238c umgibt die Metallisierungsabschnitte 222a–222c, 224a–224c, die Durchangskontakte 228a–228f und 230a–230f und die xMR-Struktur 206. Das Passivierungsmaterial 240 schutzt die Magnetfelderzeugungsleitung 208.
7 ist ein schematisches Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung 300a zum Erzeugen eines um 90° phasenverschobenen y-Komponente-Magnetfeldes neben den xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 veranschaulicht. Die Schaltung 300a umfasst Magnetfelderzeugungsleitungen 209a und 209b, die xMR-Struktur 128, Widerstände 304a–304c und eine spannungsgesteuerte Stromquelle 306.
Eine Spannungsquelle (V_DD) 302 ist durch einen Signalpfad 316 mit einer Seite der xMR-Struktur 128 und einer Seite des Widerstandes 304a elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der xMR-Struktur 128 ist durch einen U+-Signalpfad 318 mit einer Seite des Widerstandes 304b und einem ersten Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 306 elektrisch gekoppelt. Die andere Seite des Widerstandes 304a ist durch einen U–-Signalpfad 320 mit einer Seite des Widerstandes 304c und einem zweiten Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 306 elektrisch gekoppelt. Die andere Seite des Widerstands 304b und die andere Seite des Widerstands 304c sind durch einen Signalpfad 322 mit einem gemeinsamen Potential oder Masse 308 elektrisch gekoppelt.
Ein erster Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquelle 306 ist durch einen Signalpfad 312 mit einer Seite der Magnetfelderzeugungsleitung 209a elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der Magnetfelderzeugungsleitung 209a ist durch einen Signalpfad 310 mit einer Seite der Magnetfelderzeugungsleitung 209b elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der Magnetfelderzeugungsleitung 209b ist durch einen Signalpfad 314 mit einem zweiten Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquelle 306 elektrisch gekoppelt.
Die Magnetfelderzeugungsleitung 209a ist oberhalb oder unterhalb der xMR-Strukturen 120 und 122 positioniert. Die Magnetfelderzeugungsleitung 209b ist oberhalb oder unterhalb der xMR-Strukturen 124 und 126 positioniert. Der Strom 210 durch die Magnetfelderzeugungsleitung 209a fließt entgegengesetzt zu der Richtung, in der der Strom 210 durch die Magnetfelderzeugungsleitung 209b fließt.
Die Spannung (V_in) zwischen dem U+-Signalpfad 318 und dem U–-Signalpfad 320, die in die spannungsgesteuerte Stromquelle 306 eingegeben wird, steuert den Ausgangsstrom 210 der spannungsgesteuerten Stromquelle 306. Der Ausgangsstrom (i_out) der spannungsgesteuerten Stromquelle 306 gleicht der Transkonduktanz (g_m) der spannungsgesteuerten Stromquelle 306 mal der Eingangsspannung (V_in).
Die xMR-Struktur 128 und die Widerstände 304a–304c sind in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnet. Die Widerstände 304a–304c weisen jeweils denselben Widerstandswert (R_f) auf, der ungefähr derselbe Widerstandswert ist wie bei der xMR-Struktur 128 ohne ein vorhandenes Magnetfeld. Deshalb stellt eine Änderung des Widerstandswertes der xMR-Struktur 128 die in die spannungsgesteuerte Stromquelle 306 eingegebene Spannung und somit den durch die Magnetfelderzeugungsleitungen 209a und 209b angelegten Strom ein. Die Schaltung 300a erzeugt somit ein um 90° phasenverschobenes y-Komponente-Magnetfeld an der Position der xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126, das zu dem Widerstandswert der xMR-Struktur 128 proportional ist.
8 veranschaulicht eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel eines Integrierte-Schaltung-xMR-Sensors 108b. Der Integrierte-Schaltung-xMR-Sensor 108b umfasst ein Substrat 114, xMR-Sensorelemente 110 und 112 und Hall-Elemente 134a und 134b. Die xMR-Sensorelemente 110 umfassen die xMR-Struktur 120 (R1) und die xMR-Struktur 122 (R3). Die xMR-Struktur 120 befindet sich neben der xMR-Struktur 122. Die xMR-Sensorelemente 112 umfassen die xMR-Struktur 124 (R2) und die xMR-Struktur 126 (R4). Die xMR-Struktur 124 befindet sich neben der xMR-Struktur 126. Die xMR-Sensorelemente 110 weisen von den xMR-Sensorelementen 112 einen Abstand „d” auf, wie er bei 130 angegeben ist. Das Hall-Element 134a ist oberhalb oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 110 positioniert. Das Hall-Element 134b ist oberhalb oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 112 positioniert.
Bei dem xMR-Sensor 108b liefern die Hall-Elemente 134a und 134b eine ähnliche Funktion wie die xMR-Struktur 128 bei dem xMR-Sensor 108a. Die Hall-Elemente 134a und 134b messen das z-Komponente-Magnetfeld und erzeugen ein Signal, das bezüglich des In-Ebene-x-Komponente-Magnetfeldes um 90° phasenverschoben ist. Die Hall-Elemente 134a und 134b liefern inhärent hysteresefreie Signale. Deshalb wird ein reines einachsiges Magnetfeld (d. h. das x-Komponente-Magnetfeld) in ein rotierendes Magnetfeld umgewandelt, das durch die xMR-Sensorelemente 110 und 112 gemessen wird.
Ein Strom, der zu dem Widerstandswert der Hall-Elemente 134a und 134b proportional ist, wird erzeugt und an Magnetfelderzeugungsleitungen oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 110 und 112 angelegt. Der Strom erzeugt y-Komponente-Magnetfelder, die bezüglich der x-Komponente-Magnetfelder um 90° phasenverschoben sind. Die erzeugten y-Komponente-Magnetfelder weisen für die xMR-Sensorelemente 110 und 112 entgegengesetzte Richtungen auf (d. h. der Strom oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 110 fließt in die entgegengesetzte Richtung des Stroms oberhalb und/oder unterhalb der xMR-Sensorelemente 112.
9 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltung 300b zum Erzeugen eines um 90° phasenverschobenen y-Komponente-Magnetfeldes, das sich neben den xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 befindet, veranschaulicht. Die Schaltung 300b ist ähnlich der Schaltung 300a, die zuvor unter Bezugnahme auf 7 beschrieben und veranschaulicht wurde, mit der Ausnahme, dass bei der Schaltung 300b die xMR-Struktur 128 durch den Widerstand 304d ersetzt ist und die Widerstände 304b und 304c durch die Hall-Elemente 134a und 134b, die Transistoren 338a–338d und die Stromquellen 342a und 342b ersetzt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Widerstände 304a und 304d, die Transistoren 338a–338d und die Stromquellen 342a und 342b in der Wheatstone-Bruckenkonfiguration angeordnet.
Eine Seite des Hall-Elements 134a ist durch einen Signalpfad 330 mit der Basis des Transistors 338c elektrisch gekoppelt, und die andere Seite des Hall-Elements 134a ist durch einen Signalpfad 332 mit der Basis des Transistors 338a elektrisch gekoppelt. Eine Seite des Hall-Elements 134b ist durch einen Signalpfad 336 mit der Basis des Transistors 338d elektrisch gekoppelt, und die andere Seite des Hall-Elements 134b ist durch einen Signalpfad 334 mit der Basis des Transistors 338b elektrisch gekoppelt. Die Kollektoren der Transistoren 338a und 338d sind durch den U+-Signalpfad 318 mit einer Seite des Widerstands 304d elektrisch gekoppelt. Die andere Seite des Widerstands 304d ist durch den Signalpfad 316 mit der Spannungsquelle (V_DD) 302 elektrisch gekoppelt. Die Kollektoren der Transistoren 338b und 338c sind durch den U–-Signalpfad 320 mit einer Seite des Widerstands 304a elektrisch gekoppelt. Die Emitter der Transistoren 338a und 338b sind durch einen Signalpfad 340 mit einer Seite der Stromquelle 342a elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der Stromquelle 342a ist durch den Signalpfad 322 mit dem gemeinsamen Potential oder der Masse 308 elektrisch gekoppelt. Die Emitter der Transistoren 338c und 338d sind durch einen Signalpfad 344 mit einer Seite der Stromquelle 342b elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der Stromquelle 342b ist durch den Signalpfad 322 mit dem gemeinsamen Potential oder der Masse 308 elektrisch gekoppelt.
Die Widerstände 304a und 304d weisen jeweils denselben Widerstandswert (R_f) auf, der ungefähr derselbe Widerstandswert ist wie bei den Hall-Elementen 134a und 134b ohne ein vorhandenes Magnetfeld. Somit stellt eine Änderung des Widerstandswerts der Hall-Elemente 134a und 134b die in die spannungsgesteuerte Stromquelle 306 eingegebene Spannung und somit den durch die Magnetfelderzeugungsleitungen 209a und 209b angelegten Strom ein. Die Schaltung 300b erzeugt somit ein um 90° phasenverschobenes y-Komponente-Magnetfeld an der Position der xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126, das proportional zu dem Widerstandswert der Hall-Elemente 134a und 134b ist.
10 ist ein schematisches Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung 400 zum Erfassen eines Magnetfeldes auf der Basis der xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 veranschaulicht. Die Spannungsquelle (V_DD) 302 ist durch einen Signalpfad 402 mit einer Seite der xMR-Struktur 120 und einer Seite der xMR-Struktur 124 elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der xMR-Struktur 120 ist durch einen Signalpfad 404 mit einer Seite der xMR-Struktur 126 elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der xMR-Struktur 124 ist durch einen Signalpfad 406 mit einer Seite der xMR-Struktur 122 elektrisch gekoppelt. Die andere Seite der xMR-Struktur 126 und die andere Seite der xMR-Struktur 122 sind durch einen Signalpfad 408 mit dem gemeinsamen Potential oder der Masse 308 elektrisch gekoppelt.
Die xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 sind in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnet. Der Ausgang der Wheatstone-Brücke ist ΔU 410 zwischen den Signalpfaden 404 und 406. Das Ausgangssignal ist ansprechend darauf, dass sich ein Polrad an den xMR-Strukturen vorbei dreht, proportional zu den Widerstandswerten der xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126.
11 ist ein Graph 420, der ein Ausführungsbeispiel eines Ausgangssignals der Schaltung 400 zum Erfassen eines Magnetfeldes auf der Basis der xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 veranschaulicht. Der Graph 420 umfasst eine Polradposition (1/360 der Polradperiode) in Grad auf einer x-Achse 422 und die ΔU-Wheatstone-Brückenausgangssignalamplitude in willkürlichen Einheiten (w. E.) auf einer y-Achse 424. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Ausgangssignal, wie es bei 426 angegeben ist, ansprechend auf ein sich drehendes Polrad eine Sinuswelle. Das Ausgangssignal 426 wird dazu verwendet, die Geschwindigkeit und/oder Position des Polrades bezüglich des xMR-Sensors zu ermitteln.
12 ist ein Graph 440, der ein Ausführungsbeispiel eines simulierten Signals von einer xMR-Struktur 120, 122, 124 oder 126 für ein ungestörtes und für ein um +/–10% variiertes Auslösesignal (d. h. das Signal, das zu dem Widerstandswert der xMR-Struktur 128 oder der Hall-Elemente 134a und 134b proportional ist) zur Erzeugung des um 90° phasenverschobenen y-Komponente-Magnetfeldes veranschaulicht. Der Graph 440 umfasst einen Polradwinkel in Grad, der auf die Polperiode bezogen ist, auf einer x-Achse 442, und eine xMR-Signalamplitude in willkürlichen Einheiten (w. E.) auf einer y-Achse 444. Der Graph 440 veranschaulicht den Effekt auf das Signal einer xMR-Struktur ansprechend darauf, dass ein sich drehendes Polrad lediglich ein x-Komponente-Magnetfeld aufweist. Das Signal beruht auf einem sinusförmigen Magnetfeld mit einer Amplitude von 20 mT und einem um 90° phasenverschobenen Auslösesignal mit einer Amplitude von 2 mT (und einem „Rauschen” von +/–0,2 mT) in einem linearen Bereich von Hk = 10 mT.
Die Reproduzierbarkeit der Phase des Nulldurchgangspunktes ist bei vielen Anwendungen ein Schlüsselparameter für die Leistungsfähigkeit des Sensors. Bei einem Phasenwinkel von 90°, bei dem das x-Komponente-Magnetfeld gleich null ist und das y-Komponente-Magnetfeld einem Maximum gleicht, das den Nulldurchgangspunkt des Sensorsignals bei der Wheatstone-Brückenkonfiguration angibt, hat Rauschen oder Hysterese des Auslösesignals fast keine Wirkung auf das resultierende Sensorsignal, da sich die Magnetisierung in einem gesättigten Zustand (in die y-Richtung) befindet, der in Bezug auf geringe Magnetfeldschwankungen unsensibel ist. Folglich haben durch Hysterese oder Rauschen verursachte Schwankungen des Auslösesignals keinen beträchtlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei Phasenwinkeln, die nicht 90° (und 270°) betragen, führt ein variierendes Auslösesignal zu einem anderen effektiven Magnetfeldvektor (der gleich einer anderen Feldrichtung ist), wodurch das Sensorsignal beeinflusst wird. Zu den Sättigungsregionen des Signals hin erfolgt eine Phasenverschiebung, die innerhalb der relevanten Signalbandbreite von 15% bis 85% des maximalen Signals liegt. Bei einer Variation des Auslösesignals um +/–10% liegt eine Hysterese von maximal 1,5° vor, wie bei 446 angegeben ist. Die Hysterese von maximal 1,5° ist beträchtlich geringer als bei typischen linearen xMR-Sensoren, die ansprechend auf eine Schwankung des Auslösesignals um +/–10% üblicherweise eine maximale Hysterese von bis zu etwa 6° aufweisen.
13 zeigt einen Graphen 460, der ein Ausführungsbeispiel eines simulierten Signals von einer xMR-Struktur 120, 122, 124 oder 126 für zwei Vorwärtszyklen und zwei Rückwärtszyklen veranschaulicht, wobei die gewünschte Magnetfeldachse bezüglich der optimalen Konfiguration um 30° geneigt ist. Der Graph 460 umfasst einen Polradwinkel, der auf eine Polradperiode bezogen ist, in Grad auf einer x-Achse 462, und einen xMR-Strukturwiderstandswert in relativen Einheiten (r. E.) auf einer y-Achse 464. Der Graph 460 veranschaulicht ein xMR-Struktursignal ansprechend darauf, dass ein Polrad einen Neigungswinkel von 30° bezüglich der xMR-Struktur aufweist. Der Neigungswinkel von 30° ist größer als dies bei tatsächlichen Anwendungen üblicherweise beobachtet und toleriert wird, ist jedoch vorgesehen, um die Vorteile des xMR-Sensors zu veranschaulichen. Der Graph 460 veranschaulicht die Änderung des Widerstandswerts für zwei Vorwärtszyklen (F1 und F2, 0°–720°) und zwei Rückwärtszyklen (B1 und B2, 720°–0°).
Ein xMR-Sensor, der xMR-Strukturen 120, 122, 124 und 126 umfasst, weist, wenn auch nicht in der gesamten Bandbreite, das vollständige xMR-Signal unabhängig von dem Neigungswinkel auf. Wenn die Drehrichtung geändert wird, liegt die Hysterese außerdem bei einem Maximum von etwa 0,5°, wie bei 466 angegeben ist. Die Hysterese von maximal 0,5° ist beträchtlich geringer als bei typischen linearen xMR-Sensoren, die ansprechend auf einen Neigungswinkel von 30° üblicherweise eine maximale Hysterese von bis zu etwa 4° aufweisen.
Ausführungsbeispiele stellen einen xMR-Sensor zur Verwendung als Drehzahlsensor bereit. Der xMR-Sensor weist bei hohen Neigungswinkeln zwischen dem Wandler- oder Polrad und dem xMR-Sensor keine oder eine niedrige Hysterese auf. Somit liefert der xMR-Sensor bezüglich sowohl der Gehäusetoleranz als auch der Einstellungstoleranz im Vergleich zu typischen linearen xMR-Sensoren eine erhöhte Robustheit.

Claims

Integrierte Schaltung, die folgende Merkmale aufweist: zwei erste benachbarte xMR-Strukturen (120, 122), wobei jede erste xMR-Struktur (120, 122) dahin gehend konfiguriert ist, ein erstes Magnetfeld zu erfassen; und zwei zweite benachbarte xMR-Strukturen (124, 126), die von den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) beabstandet sind, wobei jede zweite xMR-Struktur (124, 126) dahin gehend konfiguriert ist, ein zweites Magnetfeld zu erfassen; wobei die zwei ersten xMR-Strukturen und die zwei zweiten xMR-Strukturen derart konfiguriert sind, dass das durch einen Wandler an den zwei ersten xMR-Strukturen gelieferte erste Magnetfeld von dem durch den Wandler an den zwei zweiten xMR-Strukturen gelieferten zweiten Magnetfeld um 180° phasenverschoben ist, und wobei die erste In-Ebene-Magnetfeldkomponente von der zweiten In-Ebene-Magnetfeldkomponente um 180° phasenverschoben ist, wobei die zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) und die zwei zweiten xMR-Strukturen für In-Ebene-Magnetfeldkomponenten konfiguriert sind, die zu dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld senkrecht sind und von dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld, die auf die zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) und die zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) einwirken, um 90° phasenverschoben sind, wobei die ersten und zweiten xMR-Strukturen (120–126) geeignet sind, um eine variierende Magnetfeldrichtung zu detektieren, eine zu den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) benachbarte erste Leitung (209a), die dahin gehend konfiguriert ist, eine zu dem ersten Magnetfeld senkrechte, um 90° phasenverschobene erste In-Ebene-Magnetfeldkomponente zu liefern; und eine zu den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) benachbarte zweite Leitung (209b), die dahin gehend konfiguriert ist, eine zu dem zweiten Magnetfeld senkrechte, um 90° phasenverschobene zweite In-Ebene-Magnetfeldkomponente zu liefern.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) und die zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration elektrisch gekoppelt sind.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die erste Leitung (209a) oberhalb der zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) liegt, und bei der die zweite Leitung (209b) oberhalb der zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) liegt.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine dritte xMR-Struktur (128), die in der Mitte zwischen den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) und den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) angeordnet ist, wobei die dritte xMR-Struktur (128) eine zu dem ersten Magnetfeld senkrechte Anisotropieachse aufweist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 4, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Schaltung, die dahin gehend konfiguriert ist, einen Strom, der zu einem Widerstandswert der dritten xMR-Struktur (128) proportional ist, an die erste Leitung (209a) und die zweite Leitung (209b) zu liefern.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner folgende Merkmale aufweist: ein erstes Hall-Element (134a), das oberhalb oder unterhalb der zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) positioniert ist und das dahin gehend konfiguriert ist, ein erstes Signal zu liefern, das von einem zweiten Signal von den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) um 90° phasenverschoben ist; und ein zweites Hall-Element (134b), das oberhalb oder unterhalb der zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) positioniert ist und das dahin gehend konfiguriert ist, ein drittes Signal zu liefern, das von einem vierten Signal von den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) um 90° phasenverschoben ist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 6, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Schaltung, die dahin gehend konfiguriert ist, einen Strom auf der Basis des ersten Signals und des dritten Signals an die erste Leitung (209a) und die zweite Leitung (209b) zu liefern.
Integrierte Schaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Wandler ein Polrad (102), das eine Mehrzahl von magnetischen Dipolen (104a–104c) umfasst, oder ein Zahnrad in Kombination mit einem Rückvorspannungsmagneten umfasst.
Sensor, der folgende Merkmale aufweist: ein Wandlerrad, das dahin gehend konfiguriert ist, magnetische Wechselfelder zu liefern; zwei erste benachbarte xMR-Strukturen; zwei zweite benachbarte xMR-Strukturen, die von den zwei ersten xMR-Strukturen derart beabstandet sind, dass ein erstes Magnetfeld an den zwei ersten xMR-Strukturen, das durch das Wandlerrad geliefert wird, von einem zweiten Magnetfeld, das an den zwei zweiten xMR-Strukturen durch das Wandlerrad geliefert wird, um 180° phasenverschoben ist; und wobei die zwei ersten xMR-Strukturen und die zwei zweiten xMR-Strukturen derart bezüglich des Wandlerrades angeordnet sind, dass In-Ebene-Magnetfeldkomponenten, die zu dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld senkrecht sind und von dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld, die auf die zwei ersten xMR-Strukturen und die zwei zweiten xMR-Strukturen einwirken, um 90° phasenverschoben sind, auf dieselben einwirken, wobei die zwei ersten xMR-Strukturen und die zwei zweiten xMR-Strukturen dahin gehend konfiguriert sind, eine durch das sich drehende Wandlerrad erzeugte variierende Magnetfeldrichtung zu messen.
Sensor gemäß Anspruch 9, bei dem eine auf die zwei ersten xMR-Strukturen einwirkende erste In-Ebene-Magnetfeldkomponente von einer auf die zwei zweiten xMR-Strukturen einwirkenden zweiten In-Ebene-Magnetfeldkomponente um 180° phasenverschoben ist.
Sensor gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem die zwei ersten xMR-Strukturen und die zwei zweiten xMR-Strukturen in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration elektrisch gekoppelt sind.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das Wandlerrad ein Polrad oder ein Zahnrad in Kombination mit einem Rückvorspannungsmagneten aufweist.
Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen zweier erster benachbarter xMR-Strukturen (xMR = Magnetowiderstandseffekt) und zweier zweiter benachbarter xMR-Strukturen, die dahin gehend konfiguriert sind, um eine durch ein sich drehendes Wandlerrad erzeugte variierende Magnetfeldrichtung zu messen; Drehen eines Wandlers, um an den zwei ersten xMR-Strukturen ein erstes Magnetfeld zu liefern und um an den zwei zweiten xMR-Strukturen ein zweites Magnetfeld zu liefern, das von dem ersten Magnetfeld um 180° phasenverschoben ist; und Einstellen einer Ausrichtung des Wandlers bezüglich der zwei ersten xMR-Strukturen und der zwei zweiten xMR-Strukturen, um In-Ebene-Magnetfeldkomponenten, die zu dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld senkrecht sind und von dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld, die auf die zwei ersten xMR-Strukturen und die zwei zweiten xMR-Strukturen einwirken, um 90° phasenverschoben sind, zu erzeugen.
Verfahren zum Messen eines Magnetfeldes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen zweier erster benachbarter xMR-Strukturen (120, 122) und zweier zweiter benachbarter xMR-Strukturen (124, 126), die dahin gehend konfiguriert sind, um eine variierende Magnetfeldrichtung zu messen; Drehen des Wandlersrads (102), um an den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) ein erstes Magnetfeld zu liefern und um an den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) ein zweites Magnetfeld zu liefern, das von dem ersten Magnetfeld um etwa 180° phasenverschoben ist; und Erzeugen von In-Ebene-Magnetfeldkomponenten, die zu dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld senkrecht sind und von dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld, die auf die zwei ersten xMR-Strukturen und die zwei zweiten xMR-Strukturen einwirken, um etwa 90° phasenverschoben sind, Anlegen eines Stroms durch eine erste Leitung (209a) neben den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122), um eine zu dem ersten Magnetfeld senkrechte, um 90° phasenverschobene erste In-Ebene-Magnetfeldkomponente zu erzeugen; und Anlegen des Stroms durch eine zweite Leitung (209b) neben den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126), um eine zu dem zweiten Magnetfeld senkrechte zweite In-Ebene-Magnetfeldkomponente zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Anlegen des Stroms durch die zweite Leitung (209b) ein Anlegen des Stroms durch die zweite Leitung (209b), um eine zweite In-Ebene-Magnetfeldkomponente zu erzeugen, die von der ersten In-Ebene-Magnetfeldkomponente um 180° phasenverschoben ist, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, das ferner folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer dritten xMR-Struktur (128) in der Mitte zwischen den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122) und den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126), die eine zu dem ersten Magnetfeld senkrechte Anisotropieachse aufweist; und Erzeugen des Stroms auf der Basis eines Widerstandswerts der dritten xMR-Struktur (128).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, das ferner folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten Hall-Elements (134a) neben den zwei ersten xMR-Strukturen (120, 122), um ein erstes Signal zu liefern, das von einem zweiten Signal von den zwei ersten xMR-Strukturen (124, 126) um 90° phasenverschoben ist; Bereitstellen eines zweiten Hall-Elements (134b) neben den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126), um ein drittes Signal zu liefern, das von einem vierten Signal von den zwei zweiten xMR-Strukturen (124, 126) um 90° phasenverschoben ist; und Erzeugen des Stroms auf der Basis des ersten Signals und des dritten Signals.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem das Drehen des Wandlers (102) ein Drehen eines Wandlers, der eine Mehrzahl von magnetischen Dipolen aufweist, oder ein Drehen eines Wandlers, der ein Zahnrad in Kombination mit einem Rückvorspannungsmagneten aufweist, umfasst.