DE102011088710B4 - Magnetorsistive winkelsensoren - Google Patents

Abstract

Magnetoresistiver Winkelsensor, der folgende Merkmale aufweist:
eine erste Mehrzahl von Leitern (102a - 102n, 202b), die parallel zueinander in einer ersten Ebene angeordnet sind, um ein erstes Array zu bilden;
eine zweite Mehrzahl von Leitern (104a - 104n, 202a), die parallel zueinander in einer zweiten Ebene angeordnet sind, um ein zweites Array zu bilden, wobei die zweite Ebene unterschiedlich zu und beabstandet von der ersten Ebene ist und die zweite Mehrzahl von Leitern (104a - 104n, 202a) orthogonal im Hinblick auf die erste Mehrzahl von Leitern (102a - 102n, 202b) angeordnet ist;
zumindest ein magnetoresistives Element (206) zum Messen eines Winkels eines angelegten Magnetfelds, wobei das magnetoresistives Element (206) in der Nähe der ersten Ebene und der zweiten Ebene angeordnet ist; und
eine Sensorschaltungsanordnung (200), die konfiguriert ist, um einen ersten Winkel des angelegten Magnetfeldes zu messen, ohne Strom in der ersten und zweiten Mehrzahl aus Leitern (102a- 102n, 104a - 104n, 202b, 202a), und einen zweiten Winkel zu messen, mit einem Strom, der an die erste und zweite Mehrzahl aus Leitern (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) angelegt ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf integrierte Schaltungen und insbesondere auf magnetoresistive Winkelsensoren integrierter Schaltungen.
• Magnetoresistive (MR-) Winkelsensoren sind üblicherweise dünne, flache Strukturen, die auf einer Hauptoberfläche eines Substrats gebildet sind, wie z. B. einem Halbleiterchip. Die Projektion eines Magnetfelds auf diese Hauptoberfläche wird als das planare Magnetfeld bezeichnet. MR-Sensoren messen direkt den Winkel zwischen dem planaren Magnetfeld und einer Referenzrichtung in der Hauptoberfläche. MR-Sensoren messen jedoch üblicherweise nicht die Größe des Magnetfelds. Bei vielen Anwendungen ist dies ein Nachteil. Zum Beispiel weisen MR-Winkelsensoren üblicherweise einen kleinen Dauermagneten auf, der an den Schaft angebracht ist und dessen Position gemessen werden soll. Dieser Magnet kann jedoch abgelöst werden, abplatzten oder abbrechen oder kann ein loses Metallstück anziehen, das einen Teil des Magnetfelds kurzschließt. Diese und andere Situationen können Winkelmessfehler schaffen, die häufig nicht erfasst werden können. Es ist ferner vorteilhaft, die Stärke des Magneten über der Zeit zu überwachen, um Drift oder Korrosion über die Lebensdauer zu erfassen oder zu erfassen, ob starke Magnetfelder von nahe liegenden Maschinen und Systemen auf den Sensor wirken.
• Ein bestimmter Typ eines MR-Sensors ist ein anisotroper MR-Sensor oder AMR-Sensor. AMR-Sensoren sind häufig kostengünstiger, genauer und robuster als andere Sensoren. AMR-Sensoren können ferner den Magnetfeldwinkel messen, aber nur zwischen 0 Grad und 180 Grad. Für einige Anwendungen, wie z. B. eine Steuerwinkelpositionserfassung, ist es erwünscht, eine ganze Auflösung von 0 Grad bis 360 Grad zu messen.
• MR-Sensoren unterliegen ferner einer Hysterese zumindest teilweise aufgrund von Unreinheiten in den MR-Schichten, was bedeutet, dass das Ausgangssignal dem wahren Winkel des angelegten Magnetfelds um ungefähr 0,1 Grad bis ungefähr 1 Grad nacheilt. Dies ist ein weiterer Nachteil, der herkömmlichen MR-Sensoren zugeordnet ist.
• Die US 2006 / 0 038 558 A1 beschreibt eine Inspektionsvorrichtung für die Detektion von Fehlern in einem Bauteil. Die Inspektionsvorrichtung umfasst eine erste lineare Anordnung von Leitern und eine zweite lineare Anordnung von Leitern, die senkrecht zu der ersten linearen Anordnung von Leitern ist. Elektrische Ströme durch die erste und zweite Anordnung bewirken ein Magnetfeld in der Komponente, das unidirektionale Wirbelströme in dem Bauteil induziert. Wenn die unidirektionalen Wirbelströme auf einen Fehler in der Komponente treffen, werden Magnetfeldsignale in der Z-Richtung generiert. Die Inspektionsvorrichtung umfasst einen Magnetfeldsensor zur Detektion der Magnetfeldsignale in der Z-Richtung, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, einen Fehler in der Komponente anzeigt.
• Weitere Magnetfeldsensoren sind in der US 6 700 371 B2 und in der US 5 952 825 A beschrieben.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetoresistiven Winkelsensor und ein Verfahren zu schaffen, die eine zuverlässige und kostengünstige Messung eines Magnetfeldwinkels eines angelegten Magnetfeldes ermöglichen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1A ein Leitergitter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 1B ein Leitergitter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 1C die Leitergitter gemäß 1A und 1B zusammen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 2A eine Querschnittsansicht eines Sensorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 2B eine Draufsicht des Sensorsystems aus 2A;
• 3 eine Leiterkonfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 4 eine Magnetfeldrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel von 3;
• 5 ein Diagramm aus Magnetfeldern und Winkeln gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 6 ein Diagramm aus Magnetfeldern und Winkeln gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 7 ein Diagramm aus Magnetfeldern und Winkeln gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 9 ein Diagramm eines Entmagnetisierungsmusters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 10 ein Diagramm von angelegten Strömen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 11 eine Leiterkonfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 12 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 13A eine Leiterkonfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
• 13B die Leiterkonfiguration gemäß 13A.
• Während die Erfindung an verschiedene Modifikationen und alternative Formen angepasst werden kann, sind spezifische Details derselben beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden detailliert beschrieben. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass es nicht die Absicht ist, die Erfindung auf die bestimmten, beschriebenen Ausführungsbeispiele einzuschränken. Im Gegenteil, die Erfindung soll alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in das Wesen und den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert ist.
• Ausführungsbeispiele beziehen sich auf magnetoresistive (MR-) Sensoren zum Messen der Stärke bzw. Größe eines Magnetfelds, während auch ein Winkel des Magnetfelds für volle 360 Grad gemessen wird und die magnetische Hysterese reduziert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel können diese und andere Vorteile geschaffen werden durch Anordnen eines orthogonalen Stromgitters in der Nähe eines MR-Widerstands. Die MR-Sensoren können AMR-, Giant-MR- (GMR-) und/oder Tunnelungs-MR- (TMR-) Techniken bei Ausführungsbeispielen aufweisen, was hier allgemein als XMR bezeichnet wird.
• Bezug nehmend auf 1 zeigt 1A ein erstes Stromleitergitter 102. Ein Strom Iy kann in der angezeigten Richtung fließen, was zu einer Flussdichte Bx führt. 1B zeigt ein zweites Stromleitergitter 104. Jedes Array oder Gitter 102 und 104 weist eine Mehrzahl von Leitern 102a - 102n und 104a - 104n auf. Stromgitter 102 und 104 sind in unterschiedlichen Ebenen bei einem Ausführungsbeispiel angeordnet. Ein Strom Ix und eine Flussdichte -By sind ebenfalls gezeigt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Leiter 102a - 102n und 104a - 104n ungefähr 1 µm breite Drähte und ungefähr 0,6 µm beabstandet. Die bestimmten Ausrichtungen der Gitter 102 und 104 und die Ströme und Flussdichten sind nicht einschränkend, sondern eher anzeigend für ein Ausführungsbeispiel. Zusätzlich dazu können Gitter 102 und 104 mehr oder weniger Leiter aufweisen und/oder Leiter mit anderen relativen Größen und/oder Konfigurationen bei anderen Ausführungsbeispielen. Bei Ausführungsbeispielen weisen die Gitter 102 und 104 eine normale Aluminiumverdrahtung aus standardmäßigen CMOS- oder BIPOLAR-Halbleitertechniken auf, aber wenn die Aluminiumdrähte nicht in der Lage sind, die hohen Stromdichten zu führen, wie z. B. aufgrund von Elektromigrationseinschränkungen, können Kupferdrähte verwendet werden, die die Gefahr einer Elektromigration und auch die Selbsterwärmung der Schaltung reduzieren können.
• 1C zeigt ein Gitter 104, das auf das Gitter 102 überlagert ist. Diese Anordnung führt zu einer Flussdichte Bw in der Richtung φ, wenn Ströme Ix und Iy fließen. Die Richtung und Größe von Bw wird bestimmt durch die Layouts der Gitter 102 und 104, die relative Platzierung derselben und die Werte der Ströme Ix und Iy. Daher weist ein Sensorsystem Gitter 102 und 104 und zumindest einen XMR-Widerstand auf, der in der Nähe derselben angeordnet ist.
• Um den Chipbereich und Stromanforderungen zu reduzieren, sind die individuellen Leiter von jedem der Gitter 102 und 104 bei Ausführungsbeispielen seriell verbunden. Ferner, während die Gitter 102 und 104 unterschiedliche aber parallele Ebenen bei Ausführungsbeispielen belegen, kann die relative Anordnung der Ebenen sowie der XMR-Widerstände variieren. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die MR-Widerstände zwischen den Ebenen von Gitter 102 und 104 angeordnet, wobei die Leiter 102a - n und 104a - n jedes Gitters in Reihe und auf abwechselnde Weise verbunden sind.
• Bei anderen Ausführungsbeispielen weisen ein oder beide Gitter 102 und 104 jeweils eine Mehrzahl von Ebenen auf. Zum Beispiel kann das Gitter 102 in zwei Ebenen geteilt sein und das Gitter 104 kann ebenfalls in zwei Ebenen geteilt sein. Ein solches Ausführungsbeispiel weist daher vier Leiterebenen auf, zwei für jedes der Gitter 102 und 104.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 200. Bei System 200 ist ein erster Leiter 202b in einer ersten Ebene angeordnet und ein zweiter und dritter Leiter 202a und 202c sind in einer zweiten Ebene angeordnet, wobei ein MR-Streifen 206 zwischen denselben angeordnet ist. Durchgangslöcher 208 koppeln die obere und untere Leiterebene. 2A umfasst ferner eine Isolationsschicht 210. Das Sensorsystem 200 kann eine Mehrzahl von Isolationsschichten bei Ausführungsbeispielen aufweisen.
• Gitter 102 und 104 decken den gesamten XMR-Widerstand bei einem Ausführungsbeispiel ab. Bei Ausführungsbeispielen, die eine Mehrzahl von XMR-Widerständen aufweisen, sind alle innerhalb des Umfangs angeordnet, der durch die Gitter 102 und 104 gebildet ist. Andere Ausführungsbeispiele des Systems 200 können einen oder mehrere XMR-Widerstände 206 aufweisen. Ferner können die XMR-Widerstände 106 AMR-, Giantmagnetoresistiv (GMR-) oder eine andere geeignete MR-Technik aufweisen.
• Um die Anzahl der Leiterebenen zu reduzieren, verwendet ein anderes Ausführungsbeispiel den Bereich über und unter dem MR-Streifen 206 durch Kippen der Leiter 202, wie in 3 gezeigt ist. In 3 weist der Leiter 202 vier Leiterabschnitte 202a - d auf, wobei der XMR-Widerstand 206 zwischen den Ebenen des Leiters 202 angeordnet ist, obwohl mehr oder weniger Leiterabschnitte und/oder XMR-Streifen bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden können. Durchgangslöcher 208 verbinden Leiterabschnitte 202a - d, die in unterschiedlichen Leiterebenen angeordnet sind.
• Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind die Beiträge der Leiter 202a und 202c in der ersten Ebene und der Leiter 202b und 202d in der zweiten Ebene zu dem Bw-Feld nicht exakt parallel, wie in 4 dargestellt ist, was zu kleinen, nicht parallelen Komponenten führt. Wenn die Summe der Beiträge von dem oberen und unteren Leiter gleich ist, heben die Komponenten einander effektiv auf.
• System 200 kann die gemessenen Winkel mit und ohne Ströme Ix und Iy vergleichen, um zusätzliche Informationen über die Größe und den Halbraum, z. B. 0 - 180 Grad oder 180 - 360 Grad des angelegten Magnetfelds zu erhalten. Zusätzlich dazu können Strom Ix und Iy ein magnetisches Zitterfeld ausreichender Stärke überlagern, so dass die magnetische Historie des Systems 200 reduziert oder eliminiert wird, wodurch die magnetische Hysterese reduziert wird. Wiederum Bezug nehmend auf 1 wird bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem Leiter 102a - 102n und 104a - 104n ungefähr 1 µm und ungefähr 0,6 µm beabstandet sind und Ströme Ix und Iy ungefähr 1 mA sind, ein durchschnittliches Bx-Feld von ungefähr +/- 0,4 mT erzeugt an dem XMR 206 mit einem durchschnittlichen planaren Feld (Feld in der Ebene) von ungefähr 0,566 mT in jeder Richtung, das einen vollen 0 - 360-Grad-Bereich abdeckt, wie nachfolgend detaillierter erörtert wird.
• Bezug nehmend ferner auf 5 wird in Verwendung das Sensorsystem 200 mit Leistung versorgt und beginnt, Winkel φ₁ des angelegten Magnetfelds Ba zu messen, ohne Strom durch Gitter 102 und 104 zu leiten. Dann wird Strom an die Gitter 102 und 104 angelegt, was zu einem überlagerten, planaren Magnetfeld Bw führt, das senkrecht zu Ba ist und üblicherweise auch eine Größenordnung kleiner ist als Ba. Dann wird ein zweiter Winkel φ₂ gemessen, der unterschiedlich zu φ₁ ist, aufgrund der Addition von Bw: $$\text{tan}\left(\mathrm{\phi }2-\mathrm{\phi }1\right)=\frac{Bw}{Ba}$$

  
• Da Bw bekannt ist, kann Ba geschätzt werden: $$Ba=\frac{Bw}{tan\left(\mathrm{\phi }2-\mathrm{\phi }1\right)}=\frac{\sqrt{{\left(Cx\ast Ix\right)}^2+{\left(Cy\ast Ix\right)}^2}}{tan\left(\mathrm{\phi }2-\mathrm{\phi }1\right)}$$

  
• Cx und Cy sind Konstanten von ungefähr 0,4 µT/ µA, obwohl sie nicht identisch sind, da ein Gitter 104 näher an dem XMR-Widerstand 106 ist als das andere Gitter 102. Somit kann die Größe des Magnetfelds Ba bestimmt werden.
• Diese Methode funktioniert am Besten, wenn Ba und Bw nicht wesentlich unterschiedlich sind. Wenn z. B. Ba ungefähr 50 mT ist und Ba ungefähr 5 mT ist, ist φ₂ - φ₁ ungefähr 6 Grad. Wenn die Genauigkeit der XMR-Winkelmessung ungefähr 0,6 Grad ist, kann das Sensorsystem Ba mit einer Genauigkeit von ungefähr 0,6/6 = 10 % schätzen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Genauigkeit einer XMR-Winkelmessung nur ungefähr 1,5 Grad in dem vollen Bereich von 0 - 360 Grad sein kann, es ist jedoch viel besser, in einem schmalen Bereich von φ₁ - φ₁ + 6 Grad. Wenn das angelegte Feld nur ungefähr 25 mT ist, erhöht sich die Genauigkeit bei der Schätzung von Ba um einen Faktor von 2 auf ungefähr 5 %. Wenn das angelegte Feld viermal größer ist (200 mT), ist die Genauigkeit viermal kleiner (40 %).
• Es ist daher möglich, den Strom durch die Gitter 102 und 104 entsprechend einzustellen, wenn der Leistungsverbrauch des Sensorsystems kein wesentliches Problem ist. Bei Ausführungsbeispielen ist es möglicherweise nicht notwendig, diese Art von Messung kontinuierlich auszuführen; es kann stattdessen ausreichend sein, dies z. B. nur nach dem Einschalten bzw. Versorgen mit Leistung oder einmal pro Sekunde für eine Periode von 1 ms auszuführen, so dass der Arbeitszyklus 0,1 % ist. Es bestehen auch andere Möglichkeiten.
• Es ist möglich, das Vorzeichen von beiden Strömen Ix und Iy gleichzeitig bei einem Ausführungsbeispiel zu ändern und einen dritten Winkel φ₃ zu messen. Dann ist der Unterschied φ₃ - φ₂ zweimal so groß wie φ₂ - φ₁. Die angelegte planare Feldgröße ist dann: $$Ba=\frac{2\ast Bw}{tan\left({\mathrm{\phi }}_3-{\mathrm{\phi }}_2\right)}=2\ast \frac{\sqrt{{\left(Cx\ast Ix\right)}^2+{\left(Cy\ast Ix\right)}^2}}{tan\left({\mathrm{\phi }}_3-{\mathrm{\phi }}_2\right)}$$

  

  und somit ist die Genauigkeit der Ba-Schätzung zweimal so groß.
• Es ist ein Vorteil von Ausführungsbeispielen dieses Verfahrens, dass es nur die planare Feldgröße misst und nicht die außerplanare Größe, die irrelevant für das Verhalten von XMR-Winkelsensoren ist. Daher wäre es möglich, ein starkes Magnetfeld senkrecht zu den XMR-Bauelementen zu haben, ohne die Winkelmessung zu beeinflussen.
• Es ist nicht notwendig, beide Ströme Ix und Iy gleichzeitig anzulegen. Alternativ können die Ströme bei Ausführungsbeispielen wie folgt hintereinander angelegt werden: $$\text{Nur positiven Ix anlegen}\to \text{Messe }{\mathrm{\phi }}_1:\text{tan}\left({\mathrm{\phi }}_1\right)=\frac{Ba\ast sin\left(\phi \right)}{Ba\ast cos\left(\phi \right)+Cx\ast Iy}$$

  

  $$\text{Nur negativen Ix anlegen}\to \text{Messe }{\mathrm{\phi }}_2:\text{tan}\left({\mathrm{\phi }}_2\right)=\frac{Ba\ast sin\left(\phi \right)}{Ba\ast cos\left(\phi \right)-Cx\ast Iy}$$

  

  $$\text{Nur positiven Iy anlegen}\to \text{Messe }{\mathrm{\phi }}_3:\text{tan}\left({\mathrm{\phi }}_3\right)=\frac{Ba\ast sin\left(\phi \right)÷Cy\ast Iy}{Ba\ast cos\left(\phi \right)}$$

  

  $$\text{Nur negativen Iy anlegen}\to \text{Messe }{\mathrm{\phi }}_4:\text{tan}\left({\mathrm{\phi }}_4\right)=\frac{Ba\ast sin\left(\phi \right)-Cy\ast Ix}{Ba\ast cos\left(\phi \right)}$$

  
• Mit diesen vier Messungen ist es einfach, einen Schätzwert für Ba zu extrahieren: $$Ba=\sqrt{{\left(\frac{2\ast Cx\ast Iy}{ctg\left({\phi }_1\right)-ctg\left({\phi }_2\right)}\right)}^2+{\left(\frac{2\ast Cy\ast Ix}{ctg\left({\phi }_3\right)-ctg\left({\phi }_{\mathrm{4}}\right)}\right)}^2}$$

  
• Es ist ferner möglich, nur ein Stromgitter zu verwenden. Zum Beispiel wird bei einem Ausführungsbeispiel nur Stromgitter 102 verwendet. Wenn es in Betrieb häufig genug passiert (z. B. bei Motorantrieben), dass das angelegte Feld Ba in eine positive oder negative y-Richtung zeigt, kann das Sensorsystem Iy anlegen, um ein Feld Bw zu erzeugen, das in eine positive oder negative x-Richtung zeigt. Daher ist Bw senkrecht zu Ba und das System kann die gemessenen Winkel mit und ohne Bw verwenden, um die Amplitude von Ba zu schätzen. In der Praxis zeigt das Feld Ba vielleicht nicht genau in die y-Richtung, da das Sensorsystem das Magnetfeld nicht genau im richtigen Moment abtasten kann, insbesondere wenn die Geschwindigkeit des Drehmagneten hoch ist. In diesem Fall kann das Sensorsystem die geringe Fehlausrichtung von Ba in dem Moment der Abtastung nachweisen und kann sogar eine Änderung bei φ während der Messung mit und ohne Bw nachweisen, wie in dem nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiel erklärt wird.
• Bezug nehmend auf 6 sei angenommen, dass das Sensorsystem 100 mit einer konstanten Taktbasis arbeitet und den Winkel φ zu gleichmäßig beabstandeten Zeitpunkten abtastet, z. B. alle T = 80 µs. Das Sensorsystem 100 kann dann die Drehgeschwindigkeit schätzen durch: $$\omega =\frac{{\phi }_{N+1}-{\phi }_N}{T}$$

  
• Wobei φ_N , φ_N+1 der N-te und (N+1)-te Abtastwert des Winkels über Zeit sind. Aufgrund des großen Trägheitsmoments ändert der Schaft seine Drehgeschwindigkeit nicht wesentlich während zwei aufeinander folgenden Abtastwerten. Daher kann das Winkelsystem 200 bei jedem Abtastwert schätzen, ob der nächste Abtastwert den 90-Grad-Punkt kreuzt. Wenn der Drehwinkel φ den Winkel +/- 90 Grad kreuzt, ist das angelegte Feld parallel oder antiparallel zu der y-Achse. Wenn dieses Ereignis erfasst wird, wird ein Strom Iy durch das Stromgitter 102 während der gesamten nachfolgenden 80-µs-Periode geleitet. Somit wird während dieser Periode der Winkel nicht nur aufgrund der Geschwindigkeit des Schaftes, sondern auch aufgrund des zusätzlichen Feldes Bw des Stromgitters verschoben.
• Wenn kein Strom in dem Gitter 102 fließt (Iy = 0), ist nur das angelegte Magnetfeld, das aus dem Magneten stammt, der an den Drehschaft bzw. die Drehwelle (rotating shaft) angebracht ist, vorhanden. 6 zeigt das relevante Ereignis, dass der N-te Abtastwert des Drehwinkels kleiner ist als 90 Grad (φ_N < 90), wohingegen der (N+1)-te Abtastwert größer wäre als 90 Grad (φ_N+1 = φ_N + ωT > 90). Somit wird nach dem N-ten Abtastwert ein Strom Iy durch das Stromgitter 102 geleitet und erzeugt ein Feld Bw, das nicht genau orthogonal zu dem angelegten Feld ist, aber genau orthogonal zu der y-Achse ist, wobei die y-Achse definiert ist durch die Richtung der Vormagnetisierung für GMR-Widerstände oder TMR-Bauelemente und die Richtung des Stromflusses im Fall von AMR-Widerständen. Daher misst das Sensorsystem 100 φ'_N+1 anstelle von φ_N+1 . Mit dem Schätzwert φ_N+1 = φ_N + ωT und ω = (φ_N - φ_N-1)/T kann das Sensorsystem 100 die Größe bzw. Stärke des angelegten Magnetfelds messen mit: $$Ba=\frac{Bw}{cos\left({\phi }_N+\omega T\right)}\left(\frac{\text{tan}\left({\phi }_N+\omega T\right)}{\text{tan}\left(\phi {\text{'}}_{N+1}-{\phi }_N-\omega T\right)}\left(1+\text{tan}\left({\phi }_N+\omega T\right)\text{tan}\mathrm{\phi }{\text{'}}_{N+1}\right)-1\right)$$

  
• Das System kann bei Ausführungsbeispielen ferner verwendet werden, um den Einfluss von zusätzlichen (ungewollten) planaren Magnetfeldern Bd oder Störfeldern aufzuheben, solange die planare Größe des Feldes von dem Magneten Bm oder des Feldes von dem Magneten bekannt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel misst das System 100 den Drehwinkel dreimal: (i) ohne Ströme durch Gitter 102 und 104, (ii) nur mit Ix in dem Gitter 104 und (iii) nur mit Iy in dem Gitter 102. Das System 200 nimmt ein spezifisches Feld Ba an, das in der Richtung φ zeigt, wie aus der ersten Messung erhalten wird. Dann wird das By-Feld von Ix während der Phase (ii) addiert, und das System 100 vergleicht das vorhergesagte Ergebnis für φ mit dem gemessenen. Jeglicher Unterschied liegt an einem Störfeld Bd in der y-Richtung. Als Nächstes addiert System 200 das Bx-Feld von Iy währen der Phase (iii) und vergleicht das vorhergesagte Ergebnis für φ mit dem gemessenen, wobei jeglicher Unterschied an einem Störfeld Bd in der x-Richtung liegt.
• Bezug nehmend auf 7 und 8 liefern Ausführungsbeispiele ferner AMR-Messungen von 0 Grad bis 360 Grad. Wenn der AMR-Sensor entworfen ist, um Winkel von 0 Grad bis 180 Grad eindeutig ohne Verwendung der Stromgitter abzudecken, anders ausgedrückt, wenn der AMR-Sensor herkömmlich ist, kann der Sensor stattdessen 0 Grad bis ungefähr 360 Grad abdecken, ohne die Methode zu verwenden, die in 8 gezeigt ist.
• Bei 802 wird Winkel φ gemessen mit Ix = Iy = 0. Bei 804 werden Ix und Iy an die Gitter 102 und 104 derart angelegt, dass Bw orthogonal zu Ba ist und Bw in die positive y-Richtung zeigt und messen den Winkel φ'. Bei 806 werden die Winkel verglichen. Wenn φ' > φ, ist der Winkel gleich φ. Wenn φ' < φ, ist der Winkel gleich φ + 180 Grad.
• Ausführungsbeispiele können auch die Hysterese bei XMR-Winkelsensoren reduzieren oder beseitigen. Stromgitter 102 und 104 können verwendet werden, um ein orthogonales magnetisches Zittern auf das angelegte Magnetfeld zu überlagern. Wenn das Zittern stärker ist als die Hysterese, kann es die Hysterese aufheben. Das Prinzip ist, dass das überlagerte, magnetische Zittern die magnetische Geschichte des XMR-Winkelsensors so löscht, dass die Winkelablesung identisch ist für ansteigende oder abfallende Winkel. Bei Ausführungsbeispielen gibt es zwei Betriebsmodi, die im Wesentlichen dasselbe Ergebnis liefern: sequentiell und simultan.
• Bei einem Ausführungsbeispiel mit sequentiellem Modus kann das Zittern vor der Winkelmessung angelegt werden. Da das Sensorsystem die Richtung des angelegten Feldes kennen muss, muss es vorangehende Messungen des Winkels φ verwenden. Daher benötigt das System einen ersten Schätzwert von φ nach dem Einschalten, der auf übliche Weise ohne Zittern erhalten wird. Mit diesem Schätzwert kann das System ein Verhältnis der Ströme Iy/Ix berechnen, um ein Feld Bw zu erzeugen, das orthogonal zu Ba ist.
• Dann kann Bezug nehmend auf 9 ein Entmagnetisierungsmuster angelegt werden, wie gezeigt ist. Die exakte Zeitgebung des Musters ist irrelevant, obwohl es bei einem Ausführungsbeispiel so schnell wie möglich ist, da während des Pulses der Drehwinkel nicht gemessen werden kann. Andererseits kann es nachteilhaft sein, extrem hohe Frequenzen zu haben, da hohe Frequenzen eine Emission von elektromagnetischer Strahlung aus der Sensorschaltung verursachen können, was häufig nicht gewollt ist. Ferner sollte das Muster langsam genug sein, so dass die XMRs folgen; die weich magnetischen Bereiche in den XMRs haben eine gewisse Trägheit und können üblicherweise sehr schnellen Änderungen bei dem angelegten Magnetfeld nicht folgen. Typische XMR-Sensoren haben jedoch bis zu einigen MHz keine Schwierigkeiten, so dass das gesamte Muster nur wenige Mikrosekunden dauern kann. Da die elektrische Schaltung des Systems 200 diesem Signal nicht folgen muss, kann das magnetische Zittern bei hohen Frequenzen von mehr als dem Basisband der elektronischen Schaltung angelegt werden.
• Es kann bei einem Ausführungsbeispiel vorteilhaft sein, das Verhältnis zu verwenden $$\frac{Iy}{Ix}=\frac{Cx}{Cy}\text{tan}\left(\phi +/-90°\right)$$

  

  wo φ der Winkel von Ba ist, Bw senkrecht zu Ba ist und die Winkelabweichung des Gesamtmagnetfelds (Ba + Bw) maximiert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist es wichtig, dass diese Winkelabweichung größer ist als die Hysterese des Sensors, ohne Stromgitter 102 und 104, um die Hysterese herunterzuglätten. Es besteht jedoch kein Bedarf, eine extrem hohe Genauigkeit bei der Orthogonalität von Bw und Ba zu erreichen. Wenn es die Komplexität der Sensorschaltung reduziert und die Größen von Ix und Iy keine Herausforderung sind (d. h. keine Leistungseinschränkung), kann die Berechnung von Iy/Ix weg gelassen werden, wobei ein Dreh-Magnet-Zittern angelegt wird anstelle des oben erwähnten orthogonalen magnetischen Zitterns. Das Dreh-Zittern kann erzeugt werden durch Anlegen von Ix und Iy jeweils als Sinuswellen mit schwindender Amplitude und einer 90-Grad-Phasenverschiebung zwischen Ix und Iy, wie in 10 gezeigt ist.
• Bei einem Simultanmodusausführungsbeispiel ist das magnetische Zittern orthogonal und während der Messung des Winkels φ angelegt. Jede Messung von φ kann wiederholt werden: (1) während der ersten Messung ist ein Feld Bw orthogonal zu Ba angelegt und ein erster Winkel wird gemessen; und (2) während der zweiten Messung ist ein Feld (-1) * Bw angelegt und ein zweiter Winkel wird gemessen. Wenn sich das Magnetfeld im Uhrzeigersinn dreht, kann der abschließende Winkel als das Mittel des ersten und des zweiten gemessenen Winkels berechnet werden.
• Bezug nehmend auf 11 ist es zum Zweck des magnetischen Zitterns nicht notwendig, bei Ausführungsbeispielen dasselbe Bw-Feld an alle XMR-Widerstände anzulegen. Stattdessen kann Bw an ein XMR-Bauelement angelegt werden und (-1) * Bw an ein anderes XMR-Bauelement bei einem Ausführungsbeispiel, was die Konstruktion des Stromgitters einfacher machen kann.
• Es sei z. B. bei einem Ausführungsbeispiel angenommen, dass zwei AMR-Halbbrücken vorhanden sind, wobei die linke zwei AMR-Widerstände aufweist und jeder Widerstand zwei Streifen und Barberpole bei +/- 45 Grad zu der x-Achse aufweist. Der erste Widerstand mit Barberpolen bei +45 Grad zu der x-Achse ist zwischen eine Versorgungsspannung (Vs) und einen ersten Ausgang (Out1) geschaltet und der zweite Widerstand mit Barberpolen bei -45 Grad zu der x-Achse ist zwischen Out1 und ein Massepotential geschaltet. Die rechte Halbbrücke weist einen dritten AMR-Widerstand mit zwei Streifen in Reihe auf, jeder mit Barberpolen orthogonal zu der x-Achse, geschaltet zwischen Vs und einen zweiten Ausgang (Out2), und einen vierten AMR-Widerstand mit zwei Streifen in Reihe, jeden mit Barberpolen parallel zu der x-Achse, geschaltet zwischen Out2 und das Massepotential. Das Signal von jeder Halbbrücke wird erhalten durch Anlegen von 1 V bei Vs und Subtrahieren von 0,5 V von Out1 bzw. Out2. Die linke Halbbrücke liefert ein erstes Ausgangssignal von 0,5 * AMR / (2 + AMR) * sin(2 * φ) und die rechte Halbbrücke liefert ein zweites Ausgangssignal von 0,5 * AMR /(2 + AMR) * cos(2 * φ). Hier ist φ der Winkel zwischen dem angelegten Feld Ba und der x-Achse, wenn kein Strom durch das Stromgitter fließt.
• Bezug nehmend auf 11 ist ein System 1100, das die oben erwähnte Struktur aufweist, gezeigt, bei dem ein Stromgitter 1102 in der Form einer Spirale unter AMR-Widerständen 1106 und 1107 angeordnet ist. AMR-Widerstände 1106 und 1107 weisen auch Mehrebenen-Halbbrücken-Strukturen auf. Der Strom verursacht ein Magnetfeld (-1) * Bw an der linken Halbbrücke 1106 und ein Magnetfeld Bw an der rechten Halbbrücke 1107. Somit zeigen die Magnetfelder an den Halbbrücken 1106 und 1107 in unterschiedliche Richtungen. Das System 1100 sammelt dann alle Signale für beide Stromrichtungen und kombiniert sie.
• 12 zeigt eine Methode, die dem System 1100 zugeordnet ist. Bei 1202 werden Out1 und Out2 gemessen und φ wird berechnet ohne Strom (Vs = 0), der an den Leiter 1102 angelegt ist. Bei 1204 wird ein positiver Strom (+Vs) an den Leiter 1102 angelegt und Out1' und Out2' werden gemessen. Bei 1206 wird ein negativer Strom (-Vs) an den Leiter 1102 angelegt und Out1" und Out2" werden gemessen. Bei 1208 wird φ' unter Verwendung von Out1' und Out2" berechnet. Bei 1210 wird φ" unter Verwendung von Out1" und Out2' berechnet. Bei 1212 können φ' und φ" verwendet werden, um die Größe von Ba und/oder den Halbraum (0 - 180 Grad über 180 - 360 Grad) von Ba zu bestimmen, wie oben erörtert wurde.
• Somit ist es nicht notwendig, dasselbe Bw-Feld an alle XMR-Widerstände des Sensorsystems anzulegen. Stattdessen können unterschiedliche Bw-Felder an individuelle XMR-Streifen bei Ausführungsbeispielen zu einem Zeitpunkt angelegt werden, wenn das Sensorsystem verschiedene Ströme nacheinander an das Stromleitergitter anlegt. Wenn das Sensorsystem all diese Informationen sammelt, kann das System die gewünschten Werte bestimmen, wie z. B. die Größe von Ba und/oder die Halbraumausrichtung von Ba.
• Für eine Hystereseaufhebung mit magnetischem Zittern, wie oben erörtert wurde, ist es ebenfalls möglich, unterschiedliche Magnetfelder an jedem XMR-Streifen anzulegen, da das Vorzeichen des Bw-Feldes bei jedem XMR-Streifen irrelevant ist. Daher können die Serpentinenstromleiter 1302, wie in 13A gezeigt ist, bei Ausführungsbeispielen auch verwendet werden. XMR-Streifen 1306 sind ebenfalls gezeigt. Wie gezeigt ist, wechselt das Vorzeichen von Bw des Stromgitters 1302 bei benachbarten XMR-Streifen 1306.
• Das Ausführungsbeispiel von 13B jedoch funktioniert nicht so gut, da zwischen zwei benachbarten Zweigen des Stromleiters 1302 das Feld Bw bei beliebigen Strömen null ist. Der Grund dafür ist, dass sich das Feld benachbarter Leiter aufhebt. Daher erfahren XMR-Widerstände 1306 keine Feldabweichung an den angezeigten Punkten und an diesen Positionen kann das Stromgitter 1302 im Allgemeinen Hysteresewirkungen des XMR nicht beseitigen.
• Somit kann eine Serpentine einmal, aber nicht für beide, orthogonale Richtungen verwendet werden, um ein orthogonales magnetisches Zittern zu erzeugen. Nichtsdestotrotz ist es möglich, zwei Stromgitter zu verwenden, wo das erste die Serpentine ist, wie bei 13A, und das andere eine Spirale ist, wie bei 11 z. B. Wenn gedämpfte Sinusströme, die in Quadratur sind (d. h. 90 Grad Phasenverschiebung) bei einem Ausführungsbeispiel angelegt werden, werden Drehmagnetfelder mit schwindender Amplitude erzeugt, was die magnetische Geschichte von jedem XMR-Streifen entlang seiner gesamten Länge beseitigt.

Claims (24)

1. Magnetoresistiver Winkelsensor, der folgende Merkmale aufweist: eine erste Mehrzahl von Leitern (102a - 102n, 202b), die parallel zueinander in einer ersten Ebene angeordnet sind, um ein erstes Array zu bilden; eine zweite Mehrzahl von Leitern (104a - 104n, 202a), die parallel zueinander in einer zweiten Ebene angeordnet sind, um ein zweites Array zu bilden, wobei die zweite Ebene unterschiedlich zu und beabstandet von der ersten Ebene ist und die zweite Mehrzahl von Leitern (104a - 104n, 202a) orthogonal im Hinblick auf die erste Mehrzahl von Leitern (102a - 102n, 202b) angeordnet ist; zumindest ein magnetoresistives Element (206) zum Messen eines Winkels eines angelegten Magnetfelds, wobei das magnetoresistives Element (206) in der Nähe der ersten Ebene und der zweiten Ebene angeordnet ist; und eine Sensorschaltungsanordnung (200), die konfiguriert ist, um einen ersten Winkel des angelegten Magnetfeldes zu messen, ohne Strom in der ersten und zweiten Mehrzahl aus Leitern (102a- 102n, 104a - 104n, 202b, 202a), und einen zweiten Winkel zu messen, mit einem Strom, der an die erste und zweite Mehrzahl aus Leitern (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) angelegt ist.
2. Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem das zumindest eine magnetoresistive Element (206) aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem anisotropen magnetoresistiven (AMR-) Element, einem magnetoresistiven Tunnelungselement (TMR) oder einem Giant-Magnetoresistiven-Element (GMR).
3. Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste und zweite Mehrzahl aus Leitern (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) Drähte aufweist.
4. Sensor gemäß Anspruch 3, bei dem die Drähte entweder Aluminium oder Kupfer aufweisen.
5. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste Mehrzahl der Leiter (102a - 102n, 202b) seriell miteinander verbunden ist und die zweite Mehrzahl aus Leitern (104a - 104n, 202a) seriell miteinander verbunden ist.
6. Sensor gemäß Anspruch 5, bei dem die erste Mehrzahl aus Leitern (202b) eine dritte Mehrzahl aus Leitern (202d) aufweist, die seriell mit der ersten Mehrzahl aus Leitern (202b) verbunden ist und in einer dritten Ebene unterschiedlich zu der ersten und zweiten Ebene angeordnet ist, und die zweite Mehrzahl aus Leitern (202a) eine vierte Mehrzahl aus Leitern (202c) aufweist, die seriell mit der zweiten Mehrzahl aus Leitern (202a) verbunden und in einer vierten Ebene unterschiedlich zu der ersten, zweiten und dritten Ebene angeordnet ist.
7. Sensor gemäß Anspruch 6, bei dem die erste und dritte Mehrzahl aus Leitern (202b, 202d) und die zweite und vierte Mehrzahl aus Leitern (202a, 202c) jeweils seriell durch Durchgangslöcher verbunden sind.
8. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die erste und zweite Ebene parallel sind.
9. Sensor gemäß Anspruch 8, bei dem das zumindest eine magnetoresistive Element (206) parallel zu der ersten und zweiten Ebene angeordnet ist.
10. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die erste und zweite Mehrzahl aus Leitern (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) einen Umfang definieren und bei dem das zumindest eine magnetoresistive Element (206) innerhalb des Umfangs angeordnet ist.
11. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Sensorschaltungsanordnung (200) konfiguriert ist, um eine Größe des angelegten Magnetfeldes aus dem ersten und zweiten Winkel zu bestimmen.
12. Sensor gemäß Anspruch 11, bei dem die Sensorschaltungsanordnung (200) konfiguriert ist, um einen dritten Winkel des angelegten Magnetfeldes mit einem zweiten Strom eines entgegengesetzten Vorzeichens im Hinblick auf den ersten Strom zu messen, der an die erste und zweite Mehrzahl von Leitern (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) angelegt ist, und um die Größe des angelegten Magnetfeldes aus dem ersten, zweiten und dritten Winkel zu bestimmen.
13. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Sensorschaltungsanordnung (200) konfiguriert ist, um aus dem ersten und zweiten Winkel zu bestimmen, ob ein Winkel des angelegten Magnetfelds im Bereich von 0 - 180 Grad oder 180 - 360 Grad ist.
14. Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Sensorschaltungsanordnung (200) konfiguriert ist, um sich ändernde Ströme an zumindest entweder die erste oder zweite Mehrzahl von Leitern (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) anzulegen, um die Hysterese in dem Sensor zu reduzieren.
15. Sensor gemäß Anspruch 14, bei dem die Ströme angelegt werden, um ein Entmagnetisierungsmuster zu bewirken.
16. Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer ersten Ebene aus parallelen Leitern (102a - 102n, 202b) beabstandet von und orthogonal angeordnet relativ zu einer zweiten Ebene aus parallelen Leitern (104a - 104n, 202a); Bereitstellen von zumindest einem magnetoresistiven Element (206) zwischen der ersten und der zweiten Ebene; Messen, durch das magnetoresistive Element (206), eines ersten Winkels eines angelegten Magnetfeldes ohne Strom, der an die erste und zweite Ebene aus parallelen Leitern angelegt ist; und Messen, durch das magnetoresistive Element (206), eines zweiten Winkels eines angelegten Magnetfeldes mit einem ersten Strom, der an die erste und die zweite Ebene aus parallelen Leitern (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) angelegt ist.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner das Bestimmen einer Größe des angelegten Magnetfeldes aus dem ersten und zweiten Winkel aufweist.
18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, das ferner folgende Schritte aufweist: Messen eines dritten Winkels des angelegten Magnetfeldes mit einem zweiten Strom eines entgegengesetzten Vorzeichen im Hinblick auf den ersten Strom, der an die erste und zweite Ebene der Leiter (102a- 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) angelegt ist; und Bestimmen einer Größe eines angelegten Magnetfeldes aus dem ersten, zweiten und dritten Winkel.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, das ferner aus dem ersten und zweiten Winkel bestimmt, ob ein Winkel des angelegten Magnetfelds im Bereich von 0 - 180 Grad oder 180 - 360 Grad ist.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, das ferner das Anlegen von sich ändernden Strömen an zumindest entweder die erste oder zweite Ebene aus Leitern (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) aufweist, um Hysterese zu reduzieren.
21. Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines ersten Leiters (102a - 102n, 202b), der eine Mehrzahl von seriell verbundenen Leiterabschnitten aufweist, die im Wesentlichen parallel angeordnet sind; Bereitstellen eines zweiten Leiters (104a - 104n, 202a), der eine Mehrzahl von seriell verbundenen Leiterabschnitten aufweist, die im Wesentlichen parallel angeordnet sind; Bereitstellen von zumindest einem magnetoresistiven (206) Element; Anordnen des ersten und zweiten Leiters (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) im Wesentlichen parallel zu und beabstandet voneinander, wobei die Leiterabschnitte des ersten Leiters (102a - 102n, 202b) im Wesentlichen senkrecht im Hinblick auf die Leiterabschnitte des zweiten Leiters (104a - 104n, 202a) sind; Anordnen des zumindest einen magnetoresistiven (206) Elements im Wesentlichen parallel zu und zwischen dem ersten und zweiten Leiter (102a- 102n, 104a - 104n, 202b, 202a); Anlegen eines ersten Magnetfeldes; Messen, durch das magnetoresistive Element (206), eines ersten Winkels des ersten Magnetfeldes, ohne das ein Strom in dem ersten und dem zweiten Leiter (102a- 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) fließt; Induzieren eines zweiten Magnetfeldes durch Verursachen, dass ein Strom in zumindest entweder dem ersten oder dem zweiten Leiter (102a - 102n, 104a - 104n, 202b, 202a) fließt; und Messen, durch das magnetoresistive Element (206), eines zweiten Winkels eines Magnetfeldes, das aus dem ersten Magnetfeld und dem zweiten Magnetfeld resultiert.
22. Verfahren gemäß Anspruch 21, das ferner das Koppeln der Sensorschaltungsanordnung (200) mit dem zumindest einen magnetoresistiven Element (206) aufweist, wobei das Messen des ersten Winkels und das Messen des zweiten Winkels durch die Sensorschaltungsanordnung (200) ausgeführt werden.
23. Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, das ferner das Bestimmen einer Größe des ersten Magnetfeldes aus dem ersten und zweiten Winkel aufweist.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, das ferner das Bestimmen eines Halbraums des ersten Winkels aus dem ersten und zweiten Winkel aufweist.

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