DE102012203592A1

DE102012203592A1 - Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102012203592A1
Application number: DE102012203592A
Authority: DE
Inventors: Armin Satz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2012-09-13
Also published as: CN102680916B; CN102680916A; US20120229128A1

Abstract

Ausführungsbeispiele, die sich auf Magnetfeldsensoren beziehen, sind beschrieben und dargestellt.

Description

Magnetfeldsensoren werden heutzutage bei vielen Anwendungen verwendet zum Bestimmen eines Betrags eines Magnetfelds, eines Winkels eines Magnetfelds oder anderer Eigenschaften, die sich auf Magnetfelder beziehen. Beispiele solcher Anwendungen umfassen Stromsensoren, die einen elektrischen Strom messen durch das Magnetfeld, das durch den Strom erzeugt wird, Winkelsensoren zum Erfassen eines Winkels eines drehbaren Magnetfelds, wie z. B. eines Magnetfelds, das durch ein drehbares Element erzeugt wird, oder einen Geschwindigkeitssensor zum Bestimmen einer Dreh- oder anderen Geschwindigkeit eines Elements durch Messen des Magnetfelds. Zum Messen von Magnetfeldern sind verschiedene Sensortypen bekannt. Neben Hall-Sensoren werden XMR-Sensoren immer bedeutender zum Messen von Magnetfeldern. XMR-Sensoren sind magnetoresistive Sensoren, die auf einem magnetoresistiven Effekt basieren, wo das „X” als Platzhalter steht für die verschiedenen Typen von magnetoresistiven Effekten. XMR-Sensoren umfassen beispielsweise GMR-Sensoren (GMR = giant magnetoresistance), AMR-Sensoren (AMR = anisotropic magnetoresistance), CMR-Sensoren (CMR = colossal magnetoresistance) und TMR (TMR = tunnel magnetoresistance).
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein Magneterfassungsbauelement, einen Sensor zum Bestimmen eines Winkels oder einer Dreheigenschaft eines drehbaren Elements mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2A, 2B und 2C Beispieldiagramme, die den Betrieb von XMR-Sensoren darstellen;
3A und 3B Beispiele, die Magnetvektoren gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellen;
4A und 4B Diagramme gemäß einem Ausführungsbeispiel mit mehreren XMR-Elementen; und
5 ein Flussdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die folgende detaillierte Beschreibung erläutert beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Die Beschreibung ist nicht in einem begrenzenden Sinne zu sehen, sondern dient nur dem Zweck der Darstellung der allgemeinen Prinzipien von Ausführungsbeispielen, während der Schutzbereich nur durch die angehängten Ansprüche bestimmt ist.
Bei den beispielhaften Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen gezeigt und nachfolgend beschrieben sind, kann jede direkte Verbindung oder Kopplung zwischen Funktionsblöcken, Bauelementen, Komponenten oder anderen physikalischen oder funktionalen Einheiten, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, auch implementiert werden durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung. Funktionsblöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination daraus implementiert sein.
Ferner ist klar, dass die Merkmale der verschiedenen beispielhaften Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden können, es sei denn, dies ist spezifisch anderweitig angemerkt.
In den verschiedenen Figuren können identischen oder ähnlichen Entitäten, Modulen, Bauelementen usw. die gleichen Bezugszeichen zugewiesen sein.
Mit Bezugnahme auf 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Magnetfeldsensors 100 zum Messen zumindest einer Eigenschaft eines Messmagnetfelds gezeigt. Das Messmagnetfeld, das durch den Magnetfeldsensor 100 gemessen wird, kann typischerweise ein externes Magnetfeld sein, wie z. B. ein Magnetfeld, das durch eine Bewegung oder Drehung eines Objekts verursacht wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Messmagnetfeld beispielsweise ein Magnetfeld umfassen, das von einer spezifischen Position oder einem Drehwinkel eines Elements abhängt und es ermöglicht, dieselbe/denselben zu bestimmen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Magnetfeldsensor 100 beispielsweise ein Winkelsensor sein, der in der Lage ist, eine Dreh- oder Raumrichtung eines Magnetfelds zu messen, was das Identifizieren eines Drehwinkels des Elements ermöglicht, oder ein Geschwindigkeitssensor zum Messen einer Drehgeschwindigkeit eines Elements. Der Magnetfeldsensor 100 ist jedoch nicht auf die oben beschriebenen Typen begrenzt.
Der Magnetfeldsensor 100 weist ein XMR-Erfassungselement 110 zum Erfassen eines Magnetfelds auf. Das XMR-Erfassungselement 110 kann von jedem bekannten XMR-Typ sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, GMR (giant magnetoresistance), AMR (anisotropic magnetoresistance), CMR (colossal magnetoresistance), TMR (tunneling magnetoresistance) usw. Das XMR-Erfassungselement 110 kann beispielsweise einen einzelnen XMR-Streifen, mehrere XMR-Streifen, die beispielsweise in einer spezifischen Konfiguration angeordnet sind, wie z. B. einer Wheatstone-Brückenkonfiguration, oder anderen Konfigurationstypen, die zum Erfassen von Magnetfeldern verwendet werden. Das XMR-Erfassungselement 110 ist konfiguriert zum Erfassen eines Magnetfelds, das an dem XMR-Erfassungselement 110 vorliegt durch eine Änderung eines elektrischen Widerstands. Abhängig von der spezifischen Konfiguration kann das XMR-Erfassungselement 110 typischerweise das Magnetfeld erfassen durch Bereitstellen einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms, die/der zumindest eine Eigenschaft des Magnetfelds anzeigt, das an dem XMR-Erfassungselement vorliegt.
2A zeigt eine typische Widerstandscharakteristik eines GMR-Erfassungselements als eine Funktion eines Magnetfelds.
Wie es von 2A ersichtlich ist, erfährt der Widerstand für Magnetfelder mit einem Betrag, der höher ist als eine Sättigungsgrenze B_lim, eine Sättigung. In der Sättigungsregion ist der Widerstand entweder bei dem niedrigsten Wert Rmin oder bei dem höchsten Wert Rmax, abhängig von der Richtung des Magnetfelds, und bleibt etwa bei dem jeweiligen Sättigungspegel.
Zum Erfassen von Magnetfeldern umfassen XMR-Erfassungselemente eine Magnetschicht, die magnetisierbares Material aufweist. Wenn ein Magnetfeld erfasst wird, wird das magnetisierbare Material in der Richtung des externen Messmagnetfelds magnetisiert. Anders ausgedrückt, die Magnetisierung der Magnetschicht folgt der Magnetisierung des externen Messfelds. Der Winkel dieser Magnetisierung der Magnetschicht bestimmt den Widerstand des XMR-Sensorelements, was die Verwendung des XMR-Elements als Sensor ermöglicht.
Während starke Magnetfelder eine volle Magnetisierung der Magnetschicht in der Richtung des externen Magnetfelds erzwingen, werden für schwache Magnetfelder nur Teile oder Bereiche der Magnetschicht in der Richtung des Messfelds magnetisiert, während andere Teile oder Bereiche nach wie vor Magnetisierungen in anderen Richtungen haben. Da der Widerstand der XMR-Erfassungselemente von dem Winkel der Magnetisierung in der Magnetschicht abhängt, ist klar, dass für schwache Messmagnetfelder ein weiterer Anstieg des Betrags des Messmagnetfelds dazu führt, dass mehr Bereiche in der gleichen Richtung ausgerichtet sind und sich daher der Widerstand ändert. In dem Sättigungszustand ist das Messmagnetfeld stark genug, um zu bewirken, dass die Magnetschicht vollständig magnetisiert ist und daher jeder weitere Anstieg des Magnetfelds keine weitere Änderung bei dem Widerstand verursacht.
Für viele Anwendungen von XMR-Sensoren, wie z. B. bei Winkel- oder Dreherfassungsanwendungen, ist es wünschenswert, das XMR-Erfassungselement in Sättigung zu betreiben, d. h. dass der Betrag des Messmagnetfeldvektors die Sättigungsgrenze überschreitet. Das Messmagnetfeld ist das Magnetfeld, für das zumindest eine Eigenschaft, wie z. B. eine Winkel- oder Drehgeschwindigkeit, durch den XMR-Sensor bestimmt werden soll. Bei Anwendungen wie Geschwindigkeitssensoren oder Winkelsensoren ist das Messmagnetfeld typischerweise mit einem drehbaren Objekt verbunden. 2B zeigt ein Beispiel eines Winkelsensors 200. Ein Magnet 210 mit einem Südpol 210A und einem Nordpol 210B ist auf einem Objekt 202 befestigt, das angeordnet ist, um um eine Achse 204 herum drehbar zu sein. Der Magnetfeldsensor 100 ist vorgesehen, um einen Winkel des Objekts 202 zu erfassen durch Messen eines Winkels des Messmagnetfelds, das durch das Objekt 202 erzeugt wird.
Falls jedoch der Vektor des Messmagnetfelds M unter der Sättigungsgrenze liegt, können die XMR-Erfassungselemente als außerhalb des Betriebsbereichs angesehen werden, wie es in 2C angezeigt ist.
Ausführungsbeispiele, wie sie hierin beschrieben werden, stellen ein neues Konzept bereit zum Adressieren des Messens von zumindest einer Eigenschaft von Magnetfeldern, wie z. B. einer Winkel- oder Drehgeschwindigkeit des Messmagnetfelds, wenn der Betrag des Messfelds niedrig ist, wie z. B. unter der Sättigungsgrenze. Das neue Konzept verwendet ein Hilfsmagnetfeld, das erzeugt wird, um an der Position des XMR-Erfassungselements einen zusammengesetzten Magnetvektor zu haben als Folge der Vektoraddition des Messmagnetvektors und des Hilfsmagnetvektors. Bei Ausführungsbeispielen überschreitet der Betrag des resultierenden zusammengesetzten Magnetvektors die Sättigungsgrenze zumindest während einer Erfassungsphase, die es dem Magnetfeldsensor erlaubt, den zusammengesetzten Magnetvektor über der Sättigungsgrenze zu erfassen. Basierend auf den Informationen des erfassten zusammengesetzten Magnetvektors und den Eigenschaften des Hilfsmagnetfelds kann zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds abgeleitet werden.
3A zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel des neuen Konzepts darstellt, bei dem ein Hilfsmagnetfeldvektor A durch Vektoraddition zu dem Messmagnetvektor M addiert wird, um einen resultierenden zusammengesetzten Magnetvektor C zu erhalten. In 3A ist der Betrag des zusammengesetzten Magnetvektors C durch Addieren des Hilfsmagnetfeldvektors über der Sättigungsgrenze, was das Erfassen des zusammengesetzten Vektors C in der Sättigungsgrenze des XMR-Erfassungselements erlaubt.
Es ist zu erkennen, dass das Hilfsmagnetfeld 112A als ein Modulationsmagnetfeld angesehen werden kann, sodass das Messmagnetfeld auf das Hilfsmagnetfeld moduliert wird, um ein Magnetfeld einzurichten, das die Sättigungsgrenze des XMR-Erfassungselements überschreitet und durch das XMR-Erfassungselement erfasst wird.
Mit erneuter Bezugnahme auf 1 ist ein Hilfsmagnetfeldgenerator 112 vorgesehen, um ein Hilfsfeld 112A zu erzeugen, wie es oben beschrieben ist.
Durch Implementieren des Hilfsmagnetfelds 112A ist der Magnetfeldsensor 100 in der Lage, Eigenschaften von Messmagnetfeldern zu messen, die kleiner sind als eine Sättigungsgrenze der XMR-Erfassung. Es ist hier anzumerken, dass die Bereitstellung des Hilfsmagnetfelds 112A nicht dazu dient, das XMR-Erfassungselement allgemein funktional zu machen für Magnetfeldmessungen. Anders ausgedrückt, das XMR-Erfassungselement ohne das Hilfsmagnetfeld kann ein voll funktionsfähiges Erfassungselement sein. Das Hilfsmagnetfeld 112A wird jedoch zu dem Messmagnetfeld addiert, um an dem XMR-Erfassungselement 112 einen resultierenden zusammengesetzten Magnetfeldvektor bereitzustellen, der die Sättigungsgrenze des XMR-Erfassungselements 112 überschreitet, um für kleine Messfelder eine Messung mit voller Sättigung der variablen Magnetschicht zu ermöglichen.
Der Magnetfeldgenerator 112 kann bei einigen Ausführungsbeispielen einen Generator umfassen, der in der Lage ist, Magnetfelder zu erzeugen, die im Betrag und/oder der Richtung variabel sind. Ein Beispiel eines solchen Magnetfeldgenerators kann beispielsweise eine Spule umfassen. Der elektrische Strom, der durch die Spule fließt, kann durch eine Steuerung gesteuert werden, um das Hilfsmagnetfeld 112A zumindest während einer Erfassungsphase mit einem vordefinierten Betrag und einer vordefinierten Richtung zu erzeugen, sodass der erfasste resultierende zusammengesetzte Magnetvektor die Sättigungsgrenze des XMR-Erfassungselements überschreitet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen erzeugt der Hilfsmagnetfeldgenerator 112 permanent das Magnetfeld. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann der Hilfsmagnetfeldgenerator 112 beispielsweise einen Permanentmagneten umfassen mit permanent magnetisiertem Material zum Erzeugen des Hilfsmagnetfelds. Das Hilfsmagnetfeld kann jedoch bei einigen Ausführungsbeispielen auf andere Weisen permanent erzeugt werden, beispielsweise durch einen Permanentstrom, der durch eine Spule fließt, usw.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das Hilfsmagnetfeld nur lokal an der Position des XMR-Erfassungselements erzeugt. Bei einigen Ausführungsbeispielen können Magnetflussformungselemente verwendet werden, um das Hilfsmagnetfeld zu formen, um beispielsweise das Feld lokal an der Position des XMR-Erfassungselements 110 zu konzentrieren.
Bei einigen Ausführungsbeispielen hat das erzeugte Hilfsmagnetfeld 112A an der Position des XMR-Erfassungselements 110 einen Betrag, der gleich wie oder höher als eine Sättigungsgrenze des XMR-Erfassungselements 110 ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen das erzeugte Hilfsmagnetfeld 112A an der Position des XMR-Erfassungselements 110 einen Betrag aufweisen, der etwas geringer oder höher als die Sättigungsgrenze des XMR-Erfassungselements 110 ist. Die Sättigungsgrenze hängt von dem Material und dem Typ der XMR-Sensoren ab. Typischerweise ist die Sättigungsgrenze in dem Bereich zwischen 0,5 mTesla und 5 mTesla. Daher kann das erzeugte Hilfsmagnetfeld 112A bei einigen Ausführungsbeispielen an der Position des XMR-Erfassungselements 110 einen Betrag in dem Bereich zwischen 0,5 mTesla und 20 mTesla haben. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das erzeugte Hilfsmagnetfeld 112A an der Position des XMR-Erfassungselements 110 einen Betrag in dem Bereich zwischen 0,5 mTesla und 5 mTesla haben. Es wird angemerkt, dass der Hilfsmagnetfeldgenerator 112 in ein gleiches Gehäuse integriert sein kann wie das XMR-Erfassungselement 110, oder extern vorgesehen sein kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Hilfsmagnetfeldgenerator 112 auf einem gleichen Chip integriert sein wie das XMR-Erfassungselement.
Um Informationen bezüglich der einen oder der mehreren Eigenschaften des Messmagnetfelds zu extrahieren, kann das erfasste Ausgangssignal von dem XMR-Erfassungselement 110 zu einer Messeinheit 114 übertragen werden, wie es in 1 angemerkt ist. Die Messeinheit 114 kann entweder auf der gleichen Vorrichtung integriert sein wie das Sensorelement 110 oder kann extern sein. Die Messeinheit 114 kann rein in Hardware implementiert sein, beispielsweise als Zustandsmaschine implementiert sein, oder rein in Software oder Firmware implementiert sein, oder eine Kombination daraus.
Die Messeinheit 114 bestimmt zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds basierend auf dem Ausgangssignal des XMR-Erfassungselements 110. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bestimmte Eigenschaft des Messmagnetfelds eine Winkelposition eines drehbaren Magnetfelds sein, das auf einer Winkelposition eines drehbaren Objekts basiert. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bestimmte Eigenschaft eine Drehgeschwindigkeit eines drehbaren Magnetfelds sein.
Um die zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds zu bestimmen, verwenden einige Ausführungsbeispiele Informationen, die sich auf einen Beitrag des erzeugten Hilfsmagnetfelds zu einem Ausgangssignal des XMR-Erfassungselements 110 beziehen, um die zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds basierend auf dem Ausgangssignal zu berechnen. Solche Informationen können beispielsweise Informationen umfassen, die sich auf den Betrag und die Richtung des Hilfsmagnetfelds beziehen. Der Beitrag des Hilfsmagnetfeldvektors an der Position des XMR-Erfassungselements kann dann berücksichtigt werden, wenn das Ausgangssignal des XMR-Erfassungselements analysiert wird und die zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds bestimmt wird. Die Eigenschaft des Messmagnetfelds wird hierbei bestimmt basierend auf Informationen bezüglich des Einflusses, den der addierte Hilfsmagnetfeldvektor auf das Ausgangssignal des XMR-Erfassungselements hat, d. h. die Modifikation des XMR-Erfassungselementausgangssignals, verursacht durch das Vorliegen des Hilfsmagnetfelds. Die zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds kann beispielsweise bestimmt werden durch eine Berechnung, die der Subtraktion des Hilfsmagnetfeldvektors entspricht. Ferner können solche Informationen beispielsweise das Abbilden von Informationen umfassen, die während eines Trainings, einer Kalibrierung oder eines Testens des Magnetfeldsensors erhalten und gespeichert werden.
Die Abbildungsinformationen können beispielsweise Werte umfassen, die auf dem Beobachten und Speichern von Ausgangssignalwerten des XMR-Erfassungselements 110 basieren, die während des Trainings, der Kalibrierung oder dem Testen erhalten werden, wenn ein Referenzmessmagnetfeld angelegt ist. Eine Abbildung der Ausgangssignale auf die jeweiligen Werte des angelegten Referenzmessmagnetfelds kann angelegt und gespeichert werden. Die Abbildungsinformationen können eine Abbildung der Ausgangssignalinformationen von dem XMR-Erfassungselement 110 auf Werte von zumindest einer Eigenschaft des Messmagnetfelds anzeigen. Beispielsweise können die Abbildungsinformationen eine Abbildung der Ausgangssignalinformationen des XMR-Erfassungselements auf Werte eines Winkels des Magnetfelds umfassen, oder direkt auf einen Winkel des Objekts, das das Magnetfeld verursacht. Die Abbildungsinformationen können verwendet werden durch Verwenden statistischer oder anderer Verfahren oder Algorithmen, wie z. B. Interpolations- oder Extrapolationstechniken, um einen Wert für die zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds zu bestimmen.
3B zeigt ein Beispiel an, um eine Abbildung eines Winkels Ψ des erfassten zusammengesetzten Magnetfelds auf einen Winkel Φ eines Messmagnetfelds M zu zeigen. Es wird angemerkt, dass bei dem Ausführungsbeispiel von 3B davon ausgegangen wird, dass die Messung für die unterschiedlichen Winkel Φ einen gleichen Betrag hat. Von 3B ist ersichtlich, dass zwischen 0 und 180 Grad jeder Winkel Φ eines Messmagnetfelds M einem spezifischen Winkel Ψ des erfassten zusammengesetzten Magnetfelds C entspricht.
5 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms 500 zum Messen zumindest einer Eigenschaft des Messmagnetfelds. Das Flussdiagramm beginnt bei 502 durch Erzeugen eines Hilfsmagnetfelds zusätzlich zu einem Messmagnetfeld. Bei 504 wird das resultierende zusammengesetzte Magnetfeld durch Verwenden des XMR-Elements erfasst. Bei 506 wird zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds bestimmt basierend auf der Erfassung des resultierenden zusammengesetzten Magnetfelds.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Messeinheit 114 auch eine Anzeige oder Bestimmung bereitstellen, ob der Betrag des Messsignals niedriger ist als die Sättigungsgrenze.
Mit Bezugnahme auf 4A ist ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Magnetfeldsensors gezeigt, der mehr als ein XMR-Erfassungselement bereitgestellt hat, um eine Eigenschaft des Messmagnetfelds zu bestimmen.
Obwohl dieselben eine vergrößerte Fläche haben, kann die Nutzung von mehr als einem XMR-Erfassungselement für einige Ausführungsbeispiele vorteilhaft sein, beispielsweise um sicherzustellen, dass zumindest eines der XMR-Erfassungselemente für jedes mögliche Messmagnetfeld ein zusammengesetztes Magnetfeld über der Sättigungsgrenze hat.
Obwohl 4A ein Ausführungsbeispiel mit vier XMR-Erfassungselementen 110 zeigt, ist anzumerken, dass jede andere Mehrzahl von XMR-Erfassungselementen, wie z. B. zwei, drei, fünf oder mehr, bei anderen Ausführungsbeispielen implementiert werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 4A sind die vier XMR-Erfassungselemente 110 entlang einem Kreis verteilt. Jede andere symmetrische oder asymmetrische Anordnung oder Verteilung von XMR-Erfassungselementen 112 kann jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen enthalten sein.
Ferner hat jedes der XMR-Erfassungselemente 112 ein entsprechendes Hilfsmagnetfeld, wobei sich jede Richtung von den anderen Richtungen unterscheidet. Bei dem in 4A gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Betrag jedes Hilfsmagnetfelds an der Position des entsprechenden XMR-Erfassungselements 112 gleich. Andere Ausführungsbeispiele können jedoch variierende Beträge enthalten.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 4A sind die vier Hilfsmagnetfeldvektoren symmetrisch angeordnet, d. h. in Richtungen, die 360°/n entsprechen, mit n = 4. Andere Ausführungsbeispiele können jedoch eine nichtsymmetrische Anordnung der Hilfsmagnetfeldvektoren aufweisen.
4B zeigt, wie die mehreren Hilfsmagnetfeldvektoren A1 bis A4 zu einem Vektor des Messfelds M addiert werden. Wie es ersichtlich ist, wenn die Hilfsmagnetfelder A1 bis A4 fest oder vorbestimmt sind, stellen die resultierenden Richtungen der zusammengesetzten Magnetfeldvektoren C1 bis C4 eine charakteristische Winkelverteilung für jeden Messmagnetfeldvektor M bereit. Wenn daher jedes der XMR-Erfassungselemente 110 in dem Ausgangssignal Informationen bereitstellt bezüglich eines gemessenen Winkels der entsprechenden zusammengesetzten Magnetfeldvektoren C1 bis C4, kann der Winkel und/oder der Betrag des Messmagnetfeldvektors M von der gemessenen Verteilung der Winkel der zusammengesetzten Magnetfeldvektoren C1 bis C4 bestimmt werden. Um die Abbildung der gemessenen Winkelverteilungen der Vektoren C1 bis C4 auf einen Winkel und/oder Betrag des Messmagnetfelds M zu bestimmen, können verschiedene Verfahren verwendet werden. Beispielsweise können während eines Testens oder einer Kalibrierung vorbestimmte Messmagnetfelder angelegt werden, um für jedes angelegte Messmagnetfeld die entsprechenden Winkelverteilung der zusammengesetzten Vektoren C1 bis C4 zu bestimmen. Diese Daten können beispielsweise in Nachschlagtabellen gespeichert werden. Die gespeicherten Daten können dann während des Betriebs verwendet werden, um für ein unbekanntes Messmagnetfeld den Winkel und/oder den Betrag zu bestimmen. Nur als ein Beispiel können statistische Werkzeuge, wie z. B. Interpolation, Extrapolation, Mittelwert kleinster Quadrate usw., verwendet werden, um einen Winkel und/oder Betrag des Messmagnetfelds von den gespeicherten Daten und den Ausgangssignalen der XMR-Erfassungselemente zu bestimmen, die auf einer Messung der zusammengesetzten Magnetfelder C1–C4 an den entsprechenden XMR-Erfassungselementen basieren.
Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispielen der Wert der Hilfsfelder A1 bis A4 an den Positionen der XMR-Erfassungselemente 110 vor dem Beginn des Betriebs des Sensors bestimmt werden. Dies kann beispielsweise erhalten werden durch Messen von jedem der Hilfsfelder während einer Kalibrierung, eines Tests oder anderen Prozesses vor dem Betrieb des Sensors. Basierend auf diesen Informationen kann der Betrag und/oder Winkel eines unbekannten Messmagnetfelds M während des Betriebs des Sensors bestimmt werden. Mathematisch kann dies beispielsweise abgeleitet werden durch Lösen von Gleichungen, die hinsichtlich der Beziehung der Vektoren von M, A1 bis A4 und den zusammengesetzten Vektoren von C1 bis C4 festgelegt werden können. Für jedes XMR-Erfassungselement i können die folgenden Gleichungen erhalten werden, wobei Mx eine x-Achsenkomponente des Messmagnetfelds ist, Ax,i eine x-Achsenkomponente des Hilfsmagnetfelds ist, My eine y-Achsenkomponente des Messmagnetfelds ist, Ay,i eine y-Achsenkomponente des Hilfsmagnetfelds ist, 0i ein Winkel der Hilfsmagnetfelder Ai ist und Ψi ein Winkel des zusammengesetzten Magnetfelds Ci ist: Tanθi = Ay,i/Ax,i TanΨ = My/Mx Cx = Mx + Ax,i Cy = My + Ay,i
Fachleute auf diesem Gebiet werden erkennen, dass durch Festlegen der obigen Gleichung für jedes XMR-Erfassungselement i der Winkel Ψ des Messmagnetfelds M ohne weiteres bestimmt werden kann basierend auf den erfassten Winkeln θi, was dem Ausgangssignal des jeweiligen XMR-Erfassungselements i entspricht.
Es ist zu erkennen, dass das oben beschriebene Konzept mit geringen Kosten implementiert werden kann. Es gibt keine Notwendigkeit, einen bestehenden Entwurf eines XMR-Erfassungselements selbst zu ändern, solange das XMR-Erfassungselement in der Lage ist, einen Winkel eines Magnetfelds zu erfassen. Nur der Magnetfeldgenerator muss addiert werden und die Messeinheit angepasst oder programmiert werden, um das Messmagnetfeld auf oben beschriebene Weise zu bestimmen. Es muss jedoch angemerkt werden, dass das oben beschriebene Beispiel nur eines vieler Beispiele ist, um eine Eigenschaft des Messmagnetfelds abzuleiten, wie z. B. einem Winkel von dem erfassten zusammengesetzten Magnetfeld.
Wie es oben beschrieben ist, kann bei einigen Fällen ein zusammengesetzter Vektor, der an einem der XMR-Erfassungselemente erfasst wird, niedriger sein als die Sättigungsgrenze. Es ist zu erkennen, dass es mit den mehreren XMR-Erfassungselementen möglich ist, zu erfassen, ob eines der XMR-Erfassungselemente einen zusammengesetzten Vektor hat, der niedriger ist als die Sättigungsgrenze. Dies kann beispielsweise erreicht werden durch Berechnen des Winkels Ψ nicht nur durch Berücksichtigen aller XMR-Erfassungselemente, sondern auch zusätzlich durch Berechnen des Winkels Ψ durch Berücksichtigen nur eines Teilsatzes der mehreren XMR-Erfassungselemente. Falls der bestimmte Winkel Ψ der gleiche oder im Wesentlichen der gleiche ist für alle XMR-Erfassungselemente und den Teilsatz von XMR-Erfassungselementen, erfassen alle der XMR-Erfassungselemente einen zusammengesetzten Magnetvektor über der Sättigungsgrenze. Umgekehrt, falls der berechnete Winkel Ψ zu unterschiedlichen Werten für die zwei Berechnungen führt, ist das zusammengesetzte Magnetfeld von zumindest einem der XMR-Erfassungselemente unter der Sättigungsgrenze. Bei einem weiteren Beispiel kann der Winkel Ψ berechnet werden für jedes der XMR-Erfassungselemente basierend auf dem bestimmten zusammengesetzten Magnetvektor an dem jeweiligen XMR-Erfassungselement. Dann werden die verschiedenen bestimmten Werte für den Winkel Ψ verglichen. Falls alle Werte die gleichen sind oder im Wesentlichen die gleichen, ist der zusammengesetzte Vektor über der Sättigungsgrenze für jedes XMR-Erfassungselement. Falls einer der Werte sich wesentlich von den anderen Werten unterscheidet, wird das entsprechende XMR-Erfassungselement so bestimmt, dass es einen zusammengesetzten Vektor erfasst hat, der unter der Sättigungsgrenze liegt. Der entsprechende Wert wird dann für die Messung des Winkels Ψ gestrichen.
Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispielen eine dynamische Steuerung des erzeugten Hilfsmagnetfelds verwendet werden, um die Erzeugung des Magnetfelds hinsichtlich Empfindlichkeit und Leistungseffizienz zu optimieren. Typischerweise wird die meiste Empfindlichkeit erwartet, wenn das zusammengesetzte Magnetfeld leicht über der Sättigungsgrenze liegt. Einige Ausführungsbeispiele können daher eine dynamische Steuerung umfassen, bei der ein Steuersignal von der Messeinheit 114 zurückgeführt wird zu dem Magnetfeldgenerator 112, um das Hilfsmagnetfeld hinsichtlich des erfassten zusammengesetzten Magnetfelds einzustellen.
Obwohl einige der obigen Ausführungsbeispiele bezüglich einer Dreherfassungsanwendung beschrieben wurden, ist klar, dass andere Ausführungsbeispiele eine andere Anwendung umfassen können. Bei solchen Anwendungen können andere Eigenschaften als ein Winkel des Messfelds erfasst werden.
Bei der obigen Beschreibung wurden Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben, die es Fachleuten auf diesem Gebiet ermöglichen, die hierin offenbarten Lehren in ausreichend Einzelheiten zu praktizieren. Andere Ausführungsbeispiele können verwendet werden und davon abgeleitet werden, sodass strukturelle und logische Ersetzungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich dieser Offenbarung abzuweichen.
Diese detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem begrenzenden Sinne zu sehen und der Schutzbereich verschiedener Ausführungsbeispiele ist nur durch die angehängten Ansprüche definiert, zusammen mit dem großen Bereich an Äquivalenten, der solchen Ansprüchen zusteht.
Solche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gegenstands können hierin einzeln und/oder zusammen mit dem Begriff „Erfindung” bezeichnet werden, lediglich der Zweckmäßigkeit halber und ohne die Absicht, den Schutzbereich dieser Anwendung auf eine einzige Erfindung oder ein erfindungsgemäßes Konzept zu begrenzen, falls in der Tat mehr als eine offenbart ist. Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, sollte daher klar sein, dass jede Anordnung, die entwickelt wird, um den gleichen Zweck zu erreichen, für die gezeigten spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann. Diese Offenbarung soll alle Anpassungen oder Variationen verschiedener Ausführungsbeispiele abdecken. Kombinationen der obigen Ausführungsbeispiele und andere Ausführungsbeispiele, die hierin nicht spezifisch beschrieben sind, sind für Fachleute auf diesem Gebiet auf das Betrachten der obigen Beschreibung hin offensichtlich.
Es wird ferner angemerkt, dass spezifische Begriffe, die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, in einem sehr breiten Sinne interpretiert werden können. Beispielsweise sollen die Begriffe „Schaltung” oder „Schaltungsanordnung”, die hierin verwendet werden, so interpretiert werden, dass sie nicht nur Hardware, sondern auch Software, Firmware oder jede Kombination daraus umfassen. Der Begriff „Daten” kann interpretiert werden, um jede Darstellungsform zu umfassen, wie z. B. eine analoge Signaldarstellung, eine digitale Signaldarstellung, eine Modulation auf Trägersignale usw. Der Begriff „Information” kann zusätzlich zu jeder Form von digitaler Information auch andere Formen von darstellender Information umfassen. Der Begriff „Entität” oder „Einheit” kann bei Ausführungsbeispielen jedes Bauelement, Vorrichtungsschaltungen, Hardware, Software, Firmware, Chips oder andere Halbleiter sowie logische Einheiten oder physikalische Implementierungen umfassen. Ferner können die Begriffe „gekoppelt” oder „verbunden” in einem breiten Sinne interpretiert werden, der nicht nur direkte, sondern auch indirekte Kopplung abdeckt.
Es ist ferner anzumerken, dass Ausführungsbeispiele, die in Kombination mit spezifischen Entitäten beschrieben sind, zusätzlich zu einer Implementierung in dieser Entität auch eine oder mehrere Implementierungen in einer oder mehreren Unterentitäten oder Unterteilungen der beschriebenen Entität umfassen können. Beispielsweise können spezifische Ausführungsbeispiele, die hierin als in einem Sender, Empfänger oder Sende/Empfangsgerät implementiert beschrieben sind, in Unterentitäten implementiert sein, wie z. B. einem Chip oder einer Schaltung, die in solch einer Entität vorgesehen ist.
Die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil derselben bilden, zeigen darstellend und nicht begrenzend spezifische Ausführungsbeispiele, in denen der Gegenstand praktiziert werden kann.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung ist ersichtlich, dass verschiedene Merkmale zusammen in einem einzigen Ausführungsbeispiel gruppiert werden zum Zweck der Straffung der Offenbarung. Dieses Offenbarungsverfahren ist nicht so zu interpretieren, dass es die Absicht hat, dass die beanspruchten Ausführungsbeispiele mehr Merkmale erfordern, als ausdrücklich in jedem Anspruch beschrieben. Stattdessen, wie die folgenden Ansprüche darlegen, liegt der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzigen offenbarten Ausführungsbeispiels. Daher sind die folgenden Ansprüche in der detaillierten Beschreibung enthalten, wobei jeder Anspruch für sich selbst als getrenntes Ausführungsbeispiel stehen kann. Obwohl jeder Anspruch für sich selbst steht als ein getrenntes Ausführungsbeispiel, ist anzumerken, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen sich auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen sind hierin vorgeschlagen, es sei denn, es ist angemerkt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs in jedem anderen unabhängigen Anspruch enthalten sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig ist.
Es ist ferner anzumerken, dass Verfahren, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart sind, durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die eine Einrichtung zum Durchführen von jedem der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Ferner ist klar, dass die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart sind, nicht als innerhalb der spezifischen Reihenfolge aufzufassen ist. Daher begrenzt die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, es sei denn, solche Schritte oder Funktionen sind aus technischen Gründen nicht austauschbar.
Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispiel ein einzelner Schritt mehrere Unterschritte umfassen oder in dieselben aufgeteilt werden. Solche Unterschritte können in der Offenbarung dieses einzigen Schritts enthalten oder Teil derselben sein, es sei denn, sie sind explizit ausgeschlossen.

Claims

Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Erzeugen (502) eines Hilfsmagnetfelds zusätzlich zu einem Messmagnetfeld, sodass ein resultierendes zusammengesetztes Magnetfeld aus dem Hilfsmagnetfeld und dem Messmagnetfeld an dem XMR-Element eine Sättigungsgrenze des XMR-Elements überschreitet; Erfassen (504) des resultierenden zusammengesetzten Magnetfelds mit dem XMR-Element; Bestimmen (506) zumindest einer Eigenschaft des Messmagnetfelds basierend auf der Erfassung des resultierenden zusammengesetzten Magnetvektors.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Betrag des Messmagnetfelds während einer Erfassung niedriger ist als die Sättigungsgrenze des XMR-Elements.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Messmagnetfelds ferner auf Informationen basiert, die sich auf einen Beitrag des Hilfsmagnetfelds zu einem Ausgangssignal des XMR-Elements beziehen.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem das Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Messmagnetfelds auf einem Extrahieren der zumindest einen Eigenschaft des Messmagnetfelds basiert, basierend auf einem Ausgangssignal des XMR-Elements und einem Verarbeiten des Ausgangssignals des XMR-Elements, das einen Beitrag des Hilfsmagnetfelds entfernt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Hilfsmagnetfeld zumindest während der Erfassung des zusammengesetzten Magnetfelds konstant gehalten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Betrag oder eine Richtung des Hilfsmagnetfelds vor der Erfassung vorbestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das Hilfsmagnetfeld ein nicht variierendes Magnetfeld ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Hilfsmagnetfeld durch einen Permanentmagneten oder eine Spule erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Hilfsmagnetfeld ein erstes Hilfsmagnetfeld ist, wobei das Verfahren ferner das Erzeugen eines zweiten Hilfsmagnetfelds zusätzlich zu dem Messmagnetfeld aufweist, sodass ein resultierendes zweites zusammengesetztes Magnetfeld des zweiten Hilfsmagnetfelds und des Messmagnetfelds an einem zweiten XMR-Element eine Sättigungsgrenze des zweiten XMR-Elements überschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem das zweite Hilfsmagnetfeld eine Richtung aufweist, die sich von der Richtung des ersten Hilfsmagnetfelds unterscheidet.
Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner n XMR-Elemente aufweist, und ein Erzeugen eines entsprechenden Hilfsmagnetfelds für jedes der n XMR-Elemente, wobei n eine Ganzzahl größer als 2 ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds ein Winkel des Messmagnetfelds oder eine Drehgeschwindigkeit des Messmagnetfelds ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein Betrag des Hilfsmagnetfelds gleich wie oder höher als der Betrag der Sättigungsgrenze ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem ein Betrag des Hilfsmagnetfelds bei etwa dem Betrag der Sättigungsgrenze ist.
Magneterfassungsvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: ein XMR-Element; einen Magnetfeldgenerator, um zusätzlich zu einem Messmagnetfeld ein Hilfsmagnetfeld zu erzeugen, sodass ein resultierendes zusammengesetztes Magnetfeld des Hilfsmagnetfelds und des Messmagnetfelds an dem XMR-Element eine Sättigungsgrenze des XMR-Elements überschreitet; wobei das XMR-Element konfiguriert ist, um das zusammengesetzte Magnetfeld zu erfassen; und eine Einheit zum Bestimmen zumindest einer Eigenschaft des Messmagnetfelds basierend auf dem erfassten zusammengesetzten Magnetfeld.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der die Einheit konfiguriert ist, um die zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds zu bestimmen durch Berechnen der zumindest einen Eigenschaft basierend auf einem Ausgangssignal des XMR-Elements und einer Eigenschaft des Hilfsmagnetfelds.
Vorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Einheit konfiguriert ist, um die zumindest eine Eigenschaft des Messmagnetfelds zu bestimmen basierend auf einem Subtrahieren des Beitrags des Hilfsmagnetfelds.
Vorrichtung gemäß Anspruch 17, bei der die Einheit konfiguriert ist, um eine Berechnung bereitzustellen, um einen Vektor des Hilfsmagnetfelds von dem zusammengesetzten Magnetfeld zu subtrahieren.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der der Magnetfeldgenerator konfiguriert ist, um das Hilfsmagnetfeld zumindest während der Erfassung des zusammengesetzten Magnetfelds konstant bereitzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der ein Betrag und eine Richtung des Hilfsmagnetfelds vor dem Erfassen vorbestimmt werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 20, bei der das Hilfsmagnetfeld ein nicht variierendes Magnetfeld ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 21, bei der das Hilfsmagnetfeld durch einen Permanentmagneten oder eine Spule erzeugt wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, die ferner folgende Merkmale aufweist: zumindest ein weiteres XMR-Element; und zumindest einen weiteren Magnetfeldgenerator, um zusätzlich zu dem Messmagnetfeld zumindest ein weiteres Hilfsmagnetfeld zu erzeugen, sodass ein resultierendes zusammengesetztes Magnetfeld des zumindest einen weiteren Hilfsmagnetfelds und des Messmagnetfelds an dem zumindest einen weiteren XMR-Element eine Sättigungsgrenze überschreitet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, bei der das zweite Hilfsmagnetfeld eine Richtung aufweist, die sich von der Richtung des ersten Hilfsmagnetfelds unterscheidet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 24, die ferner n XMR-Elemente aufweist, wobei n eine Ganzzahl größer als 2 ist, und zumindest einen Hilfsmagnetfeldgenerator zum Erzeugen entsprechender Hilfsfelder für die n XMR-Elemente.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 25, bei der ein Betrag des Hilfsmagnetfelds gleich wie oder höher als der Betrag der Sättigungsgrenze ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 26, bei der ein Betrag des Hilfsmagnetfelds etwa der Betrag der Sättigungsgrenze ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 bis 27, wobei die Vorrichtung in der Lage ist, ein Messmagnetfeld zu messen, das geringer ist als die Sättigungsgrenze des XMR-Elements.
Ein Sensor zum Bestimmen einer Winkel- oder Dreheigenschaft eines drehbaren Elements, der folgende Merkmale aufweist: einen Magnetfeldgenerator, um zusätzlich zu einem Messmagnetfeld ein Hilfsmagnetfeld zu erzeugen, wobei das Messmagnetfeld einen Winkel oder eine Drehung des drehbaren Elements anzeigt; zumindest ein XMR-Element, um ein XMR-Erfassungssignal zu erzeugen; und eine Berechnungseinheit, um die Winkel- oder Dreheigenschaft basierend auf dem XMR-Erfassungssignal und dem Hilfsmagnetfeld zu bestimmen.