DE102013208633B4

DE102013208633B4 - Sensor mit vergrössertem dynamikumfang

Info

Publication number: DE102013208633B4
Application number: DE102013208633.4A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2033-05-11
Also published as: CN103389479A; DE102013208633A1; DE102013022333B3; CN103389479B; US20130304422A1; US9588134B2

Abstract

Sensorsystem, umfassend: einen nichtlinearen Sensor, der dafür ausgelegt ist, ein erstes nichtlineares Signal zu erzeugen, das einer physikalischen Eingangsgröße entspricht; einen linearen Sensor zum Erzeugen eines zweiten linearen Signals, das der physikalischen Eingangsgröße entspricht; und eine Signalverarbeitungseinheit, die dafür ausgelegt ist, ein zusammengesetztes Ausgangssignal zu erzeugen, das der physikalischen Eingangsgröße entspricht, das eine Kombination des ersten nichtlinearen Signals und des zweiten linearen Signals ist.

Description

STAND DER TECHNIK
Moderne Fahrzeuge umfassen eine enorme Anzahl von Sensoren. Solche Sensoren stellen Informationen über den Betrieb eines Fahrzeugs einer Steuereinheit bereit, die auf der Basis der Informationen Aktionen unternehmen kann. Beispielsweise kann die Steuereinheit dafür ausgelegt sein, Daten bezüglich der erfassten Informationen einem Benutzer bereitzustellen oder ein Steuersignal zu erzeugen, das bewirkt, dass ein Aktor eine Aktion (z. B. zum Einsatz eines Airbag) ausführt, wenn ein erfasster Wert über einer Schwelle liegt.
Sensoren können lineare Sensoren oder nichtlineare Sensoren umfassen. Lineare Sensoren geben ein Ausgangssignal, das eine im Wesentlichen lineare Funktion der detektierten physikalischen Eingangsgröße ist (d. h., S_out = a + b·Q_in, wobei a und b von Qin unabhängig sind). Nichtlineare Sensoren geben ein Ausgangssignal, das nicht eine lineare Funktion der detektierten physikalischen Eingangsgröße ist (d. h.., S_out = a·Q_in ² + b·Q_in).
Die EP 1 802 988 B1 beschreibt eine Sensorvorrichtung aus einer Mehrzahl von Sensorelementen, die entweder seriell oder parallel verschaltet werden können. Eine Stromquelle ist vorgesehen, und die Ausgangsspannung wird über die Anschlüsse der Stromquelle gemessen. Jedes Sensorelement eine unterschiedliche Spannung/Feld- bzw. Spannung/Strom-Charakteristik. Jedes Sensorelement hat lineare Charakteristika bei Feldern unterhalb der Sättigungsfelder und geht bei größeren Feldern in die Sättigung.
Weitere Magnetfeldsensoren werden in der WO 2009/037607 A1 und in der EP 1 225 453 beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorsystems, das dafür ausgelegt ist, eine physikalische Eingangsgröße zu detektieren.
2A zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorsystems, das einen linearen Sensor und einen nichtlinearen Sensor umfasst.
2B zeigt einen Graph von Signalen, die durch einen linearen Sensor, einen nichtlinearen Sensor oder eine Kombination davon detektiert werden.
3A zeigt bestimmte Ausführungsformen eines beispielhaften Layouts einer offenbarten Sensorarchitektur.
3B zeigt ein Schaltbild der offenbarten Sensorarchitektur des Blockdiagramms von 3A.
4A–4B zeigt die Anwendung des offenbarten Sensorsystems auf einen Raddrehzahlsensor.
5A–5C zeigt Graphen von Signalen der offenbarten Sensorarchitektur bei Anwendung auf einen Raddrehzahlsensor.
6A–6D zeigen Graphen von Signalen der offenbarten Sensorarchitektur, die sich aus verschiedenen Polgrößen-/Luftspaltkombinationen eines Raddrehzahlsensors ergeben.
7 ist ein Graph der Verwendung eines Ausgangssignals eines nichtlinearen Sensors zur Detektion einer Bewegungsrichtung.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kombinieren von linearen und nichtlinearen Sensoren zur Vergrößerung des Umfangs zwischen der minimalen und maximalen zulässigen Eingangsgröße.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Beschreibung erfolgt mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen durchweg im Allgemeinen gleiche Bezugszahlen benutzt werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen, und wobei die verschiedenen Strukturen nicht unbedingt maßstabsgetreu sind. In der folgenden Beschreibung werden zur Erläuterung zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um das Verständnis zu erleichtern. Für Fachleute ist jedoch erkennbar, dass ein oder mehrere hier beschriebene Aspekte mit einem geringeren Grad dieser spezifischen Einzelheiten ausgeübt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Einrichtungen in Blockdiagrammform gezeigt, um das Verständnis zu erleichtern.
Nichtlineare Sensoren werden vielfältig in zahlreichen Erfassungsanwendungen verwendet. Der Grund dafür besteht darin, dass sie durch ihr nichtlineares Ansprechverhalten auf eine physikalische Eingangsgröße hochempfindlich gegenüber kleinen Schwankungen der physikalischen Eingangsgröße werden. Bei großen physikalischen Eingangsgrößen sind nichtlineare Sensoren jedoch stark anfällig für Sättigung, ein Phänomen, bei dem das Ausgangssignal eines Sensors als Reaktion auf eine Zunahme der physikalischen Eingangsgröße zunimmt. Wenn eine große physikalische Eingangsgröße einen nichtlinearen Sensor in die Sättigung steuert, entspricht sein Ausgangssignal nicht mehr genau der physikalischen Eingangsgröße, was eine Fehlfunktion des Sensors bewirkt.
Dementsprechend stellen bestimmte Aspekte der vorliegenden Offenbarung ein Sensorsystem bereit, das einen großen Umfang zwischen minimalen und maximalen Eingangsgrößen aufweist. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Sensorsystem einen nichtlinearen Sensor und einen linearen Sensor. Der nichtlineare Sensor ist dafür ausgelegt, ein erstes nichtlineares Signal zu erzeugen, das einer detektierten physikalischen Eingangsgröße entspricht. Der lineare Sensor ist dafür ausgelegt, ein zweites lineares Signal zu erzeugen, das der detektierten physikalischen Eingangsgröße entspricht. Ein Signalprozessor ist dafür ausgelegt, das erste nichtlineare und das zweite lineare Signal zu empfangen und ein zusammengesetztes Ausgangssignal zu erzeugen, das der detektierten physikalischen Eingangsgröße entspricht. Das zusammengesetzte Ausgangssignal umfasst eine Kombination des ersten nichtlinearen Signals und des zweiten linearen Signals, die ein Signal bereitstellt, das hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen physikalischen Eingangsgrößen aufweist, während die Sättigung bei großen physikalischen Eingangsgrößen vermieden wird.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorsystems 100, das dafür ausgelegt ist, eine physikalische Eingangsgröße zu detektieren, indem ein zusammengesetztes Ausgangssignal S_out erzeugt wird, das die physikalische Eingangsgröße angibt.
Das Sensorsystem 100 umfasst ein erstes Gradiometer 102 und ein zweites Gradiometer 104. Das erste und zweite Gradiometer 102 und 104 sind dafür ausgelegt, eine räumliche Ableitung einer physikalischen Eingangsgröße zu detektieren. Das erste Gradiometer 102 besitzt ein Ansprechverhalten, das das erste Gradiometer bei einer ersten Amplitude der physikalischen Eingangsgröße (z. B., bei 5 mT) in Sättigung steuert, während das zweite Gradiometer 104 ein Ansprechverhalten aufweist, das das zweite Gradiometer bei einer zweiten Amplitude der physikalischen Eingangsgröße (z. B. bei 15 mT), die wesentlich größer als die erste Amplitude ist, in Sättigung steuert. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das erste Gradiometer 102 einen linearen Sensor, während das zweite Gradiometer 104 einen nichtlinearen Sensor umfasst. Bei anderen Ausführungsformen können das erste und zweite Gradiometer 102, 104 beide nichtlineare Sensoren umfassen, die unterschiedliche Grade an Nichtlinearität aufweisen.
Ein Signalprozessor 106 ist dafür ausgelegt, ein erstes Ausgangssignal S₁ von dem ersten Gradiometer 102 und ein zweites Ausgangssignal S₂ von dem zweiten Gradiometer 102 zu empfangen. Der Signalprozessor 106 ist dafür ausgelegt, ein zusammengesetztes Ausgangssignal S_out zu erzeugen, das eine Funktion des ersten Signals S₁ und des zweiten Signals S₂ ist. Durch Erzeugen des zusammengesetzten Ausgangssignals S_out auf der Basis des ersten Signals S₁ und des zweiten Signals S₂ ist das Sensorsystem 100 in der Lage, über einen großen Umfang physikalischer Größen genaue Messwerte zu liefern.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Gradiometer 102, 104 Gradiometer verschiedener Ordnung umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen umfassen die Gradiometer Gradiometer 0. Ordnung, die dafür ausgelegt sind, die 0. Ableitung der physikalischen Größe entlang einer Richtung (d. h. den Wert der physikalischen Größe, der an einem Ort eines einzelnen Sensorelements detektiert wird) zu detektieren. Bei einer solchen Ausführungsform umfasst das Gradiometer 0. Ordnung ein einziges Sensorelement an einem einzelnen Ort. Bei anderen Ausführungsformen können die Gradiometer Gradiometer höherer Ordnung umfassen, wie etwa ein Gradiometer 1. Ordnung, das dafür ausgelegt ist, die Ableitung 1. Ordnung der Größe (d. h. die Steigung zwischen dem Wert einer physikalischen Größe, der an zwei Orten detektiert wird) zu detektieren, ein Gradiometer 2. Ordnung, das dafür ausgelegt ist, die Ableitung 2. Ordnung zu detektieren, usw. Die Gradiometer höherer Ordnung umfassen mehr als ein Sensorelement (z. B. umfasst ein Gradiometer 1. Ordnung zwei Sensorelemente an zwei Orten, ein Gradiometer 2. Ordnung umfasst drei Sensorelemente an drei Orten usw.).
2A zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorsystems 200, das dafür ausgelegt ist, eine physikalische Eingangsgröße zu detektieren, indem ein zusammengesetztes Ausgangssignal S_out erzeugt wird, das die physikalische Eingangsgröße angibt.
Das Sensorsystem 200 umfasst einen oder mehrere nichtlineare Sensoren 202, die ein nichtlineares Ansprechverhalten auf die physikalische Eingangsgröße aufweisen. Durch das nichtlineare Ansprechverhalten werden die nichtlinearen Sensoren 202 hochempfindlich gegenüber kleinen Schwankungen der physikalischen Eingangsgröße, weisen aber auch eine klare Sättigung auf, wenn die physikalische Eingangsgröße einen bestimmten Wert übersteigt. Die nichtlinearen Sensoren 202 sind dafür ausgelegt, ein erstes nichtlineares Signal S_nl zu erzeugen, das der physikalischen Eingangsgröße entspricht.
Das Sensorsystem 200 umfasst ferner einen oder mehrere lineare Sensoren 204, die ein lineares Ansprechverhalten auf die physikalische Eingangsgröße aufweisen. Das lineare Ansprechverhalten ergibt eine kleinere Empfindlichkeit gegenüber kleinen Schwankungen der physikalischen Eingangsgröße als bei den nichtlinearen Sensoren 202. Die linearen Sensoren erfahren jedoch keine Sättigung, wenn die physikalische Eingangsgröße den bestimmten Wert übersteigt. Die linearen Sensoren 204 sind dafür ausgelegt, ein zweites lineares Signal S_lin zu erzeugen, das der detektierten physikalischen Eingangsgröße entspricht. Es versteht sich, dass sich die hier angegebenen Ausdrücke „linearer Sensor” und „lineare Signale” auf Sensoren/Signale beziehen, die vorherrschend oder im Wesentlichen linear sind (z. B. Sensoren, die ein Ansprechverhalten aufweisen, das vorherrschend linear ist). Bei bestimmten Ausführungsformen sind der lineare Sensor und der nichtlineare Sensor in einem selben Sensorgehäuse (z. B. einem IC-Chip, einer IC-Kapselung usw.) enthalten.
Ein Signalprozessor 206 ist dafür ausgelegt, das erste nichtlineare Signal S_nl von den nichtlinearen Sensoren 202 und das zweite lineare Signal S_lin von den linearen Sensoren 204 zu empfangen. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der Signalprozessor 206 einen oder mehrere nichtlineare Eingangsknoten IN_nl, die mit einem Ausgangsknoten OUT_nl der nichtlinearen Sensoren 202 und einem oder mehreren linearen Eingangsknoten IN_lin verbunden sind, die mit einem Ausgangsknoten OUT_lin der linearen Sensoren 204 verbunden sind. Der eine oder die mehreren nichtlinearen Eingangsknoten IN_nl sind dafür ausgelegt, das erste nichtlineare Signal S_nl zu empfangen, und der eine oder die mehreren linearen Eingangsknoten IN_lin sind dafür ausgelegt, das zweite lineare Signal S_lin zu empfangen. Der Signalprozessor 206 ist dafür ausgelegt, ein zusammengesetztes Ausgangssignal S_out zu erzeugen, das eine Kombination des ersten nichtlinearen Signals S_nl und des zweiten linearen Signals S_lin ist. Durch Erzeugung des zusammengesetzten Ausgangssignals S_out auf der Basis des ersten nichtlinearen Signals S_nl und des zweiten linearen Signals S_lin ist das Sensorsystem 200 in der Lage, über einen großen Umfang physikalischer Größen genaue Messwerte bereitzustellen.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das zusammengesetzte Ausgangssignal S_out eine gewichtete Summe des ersten nichtlinearen Signals S_nl und des zweiten linearen Signals S_lin. Bei solchen Ausführungsformen wird das erste nichtlineare Signal S_nl oder das zweite lineare Signal S_lin mit einem Gewichtungskoeffizienten w multipliziert (z. B., S_out = S_nl + w·S_lin). Der Gewichtungskoeffizient w kann so gewählt werden, dass der Einfluss des ersten nichtlinearen Signals S_nl unter Betriebsbedingungen, bei denen die nichtlinearen Sensoren 202 eine ungenaue Messung der physikalischen Eingangsgröße bereitstellen, vermindert wird und der Einfluss des ersten nichtlinearen Signals S_nl unter Betriebsbedingungen, bei denen die nichtlinearen Sensoren 202 eine genaue Messung der physikalischen Eingangsgröße bereitstellen, vergrößert wird. Deshalb betont die resultierende gewichtete Summe das Signal, das ein besseres Ansprechverhalten bereitstellt.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der Gewichtungskoeffzient w einen festen Wert. Bei anderen Ausführungsformen umfasst der Gewichtungskoeffizient w einen zuweisbaren Wert, der in einen Onchip-Speicher (z. B. EEPROM) programmiert werden kann, wenn die Sensorschaltung an eine zu messende Größe (z. B. ein Codierrad) angepasst wird. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Gewichtungskoeffizient zum Beispiel durch einen Kalibrationsprozess gesetzt werden. Bei weiteren Ausführungsformen umfasst der Gewichtungskoeffizient w einen dynamischen Wert, der durch einen Algorithmus bestimmt wird, der dafür ausgelegt ist, den Gewichtungsfaktor w während des Betriebs zu justieren. Zum Beispiel kann der Algorithmus dafür ausgelegt sein, den Gewichtungskoeffizenten w zu justieren, wenn sich ein Luftspalt ändert, oder als Reaktion auf eine Größe magnetischer Pole in einem Codiererrad, auf Temperatur oder andere Parameter, die der Sensor über zusätzliche Schaltkreise detektieren kann, usw.
Ferner versteht sich, dass bei verschiedenen Ausführungsformen die gewichtete Summe so gewählt werden kann, dass verschiedene Größen in dem zusammengesetzten Ausgangssignal betont werden. Zum Beispiel kann bei bestimmten Ausführungsformen die gewichtete Summe so gewählt werden, dass der Betrag von gemessenen Signalen (z. B., S_nl oder S_lin) betont wird. Bei anderen Ausführungsformen kann die gewichtete Summe so gewählt werden, dass Signale mit einem höheren Rauschabstand (SNR) betont werden. Zum Beispiel wird in einer Region, in der der SNR der linearen Sensoren 204 im Vergleich zu den nichtlinearen Sensoren 202 schlecht ist, die gewichtete Summe so gewählt, dass der SNR des zusammengesetzten Ausgangssignals S_out von dem ersten nichtlinearen Signal S_nl dominiert wird.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die durch das Sensorsystem 200 detektierte physikalische Eingangsgröße Größen wie zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, eine Temperatur, einen Feuchtigkeitsgehalt, einen Gasdruck, eine mechanische Belastung oder Anspannung, ein optisches Licht oder eine nukleare Strahlung umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die physikalische Eingangsgröße eine vektorwertige physikalische Eingangsgröße umfassen (d. h. eine physikalische Eingangsgröße mit einer distinkten Orientierung). Zum Beispiel kann bei bestimmten Ausführungsformen die vektorwertige physikalische Eingangsgröße ein Magnetfeld oder ein elektrisches Feld umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die nichtlinearen Sensoren 202 und die linearen Sensoren 204 dafür ausgelegt, die verschiedenen Komponenten einer vektorwertigen Größe zu detektieren. Zum Beispiel können die nichtlinearen Sensoren 202 dafür ausgelegt sein, die vektorwertige Größe entlang einer ersten Komponente zu detektieren, und die linearen Sensoren 204 können dafür ausgelegt sein, die vektorwertige Größe entlang einer zweiten, orthogonalen Komponente zu detektieren.
Bei Ausführungsformen, bei denen das Sensorsystem 200 dafür ausgelegt ist, einen Magnetfeldwert zu messen, können die nichtlinearen Sensoren 202 einen oder mehrere Magnetowiderstände (MR) umfassen (z. B. anisotrope MR, Gigant-MR, Colossal-MR, Tunnelungs-MR usw.), während die linearen Sensoren 204 eine oder mehrere Hall-Platten umfassen können. Abhängig von der Art des verwendeten nichtlinearen Sensors können zusätzliche Komponenten in dem Sensorsystem 200 verwendet werden. Zum Beispiel wird bei nichtlinearen Sensoren 202, die einen AMR-Sensor umfassen, ein Vormagnet an dem Sensorchip oder an der Sensorkapselung angebracht.
2B zeigt einen Graph 208 von beispielhaften Signalen, die mit dem offenbarten Sensorsystem assoziiert sind. Insbesondere zeigt der Graph 208 ein von einem nichtlinearen Sensor ausgegebenes nichtlineares Signal 210, ein von einem linearen Sensor ausgegebenes lineares Signal 212 und ein zusammengesetztes Ausgangssignal 214 auf der Basis einer gewichteten Summe des nichtlinearen und linearen Signals 210 und 212.
In einer ersten Region 216 des Betriebs, in der der nichtlineare Sensor nicht gesättigt ist, wird das zusammengesetzte Ausgangssignal 214 von dem Einfluss des nichtlinearen Signals 210 dominiert. Der Grund dafür besteht darin, dass die Auflösung (das Ansprechverhalten) des nichtlinearen Sensors in einer solchen ersten Region 216 besser als die des linearen Sensors ist, so dass das nichtlineare Signal 210 dadurch eine physikalische Eingangsgröße besser detektieren kann. In einer zweiten Region 218, in der die physikalische Eingangsgröße groß ist, ist jedoch der nichtlineare Sensor gesättigt und der lineare Sensor nicht gesättigt. In der zweiten Region 218 wird das zusammengesetzte Ausgangssignal 214 deshalb von dem Einfluss des linearen Signals 212 dominiert, da das Ansprechverhalten des linearen Sensors besser als bei dem nichtlinearen Sensor ist. In einer dritten Region 220 des Betriebs, in der der nichtlineare Sensor wieder nicht gesättigt ist, wird das Ausgangssignal 214 wieder von dem Einfluss des nichtlinearen Signals 210 dominiert.
Obwohl der Graph 208 auf eine Weise beschrieben wird, die Regionen abhängig davon definiert, ob ein nichtlinearer Sensor gesättigt ist, versteht sich, dass das offenbarte Sensorsystem nicht auf eine solche Anwendung beschränkt ist. Stattdessen kann das offenbarte Sensorsystem verwendet werden, um eine gewichtete Summe zu bilden, die Signale von linearen und nichtlinearen Sensoren kombiniert, um ein besseres Ausgangssignal bereitzustellen, auf der Basis eines beliebigen Faktors, der bewirken kann, dass ein Signal (z. B. das nichtlineare Signal) besser als ein anderes (z. B. das lineare Signal) ist.
3A zeigt bestimmte Ausführungsformen eines beispielhaften Layouts, das die Position von Sensorelementen in dem offenbarten Sensorsystem 300 darstellt. Das Sensorsystem 300 umfasst einen linearen Sensor mit einem Hall-Sensor 304 und einen nichtlinearen Sensor mit einem Magnetwiderstands-(GMR-)Sensor 306.
Der Hall-Sensor 304 umfasst zwei Hall-Platten 304a und 304b. Eine erste Hall-Platte 304a befindet sich auf einer ersten Seite eines integrierten Chipträgers 302 und eine zweite Hall-Platte 304b befindet sich auf einer gegenüberliegenden, zweiten Seite des integrierten Chipträgers 302. Der GMR-Sensor 306 umfasst vier Gigant-Magnetwiderstands-(GMR-)Widerstände 306a–306b, wobei sich zwei GMR-Widerstände 306a, 306b auf der ersten Seite des integrierten Chipträgers 302 befinden und zwei GMR-Widerstände 306c, 306d auf der zweiten Seite des integrierten Chipträgers 302 befinden. Der GMR-Sensor 306 und der Hall-Sensor 304 sind beide Gradiometer 1. Ordnung (d. h. besitzen Sensoren auf gegenüberliegenden Seiten, die zum Detektieren von Differenzsignalen verwendet werden), so dass das Sensorsystem 300 durch homogene äußere magnetische Störungen nicht beeinflusst wird.
Bei bestimmten Ausführungsformen sind die erste Hall-Platte 304a und die zweite Hall-Platte 304b symmetrisch entlang einer horizontalen Achse 308 angeordnet und sind symmetrisch mit Bezug auf eine vertikale Achse 310. Die beiden Hall-Platten 304a und 304b werden durch eine erste Beabstandung 312 getrennt. Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt die erste Beabstandung 312 zwischen etwa 0,5 mm und 2,5 mm. Ähnlich sind die GMR-Widerstände 306a und 306b und die GMR-Widerstände 306c und 306d entlang einer horizontalen Achse 308 angeordnet und symmetrisch mit Bezug auf eine vertikale Achse 310. Die GMR-Widerstände 306a und 306b werden durch eine zweite Beabstandung 314 von den GMR-Widerständen 306c und 306d getrennt (wobei sich die Mitte von zwei GMR-Widerständen auf einer Seite an einer Position befindet, die zwischen den beiden GMR-Widerständen liegt). Bei bestimmten Ausführungsformen kann die zweite Beabstandung 314 einen Wert zwischen 1 mm und 3 mm aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsformen sind der Hall-Sensor 304 und der GMR-Sensor 306 auf einem selben integrierten Chipträger 302 enthalten.
Bei anderen Ausführungsformen sind die erste und zweite Hall-Platte 304a, 304b symmetrisch entlang einer horizontalen Achse 308 angeordnet, während die GMR-Widerstände 306a–306d symmetrisch entlang einer vertikalen Achse angeordnet sind. Bei einer solchen Ausführungsform würden die GMR-Widerstände 306a–306d entlang der vertikalen Richtung durch die erste Beabstandung 312 getrennt, während die Hall-Platten 304a, 304b voneinander entlang der horizontalen Richtung durch die zweite Beabstandung 314 getrennt wären.
Es versteht sich, dass, obwohl 3A ein Sensorsystem 300 mit einem Hall-Sensor 304 mit zwei Hall-Platten und einem GMR-Sensor mit vier GMR-Widerständen darstellt, bei anderen Ausführungsformen das offenbarte Sensorsystem mehr oder weniger Sensorelemente umfassen kann. Zum Beispiel kann bei bestimmten Ausführungsformen das offenbarte Sensorsystem Monozellen (d. h. Absolutfeldsensoren mit Gradiometern 0. Ordnung) umfassen, die ein Hall-empfindliches Element und MR-Element aufweisen.
Elektrisch sind die GMR-Widerstände 306a–306d in einer Brückenkonfiguration angeordnet, wie in dem in 3B dargestellten Schaltbild 316 des Sensorsystems gezeigt. Die Brückenkonfiguration ist so geschaltet, dass der erste GMR-Widerstand 306a und der vierte GMR-Widerstand 306c in Reihe geschaltet sind und der zweite GMR-Widerstand 306b und der dritte GMR-Widerstand 306d in Reihe geschaltet sind.
Die jeweiligen GMR-Widerstände 306a–306d umfassen eine nichtmagnetische leitfähige Schicht (z. B. Kupfer), die zwischen ferromagnetischen Schichten angeordnet ist. Bei Abwesenheit eines Magnetfelds zeigt das magnetische Moment in den ferromagnetischen Schichten (aufgrund von antiferromagnetischer Kopplung) in entgegengesetzte Richtungen, was zu hohem Widerstand führt. Anlegen eines externen Magnetfelds an den Widerstand überwindet die antiferromagnetische Kopplung, so dass magnetische Momente in den ferromagnetischen Schichten ausgerichtet werden und eine Änderung des Widerstands der Einrichtung (z. B. typischerweise um 10 bis 20%) bewirkt wird. Die Widerstandsänderung der GMR-Widerstände 306a–306d ermöglicht, dass die Brückenstruktur ein externes Magnetfeld erfasst.
Ein Signalprozessor 318 (z. B. ein digitaler Signalprozessor) ist dafür ausgelegt, ein Differenzausgangssignal von einem Punkt zwischen dem zweiten und dritten GMR-Widerstand 306b, 306d und einem Punkt zwischen dem ersten und vierten GMR-Widerstand 306a, 306c zu messen. Wenn das Magnetfeld für die vier Widerstände dasselbe ist, ist das Differenzausgangssignal 0 (z. B. jeder der zwei Punkte misst eine Spannung gleich ½ der Versorgungsspannung V_S). Wenn das Magnetfeld jedoch auf der rechten Seite des Sensorsystems kleiner als auf der linken Seite des Sensorsystems ist, entsteht eine von null verschiedene Differenzspannung, da der erste Widerstand 306a einen anderen Widerstand aufweist als der dritte Widerstand 306d. Der Signalprozessor 318 ist ferner dafür ausgelegt, ein Differenzsignal der Hall-Platten 304a und 304b zu detektieren.
4A zeigt eine Draufsicht bestimmter Ausführungsformen einer Magnetsensorkonfiguration 400. Die Magnetsensorkonfiguration 400 umfasst ein Magnetsensorsystem 402, das dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld eines aktiven Zielrads 408 zur Umdrehungsgeschwindigkeitsmessung zu detektieren. Obwohl das offenbarte Magnetsensorsystem 402 in Bezug auf ein aktives Zielrad beschrieben wird, ist für Durchschnittsfachleute erkennbar, dass das offenbarte Sensorsystem als Alternative in Verbindung mit passiven Zielrädern verwendet werden kann.
Das Magnetsensorsystem 402 ist entlang einer x/y-Ebene auf der Oberfläche des aktiven Zielrads 408 positioniert. Wie nachfolgend beschrieben wird, umfasst das Magnetsensorsystem 402 einen Hall-Sensor 404 und einen GMR-Sensor 406. Der Hall-Sensor 404 umfasst eine erste Hall-Platte 404a, die sich auf einer ersten Seite des Magnetsensorsystems 402 befindet, und eine zweite Hall-Platte 404b, die sich auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Magnetsensorsystems 402 befindet. Der GMR-Sensor 406 umfasst GMR-Widerstände 406a, 406b, die sich auf der ersten Seite des Magnetsensorsystems 402 befinden, und GMR-Widerstände 406c, 406d, die sich auf der zweiten Seite des Magnetsensorsystems 402 befinden.
Das aktive Zielrad 408 umfasst eine Vielzahl von abwechselnden magnetischen Polen 408a, 408b, ..., 408n, die den Umfang des aktiven Zielrads 408 überspannen. Angrenzende Pole weisen entgegengesetzte magnetische Orientierungen auf, so dass sich ein Nordpol (N) neben einem Südpol (S) befindet.
Während des Betriebs bewegt sich eine abwechselnde Reihe von magnetischen Nordpolen (N) und Südpolen (S) in einer Tangentialrichtung, so dass das Magnetsensorsystem 402 abwechselnde N- und S-Pole herüberbewegt. Während sich das Magnetsensorsystem 402 entlang dem aktiven Zielrad bewegt, misst der Hall-Sensor 404 und der GMR-Sensor 406 ein Magnetfeld, das zwischen einem Feld mit einer ersten Richtung (z. B. N) und einem Feld in einer zweiten Richtung (z. B. S) abwechselt.
Die gemessenen Magnetfelder werden als Hall-Plattenausgangssignal S_HALL und ein GMR-Ausgangssignal S_GMR ausgegeben. Die Ausgangssignale S_HALL und S_GMR werden einem Signalprozessor 412 zugeführt. Der Signalprozessor 412 ist dafür ausgelegt, ein zusammengesetztes Ausgangssignal S_out zu erzeugen, das eine Kombination des GMR- und Hall-Plattenausgangssignals S_HALL und S_GMR umfasst. Das zusammengesetzte Ausgangssignal S_out kann verwendet werden, um auf der Basis einer gezählten Anzahl magnetischer Pole eine Umdrehungsgeschwindigkeitsmessung zu bestimmen.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der Hall-Sensor 404 laterale Hall-Platten, die dafür ausgelegt sind, ein Magnetfeld senkrecht zu den Hall-Platten zu detektieren. Bei einer solchen Ausführungsform sind die lateralen Hall-Platten dafür ausgelegt, ein Magnetfeld zu detektieren, das gegenüber dem durch den GMR-Sensor 406 detektierten Magnetfeld um 90° phasenverschoben ist. Bei anderen Ausführungsformen umfasst der Hall-Sensor 404 vertikale Hall-Platten, die dafür ausgelegt sind, ein Magnetfeld zu detektieren, das zu den Platten (d. h. der Bewegungsrichtung) senkrecht ist. Bei einer solchen Ausführungsform erzeugen die vertikalen Hall-Platten und der GMR-Sensor 406 Signale, die gleichphasig sind, und die gewichtete Summe von beiden besitzt steilere Nulldurchgänge als die reinen GMR-Signale. Ferner ermöglicht dies, dass die vertikalen Hall-Platten das Magnetfeld in derselben Richtung wie der GMR-Sensor 406 detektieren können.
4B zeigt eine Querschnittsansicht 414 eines Magnetsensorsystems 402 und eines aktiven Zielrads 408.
Das aktive Zielrad 408 umfasst eine Vielzahl von magnetischen Polen jeweils mit einer Größe 418 in der Richtung der Bewegung. Das Magnetsensorsystem 402 wird von dem aktiven Zielrad 408 durch einen Luftspalt 416 getrennt, der gleich einer Distanz von der Oberfläche des Substrats, das Sensorelemente trägt, zu der Oberfläche eines magnetischen Pols 408a, 408b usw. in dem Zielrad 408 ist.
Die Hall-Platten 404a und 404b werden durch eine erste Distanz 420 von Mitte zu Mitte voneinander getrennt, während die GMR-Widerstände 406a und 406b durch eine zweite Distanz 422 von Mitte zu Mitte voneinander getrennt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die erste und zweite Distanz 420 und 422 verschieden. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die erste und zweite Distanz 420 und 422 gleich.
Während die Größe der magnetischen Pole 408a, 408b usw. relativ zu der Größe des Magnetsensorsystems 402 (das größenbegrenzt ist) zunimmt, erfahren die rechte und linke Seite des Hall-Sensors 404 und des GMR-Sensors 406 während einer selben Zeit ein homogenes Magnetfeld 424. Wenn zum Beispiel die Beabstandung zwischen GMR-Widerständen auf gegenüberliegenden Seiten des Magnetsensorsystems 402 ungefähr gleich der Größe eines magnetischen Pols (z. B. 408a) des aktiven Zielrads 408 ist, detektiert die rechte Seite einer GMR-Brückenstruktur einen Pol mit einer selben Polarität wie die linke Seite der GMR-Brückenstruktur. Wenn der Luftspalt 416 auch klein ist, steuert das Magnetfeld 424 die entgegengesetzten GMR-Sensoren 406a und 406b für einen bestimmten Bereich von Positionen in Sättigung. In dem Bereich von Positionen hebt sich das Magnetfeld in beiden Zweigen der GMR-Brücke auf, so dass der GMR-Sensor 406 ein Signal mit einer Amplitude von nahezu null ausgibt. Über den Bereich von Positionen ändert sich das GMR-Signal nicht, sondern weist stattdessen eine kleine Steigung auf, die ungefähr null bleibt (d. h. besitzt einen flachen Nulldurchgang). Durch die kleine Steigung wird es schwierig, eine Nulldurchgangszeit zu detektieren, da die Nulldurchgangszeit zum Beispiel durch Rauschen verfälscht werden kann.
Zum Beispiel zeigt 5A einen Graph 500 des Ausgangssignals eines nichtlinearen GMR-Sensors 502 mit vier in einer Brückenkonfiguration (z. B. wie in 3B gezeigt) geschalteten GMR-Widerständen. Die horizontale Achse von Graph 500 entspricht der Position des Schwerpunkts des nichtlinearen GMR relativ zu dem Umfang des aktiven Zielrads. Für Graph 500 wird angenommen, dass der nichtlineare GMR-Sensor dafür ausgelegt ist, das Magnetfeld für Pole eines aktiven Zielrads zu detektieren, die in der Bewegungsrichtung 4 mm lang sind. Der nichtlineare GMR-Sensor wird durch einen Luftspalt von 0,5 mm von dem aktiven Zielrad getrennt und weist GMR-Widerstände auf, die in der Bewegungsrichtung 1,9 mm voneinander beabstandet sind.
Der kleine Luftspalt ermöglicht ein großes Magnetfeld an den GMR-Widerständen, das das Ausgangssignal des nichtlinearen GMR-Sensors 502 in positive oder negative Sättigung steuert. Ferner bewirkt die große Größe der Pole relativ zu der Beabstandung der GMR-Widerstände, dass die vier GMR-Widerstände einer Brücke über vielfältige Positionen dieselbe Magnetpolpolarität erfassen. Indem über vielfältige Positionen dieselbe Magnetpolpolarität erfasst wird, besitzt die Differenzausgangsspannung der Brücke einen Wert, der auch dann, wenn sich das Polrad in dem Bereich von Positionen bewegt, im Wesentlichen null ist. Dies führt zu Regionen mit kleiner Steigung (z. B. flachen Übergängen) über den Bereich von Positionen, die eine ungenaue Umschaltung ergeben kann, wenn das Signal durch null geht (d. h. wenn das Sensorsystem zwischen Polen übergeht).
Die Hall-Platten des offenbarten Sensorsystems erlauben jedoch, diese Regionen kleiner Steigung zu vermeiden, da die Hall-Platten keine Sättigung erfahren. Anders ausgedrückt besitzt durch Addieren des Signals des Hall-Sensors zu dem Ausgangssignal des GMR-Sensors das resultierende zusammengesetzte Ausgangssignal eine Steigung, während es durch null geht (d. h. die Regionen kleiner Steigung werden vermieden).
Zum Beispiel zeigt 5B einen Graph 504 eines Ausgangssignals eines nichtlinearen GMR-Sensors 506, das zu einem Ausgangssignal eines linearen Hall-Sensors 508 addiert wird, um ein zusammengesetztes Ausgangssignal 510 zu bilden. Die Ausgangssignale sind für eine Periode gezeigt (d. h. das Ausgangssignal, das erzeugt wird, während sich das Sensorsystem über einen Nordpol und einen Südpol eines Codiererrads bewegt), so dass sich der Bereich entlang einer Distanz erstreckt, die zweimal die Größe eines Pols beträgt.
Die Ausgangssignale werden unter Verwendung von Sensoren detektiert, die dafür ausgelegt sind, das Magnetfeld für Pole eines aktiven Zielrads zu detektieren, die in der Bewegungsrichtung 3 mm lang sind. Die Sensoren werden durch einen Luftspalt von 1 mm von dem aktiven Zielrad getrennt. Der nichtlineare GMR-Sensor besitzt GMR-Widerstände, die in der Bewegungsrichtung 1,9 mm voneinander beabstandet sind, und der Hall-Sensor besitzt Hall-Platten, die in der Bewegungsrichtung 1,3 mm voneinander beabstandet sind.
Wie in dem Graph 504 gezeigt, weist das Ausgangssignal des GMR-Sensors 506 aufgrund des Gehens der GMR-Widerstände in Sättigung ein nichtsinusförmiges Signal auf. Das Ausgangssignal des Hall-Sensors 508 ist sinusförmig und hat eine Amplitude, die nahezu so groß wie das Ausgangssignal des GMR-Sensors 506 ist, da das Ausgangssignal des Hall-Sensors 508 nicht durch Sättigungseffekte abgeschnitten wird. Das resultierende zusammengesetzte Ausgangssignal 510 besitzt eine steile Steigung durch die Nulldurchgänge.
Wenn die Größe der magnetischen Pole abnimmt, um nahezu mit der Beabstandung der GMR-Sensoren identisch zu werden, werden die Nulldurchgänge des Sensorsystems beseitigt. Das resultierende zusammengesetzte Ausgangssignal wird durch die Hall-Platte nicht verschlechtert. Zum Beispiel zeigt 5C einen Graph 512 eines Ausgangssignals eines nichtlinearen GMR-Sensors 514, das zu einem Ausgangssignal eines linearen Hall-Sensors 516 addiert wird, um ein zusammengesetztes Ausgangssignal 518 zu bilden. Die Ausgangssignale werden unter Verwendung von Sensoren detektiert, die durch einen Luftspalt von 1 mm von dem aktiven Zielrad getrennt werden und die dafür ausgelegt sind, das Magnetfeld von Polen eines aktiven Zielrads zu detektieren, die in der Bewegungsrichtung 2 mm lang sind. Der GMR-Sensor besitzt GMR-Widerstände, die in der Bewegungsrichtung 1,9 mm beabstandet sind, und zu einer Beabstandung der Hall-Platten von 1,3 mm in der Bewegungsrichtung. Das zusammengesetzte Ausgangssignal 518 weist trotz der flachen Nulldurchgänge des Ausgangssignals des GMR-Sensors 514 aufgrund des Ausgangssignals des Hall-Sensors 516 steile Nulldurchgänge mit hoher Schaltgenauigkeit auf.
Es versteht sich, dass das offenbarte Sensorsystem dafür ausgelegt ist, über einen großen Umfang von Betriebsbedingungen (z. B. Luftspalten und Polgrößen) genaue Messwerte bereitzustellen. Zum Beispiel zeigen 6A–6D Simulationen der Anwendung des offenbarten Sensorsystems auf Luftspalte zwischen 1 mm und 16 mm und Polgrößen zwischen 5 und 8 mm Länge. Die Simulationen zeigen den Ort des Sensors (relativ zum Zielrad) auf der x-Achse über eine Periode und die Amplitude der Signale auf der y-Achse.
6A zeigt einen Graph 600 eines Ausgangssignals eines nichtlinearen GMR-Sensors 602, das zu einem Ausgangssignal eines linearen Hall-Sensors 604 addiert wird, um ein zusammengesetztes Ausgangssignal 606 zu bilden. Die Ausgangssignale werden unter Verwendung von Sensoren detektiert, die dafür ausgelegt sind, das Magnetfeld von Polen eines aktiven Zielrads zu detektieren, die in der Bewegungsrichtung 5 mm lang sind. Die Sensoren werden durch einen Luftspalt von 1 mm von dem aktiven Zielrad getrennt und besitzen GMR-Widerstände, die in der Bewegungsrichtung 1,9 mm beabstandet sind, und zu einer Beabstandung der Hall-Platten von 1,3 mm in der Bewegungsrichtung. Wie im Graph 600 gezeigt, besitzt das Ausgangssignal des GMR-Sensors 602 sehr flache Nulldurchgänge, und dennoch besitzt das zusammengesetzte Ausgangssignal 606 sehr steile Nulldurchgänge.
6B zeigt einen Graph 608 eines Ausgangssignals eines nichtlinearen GMR-Sensors 610, das zu einem Ausgangssignal eines linearen Hall-Sensors 612 addiert wird, um ein zusammengesetztes Ausgangssignal 614 zu bilden. Die Ausgangssignale werden unter Verwendung von Sensoren detektiert, die dafür ausgelegt sind, das Magnetfeld von Polen eines aktiven Zielrads zu detektieren, die in der Bewegungsrichtung 8 mm lang sind. Die Sensoren werden durch einen Luftspalt von 1 mm von dem aktiven Zielrad getrennt und besitzen GMR-Widerstände, die in der Bewegungsrichtung um 1,9 mm beabstandet sind, und zu einer Beabstandung der Hall-Platten von 1,3 mm in der Bewegungsrichtung. Wie im Graph 608 gezeigt, „berührt” eine Vertiefung in dem zusammengesetzten Ausgangssignal 614 die Nulllinie, was eine Fehlfunktion des Sensorsystems bewirkt.
Eine Vergrößerung des Luftspalts von 1 mm auf 2 mm bewirkt jedoch, dass das Sensorsystem wieder ordnungsgemäß arbeitet. Zum Beispiel zeigt 6C einen Graph 616 eines Ausgangssignals eines nichtlinearen GMR-Sensors 618, das zu einem Ausgangssignal eines linearen Hall-Sensors 620 addiert wird, um ein zusammengesetztes Ausgangssignal 622 zu bilden. Die Ausgangssignale werden unter Verwendung von Sensoren detektiert, die dafür ausgelegt sind, das Magnetfeld von Polen eines aktiven Zielrads zu detektieren, die in der Bewegungsrichtung 8 mm lang sind. Die Sensoren werden durch einen Luftspalt von 2 mm von dem aktiven Zielrad getrennt und besitzen GMR-Widerstände, die in der Bewegungsrichtung 1,9 mm beabstandet sind, und zu einer Beabstandung der Hall-Platten von 1,3 mm in der Bewegungsrichtung. Wie im Graph 616 gezeigt, weist das Sensorsystem ein zusammengesetztes Ausgangssignal 622 auf, das wieder steile Durchgänge durch die Nullstellen aufweist. Deshalb können die 8-mm-Pole des Zielrads durch das Sensorsystem durch Vergrößern des Luftspalts von 1 auf 2 mm detektiert werden.
6D zeigt einen Graph 624 eines Ausgangssignals eines nichtlinearen GMR-Sensors 626, das zu einem Ausgangssignal eines linearen Hall-Sensors 628 addiert wird, um ein zusammengesetztes Ausgangssignal 630 zu bilden. Die Ausgangssignale werden unter Verwendung von Sensoren detektiert, die dafür ausgelegt sind, das Magnetfeld von Polen eines aktiven Zielrads zu detektieren, die in der Bewegungsrichtung 8 mm lang sind. Die Sensoren werden durch einen Luftspalt von 16 mm von dem aktiven Zielrad getrennt und besitzen GMR-Widerstände, die in der Bewegungsrichtung 1,9 mm beabstandet sind, und zu einer Beabstandung der Hall-Platten von 1,3 mm in der Bewegungsrichtung.
Wie im Graph 624 gezeigt, ist das Ausgangssignal des Hall-Sensors 628 im Vergleich zu dem Ausgangssignal des GMR-Sensors 626 klein, weil die magnetische Empfindlichkeit des GMR-Sensors größer als bei dem Hall-Sensor ist. Deshalb ist das zusammengesetzte Ausgangssignal 630 gegenüber dem Ausgangssignal des GMR-Sensors 626 etwas phasenverschoben. Ferner wird die Signalamplitude des zusammengesetzten Ausgangssignals 630 durch das Ausgangssignal des Hall-Sensors 628 nicht verschlechtert (z. B. wird der Gewichtungskoeffizient w so gewählt, dass das Rauschen von den Hall-Platten das zusammengesetzte Ausgangssignal nicht stört).
Bei bestimmten Ausführungsformen ist das offenbarte Sensorsystem dafür ausgelegt, die Richtung einer Fahrzeugbewegung (z. B. von links nach rechts oder von rechts nach links) zu detektieren. 7 ist ein Graph 700 der Verwendung eines nichtlinearen Sensoransprechverhaltens zur Detektion der Richtung einer Fahrzeugbewegung.
Bei einer solchen Ausführungsform ist eine Signalverarbeitungseinheit dafür ausgelegt, das Ausgangssignal der linearen Sensoren mit dem zusammengesetzten Ausgangssignal des Sensorsystems zu vergleichen und eine Beziehung zwischen den Signalen zu bestimmen, die die Bewegungsrichtung angibt. Zum Beispiel kann die Signalverarbeitungseinheit ein Vorzeichen des Ausgangssignals des Hall-Sensors (z. B. S_Hall) an jedem Nulldurchgang bestimmen. Das Vorzeichen des Ausgangssignals des Hall-Sensors wird mit einem zusammengesetzten Ausgangssignal verglichen, das durch das Sensorsystem bereitgestellt wird (z. B. S_out). Die Bewegungsrichtung ist im Uhrzeigersinn, wenn das Ausgangssignal des Hall-Sensors S_Hall an dem Ansteigende-Flanke-Nulldurchgang des zusammengesetzten Ausgangssignals S_out positiv ist oder wenn das Ausgangssignal des Hall-Sensors S_Hall am Fallende-Flanke-Nulldurchgang des zusammengesetzten Ausgangssignals S_out negativ ist. Als Alternative ist die Bewegungsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn, wenn das Ausgangssignal des Hall-Sensors S_Hall am Fallende-Flanke-Nulldurchgang des zusammengesetzten Ausgangssignals S_out positiv ist oder wenn das Ausgangssignal des Hall-Sensors S_Hall am Ansteigende-Flanke-Nulldurchgang des zusammengesetzten Ausgangssignals S_out negativ ist.
Zum Beispiel ist wie im Graph 700 gezeigt zu einem ersten Zeitpunkt t₁ die Bewegungsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn, da das Ausgangssignal des Hall-Sensors 702 am Ansteigende-Flanke-Nulldurchgang des zusammengesetzten Ausgangssignals 704 negativ ist. Als Alternative wäre die Bewegungsrichtung im Uhrzeigersinn, wenn das Ausgangssignal des Hall-Sensors 702 an der ansteigenden Flanke des zusammengesetzten Ausgangssignals 704 positiv wäre. Zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ ist die Bewegungsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn, da das Ausgangssignal des Hall-Sensors 702 am Fallende-Flanke-Nulldurchgang des zusammengesetzten Ausgangssignals 704 positiv ist. Als Alternative wäre die Bewegungsrichtung im Uhrzeigersinn, wenn das Ausgangssignal des Hall-Sensors 702 an der fallenden Flanke des zusammengesetzten Ausgangssignals 704 negativ wäre.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 800 zum Kombinieren von linearen und Sättigungs-Sensoren zur Vergrößerung des Umfangs zwischen minimaler und maximaler zulässiger Eingangsgröße.
Es versteht sich, dass, obwohl das Verfahren 800 als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben wird, die dargestellte Anordnung solcher Schritte oder Ereignisse nicht im einschränkenden Sinne aufzufassen ist. Zum Beispiel können bestimmte Schritte in einer anderen Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen außer den hier dargestellten und/oder beschriebenen auftreten. Außerdem müssen nicht alle dargestellten Schritte erforderlich sein, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu implementieren. Außerdem können ein oder mehrere der hier abgebildeten Schritte in einem oder mehreren separaten Schritten und/oder Durchgängen ausgeführt werden. Ferner können die offenbarten Verfahren als Vorrichtung oder Herstellungsartikel unter Verwendung von Standardprogrammierung und/oder Ingenieurstechniken implementiert werden, um Software, Firmware, Hardware oder eine beliebige Kombination davon zu produzieren, um einen Computer zu steuern, den offenbarten Gegenstand zu implementieren.
Bei 802 wird ein nichtlinearer Sensor betrieben, um ein erstes nichtlineares Signal zu erzeugen, das einer detektierten physikalischen Eingangsgröße entspricht. Der nichtlineare Sensor weist ein nichtlineares Ansprechverhalten auf eine physikalische Eingangsgröße auf. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der nichtlineare Sensor einen GMR-Sensor mit einer Vielzahl von GMR-Widerständen.
Bei 804 wird ein linearer Sensor betrieben, um ein zweites lineares Signal zu erzeugen, das einer detektierten physikalischen Eingangsgröße entspricht. Der lineare Sensor besitzt ein lineares Ansprechverhalten auf eine physikalische Eingangsgröße. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der lineare Sensor eine oder mehrere Hall-Platten, die unter Verwendung eines Drehstromverfahrens betrieben werden können, um den Offsetfehler gering und stabil zu halten und auch um 1/f-Rauschen aufzuheben.
Bei 806 wird ein zusammengesetztes Ausgangssignal aus einer Kombination des ersten und zweiten Signals gebildet. Das zusammengesetzte Ausgangssignal umfasst eine Kombination des ersten nichtlinearen Signals und des zweiten linearen Signals, das ein Signal ergibt, das hohe Empfindlichkeit gegenüber kleinen physikalischen Eingangsgrößen aufweist, während Sättigung bei großen physikalischen Eingangsgrößen vermieden wird. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das zusammengesetzte Ausgangssignal eine gewichtete Summe des ersten linearen Signals und des zweiten nichtlinearen Signals.

Claims

Sensorsystem, umfassend: einen nichtlinearen Sensor, der dafür ausgelegt ist, ein erstes nichtlineares Signal zu erzeugen, das einer physikalischen Eingangsgröße entspricht; einen linearen Sensor zum Erzeugen eines zweiten linearen Signals, das der physikalischen Eingangsgröße entspricht; und eine Signalverarbeitungseinheit, die dafür ausgelegt ist, ein zusammengesetztes Ausgangssignal zu erzeugen, das der physikalischen Eingangsgröße entspricht, das eine Kombination des ersten nichtlinearen Signals und des zweiten linearen Signals ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei die physikalische Eingangsgröße ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, eine Temperatur, einen Feuchtigkeitsgehalt, einen Gasdruck, eine mechanische Belastung oder Anspannung, ein optisches Licht oder eine nukleare Strahlung umfasst.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zusammengesetzte Ausgangssignal eine gewichtete Summe des ersten nichtlinearen Signals und des zweiten linearen Signals umfasst.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die physikalische Eingangsgröße eine vektorwertige physikalische Eingangsgröße umfasst.
Sensorsystem nach Anspruch 4, wobei der lineare Sensor dafür ausgelegt ist, eine erste Komponente der vektorwertigen physikalischen Eingangsgröße zu detektieren und wobei der nichtlineare Sensor dafür ausgelegt ist, eine zweite Komponente der vektorwertigen physikalischen Eingangsgröße zu detektieren, die zu der ersten Komponente orthogonal ist.
Sensorsystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei der lineare Sensor dafür ausgelegt ist, eine erste Komponente der vektorwertigen physikalischen Eingangsgröße zu detektieren und wobei der nichtlineare Sensor dafür ausgelegt ist, eine zweite Komponente der vektorwertigen physikalischen Eingangsgröße zu detektieren, die zu der ersten Komponente parallel ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der lineare Sensor einen Hall-Sensor mit einer oder mehreren Hall-Platten umfasst.
Sensorsystem nach Anspruch 7, wobei der nichtlineare Sensor einen gigant-magnetoresistiven Sensor umfasst, der eine Vielzahl von gigant-magnetoresistiven Widerständen umfasst.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Signalverarbeitungseinheit dafür ausgelegt ist, durch Vergleichen des Ausgangssignals des linearen Sensors mit dem zusammengesetzten Ausgangssignal eine Bewegungsrichtung zu bestimmen.
Verfahren zum Betrieb eines Sensorsystems zum Detektieren einer physikalischen Eingangsgröße, umfassend: Betreiben eines nichtlinearen Sensors, um ein erstes nichtlineares Signal zu erzeugen, das einer physikalischen Eingangsgröße entspricht; Betreiben eines linearen Sensors, um ein zweites lineares Signal zu erzeugen, das der physikalischen Eingangsgröße entspricht; und Erzeugen eines zusammengesetzten Ausgangssignals, das der physikalischen Eingangsgröße entspricht, das eine Kombination des ersten nichtlinearen Signals und des zweiten linearen Signals ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die physikalische Eingangsgröße ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, eine Temperatur, einen Feuchtigkeitsgehalt, einen Gasdruck, eine mechanische Belastung oder Anspannung, ein optisches Licht oder eine nukleare Strahlung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das zusammengesetzte Ausgangssignal eine gewichtete Summe des ersten nichtlinearen Signals und des zweiten linearen Signals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das zusammengesetzte Ausgangssignal das erste nichtlineare Signal, addiert zu einem Produkt eines Gewichtungskoeffizienten, multipliziert mit dem zweiten linearen Signal, umfasst, wobei der Gewichtungskoeffizient durch einen Algorithmus bestimmt wird, der dafür ausgelegt ist, den Gewichtungskoeffizienten während des Betriebs des Sensorsystems zu justieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die physikalische Eingangsgröße vektorwertige physikalische Größen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, ferner umfassend: Bestimmen einer Bewegungsrichtung durch Vergleichen des zweiten linearen Signals mit dem zusammengesetzten Ausgangssignal.