DE102014115537A1

DE102014115537A1 - Schaltung, verfahren und sensor zum erhalten von informationen über eine physikalische grösse

Info

Publication number: DE102014115537A1
Application number: DE201410115537
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Horn; Alessandro Michelutti; Bernhard Schaffer; Simon Hainz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2034-10-25
Also published as: US20150115932A1; DE102014115537B4; CN104567943A; US10571296B2; CN104567943B; US20170122772A1; US9488505B2

Abstract

Eine Schaltung zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe gemäß einer Ausführungsform weist eine Sensoranordnung auf, die für die physikalische Größe empfindlich ist, mindestens ein weiteres Sensorelement, das für die physikalische Größe empfindlich ist, und eine Speiseschaltung, die konfiguriert ist, die Sensoranordnung mit einem Speisesignal zu versorgen, das eine Speisespannung umfasst, die von der Speiseschaltung in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird. Die Speiseschaltung ist weiterhin konfiguriert, das mindestens eine weitere Sensorelement mit einem weiteren Speisesignal zu versorgen, das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit einer Größe eines Speisestroms des Speisesignals erfüllt. Infolgedessen kann es möglich sein, einen Kompromiss zwischen einer verbesserten Kompensation von Variationen, dem Vereinfachen einer Implementierung, dem Vereinfachen der Herstellung, dem Vereinfachen der Erfassung und dem Bereitstellen stabiler Erfassungsbedingungen zu verbessern.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Ausführungsformen betreffen eine Schaltung, ein Verfahren und einen Sensor zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Viele Anwendungen basieren auf dem Erfassen einer physikalischen Größe wie etwa einer magnetischen Größe, einer Temperatur, einem Druck, einer elektromagnetische Strahlung oder mechanische Exposition betreffenden physikalischen Größe, um nur einige zu nennen. Die Anwendungen stammen aus allen Gebieten der Technologie. Beispielsweise stammen einige Anwendungen aus dem Messen einer Drehzahl und einer Drehrichtung eines Rads eines motorisierten Fahrzeugs, eines Lenkwinkels oder dergleichen. Diese Messungen können beispielsweise unter Verwendung von Magnetfeldsensorelementen, optischen Sensorelementen oder anderen Sensorelementen ausgeführt werden, wie etwa Sensorelementen, die für eine mechanische Beanspruchung empfindlich sind.
Aufgrund der weit verbreiteten Anwendung dieser Sensoren existieren Erwartungen dahingehend, ihre Herstellung und Implementierung zu vereinfachen, um beispielsweise die mit diesen Vorrichtungen assoziierten Kosten zu reduzieren. Bei vielen Anwendungen sind jedoch auch die Zuverlässigkeit sowie die Genauigkeit von zumindest einiger Wichtigkeit. Quellen für Ungenauigkeiten kommen beispielsweise aus Abweichungen von stabilen Erfassungsbedingungen sowie Variationen wie etwa temperaturbezogenen oder prozessbezogenen Variationen, um nur zwei Beispiele zu nennen.
Deshalb besteht eine Nachfrage dahingehend, einen Kompromiss zwischen einer verbesserten Kompensation von Variationen, dem Vereinfachen einer Implementierung, dem Vereinfachen der Herstellung, dem Vereinfachen der Erfassung und dem Bereitstellen stabiler Erfassungsbedingungen zu verbessern.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Einer derartigen Nachfrage kann durch den Gegenstand einer der Ansprüche genügt werden.
Einige Ausführungsformen betreffen eine Schaltung zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe gemäß einer Ausführungsform, die eine Sensoranordnung, die für eine physikalische Größe empfindlich ist, und mindestens ein weiteres Sensorelement umfasst, das für die physikalische Größe empfindlich ist. Die Schaltung gemäß einer Ausführungsform umfasst weiterhin eine Speiseschaltung, die konfiguriert ist zum Versorgen der Sensoranordnung mit einem Speisesignal, das eine Speisespannung umfasst, die von der Speiseschaltung in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird. Die Speiseschaltung ist weiterhin konfiguriert zum Versorgen des mindestens einen weiteren Sensorelements mit einem weiteren Speisesignal, das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit einer Größe eines Speisestroms des Speisesignals erfüllt.
Optional ist die Speiseschaltung so konfiguriert, dass gemäß der vordefinierten Beziehung die Größe des weiteren Speisestroms im Wesentlichen proportional zur Größe des Speisestroms ist.
Weiterhin umfasst optional die Speiseschaltung einen Stromspiegel, der konfiguriert ist zum Versorgen des weiteren Speisesignals mit der Größe des weiteren Stroms auf der Basis der Größe des Speisestroms des Speisesignals.
Optional ist der Stromspiegel weiterhin konfiguriert zum Versorgen des Speisesignals mit einer Größe des Stroms und des weiteren Speisesignals mit einer Größe des weiteren Stroms auf der Basis einer Größe eines Steuerstroms.
Weiterhin ist die Speiseschaltung optional konfiguriert zum Steuern einer Größe des Steuerstroms, so dass die Speisespannung des Speisesignals in der Regelkreiskonfiguration gesteuert wird.
Optional ist die Speiseschaltung konfiguriert, die Größe der Speisespannung des Speisesignals im Wesentlichen konstant zu halten.
Weiterhin umfasst optional die Schaltung weiterhin eine Detektionsschaltung, die an das mindestens eine weitere Sensorelement gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Generieren eines die Informationen über die physikalische Größe anzeigenden Ausgangssignals.
Optional umfasst die Detektionsschaltung einen Differenzverstärker, der an das mindestens eine weitere Sensorelement gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Generieren des die Informationen über die physikalische Größe anzeigenden Ausgangssignals.
Weiterhin optional ist ein erster Eingang des Differenzverstärkers an die Speisespannung gekoppelt, um ein erstes Signal zu empfangen, das die Speisespannung des Speisesignals umfasst, wobei ein zweiter Eingang des Differenzverstärkers an das mindestens eine weitere Sensorelement gekoppelt ist, um ein zweites Signal zu empfangen, das eine einen Spannungsabfall an dem mindestens einen weiteren Sensorelement anzeigende Erfassungsspannung umfasst, und wobei der Differenzverstärker konfiguriert ist zum Liefern des Ausgangssignals auf der Basis einer Differenz der Speisespannung und der Erfassungsspannung an einem Ausgang des Differenzverstärkers.
Optional umfasst die Sensorelementanordnung mehrere Sensorelemente, die für die physikalische Größe empfindlich sind, wobei die Sensorelementanordnung konfiguriert ist zum Generieren eines eine räumliche Änderung der physikalischen Größe anzeigenden Signals.
Weiterhin optional sind mindestens zwei Sensorelemente der Sensorelementanordnung räumlich entlang einer Richtung verschoben und derart gekoppelt, dass die Sensorelementanordnung konfiguriert ist zum Generieren des die räumliche Änderung der physikalischen Größe entlang der Richtung anzeigenden Signals.
Optional sind mindestens zwei Sensorelemente der Sensorelementanordnung aneinander gekoppelt, um mindestens eine Halbbrücke zu bilden, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens zwei Sensorelemente und einen zwischen die mindestens zwei Sensorelemente gekoppelten Knoten umfasst, wobei das die räumliche Änderung anzeigende Signal am Knoten der mindestens einen Halbbrücke erhalten werden kann.
Weiterhin optional umfasst die Sensorelementanordnung mindestens zwei Halbbrücken, die derart parallel gekoppelt sind, dass das die räumliche Änderung anzeigende Signal an den Knoten der mindestens zwei Halbbrücken erhalten werden kann.
Optional umfasst die physikalische Größe eine Stärke eines Magnetfelds, eine Richtung des Magnetfelds, eine Stärke einer Komponente eines Magnetfelds, eine Temperatur, einen Druck, eine Intensität einer elektromagnetischen Strahlung, eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und/oder eine mechanische Beanspruchung.
Weiterhin optional umfasst die Sensoranordnung mindestens ein Sensorelement und wobei das mindestens eine Sensorelement der Sensorelementanordnung und das weitere Sensorelement ein für ein Magnetfeld empfindliches Sensorelement, ein Temperatursensorelement, ein Drucksensorelement, ein lichtdetektierendes Sensorelement und/oder ein für mechanische Exposition empfindliches Sensorelement umfassen.
Einige Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe, wobei das Verfahren das Versorgen einer Sensoranordnung mit einem Speisesignal umfasst, das eine Speisespannung aufweist, die von der Speiseschaltung in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird, wobei die Sensoranordnung für eine physikalische Größe empfindlich ist. Es umfasst weiterhin das Versorgen mindestens eines weiteren Sensorelements mit einem weiteren Speisesignal, das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit einer Größe eines Speisestroms des Speisesignals erfüllt, wobei das mindestens eine weitere Signalelement für die physikalische Größe empfindlich ist.
Weiterhin betreffen einige Ausführungsformen einen Sensor zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe, wobei der Sensor Folgendes umfasst: eine Sensoranordnung, die für die physikalische Größe empfindlich ist; mindestens ein weiteres Sensorelement, das für die physikalische Größe empfindlich ist; eine Speiseschaltung, die konfiguriert ist zum Versorgen der Sensoranordnung mit einem Speisesignal, das eine Speisespannung umfasst, die von der Speiseschaltung in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird, wobei die Speiseschaltung weiterhin konfiguriert ist zum Versorgen des mindestens einen weiteren Sensorelements mit einem weiteren Speisesignal, das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit einer Größe eines Speisestroms des Speisesignals erfüllt; und eine Detektionsschaltung, die an das mindestens eine weitere Sensorelement gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Generieren eines die Informationen über die physikalische Größe anzeigenden Ausgangssignals.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den beigefügten Figuren beschrieben.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Sensors und einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe gemäß einer Ausführungsform;
3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Sensors unter Verwendung von Hall-Sensorelementen;
4 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines weiteren Sensors unter Verwendung von GMR-Sensorelementen;
5 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Sensors unter Verwendung von GMR-Sensorelementen;
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensors und einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform;
7 zeigt eine GMR-Transferfunktion;
8A bis 8D zeigen Diagramme von kleinen magnetischen Signalen eines Sensors gemäß einer Ausführungsform mit einer Phasenverschiebung von 120°;
9A bis 9D zeigen Diagramme von kleinen magnetischen Signalen eines Sensors gemäß einer Ausführungsform mit einer Phasenverschiebung von 90°;
10A bis 10D zeigen Diagramme von kleinen magnetischen Signalen eines Sensors gemäß einer Ausführungsform mit einer Phasenverschiebung von 60°;
11A bis 11D zeigen Diagramme von kleinen magnetischen Signalen eines Sensors gemäß einer Ausführungsform mit einer Phasenverschiebung von 45° ohne ein homogenes externes Magnetfeld;
12A bis 12C zeigen Diagramme von großen magnetischen Signalen in einem Sensor gemäß einer Ausführungsform mit einer Phasenverschiebung von 90°;
13A bis 13C zeigen Diagramme, die einen Vergleich zwischen einem herkömmlichen Sensor und einem Sensor gemäß einer Ausführungsform für kleine magnetische Signale mit einer Phasenverschiebung von 90° darstellen;
14A bis 14C zeigen ein Diagramm, das einen Vergleich zwischen einem herkömmlicheren Sensor und einem Sensor gemäß einer Ausführungsform für kleine magnetische Signale mit einer Phasenverschiebung von 60° darstellt;
15A bis 15C zeigen Diagramme, die einen Vergleich zwischen einem herkömmlicheren Sensor und einem Sensor gemäß einer Ausführungsform für große magnetische Signale mit einer Phasenverschiebung von 90° darstellen;
16A bis 16D zeigen Diagramme von kleinen magnetischen Signalantworten in einem Sensor gemäß einer Ausführungsform für kleine magnetische Felder mit einer Phasenverschiebung von 90°.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben. In diesem Kontext werden zusammenfassende Bezugszeichen verwendet, um mehrere Objekte gleichzeitig zu beschreiben oder um gemeinsame Merkmale, Abmessungen, Charakteristika oder dergleichen dieser Objekte zu beschreiben. Die zusammenfassenden Bezugszeichen basieren auf ihren individuellen Bezugszeichen. Zudem werden Objekte, die in mehreren Ausführungsformen oder mehreren Figuren auftreten, die aber identisch sind oder bezüglich mindestens einiger ihrer Funktionen oder Strukturmerkmale mindestens ähnlich sind, mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen betreffen Teile der Beschreibung, die sich auf solche Objekte beziehen, auch die entsprechenden Objekte der verschiedenen Ausführungsformen oder der verschiedenen Figuren, sofern nicht explizit oder – unter Berücksichtigung des Kontexts der Beschreibung und der Figuren – implizit etwas anderes festgestellt ist. Deshalb können ähnliche oder verwandte Objekte mit mindestens einigen identischen oder ähnlichen Merkmalen, Abmessungen oder Charakteristika implementiert werden, sie können aber auch mit differierenden Eigenschaften implementiert werden.
In der heutigen Welt finden Sensoren für physikalische Größen breite Anwendung auf verschiedenen Gebieten von Anwendungen. Die involvierten Sensoren werden zum Detektieren verschiedener physikalischer Größen wie etwa magnetfeldbezogene oder elektromagnetische physikalische Größen sowie Temperaturen, Drücke, mechanische Beanspruchungen und dergleichen verwendet. Je nach der Anwendung sind verschiedene Anforderungen, Spezifikations- und Grenzbedingungen vorgeschrieben. Unter diesen interagieren Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit oftmals miteinander, was zumindest manchmal zu widersprüchlichen Designzielen führt. Beispielsweise kann die Verfügbarkeit und deshalb eine weit verbreitete Implementierung eines derartigen Sensors die leichte Herstellung und Implementierung der Sensoren attraktiv machen. Lediglich diesen Designzielen zu folgen, kann jedoch ungünstigerweise zu weniger zuverlässigen und/oder weniger genauen Sensoren führen.
Um beispielsweise die Genauigkeit eines derartigen Sensors zu verbessern, kann es interessant sein, eine verbesserte Kompensation von Variationen wie etwa Temperaturvariationen oder Prozessvariationen zu implementieren. Zudem kann es wünschenswert sein, es Sensoren zu ermöglichen, dass sie unter stabileren Erfassungsbedingungen arbeiten, und den Erfassungsprozess zu vereinfachen.
Deshalb besteht eine Nachfrage an einem verbesserten Kompromiss zwischen einer Kompensation von Variationen bezüglich eines Sensors, dem Vereinfachen seines Herstellungsprozesses und seiner Implementierung, dem Bereitstellen stabiler Erfassungsbedingungen und dem Vereinfachen des Erfassungsprozesses. Wie unten ausführlicher umrissen wird, können Ausführungsformen die Gelegenheit liefern, den oben erwähnten Kompromiss zu verbessern.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Sensors 100 gemäß einer Ausführungsform. Eine derartige Ausführungsform kann den zuvor erwähnten Kompromiss verbessern zwischen einer verbesserten Kompensation von Variationen, dem Vereinfachen einer Implementierung, von Herstellungs- und Erfassungsfähigkeiten sowie dem Bereitstellen stabilerer Erfassungsbedingungen, die unter Verwendung einer Speiseschaltung erreicht werden können, die mindestens ein weiteres Sensorelement mit einem weiteren Speisesignal versorgt, umfassend einen weiteren Speisestrom, dessen Größe eine vorbestimmte Beziehung mit der Größe des Speisestroms des an die Sensoranordnung gelieferten Speisesignals erfüllt. Die Sensoranordnung selbst wird in einer Regelkreiskonfiguration betrieben. Folglich kann es möglich sein, die Kompensationsfähigkeiten zu verbessern, ohne komplexe, bezüglich der Erfassung instabilerer oder für Variationen anfälligere Komponenten einzuführen, da das mindestens eine weitere Sensorelement mit dem weiteren Speisesignal versorgt wird, das mindestens einige Kompensationen von Variationen aufgrund der Regelkreiskonfiguration des an die Sensoranordnung gelieferten Speisesignals aufweist.
Der Sensor 100 umfasst eine Schaltung 110 zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe. Die physikalische Größe kann beispielsweise eine Stärke eines Magnetfelds, eine Richtung eines Magnetfelds, eine Stärke einer Komponente eines Magnetfelds, eine Temperatur, ein Druck, eine Intensität einer elektromagnetischen Strahlung, eine Frequenz einer elektromagnetischen Strahlung, eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und eine mechanische Exposition oder Beanspruchung sein.
Die Schaltung 110 umfasst eine Sensoranordnung 120, die für die physikalische Größe empfindlich ist, sowie mindestens ein weiteres Sensorelement 130, das ebenfalls für die physikalische Größe empfindlich ist. Die in 1 gezeigte Ausführungsform umfasst genau ein weiteres Sensorelement 130, doch können andere Ausführungsformen mehr umfassen. Das mindestens eine weitere Sensorelement 130 kann verwendet werden, um zusätzliche Informationen über die physikalische Größe zu erhalten, wie etwa die Richtung im Fall einer sich bewegenden inhomogenen Abhängigkeit der physikalischen Größe.
Die Schaltung 110 umfasst weiterhin eine Speiseschaltung 140, die konfiguriert ist zum Versorgen der Sensoranordnung 120 mit einem Speisesignal SS1, das eine Speisespannung umfasst, die von der Speiseschaltung 140 in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Speiseschaltung 140 über einen ersten Knoten 150 an die Sensoranordnung 120 gekoppelt. Der erste Knoten 150 wird verwendet, um eine Rückkopplungsschaltung 160, die auch als net1 bezeichnet wird, zu koppeln. Die Speiseschaltung 140 liefert das Speisesignal SS1 mit einem Speisestrom derart, dass die Speisespannung des Speisesignals SS1 geregelt oder gesteuert wird. Der Speisestrom ist die Größe, die zum Regeln oder Steuern der Spannung am Knoten net1 der Rückkopplungsschaltung 160 verwendet wird.
Bevor jedoch mögliche Implementierungen des Regelkreises ausführlicher beschrieben werden, wird zuerst die Schaltung 110 beschrieben. Die Speiseschaltung 140 ist weiterhin konfiguriert zum Versorgen des mindestens einen weiteren Sensorelements 130 mit einem weiteren Speisesignal SS2, das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit einer Größe des Speisestroms des Speisesignals SS1 erfüllt. Durch Verwenden einer Speiseschaltung 140 wie umrissen, kann es möglich sein, den oben erwähnten Kompromiss zu verbessern, indem das weitere Sensorelement 130 mit einem Speisestrom je nach den Arbeitsbedingungen der Sensoranordnung 120 versorgt wird. Mit anderen Worten wird das weitere Speisesignal SS2 an das weitere Sensorelement 130 zumindest teilweise unter Berücksichtigung von Einflüssen auf das Sensorelement 120 geliefert. Beispielsweise kann ein Einfluss auf den Sensor 100 und seine Sensorelemente, durch Temperaturvariationen, Prozessvariationen oder andere Variationen verursacht, deshalb mindestens teilweise kompensiert werden.
Um es anders auszudrücken, umfasst das weitere Speisesignal SS2 eine ungeregelte Spannung oder mit noch anderen Worten eine in einem Steuerkreis erzeugte Spannung. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Das weitere Speisesignal SS2 kann optional derart geliefert werden, dass die Größe des weiteren Speisestroms im Wesentlichen proportional zur Größe des Speisestroms des Speisesignals SS1 ist. Der weitere Speisestrom kann beispielsweise eine proportionale Kopie des an die Sensoranordnung 120 gelieferten Speisestroms sein. Infolgedessen kann es möglich sein, die Speiseschaltung 140 auf einfache und effiziente Weise zu implementieren.
Beispielsweise kann, wie unten ausführlicher umrissen wird, die Speiseschaltung optional einen Stromspiegel umfassen, der konfiguriert ist zum Versorgen des weiteren Speisesignals mit der Größe des weiteren Stroms auf der Basis der Größe eines Speisestroms eines Speisesignals.
Sowohl das Speisesignal SS1 als auch das weitere Speisesignal SS2 können abwechselnde und/oder direkte Beiträge umfassen. Beispielsweise können beide Speisesignale SS1, SS2 Wechselstrom-(AC – Alternating Current) und/oder Gleichstromkomponenten (DC – Direct Current) umfassen.
Zu der Regelkreiskonfiguration zum Liefern des Speisesignals SS1 zurückkehrend, kann die Speiseschaltung 140 optional konfiguriert sein, die Größe der Speisespannung des Speisesignals SS1 im Wesentlichen konstant zu halten. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird die Speiseschaltung 140 mit einem Referenzsignal RS versorgt, das die Speisespannung des Speisesignals SS1 anzeigt. Die Speiseschaltung 140 kann dann, wie in 1 gezeigt, konfiguriert sein, das Speisesignal SS1 derart zu liefern, dass die über den ersten Knoten 150 zurückgekoppelte Spannung im Wesentlichen konstant und optional identisch zu der des Referenzsignals RS ist. Die Regelkreiskonfiguration der Speiseschaltung 140 kann somit die beiden an die Speiseschaltung 140 gelieferten Spannungen so regeln, dass sie identisch sind. Das Referenzsignal RS stellt in diesem Fall ein elektrisches Ziel für die Regelung des ersten Knotens 150 und der daran gekoppelten Rückkopplungsschaltung 160 dar. Infolgedessen ist die Speisespannung von der physikalischen Größe unabhängig, die durch das weitere Sensorelement 130 und die Sensoranordnung 120 erfasst werden soll.
Der Sensor 100 oder die Schaltung 110 kann optional eine Detektionsschaltung 170 umfassen, die an das mindestens eine Sensorelement 130 gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Generieren eines Ausgangssignals OS, das die zusätzlichen Informationen über die zu bestimmende physikalische Größe anzeigt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Detektionsschaltung 170 an einen zweiten Knoten 180 gekoppelt, der in 1 auch als nett bezeichnet ist. Der zweite Knoten 180 ist zwischen der Speiseschaltung 140 und dem weiteren Sensorelement 130 angeordnet. Dies gestattet, dass die Detektionsschaltung 170 die an das mindestens eine weitere Sensorelement 130 gelieferte Spannung detektiert.
Wie zuvor erwähnt, umfasst die in 1 gezeigte Ausführungsform lediglich ein einziges weiteres Sensorelement 130. Bei anderen Ausführungsformen eines Sensors 100 oder einer Schaltung 110 können jedoch mehr als ein weiteres Sensorelement 130 verwendet werden. Somit können mehrere weitere Sensorelemente 130 verwendet und beispielsweise an die Detektionsschaltung 170 gekoppelt werden.
Zu der Sensoranordnung 120 zurückkehrend ist anzumerken, dass die Sensoranordnung 120 konfiguriert sein kann zum Generieren eines Signals, das eine räumliche Änderung der physikalischen Größe bezüglich einer Richtung 190 anzeigt. Um dies zu veranschaulichen, ist im unteren Teil von 1 die physikalische Größe entlang der Richtung 190 als nach oben weisende Pfeile dargestellt, deren Länge die jeweilige physikalische Größe anzeigt.
Die Sensoranordnung 120 kann optional ein einzelnes Sensorelement 200 umfassen, das eine derartige räumliche Änderung der physikalischen Größe detektieren kann, wie in 1 dargestellt. Bei anderen Ausführungsformen jedoch kann die Sensoranordnung 120 mehrere Sensorelemente 200 umfassen, die für die physikalische Größe empfindlich sind und derart angeordnet sind, dass die Sensorelemente 200 das die räumliche Änderung anzeigende Signal generieren können, wie zuvor umrissen.
Genauer gesagt umfasst bei der in 1 gezeigten Ausführungsform die Sensoranordnung 120 vier Sensorelemente 200-1, ..., 200-4, die entlang der Richtung 190 räumlich mindestens teilweise verschoben sind. Wegen ihrer räumlichen Anordnung entlang der Richtung 190 ist es möglich, die Sensorelemente 200 derart zu koppeln, dass die Sensorelementanordnung 120 das zuvor beschriebene, die räumliche Änderung der physikalischen Größe entlang der Richtung 190 anzeigende Signal generieren kann, was eine Differenzmessung der physikalischen Größe gestattet.
Hier sind die Sensorelemente 200 so angeordnet, dass sie Halbbrücken 210-1, 210-2 bilden. Die beiden Halbbrücken 210 umfassen jeweils mindestens zwei Sensorelemente 200-1, 200-2 beziehungsweise 200-3, 200-4 sowie einen Knoten 220-1 beziehungsweise 220-2, zwischen die mindestens zwei Sensorelemente 200 gekoppelt. Das die räumliche Änderung der physikalischen Größe anzeigende Signal kann an den Knoten 220 der Halbbrücken 210 erhalten werden.
Die beiden Halbbrücken der Schaltung 110 und des Sensors 100, in 1 gezeigt, können unabhängig voneinander arbeiten. Ausführungsformen können somit mit lediglich einer oder mehreren unabhängig verwendeten Halbbrücken 210 implementiert werden. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform jedoch umfasst die Sensorelementanordnung 120 zwei Halbbrücken 210, die parallel gekoppelt sind, um eine Vollbrücke zu bilden. Dadurch kann die Vollbrücke das Signal liefern, das die räumliche Änderung anzeigt, die an den Knoten 220-1, 220-2 der beiden Halbbrücken 210-1 beziehungsweise 210-2 erhalten werden kann. Natürlich ist es auch möglich, mehr als zwei Halbbrücken zu implementieren, um eine Vollbrücke zu bilden.
Wegen der Anordnung der Sensorelemente 200 entlang der Richtung 190 können die an den Knoten 220 der jeweiligen Halbbrücken 210 erhaltbaren Signale so angesehen werden, dass sie eine Differenz der physikalischen Größen B_R und B_L anzeigen und somit die Differenzgröße B_R – B_L anzeigen. Mit anderen Worten erscheint am Knoten 220 ein von B_R – B_L abhängiges Differenzsignal. Es ist anzumerken, dass der im unteren Teil von 1 gezeigte Pfeil ganz rechts die auf das weitere Sensorelement 130 wirkende physikalische Größe darstellt.
Infolgedessen kann der durch die Speiseschaltung 140 gelieferte Strom SS1 von der von den Sensorelementen 200-1, ..., 200-4 erfassten physikalischen Größe abhängen. Somit können Informationen über einen Mittelwert 230 der auf diese Sensorelemente 200 der Sensoranordnung 120 wirkenden physikalischen Größe im Strom SS1 umfasst sein. Je nach der zu erfassenden physikalischen Größe kann es sich bei den Sensorelementen 200 wie bei den weiteren Sensorelementen 130 um ein beliebiges Sensorelement handeln, das die jeweilige physikalische Größe detektieren kann. Beispielsweise können die Sensorelemente 200 sowie das weitere Sensorelement 130 ein Magnetfeldsensorelement, ein Temperatursensorelement, ein Drucksensorelement, ein lichtdetektierendes Sensorelement oder ein Sensorelement, das für mechanische Exposition oder Beanspruchung empfindlich ist, sein.
Um nur einige wenige Beispiele zu nennen, kann ein für ein Magnetfeld empfindliches Sensorelement beispielsweise ein AMR-Sensorelement (Anisotropic Magneto-Resistance; anisotroper Magnetowiderstand), ein GMR-Sensorelement (Giant Magneto-Resistance; gigantischer Magnetowiderstand), ein TMR-Sensorelement (Tunneling Magneto-Resistance; Tunnelmagnetowiderstand), ein CMR-Sensorelement (Colossal Magneto-Resistance; kolossaler Magnetowiderstand), ein EMR-Sensorelement (Extraordinary Magneto-Resistance; außergewöhnlicher Magnetowiderstand), ein seitliches Hall-Sensorelement oder ein vertikales Hall-Sensorelement umfassen. Natürlich kann es auch ein Drucksensor, ein Temperatursensor oder dergleichen sein, wenn andere physikalische Größen detektiert werden sollen. Natürlich kann die zu detektierende physikalische Größe durch eine andere physikalische Größe beeinflusst werden, was eine indirekte Messung der physikalischen Größe gestattet. Wenngleich die verwendeten Sensorelemente 200, 130 beispielsweise für einen spezifischen physikalischen Einfluss und somit eine physikalische Größe empfindlich sind, beeinflusst die zu erfassende oder zu messende physikalische Größe die Sensorelemente 130, 200 möglicherweise nur indirekt, um den durch die jeweiligen Sensorelemente 130, 200 detektierbaren physikalischen Einfluss zu verursachen.
Sowohl die Sensoranordnung 120 als auch das mindestens eine weitere Sensorelement 130 sind zudem an einen Anschluss 240 für ein Referenzpotential wie etwa Masse gekoppelt. Es ist anzumerken, dass das mindestens eine weitere Sensorelement 130 nur mit dem weiteren Speisesignal SS2 versorgt wird. Mit anderen Worten sind die weiteren Sensorelemente 130 in der in 1 gezeigten Ausgführungsform nicht mit zusätzlichen Komponenten vorgespannt.
Die Sensorelementanordnung 120 kann resistive Sensorelemente 200 umfassen, die ihren Stromverbrauch aufgrund des Mittelwerts 230 der auf die jeweiligen Sensorelemente 200 wirkenden physikalischen Größe ändern. Natürlich kann gleiches auch für das weitere Sensorelement 130 oder die weiteren Sensorelemente 130 gelten, an die das weitere Speisesignal SS2 geliefert wird.
Wenn der Mittelwert 230 der auf die Sensorelemente 200 der Sensoranordnung 120 wirkenden physikalischen Größe geändert wird, wird wegen der die im Wesentlichen konstante Speisespannung des Speisesignals SS1 liefernden Regelkreiskonfiguration der Speisestrom des Speisesignals SS1 entsprechend geändert, um die Speisespannung des Speisesignals SS1 im Wesentlichen konstant zu halten.
Da der weitere Speisestrom des weiteren Speisesignals SS2 und der Speisestrom des Speisesignals SS1 die vorbestimmte Beziehung erfüllen, wird die zu der Änderung des Mittelwerts 230 führende Änderung der physikalischen Größe mindestens teilweise auf das weitere Speisesignal SS2 des weiteren Sensorelements 130 transferiert, indem beispielsweise eine proportionale Kopie des Speisestroms geliefert wird. Infolgedessen ist die Detektionsschaltung 170 möglicherweise in der Lage, am zweiten Knoten 130 eine Spannung zu detektieren, die eine Differenz des Mittelwerts 230 der physikalischen Größe und der auf das weitere Sensorelement 130 wirkenden physikalischen Größe anzeigt.
Optional kann die Detektionsschaltung 170 auch an die Sensoranordnung 120 gekoppelt sein, beispielsweise an die Knoten 220-1, 220-2 der Halbbrücken 210-1 beziehungsweise 210-2, damit die Detektionsschaltung 170 die durch die Halbbrücken 210 gelieferten Signale detektieren und optional verarbeiten kann. In diesem Fall zeigt das Ausgangssignal OS möglicherweise den auf die Sensorelemente 200 der Sensoranordnung 120 wirkenden Mittelwert 230, einen Gradienten oder eine andere räumliche Abhängigkeit oder Änderung der physikalischen Größe entlang der Richtung 190 an.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe gemäß einer Ausführungsform. In einer ersten Operation O110 wird die Sensoranordnung 120 mit dem Speisesignal SS1 versorgt, das eine Speisespannung umfasst, die in einer Regelkreiskonfiguration von der Speiseschaltung 140 gesteuert wird. Die Sensoranordnung 120 ist für die physikalische Größe empfindlich. In einer Operation O110 wird mindestens ein weiteres Sensorelement 130 mit dem weiteren Speisesignal SS2 versorgt, das den weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe eines weiteren Speisestroms die zuvor beschriebene vorbestimmte Beziehung mit der Größe des Speisestroms des Speisesignals SS1 erfüllt, wobei das mindestens eine weitere Sensorelement 130 ebenfalls für die physikalische Größe empfindlich ist.
Es ist jedoch anzumerken, dass die beschriebenen Operationen bei weitem nicht in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Die Reihenfolge der Operationen kann beispielsweise geändert werden, mindestens teilweise zeitlich überlappen oder simultan ausgeführt werden. Die Operationen können auch insgesamt oder zumindest teilweise wiederholt verarbeitet werden.
Wie zuvor umrissen, werden Sensoren in einer großen Vielzahl technischer Anwendungen verwendet. Bei einigen der Anwendungen ist nicht nur das Detektieren der tatsächlichen physikalischen Größe oder einer räumlichen Änderung entlang der Richtung 190 von Interesse, sondern auch eine Detektion einer Geschwindigkeit oder einer Bewegung der physikalischen Größe relativ zu dem Sensor oder zu seinen Sensorelementen. Beispiele kommen beispielsweise aus den Gebieten des Detektierens einer Drehung eines Rads wie etwa eines Rads eines Wagens oder eines anderen motorisierten Fahrzeugs, des Detektierens eines Lenkwinkels, einer Änderung davon oder ähnliche Anwendungen.
Eine in diesem Kontext zu lösende wichtige Herausforderung ist die Detektion der Geschwindigkeit und Richtung einer Bewegung einer typischerweise inhomogenen physikalischen Größe relativ zum Sensor. Die Sensorelemente des Sensors sind typischerweise für die jeweilige physikalische Größe empfindlich und können beispielsweise ein Eintakt-Ausgangssignal liefern, das proportional zu der physikalischen Größe ist oder eine andere Funktionsabhängigkeit bezüglich der physikalischen Größe besitzt. Im Gegensatz zu einem Differenzausgangssignal liefern die Sensorelemente oft lediglich ein Signal, das die physikalische Größe anzeigt, und statt einer Differenz, einen Gradienten oder dergleichen der physikalischen Größe.
Zum Detektieren der Geschwindigkeit und Richtung einer Bewegung wird deshalb oftmals eine Anordnung aus mehr als einem einzelnen Sensorelement verwendet. Beispiele oder Anwendungen kommen, sind aber bei weitem nicht darauf beschränkt, aus der Detektion der Drehung eines magnetischen Polrads oder Zahnrads, einer Detektion einer Wärmewelle oder der Detektion einer Druckwelle, um nur einige zu nennen.
Im Fall einer Detektion einer Drehung eines magnetischen Polrads oder Zahnrads können die Sensorelemente beispielsweise GMR-Sensorelemente (Giant Magneto-Resistive) sein und die assoziierte physikalische Größe kann ein sich bewegendes oder moduliertes Magnetfeld bezüglich Stärke und/oder Richtung sein. Im Fall einer Detektion einer Wärmewelle können die Sensorelemente temperaturabhängige Widerstände und die zu erfassende physikalische Größe die Temperatur sein. Dementsprechend können im Fall einer Detektion einer Druckwelle die Sensorelemente druckabhängige Kapazitäten sein, wobei die physikalische Größe der Druck ist.
Es existieren Lösungen für Sensorelemente, die einen Differenzausgang liefern, wie etwa Hall-Elemente. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer derartigen Lösung. Die in 3 gezeigte Schaltung umfasst drei Hall-Elemente 300-1, 300-2, 300-3, die Signale B1, B2 und B3 liefern, die entlang einer Richtung 320 orientiert sind, so dass das Hall-Element 300-2 das rechte Hall-Element ist, Hall-Element 300-3 ein mittleres Hall-Element ist und Hall-Element 300-1 das linke Hall-Element ist.
Das erste und zweite Hall-Element 300-1, 300-2 sind an einen Differenzverstärker 310 gekoppelt, der einen Summierblock 330 umfasst, der das Signal B1 vom Hall-Element 300-1 vom Signal B2 des Hall-Elements 300-2 subtrahiert, um ein Differenzsignal dB = B2 – B1 zu erhalten, das dann durch einen Verstärker 340 um einen Faktor g_S1 verstärkt wird.
Die Schaltung umfasst weiterhin einen weiteren Vorverstärker 350 mit einer Differenzrichtungsberechnung, einen weiteren Summierblock 360 umfassend, an den alle drei Hall-Elemente 300-1, 300-2, 300-3 gekoppelt sind. Der weitere Summierblock 360 berechnet eine Differenz des durch das Hall-Element 300-3 gelieferten Signals B₃ und eines arithmetischen Mittelwerts der Signale B₂ des Hall-Elements 300-2 und B₁ des Hall-Elements 300-1, um ein Richtungssignal d_Bdir = B₃ – (B₂ + B₁)/2 zu erhalten. Der weitere Vorverstärker 350 umfasst weiterhin einen weiteren Verstärker 370, der das Signal d_Bdir um einen Faktor g_d verstärkt.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel werden somit zwei verschiedene Signalwege generiert, einer in Phase mit einer Differenz einer rechten physikalischen Größe (B_R) und der linken physikalischen Größe (B_L; rechts-links physikalische Größe B_R – B_L) und einer mit einer mittigen. Für Eintakt-Sensorelemente, wie GMR-Sensorelemente, kann eine Wheatstone-Brückenkonfiguration verwendet werden, um ein Differenzsignal zu erhalten. Eine mögliche Implementierung ist in 4 gezeigt.
Herkömmlicherweise können auch konzentrierte Sensorelemente (Monozellen) verwendet werden. Monozellen sind jedoch möglicherweise nicht in der Lage, homogene Änderungen bei der physikalischen Größe im Gegensatz zu differenziellen zu unterdrücken. Zum Beispiel lässt sich ein dynamisches homogenes magnetisches Störfeld schließlich nicht von einem Differenzfeld unterschieden, das von einem sich bewegenden Polrad oder einer anderen erwünschten Magnetfeldquelle verursacht wird. Dies kann zu einer stark verschlechterten Robustheit des Sensors in Anwesenheit externer Störungen führen.
Die in 4 gezeigte Schaltung umfasst in einem Geschwindigkeitsweg 400 eine Wheatstone-Brückenkonfiguration 410, die zwei parallele Halbbrücken umfasst, die jeweils 2 GMR-Sensorelemente 420-1, 420-2 beziehungsweise 420-3, 420-4 umfasst, die jeweils in Reihe miteinander gekoppelt sind. Zwischen jede der beiden Reihenschaltungen der jeweiligen GMR-Sensorelemente 420 ist ein Knoten 430-1, 430-2 gekoppelt, an dem eine Erfassungsspannung Vbr_sense erhalten werden kann, die an einen Differenzverstärker 440 gekoppelt wird. Am Ausgang des Differenzverstärkers 440 kann ein Ausgangssignal erhalten werden, das die räumliche Variation eines auf die GMR-Sensorelemente 420 angewendeten Magnetfelds anzeigt. Dieses Signal kann beispielsweise eine Geschwindigkeit einer Änderung der Magnetfeldquelle anzeigen, die das Magnetfeld erzeugt, dem die GMR-Sensorelemente 420 ausgesetzt werden.
Die Wheatstone-Brücke 410, die eine Vollbrücke ist, ist zwischen einen Anschluss für ein Referenzpotential 450 und eine Leistungsspeiseschaltung 460 gekoppelt, die einen Operationsverstärker 470 umfasst, dem ein an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 470 geliefertes Referenzpotential V_ref und eine an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 470 gelieferte rückgekoppelte Spannung zugeführt wird, die am Ausgang des Operationsverstärkers 470 geliefert wird. Folglich wird eine geregelte Spannung Vbr (Brückenspannung) an die Wheatstone-Brücke 410 geliefert.
Die Schaltung, die in 4 gezeigt ist, umfasst jedoch weiterhin einen Mittelweg 480, der vollständig unabhängig von dem Geschwindigkeitsweg 400 und seiner Leistungsspeiseschaltung 460 verläuft. Der Mittelweg 480 umfasst ein mittleres GMR-Sensorelement 490 (Rgmr_C). Für das mittlere Element 490 wird eine unempfindliche Referenz verwendet, nun ein Pseudodifferenzsignal zu erhalten.
Genauer gesagt ist das mittlere GMR-Sensorelement 490 zwischen einen Anschluss 500 für das Referenzpotential 500 und einen Knoten 510, an den eine feste Stromquelle 520 und eine weitere Stromquelle 530 gekoppelt sind, gekoppelt. Während die feste Stromquelle 520 den Basisstrom zum Betreiben des mittleren GMR-Sensorelements 490 liefert, kann die weitere Stromquelle 530 einen zusätzlichen Strom zum Kompensieren für Temperaturvariationen höherer Ordnung liefern.
Der Knoten 510 ist weiterhin an einen nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 540 gekoppelt, an dem die an dem mittleren GMR-Sensorelement 490 abfallende Spannung Vcent erhalten werden kann und an den Differenzverstärker 540 geliefert wird. Für das mittlere GMR-Sensorelement 490 kann eine unempfindliche Referenz verwendet werden, um ein Pseudodifferenzsignal zu erhalten, wie in 4 gezeigt. Der Mittelweg 480 umfasst weiterhin einen Spannungsteiler 550, der zwei Polysilizium-Widerstände (poly-Si-Widerstände) 560 und einen zwischen die beiden Polysilizium-Widerstände 560 gekoppelten Knoten 570 umfasst, der an einen invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 540 gekoppelt ist. Der Spannungsteiler 550 ist zwischen einen Anschluss für eine externe Stromversorgung VDD und einen Anschluss 590 für ein Referenzpotential gekoppelt.
An einem Ausgang des Differenzverstärkers 540 kann ein Signal erhalten werden, das ein an dem mittleren GMR-Sensorelement 490 bezüglich der an dem Knoten 570 des Spannungsteilers 550 vorliegenden festen Spannung vorliegendes Magnetfeld anzeigt. Infolgedessen kann am Ausgang des Differenzverstärkers 540 möglicherweise ein Pseudodifferenzsignal erhalten werden.
Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass das mittlere GMR-Sensorelement 490 entlang einer Richtung zwischen den sogenannten linken GMR-Sensorelementen, die die GMR-Sensorelemente 420-1, 420-4 der Wheatstone-Brücke 410 umfassen, und den sogenannten rechten Sensorelementen, die die GMR-Sensorelemente 420-3 und 420-2 der Wheatstone-Brücke 410 umfassen, angeordnet sein kann.
Die in 4 gezeigte Lösung kann unter der Tatsache leiden, dass es möglicherweise schwierig ist, eine Referenz zu erhalten, die mit den temperatur- und/oder prozessabhängigen Variationen der GMR-Sensorelemente 420, 490 korreliert. Eine etwaige Fehlanpassung könnte als Signal detektiert werden. Komplexe Trimmverfahren höherer Ordnung können verwendet werden, um das Problem zu milder. Eine Lösung zur Überwindung dieses Problems kann die Verwendung einer Mehrfachbrückenkonfiguration und das Vermeiden der Nutzung eines einzelnen GMR-Sensorelements sein. Ein Beispiel ist in 5 dargestellt.
5 zeigt eine Schaltung, die in einem sehr großen Ausmaß der von 4 ähnelt. Auch sie umfasst einen Geschwindigkeitsweg 400, der identisch mit dem Geschwindigkeitsweg 400 der in 4 gezeigten Schaltung ist. Außerdem ist die Leistungsspeiseschaltung 460 identisch und auf identische Weise an den Geschwindigkeitsweg 400 gekoppelt.
Die in 5 gezeigte Schaltung differiert nur bezüglich des Mittelwegs 480 und ihrer Stromversorgung von der von 4. Genauer gesagt umfasst die in 5 gezeigte Schaltung anstelle eines einzelnen mittleren GMR-Sensorelements 490 einen weiteren oder Richtungsweg 485, der eine Wheatstone-Brücke 410' umfasst, die wiederum zwei Halbbrücken umfasst. Die erste Halbbrücke umfasst ein erstes mittleres GMR-Sensorelement 490-1 und das GMR-Sensorelement 420-2 oder ein nahe dem GMR-Sensorelement 420-2 der Wheatstone-Brücke 410 positioniertes GMR-Sensorelement. Analog umfasst die zweite Halbbrücke der Wheatstone-Brücke 410' eine Reihenschaltung aus dem GMR-Sensorelement 420-3 oder einem nahebei angeordneten GMR-Sensorelement und einem zweiten mittleren GMR-Sensorelement 490-2. Zwischen den jeweiligen GMR-Sensorelementen 490-1, 420-2 und 420-3, 490-2 sind Knoten 430'-1 beziehungsweise 420'-2 enthalten, die an den nicht invertierenden beziehungsweise invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 540 gekoppelt sind. Infolgedessen wird der Differenzverstärker 540 des Richtungswegs 485 in der in 5 gezeigten Schaltungsanordnung mit einer zweiten erfassten Spannung Vvr_sense2 versorgt.
Auch die Wheatstone-Brücke 410' des Richtungswegs 485 ist an den Ausgang des Operationsverstärkers 470 gekoppelt, der auch die Wheatstone-Brücke 410' des Richtungswegs 485 versorgt. Deshalb arbeiten die beiden Wheatstone-Brücken 410, 410' des Geschwindigkeitswegs 400 beziehungsweise des Richtungswegs 485 mit der gleichen geregelten Brückenspannung Vbr.
Ein weniger attraktiver Punkt dieser in 5 gezeigten Lösung ist die Verwendung von vielen, zu einer Vollbrücke für den Richtungsweg gekoppelten GMR-Sensorelementen 420, 490. Durch das Verwenden der GMR-Sensorelemente 420-3, 420-2 für beide Wheatstone-Brücken 410 oder zumindest ähnlich positionierte GMR-Sensorelemente 420 kann zudem eine nichtkonstante Phasenverschiebung zwischen dem Geschwindigkeitsweg 400 und dem Richtungsweg 485 vorliegen, die von der Sensorteilung abhängig sein kann. Zudem ist der Richtungsweg 485 möglicherweise weniger empfindlich, sofern nicht ein Paar mittlerer GMR-Sensorelemente 490 und ein zweites Paar rechter Sonden 420-2, 420-3 verwendet werden. Diese zusätzlichen mittleren GMR-Sensorelemente können von dem ersten Paar so viel beabstandet sein, wie der Abstand der rechten und linken GMR-Sensorelemente zueinander beträgt. Dies kann jedoch zu einem größeren Chip oder zumindest einer größeren Chipbreite führen.
Eine Schaltung 110 und ein Sensor 100 gemäß einer Ausführungsform können diese Mängel überwinden durch Generieren einer Referenz für das mindestens eine weitere Eintakt-Sensorelement 130, die auch als die Mittelelemente bezeichnet werden können, wobei die Referenz zu Temperatur- und Prozessabweichungen der anderen Sensorelemente 200 korreliert. Das Referenzsignal (weiteres Speisesignal SS2) kann eine Schaltung 110 und einen Sensor 100 gemäß einer Ausführungsform gegenüber Herstellungstoleranzen inhärent robuster machen. Weiterhin kann es auch die homogene Anwesenheit einer physikalischen Größe wie in einer Differenzkonfiguration ohne die Notwendigkeit für eine zusätzliche Wheatstone-Brücke unterdrücken. Weiterhin kann es, wie unten beschrieben, möglich sein, eine günstigere Phasenbeziehung zwischen einer Geschwindigkeit und einem Richtungssignal unabhängig von der Sensorelementteilung bereitzustellen, was einen einfacheren und zuverlässigeren Signalverarbeitungsalgorithmus ermöglichen kann. Die Richtungssignale können von dem Mittelweg erhalten werden.
Lediglich der Einfachheit halber wird nachfolgend eine Ausführungsform eines GMR-basierten Magnetsensors für die Detektion von Drehzahl und -richtung eines magnetischen Polrads ausführlicher beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass diese Ausführungsform lediglich ein Beispiel darstellt und leicht auf andere Anwendungen und einen allgemeineren Zweck von Ausführungsformen, wie oben beschrieben, erweitert werden kann.
6 zeigt einen Schaltplan eines GMR-basierten Sensors 100 gemäß einer Ausführungsform. Der Sensor 100 umfasst wieder eine Schaltung 110 zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe, bei der es sich im vorliegenden Fall um eine ein Magnetfeld betreffende physikalische Größe handelt. Er umfasst weiterhin eine Sensoranordnung 120, die als eine Wheatstone-Brücke oder eine Vollbrücke implementiert ist, die GMR-Sensorelemente 200-1, 200-2 umfasst, die zusammen mit einem Knoten 220-1 eine erste Halbbrücke 210-1 bilden, und GMR-Sensorelemente 200-3 und 200-4, die zusammen mit dem Knoten 220-2 eine zweite Halbbrücke 210-2 bilden. Die Knoten 220 sind zwischen die Reihenschaltung aus den zuvor erwähnten Sensorelementen 200 der jeweiligen Halbbrücken 210 gekoppelt. Wie zuvor im Kontext von 1 umrissen, kann an den Knoten 220 der Halbbrücken 210 eine Brückensensorspannung erhalten werden, die beispielsweise eine Geschwindigkeit, eine räumliche Variation eines auf die Sensorelemente 200 einwirkenden Magnetfelds oder dergleichen anzeigen kann. Lediglich der Einfachheit halber jedoch sind in 6 die beiden Knoten 220-1, 220-2 nicht an eine Auswertung einer Detektionsschaltung wie der ebenfalls in 6 gezeigten Detektionsschaltung 170 gekoppelt.
Abgesehen von der Sensoranordnung 120, die wiederum für die physikalische Größe empfindlich ist, umfassen die Schaltung 110 und der Sensor 100 mindestens ein weiteres Sensorelement 130, das ebenfalls in der in 6 gezeigten Ausführungsform als ein GMR-Sensorelement implementiert ist. Infolgedessen ist auch das weitere Sensorelement 130 für die physikalische Größe oder, um genauer zu sein, für ein Magnetfeld empfindlich. Natürlich können Ausführungsformen wiederum mehr als nur ein weiteres Sensorelement 130 umfassen, wie in 6 gezeigt.
Im Hinblick auf eine Orientierung bezüglich einer Richtung 190 (in 6 nicht gezeigt) kann das weitere Sensorelement 130 zwischen den sogenannten linken Sensorelementen, die die Sensorelemente 200-1 und 200-4 umfassen, und den sogenannten rechten Sensorelementen 200-3, 200-2 angeordnet sein. Mit anderen Worten umfasst jede der Halbbrücken 210 mindestens ein linkes Sensorelement und mindestens ein rechtes Sensorelement, wohingegen das weitere Sensorelement 130 beispielsweise zwischen den zuvor erwähnten linken und rechten Sensorelementen angeordnet sein kann. Das weitere Sensorelement 130 oder die weiteren Sensorelemente 130 können jedoch in verschiedenen Ausführungsformen an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein.
Die Schaltung 110 umfasst weiterhin eine Speiseschaltung 140, die wiederum konfiguriert ist, die Sensoranordnung 120 mit einem Speisesignal SS1 zu versorgen, das eine Speisespannung umfasst, die von der Speiseschaltung 140 in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird. Zudem ist die Speiseschaltung 140 auch konfiguriert, das mindestens eine weitere Sensorelement 130 mit einem weiteren Speisesignal SS2 zu versorgen, das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass die Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit der Größe des Speisestroms des Speisesignals SS1 erfüllt. Um ein wenig spezifischer zu sein, ist der weitere Speisestrom des weiteren Speisesignals SS2 im Wesentlichen proportional zur Größe des Speisestroms des Speisesignals SS1. Um dies zu ermöglichen, umfasst die Speiseschaltung 140 einen Stromspiegel 600, der konfiguriert ist, das weitere Speisesignal SS2 mit der Größe des weiteren Stroms auf der Basis der Größe des Speisestroms des Speisesignals SS1 zu versorgen.
Um dies zu erleichtern, umfasst der Stromspiegel 600 einen ersten Transistor 610, der in der in 6 gezeigten Ausführungsform als ein p-Kanal-MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) implementiert ist, einen zweiten Transistor 620 und einen dritten Transistor 630, die ebenfalls als p-Kanal-MOSFETs implementiert sind. Jeder der drei Transistoren 610, 620, 630 umfasst einen Sourceanschluss, der an einen Anschluss 640 für eine externe Speisespannung VDD gekoppelt ist. Zudem umfasst jeder der Transistoren 610, 620, 630 einen Gateanschluss, die miteinander zusammengeschaltet sind. Ein Drainanschluss des ersten Transistors 610 ist ebenfalls an die Gateanschlüsse des ersten, zweiten und dritten Transistors 610, 620, 630 gekoppelt. Infolgedessen bildet der erste Transistor 610 einen Eingang des Stromspiegels 600.
Die Drainkontakte oder -anschlüsse des zweiten Transistors 620 bilden einen Ausgang der Speiseschaltung 140, bei der das Speisesignal SS1 generiert und an die Sensoranordnung 120 geliefert wird. Mit anderen Worten sind die beiden Halbbrücken 210-1, 210-2 der Sensoranordnung 120 parallel zum Drainanschluss des zweiten Transistors 620 gekoppelt.
An einem Drainanschluss des dritten Transistors 630 wird das weitere Speisesignal SS2 über den zweiten Knoten 180 an das weitere Sensorelement 130 geliefert und darin eingespeist, wie im Kontext von 1 beschrieben. Sowohl die Sensorelemente 200 der Sensoranordnung 120 wie auch das weitere Sensorelement 130 sind an einen Anschluss 240 für ein Referenzpotential wie etwa Masse gekoppelt.
Wenn ein Strom in den Eingangszweig des Stromspiegels 600 geliefert oder mit anderen Worten durch den ersten Transistor 610 eingespeist ist, kopiert der Stromspiegel 600 einen proportionalen Strom sowohl im zweiten als auch dritten Transistor 620, 630. Die Proportionalität wird im Wesentlichen durch das Layout des zweiten Transistors 620 bezüglich des ersten Transistors 610 und des dritten Transistors 630 bezüglich des ersten Transistors 610 bestimmt. Im Fall einer MOSFET-Implementierung beispielsweise können die Kanalbreite des jeweiligen Transistors 610, 620, 630 und darauf basierende Verhältnisse die Proportionalitätsfaktoren des Stromspiegels 600 bestimmen oder zumindest teilweise beeinflussen.
Die Speiseschaltung 140 basiert auf dem Generieren eines Steuerstroms CC, der durch den ersten Transistor 610 und einen vierten Transistor 650 fließt, zwischen den ersten Transistor 610 und einen weiteren Anschluss 240 für das Referenzpotential gekoppelt. Genauer gesagt ist ein Sourcekontakt des vierten Transistors 650 an den Anschluss 240 für das Referenzpotential gekoppelt, beispielsweise das Massepotential, während ein Drainkontakt oder -anschluss des vierten Transistors 650 an den Drainanschluss des ersten Transistors 610 gekoppelt ist. Ein Gateanschluss des vierten Transistors 650 ist an einen Ausgang eines Operationsverstärkers 660 gekoppelt. Ein nichtinvertierender Eingang des Operationsverstärkers 660 wird mit einer Referenzspannung versorgt, die die Speisespannung des Speisesignals SS1 anzeigt, die auch als Brückenspannung Vbr bezeichnet wird. Ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers ist an einen ersten Knoten 150 gekoppelt, der zwischen den Ausgang der Speiseschaltung 140 und die Sensoranordnung 120 gekoppelt ist, wie oben umrissen.
Somit bildet die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Knoten 150 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 660 die Rückkopplungsschaltung 160, die verwendet wird, um die an die Sensoranordnung 120 gelieferte geregelte oder gesteuerte Spannung Vbr zu erzeugen. Wegen der Rückkopplungsschaltung 160 arbeitet die Speiseschaltung 140 in der Regelkreiskonfiguration, wie oben beschrieben.
Um es anders auszudrücken, umfasst die Speiseschaltung 140 einen Spannungsregler 670, der den ersten und vierten Transistor 610, 650, den Operationsverstärker 660 und mindestens teilweise die Rückkopplungsschaltung 160 umfasst.
Der Steuerstrom CC sowie die durch den zweiten und dritten Transistor 620, 630 fließenden Ströme hängen hinsichtlich ihrer Größe von der durch die Sensorelemente 200-1, ..., 200-4 erfassten physikalischen Größe ab. Deshalb sind Informationen bezüglich eines Mittelwerts des physikalischen Werts in diesen Strömen umfasst.
Auf der Basis des durch den ersten Transistor 610 und somit durch den Eingangsweg des Stromspiegels 600 fließenden Steuerstroms CC umfasst der Speisestrom des Speisesignals SS1 eine Größe, die – über den zuvor umrissenen Proportionalitätsfaktor der involvierten Transistoren 620, 610 – auf der Größe des Steuerstroms basiert, während die Speisespannung Vbr des Speisesignals SS1 von dem Spannungsregler 670, der die Rückkopplungsschaltung 160 umfasst, gesteuert wird.
Zudem wird auch der weitere Strom des weiteren Speisesignals SS2 durch die Speiseschaltung 140 und ihren Stromspiegel 600 als Reaktion auf den Steuerstrom CC auf der Basis des mindestens teilweise durch die involvierten Transistoren 630, 610 bestimmten Proportionalitätsfaktors geliefert. Es ist jedoch anzumerken, dass die Erfassungsspannung des weiteren Speisesignals SS2 nicht gesteuert wird, so dass das mindestens eine weitere Sensorelement 130 in einem Steuerkreismodus oder einer Steuerkreiskonfiguration betrieben wird.
Durch Verwenden einer Implementierung auf der Basis eines Steuerstroms CC kann es einfacher sein, die Regelkreiskonfiguration zum Steuern der Speisespannung des Speisesignals SS1 zu implementieren. Zusätzlich oder alternativ kann es möglich sein, den Speisestrom und den weiteren Speisestrom energieeffizienter und/oder präziser zu steuern als durch direktes Beeinflussen des Speisestroms des Speisesignals SS1.
Der Sensor 100 oder – optional – die Schaltung 110 umfasst weiterhin in der in 6 gezeigten Ausführungsform die Detektionsschaltung 170, die an den zweiten Knoten 180 und den ersten Knoten 150 gekoppelt ist. Um etwas spezifischer zu sein, ist der zweite Knoten 180 an einen nicht invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 680 der Detektionsschaltung 170 gekoppelt, und der erste Knoten 150 ist an einen invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 680 gekoppelt. An einem Ausgang des Differenzverstärkers 680 kann der Differenzverstärker 680 das Ausgangssignal generieren, das die Informationen bezüglich der physikalischen Größe anzeigt.
Der Differenzverstärker 680 der Detektionsschaltung 170 ist an die Speiseschaltung 140 gekoppelt, um ein erstes Signal zu empfangen, das die Speisespannung des Speisesignals SS1 umfasst, beispielsweise vom ersten Knoten 150. Ein zweiter Eingang des Differenzverstärkers 680 kann an das mindestens eine weitere Sensorelement 130 gekoppelt sein, um ein zweites Signal zu empfangen. Das zweite Signal kann die Erfassungsspannung des weiteren Speisesignals SS2 beispielsweise über den zweiten Knoten 180 umfassen. Die Erfassungsspannung kann einem Spannungsabfall an dem mindestens einen weiteren Sensorelement 130 entsprechen oder ihn anzeigen. Der Differenzverstärker kann dann konfiguriert sein, das Ausgangssignal auf der Basis einer Differenz einer Speisespannung und der Erfassungsspannung an einem Ausgang des Differenzverstärkers 680 zu liefern.
Die Detektionsschaltung 170 und ihr Differenzverstärker 680 können zusammen mit dem mindestens einen weiteren Sensorelement 130 in der in 6 gezeigten Ausführungsform einen sogenannten Mittelweg 690 ähnlich jenen der in 4 und 5 gezeigten Lösungen bilden.
Eine Grundidee hinter der in 6 gezeigten Ausführungsform besteht darin, die mittlere GMR-Zelle oder das mittlere Sensorelement 130 mit einem Strom zu versorgen, der eine Kopie des durch die GMR-Wheatstone-Brücke (Sensoranordnung 120) mit ihren rechten und linken Sonden oder Sensorelementen 200 fließenden Stroms ist. Die Kopie kann eine skalierte Kopie gemäß dem zuvor erwähnten Verhältnis sein.
In diesem Fall fließt ein vom Magnetfeld abhängiger Strom durch das weitere Sensorelement 130. Der Strom kann von der durch die Sensorelemente 200-1, ..., 200-4 erfassten physikalischen Größe abhängen, so dass Informationen über einen Mittelwert der physikalischen Größe in diesem Strom umfasst sein können. Eine Referenzspannung fair den Mittelweg 690 ist die Speisespannung des Speisesignals SS1 der GMR-Wheatstone-Brücke (Sensoranordnung 120).
Um dies ausführlicher zu veranschaulichen, werden nachfolgend in einem linearen Bereich der Empfindlichkeit von GMR-Sensorelementen 200, 130 gültige Gleichungen abgeleitet. Die zu erfassenden Magnetfelder werden mit ihrer homogenen Komponente angenommen als: B_R = B_hom(t) + B₀sin(ωt) B_C = B_hom(t) + B₀sin(ωt + φ) B_L = B_hom(t) + B₀sin(ωt + 2φ)
Der in der Sensoranordnung 120 (Wheatstone-Brücke) fließende Strom stellt sich heraus als:
wobei R_GMR(1 + αAT + ...) den GMR-Widerstand mit seinen Temperaturkoeffizienten darstellt. S ist die GMR-Empfindlichkeit im linearen Bereich. Unter Verwendung eines im mittleren GMR (weiteren Sensorelement 130) fließenden Kopiestroms lautet die Erfassungsspannung am zweiten Knoten 180
Infolgedessen ist anzumerken, dass der Widerstand des GMR (mit seinen Temperaturkoeffizienten) sich aufhebt. Zudem kann unter der Annahme, dass die Empfindlichkeit viel niedriger als Ziffer 1 ist, die obige Gleichung umgeschrieben werden, dass sie mit der Taylorreihe approximiert wird, wobei sie bei der ersten Ordnung abgeschnitten wird:
Durch Vernachlässigen des quadratischen Beitrags (S² unendlich klein von zweiter Ordnung) und Subtrahieren der konstanten Spannung V_br, die vom Magnetfeld abhängig ist, kann die Differenzspannung am Mittelweg 690 geschrieben werden als:
Das Substituieren der Magnetfelder führt zu:
Es ist leicht zu erkennen, dass sich das homogene Feld B_hom(t) aufhebt. Durch Erweitern des halben Summenterms unter Verwendung der trigonometrischen Formeln erhält man: V_cent,diff ≈ V_br·S·(B₀sin(ωt + φ)) – B₀·cosφ·sin(ωt + φ)) = = V_br·S·(B₀(1 – cosφ)·sin(ωt + φ)) (1.1)
Bei Berücksichtigung des ausgegebenen Differenzsignals der Rechts-Links-GMR-Wheatstone-Brücke (Sensoranordnung 120) folgt:
Durch Analysieren von Gleichung (1.1) und (1.2) kann gefolgert werden:

– das V_cent,diff-Signal ist immer in Phase mit dem Magnetfeld B_C erfasst durch den mittleren GMR (weiteres Sensorelement 130)
– V_cent,diff ist immer in Quadratur mit dem Wheatstone-Brücken-Ausgang V_br,sense
– bei φ = π/2 ist die Amplitude von V_cent,diff gleich der Amplitude von V_br,sense. Für φ < π/2 wird das zentrale Signal V_cent,diff kleiner als V_br,sense, während für φ > π/2 das Gegenteil eintritt, weil 1 – cosφ > sinφ

7 zeigt eine Transferfunktion eines GMR-Sensorelements, das als ein Sensorelement 200 der Sensoranordnung 120 oder als eines des mindestens einen weiteren Sensorelements 130 verwendet werden kann. In einem Fenster von etwa –8,5 mT bis +8,5 mT zeigt das GMR-Sensorelement ein im Wesentlichen lineares Verhalten. Außerhalb dieses Fensters wird ein Sättigungsverhalten beobachtet.
In den nächsten Figuren werden Simulationsergebnisse gezeigt, die aus der Implementierung der in 6 gezeigten Blockebenenschaltung erhalten wurden.
Zuerst werden die GMR-Zellen oder Sensorelemente 200, 130 (Rechts-Mitte-Links) mit kleinen sinusförmigen magnetischen Signalen stimuliert, um einen Betrieb in dem linearen Empfindlichkeitsbereich, oben beschrieben, zu veranschaulichen. Die Transferfunktion eines GMR-Sensorelements, in einer prozentualen resistiven Variation über einer Magnetfeldänderung ausgedrückt, wird wie in 7 dargestellt modelliert.
Die Empfindlichkeit im linearen Bereich wird als S = 0,76%/mT angenommen. Gemäß Gleichung (1.1) skalieren das zentrale Signal und die Empfindlichkeit im Mittelweg mit der Abhängigkeit von der Phasenverschiebung zwischen Rechts/Mitte (oder Mitte/Links). Der Skalierungsfaktor ist: S·(1 – cosφ) (1.3)
In den folgenden Figuren werden φ = 120°, φ = 90°, φ = 60° und φ = 45° für die Phasenverschiebung verwendet.
8a bis 8d zeigen verschiedene Diagramme von Signalen im Fall des Anlegens kleiner magnetischer Signale an den in 6 gezeigten Sensor 100. Eine Phasenverschiebung von φ = 120° wird im Kontext mit dem Mittelweg 690 verwendet. Genauer gesagt zeigt 8a die erfassten magnetischen Signale. 8b zeigt den Kopiestrom in der mittleren GMR-Sensorvorrichtung (weiteren Sensorvorrichtung 130). 8c zeigt die Spannung an dem mittleren GMR-Sensorelement und die im Mittelweg 690 verwendete Referenzspannung. 8d zeigt die prozentuale Variation von Vcent am zweiten Knoten 180 in Relation zu ihrem Mittelwert gemäß Gleichung 1.3. 9a bis 9d zeigen die gleichen kleinen magnetischen Signale für eine Phasenverschiebung von φ = 90°, während 10a bis 10d die gleichen kleinen magnetischen Signale für eine Phasenverschiebung von φ = 60° zeigen. Zudem zeigt 11 die gleichen Diagramme für Signale mit einer Phasenverschiebung von φ = 45°. Es ist anzumerken, dass in diesen Figuren die zentrale Position auch als die mit dem Buchstaben ”M” abgekürzte mittlere Position bezeichnet wird.
In den folgenden Figuren werden Sättigungseffekte der GMR-Sensorelemente auf der Basis der GMR-Transfercharakteristik von 7 eingeführt. Die Sensorelemente werden mit großen sinusförmigen Signalen stimuliert. Die Folge der Sättigung in GMR-Widerständen spiegelt sich in dem Strom wieder, der in dem mittleren GMR (weiteren Sensorelementen 130) fließt. Im Fall einer Phasenverschiebung φ = 90° ist der Kopiestrom immer noch konstant, wenngleich in der Simulation eine kleine Welligkeit sichtbar ist, die auf kapazitive Kopplungen zurückzuführen ist, weil die Sättigungseffekte symmetrisch sind. Das Mittelsignal ist immer noch in Phase mit dem magnetischen Signal bei dem mittleren oder zentralen GMR-Sensorelement (weiterem Sensorelement 130). Die Signalsequenz ist jedoch rechteckig und nicht länger sinusförmig.
12a bis 12c zeigen Diagramme von großen magnetischen Signalen im Mittelweg 690 mit φ = 90°. 12a zeigt die erfassten magnetischen Signale, 12b den Kopiestrom in dem mittleren GMR-Sensorelement (weiterem Sensorelement 130) und die Spannung an dem mittleren GMR. 12c zeigt die im Mittelweg verwendete Referenzspannung.
Nachfolgend wird ein kurzer Vergleich zwischen einem herkömmlicheren Ansatz und der neuen Topologie des Mittelwegs 690 angegeben. Da das eine Ausführungsform verwendende neue Konzept unter Verwendung einer Sensoranordnung 120 implementiert werden kann, die differenziell misst (d. h., externe homogene Magnetfelder können unterdrückt werden), wird ein Vergleich mit einer weiteren Differenzlösung geliefert, die aus einer zweiten Wheatstone-Brücke 410' zusätzlich zu einer Rechts-Links-Wheatstone-Brücke 410 besteht, wie beispielsweise in 5 gezeigt. Der Vergleich basiert auf einer Implementierung mit zwei rechten und zwei mittleren GMR-Sensorelementen.
Die Analyse erfolgt für kleine magnetische Signale und große bei φ = 90° und φ = 60°. Der Vollständigkeit halber werden auch das resultierende Differenzsignale der Rechts-Links-Wheatstone-Brücke 410 geliefert. Wie in den Gleichungen (1.1) und (1.2) festgestellt, kann in der neuen Topologie die Quadratur zwischen dem Mittelwegsignal und dem Rechts-Links-Differenzweg unabhängig von der Phasenverschiebung insofern geliefert werden, als ein Betrieb im linearen Bereich der GMR-Empfindlichkeit verwendet werden kann. Dies ist im Gegensatz typischerweise nicht der Fall für die Rechts-Mitte-Wheatstone-Brücken-Lösung.
Um spezifischer zu sein, zeigen 13 und 14 Vergleiche der zuvor erwähnten herkömmlicheren Implementierung und einer Implementierung gemäß einer Ausführungsform für kleine magnetische Signale mit einer Phasenverschiebung von φ = 90° beziehungsweise φ = 60°. Die 13a und 14a zeigen die erfassten magnetischen Signale, wohingegen 13b und 14b Differenzspannungen des Mittelwegs in der Implementierung gemäß einer Ausführungsform (dicke Linie) und in der Rechts-Mitte-Wheatstone-Brücke 410' zeigen. Die 13c und 14c zeigen die Differenzspannung der Rechts-Links-Wheatstone-Brücke 120, 410 in 6 beziehungsweise 5.
Bei großen magnetischen Signalen sind im Fall einer Phasenverschiebung von φ = 90° der Mittelweg und der Differenzweg immer noch in Quadratur unter Verwendung der in 6 dargestellten Ausführungsform, weil die Sättigungseffekte bei den rechten und linken GMR-Sensorelementen symmetrisch auftreten. Um dies ausführlicher zu veranschaulichen, zeigen 15a bis 15c Diagramme, die einen Vergleich zwischen einer herkömmlicheren Implementierung und einer Implementierung gemäß einer Ausführungsform für große magnetische Signale mit einer Phasenverschiebung von φ = 90° darstellen. 15a zeigt die erfassten magnetischen Signale, wohingegen 15b die Differenzspannung des Mittelwegs 690 unter Verwendung einer Implementierung gemäß einer Ausführungsform (dick) und einer Rechts-Mitte-Wheatstone-Brücke 410' zeigt, wie in 5 dargestellt. Schließlich zeigt 15c die Differenzspannung der Rechts-Links-Wheatstone-Brücken 120, 410 von 6 beziehungsweise 5.
16a bis 16d zeigen die Ergebnisse einer Simulation, die darauf basiert, dass die GMR-Sensorelemente oder Sonden mit sinusförmigen Magnetfeldern stimuliert werden, mit einer zusätzlichen homogenen Gleichstrom- oder Offsetkomponente. Wie erwartet, wird die Offsetkomponente im elektrischen Signal Vcent unterdrückt.
16a bis 16d zeigen Diagramme als Antwort auf kleine magnetische Signale für eine Phasenverschiebung von φ = 90°. 16a zeigt die erfassten magnetischen Signale, während 16b den Kopiestrom in dem mittleren GMR-Sensorelement zeigt. 16c zeigt die Spannung an dem mittleren GMR-Sensorelement und die im Mittelweg 690 verwendete Referenzspannung. Schließlich zeigt 16d die Empfindlichkeit des mittleren Sensorelements 130.
Ausführungsformen können beispielsweise gestatten, dass ein magnetischer Geschwindigkeitssensor eine Start-Stopp-Funktionalität anbietet, die als eine ”0 Hz-Fähigkeit” bezeichnet werden kann. Mit anderen Worten kann eine Richtungsdetektion bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten während der Start-Stopp-Prozedur ebenfalls unter Verwendung einer Ausführungsform möglich sein. Ausführungsformen können beispielsweise bei Raddrehzahldetektionsanwendungen verwendet werden, um nur eine zu nennen.
Wie zuvor umrissen, könnten herkömmliche konzentrierte Sensorelemente (Monozellen) verwendet werden. Monozellen sind jedoch möglicherweise nicht in der Lage, homogene Änderungen in der physikalischen Größe im Gegensatz zu differenziellen zu unterdrücken. Beispielsweise wird ein dynamisches homogenes Magnetstörfeld möglicherweise letztendlich nicht von einem Differenzfeld unterschieden werden können, das von einem sich bewegenden Polrad oder einer anderen erwünschten Magnetfeldquelle verursacht wird. Dies kann zu einer stark verschlechterten Robustheit des Sensors bei Anwesenheit externer Störungen führen.
Die Beschreibung und Zeichnungen veranschaulichen lediglich die Prinzipien der Erfindung. Es versteht sich somit, dass der Fachmann in der Lage sein wird, sich verschiedene Anordnungen auszudenken, die, wenngleich hierin nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Gedankens und Schutzbereichs enthalten sind. Zudem sind alle hierin angeführten Beispiele im Prinzip ausdrücklich nur für pädagogische Zwecke gedacht, um den Leser beim Verständnis der Prinzipien der Erfindung und der von dem/den Erfinder(n) zur Weiterentwicklung der Technik beigetragenen Konzepte zu unterstützen, und sind so auszulegen, dass sie ohne Beschränkung auf solche spezifisch angeführten Beispiele und Bedingungen sind. Zudem sollen alle Feststellungen hierin, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung aufzählen, sowie spezifische Beispiele davon Äquivalente davon einschließen.
Die hierin beschriebenen Verfahren können als Software implementiert werden, beispielsweise als ein Computerprogramm. Die Teilprozesse können von einem derartigen Programm ausgeführt werden, beispielsweise durch Schreiben in einen Speicherort. Analog kann das Lesen oder Empfangen von Daten durch Lesen aus dem gleichen oder einem anderen Speicherort durchgeführt werden. Ein Speicherort kann ein Register oder ein anderer Speicher einer geeigneten Hardware sein. Die Funktionen der verschiedenen, in den Figuren gezeigten Elemente, einschließlich etwaiger Funktionsblöcke, die als ”Mittel”, ”Mittel zum Ausbilden”, ”Mittel zum Bestimmen” usw. bezeichnet sind, können durch den Einsatz eigener Hardware wie etwa ”einem Ausbilder”, ”einem Bestimmer” usw. sowie Hardware bereitgestellt werden, die Software in Assoziation mit geeigneter Software ausführen kann. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzelnen dedizierten Prozessor, durch einen einzelnen gemeinsamen Prozessor oder durch mehrere individuelle Prozessoren, von denen einige möglicherweise gemeinsam benutzt werden, bereitgestellt werden. Zudem sollte die explizite Verwendung des Ausdrucks ”Prozessor” oder ”Controller” nicht so ausgelegt werden, dass er sich ausschließlich auf Hardware bezieht, die eine Software ausführen kann, und sie kann implizit ohne Beschränkung die Hardware eines digitalen Signalprozessors (DSP), einen Netzwerkprozessor, eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gatearray (FPGA), einen Festwertspeicher (ROM) zum Speichern von Software, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine nichtflüchtige Ablage aufweisen. Andere Hardware, konventionell und/oder kundenspezifisch, kann ebenfalls enthalten sein. Analog sind etwaige, in den Figuren gezeigte Schalter nur konzeptionell. Ihre Funktion kann durch die Operation einer Programmlogik, durch dedizierte Logik, durch die Interaktion von Programmsteuerung und dedizierter Logik ausgeführt werden, wobei die jeweilige Technik durch den Implementierer gewählt werden kann, wie aus dem Kontext spezifischer zu verstehen ist.
Der Fachmann sollte verstehen, dass etwaige Blockdiagramme hierin konzeptionelle Ansichten einer veranschaulichenden Schaltungsanordnung darstellen, die die Prinzipien der Erfindung verkörpert. Analog versteht sich, dass etwaige Flussbilder, Flussdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocodes und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium dargestellt und so durch einen Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ob ein derartiger Computer oder Prozessor explizit oder nicht explizit gezeigt ist.
Zudem sind die folgenden Ansprüche hierdurch in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als eine separate Ausführungsform für sich selber stehen kann. Wenngleich jeder Anspruch als eine separate Ausführungsform für sich selber stehen kann, ist anzumerken, dass – wenngleich sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsformen ebenfalls eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs aufweisen können. Solche Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, sofern nicht festgestellt wird, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Zudem ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in irgendeinen anderen unabhängigen Anspruch aufzunehmen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht ist.
Es ist weiterhin anzumerken, dass in der Patentschrift oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jedes der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert werden können.
Zudem ist zu verstehen, dass die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen, die in der Patentschrift oder den Ansprüchen offenbart sind, nicht so ausgelegt werden soll, dass sie innerhalb der spezifischen Reihenfolge ist. Deshalb begrenzt die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen diese nicht auf eine bestimmte Reihenfolge, sofern nicht solche Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind.
Zudem kann bei einigen Ausführungsformen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte aufweisen oder in diese zerlegt werden. Solche Teilschritte können enthalten sein und Teil der Offenbarung dieses einzelnen Schritts sein, sofern nicht explizit ausgeschlossen.

Claims

Schaltung (110) zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe, wobei die Schaltung Folgendes umfasst: eine Sensoranordnung (120), die für die physikalische Größe empfindlich ist; mindestens ein weiteres Sensorelement (130), das für die physikalische Größe empfindlich ist; und eine Speiseschaltung (140), die konfiguriert ist zum Versorgen der Sensoranordnung (120) mit einem Speisesignal, das eine Speisespannung umfasst, die von der Speiseschaltung (140) in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird, wobei die Speiseschaltung (140) weiterhin konfiguriert ist zum Versorgen des mindestens einen weiteren Sensorelements (130) mit einem weiteren Speisesignal, das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit einer Größe eines Speisestroms des Speisesignals erfüllt.
Schaltung (110) nach Anspruch 1, wobei die Speiseschaltung (140) derart konfiguriert ist, dass gemäß der vorbestimmten Beziehung die Größe des weiteren Speisestroms im Wesentlichen proportional zur Größe des Speisestroms ist.
Schaltung (110) nach Anspruch 2, wobei die Speiseschaltung (140) einen Stromspiegel umfasst, der konfiguriert ist zum Versorgen des weiteren Speisesignals mit der Größe des weiteren Stroms auf der Basis der Größe des Speisestroms des Speisesignals.
Schaltung (110) nach Anspruch 3, wobei der Stromspiegel weiterhin konfiguriert ist zum Versorgen des Speisesignals mit einer Größe des Stroms und des weiteren Speisesignals mit einer Größe des weiteren Stroms auf der Basis einer Größe eines Steuerstroms.
Schaltung (110) nach Anspruch 4, wobei die Speiseschaltung (140) konfiguriert ist zum Steuern einer Größe des Steuerstroms, so dass die Speisespannung des Speisesignals in der Regelkreiskonfiguration gesteuert wird.
Schaltung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Speiseschaltung (140) konfiguriert ist, die Größe der Speisespannung des Speisesignals im Wesentlichen konstant zu halten.
Schaltung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend eine Detektionsschaltung, die an das mindestens eine weitere Sensorelement (130) gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Generieren eines die Informationen über die physikalische Größe anzeigenden Ausgangssignals.
Schaltung (110) nach Anspruch 7, wobei die Detektionsschaltung einen Differenzverstärker umfasst, der an das mindestens eine weitere Sensorelement (130) gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Generieren eines die Informationen über die physikalische Größe anzeigenden Ausgangssignals.
Schaltung (110) nach Anspruch 8, wobei ein erster Eingang des Differenzverstärkers an die Speiseschaltung (140) gekoppelt ist, um ein erstes Signal zu empfangen, das die Speisespannung des Speisesignals umfasst, wobei ein zweiter Eingang des Differenzverstärkers an das mindestens eine weitere Sensorelement (130) gekoppelt ist, um ein zweites Signal zu empfangen, das eine einen Spannungsabfall an dem mindestens einen weiteren Sensorelement anzeigende Erfassungsspannung umfasst, und wobei der Differenzverstärker konfiguriert ist zum Liefern des Ausgangssignals auf der Basis einer Differenz der Speisespannung und der Erfassungsspannung an einem Ausgang des Differenzverstärkers.
Schaltung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Sensorelementanordnung mehrere Sensorelemente umfasst, die für die physikalische Größe empfindlich sind, wobei die Sensorelementanordnung konfiguriert ist zum Generieren eines eine räumliche Änderung der physikalischen Größe anzeigenden Signals.
Schaltung (110) nach Anspruch 10, wobei mindestens zwei Sensorelemente der Sensorelementanordnung entlang einer Richtung räumlich verschoben sind und derart gekoppelt sind, dass die Sensorelementanordnung konfiguriert ist zum Generieren des die räumliche Änderung der physikalischen Größe entlang der Richtung anzeigenden Signals.
Schaltung (110) nach Anspruch 10 oder 11, wobei mindestens zwei Sensorelemente der Sensorelementanordnung aneinander gekoppelt sind, um mindestens eine Halbbrücke zu bilden, wobei die mindestens eine Halbbrücke mindestens zwei Sensorelemente und einen zwischen die mindestens zwei Sensorelemente gekoppelten Knoten umfasst, wobei das die räumliche Änderung anzeigende Signal am Knoten der mindestens einen Halbbrücke erhalten werden kann.
Schaltung (110) nach Anspruch 12, wobei die Sensorelementanordnung mindestens zwei Halbbrücken umfasst, die derart parallel gekoppelt sind, dass das die räumliche Änderung anzeigende Signal an den Knoten der mindestens zwei Halbbrücken erhalten werden kann.
Schaltung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die physikalische Größe eine Stärke eines Magnetfelds, eine Richtung des Magnetfelds, eine Stärke einer Komponente eines Magnetfelds, eine Temperatur, einen Druck, eine Intensität einer elektromagnetischen Strahlung, eine Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und/oder eine mechanische Beanspruchung umfasst.
Schaltung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Sensoranordnung (120) mindestens ein Sensorelement umfasst und wobei das mindestens eine Sensorelement der Sensorelementanordnung und das weitere Sensorelement (130) ein für ein Magnetfeld empfindliches Sensorelement, ein Temperatursensorelement, ein Drucksensorelement, ein lichtdetektierendes Sensorelement und/oder ein für mechanische Exposition empfindliches Sensorelement umfassen.
Verfahren zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Versorgen (O110) einer Sensoranordnung (120) mit einem Speisesignal (SS1), das eine Speisespannung umfasst, die von einer Speiseschaltung (140) in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird, wobei die Sensoranordnung (120) für die physikalische Größe empfindlich ist; Versorgen (O110) mindestens eines weiteren Sensorelements (130) mit einem weiteren Speisesignal (SS2), das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit einer Größe eines Speisestroms des Speisesignals erfüllt, wobei das mindestens eine weitere Sensorelement (130) für die physikalische Größe empfindlich ist.
Sensor (100) zum Erhalten von Informationen über eine physikalische Größe, wobei der Sensor Folgendes umfasst: eine Sensoranordnung (120), die für die physikalische Größe empfindlich ist; mindestens ein weiteres Sensorelement (130), das für die physikalische Größe empfindlich ist; eine Speiseschaltung (140), die konfiguriert ist zum Versorgen der Sensoranordnung (120) mit einem Speisesignal, das eine Speisespannung umfasst, die von der Speiseschaltung (140) in einer Regelkreiskonfiguration gesteuert wird, wobei die Speiseschaltung (140) weiterhin konfiguriert ist zum Versorgen des mindestens einen weiteren Sensorelements (130) mit einem weiteren Speisesignal, das einen weiteren Speisestrom umfasst, so dass eine Größe des weiteren Speisestroms eine vorbestimmte Beziehung mit einer Größe eines Speisestroms des Speisesignals erfüllt; und eine Detektionsschaltung, die an das mindestens eine weitere Sensorelement (130) gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Generieren eines die Informationen über die physikalische Größe anzeigenden Ausgangssignals.