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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Sensorbauelemente und insbesondere auf Magnetfeldsensorbauelemente.
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Hintergrund
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Heutzutage weisen Autos zahlreiche Sicherheits-, Karosserie- und Antriebsstranganwendungen auf, die auf magnetische Positions- und/oder Winkelsensoren angewiesen sind. Bei der elektrischen Servolenkung (EPS; EPS = Electric Power Steering) können zum Beispiel magnetische Winkelsensoren und lineare Hall-Sensoren verwendet werden, um den Lenkwinkel und das Lenkmoment zu messen. Moderne Antriebsstrangsysteme können auf magnetische Geschwindigkeitssensoren für Nockenwellen-, Kurbelwellen- und Übertragungsanwendungen zusammen mit Automobildrucksensoren angewiesen sein, um geforderte CO2-Ziele und intelligente Antriebsstrang-Lösungen zu erreichen.
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Magnetsensoren umfassen zum Beispiel magnetoresistive Sensoren und Hall-Effekt-Sensoren (Hall-Sensoren). Magnetoresistenz ist eine Eigenschaft eines Materials, den Wert seines elektrischen Widerstands zu ändern, wenn ein externes Magnetfeld an dasselbe angelegt wird. Einige Beispiele von magnetoresistiven Effekten sind Riesenmagnetowiderstand (GMR; GMR = Giant Magneto-Resistance), der ein quantenmechanischer Magnetowiderstandseffekt ist, der bei Dünnfilmstrukturen beobachtet wird, die aus abwechselnden ferromagnetischen und nicht-magnetischen leitfähigen Schichten zusammengesetzt sind, Tunnelmagnetowiderstand (TMR; TMR = Tunnel Magneto-Resistance), der ein magnetoresistiver Effekt ist, der bei einem Magnettunnelübergang (MTJ; MTJ = magnetic tunnel junction) auftritt, der eine Komponente bestehend aus zwei durch einen dünnen Isolator getrennten Ferromagneten ist, oder anisotroper Magneto-Widerstand (AMR; AMR = Anisotropic Magneto-Resistance), der eine Eigenschaft eines Materials ist, bei der eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von dem Winkel zwischen der Richtung des elektrischen Stroms und der Richtung der Magnetisierung beobachtet wird. Die Mehrzahl von unterschiedlichen magnetoresistiven Effekten wird gemeinhin als xMR abgekürzt, wobei das „x” als ein Platzhalter für die verschiedenen magnetoresistiven Effekte fungiert. xMR-Sensoren können die Orientierung eines angelegten Magnetfeldes durch ein Messen von Sinus- und Cosinus-Winkelkomponenten mit monolithisch integrierten magnetoresistiven Sensorelementen detektieren.
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Ein Hall-Effekt-Sensor ist ein Wandler, der seine Ausgangsspannung (Hall-Spannung) ansprechend auf ein Magnetfeld variiert. Er basiert auf dem Hall-Effekt, der die Lorentz-Kraft nutzt. Die Lorentz-Kraft lenkt bewegliche Ladungen in der Präsenz eines Magnetfeldes ab, das perpendikulär zu dem Stromfluss durch den Sensor oder die Hall-Platte ist. Dabei kann eine Hall-Platte ein dünnes Stück Halbleiter oder Metall sein. Die Ablenkung verursacht eine Ladungstrennung, die ein elektrisches Hall-Feld verursacht. Dieses elektrische Feld wirkt auf die Ladung in der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die Lorentz-Kraft. Beide Kräfte gleichen einander aus und erzeugen eine Potentialdifferenz perpendikulär zu der Richtung des Stromflusses. Die Potentialdifferenz kann als eine Hall-Spannung gemessen werden und variiert in einer linearen Beziehung mit dem Magnetfeld für kleine Werte. Hall-Effekt-Sensoren können für Näherungsschalt-, Positionierungs-, Geschwindigkeitsdetektions- und Stromerfassungsanwendungen verwendet werden.
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Aktuell wird die Genauigkeit von magnetischen Winkelsensoren durch die Genauigkeit des Erfassungselements selbst mit idealer Kalibrierung begrenzt. Dieser Winkelfehler ist nicht an jedem Winkel konstant, sondern variiert über den gesamten Winkelbereich. Es ist möglich, Nachschlagetabellen (LUT; LUT = Look-Up Tables) für eine weitere Kompensation zu verwenden. Dort kann die Charakteristik des Winkelfehlers über den Winkelbereich gespeichert und in dem Ausgangswert kompensiert werden. Einige Nachteile einer LUT sind allerdings:
- – Die LUT muss durch den Benutzer erzeugt werden und in seinem Mikrocontroller oder Chip-EEPROM (Elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher; EEPROM = Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) gespeichert werden.
- – Die Daten in der LUT sind statisch und decken keine Temperatur- und Lebensdauerdrifts ab, was die Charakteristika des Winkelfehlers ändert.
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Es ist daher wünschenswert, verbesserte Magnetsensoren unter Berücksichtigung der oben erwähnten Probleme bereitzustellen.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung einen Magnetfeldsensor bereit. Der Magnetfeldsensor umfasst zumindest ein Magnetfeldsensorelement, das ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld. Der Magnetfeldsensor umfasst ferner zumindest ein Hall-Sensorelement, das ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Sensorsignals ansprechend auf das (gleiche) Magnetfeld. Eine dem Magnetfeldsensor zugeordnete Kompensationslogik ist ausgebildet zum Kompensieren von einem von dem ersten und dem zweiten Sensorsignal unter Verwendung des jeweiligen anderen Sensorsignals.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Magnetfeldsensorelement ausgebildet zum Erzeugen des ersten Sensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld parallel zu einer oberen Oberfläche des Magnetfeldsensorelements. Das Magnetfeldsensorelement kann in einem Halbleiterchip implementiert sein. Somit kann das Magnetfeldsensorelement ausgebildet sein zum Erzeugen des ersten Sensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld parallel zu einer oberen Oberfläche des Halbleiterchips.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Magnetfeldsensorelement ein magnetoresistives Sensorelement, d. h. ein xMR-Sensorelement.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das magnetoresistive Sensorelement ein Riesenmagnetowiderstands-(GMR-)Sensorelement, ein Tunnelmagnetowiderstands-(TMR-)Sensorelement oder ein anisotropes Magnetowiderstands-(AMR)Sensorelement sein, um nur einige magnetoresistive Effekte zu nennen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Hall-Sensorelement ein vertikales Hall-Sensorelement und ist somit ausgebildet zum Erzeugen des zweiten Sensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld parallel zu der oberen Oberfläche des Magnetfeldsensorelements und/oder parallel zu einer oberen Oberfläche des vertikalen Hall-Sensorelements. Das vertikale Hall-Sensorelement kann in einem Halbleiterchip implementiert sein. Somit kann das vertikale Hall-Sensorelement ausgebildet sein zum Erzeugen des zweiten Sensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld parallel zu einer oberen Oberfläche des Halbleiterchips.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Hall-Sensorelement mit einer festgelegten, vordefinierten Orientierung relativ zu einer Referenzrichtung des Magnetfeldsensorelements installiert und ist ausgebildet für einen Stromfluss entlang der vordefinierten Orientierung. Anders ausgedrückt, die Orientierung des Stromflusses kann als Anzeichen für die Orientierung des Hall-Sensorelements angesehen werden. Auf ähnliche Weise kann die Orientierung des Hall-Sensorelements auch auf die minimale oder maximale magnetische Empfindlichkeit des Hall-Sensorelements bezogen sein (z. B. mV/Gauss). Zum Beispiel ist die Empfindlichkeit des Hall-Sensorelements minimal für externe Magnetfelder, die parallel oder antiparallel zu der Orientierung des Stromflusses orientiert sind. Ebenso ist die Empfindlichkeit des Hall-Sensorelements maximal für externe Magnetfelder, die perpendikulär zu der Orientierung des Stromflusses orientiert sind.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist Kompensationslogik ausgebildet zum Korrigieren des ersten Sensorsignals, das das Magnetfeld anzeigt, basierend auf dem zweiten Sensorsignal, das das (gleiche) Magnetfeld anzeigt. Anders ausgedrückt, das zweite Sensorsignal kann verwendet werden, um Ungenauigkeiten des ersten Sensorsignals zu korrigieren.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Kompensationslogik ausgebildet zum Anwenden einer Korrektur auf das erste Sensorsignal, zumindest wenn das zweite Sensorsignal eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu einer Orientierung des Hall-Sensorelements anzeigt und wenn das erste Sensorsignal eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Magnetfeldsensor ein erstes Hall-Sensorelement, das in einer ersten Orientierung in Bezug auf das Magnetfeldsensorelement installiert ist und das ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld, und zumindest ein zweites Hall-Sensorelement, das in einer zweiten Orientierung in Bezug auf das Magnetfeldsensorelement installiert ist und das ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld, wobei die Kompensationslogik ausgebildet ist zum Kompensieren des ersten Sensorsignals basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Hall-Sensorsignal.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen sind das zumindest eine Magnetfeldsensorelement und das zumindest eine Hall-Sensorelement in dem gleichen Halbleitergehäuse integriert. Hier können sie auf unterschiedlichen Halbleiterchips implementiert sind.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen sind das zumindest eine Magnetfeldsensorelement und das zumindest eine Hall-Sensorelement auf dem gleichen Halbleiterchip integriert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein magnetischer Winkelsensor bereitgestellt, umfassend ein magnetoresistives Winkelsensorelement, das ausgebildet ist zum Erzeugen eines Winkelsensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld, das auf das magnetoresistive Winkelsensorelement auftritt, ein erstes Hall-Sensorelement, das in einer ersten Orientierung in Bezug auf das magnetoresistive Winkelsensorelement installiert ist und das ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld, zumindest ein zweites Hall-Sensorelement, das in einer zweiten Orientierung in Bezug auf das magnetoresistive Winkelsensorelement installiert ist und das ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld und einen Kompensationsprozessor, der ausgebildet ist zum Korrigieren des Winkelsensorsignals basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Hall-Sensorsignal.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Kompensationsprozessor ausgebildet zum Korrigieren des Winkelsensorsignals, zumindest wenn das erste Hall-Sensorsignal eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu der ersten Orientierung anzeigt und wenn das Winkelsensorsignal eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt, oder wenn das zweite Hall-Sensorsignal eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu der zweiten Orientierung anzeigt und wenn das Winkelsensorsignal eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen sind das magnetoresistive Winkelsensorelement, das erste und das zweite Hall-Sensorelement in dem gleichen Halbleitergehäuse oder auf dem gleichen Halbleiterchip integriert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein magnetisches Winkelsensorbauelement bereitgestellt, das ein magnetisches Winkelsensorelement umfasst, das ausgebildet ist zum Erzeugen eines Winkelsensorsignals ansprechend auf ein Magnetfeld, das auf das magnetische Winkelsensorelement auftrifft. Das Bauelement umfasst ferner ein erstes magnetoresistives Sensorelement, das eine erste vordefinierte magnetische Orientierung seiner hartmagnetischen Schicht in Bezug auf das magnetische Winkelsensorelement aufweist und das ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Referenzsensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld. Zumindest ein zweites magnetoresistives Sensorelement des Bauelements weist eine zweite vordefinierte magnetische Orientierung seiner hartmagnetischen Schicht in Bezug auf das magnetische Winkelsensorelement auf und ist ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten Referenzsensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld. Ein Prozessor ist ausgebildet zum Korrigieren des Winkelsensorsignals basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Referenzsensorsignal.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Prozessor ausgebildet zum Korrigieren des Winkelsensorsignals, zumindest wenn das erste Referenzsensorsignal eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu der ersten magnetischen Orientierung anzeigt und wenn das Winkelsensorsignal eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt, oder wenn das zweite Referenzsensorsignal eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu der zweiten magnetischen Orientierung anzeigt und wenn das Winkelsensorsignal eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen sind das magnetische Winkelsensorelement, das erste magnetoresistive Sensorelement und das zweite magnetoresistive Sensorelement auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Magnetfelderfassungsverfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Messen eines Magnetfeldes unter Verwendung eines Magnetfeldsensorelements, ein Messen des Magnetfeldes unter Verwendung von zumindest einem Hall-Sensorelement mit einer vorbestimmten Orientierung in Bezug auf das Magnetfeldsensorelement und ein Korrigieren der Messung des Magnetfeldsensorelements basierend auf der Messung des zumindest einen Hall-Sensorelements.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die Messung des Magnetfeldsensorelements korrigiert, zumindest wenn die Messung des Hall-Sensorelements eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu der vorbestimmten Orientierung des Hall-Sensorelements anzeigt und wenn die Messung des Magnetfeldsensorelements eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Messen des Magnetfeldes unter Verwendung von zumindest einem Hall-Sensorelement ein Messen des Magnetfeldes unter Verwendung eines ersten Hall-Sensorelements mit einer ersten Orientierung in Bezug auf das Magnetfeldsensorelement und ein Messen des Magnetfeldes unter Verwendung von zumindest einem zweiten Hall-Sensorelement mit einer zweiten Orientierung in Bezug auf das Magnetfeldsensorelement.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die Messung des Magnetfeldsensorelements korrigiert, zumindest wenn die Messung des ersten Hall-Sensorelements eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu der ersten Orientierung anzeigt und wenn die Messung des Magnetfeldsensorelements eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt, und/oder wenn die Messung des zweiten Hall-Sensorelements eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu der zweiten Orientierung anzeigt und wenn die Messung des Magnetfeldsensorelements eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt.
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Für Zwischenorientierungen des Magnetfeldes zwischen der ersten und zweiten Orientierung kann die Messung des Magnetfeldsensorelements unter Verwendung von interpolierten Fehlerwerten, die von den Messfehlern an der ersten und zweiten Orientierung hergeleitet sind, korrigiert werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Einige Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen Absatz
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1a–c unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Implementierungen von GMR-Sensorelementen zeigen;
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2 ein Ausführungsbeispiel einer Implementierung eines TMR-Sensorelements zeigt;
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3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors zeigt;
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4 ein Arbeitsprinzip eines vertikalen Hall-Sensors zeigt;
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5a–c ein Arbeitsprinzip eines magnetischen Winkelsensors gemäß einem Beispiel darstellen;
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6a–c ein Arbeitsprinzip eines magnetischen Winkelsensors gemäß einem weiteren Beispiel darstellen.
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7a, b beispielhafte Kompensationskurven zeigen; und
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8 ein Flussdiagramm eines Magnetfelderfassungsverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Während dementsprechend verschiedene Abänderungen und alternative Formen von Ausführungsbeispielen möglich sind, werden Ausführungsbeispiele davon in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Abänderungen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Ziffern auf gleiche Elemente.
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Es versteht sich, dass wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt” mit einem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Worte sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen” gegenüber „direkt zwischen”, „benachbart” gegenüber „direkt benachbart” usw.).
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Die hier angewandte Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht begrenzend für weitere Ausführungsbeispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Einzelformen „ein, eine” und „das, der, die” auch die Pluralformen umfassen, wenn der Zusammenhang nicht deutlich sonstiges anzeigt. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst”, „umfassend”, „aufweisen” und/oder „aufweisend” bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
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Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Ausführungsbeispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z. B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern Definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, sofern sie nicht ausdrücklich anderweitig definiert ist.
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Die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung können auf eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren angewandt werden, z. B. einschließlich mikroelektromechanischer Sensoren (MEMS-Sensoren; MEMS = microelectromechanical), Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren. Magnetoresistive Sensoren umfassen einen GMR-Sensor, TMR-Sensoren, einen AMR-Sensor und verschiedene andere aktuelle und zukünftige Sensoren, die auf Magnetoresistenz basieren.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele von Implementierungen von GMR-Strukturen kurz erklärt. GMR-Strukturen werden häufig in einer sogenannten CIP-Konfiguration (CIP = current-in-plane = Strom-in-Ebene) betrieben, d. h. der angelegte Strom fließt parallel zu der Schichtstruktur oder zu der oberen Oberfläche des Chips. Für GMR-Strukturen existieren mehrere grundlegende Typen, die in der Praxis vorherrschen. Einige Ausführungsbeispiele von GMR-Strukturen sind in 1a–c dargestellt.
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Das in 1a dargestellte Ausführungsbeispiel einer GMR-Struktur zeigt ein gekoppeltes GMR-System 100, bei dem zwei magnetische Schichten 102, 106, z. B. hergestellt aus Kobalt (Co), durch eine nicht-magnetische Schicht 104, z. B. aus Kupfer (Cu), getrennt sind. Die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 104 kann gewählt werden, derart, dass, ohne dass ein externes Magnetfeld angelegt ist, eine anti-ferromagnetische Kopplung der weichmagnetischen Schichten 102, 106 eingerichtet wird. Dies wird durch die angezeigten Pfeile dargestellt. Ein externes Magnetfeld kann dann die parallele Ausrichtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schichten 102, 106 durchsetzen, wobei der Widerstandswert der GMR-Struktur abnimmt.
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Die in 1b dargestellte GMR-Struktur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Spinventilsystems 101, bei dem die nicht-magnetische Schicht 104 mit einer Dicke ausgewählt wird, so dass sich keine Kopplung der weichmagnetischen Schichten 102, 106 ergibt. Die untere magnetische Schicht 106 ist stark mit einer anti-ferromagnetischen Schicht 108 gekoppelt, so dass sie hartmagnetisch ist (vergleichbar mit einem Permanentmagneten). Die obere magnetische Schicht 102 ist weichmagnetisch und dient als eine Messschicht. Sie kann bereits durch ein kleines äußeres Magnetfeld M magnetisiert sein, wobei der Widerstandswert R geändert wird.
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Nachfolgend wird die in 1b dargestellte Spinventilanordnung 101 ausführlicher erklärt. Eine solche Spinventilstruktur 101 umfasst eine weichmagnetische Schicht 102, die durch eine nicht-magnetische Schicht 104 von einer zweiten weichmagnetischen Schicht 106 getrennt ist, deren Magnetisierungsrichtung allerdings durch die Kopplung mit einer antiferromagnetischen Schicht 108 mittels der sogenannten „Austausch-Bias-Interaktion” festgelegt ist. Das grundlegende Funktionieren einer Spinventilstruktur kann unter Verwendung der Magnetisierung und R(H)-Kurve in 1b dargestellt sein. Die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 106 ist in der negativen Richtung festgelegt. Wenn nun das äußere Magnetfeld M von negativen zu positiven Werten verstärkt wird, dann schaltet in der Nähe des Null-Übergangs (H = 0) die „freie” weichmagnetische Schicht 102 und der Widerstandswert R steigt stark an. Der Widerstandswert R bleibt dann hoch, bis das äußere Magnetfeld M groß genug ist, um die Austauschkopplung zwischen der weichmagnetischen Schicht und der antiferromagnetischen Schicht 108 zu überwinden und auch die magnetische Schicht 106 zu schalten.
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Das in 1c dargestellte Ausführungsbeispiel der GMR-Struktur 101 unterscheidet sich von der in 1b dargestellten GMR-Struktur dahingehend, dass hier die untere antiferromagnetische Schicht 108 durch eine Kombination eines natürlichen Antiferromagneten 110 und eines synthetischen Antiferromagneten 106, 107, 109 (SAF; SAF = synthetic antiferromagnet) ersetzt wird, die sich auf derselben befindet, umfassend die magnetische Schicht 106, eine ferromagnetische Schicht 107 und eine nicht-magnetische Zwischenschicht 109. Auf diese Weise ist die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 106 festgelegt. Die obere weichmagnetische Schicht 102 dient wieder als eine Messschicht, deren Magnetisierungsrichtung durch ein äußeres Magnetfeld M problemlos rotiert werden kann. Die Kombination aus natürlichem und synthetischem Antiferromagneten kann verglichen mit dem Aufbau gemäß 1b zu größeren Feldern und einer besseren Temperaturstabilität führen.
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Nachfolgend werden sogenannte TMR-Strukturen als weitere Vertreter von xMR-Strukturen erklärt. Das Anwendungsspektrum für TMR-Strukturen ist ähnlich zu GMR-Strukturen. 2 zeigt nun eine typische TMR-Struktur 120. Der Tunnelmagnetowiderstand TMR wird in Tunnelkontakten erhalten, in denen zwei ferromagnetische Elektroden 122, 126 durch eine dünne isolierende Tunnelbarriere 124 entkoppelt sind. Elektronen können durch diese dünne Barriere 124 zwischen den zwei Elektroden 122, 126 tunneln. Der Tunnelmagnetowiderstand basiert auf der Tatsache, dass der Tunnelstrom von der relativen Orientierung der Magnetisierungsrichtung in den ferromagnetischen Elektroden abhängt. Verglichen mit GMR-Strukturen werden TMR-Strukturen häufig in einer sogenannten CIPP-Konfiguration (CPP = current-perpendicular-to-plane = Strom-perpendikulär-zu-Ebene) betrieben, d. h. der angelegte Strom fließt perpendikulär zu der Schichtstruktur oder der oberen Oberfläche des Chips.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele von xMR-Strukturen umfassen somit eine elektrische Charakteristik, die von einem angelegten Magnetfeld abhängt, d. h. der spezifische Widerstand einer xMR-Struktur eines magnetoresistiven Bauelements wird durch ein externes Magnetfeld beeinflusst. xMR-Strukturen können in Form eines Halbleiterchips implementiert sein und können ein externes Magnetfeld in der Chipebene, d. h. in einer Ebene parallel zu einer oberen Oberfläche des Chips, messen. xMR-Sensoren weisen eine Hauptempfindlichkeit in der Chipebene auf, um ein innerhalb dieser Chipebene angelegtes Magnetfeld zu detektieren. Allerdings können Messergebnisse von xMR-Sensoren abhängig von verschiedenen Gründen ungenau sein. Ungenauigkeiten können zum Beispiel aufgrund von Magnetfeldkomponenten perpendikulär zu der Chipebene auftreten. Ein anderes Phänomen von xMR-Sensoren ist, dass xMR-Sensorbrücken auch ein Signal bereitstellen, wenn kein Magnetfeld angelegt ist. Dieses Phänomen hängt einerseits von der Herstellung und der Geometrie des xMR-Sensors ab und ist andererseits auch zufällig, so dass nicht definitiv gewährleistet werden kann, ob die Ausgang-in-Ebene-(z. B. X, Y)Werte tatsächlich gültig sind und ob das Magnetfeld aufgrund einer Störung in der Gesamtanordnung nicht mehr an dem xMR-Sensor angelegt ist.
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Einige Ausführungsbeispiele gehen auf diese und andere Probleme ein durch ein Kombinieren von zumindest einem xMR-Sensorelement mit zumindest einem Hall-Sensorelement. Beide Sensortypen können auf getrennten Halbleitersubstraten oder einem gemeinsamen Halbleitersubstrat mit typischen Halbleiterprozessen integriert sein. Das Hall-Sensorelement kann verwendet werden, um ein Messsignal des xMR-Sensorelements zu verifizieren und zu korrigieren. Das xMR-Sensorelement und das Hall-Sensorelement sind vorzugsweise empfindlich für die gleichen Magnetfeldkomponenten, z. B. Magnetfeldkomponenten innerhalb der Ebene (parallel zu einer oberen Oberfläche der Sensorelemente) oder Magnetfeldkomponenten außerhalb der Ebene (perpendikulär zu der oberen Oberfläche der Sensorelemente). Dabei wird angenommen, dass die oberen Oberflächen des xMR- und Hall-Sensorelements parallel sind (innerhalb typischer Herstellungstoleranzen). Allerdings erkennt der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, dass die hier beschriebenen Grundsätze nicht nur auf Kombinationen von xMR-Sensoren mit Hall-Sensoren anwendbar sind, sondern auch auf Kombinationen von beliebigen Magnetfeldsensoren mit Hall-Sensoren. Anders ausgedrückt, das Hall-Sensorelement kann verwendet werden, um ein Messsignal eines Magnetfeldsensorelements allgemein zu verifizieren und zu korrigieren. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Magnetfeldsensorelement somit auch ein Hall-Sensorelement sein.
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3 zeigt einen Querschnitt eines Magnetfeldsensorbauelements 300 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung.
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Das Magnetfeldsensorbauelement 300, das ein integriertes Sensorbauelement auf Halbleiterbasis sein kann, umfasst ein oder mehrere Magnetfeldsensorelemente 302, die ausgebildet sind zum Erzeugen eines ersten Sensorsignals 304 ansprechend auf ein externes Magnetfeld 306. Das Magnetfeldsensorbauelement 300 umfasst auch ein oder mehrere Hall-Sensorelemente 308, die ausgebildet sind zum Erzeugen von zumindest einem zweiten Sensorsignal 310 ansprechend auf das externe Magnetfeld 306. Das Beispiel stellt ein erstes und ein zweites Hall-Sensorelement 308-1 und 308-2 sowie jeweilige Sensorsignale 310-1 und 310-2 dar. Eine Kompensationslogik oder -prozessor 312, die/der dem Magnetfeldsensorbauelement 300 zugeordnet ist, ist ausgebildet zum Kompensieren von einem von dem ersten Sensorsignal 304 und dem zumindest einen zweiten Sensorsignal 310 unter Verwendung des jeweiligen anderen Sensorsignals. An ihrem Ausgang stellt die Kompensationslogik 312 ein kompensiertes oder korrigiertes Ausgangssignal 314 bereit. Somit kann die Kompensationslogik 312 ausgebildet sein zum Korrigieren des ersten Sensorsignals 304, das das Magnetfeld 306 anzeigt, basierend auf dem zumindest einen zweiten Sensorsignal 310, das das gleiche Magnetfeld 306 anzeigt.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen können das zumindest ein Magnetfeldsensorelement 302, das zumindest eine Hall-Sensorelement 308 und analoge und/oder digitale Schaltungselemente der Kompensationslogik 312 auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert sein, was zu einem Halbleiterchip mit den unterschiedlichen Komponenten führt. Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt allerdings, dass die individuellen Komponenten auch auf jeweiligen unterschiedlichen Chips implementiert sein können. Sie können allerdings zum Beispiel auch in ein gemeinsames Halbleitergehäuse integriert sein.
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Im Allgemeinen kann das Magnetfeldsensorelement 302 auf verschiedenen Technologien zum Erfassen von Magnetfeldern basieren. Somit kann das Magnetfeldsensorelement 302 ein oder mehrere xMR-Sensorelemente bei einigen Beispielen umfassen, z. B. AMR-, GMR- oder TMR-Sensorelemente. Bei anderen Ausführungsbeispielen von Implementierungen kann das Magnetfeldsensorelement 302 abwechselnd oder zusätzlich ein oder mehrere Hall-Sensorelemente umfassen, z. B. vertikale Hall-Sensorelemente.
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Bei dem dargestellten Beispiel von 3 umfasst das zumindest eine Magnetfeldsensorelement 302 ein oder mehrere xMR-Sensorelemente, die in einem vertikalen Stapel von ferromagnetischen und nicht-magnetischen Schichten gebildet sind. Der Schichtstapel kann auf ein Substrat, z. B. ein Halbleitersubstrat, gebildet sein. Das Ausführungsbeispiel des xMR-Sensorelements 302 wird in einer CIP-Konfiguration betrieben, um das erste Sensorsignal 304 zu erzeugen. Somit kann das xMR-Sensorelement 302 zum Beispiel ein GMR-Sensorelement sein. Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt allerdings, dass bei anderen Implementierungen auch eine CPP-(Strom-Perpendikulär-zu-Ebene)Konfiguration, z. B. bezogen auf TMR-Sensorelemente, möglich ist.
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Bei dem dargestellten Beispiel ist das Magnetfeldsensorelement 302 ausgebildet zum Erzeugen des ersten Sensorsignals 304 ansprechend auf das externe Magnetfeld 306, das parallel zu einer oberen Oberfläche 318 des Magnetfeldsensorelements 302 oder eines Halbleiterchips, der das Magnetfeldsensorelement 302 umfasst, ist. Somit ist das Magnetfeldsensorelement 302 empfindlich für und/oder ausgebildet zum Messen von Magnetfeldkomponenten (z. B. X, Y) parallel zu den Schichten des Stapels, die das Magnetfeldsensorelement 302 bilden. Anders ausgedrückt, das Magnetfeldsensorelement 302 kann zum Messen von Magnetfeldkomponenten innerhalb der Ebene verwendet werden.
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Durch ein Einbringen des Magnetfeldsensorelements 302 in einem differentiellen Messaufbau, z. B. eine Wheatstone-Brücke, kann das Magnetfeldsensorelement 302 als ein magnetischer Winkel- oder Positionssensor oder als ein Teil desselben bei einigen Implementierungen verwendet werden.
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Bei einigen Beispielen kann das zumindest eine Hall-Sensorelement 308 als ein vertikales Hall-Sensorelement implementiert sein. Ein vertikaler Hall-Sensor ist ein Magnetfeldsensor, der empfindlich ist für ein Magnetfeld, das sich parallel zu der oberen Oberfläche eines Halbleiterchips erstreckt. Wie alle Hall-Sensoren basiert ein vertikaler Hall-Sensor auf dem Hall-Effekt. Der Hall-Effekt nutzt die Lorentz-Kraft, die bewegliche Ladungen in der Präsenz eines Magnetfelds ablenkt, das perpendikulär zu dem Stromfluss durch den Sensor oder die Hall-Platte ist. Dabei kann eine Hall-Platte ein dünnes Stück Halbleiter oder Metall sein, mit der Länge l, der Breite w (w = width) und der Dicke t (t = thickness). Die Ablenkung verursacht eine Ladungstrennung, die ein elektrisches Hall-Feld verursacht. Dieses elektrische Feld wirkt auf die Ladung in der entgegengesetzten Richtung in Bezug auf die Lorentz-Kraft. Beide Kräfte gleichen einander aus und schaffen eine Potentialdifferenz perpendikulär zu der Richtung des Stromflusses. Die Potentialdifferenz kann als eine Hall-Spannung gemessen werden und variiert in einer linearen Beziehung mit dem Magnetfeld für kleine Werte. Zum Beispiel kann ein vertikaler Hall-Sensor durch eine elektrisch leitfähige Wanne eines ersten Leitfähigkeitstyps (p-Typ oder n-Typ), die in einer elektrisch leitfähigen Region eines zweiten Leitfähigkeitstyps (n-Typ oder p-Typ) eingebettet ist, und eine Anzahl von Kontakten, die einen Kontakt mit der Wanne herstellen, implementiert sein. Die Kontakte können verwendet werden zum Erzeugen eines elektrischen Stroms und zum Abgreifen der Hall-Spannung aufgrund des externen Magnetfeldes 306 parallel zu der oberen Oberfläche 318. 4 stellt schematisch ein Beispiel der Art und Weise dar, auf die eine Hall-Spannung zwischen zwei Kontakten 402 und 404 aufgrund eines lateralen Stromflusses in einem Vertikaler-Hall-Sensor-Aufbau und einem Magnetfeld B parallel zu der Chipoberfläche erzeugt werden kann. Der Einfachheit halber zeigt 3 nur die Kontakte der vertikalen Hall-Sensorelemente 308-1, 308-2 zum Abgreifen der jeweiligen Hall-Spannungen als Sensorsignale 310-1, 310-2. Somit kann das zumindest eine Hall-Sensorelement 308 ein vertikales Hall-Sensorelement sein und kann ausgebildet sein zum Erzeugen des zweiten Sensorsignals 310 ansprechend auf das Magnetfeld 306 parallel zu der oberen Oberfläche des Magnetfeldsensorelements 302 und/oder parallel zu einer oberen Oberfläche des vertikalen Hall-Sensorelements 308.
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Wie nachfolgend deutlich wird, ist das Hall-Sensorelement oder die Hall-Platte 308 vorteilhaft installiert mit einer festgelegten, vordefinierten Orientierung relativ zu einer Referenzrichtung des Magnetfeldsensorelements 302 und ist ausgebildet für einen Stromfluss entlang der vordefinierten Orientierung oder Richtung. Zum Beispiel kann angenommen werden, dass die Länge l des Hall-Sensorelements oder der Hall-Platte 308 sich entlang der vordefinierten Orientierung oder Richtung erstreckt. Die Länge l kann normalerweise größer sein als die Breite w und die Dicke t. Anders ausgedrückt, der Stromfluss (in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes) in dem vertikalen Hall-Sensorelement oder Hall-Platte 308 ist entlang der vordefinierten Orientierung oder Richtung. Somit kann die vordefinierte Orientierung auch als eine gerade Linie definiert sein, die sich durch die Versorgungselektroden des Hall-Sensorelements 308 erstreckt.
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Die Kompensationslogik 312 kann ausgebildet sein zum Anwenden einer Korrektur auf das erste Sensorsignal 304, zumindest wenn das zweite Sensorsignal 310 eine Orientierung des Magnetfeldes 306 parallel oder perpendikulär zu einer Orientierung des Hall-Sensorelements 308 anzeigt und wenn das erste Sensorsignal 304 eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes 306 anzeigt. Dies wird nachfolgend ausführlicher erklärt.
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5a zeigt eine schematische Draufsicht eines magnetischen Winkelsensorbauelements 500 gemäß einem Beispiel.
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Das magnetische Winkelsensorbauelement 500 umfasst ein xMR-Winkelsensorelement 502, das ausgebildet ist zum Erzeugen eines Winkelsensorsignals ansprechend auf ein externes Magnetfeld 506, das auf das magnetische Winkelsensorbauelement 500 oder das xMR-Winkelsensorelement 502 von demselben auftrifft (impinge, hit). Bei dem dargestellten Beispiel umfasst das magnetische Winkelsensorbauelement 500 ferner sechs vertikale Hall-Sensorelemente 508-1 bis 508-6, die in unterschiedlichen jeweiligen Orientierungen in Bezug auf das xMR-Winkelsensorelement 502 oder eine Referenzorientierung 501 installiert sind. Bei dem Beispiel von 5a sind die vertikalen Hall-Sensorelemente 508 über oder unterhalb des xMR-Winkelsensorelements 502 innerhalb des gleichen Chips implementiert. Anders ausgedrückt, die durch das xMR-Winkelsensorelement 502 und die vertikalen Hall-Sensorelemente 508 belegten Chipbereiche können überlappen.
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Ein anderes Beispiel ist in 6a–c gezeigt. Das Beispiel von 6a–c unterscheidet sich von 5a–c dahingehend, dass die vertikalen Hall-Sensorelemente 508 von 6a–c außerhalb des durch das xMR-Winkelsensorelement 502 abgedeckten Bereichs implementiert sind. Anders ausgedrückt, die durch das xMR-Winkelsensorelement 502 und die vertikalen Hall-Sensorelemente 508 belegten Chipbereiche überlappen bei dem Beispiel von 6 nicht.
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In jedem Fall sollte die relative Positionierung zwischen xMR-Winkelsensorelement(en) und vertikalem/vertikalen Hall-Sensorelement(en) gewählt sein, derart, dass beide Sensortypen im Wesentlichen das gleiche (identische) externe Magnetfeld messen.
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Bei den dargestellten Beispielen ist eine erste Hall-Platte oder ein erstes Hall-Sensorelement 508-1 in einem 0° Winkel in Bezug auf die Referenzorientierung 501 installiert und ist ausgebildet zum Erzeugen eines ersten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das (externe) Magnetfeld 506. Eine zweite Hall-Platte oder ein zweites Hall-Sensorelement 508-2 ist in einem 30° Winkel in Bezug auf die Referenzorientierung 501 installiert und ist ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld 506. Eine dritte Hall-Platte oder ein drittes Hall-Sensorelement 508-3 ist in einem 60° Winkel in Bezug auf die Referenzorientierung 501 installiert und ist ausgebildet zum Erzeugen eines dritten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld 506. Eine vierte Hall-Platte oder ein viertes Hall-Sensorelement 508-4 ist in einem 90° Winkel in Bezug auf die Referenzorientierung 501 installiert und ist ausgebildet zum Erzeugen eines vierten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld 506. Eine fünfte Hall-Platte oder ein fünftes Hall-Sensorelement 508-5 ist in einem 120° Winkel in Bezug auf die Referenzorientierung 501 installiert und ist ausgebildet zum Erzeugen eines fünften Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld 506. Eine sechste Hall-Platte oder ein sechstes Hall-Sensorelement 508-6 ist in einem 150° Winkel in Bezug auf die Referenzorientierung 501 installiert und ist ausgebildet zum Erzeugen eines sechsten Hall-Sensorsignals ansprechend auf das Magnetfeld 506. Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt natürlich, dass die Anzahl und die Winkelversätze der Hall-Sensorelemente 508 nur beispielhaft sind und sich von den dargestellten Beispielen von 5 und 6 unterscheiden können.
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Eine Kompensationslogik (nicht gezeigt) kann ausgebildet sein zum Korrigieren des (ungenauen) Winkelsensorsignals des xMR-Winkelsensorelements 502 basierend auf einem oder mehreren der Hall-Sensorsignale der vertikalen Hall-Sensorelemente 508. Die Kompensationslogik kann durch Hardware und/oder Software implementiert sein. Bei einem Beispiel ist die Kompensationslogik durch eine Schaltungsanordnung implementiert, die auf dem gleichen Chip integriert wie das xMR-Winkelsensorelement 502 und die vertikalen Hall-Sensorelemente 508.
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5b stellt eine Situation dar, wo die Richtung des externen Magnetfeldes 506 perpendikulär zu der Orientierung der vertikalen Hall-Platte ist, die in einem 30° Winkel in Bezug auf die Referenzrichtung 501 angeordnet ist. Wenn die externe Magnetfeldrichtung perpendikulär zu einer vertikalen Hall-Platte ist, erfährt die Spannung des jeweiligen Hall-Sensorelements 508 ihre maximale oder minimale Hall-Spannung (VHall = Max/Min). Dies kann dem Chip oder der Logik die definierte Richtung des externen Magnetfeldes 506 anzeigen. Wenn das externe Magnetfeld zum Beispiel die Richtung von 30° aufweist, kann die zugeordnete vertikale Hall-Platte 508-2, die perpendikulär zu 30° orientiert ist, dem Chip oder Prozessor ein maximales Signal anzeigen. Ein Detektieren des Maximums oder Minimums der Hall-Spannung kann durch ein Differenzieren des Sensorsignals (Hall-Spannung) erfolgen. Wenn die Ableitung des Sensorsignals Null vom Positiven zum Negativen kreuzt, kann ein Maximum detektiert werden. Wenn die Ableitung des Sensorsignals Null vom Negativen zum Positiven kreuzt, kann ein Minimum detektiert werden.
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Wenn bei dem Beispielfall von 5b das Winkelsensorsignal des xMR-Winkelsensorelements 502 einen Winkel von 30,3° anzeigt, kann die Chip- oder Kompensationslogik 312 den 0,3°-Winkelfehler aufgrund der maximalen Hall-Spannung an der vertikalen Hall-Platte 508-2 entdecken und den Ausgangswert 314 um –0,3° kompensieren, was zu 30° führt. Unter Verwendung des gleichen Prinzips können Winkelfehler unter Verwendung der verbleibenden Hall-Sensorelemente 508, die 0°, 60°, 90°, 120° und 150° zugeordnet sind, bestimmt werden. Anders ausgedrückt, in jeder Richtung der vertikalen Hall-Elementorientierungen kann der Winkelfehler des Erfassungselements detektiert werden. Durch Bewertung des Maximums und des Minimums ist es lediglich erforderlich, 180° mit Hall-Platten abzudecken.
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Bei Betrachtung der vertikalen Hall-Platte 508-5 sieht man, dass die Richtung des externen Magnetfeldes 506 parallel zu der Orientierung der vertikalen Hall-Platte ist, die in einem 120° Winkel in Bezug auf die Referenzrichtung 501 (oder in einem 30° Winkel in Bezug auf die 0° Richtung) angeordnet ist. Das Gleiche gilt für das in 6b dargestellte Beispiel. Wenn die externe Magnetfeldrichtung parallel zu einer vertikalen Hall-Platte 508 ist, ist die Spannung des Hall-Sensorelements VHall = 0 V. Dies kann dem Chip/der Logik auch die Richtung des externen Magnetfeldes anzeigen. Wenn das externe Magnetfeld 506 zum Beispiel die Richtung von 120° in Bezug auf die Referenzrichtung 501 aufweist, kann die vertikale Hall-Platte 508-5, die auf 120° orientiert ist, dem Chip/der Logik auch ein entsprechendes Signal (VHall = 0 V) anzeigen. Bei einer Paarung von zwei vertikalen Halls ist es lediglich erforderlich, 180° mit Hall-Platten abzudecken. Durch Paaren der vertikalen Hall-Platten kann die zweite Hälfte der 360° durch das Vorzeichen der zweiten vertikalen Hall-Platte detektiert werden. Zum Beispiel können 30° detektiert werden, wenn VHall = Max, 210° können detektiert werden, wenn VHall = Min (siehe 5c, 6c).
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Durch eine (z. B. lineare) Interpolation zwischen den Kalibrierpunkten (0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°), die durch Orientierungen der Hall-Sensorelemente 508 definiert sind, kann eine Kompensationskurve (siehe 7a, b) berechnet werden und kann für die Kompensation des Winkelfehlers über dem gesamten Winkelbereich verwendet werden. Wenn der Winkelfehler bei 0° zum Beispiel mit 0,1° bestimmt worden ist und der Winkelfehler bei 30° 0,3° ist, wäre der interpolierte Winkelfehler bei 15° 0,2°. Wenn der Winkelfehler bei 60° mit 0,4° bestimmt worden ist, wäre der interpolierte Winkelfehler bei 45° 0,35°.
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Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil sieht, erkennt, dass Kalibrierpunkte (Hall-Sensorelemente) 308, 508 die Kompensation von sogar variierenden Messfehlern des Magnetfeldsensorelements 302, 502 erlauben, z. B. aufgrund unterschiedlicher Temperaturen oder aufgrund von Alterung. Wenn der Winkelfehler zum Beispiel an einem bestimmten Winkel (z. B. 0°) mit 0,2° zu einem ersten Zeitmoment bestimmt worden ist und der Winkelfehler an dem gleichen Winkel mit 0,4° zu einem zweiten Zeitmoment bestimmt worden ist, fühlt die Kompensation zu beiden Zeitmomenten zu der korrekten Messung. Somit können Variationen von Messfehlern mit den hier vorgestellten Grundsätzen nachverfolgt werden.
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Der Fachmann, der aus der vorliegenden Offenbarung einen Vorteil zieht, erkennt ferner, dass die in Bezug auf 5 (VHall = Max/Min) und 6 (VHall = 0) beschriebenen, unterschiedlichen Effekte getrennt oder in Kombination verwendet werden können, um das Winkelsensorsignal des xMR-Winkelsensorelements 502 zu korrigieren.
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Zusammenfassend stellt 8 ein grundlegendes Flussdiagramm eines Magnetfelderfassungsverfahrens 800 gemäß einem Beispiel dar.
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Das Verfahren 800 umfasst ein Messen 810 eines Magnetfeldes unter Verwendung eines Magnetfeldsensorelements, das ein xMR-Sensorelement sein kann. Das Verfahren 800 umfasst ferner ein Messen 820 des Magnetfeldes unter Verwendung von zumindest einem (vertikalen) Hall-Sensorelement mit einer vorbestimmten Orientierung in Bezug auf das Magnetfeldsensorelement und ein Korrigieren 830 der Messung des Magnetfeldsensorelements basierend auf der Messung des zumindest einen Hall-Sensorelements. Wie vorher beschrieben, kann die Messung des Magnetfeldsensorelements korrigiert werden, zumindest wenn die Messung des Hall-Sensorelements eine Orientierung des Magnetfeldes parallel oder perpendikulär zu der vorbestimmten Orientierung des Hall-Sensorelements anzeigt und wenn die Messung des Magnetfeldsensorelements eine unterschiedliche Orientierung des Magnetfeldes anzeigt. Eine Mehrzahl von Hall-Sensorelementen mit jeweiligen unterschiedlichen Orientierungen kann verwendet werden.
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Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann eine Genauigkeit des Chiplayouts auf die Winkelgenauigkeit übertragen werden. Ferner kann die Kompensation des Winkelfehlers bei einem Winkelsensorchip in Echtzeit erfolgen. Einige Ausführungsbeispiele verwenden vertikale Hall-Elemente, die eine Anzahl von „Kalibrierpunkten” direkt auf dem Halbleitersubstrat, z. B. Silizium, erzeugen. Jedes vertikale Hall-Element kann in einer spezifischen Richtung orientiert sein. Wenn das externe Magnetfeld auf die Richtung orthogonal zu einem Kalibrierpunkt auftrifft, zeigt es dem Chip ein maximales oder minimales Signal an. Wenn das externe Magnetfeld auf die Richtung parallel zu einem Kalibrierpunkt auftrifft, kann es dem Chip ein Nullsignal anzeigen. Somit kann der Chip/die Logik detektieren, wann die Richtung des externen Magnetfeldes eine perpendikuläre oder parallele Richtung zu dem Kalibrierpunkt aufweist und es mit dem Winkelwert des Erfassungselements vergleichen. Diese Abweichung kann in dem Winkelwert für den Ausgang kompensiert werden. Das Ergebnis ist der Winkelfehler in den Richtungen eines jedes Kalibrierpunktes. Zwischen den Kalibrierpunkten kann der Winkelfehler interpoliert sein und somit kann die Kompensation über den gesamten Winkelbereich des Sensors erfolgen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Kompensation des Winkelfehlers in Echtzeit in dem Winkelsensorchip selbst durch die „Kombination von xMR- und Hall”-Sensorelementen erfolgen. Diese Kompensation ist über unterschiedliche Temperatur- und Lebensdauerdrifts dynamisch effektiv.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung erlauben eine größere Winkelgenauigkeit und weniger Aufwand bei einer Modulanwendung. Benutzer, die normalerweise Nachschlagetabellen (LUT) verwendet, um Teile des Winkelfehlers zu kompensieren, brauchen die Charakteristika des Winkelsensors nicht zu messen und dieselben so in einen Speicher zu übertragen. Zusätzlich können sie bessere Kompensationsergebnisse erreichen, weil die Kalibrierung dynamisch ist und auch Änderungen der Charakteristika aufgrund von Temperatur und Lebensdauer abdeckt. Wenn sie eine LUT zur Kompensation programmieren, können sie immer eine festgelegte Charakteristik kompensieren, selbst wenn sie sich ändert.
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Die Kompensation des Winkelfehlers kann verwendet werden, um die Genauigkeit von xMR-Winkelsensoren durch die Kombination von xMR- und Hall-Sensoren auf Chips mit speziellem Layout und Orientierung der Hall-Platten zu verbessern. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist ein wichtiger Aspekt das Array und die Orientierung der zusätzlichen Hall-Platten, die die Kalibrierpunkte bauen und als Referenzcodierer fungieren.
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Es gibt viele Winkelsensoren auf dem Markt. Die Kompensation mit den speziellen orientierten Hall-Elementen kann in mehreren Winkelsensoren implementiert werden, nicht nur in xMR-basierten Sensoren. Da die Kompensation unabhängig von dem passenden Winkelerfassungselement (und so dem physikalischen Effekt des Sensorelements) ist und nur zusätzlich wirkt, kann sie auch z. B. in einem Hall-Winkelsensor verwendet werden. Dies wäre eine Hall-Hall-Kombination. Somit können die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung in jedem Winkelsensor implementiert werden.
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Die Grundsätze der vorliegenden Offenbarung können auch für speziell orientierte xMR-Sensoren als Kalibrier- oder Referenzsensoren verwendet werden.
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Somit kann ein weiteres magnetisches Winkelsensorbauelement gemäß der vorliegenden Offenbarung ein magnetisches Winkelsensorelement umfassen, das ausgebildet ist zum Erzeugen eines Winkelsensorsignals ansprechend auf ein externes Magnetfeld, das auf das magnetische Winkelsensorelement trifft. Wie vorher erklärt, kann das magnetische Winkelsensorelement grundsätzlich gemäß jeder geeigneten Magnetsensortechnologie implementiert werden, z. B. basierend auf dem Hall-Effekt oder magnetoresistiven Effekten, z. B. GMR, TMR.
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Das magnetische Winkelsensorbauelement kann ferner ein erstes xMR-Sensorelement umfassen, das eine erste festgelegte und definierte magnetische Richtung/Orientierung seiner hartmagnetischen Schicht(en) in Bezug auf das magnetische Winkelsensorelement oder eine Referenzrichtung/Orientierung aufweist und das ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten xMR-Sensorsignals ansprechend auf das externe Magnetfeld. Das magnetische Winkelsensorbauelement kann ferner zumindest einen zweiten xMR-Sensor umfassen, der eine zweite festgelegte und definierte magnetische Orientierung seiner hartmagnetischen Schicht(en) in Bezug auf das magnetische Winkelsensorelement oder die Referenzrichtung/Orientierung aufweist und der ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten xMR-Sensorsignals ansprechend auf das externe Magnetfeld. Die hartmagnetische(n) Schicht(en) kann/können z. B. durch einen Austausch, der sie auf einen Antiferromagneten pinnt (festlegt), hartmagnetisch sein. Die xMR-Sensorelemente können zum Beispiel GMR- oder TMR-Sensorelemente sein.
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Wie zuvor erklärt, kann eine Kompensationslogik oder -prozessor ausgebildet sein zum Korrigieren des Winkelsensorsignals basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten xMR-Sensorsignal. Das erste und das zweite xMR-Sensorsignal können als Referenz- oder Kalibriersignale betrachtet werden.
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Wenn die Richtung des externen Magnetfeldes parallel zu der Orientierung der hartmagnetischen Schicht(en) eines xMR-Sensorelements ist, erfährt das jeweilige xMR-Sensorelement bei einigen Beispielen einen minimalen elektrischen Widerstand. Wenn andererseits die Richtung des externen Magnetfeldes antiparallel zu der Orientierung der hartmagnetischen Schicht(en) des xMR-Sensorelements ist, erfährt das jeweilige xMR-Sensorelement einen maximalen elektrischen Widerstand. Ähnlich zu der oben beschriebenen Situation erfährt das jeweilige xMR-Sensorelement somit sein maximales oder minimales Sensorsignal. Dies kann dem Chip oder der Logik die definierte Richtung des externen Magnetfeldes anzeigen. Wenn das externe Magnetfeld zum Beispiel die Richtung von 30° aufweist, kann ein entsprechendes xMR-Sensorelement mit einer Orientierung seiner hartmagnetischen Schicht(en) von 30° dem Chip oder Prozessor ein maximales Signal anzeigen. Ein Detektieren des Maximums oder Minimums des xMR-Sensorsignals kann zum Beispiel durch ein Differenzieren des Sensorsignals erfolgen. Wenn die Ableitung des Sensorsignals Null vom Positiven zum Negativen kreuzt, kann ein Maximum detektiert werden. Wenn die Ableitung des Sensorsignals Null vom Negativen zum Positiven kreuzt, kann ein Minimum detektiert werden.
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Die Beschreibung und die Zeichnungen stellen nur die Grundsätze der Erfindung dar. Fachleute auf dem Gebiet werden daher in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu erdenken, die, obwohl sie hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Wesens und Rahmens umfasst sind. Weiterhin sollen alle hier aufgeführten Beispiele ausdrücklich nur Lehrzwecken dienen, um den Leser beim Verständnis der Grundsätze der Erfindung und der durch den (die) Erfinder beigetragenen Konzepte zur Weiterentwicklung der Technik zu unterstützen, und sollen als ohne Begrenzung solcher besonders aufgeführten Beispiele und Bedingungen dienend aufgefasst werden. Weiterhin sollen alle hiesigen Aussagen über Grundsätze, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung wie auch besondere Beispiele derselben deren Entsprechungen umfassen.
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Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann – andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
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Es ist weiterhin zu beachten, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Durchführen jeder der jeweiligen Schritte dieser Verfahren implementiert sein können.
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Weiterhin versteht es sich, dass die Offenbarung vielfacher in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden sollten. Durch die Offenbarung von vielfachen Schritten oder Funktionen werden diese daher nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Weiterhin kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte einschließen oder in diese unterteilt werden. Solche Teilschritte können eingeschlossen sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts bilden, sofern sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
