DE102016215040A1

DE102016215040A1 - Diversität in magnetsensoren

Info

Publication number: DE102016215040A1
Application number: DE102016215040.5A
Authority: DE
Inventors: Akos HEGEDUS; Franz Jost; Konrad Kapser; Hansjoerg Kümmel; Harald Witschnig; Juergen Zimmer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2017-03-09
Also published as: US20170059360A1; US20190041237A1; US10113884B2

Abstract

Ein magnetischer Winkelsensor, der eine erste Wheatstone-Brückenschaltung mit mehreren ersten magnetoresistiven Elementen; und eine zweite Wheatstone-Brückenschaltung mit mehreren zweiten magnetoresistiven Elementen aufweist, wobei die mehreren zweiten magnetoresistiven Elemente Diversität in Bezug auf die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente aufweisen.

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Magnetoresistive Sensoren können anisotrope magnetoresistive (AMR), riesenmagnetoresistive (GMR), tunnelmagnetoresistive (TMR) und andere Technologien, die gemeinsam als XMR-Technologien bezeichnet werden, aufweisen. XMR-Sensoren können für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, die unter anderen Magnetfeld- und Stromsensoren, Geschwindigkeitssensoren, Rotationssoren, Winkelsensoren aufweisen.
GMR- und TMR-Sensoren basieren auf magnetoresistiven Elementen, die eine freie Schicht aufweisen, welche ihre Magnetisierung mit einem äußeren Magnetfeld und einer Referenzschicht ausrichtet, die nicht durch das äußere Magnetfeld beeinflusst wird. Die Magnetisierung der freien Schicht dreht sich in Bezug auf die Referenzschicht, was in einer Änderung des Widerstandes der magnetoresistiven Elemente resultiert.
Ein Winkelsensor weist zwei Arten von Vollbrücken auf – eine Sinusbrücke und eine Cosinusbrücke –, die in Bezug aufeinander senkrechte Referenzmagnetisierungen aufweisen. Vom Sinus und Cosinus dieser Brücken kann ein Arcustangens berechnet werden, um einen Winkel des äußeren Magnetfeldes zu erlangen. Ein AMR-Winkelsensor weist aufgrund der 90-Grad-Einzigartigkeit des AMR-Effekts in Bezug auf ein externes In-Plane-Drehfeld eine Winkeleinzigartigkeit von 180 Grad auf und GMR- und TMR-Winkelsensoren weisen eine Winkeleinzigartigkeit von 360 Grad auf. Die GMR- und TMR-Winkelsensoren leiden jedoch speziell bei hohen Magnetfeldern in Kombination mit hohen Temperaturen an Genauigkeitsdrift. AMR-Winkelsensoren werden daher im Gegensatz zu GMR- und TMR-Winkelsensoren generell bei Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen verwendet.
Ein Winkelsensor misst im Gegensatz zu einem Geschwindigkeitssensor nicht die Größe eines äußeren Magnetfeldes. Die Sinus- und Cosinusbrücken eines Winkelsensors geben entsprechend Sinus- und Cosinussignale aus, nur um die Richtung des äußeren Magnetfeldes zu bestimmen. Der Winkelsensor arbeitet im Sättigungszustand; die Magnetisierung der freien Schicht wird gesättigt und folgt dem äußeren Magnetfeld, aber es gibt keine Informationen über die Stärke des äußeren Magnetfeldes. Ein Geschwindigkeitssensor misst die Stärke des Magnetfeldes und den Sinus. Ein Winkelsensor misst die Richtung des äußeren Magnetfeldes und den Sinus und Cosinus.
Es besteht eine Notwendigkeit für einen Winkelsensor mit verbesserter Genauigkeit, speziell für Automobilsicherheitsanwendungen. Um entsprechende Ziele im Sinne von Automotive Safety Integrity Level (ASIL) zu erreichen, müssen unterschiedliche Zielparameter wie Ausfallhäufigkeit (FIT), Fehleraufdeckungsgrad, Einzelpunktfehlermetrik (SPFM), Latentpunktfehlermetrik (LPFM) usw. einen voreingestellten Wert erreichen. Bei Winkelsensoren garantiert ein typisches Sicherheitsziel eine Winkelgenauigkeit innerhalb einer vordefinierten Zeit, wie beispielsweise 5° Abweichung von dem tatsächlichen Winkelwert, der in 5 ms detektiert wurde. Ein Problem, das beim Garantieren der Gültigkeit des erfassten Winkelwerts überwunden werden muss.
Diversität ist ein wichtiges Element, das verwendet wird, um ein hohes Niveau an Funktionssicherheit sicherzustellen. Diversität in diesem Kontext bedeutet, dass Informationen mittels unterschiedlicher Elemente oder Technologien bereitgestellt werden. Diese Offenbarung ist an das Erreichen von Diversität mittels anderer Mittel als das ledigliche Verdoppeln von Sensorelementen gerichtet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1B veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Brücke des magnetischen Winkelsensors von 1A.
1C veranschaulicht eine grafische Darstellung der Wheatstone-Brücken-Ausgangssignale des magnetischen Winkelsensors der 1A und 1B gegenüber dem magnetischen Drehfeld.
1D veranschaulicht eine grafische Darstellung von Ausgangssignalverhältnissen des magnetischen Winkelsensors des Ausführungsbeispiels der 1A und 1B gegenüber dem magnetischen Drehfeld.
Die 2A–2F veranschaulichen schematische Darstellungen von magnetischen Winkelsensoren gemäß anderen Ausführungsbeispielen.
3A veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
3B veranschaulicht eine grafische Darstellung des Offsetfehlers des magnetischen Winkelsensors von 3A.
3C veranschaulicht eine grafische Darstellung des Synchronlauffehlers des magnetischen Winkelsensors von 3A.
3D veranschaulicht eine grafische Darstellung des Orthogonalitätsfehlers des magnetischen Winkelsensors von 3A.
Die 4A–4C veranschaulichen schematische Darstellungen von magnetischen Winkelsensoren gemäß anderen Ausführungsbeispielen.
Die 5A–5B veranschaulichen schematische Darstellungen von magnetischen Winkelsensoren gemäß anderen Ausführungsbeispielen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung ist an einen magnetischen Winkelsensor mit einer ersten Wheatstone-Brückenschaltung, die mehrere erste magnetoresistive Elemente aufweist, und einer zweiten Wheatstone-Brückenschaltung, die mehrere zweite magnetoresistive Elemente aufweist, gerichtet, wobei die mehreren zweiten magnetoresistiven Elemente Diversität in Bezug auf die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente aufweisen. Diese Diversität stellt eine verbesserte Winkelgenauigkeit bereit, die speziell bei Automobilsicherheitsanwendungen wichtig ist.
1A veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 100A gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der magnetische Winkelsensor 100A erreicht Diversität durch unterschiedliche Layouts des magnetoresistiven Elements und insbesondere unterschiedliche Wheatstone-Brückenschaltungen, die magnetoresistive Elemente mit unterschiedlichen Mäanderstreifenbreiten aufweisen.
Von einer Perspektive der Funktionssicherheit gesehen ist es wichtig, sicherzustellen, dass es eine minimale magnetische Feldstärke gibt, um eine spezifizierte Winkelgenauigkeit zu garantieren. Da magnetische Winkelsensoren generell in einem magnetischen Sättigungszustand arbeiten, ist die magnetische Feldstärke nicht direkt messbar.
Die magnetoresistiven Elemente der Wheatstone-Brückenschaltungen von Winkelsensoren weisen mäanderartige Streifen mit einer bestimmten Breite auf. Gewöhnlich liegt die Streifenbreite beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 40 μm, um die Formanisotropie für einen Winkelsensor mit hoher Genauigkeit zu minimieren. Ein dünner und langer Streifen weist eine höhere Formanisotropie auf. Eine höhere Formanisotropie verhindert, dass die freie Magnetschicht mit dem äußeren Magnetfeld gut ausgerichtet ist. Je niedriger die Formanisotropie, desto niedriger der Winkelfehler.
Dieses Ausführungsbeispiel implementiert abgesehen von Wheatstone-Cosinusbrücken und -Sinusbrücken mit hoher Genauigkeit eine zusätzliche Wheatstone-Brücke mit magnetoresistiven Elementen, die eine durch schmalere Mäanderstreifenbreiten realisierte höhere magnetische Anisotropie aufweisen. Für geringere Feldstärken ist die Magnetisierung der freien Schicht in den engen Strukturen mit dem äußeren Magnetfeld aufgrund der hohen innewohnenden Anisotropie weniger gut ausgerichtet, aber der Signalausgang ist verglichen mit einem Ausgangssignal der Brücken mit hoher Genauigkeit reduziert, bei denen die freie Schicht-Magnetisierung dem äußeren Magnetfeld enger folgt, was selbst für geringere Feldstärken in einem hohen Ausgangssignal resultiert.
Für den Rest dieser Beschreibung wird angenommen, dass erste und zweite Wheatstone-Brücken (mit hoher Genauigkeit) Sinus- und Cosinussignale mit hoher Genauigkeit bereitstellen, und eine zusätzliche Wheatstone-Brücke eine geringere Genauigkeit, die daher eine höhere Formanisotropie aufweist. Die höhere Formanisotropie kann vorzugsweise unter Verwendung einer schmaleren Mäanderstreifenbreite oder von Streifen implementiert werden. Es versteht sich jedoch, dass die ersten und zweiten Wheatstone-Brücken abhängig von Bedingungen auch eine geringere Genauigkeit aufweisen können als die weitere Wheatstone-Brücke. Das heißt, dass die erste und zweite Wheatstone-Brücke eine höhere Formanisotropie aufweisen würden als die weitere Wheatstone-Brücke. Die höhere Formanisotropie kann wiederum unter Verwendung einer schmaleren Mäanderstreifenbreite als für die weitere Wheatstone-Brücke implementiert werden.
Der magnetische Winkelsensor 100A weist eine erste Wheatstone-Brücke 110, eine zweite Wheatstone-Brücke 120 und eine dritte Wheatstone-Brücke 130 auf. Eine Wheatstone-Brücke ist eine elektrische Schaltung, die verwendet wird, um einen unbekannten elektrischen Widerstand durch Abgleichen von zwei Zweigen einer Brückenschaltung zu messen, deren einer Zweig eine unbekannte Komponente aufweist. Die Betriebsweise einer Wheatstone-Brücke ist weithin bekannt und wird der Kürze halber hier nicht beschrieben.
Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 110 ist eine Cosinusbrückenschaltung und weist mehrere erste magnetoresistive Elemente R₁, R₂, R₃, R₄ auf. Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 110 ist zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse GND gekoppelt und konfiguriert, das Signal V_COS auszugeben.
Die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 120 ist eine Sinusbrückenschaltung und weist mehrere zweite magnetoresistive Elemente R₅, R₆, R₇, R₈ auf. Die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 120 ist zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse GND gekoppelt und konfiguriert, das Signal V_SIN auszugeben.
Die dritte Wheatstone-Brückenschaltung 130 kann entweder eine Cosinusbrückenschaltung oder alternativ eine Sinusbrückenschaltung sein und weist mehrere dritte magnetoresistive Elemente R₉, R₁₀, R₁₁, R₁₂ auf. Die dritte Wheatstone-Brückenschaltung 130 ist zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse GND gekoppelt und konfiguriert, das Signal V_SIN/COS auszugeben. Die mehreren dritten magnetoresistiven Elemente R₉, R₁₀, R₁₁, R₁₂ der dritten Wheatstone-Brückenschaltung weisen Diversität in Bezug auf die ersten magnetoresistiven Elemente R₁, R₂, R₃, R₄ auf und in Bezug auf die zweiten magnetoresistiven Elemente R₅, R₆, R₇, R₈, indem sie eine höhere magnetische Anisotropie aufweisen.
1B veranschaulicht eine schematische Darstellung einer Wheatstone-Brücke 100B mit vier magnetoresistiven Elementen des magnetischen Winkelsensors von 1A. Die Wheatstone-Brücke 100B kann irgendeine von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung 110, zweiten Wheatstone-Brückenschaltung 120 und der dritten Wheatstone-Brückenschaltung 130 sein. Bei einer Ausführungsform weist jede von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung 110 und der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung 120 magnetoresistive Elemente (entsprechend R₁, R₂, R₃, R₄ und R₅, R₆, R₇, R₈) mit Mäanderstreifen mit einer Breite von ca. 10 μm auf und die zusätzliche dritte Wheatstone-Brücke 130 mit erhöhter Formanisotropie weist magnetoresistive Elemente R₉, R₁₀, R₁₁, R₁₂ mit Mäanderstreifen auf, die eine Breite von geringer als ca. 3 μm aufweisen. Bei einer alternativen Ausführungsform weist die zusätzliche dritte Wheatstone-Brückenschaltung 130 magnetoresistive Elemente R₉, R₁₀, R₁₁, R₁₂ mit Mäanderstreifen auf, die eine Breite von geringer als ca. 1 μm aufweisen.
1C veranschaulicht eine grafische Darstellung 100C von Wheatstone-Brücken-Ausgangssignalen des magnetischen Winkelsensors der 1A und 1B gegenüber einem externen Magnetfeld. Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 110 und die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 120, die magnetoresistive Elemente mit ca. 10 μm breiten Mäanderstreifen aufweist, weisen bei 5 mT an magnetischer Feldstärke mehr als 95% des möglichen Ausgangssignals V_COS, V_SIN auf. An diesem Punkt von 5 mT befinden sich die erste und zweite Wheatstone-Brückenschaltung 110, 120 im Sättigungszustand und folgen dem äußeren Magnetfeld genauer. Andererseits zeigt die dritte Wheatstone-Brücke 130, die magnetoresistive Elemente mit Mäanderstreifen von ca. 1 μm Breite aufweist, einen langsameren Anstieg im Ausgangssignal V_COS/SIN in Bezug auf die magnetische Feldstärke. Mehr als 95% der möglichen Amplitude des Ausgangssignals wird bis zu einer magnetischen Feldstärke, die höher ist als 30 mT, nicht erreicht. Bei dem Mäanderstreifen mit geringerer Breite ist die Ausgangssignalhöhe oder Empfindlichkeit des Winkelsensors bei niedrigeren Pegeln verringert, wobei der Anstieg in der Höhe oder Empfindlichkeit zu höheren Magnetfeldern für magnetoresistive Elemente verschoben ist, die Mäanderstreifenbreiten von 3 μm aufweisen. Bei 5 mT ist, verglichen mit den magnetoresistiven Elementen, die Mäanderstreifenbreiten von 10 μm aufweisen, 5 bis 10% weniger Signal vorhanden, aber das Ausgangssignal steigt an, wenn das magnetische Drehfeld ansteigt.
1D veranschaulicht eine grafische Darstellung 100D von Verhältnissen der Ausgangssignale des magnetischen Winkelsensors des Ausführungsbeispiels der 1A und 1B gegenüber dem magnetischen Drehfeld.
Damit die ersten und zweiten Wheatstone-Brücken 110, 120 einen Winkel genau messen, müssen diese Brücken in Sättigung sein. Es könnte sein, dass der Magnet weiter entfernt positioniert ist als gedacht und daher die magnetische Feldstärke niedriger ist als erwartet. Wenn sich die Brücken in der Nähe des Sättigungszustands befinden, aber nicht ganz darin, könnte der Winkelfehler signifikant sein.
Der Sättigungszustand der ersten und zweiten Wheatstone-Brücke 110, 120 kann basierend auf der Stärke des äußeren Magnetfeldes bestätigt werden. Die Stärke des äußeren Magnetfeldes ist nicht direkt messbar. Die Stärke kann jedoch basierend auf einem Verhältnis des Ausgangssignals der dritten Wheatstone-Brückenschaltung mit niedriger Genauigkeit 130 zum Ausgangssignal von einer der ersten oder zweiten Wheatstone-Brückenschaltung mit höherer Genauigkeit 110, 120 geschätzt werden. Bei Winkelsensoren wird normalerweise nur die Richtung des äußeren Magnetfeldes detektiert und es gibt keine Informationen über dessen Stärke. Dieses Verhältnis stellt Informationen über die magnetische Feldstärke bereit und erhöht dadurch die Funktionalisierung.
Unter Bezugnahme auf die grafische Darstellung 100D wird bestimmt, dass es eine minimale magnetische Feldstärke gibt, die erforderlich ist, um eine hohe Genauigkeit der Winkelmessung sicherzustellen, wenn das Verhältnis kleiner als ein voreingestellter Wert ist. Wenn die dritte Wheatstone-Brücke 130 Mäanderstreifenbreiten von 3 μm aufweist, ist ein äußeres Magnetfeld von ca. 10 mT ausreichend, um mehr als 95% des Ausgangssignals zu erreichen. In diesem Fall ist das Verhältnis des Ausgangssignals verglichen mit einem Fall, bei dem die dritte Wheatstone-Brücke 130 Mäanderstreifenbreiten von ungefähr 1 μm aufweist, kleiner als ein vorbestimmter Grenzwert für kleinere Magnetfelder. Durch Anpassen der Mäanderstreifenbreite, d. h., durch Anpassen der magnetischen Formanisotropie der dritten Wheatstone-Brücke 130, kann das für eine ausreichend hohe Genauigkeit der Winkelmessung erforderliche minimale äußere Magnetfeld zu einem niedrigeren Magnetfeldwert verschoben werden.
Die 2A–2F veranschaulichen schematische Darstellungen von magnetischen Winkelsensoren 200A–200F gemäß anderen Ausführungsbeispielen. Die magnetischen Winkelsensoren 200A–200F erreichen Diversität unter Verwendung von Stapeln und/oder unter Verwendung von magnetischen Winkelsensoren, die unterschiedliche Sensortechniken (z. B. AMR, TMR oder GMR) aufweisen.
Die 2A–2B veranschaulichen Ausführungsbeispiele von vertikalen Chipstapeln von Sensorchips innerhalb eines Paketes, um die seitliche Größe zu reduzieren und ein ähnliches Magnetfeld für beide Sensorchips bereitzustellen. Die Sensorchips können entweder auf der gleichen oder auf unterschiedlichen Sensortechniken (z. B. AMR, TMR oder GMR) basieren.
2A veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 200A, der einen ersten Winkelsensorchip 210A und einen zweiten Winkelsensorchip 220A aufweist. Der zweite Winkelsensorchip 220A ist vertikal auf dem ersten Winkelsensorchip 210A innerhalb eines gleichen Pakets gestapelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Winkelsensorchip 210A und der zweite Winkelsensorchip 220A durch Drahtbonden 230A gekoppelt.
2B veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 200B, der einen ersten Winkelsensorchip 210B und einen zweiten Winkelsensorchip 220B aufweist. Wie der magnetische Winkelsensor 200A von 2A weist der magnetische Winkelsensor 220B den zweiten Winkelsensorchip 220B auf, der vertikal auf dem ersten Winkelsensorchip 210B innerhalb eines gleichen Pakets gestapelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste Winkelsensorchip 210B und der zweite Winkelsensorchip 220B jedoch unter Verwendung eines Flip-Chip-Verfahrens durch Metallkugeln 230B gekoppelt.
Die 2C–2F veranschaulichen Ausführungsbeispiele von magnetischen Winkelsensoren, die auf unterschiedlichen Sensortechnologien (z. B. GMR, TMR oder AMR) basieren. Außerdem unterscheiden sich die magnetischen Winkelsensoren 200C–200F von den magnetischen Winkelsensoren 200A und 200B der 2A–2B darin, dass sie monolithisch gestapelt sind, d. h., auf dem gleichen Substrat und durch eine isolierende Dielektrikumschicht getrennt, anstatt dass die Sensoren Chip auf Chip gestapelt sind. Die GMR/TMR-Technologien bieten volle 360°-Einzigartigkeit, wohingegen die AMR-Technologie keine magnetisch induzierte Lebensdauerdrift zeigt. Daher können Signale, die auf vielfältigen Technologien basieren, verwendet werden, um die Genauigkeit des Sensorausgangssignals zu verbessern.
2C veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 200C, der den GMR/TMR-Sensorstapel 210C und den GMR/TMR-Sensorstapel 220C aufweist. Der zweite Winkelsensorstapel 220C ist auf dem ersten Winkelsensorstapel 210C monolithisch gestapelt. Es befindet sich eine isolierende Dielektrikumschicht 240C zwischen dem ersten Winkelsensorstapel 210C und dem zweiten Winkelsensorstapel 220C.
Der erste Winkelsensorstapel 210C weist eine untere Elektrode 212C und eine obere Elektrode 216C auf, die durch eine nichtmagnetische Schicht 214C getrennt sind. Der erste Winkelsensorstapel 210C ist an seiner unteren Elektrode 212C durch die Anschlüsse 218C-1 und 218C-2 elektrisch kontaktiert.
Ähnlich weist der zweite Winkelsensorstapel 220C eine untere Elektrode 222C und eine obere Elektrode 226C auf, die durch eine isolierende Dielektrikumschicht 224C getrennt sind. Der zweite Winkelsensorstapel 220C ist an seiner oberen Elektrode 226C durch die Anschlüsse 228C-1 und 228C-2 elektrisch kontaktiert.
Der erste Winkelsensorstapel 210C und der zweite Winkelsensorstapel 220C basieren auf unterschiedlichen Sensortechniken. Insbesondere basiert der erste Winkelsensorstapel 210C auf einer von GMR- und TMR-Technologie und der zweite Winkelsensorstapel 220C basiert auf der anderen der GMR- und TMR-Technologien. Die GMR- und TMR-Sensorstapel sind sich ähnlich mit einer unteren Elektrode, einer oberen Elektrode und einer nichtmagnetischen Schicht dazwischen. Im Fall von einem TMR-Sensorstapel gibt es jedoch eine Tunnelungssperrschicht, die beispielsweise aus Magnesiumoxid besteht, und bei GMR gibt es eine nichtmagnetische leitende Schicht, die beispielsweise aus Kupfer besteht.
Jeder von dem ersten und zweiten Winkelsensorstapel 210C, 220C arbeitet in einer Current-in-Plane(CIP)-Konfiguration mittels der entsprechenden Anschlüsse. (Die CIP-Konfiguration ist bekannt und wird der Kürze halber hier nicht beschrieben). Gewöhnlich werden der erste und zweite Winkelsensorstapel 210C, 220C jeweils mit zwei Anschlussverbindungen betrieben: der erste Winkelsensorstapel 210C ist mit einer ersten elektrischen Spannung am ersten Anschluss 218C-1 und mit einer zweiten elektrischen Spannung am zweiten Anschluss 218C-2 verbunden. Der zweite Winkelsensorstapel 220C ist mit einer weiteren ersten elektrischen Spannung am ersten Anschluss 228C-1 und mit einer weiteren zweiten elektrischen Spannung am zweiten Anschluss 228C-2 verbunden. Dieses Kontaktierungsschema führt zu einer Potenzialverteilung innerhalb jedes Winkelsensorstapels, um einen Stromfluss zwischen dem ersten und zweiten Anschluss in der Ebene des Sensorstapels (d. h., Current-in-Plane, CIP) bereitzustellen.
2D veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 200D, der einen GMR/TMR-Sensorstapel 210D und einen AMR-Sensorstapel 220D aufweist. Der AMR-Sensorstapel 220D ist auf dem GMR/TMR-Sensorstapel 210C monolithisch gestapelt. Es befindet sich eine isolierende Dielektrikumschicht 240D zwischen dem ersten Winkelsensorstapel 210DC und dem zweiten Winkelsensorstapel 220D.
Der erste Winkelsensorstapel 210D weist eine untere Elektrode 212D und eine obere Elektrode 216D auf, die durch eine nichtmagnetische Schicht 214D getrennt sind. Der erste Winkelsensorstapel 210D ist an seiner unteren Elektrode 212D durch die Anschlüsse 218D-1 und 218D-2 elektrisch kontaktiert.
Der zweite Winkelsensorstapel 220D weist eine Magnetschicht 226D auf, die beispielsweise aus Nickeleisen besteht. Der zweite Winkelsensorstapel 220D ist an seiner oberen Elektrode 226D durch die Anschlüsse 228D-1 und 228D-2 elektrisch kontaktiert.
Der erste Winkelsensorstapel 210D und der zweite Winkelsensorstapel 220D basieren auf unterschiedlichen Sensortechniken. Insbesondere basiert der erste Winkelsensorstapel 210D entweder auf einer GMR-Technologie oder einer TMR-Technologie und der zweite Winkelsensorstapel 220D basiert auf einer AMR-Technologie. Jeder von dem ersten und zweiten Winkelsensorstapel 210D, 220D arbeitet mittels der entsprechenden Anschlüsse in CIP-Konfiguration. Obwohl ein TMR-Stapel gewöhnlich mit oberen Anschlüssen und einer unteren Elektrode betrieben wird, um einen Strom senkrecht zur Sensorstapelebene (CPP-Konfiguration) zu ermöglichen, weist auch in der hier bereitgestellten vorgeschlagenen CIP-Konfiguration ein bestimmtes Verhältnis des Stroms eine zur Ebene senkrechte Komponente auf. Daher ist ein CIP-TMR-Effekt messbar, der im Bereich von ca. 50% der CPP-Konfiguration liegen kann. Die Menge an Strom senkrecht zur Ebene in der CIP-Konfiguration hängt vom Widerstandsverhältnis der oberen Elektrode 216D und unteren Elektrode 212D und dem Seitenabstand zwischen dem ersten Anschluss 218D-1 und dem zweiten Anschluss 218D-2 ab. Im Sensor 210D fließt der Strom vom Anschluss 218D-1 zum Anschluss 218D-2 und im Sensor 220D vom Anschluss 228D-1 zum Anschluss 228D-2.
2E veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 200E, der einen GMR/TMR-Sensorstapel 210C und einen TMR-Sensorstapel 220E aufweist. Es befindet sich eine isolierende Dielektrikumschicht 240E zwischen dem ersten Winkelsensorstapel 210E und dem zweiten Winkelsensorstapel 220E. Der zweite Winkelsensorstapel 220E ist auf dem ersten Winkelsensorstapel 210E monolithisch gestapelt.
Der erste Winkelsensorstapel 210E basiert entweder auf einer GMR-Technologie oder einer TMR-Technologie und arbeitet in CIP-Konfiguration. Der zweite Winkelsensorstapel 220E basiert auf einer TMR-Technologie und arbeitet in einer Current-Perpendicular-to-Plane(CPP)-Konfiguration. (Die CPP-Konfiguration ist bekannt und wird der Kürze halber hier nicht beschrieben.) Wie vorstehend beschrieben, weist die CPP-Konfiguration eines TMR-Sensors das volle maximale Signalverhältnis auf.
Der erste Winkelsensorstapel 210E weist eine untere Elektrode 212E und eine obere Elektrode 216E auf, die durch eine nichtmagnetische Schicht 214E getrennt sind. Der erste Winkelsensorstapel 210E ist an seiner unteren Elektrode 212E durch die Anschlüsse 218E-1 und 218E-2 elektrisch kontaktiert.
Der zweite Winkelsensorstapel 220E weist eine untere Elektrode 222E und eine obere Elektrode 226E auf, die durch eine nichtmagnetische later-Schicht 224E getrennt sind. Der zweite Winkelsensorstapel 220E ist an seiner unteren Elektrode durch den Anschluss 228E-2 und an seiner oberen Elektrode 228E-1 elektrisch kontaktiert.
Der erste Winkelsensorstapel 210E und der zweite Winkelsensorstapel 220E können auf unterschiedlichen Sensortechniken basieren. Insbesondere basiert der erste Winkelsensorstapel 210E entweder auf einer GMR-Technologie oder einer TMR-Technologie, die in CIP-Konfiguration betrieben wird, und der zweite Winkelsensorstapel 220E basiert auf einer TMR-Technologie, die in CPP-Konfiguration betrieben wird.
Der erste Winkelsensorstapel 210E arbeitet in CIP-Konfiguration. Strom wird vom Anschluss 218E-1 eingespeist, fließt lateral durch den Sensorstapel und fließt dann nach unten zum anderen Anschluss 218E-2. Wenn ein TMR-Sensorstapel verwendet wird, tunnelt ein Abschnitt des Stroms über die nichtmagnetische Tunnelungsschicht 214E und fließt dann in der oberen Elektrode 216E und tunnelt über die nichtmagnetische Tunnelungsschicht 214E zum anderen Anschluss 218E-2 zurück. Daher fließt ein gewisser Strom in der oberen Elektrode 216E und ein gewisser Strom in der unteren Elektrode 212E, sodass es ein Kurzschließen in der oberen Elektrode 216E und der unteren Elektrode 212E gibt. Als Resultat ist der TMR-Effekt in der CIP-Konfiguration niedriger als für die CPP-Konfiguration des oberen Sensorstapels 220E.
Der zweite Winkelsensorstapel 220E weist eine Kontaktregion für die obere Elektrode 226E und eine zweite Kontaktregion für die untere Elektrode 222E auf, um einen Betrieb in einer CPP-Konfiguration, d. h., senkrecht zur nichtmagnetischen Tunnelungsschicht 224E durch die entsprechenden Anschlüsse 228E-1 und 228E-2 zu ermöglichen. Insbesondere fließt der Strom vom Anschluss 228E-2 zur unteren Elektrode 222E, die verglichen mit dem Tunneleffektwiderstand niederohmig ist, und dann tunnelt der gesamte Strom durch die nichtmagnetische Schicht 224E und zum Anschluss 228E-1. Als Resultat ist das volle maximale TMR-Signalverhältnis messbar.
2F veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen TMR-Winkelsensors 200F gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Der magnetische TMR-Winkelsensor 200F kann in CPP-Konfiguration zugunsten eines TMR-Effekts oder alternativ in CIP-Konfiguration zugunsten eines AMR-Effekts betrieben werden, wie es nachfolgend im Detail beschrieben wird.
Der Magnetsensorstapel 210F ist ein TMR-Sensorstapel, der eine untere Elektrode 212F, eine obere Elektrode 216F und eine nichtmagnetische Schicht 214F, die sich dazwischen befindet, aufweist. Die obere Elektrode 216F ist eine freie Schicht, die sowohl einen TMR-Effekt als auch einen AMR-Effekt aufweist. Die obere Elektrode 216F kann beispielsweise aus Nickeleisen bestehen und eine Dicke von beispielsweise größer als 10 oder 20 nm aufweisen. Die Anschlüsse 228F-1 und 228F-2 sind mit der oberen Elektrode 216F gekoppelt. Die Anschlüsse 218F-1 und 218F-2 sind mit der unteren Elektrode 212F gekoppelt.
Der magnetische Winkelsensor 200F kann konfiguriert sein, mit einem AMR-Effekt zu arbeiten. Dies wird unter Verwendung von nur den Anschlüssen 228F-1 und 228F-2, die elektrisch mit der oberen Elektrode 216F gekoppelt sind, in einer CIP-Konfiguration arbeitend erreicht. Der AMR-Effekt ist ein Volumeneffekt, bei dem der Widerstand der oberen Elektrode 216F von der Ausrichtung zwischen Stromrichtung und interner Magnetisierung abhängt und der Winkel zwischen den Strom- und Magnetisierungsrichtungen den Widerstand moduliert. Wenn der Seitenabstand des ersten Anschlusses 228F-1 und des zweiten Anschlusses 228F-2 in der Art und Weise angepasst wird, dass der Widerstand zwischen dem ersten und zweiten Anschluss viel niedriger ist als der Widerstand des zweiten zur Sensorebene senkrechten Strompfads, dann ist der CIP-TMR-Effekt vernachlässigbar, was hauptsächlich in einem AMR-Effekt-basierten Signalverhältnis resultiert, wenn der erste Anschluss 228F-1 und der zweite Anschluss 228F-2 mit einer ersten und zweiten Spannung verbunden sind.
Alternativ kann der Sensor 200F konfiguriert sein, mit einem TMR-Effekt zu arbeiten. Dies wird durch Koppeln der Anschlüsse 228F-1 und 228F-2, die mit der oberen Elektrode 216F gekoppelt sind, welche mit einer ersten Versorgungsspannung (nicht gezeigt) kurzzuschließen sind, und Koppeln der Anschlüsse 218F-1 und 218F-2, die mit der unteren Elektrode 212F gekoppelt sind, welche mit einer zweiten Spannung (nicht gezeigt) kurzzuschließen sind, erreicht. Indem die oberen Anschlüsse 228F-1, 228F-2 durch einen vorbestimmten Abstand getrennt werden, ist nur der CIP-AMR-Effekt ohne den TMR-Effekt sichtbar. Der vorbestimmte Abstand zwischen den oberen Anschlüssen 228F-1 und 228F-2 sollte derart sein, dass die Menge an Stromfluss über die nichtmagnetische Tunnelungssperrschicht 214F wie vorstehend beschrieben minimiert wird. Einflussgrößen dieser Menge an Stromfluss sind die Flächenwiderstände der unteren Elektrode 212F und/oder der oberen Elektrode 216F sowie des spezifischen Tunnelungssperrschichtwiderstands. Alternativ kann der Seitenabstand vom ersten Anschluss 218F-1 und 218F-2 derart angepasst werden, dass ein CIP-TMR-Effekt maximiert wird, um ein TMR-Effekt-Sensorelement zu ermöglichen.
Der magnetische Winkelsensor 200F zeigt einen Winkelsensorstapel 210F als ein Beispiel, es können aber zwei oder mehr Winkelsensorstapel 210F monolithisch gestapelt sein. Die Winkelsensorstapel 210F weisen eine gleiche Struktur wie gezeigt auf, sie können aber unterschiedlich betrieben werden, sodass sie entweder einen TMR-Effekt oder einen AMR-Effekt aufweisen. Unterschiedliche Wheatstone-Brücken, welche die Winkelsensorstapel 210F aufweisen, sind konfiguriert, unterschiedlich zu arbeiten (TMR- oder AMR-Effekt) und erreichen dadurch Diversität.
3A veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 300A gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Der magnetische Winkelsensor 300A erreicht Diversität durch eine Kombination von unterschiedlichen Ausgangssignalen für Wheatstone-Brückenschaltungen.
Der magnetische Winkelsensor 300A weist eine erste Wheatstone-Brückenschaltung 310, eine zweite Wheatstone-Brückenschaltung 320 und eine dritte Wheatstone-Brückenschaltung 330 auf. Jede der Wheatstone-Brückenschaltungen besteht aus XMR-Elementen, d. h., entweder AMR-, GMR- oder TMR-Elementen.
Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 310 ist eine Cosinusbrückenschaltung und weist mehrere erste magnetoresistive Elemente R₁, R₂, R₃, R₄ auf. Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 310 ist zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse GND gekoppelt und konfiguriert, das Signal V_COS auszugeben.
Die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 320 ist eine Sinusbrückenschaltung und weist mehrere zweite magnetoresistive Elemente R₅, R₆, R₇, R₈ auf. Die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 320 ist zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse GND gekoppelt und konfiguriert, das Signal V_SIN auszugeben.
Bekannte Winkelsensoren weisen typischerweise die erste Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 310 und die zweite Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 320 auf, die entgegen dem Uhrzeigersinn ein Viertel einer Periode (d. h., 90° für GMR und TMR und 45° für AMR) relativ zur Cosinusbrückenschaltung 310 bezüglich der Referenzrichtungen der magnetoresistiven Elemente gedreht ist. Ein Winkel θ des äußeren Magnetfeldes kann durch einen Mikroprozessor basierend auf den Ausgangssignalen der Cosinusbrückenschaltung 310 und der Sinusbrückenschaltung 320 bestimmt werden. Insbesondere wird der Winkel des äußeren Magnetfeldes θ durch Anwenden der Arkustangensfunktion auf ein Verhältnis der Sinus- und Cosinusausgangssignale, typischerweise durch einen Mikroprozessor, gemäß der folgenden Gleichung erlangt: Φ = tan^–1(V_SIN/V_COS), (Gleichung 1) wobei Φ = 2θ(AMR) oder Φ = θ(GMR, TMR).
Die 3B–3D veranschaulichen grafische Darstellungen 300B–300D von möglichen Fehlern des magnetischen Winkelsensors, die in einem Winkelfehler resultieren könnten. Wenn ein Fehler in irgendeiner der Cosinusbrückenschaltung 310 und der Sinusbrückenschaltung 320 auftritt, wird die Winkelmessung θ des äußeren Magnetfeldes beeinflusst. Diese möglichen Fehler des magnetischen Winkelsensors umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Offset- (3B), Synchronlauf- (3C), Orthogonalitäts- (3D) und elektrische Fehler wie beispielsweise eine Brückenschaltung mit einem offenen Stromkreis oder einem Kurzschluss.
Die grafischen Darstellungen 300B, 300C, 300D zeigen das Cosinusbrückenschaltungsausgangssignal auf der X-Achse und das Sinusbrückenschaltungsausgangssignal auf der Y-Achse. Ein am Ursprung zentrierter Kreis zeigt an, dass die Cosinusbrückenschaltung 310 und die Sinusbrückenschaltung 310 korrekt funktionieren. Eine Ellipse anstatt eines Kreises oder ein Offset vom Ursprung kann anzeigen, dass mindestens eine von der Cosinusbrückenschaltung 310 und der Sinusbrückenschaltung 320 versagt.
3B veranschaulicht die grafische Darstellung 300B eines Offsetfehlers, der durch ungleiche magnetoresistive Element-Drifts verursacht sein kann, und in einem Spannungsoffset resultiert. Der durchgehende Kreis zeigt an, dass die Cosinus- und die Sinusbrückenschaltung 310, 320 korrekt funktionieren. Der gestrichelte Kreis ist in der positiven Y-Richtung versetzt und der strichpunktierte Kreis ist in einer negativen Y-Richtung versetzt, was in jedem Fall anzeigen kann, dass die Sinusbrückenschaltung 320 versagt. Wenn die Cosinusbrückenschaltung 310 versagen würde, würde der Kreis in entweder der positiven oder negativen X-Richtung versetzt sein.
3C veranschaulicht die grafische Darstellung 300C eines Synchronlauffehlers, der durch ungleiche magnetoresistive Effekt-Drifts in den Brückenschaltungen verursacht sein kann und in einer Abänderung von Ausgangssignalamplituden resultiert. Der durchgehende Kreis zeigt an, dass die Cosinus- und die Sinusbrückenschaltung 310, 320 korrekt funktionieren. Die gestrichelte Ellipse mit der verlängerten Achse in der X-Richtung und die strichpunktierte Ellipse mit der verkürzten Achse in der X-Richtung können anzeigen, dass die Cosinusbrückenschaltung 310 versagt. Wenn die Sinusbrückenschaltung 320 versagt würde, würde die Achse in der Y-Richtung verlängert oder verkürzt sein.
3D veranschaulicht die grafische Darstellung 300D eines Orthogonalitätsfehlers, der durch eine Drift der Ausrichtung einer Referenzschicht im Fall von GMR- oder TMR-Elementen verursacht sein kann. Wenn die Drift für die Cosinus- und Sinusbrückenschaltung in einer ungleichen Weise auftritt, ergibt sich eine Phasenfehlerdifferenz. Der durchgehende Kreis zeigt an, dass die Cosinus- und die Sinusbrückenschaltung 310, 320 korrekt funktionieren. Die gestrichelte Ellipse mit der längeren Achse, die von oben rechts nach unten links verläuft, und die strichpunktierte Ellipse mit der längeren Achse, die von oben links nach unten rechts verläuft, können anzeigen, dass eine von den Cosinus- und Sinusbrückenschaltungen 310, 320 versagt, obwohl es keinen Hinweis darauf gibt, welche dieser Brückenschaltungen 310, 320 versagt.
Eine Untersuchung, welche der Cosinusbrückenschaltung 310 und der Sinusbrückenschaltung 320 versagt, kann unter Verwendung der mittleren Brückenschaltung 330 erfolgen. Im Falle eines orthogonalen Fehlers ist es nicht eindeutig, welche von den Brückenschaltungen versagt, sodass der Fehler durch Ersetzen von jedem der Ausgangssignale der Cosinusbrückenschaltung 310 und der Sinusbrückenschaltung 320 mit dem Ausgangssignal der mittleren Brückenschaltung 330 untersucht werden kann.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3A ist die dritte Wheatstone-Brückenschaltung 330 nicht nur zur Fehlererkennung, sondern auch zur Fehlerkorrektur hinzugefügt. Diese dritte Wheatstone-Brückenschaltung 330 ist eine mittlere Brückenschaltung mit einer Ausrichtung, die sich auf halbem Wege zwischen der Cosinus- und Sinusbrückenschaltung befindet und mehrere dritte magnetoresistive Elemente R₉, R₁₀, R₁₁, R₁₂ aufweist. Insbesondere weist die dritte Wheatstone-Brückenschaltung 330 eine Ausrichtung auf, die im Gegenuhrzeigersinn um ein Achtel einer Periode relativ zur Cosinusbrückenschaltung 310 gedreht ist, während sie sich im Uhrzeigersinn im gleichen Winkelabstand von der Sinusbrückenschaltung 320 befindet (d. h., 45° für GMR und TMR, 22,5° für AMR). Die dritte Wheatstone-Brückenschaltung 330 ist zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse GND gekoppelt und konfiguriert, das Signal V_MID auszugeben.
Wenn entweder die Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 310 oder die Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 320 versagt, kann die mittlere Wheatstone-Brückenschaltung 330 die versagende Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 310 oder Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 320 gemäß den folgenden Gleichungen ersetzen: V_COS = A·cosφ (Gleichung 2) V_SIN = A·sinφ, (Gleichung 3) V_MID = A·cos(φ – π/4) = A/√2·(cosφ + sinφ), (Gleichung 4) V'_SIN = √2·V_MID – V_COS (Gleichung 5) und V'_COS = √2·V_MID – V_SIN, (Gleichung 6) wobei V_COS ein Ausgangssignal der Cosinusbrückenschaltung 310 ist, V_SIN ein Ausgangssignal der Sinusbrückenschaltung 320 ist, V_MID ein Ausgangssignal der mittleren Brückenschaltung 330 ist, A eine Amplitude des Winkelsensorausgangssignals ist, φ mit dem Winkel des Magnetfeldes gemäß Gleichung 1 verbunden ist, V'_COS ein Ersatzausgangssignal der Cosinusbrückenschaltung 310 unter Verwendung des Ausgangssignals V_MID der mittleren Brückenschaltung 320 ist und V'_SIN ein Ersatzausgangssignal der Sinusbrückenschaltung 320 unter Verwendung des Ausgangssignals V_MID der mittleren Brückenschaltung 330 ist.
Wenn die Sinusbrückenschaltung 320 versagt, dann kann ein Ersatz für das Sinussignal unter Verwendung der Cosinusbrückenschaltung 310 und der mittleren Brückenschaltung 330 basierend auf Gleichung 5 berechnet werden. Wenn die Cosinusbrückenschaltung 310 versagt, dann kann ein Ersatz für das Cosinussignal unter Verwendung der Sinusbrückenschaltung 320 und der mittleren Brückenschaltung 330 basierend auf Gleichung 6 berechnet werden. Schließlich kann der Mikrocontroller Gleichung 1 nach Ersetzen der versagenden Brückenschaltung gemäß der Gleichung 5 oder 6 anwenden. Wenn die mittlere Brückenschaltung 330 versagt, wird offensichtlich die Standardberechnung ausgeführt.
Außerdem können eine oder mehrere Plausibilitätsprüfungen ausgeführt werden. Diese Plausibilitätsprüfungen weisen beispielsweise eine Brückenschaltungskreuzprüfung und eine erweiterte Vektorlängenprüfung auf und werden typischerweise im Mikrocontroller ausgeführt. Diese Plausibilitätsprüfungen wurden zuvor ausgeführt, können jetzt aber wenn notwendig durch Ersetzen von entweder dem Cosinus- oder Sinusausgangssignal mit dem mittleren Signal gemäß den Gleichungen 5 und 6 ausgeführt werden. Ausführlichere Beschreibungen dieser Plausibilitätsprüfungen folgen.
Die Brückenschaltungskreuzprüfung basiert auf der folgenden Gleichung: |V_COS + V_SIN) – V_MID·√2| < δ (Gleichung 7)
Im Fall von einer Phasenverschiebung von sowohl der Cosinusbrückenschaltung 310 als auch der Sinusbrückenschaltung 320 detektiert diese Brückenkreuzprüfung den Fehler, wenn die mittlere Brückenschaltung 330 unter einer unterschiedlichen oder keiner Phasenverschiebung leidet.
Die erweiterte Vektorlängenüberprüfung ist eine Überprüfung der Länge des Radius eines Kreises, der in den 3B–3D gezeigt ist. Diese Überprüfung kann jetzt auf eine von vier Weisen ausgeführt werden – Cosinus, Sinus, Cosinusersatz unter Verwendung der mittleren Brücke und Sinusersatz unter Verwendung der mittleren Brücke. Insbesondere ist die erweiterte Vektorlängenüberprüfung eine Bestimmung, ob der Absolutwert des Spannungsvektors in einer vorbestimmten Nähe einer Zielspannungsamplitude δ' gemäß der folgenden Gleichung ist:
Die zusätzliche dritte mittlere Wheatstone-Brückenschaltung 330 ist daher konfiguriert, einen Fehler zu detektieren, und diese gleiche Brückenschaltung ist zudem konfiguriert, einen korrekten Wert des Winkels des äußeren Magnetfeldes zusammen mit einer von der Sinus- und Cosinusbrücke bereitzustellen, im Falle dass die andere ausfällt.
Ferner können die Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 310, die Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 320 und die mittlere Wheatstone-Brückenschaltung 330 mit den anderen Diversitätsmerkmalen kombiniert werden, die innerhalb dieser Offenbarung in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben sind.
Die 4A–4C veranschaulichen schematische Darstellungen von magnetischen Winkelsensoren 400A–400C gemäß anderen Ausführungsbeispielen. Der magnetische Winkelsensor 400 erreicht Diversität durch Hinzufügen einer Steuerschaltung 430, die konfiguriert sind, Ausgangsfehler zu detektieren.
Wie vorstehend beschrieben, verwendet ein magnetischer Winkelsensor ein Sinusausgangssignal der Wheatstone-Brücke und ein Cosinusausgangssignal der Wheatstone-Brücke, um einen Winkel eines äußeren Magnetfeldes zu berechnen. Die magnetoresistiven Elemente, welche die Wheatstone-Brücken bilden, weisen feste Referenzmagnetisierungsrichtungen auf. Der Widerstand eines magnetoresistiven Elements hängt vom Winkel der festen Referenzmagnetisierung relativ zum äußeren Magnetfeld ab. Wenn ein magnetoresistives Element eine Drift oder Veränderung während seiner Lebensdauer oder aufgrund einer Fehlfunktion erfährt, kann der magnetische Winkelsensor falsche Ausgangssignale erzeugen.
Mittels Übersicht ist die Steuerschaltung 430 konfiguriert, die magnetoresistiven Elemente zu überwachen, um jede Drift oder Veränderung zu detektieren. Da die Funktion eines magnetischen Winkelsensors daraus besteht, eine Änderung eines magnetoresistiven Elements aufgrund eines äußeren Magnetfeldes zu messen, ist es schwierig, zwischen einem Einfluss von dem äußeren Magnetfeld und einer Drift oder Veränderung zu unterscheiden. Die Steuerschaltung 430 ist konfiguriert, die Wirkungen des äußeren Magnetfeldes zu eliminieren, sodass Lebensdauerdrifts oder -veränderungen detektiert werden können.
4A veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 400A gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Der magnetische Winkelsensor 400A weist eine erste Wheatstone-Brückenschaltung 410A, eine zweite Wheatstone-Brückenschaltung 420A und eine Steuerschaltung 430A auf.
Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 410A ist eine Sinusbrückenschaltung und weist magnetoresistive Elemente RS_1A–RS_4A auf. Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 410A ist zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse gekoppelt und ist konfiguriert, eine Sinusbrückenschaltungsausgangsspannung V_SIN+, V_SIN– auszugeben.
Die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 420A ist eine Cosinusbrückenschaltung und weist magnetoresistive Elemente RS_5A–RS_8A auf. Die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 420A ist auch zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse gekoppelt und ist konfiguriert, eine Cosinusbrückenschaltungsausgangsspannung V_COS+, V_COS– auszugeben.
Die Steuerschaltung 430A besteht aus einer geraden Zahl an magnetoresistiven Elementen RS_9A–RS_12A, in diesem Beispiel vier. Die Steuerschaltung 430A ist auch zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse gekoppelt und ist konfiguriert, eine Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} auszugeben.
Die magnetoresistiven Elemente RS weisen Referenzmagnetisierungen auf, die durch die Pfeile wie gezeigt angedeutet sind. Jedes der magnetoresistiven Elemente RS ist angeordnet, sodass es mit einem anderen magnetoresistiven Element mit entgegengesetzten Referenzmagnetisierungsrichtungen gepaart wird. Insbesondere sind die magnetoresistiven Elemente RS_9A und RS_10A gepaart und weisen entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen auf und ähnlich sind die magnetoresistiven Elemente RS_11A und RS_12A gepaart und weisen entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen auf. Eine Summe der Widerstände der gepaarten magnetoresistiven Elemente RS_9A und RS_10A, die in Reihe zwischen der Versorgungsspannung Vcc und dem Modus der Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} gekoppelt sind, ist konstant und eine Summe der Widerstände der gepaarten magnetoresistiven Elemente RS_11A und RS_12A, die in Reihe zwischen dem Knoten der Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} und Masse gekoppelt sind, ist konstant. Als Resultat ist die Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} konstant und von der Richtung des äußeren Magnetfeldes unabhängig. Gewöhnlich weisen alle magnetoresistiven Elemente einen gleichen spezifischen Widerstand auf, sodass die Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} Vcc/2 ist.
Die Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} wird auf eine Änderung überwacht, die einen Fehler anzeigt. Wenn eines der magnetoresistiven Elemente RS_9A–RS_12A der Steuerschaltung 430A eine Änderung, wie beispielsweise eine Drift der Referenzmagnetisierung, zeigt, ändert sich die Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} ebenfalls und kann nicht mehr konstant sein, sondern kann stattdessen oszillieren, was anzeigt, dass der Ausgang nicht mehr zuverlässig ist.
Die Steuerschaltung 430A des magnetischen Winkelsensors 400A von 4A besteht aus verschiedenen magnetoresistiven Elementen RS_9A–RS_12A von denjenigen der Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410A, 420A. Wenn es eine Fehlfunktion gibt, welche die Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410A oder die Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420A, aber nicht die Steuerschaltung 430A, beeinflusst, würde der Fehler nicht detektiert werden. Wenn alle der magnetoresistiven Elemente RS_9A–RS_12A der Steuerschaltung 430A sich in ähnlicher Weise ändern, würde der Fehler auch nicht detektiert werden.
4B veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 400B gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Dieser magnetische Winkelsensor 400B unterscheidet sich vom magnetischen Winkelsensor 400A von 4A darin, dass die Steuerschaltung 430B Teil der Messstruktur ist, welche die Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B, 420B aufweist. Wenn sich irgendwelche der magnetoresistiven Elemente der Messstruktur ändern, dann ändert sich auch die Steuerschaltungsausgangsspannung.
Der magnetische Winkelsensor 400B weist eine Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B, eine Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B und eine Steuerschaltung 430B auf. Die Steuerschaltung 430B besteht aus zwei Abschnitten – Sinussteuerschaltung 430B-1 und Cosinussteuerschaltung 430B-2. Die Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B und die Sinussteuerschaltung 430B-1 sind in Reihe zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse gekoppelt, wobei sich ein Knoten einer ersten Sinussteuerausgangsspannung V_{S_OUT1} und ein Knoten einer zweiten Sinussteuerausgangsspannung V_{S_OUT2} dazwischen befindet. Ähnlich sind die Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B und die Cosinussteuerschaltung 430B-2 in Reihe zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse gekoppelt, wobei sich ein Knoten eines ersten Cosinussteuerausgangs V_{C_OUT1} und ein Knoten eines zweiten Cosinussteuerausgangs V_{C_OUT2} dazwischen befindet.
Die Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B weist vier magnetoresistive Elemente RS_1B–RS_4B auf. Die Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B ist konfiguriert, eine Sinusbrückenschaltungsausgangsspannung V_SIN+, V_SIN– auszugeben.
Die Sinussteuerschaltung 430B-1 ist in der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B integriert und konfiguriert, eine Sinussteuerausgangsspannung V_{S_OUT1}, V_{S_OUT2} auszugeben. Die Sinussteuerschaltung 430B-1 weist magnetoresistive Elemente RS_9B–RS_12B auf. Ein erster Abzweig der Sinussteuerschaltung 430B-1 ist in Reihe mit einem ersten Abzweig der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B gekoppelt. Ähnlich ist ein zweiter Abzweig der Sinussteuerschaltung 430B-1 in Reihe mit einem zweiten Abzweig der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B gekoppelt. Insbesondere ist der erste Abzweig der Sinussteuerschaltung 430B-1, der die magnetoresistiven Elemente RS_9B und RS_10B aufweist, in Reihe mit dem ersten Abzweig der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B gekoppelt, welche die magnetoresistiven Elemente RS_1B und RS_2B aufweist. Ähnlich ist der zweite Abzweig der Sinussteuerschaltung 430B-1, der die magnetoresistiven Elemente RS_11B und RS_12B aufweist, in Reihe mit dem zweiten Abzweig der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B gekoppelt, welche die magnetoresistiven Elemente RS_3B und RS_4B aufweist. Jedes der magnetoresistiven Elemente RS ist angeordnet, um mit einem anderen magnetoresistiven Element mit einer entgegengesetzten Referenzmagnetisierung (d. h., RS_1B und RS_2B, RS_3B und RS_4B, RS_9B und RS_10B und RS_11B und RS_12B) gepaart zu werden. Unter den magnetoresistiven Elementen in der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B und der Sinussteuerschaltung 430B-1 gibt es vier unterschiedliche Referenzmagnetisierungsausrichtungen.
Die Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B weist magnetoresistive Elemente RS_5B–RS_8B auf. Die Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B ist konfiguriert, eine Cosinusbrückenschaltungsausgangsspannung V_COS+, V_COS– auszugeben.
Die Cosinussteuerschaltung 430B-2 ist in der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B integriert und konfiguriert, eine Cosinussteuerausgangsspannung V_{C_OUT1}, V_{C_OUT2} auszugeben. Die Cosinussteuerschaltung 430B-2 weist magnetoresistive Elemente RS_13B–RS_16B auf. Ein erster Abzweig der Cosinussteuerschaltung 430B-2 ist in Reihe mit einem ersten Abzweig der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B gekoppelt. Ähnlich ist ein zweiter Abzweig der Cosinussteuerschaltung 430B-2 in Reihe mit einem zweiten Abzweig der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B gekoppelt. Insbesondere ist der erste Abzweig der Cosinussteuerschaltung 430B-2, der die magnetoresistiven Elemente RS_13B und RS_14B aufweist, in Reihe mit dem ersten Abzweig der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B gekoppelt, welche die magnetoresistiven Elemente RS_5B und RS_6B aufweist. Ähnlich ist der zweite Abzweig der Cosinussteuerschaltung 430B-2, der die magnetoresistiven Elemente RS_15B und RS_16B aufweist, in Reihe mit dem zweiten Abzweig der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B gekoppelt, welche die magnetoresistiven Elemente RS_7B und RS_8B aufweist. Jedes der magnetoresistiven Elemente RS ist angeordnet, um mit einem anderen magnetoresistiven Element mit einer entgegengesetzten Referenzmagnetisierung (d. h., RS_5B und RS_6B, RS_7B und RS_8B, RS_13B und RS_14B und RS_15B und RS_16B) gepaart zu werden. Unter den acht magnetoresistiven Elementen in der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B und der Cosinussteuerschaltung 430B-2 gibt es vier unterschiedliche Referenzmagnetisierungsausrichtungen.
Die Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B stellt sowohl die Sinusausgangsspannung V_SIN+, V_SIN– als auch die Sinussteuerausgangsspannung V_{S_OUT1}, V_{S_OUT2} bereit. Ähnlich stellt die Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C sowohl die Cosinusausgangsspannung V_COS+, V_COS– als auch die Cosinussteuerausgangsspannung V_{C_OUT1}, V_{C_OUT2} bereit.
Während des normalen Betriebs, wenn es keine Fehlfunktion gibt, werden die magnetoresistiven Elemente RS_9B–RS_16B der Steuerschaltung 430B verworfen. Die Ausgänge der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B und der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420B sind symmetrisch um null, wenn es keine Steuerschaltung 430B gibt. Anderseits bewirkt die Steuerschaltung 430B, dass die Ausgänge der Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410B, 420B einen Offset aufweisen, der kompensiert werden muss.
Die Ausgangssteuerspannungen (V_{S_OUT1}, V_{S_OUT2}, V_{C_OUT1}, V_{C_OUT2}) sind unabhängig von einer Richtung des äußeren Magnetfeldes konstant, es sei denn, dass der magnetische Winkelsensor 400B eine Fehlfunktion aufweist.
4C veranschaulicht eine schematische Darstellung eines magnetischen Winkelsensors 400C gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Eine Differenz zwischen diesem magnetischen Winkelsensor 400C und dem magnetischen Winkelsensor 400B von 4B ist, dass die Steuerschaltung 430C aus den gleichen magnetoresistiven Elementen RS besteht, welche die Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C, 420C aufweisen. Auf diese Weise werden die magnetoresistiven Elemente RS, die das Ausgangssignal des magnetischen Winkelsensors erzeugen, direkt überwacht. Außerdem müssen nur zwei anstatt vier Ausgangssteuerspannungen überwacht werden. Außerdem Der magnetische Winkelsensor 400C weist eine erste Wheatstone-Brückenschaltung 410C, eine zweite Wheatstone-Brückenschaltung 420C und eine Steuerschaltung 430C auf. Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 410C und die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 420C sind in Reihe zwischen der Versorgungsspannung Vcc und Masse gekoppelt.
Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 410C ist eine Sinusbrückenschaltung und weist magnetoresistive Elemente RS_1C–RS_4C auf. Die erste Wheatstone-Brückenschaltung 410C ist konfiguriert, eine Sinusbrückenschaltungsausgangsspannung V_SIN+, V_SIN– auszugeben.
Die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 420C ist eine Cosinusbrückenschaltung und weist magnetoresistive Elemente RS_5C–RS_8C auf. Die zweite Wheatstone-Brückenschaltung 420C ist konfiguriert, eine Cosinusbrückenschaltungsausgangsspannung V_COS+, V_COS– auszugeben.
Die Steuerschaltung 430C weist eine erste Steuerschaltung 430C-1 und eine zweite Steuerschaltung 430C-2 auf. Die Steuerschaltung 430C besteht aus den gleichen magnetoresistiven Elementen, welche die Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C, 420C aufweisen. Insbesondere besteht die erste Steuerschaltung 430C-1 aus ersten Abzweigen der Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C, 420C, d. h. den magnetoresistiven Elementen RS_1C, RS_2C _, RS_5C und RS_6C. Die zweite Steuerschaltung 430C-2 besteht aus zweiten Abzweigen der Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltungen 410C, 420C, d. h., den magnetoresistiven Elementen RS_3C, RS_4C, RS_7C und RS_8C.
Jedes der magnetoresistiven Elemente RS ist angeordnet, um mit einem anderen magnetoresistiven Element mit einer entgegengesetzten Referenzmagnetisierungsrichtung (RS_1C und RS_2C, RS_3C und RS_4C, RS_5C und RS_6C und RS_7C und RS_8C) gepaart zu werden. Außerdem weisen die magnetoresistiven Elemente RS_1C, RS_2C, RS_5C und RS_6C von den ersten Abzweigen der Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C, 420C jeweils eine unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtung auf. Ähnlich weisen die magnetoresistiven Elemente RS_3C und RS_4C, RS_7C und RS_8C der zweiten Abzweige der Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C, 420C auch jeweils eine unterschiedliche Referenzmagnetisierungsrichtung auf.
Eine Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} besteht aus einer ersten Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT1} und einer zweiten Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT2}. Die erste Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT1} wird an einem Knoten ausgegeben, der sich zwischen dem ersten Abzweig der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C und dem ersten Abzweig der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420C befindet. Die zweite Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT2} wird an einem Knoten ausgegeben, der sich zwischen dem zweiten Abzweig der Sinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C und dem zweiten Abzweig der Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 420C befindet.
Während eines normalen Betriebs ist die Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} konstant. Wenn sich jedoch ein Widerstand von irgendeinem der magnetoresistiven Elemente aufgrund einer Lebensdauerverschiebung oder eines Fehlers ändert, ist die Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} nicht mehr konstant. Die Ausgänge der Sinus- und Cosinus-Wheatstone-Brückenschaltung 410C, 420C weisen einen Offset auf, der kompensiert werden muss.
Die Steuerschaltung 430C von 4C weist eine vereinfachtere Struktur auf als die Steuerschaltung 430B von 4B, indem die Steuerschaltung 430 innerhalb der ersten und zweiten Wheatstone-Brücke 410C, 420C gebildet ist, sodass es weniger magnetoresistive Elemente gibt. Es werden außerdem nur zwei Steuerausgangspannungen überwacht, im Gegensatz zu vier, sodass es weniger Pins gibt.
Die Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} von irgendeiner der beschriebenen Ausführungsformen kann auf einer laufenden Basis überwacht werden. Alternativ kann die Steuerschaltungsausgangsspannung V_{C_OUT} in Zeitintervallen oder zu irgendeiner anderen Zeit bzw. Zeiten, wie für den Verwendungszweck geeignet, überwacht werden.
Ferner kann jede von der Steuerschaltung 430A, der Steuerschaltung 430B und der Steuerschaltung 430C mit den anderen Diversitätsmerkmalen kombiniert werden, die innerhalb dieser Offenbarung in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden.
Die 5A–5B veranschaulichen schematische Darstellungen von magnetischen Winkelsensoren 500 gemäß anderen Ausführungsbeispielen. Die magnetischen Winkelsensoren 500 erreichen vollständige Kanaldiversität mit einem Zusatzspannungsregler 540 und einem Verstärker Amp, der mit jedem Halbbrückenschaltungsausgang gekoppelt ist.
Diese Ausführungsbeispiele stellen nicht nur auf der Wheatstone-Brücken-Ebene, sondern auch für den Spannungsregler 540 und die Verstärker AMP Redundanz bereit. Es wird daher Redundanz für den gesamten Kanal des magnetischen Winkelsensors bereitgestellt, der mindestens den Spannungsregler 540, die magnetoresistiven Elemente RS der Wheatstone-Brückenschaltung und den Verstärker AMP aufweist.
5A basiert auf dem magnetischen Winkelsensor 400C von 4C. Ähnliche Elemente haben ähnliche Bezugsnummern, die in einigen Fällen mit einer „5” für 5A anstatt einer „4” von 4C beginnen. Der Kürze halber werden Beschreibungen der ähnlichen Elemente nicht wiederholt werden.
Der magnetische Winkelsensor 500A unterscheidet sich vom magnetischen Winkelsensor 400C von 4C darin, dass der magnetische Winkelsensor 500A von zwei Spannungsreglern 540-1 und 540-2 versorgt wird, anstatt von einem einzelnen Spannungsregler (nicht gezeigt in 4C). Der erste Spannungsregler 540-1 ist konfiguriert, eine erste Halbbrückenschaltung (Abzweig mit den magnetoresistiven Elementen RS_1C und RS_2C) von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung 510A und eine erste Halbbrückenschaltung (RS_5C und RS_6C) von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung 520A zu versorgen; wobei die erste Halbbrückenschaltung (RS_1C und RS_2C) eine positive Sinushalbbrückenschaltung ist und die zweite Halbbrückenschaltung (RS_5C und RS_6C) eine positive Cosinushalbbrückenschaltung ist. Der zweite Spannungsregler 540-2 ist konfiguriert, eine zweite Halbbrückenschaltung (RS_3C und RS_4C) von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung 510A und eine zweite Halbbrückenschaltung (RS_7C und RS_8C) von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung 520A zu versorgen; wobei die zweite Halbbrückenschaltung (RS_3C und RS_4C) eine negative Sinushalbbrückenschaltung ist und die zweite Halbbrückenschaltung (RS_7C und RS_8C) eine negative Cosinushalbbrückenschaltung ist.
Der magnetische Winkelsensor 500A unterscheidet sich ferner von dem magnetischen Winkelsensor 400C von 4C darin, dass ein Verstärker AMP mit einem Ausgang jeder Halbbrückenschaltung gekoppelt ist. Ein erster Verstärker AMP_1A ist konfiguriert, einen Ausgang V_SIN+ der positiven Sinushalbbrückenschaltung (RS_1C und RS_2C) zu verstärken. Ein zweiter Verstärker AMP_2A ist konfiguriert, einen Ausgang V_COS+ der positiven Cosinushalbbrückenschaltung (RS_5C und RS_6C) zu verstärken. Ein dritter Verstärker AMP_3A ist konfiguriert, einen Ausgang V_SIN– der negativen Sinushalbbrückenschaltung (RS_3C und RS_4C) zu verstärken. Ein vierter Verstärker AMP_4A ist konfiguriert, einen Ausgang V_COS– der negativen Cosinushalbbrückenschaltung (RS_7C und RS_8C) zu verstärken. Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein gleicher Verstärker AMP konfiguriert sein, sowohl eine Cosinushalbbrückenschaltung als auch eine Sinushalbbrückenschaltung zu verstärken.
Wenn ein Spannungsregler 540 versagt, kann es immer noch eine korrekt funktionierende Sinushalbbrückenschaltung (positiv oder negativ) und eine Cosinushalbbrückenschaltung (entsprechend positiv oder negativ) geben, die durch 360° zum Berechnen eines Winkels funktioniert. Funktionieren durch 360° bedeutet, dass eine volle Drehung des Magneten ohne Doppeldeutigkeit verfolgt werden kann, wie es für einen Winkelsensor der Fall wäre, der durch 180° funktioniert. Wenn beispielsweise der Spannungsregler 540-1 versagt, kann der Spannungsregler immer noch die negative Sinushalbbrückenschaltung (RS_3C und RS_4C) und die negative Cosinushalbbrückenschaltung (RS_7C und RS_8C) und ihre entsprechende Steuerschaltung 530A-2 versorgen. Wenn der Spannungsregler 540-2 versagt, kann der Spannungsregler alternativ immer noch die positive Sinushalbbrückenschaltung (RS_1C und RS_2C) und die positive Cosinushalbbrückenschaltung (RS_5C und RS_5C) und ihre entsprechende Steuerschaltung 530A-1 versorgen. Wenn irgendeiner von den Verstärkern AMP oder irgendeines von den magnetoresistiven Elementen RS versagt, kann es ein ähnliches Szenarium geben, dass es immer noch eine korrekt funktionierende Sinushalbbrückenschaltung (positiv oder negativ) und eine Cosinushalbbrückenschaltung (entsprechend positiv oder negativ) gibt.
5B basiert auf dem magnetischen Winkelsensor 400A von 4A. Ähnliche Elemente haben ähnliche Bezugsnummern, die in einigen Fällen mit einer „5” für 5B anstatt einer „4” von 4A beginnen. Der Kürze halber werden Beschreibungen der ähnlichen Elemente nicht wiederholt werden.
Der magnetische Winkelsensor 500B unterscheidet sich vom magnetischen Winkelsensor 400A von 4A darin, dass der magnetische Winkelsensor 500B von zwei Spannungsreglern 540-1 und 540-2 versorgt wird, anstatt von einem einzelnen Spannungsregler (nicht gezeigt in 4A). Der erste Spannungsregler 540-1 ist konfiguriert, eine erste Halbbrückenschaltung (Abzweig mit magnetoresistiven Elementen RS_1A und RS_2A) von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung 510B und eine erste Halbbrückenschaltung (RS_5A und RS_6A) von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung 520B zu versorgen. Die erste Halbbrückenschaltung (RS_1A und RS_2A) ist eine positive Sinushalbbrückenschaltung und die zweite Halbbrückenschaltung (RS_5A und RS_6A) ist eine positive Cosinushalbbrückenschaltung. Der zweite Spannungsregler 540-2 ist konfiguriert, eine zweite Halbbrückenschaltung (RS_3A und RS_4A) von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung 510B und eine zweite Halbbrückenschaltung (RS_7A und RS_8A) von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung 520B zu versorgen. Die zweite Halbbrückenschaltung (RS_3A und RS_4A) ist eine negative Sinushalbbrückenschaltung und die zweite Halbbrückenschaltung (RS_7A und RS_8A) ist eine negative Cosinushalbbrückenschaltung.
Der magnetische Winkelsensor 500B unterscheidet sich ferner von dem magnetischen Winkelsensor 400A von 4A darin, dass ein Verstärker AMP mit einem Ausgang von jeder Halbbrückenschaltung gekoppelt ist. Ein erster Verstärker AMP_1A ist konfiguriert, einen Ausgang V_SIN+ der positiven Sinushalbbrückenschaltung (RS_1A und RS_2A) zu verstärken. Ein zweiter Verstärker AMP_2B ist konfiguriert, einen Ausgang V_COS+ der positiven Cosinushalbbrückenschaltung (RS_5A und RS_6A) zu verstärken. Ein dritter Verstärker AMP_3B ist konfiguriert, einen Ausgang V_SIN– der negativen Sinushalbbrückenschaltung (RS_3A und RS_4A) zu verstärken. Ein vierter Verstärker AMP_4B ist konfiguriert, einen Ausgang V_COS– der negativen Cosinushalbbrückenschaltung (RS_7A und RS_8A) zu verstärken. Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein gleicher Verstärker AMP konfiguriert sein, sowohl eine Cosinushalbbrückenschaltung als auch eine Sinushalbbrückenschaltung zu verstärken.
Die Steuerschaltung 530B des magnetischen Winkelsensors 500B weist eine erste Steuerteilschaltung 530B-1 und eine zweite Steuerteilschaltung 530B-2 auf. Die erste Steuerschaltung 530B-1 ist sowohl mit der positiven Sinushalbbrückenschaltung (RS_1A und RS_2A) als auch mit der positiven Cosinushalbbrückenschaltung (RS_5A und RS_6A) parallel gekoppelt und weist die magnetoresistiven Elemente RS_9B-1, RS_10B-1, RS_11B-1, RS_12B-1 auf. Die zweite Steuerteilschaltung 530B-2 ist sowohl mit der negativen Sinushalbbrückenschaltung (RS_3A und RS_4A) als auch mit der negativen Cosinushalbbrückenschaltung (RS_7A und RS_8A) parallel gekoppelt und weist die magnetoresistiven Elemente RS_9B-2, RS_10B-2, RS_11B-2, RS_12B-2 auf. Jede von der ersten Steuerteilschaltung 530B-1 und der zweiten Steuerteilschaltung 530B-2 ist konfiguriert und arbeitet auf eine Weise ähnlich der Steuerschaltung 430A von 4A; der Kürze halber werden deren Beschreibungen hier nicht wiederholt.
Wenn einer der beiden Spannungsregler 540 versagt, kann es immer noch eine korrekt funktionierende Steuerteilschaltung 530B sowie eine Sinushalbbrückenschaltung (positiv oder negativ) und eine Cosinushalbbrückenschaltung (positiv oder negativ) geben, die durch 360° zum Berechnen eines Winkels korrekt funktionieren. Wenn beispielsweise der Spannungsregler 540-1 versagt, kann der Spannungsregler immer noch die negative Sinushalbbrückenschaltung (RS_3A und RS_4A) und die negative Cosinushalbbrückenschaltung (RS_7A und RS_8A) und Steuerteilschaltung 530A-2 versorgen. Wenn alternativ der Spannungsregler 540-2 versagt, kann der Spannungsregler immer noch die positive Sinushalbbrückenschaltung (RS_1A und RS_2A) und die positive Cosinushalbbrückenschaltung (RS_5A und RS_6A) und die Steuerteilschaltung 530A-2 versorgen. Wenn irgendeiner von den Verstärkern AMP oder irgendeines von den magnetoresistiven Elementen RS versagt, kann es ein ähnliches Szenarium geben, dass es immer noch eine korrekt funktionierende Sinushalbbrückenschaltung (positiv oder negativ) und eine Cosinushalbbrückenschaltung (entsprechend positiv oder negativ) gibt.
Der magnetische Winkelsensor 500B ist in 5B als eine Steuerschaltung 530B einschließend gezeigt, aber die Offenbarung ist in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Die Steuerschaltung 530B ist nicht erforderlich.
Ferner kann der magnetische Winkelsensor 400B 4B modifiziert sein, sodass er einen redundanten Spannungsregler 540 und Verstärker Amp wie vorstehend beschrieben für die magnetischen Winkelsensoren 500A und 500B aufweist. Außerdem können der redundante Spannungsregler 540 und die Verstärker Amp mit den anderen Diversitätsmerkmalen kombiniert werden, die innerhalb dieser Offenbarung in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden.
Während das Vorhergehende in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, versteht es sich, dass der Begriff „Beispiel/beispielhaft” lediglich als ein Beispiel, anstatt als das Beste oder Optimale beabsichtigt ist. Dementsprechend soll die Offenbarung Alternativen, Modifikationen und Entsprechungen abdecken, die im Umfang der Offenbarung beinhaltet sein können.
Obwohl hier spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, wird dem Durchschnittsfachmann klar sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen anstelle der hier gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen eingesetzt werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Offenbarung soll alle Anpassungen oder Varianten der spezifischen hier besprochenen Ausführungsformen abdecken.

Claims

Magnetischer Winkelsensor, aufweisend: eine erste Wheatstone-Brückenschaltung, welche mehrere erste magnetoresistive Elemente aufweist; und eine zweite Wheatstone-Brückenschaltung, welche mehrere zweite magnetoresistive Elemente aufweist, wobei die mehreren zweiten magnetoresistiven Elemente Diversität in Bezug auf die mehreren ersten magnetoresistiven Elemente aufweisen.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei: eine Breite von Mäanderstreifen der mehreren zweiten magnetoresistiven Elemente geringer ist als eine Breite von Mäanderstreifen der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente und ein Verhältnis eines Ausgangssignals der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu einem Ausgangssignal der ersten Wheatstone-Brückenschaltung eine magnetische Feldstärke anzeigt.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 2, wobei, wenn das Verhältnis größer als ein voreingestellter Wert ist, die erste Wheatstone-Brückenschaltung in Sättigung ist.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 2, wobei die Breite der Mäanderstreifen der mehreren ersten magnetoresistiven Elemente ca. 10 μm ist und die Breite der Mäanderstreifen der mehreren zweiten magnetoresistiven Elemente geringer als ca. 3 μm ist.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 4, wobei die Breite der Mäanderstreifen der mehreren zweiten magnetoresistiven Elemente geringer als ca. 1 um ist.
Magnetischer Winkelsensor, aufweisend: einen ersten Winkelsensorchip; und einen zweiten Winkelsensorchip, der vertikal auf dem ersten Winkelsensorchip innerhalb eines gleichen Paketes gestapelt ist.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten Winkelsensorchips durch Drahtbonden gekoppelt sind.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten Winkelsensorchips durch Metallkugeln unter Verwendung eines Flip-Chip-Verfahrens gekoppelt sind.
Magnetischer Winkelsensor, aufweisend: einen ersten Winkelsensorstapel; und einen zweiten Winkelsensorstapel, der auf einer unterschiedlichen Sensortechnik basiert als der erste Winkelsensorstapel.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 9, ferner aufweisend: eine isolierende Dielektrikumschicht, die sich zwischen dem ersten Winkelsensorstapel und dem zweiten Winkelsensorstapel befindet, und wobei der zweite Winkelsensorstapel auf dem ersten Winkelsensorstapel monolithisch gestapelt ist.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 10, wobei der erste Winkelsensorstapel auf einer von einer Riesenmagnetowiderstand(GMR)- und einer Tunnelmagnetowiderstand(TMR)-Technologie basiert und der zweite Winkelsensorstapel auf der anderen von der GMR- und TMR-Technologie basiert und jeder von dem ersten und zweiten Winkelsensorstapel konfiguriert ist, in einer Current-in-Plane(CIP)-Konfiguration zu arbeiten.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 10, wobei der erste Winkelsensor auf einer von einer Riesenmagnetowiderstand(GMR)- und einer Tunnelmagnetowiderstand(TMR)-Technologie basiert und der zweite Winkelsensorstapel auf einer anisotropen magnetoresistiven Technologie basiert und jeder von dem ersten und zweiten Winkelsensorstapel konfiguriert ist, in einer Current-in-Plane(CIP)-Konfiguration zu arbeiten.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 10, wobei der erste Winkelsensor auf einer von einer Riesenmagnetowiderstand(GMR)- und einer Tunnelmagnetowiderstand(TMR)-Technologie basiert und konfiguriert ist, in Current-in-Plane(CIP)-Konfiguration zu arbeiten, und der zweite Winkelsensorstapel eine TMR-Technologie ist und konfiguriert ist, in einer Current-Perpendicular-to-Plane(CPP)-Konfiguration zu arbeiten.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 10, wobei jeder von dem ersten und zweiten Winkelsensorstapel auf einer Tunnelmagnetowiderstand(TMR)-Technologie basiert und aufweist: eine untere Elektrode; eine obere Elektrode; eine nichtmagnetische Schicht, die sich zwischen der unteren und oberen Elektrode befindet; und erste und zweite Anschlüsse, die mit der oberen Elektrode gekoppelt sind, wobei, wenn die ersten und zweiten Anschlüsse konfiguriert sind, in einer Current-in-Plane(CIP)-Konfiguration zu arbeiten, die obere Elektrode einen anisotropen magnetoresistiven (AMR) Effekt aufweist.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 10, wobei jeder von dem ersten und zweiten Winkelsensorstapel auf einer Tunnelmagnetowiderstand(TMR)-Technologie basiert und aufweist: eine untere Elektrode; eine obere Elektrode; eine nichtmagnetische Schicht, die sich zwischen der unteren und oberen Elektrode befindet; erste und zweite Anschlüsse, die mit der oberen Elektrode gekoppelt sind; und dritte und vierte Anschlüsse, die mit der unteren Elektrode gekoppelt sind, wobei, wenn die ersten und zweiten Anschlüsse mit einer Versorgungsspannung gekoppelt sind und die dritten und vierten Anschlüsse mit einer Massespannung gekoppelt sind, der TMR-Winkelsensor konfiguriert ist, in einer Current-Perpendicular-to-Plane(CPP)-Konfiguration zugunsten eines TMR-Effekts zu arbeiten.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die erste Wheatstone-Brückenschaltung eine Cosinusbrückenschaltung ist, die zweite Wheatstone-Brückenschaltung eine Sinusbrückenschaltung ist und die dritte Wheatstone-Brückenschaltung eine mittlere Brückenschaltung ist, die eine Ausrichtung aufweist, die sich auf halbem Wege zwischen den Cosinus- und den Sinusbrückenschaltungen befindet.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 16, wobei, wenn eine von den Cosinus- und Sinusbrückenschaltungen versagt, die mittlere Brückenschaltung die versagende Cosinus- oder Sinusbrückenschaltung gemäß den folgenden Gleichungen ersetzen kann: V_COS = A·cosφ, V_SIN = A·sinφ, V_MID = A·cos(φ – π/4) = A/√2·(cosφ + sinφ), V'_SIN = √2·V_MID – V_COS und V'_COS = √2·V_MID – V_SIN, wobei V_COS ein Ausgangssignal der Cosinusbrückenschaltung ist, V_SIN ein Ausgangssignal der Sinusbrückenschaltung ist, V_MID ein Ausgangssignal der mittleren Brückenschaltung ist, A eine Amplitude eines Ausgangssignals des magnetischen Winkelsensors ist, φ der Winkel des Magnetfeldes ist, V'_COS ein Ersatzausgangssignal der Cosinusbrückenschaltung unter Verwendung des Ausgangssignals der mittleren Brückenschaltung ist und V'_SIN ein Ersatzausgangssignal der Sinusbrückenschaltung unter Verwendung des Ausgangssignals der mittleren Brückenschaltung ist.
Magnetischer Winkelsensor, aufweisend: eine erste Wheatstone-Brückenschaltung; eine zweite Wheatstone-Brückenschaltung; und eine Steuerschaltung, die mit jeder von der ersten und zweiten Wheatstone-Brückenschaltung gekoppelt ist und eine gerade Zahl an magnetoresistiven Elementen aufweist, wobei jedes magnetoresistive Element eine feste Referenzmagnetisierungsrichtung aufweist, die einer festen Referenzmagnetisierungsrichtung von einem der anderen magnetoresistiven Elemente entgegengesetzt ist, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist, unabhängig von einer angewandten Magnetfeldrichtung eine konstante Steuerspannung auszugeben, es sei denn, dass der magnetische Winkelsensor eine Fehlfunktion erfährt.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 18, wobei die Steuerschaltung aufweist: eine erste Steuerschaltung, die aufweist: erste und zweite magnetoresistive Elemente, die entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen und mit einem ersten Abzweig von der ersten Wheatstone-Brücke in Reihe gekoppelt sind; einen ersten Steuerausgang, der an einem Knoten zwischen den ersten und zweiten magnetoresistiven Elementen und dem ersten Abzweig von der ersten Wheatstone-Brücke gekoppelt ist; dritte und vierte magnetoresistive Elemente, die entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen und in Reihe mit einem zweiten Abzweig von der ersten Wheatstone-Brücke gekoppelt sind; und einen zweiten Steuerausgang, der an einem Knoten zwischen den dritten und vierten magnetoresistiven Elementen und dem zweiten Abzweig von der ersten Wheatstone-Brücke gekoppelt ist; und eine zweite Steuerschaltung, die aufweist: fünfte und sechste magnetoresistive Elemente, die entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen und mit einem ersten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Brücke in Reihe gekoppelt sind; einen dritten Steuerausgang, der an einem Knoten zwischen den fünften und sechsten magnetoresistiven Elementen und dem ersten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Brücke gekoppelt ist; siebte und achte magnetoresistive Elemente, die entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen und mit einem zweiten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Brücke in Reihe gekoppelt sind; und einen vierten Steuerausgang, der an einem Knoten zwischen den siebten und achten magnetoresistiven Elementen und dem zweiten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Brücke gekoppelt ist, wobei die ersten, zweiten, dritten und vierten Steuerausgänge konfiguriert sind, unabhängig von einer angewandten Magnetfeldrichtung konstante Steuerspannungen auszugeben, es sei denn, dass der magnetische Winkelsensor eine Fehlfunktion erfährt.
Magnetischer Winkelsensor nach Anspruch 18, wobei: die Steuerschaltung innerhalb der ersten und zweiten Wheatstone-Brückenschaltungen beinhaltet ist, ein erster Abzweig von der ersten Wheatstone-Schaltung in Reihe mit einem ersten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Schaltung gekoppelt ist und ein zweiter Abzweig von der ersten Wheatstone-Schaltung in Reihe mit einem zweiten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Schaltung gekoppelt ist, die erste Wheatstone-Brückenschaltung eine Ausrichtung aufweist, die sich ein Viertel einer Periode von der Ausrichtung der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung unterscheidet, der erste Abzweig von der ersten Wheatstone-Schaltung erste und zweite magnetoresistive Elemente aufweist, die entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen, der erste Abzweig von der zweiten Wheatstone-Schaltung dritte und vierte magnetoresistive Elemente aufweist, die entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen, der zweite Abzweig von der ersten Wheatstone-Schaltung fünfte und sechste magnetoresistive Elemente aufweist, die entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen, und der zweite Abzweig von der zweiten Wheatstone-Schaltung siebte und achte magnetoresistive Elemente aufweist, die entgegengesetzte feste Referenzmagnetisierungsrichtungen aufweisen, und die Steuerschaltung aufweist: einen ersten Steuerausgang, der an einem Knoten zwischen dem ersten Abzweig von der ersten Wheatstone-Schaltung und dem ersten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Schaltung gekoppelt ist, und einen zweiten Steuerausgang, der an einem Knoten zwischen dem zweiten Abzweig von der ersten Wheatstone-Schaltung und dem zweiten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Schaltung gekoppelt ist, und wobei die ersten und zweiten Steuerausgänge konfiguriert sind, unabhängig von einer angewandten Magnetfeldrichtung konstante Steuerspannungen auszugeben, es sei denn, dass der magnetische Winkelsensor eine Fehlfunktion erfährt.
Magnetischer Winkelsensor-Kanal, aufweisend: den magnetischen Winkelsensor von 20; einen ersten Spannungsregler, der konfiguriert ist, den ersten Abzweig von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung und den ersten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu versorgen; einen zweiten Spannungsregler, der konfiguriert ist, den zweiten Abzweig von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung und den zweiten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu versorgen; einen ersten Verstärker, der konfiguriert ist, einen Ausgang des ersten Abzweigs von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung zu verstärken; einen zweiten Verstärker, der konfiguriert ist, einen Ausgang des ersten Abzweigs von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu verstärken; einen dritten Verstärker, der konfiguriert ist, einen Ausgang des zweiten Abzweigs von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung zu verstärken; und einen vierten Verstärker, der konfiguriert ist, einen Ausgang des zweiten Abzweigs von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu verstärken.
Magnetischer Winkelsensor-Kanal, aufweisend: den magnetischen Winkelsensor nach Anspruch 18, einen ersten Spannungsregler, der konfiguriert ist, einen ersten Abzweig von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung und einen ersten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu versorgen; einen zweiten Spannungsregler, der konfiguriert ist, einen zweiten Abzweig von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung und einen zweiten Abzweig von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu versorgen; einen ersten Verstärker, der konfiguriert ist, einen Ausgang des ersten Abzweigs von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung zu verstärken; einen zweiten Verstärker, der konfiguriert ist, einen Ausgang des ersten Abzweigs von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu verstärken; einen dritten Verstärker, der konfiguriert ist, einen Ausgang des zweiten Abzweigs von der ersten Wheatstone-Brückenschaltung zu verstärken; und einen vierten Verstärker, der konfiguriert ist, einen Ausgang des zweiten Abzweigs von der zweiten Wheatstone-Brückenschaltung zu verstärken.