DE102017106324A1

DE102017106324A1 - Nullpunktverschiebungskompensation für Magnetfelddetektor

Info

Publication number: DE102017106324A1
Application number: DE102017106324.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2017-09-28
Also published as: JP2017173326A; CN107229023B; US20220206088A1; US20170276514A1; JP6430565B2; CN107229023A; JP2017173325A; US20170276740A1; CN107229024A; DE102017106322A1; JP6359710B2; DE102017106322B4; US11294003B2; US11187763B2; CN107229024B

Abstract

Einrichtungen und Verfahren stellen das Erfassen von Quadranten, Winkeln oder Abständen unter Verwendung von magnetoresistiven Elementen bereit. Ein Quadranten- oder Winkelsensor kann magnetoresistive Elemente aufweisen, die in mehrere Winkel aufgeteilt sind, um eine Ausgabe mit verringerten Harmonischen zu erzeugen. Ein Abstandssensor kann magnetoresistive Elemente aufweisen, die aufgeteilt und beabstandet sind, um eine Ausgabe mit verringerten Harmonischen zu erzeugen. Ein Vormagnetisierungsleiter kann alternierend verschiedene Stromstärken führen (verschieden in Stärke und/oder Richtung) für eine Gleichstrom(DC)-Nullpunktverschiebungs-Kompensation oder -Aufhebung.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht gemäß 35 U.S.C. § 119(e) die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/312,359, eingereicht am 23. März 2016 mit dem Titel „MAGNETIC FIELD DETECTOR”, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Diese Anmeldung ist mit einer Anmeldung mit dem Titel „MAGNETIC FIELD DIRECTION DETECTOR”, Seriennummer 13/655,059, eingereicht am 18. Oktober 2012, nunmehr US-Patent Nr. 9,310,446 , verwandt, deren Offenbarung hier hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Hintergrund
Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft Elektronik im Allgemeinen. Insbesondere betrifft die Erfindung Magnetfeldsensoren.
Beschreibung des Stands der Technik
Magnetfeldrichtungsdetektoren der hier beschriebenen Art können verwendet werden zum Auflösen der Richtung eines Magnetfelds in einen von ein paar oder mehreren Sektoren. Dies kann sehr nützlich sein zum Auflösen von Mehrdeutigkeit von Winkelpositionssensoren, die Magnete zum Verfolgen der Drehbewegung eines Objekts verwenden. Derartige Objekte können beispielsweise Lenkräder, Nockenwellen, Kurbelwellen, Räder/Reifen, Naben, Rotoren und dergleichen beinhalten. Die Rotationsinformationen können für Antiblockiersysteme, für Traktionskontrolle, Motornockenwellensteuerung, Zündung und/oder Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und dergleichen verwendet werden.
Kurzdarstellung
Ein Quadranten- oder Winkelsensor kann magnetoresistive Elemente aufweisen, die in mehrere Winkel aufgeteilt sind, um eine Ausgabe mit verringerten Harmonischen zu erzeugen. Ein Abstandssensor kann magnetoresistive Elemente aufweisen, die aufgeteilt und beabstandet sind, um eine Ausgabe mit verringerten Harmonischen zu erzeugen. Ein Ruhestromleiter, auch als Vormagnetisierungsleiter (Biasleiter) bezeichnet, kann alternierend verschiedene Stromstärken führen (verschieden in Stärke und/oder Richtung) für eine Gleichstrom(DC)-Nullpunktverschiebung oder deren Ausgleich.
Eine Ausführungsform beinhaltet eine Einrichtung, die einen Magnetfeldrichtungsdetektor und/oder einen Quadrantendetektor beinhaltet, wobei die Einrichtung Folgendes beinhaltet: einen ersten Magnetfelddetektor, der eine Vielzahl von Gruppen aus jeweils einem oder mehreren magnetoresistiven Elementen aufweist, wobei die Vielzahl von Gruppen in einer Brückenkonfiguration angeordnet ist, um ein erstes Halbbrücken-Ausgangssignal und ein zweites Halbbrücken-Ausgangssignal zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Gruppen mindestens eine erste Gruppe, eine zweite Gruppe, eine dritte Gruppe und eine vierte Gruppe umfasst, wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der ersten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer ersten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Achse ist, die unter einem ersten Winkel relativ zu einer Referenzachse steht; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der zweiten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer zweiten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse ist, die unter einem zweiten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der zweite Winkel vom ersten Winkel unterscheidet; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der dritten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer dritten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer dritten Achse ist, die unter einem dritten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der dritte Winkel vom ersten Winkel und vom zweiten Winkel unterscheidet; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der vierten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer vierten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer vierten Achse ist, die unter einem vierten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der vierte Winkel vom ersten Winkel, vom zweiten Winkel und vom dritten Winkel unterscheidet; und einen Störungsgenerator, der ausgelegt ist zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfelds (magnetischer Feldbias) für den ersten Magnetfelddetektor.
Eine Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Bestimmen einer Richtung und/oder eines Quadranten eines Magnetfelds, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Erzeugen eines ersten Halbbrücken-Ausgangssignals und eines zweiten Halbbrücken-Ausgangssignals aus einer Vielzahl von Gruppen von einem oder mehreren magnetoresistiven Elementen von jeweils einem ersten Magnetfelddetektor, wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der ersten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer ersten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Achse ist, die unter einem ersten Winkel relativ zu einer Referenzachse steht; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der zweiten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer zweiten Stromrichtung zu (ihren, die im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse ist, die unter einem zweiten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der zweite Winkel vom ersten Winkel unterscheidet; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der dritten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer dritten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer dritten Achse ist, die unter einem dritten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der dritte Winkel vom ersten Winkel und vom zweiten Winkel unterscheidet; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der vierten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer vierten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer vierten Achse ist, die unter einem vierten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der vierte Winkel vom ersten Winkel, vom zweiten Winkel und vom dritten Winkel unterscheidet; und Erzeugen eines Vormagnetisierungsfelds für den ersten Magnetfelddetektor.
Eine Ausführungsform beinhaltet eine Einrichtung, die einen Magnetfeldsensor umfasst, wobei die Einrichtung Folgendes umfasst: einen ersten Magnetfelddetektor mit einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementen, die unter mindestens zwei Winkeln angeordnet sind, wobei der erste Magnetfelddetektor ein erstes Halbbrücken-Ausgangssignal aufweist; einen oder mehrere Vormagnetisierungsleiter (Biasleiter) nahe an den magnetoresistiven Elementen; eine Vormagnetisierungsschaltung (Biasschaltung bzw. Vormagnetisierungsstrom-schaltung), die ausgelegt ist zum Durchleiten einer ersten Stromstärke durch den einen oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter für eine erste Phase eines Sensorzyklus und zum Durchleiten einer zweiten Stromstärke durch den einen oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter für eine zweite Phase des Sensorzyklus, wobei sich die erste Stromstärke von der zweiten Stromstärke in ihrer Größe und/oder Richtung unterscheidet; und eine Differenzschaltung, die ausgelegt ist zum Bilden einer Differenz zwischen einem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der ersten Phase auftritt, und einem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der zweiten Phase auftritt.
Eine Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren des Erfassens eines Magnetfelds mit verringerten Nullpunktverschiebungen (Offsets), wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: in einer ersten Phase eines Sensorzyklus, Erzeugen eines ersten Halbbrücken-Ausgangssignals von einem ersten Magnetfelddetektor, während eine erste Stromstärke über eine Vormagnetisierungsschaltung durch einen oder mehrere Vormagnetisierungsleiter durchgeleitet wird, wobei der erste Magnetfelddetektor eine Vielzahl von magnetoresistiven Elementen, die unter mindestens zwei Winkeln angeordnet sind, aufweist; wobei sich der eine oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter nahe an den magnetoresistiven Elementen befinden; in einer zweiten Phase des Sensorzyklus, Erzeugen des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, während eine zweite Stromstärke durch den einen oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter durchgeleitet wird, wobei sich die erste Stromstärke von der zweiten Stromstärke in ihrer Größe und/oder Richtung unterscheidet; und Bilden, über eine Differenzschaltung, einer Differenz zwischen einem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der ersten Phase auftritt, und einem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der zweiten Phase auftritt, um das Magnetfeld zu erfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nur auf dem Wege von nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Magnetfeldrichtungsdetektors ist;
2 eine Ersatzschaltung des in 1 veranschaulichten Detektors ist;
3 ein Querschnitt entlang der Linie A-A' von 1 ist;
4 ein Vektordiagramm ist, das die Vektoraddition eines Störmagnetfelds an jedem Magnetowiderstand zu einem Magnetfeld, dessen Richtung gemessen werden soll, zeigt;
5 ein Diagramm ist, das ein Referenzsystem zum Messen einer Richtung zwischen einem Magnetfeld und einer Richtung des Stromflusses in einem Magnetowiderstand zeigt.
6 eine Kurve ist, die Widerstandsvariationen als Funktion des Winkels des gemessenen Magnetfelds zu einer Richtung des Stromflusses zeigt;
7 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Magnetfeldrichtungsdetektors ist;
8 eine Draufsicht eines Leiters ist, der als ein Störungsgenerator für einen Quadrantendetektor fungiert, der eine Ausführungsform der Erfindung begründet;
9 eine Draufsicht des Störungsgenerators von 8 mit der Position der Magnetowiderstände und deren darstellerisch überlagerten Verschaltungen ist;
10 ein Diagramm ist, das schematisch die Richtungen störender Magnetfelder an den Magnetowiderständen von 9 veranschaulicht;
11 ein Diagramm ist, das für jeden Quadranten, von dem ein Magnetfeld ausgeht, die Ausgabe der zwei Richtungsdetektoren zeigt;
12 ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform ist und die relativen Richtungen eines störenden magnetischen Flusses zeigt;
13 ein Diagramm ist, das die Richtungsungewissheit an einem magnetoresistiven Sensor in einem Magnetwinkelrichtungsdetektor zeigt;
14 schematisch einen anisotropen magnetoresistiven Brücken-Magnetwinkelsensor veranschaulicht;
15 schematisch einen Zwei-Brücken-Magnetwinkelpositionssensor veranschaulicht;
16 eine Kurve ist, die Ausgangsspannung gegenüber einem Winkel über jeder Brücke eines Zwei-Brücken-Magnetwinkelpositionssensors repräsentiert;
17 eine Kurve ist, die die monotone Ausgabe eines Zwei-Brücken-Magnetwinkelsensors über einen begrenzten Winkelbereich, nachdem eine Signalverarbeitung stattgefunden hat, zeigt;
18 eine schematische Draufsicht einer weiteren Konfiguration eines Störungsgenerators ist;
19 ein Schaltbild für eine Ausführungsform eines Magnetfeldrichtungsdetektors, der einen einzigen Magnetowiderstand verwendet, ist;
20 eine Anordnung von Magnetowiderständen für einen Quadrantendetektor mit Harmonischenauslöschung veranschaulicht;
21 eine relativ kompakte Anordnung von magnetoresistiven Elementen für einen Quadrantendetektor oder -schalter veranschaulicht;
22 elektrische Verbindungen für die magnetoresistiven Elemente des Quadrantendetektors von 21 veranschaulicht;
23 einen Vormagnetisierungsleiter veranschaulicht, der verwendet werden kann zum Erzeugen einer Vormagnetisierung zum Stören des Magnetfelds für die magnetoresistiven Elemente des Quadrantendetektors von 21;
24 Simulationsergebnisse für den Quadrantendetektor veranschaulicht;
25 eine Anordnung von Magnetowiderständen für einen Magnetfeldrichtungs- oder -winkeldetektor veranschaulicht;
26 eine relativ kompakte Anordnung von magnetoresistiven Elementen für einen Magnetfeldrichtungs- oder -winkeldetektor veranschaulicht;
27 elektrische Verbindungen für die magnetoresistiven Elemente des Magnetfeldrichtungsdetektors von 26 veranschaulicht;
28 einen Vormagnetisierungsleiter veranschaulicht, der verwendet werden kann zum Erzeugen einer Vormagnetisierung zum Stören des Magnetfelds für die magnetoresistiven Elemente des Magnetfeldrichtungsdetektors;
29 Simulationsergebnisse für den Magnetfeldrichtungsdetektor der 25–28 veranschaulicht;
30 ein Beispiel für ein magnetoresistives Element mit relativ langen und schmalen Streifen veranschaulicht;
31 ein Beispiel für ein magnetoresistives Element mit relativ kurzen und breiten Streifen veranschaulicht;
32 Messergebnisse für einen Magnetfeldrichtungsdetektor mit 2 μm breiten magnetoresistiven Elementstreifen veranschaulicht;
33 Messergebnisse für einen Magnetfeldrichtungsdetektor mit 4 μm breiten magnetoresistiven Elementstreifen veranschaulicht;
34 Simulationsergebnisse eines Magnetfeldrichtungsdetektors mit magnetoresistiven Elementstreifen, die unter +60,5 Grad, +35,5 Grad, +24,5 Grad und +0,5 Grad angeordnet sind, veranschaulicht;
35 Simulationsergebnisse eines Magnetfeldrichtungsdetektors mit magnetoresistiven Elementstreifen, die unter ±60,2 Grad, ±35,5 Grad, ±24,2935 Grad und ±0,5 Grad angeordnet sind, veranschaulicht;
36 Simulationsergebnisse einer Halbbrücke eines Magnetfelddetektors mit positiven und negativen Vormagnetisierungsstromrichtungen (Biasstromrichtungen) veranschaulicht;
37 und 38 Diagramme von Magnetfelddetektoren veranschaulichen, die DC-Nullpunktverschiebungs-Korrekturschaltungen beinhalten;
39 eine perspektivische Ansicht eines Längendetektors und eine Magnetskala veranschaulicht;
40 eine detailliertere perspektivische Ansicht des Längendetektors und der Magnetskala veranschaulicht;
41 eine Anordnung von magnetoresistiven Elementen und beispielhaften Feldrichtungen für den Längendetektor veranschaulicht;
42 eine Anordnung von magnetoresistiven Elementen und assoziierten Verbindungen für den Längendetektor veranschaulicht;
43 einen Vormagnetisierungsleiter veranschaulicht, der verwendet werden kann zum Erzeugen einer Vormagnetisierung zum Stören des Magnetfelds für die magnetoresistiven Elemente des Längendetektors;
44 ein schematisches Diagramm für den Längendetektor veranschaulicht;
45 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform für einen Längendetektor veranschaulicht;
46 eine Anordnung von magnetoresistiven Elementen und beispielhaften Feldrichtungen für die alternative Ausführungsform des Längendetektors veranschaulicht;
47 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Detektors, der in einer integrierten Schaltung umgesetzt ist, veranschaulicht; und
48 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Detektors, der in einer integrierten Schaltung umgesetzt ist, veranschaulicht.
Ausführliche Beschreibung spezieller Ausführungsformen
Diverse Aspekte der neuen Systeme, Einrichtungen und Verfahren werden unten ausführlicher unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Aspekte dieser Offenbarung können jedoch in vielen unterschiedlichen Formen umgesetzt werden und sollten nicht als auf irgendeine spezifische Struktur oder Funktion, die in dieser Offenbarung durchweg präsentiert werden, begrenzt ausgelegt werden. Diese Aspekte werden vielmehr bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und dem Fachmann den Schutzumfang der Offenbarung vollständig vermittelt. Basierend auf den hier gegebenen Lehren, sollte ein Fachmann verstehen, dass der Schutzumfang der Offenbarung bezweckt, irgendwelche Aspekte der neuen hier offenbarten Systeme, Einrichtungen oder Verfahren abzudecken, ob sie nun unabhängig oder kombiniert mit irgendeinem anderen Aspekt umgesetzt werden. Eine Einrichtung kann zum Beispiel umgesetzt oder ein Verfahren praktiziert werden, indem irgendeine Anzahl der hier dargelegten Aspekte verwendet wird. Zusätzlich soll der Schutzumfang eine solche Einrichtung oder ein solches Verfahren einschließen, die/das unter Verwenden einer anderen Struktur, Funktionalität oder Struktur und Funktionalität zusätzlich zu den oder anderen als den diversen hier dargelegten Aspekten praktiziert wird. Es versteht sich, dass irgendein hier offenbarter Aspekt durch ein oder mehrere Elemente eines Anspruchs verkörpert werden kann.
Obgleich hier besondere Aspekte beschrieben werden, fallen viele Varianten und Permutationen dieser Aspekte in den Schutzumfang der Offenbarung. Obgleich einige Nutzen und Vorteile der bevorzugten Aspekte erwähnt werden, soll der Schutzumfang der Offenbarung nicht auf besondere Nutzen, Verwendungen oder Zielsetzungen begrenzt sein. Aspekte der Offenbarung sind vielmehr dafür gedacht, umfassend auf unterschiedliche Systeme und Technologien anwendbar zu sein, von denen einige beispielhaft in den Figuren und in der folgenden Beschreibung der bevorzugten Aspekte veranschaulicht sind. Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen veranschaulichen lediglich die Offenbarung und schränken diese nicht ein, wobei der Schutzumfang der Offenbarung durch die angehängten Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.
In dieser Beschreibung wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen gleiche Bezugszeichen identische oder funktional ähnliche Elemente angeben können. Es versteht sich, dass Elemente, die in den Figuren veranschaulicht sind, nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet sind. Außerdem versteht sich, dass bestimmte Ausführungsformen mehr Elemente als in einer Zeichnung veranschaulicht und/oder eine Untermenge der in einer Zeichnung veranschaulichten Elemente aufweisen können. Ferner können einige Ausführungsformen irgendeine geeignete Kombination von Merkmalen aus zwei oder mehr Zeichnungen einschließen.
1 ist eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines Magnetfeldrichtungsdetektors. Der Magnetfeldrichtungsdetektor 10 umfasst erste bis vierte Magnetowiderstände 12, 14, 16 und 18, die jeweils Widerstandswerte R1 bis R4 aufweisen. Der erste und der zweite Magnetowiderstand 12 und 14 sind in Reihe zwischen einen ersten Referenzknoten 20 und einen zweiten Referenzknoten 22 geschaltet. Aus Bequemlichkeitsgründen kann der Referenzknoten 20 im Betrieb so beschaltet sein, eine erste Referenzspannung Vref+ zu erhalten, und der zweite Referenzknoten kann eine zweite Referenz Vref– erhalten. Diese Spannungen werden vorteilhafterweise von stabilisierten Spannungsreferenzen bereitgestellt. Unter Umständen, bei denen die Referenzspannungen Vref+ und Vref– gut kontrolliert werden, muss ein Richtungsdetektor nur einen des ersten und des zweiten Magnetowiderstands 12 und 14 aufweisen. Allerdings ist es für größere Immunität gegenüber Spannungsschwankungen, Detektortemperaturdrift und für erhöhte Empfindlichkeit vorteilhaft, den dritten und den vierten Widerstand 16 und 18 vorzusehen, um somit eine Brückenkonfiguration zu bilden, wie in 2 gezeigt ist.
Nehmen wir nun Bezug auf 2, wo die Brücke durch Verbinden eines ersten Endes des ersten Magnetowiderstands 12 mit dem ersten Referenzknoten 20 und eines zweiten Endes mit einem ersten Ausgangsknoten 30 und mit einem ersten Ende des zweiten Magnetowiderstands 14 gebildet ist. Ein zweites Ende des zweiten Magnetowiderstands 14 ist mit dem zweiten Spannungsreferenzknoten 22 verbunden.
Gleichermaßen ist ein erstes Ende des vierten Widerstands 18 mit dem ersten Referenzknoten 20 verbunden. Ein zweites Ende des vierten Widerstands ist mit einem zweiten Ausgangsknoten 32 und mit einem ersten Ende des dritten Magnetowiderstands 16 verbunden. Ein zweites Ende des dritten Magnetowiderstands 16 ist mit dem zweiten Referenzknoten 22 verbunden.
Im Gebrauch können die Ausgangsspannungen des ersten und des zweiten Ausgangsknotens miteinander verglichen werden, um zu bestimmen, ob das Magnetfeld eine Komponente aufweist, die in einer ersten Richtung liegt, durch einen Pfeil 40 (1) gekennzeichnet, oder in einer zweiten Richtung 42, die der ersten Richtung 40 entgegengesetzt ist. Somit reagiert der Sensor auf die Richtung eines Magnetfelds bezüglich einer Detektionsachse 44 und wirkt zum Bestimmen, ob das Magnetfeld eine Feldkomponente von einer ersten Seite oder einer zweiten Seite der Detektionsachse aufweist. Der Vergleich kann von einem Komparator oder einem Differenzverstärker 34 vorgenommen werden.
Der erste bis vierte Magnetowiderstand 12 bis 18 sind in einer ersten Ebene angeordnet, die gegenüber einer zweiten Ebene versetzt ist, die einen Störungsgenerator zum Stören des Magnetfelds an den Magnetowiderständen trägt. Der Störungsgenerator kann ein magnetisiertes Stück Material sein, um somit ein permanentes Feld zu erzeugen. Allerdings ist es im Kontext von integrierten Schaltungen häufig bequemer, einen elektrischen Strom zu verwenden, der in einem Leiter fließt, um die Störung zu verursachen. Dies hat den Vorteil, dass die Größe und die Richtung der Störung mittels der Treiberschaltung geändert werden können. Dies ist nützlich, wenn die Empfindlichkeit des Magnetfeldrichtungsdetektors bestimmt wird oder wenn Schritte zum Verbessern der Signalverarbeitung durchgerührt werden, wie etwa Autonullabgleichhandlungen zum Messen und/oder Kompensieren von Nullpunktverschiebungen, die in Verstärkern oder Komparatoren auftreten, die mit den Ausgangsanschlüssen 30 und 32 verbunden sind.
3 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A' von 1 und zeigt den ersten und den zweiten Magnetowiderstand 12 und 14 und den Störungsgenerator 50, der von einem leitenden Element gebildet wird. Das leitende Element ist über einem Substrat, wie etwa einem Siliciumsubstrat 52 oder einer Schicht eines Isolators ausgebildet, wie etwa Polyamid über einem Siliciumsubstrat. Das leitende Element ist selbst von einem Isolator 54, wie etwa Polyamid, umgeben und in diesem eingebettet. Der Isolator 54 kann während der Herstellung des Magnetfeldrichtungsdetektors planarisiert werden, um somit eine ebene Oberfläche 56 zu bilden, über der die Magnetowiderstände 12 und 14 abgeschieden werden. Die Widerstände werden dann in einer Schutzschicht 58 eingeschlossen, um sie vor Umweltbeschädigung zu schützen.
Diese Schritte erscheinen dem Fachmann auf dem Gebiet der Bauelementeherstellung konventionell und müssen daher hier nicht beschrieben werden. Man kann erkennen, dass mit den wie in 3 gezeigt positionierten Magnetowiderständen diese aufgrund des in dem Leiter des Störungsgenerators 50 fließenden Stroms einem magnetischen Fluss ausgesetzt werden.
Kehren wir nun zu 1 zurück, wo beobachtet werden kann, dass der Störungsgenerator 50 einen gefalteten Pfad aufweist, so dass, falls der unter dem ersten Magnetowiderstand 12 fließende Strom eine erste Richtung aufweist (beispielsweise aufwärts, wie in 1 gezeigt ist, und in die Ebene der Seite von 3), der unter dem zweiten Magnetowiderstand 14 fließende Strom in einer entgegengesetzten Richtung (die Seite von 1 herunter und aus der Ebene von 3 heraus) fließt. Somit treten an dem ersten Magnetowiderstand 12 und dem zweiten Magnetowiderstand 14 unterschiedliche Störmagnetfelder auf, wenn der Störungsgenerator 50 einen Strom führt.
Genau derselbe Effekt tritt auch an dem dritten und vierten Widerstand 16 und 18 auf.
4 zeigt schematisch die Vektoraddition des Störmagnetfelds mit einem äußeren Magnetfeld, das eine Stärke und Richtung aufweist, die durch den Vektor „H” veranschaulicht werden. Die Störung an jedem Magnetowiderstand wird durch den Vektor H_p repräsentiert. In jedem Fall wurde die Größe H_p als dieselbe für jeden Magnetowiderstand gezeigt, wobei allerdings die Richtung für den ersten und den dritten Magnetowiderstand der für den zweiten und den vierten Magnetowiderstand entgegengesetzt ist.
Die resultierende Vektorsumme ist für jeden Widerstand 12, 14, 16 und 18 als „M” gekennzeichnet, und man sieht, dass sich die Richtung des resultierenden Felds M₁ für den ersten Widerstand 12 um einen ersten Winkel θ₁ geändert hat, der sich von der des resultierenden Felds M₂ für den zweiten Magnetowiderstand 14 unterscheidet, die sich um einen zweiten Winkel 82 geändert hat. Auch können sich die Größen der Vektorsummen M₁ und M₂ unterscheiden, was aber nicht so deutlich gezeigt ist.
Die Änderung der Magnetfeldrichtung und -stärke beeinflusst jeweils die Widerstandswerte R1 bis R4 des ersten bis vierten Magnetowiderstands 12, 14, 16 und 18 und jede Vektorsumme ist um einen jeweiligen Winkel θ₁ bis θ₄ relativ zu H gedreht.
5 veranschaulicht ein Referenzsystem, das den Winkel φ zwischen der Richtung des Stromflusses in einem länglichen und linearen Magnetowiderstand 60 definiert, und einen Magnetowiderstand-Magnetisierungsvektor M, der aus einem Umgebungsmagnetfeld H resultiert, und 6 ist eine Grafik, die zeigt, wie der spezifische Widerstand ρ im Volumen des Magnetowiderstands mit φ variiert. Dem Fachmann ist bekannt, dass ein hinreichend großes Magnetfeld H den Magnetisierungsvektor M veranlasst, sich an H auszurichten. Dies ist der Betriebsmodus, der in Winkelfeldsensoren verwendet wird.
Die bemerkenswerten Merkmale sind, dass ρ (rho) bei ±90° minimal ist und dass die Antwort um +90° symmetrisch ist. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um die effektive Länge des Magnetowiderstands zu erhöhen und somit die Empfindlichkeit zu erhöhen, dadurch, dass es ermöglicht wird, einen magnetoresistiven Sensor aus magnetoresistiven Elementen zu bilden, die entgegengesetzte Richtungen des Stromflusses aufweisen, wie später erörtert werden wird.
Anhand des Vergleichs der 4 und 6 wird deutlich, dass der Widerstandswert R1 des ersten Magnetowiderstands 12 in einem anderen Ausmaß als der, R2, des zweiten Magnetowiderstands 14 geändert werden wird. In dem in 4 veranschaulichten Beispiel ist M₂ bei einem größeren Winkel ρ (rho) als M₁ und somit ist R2 < R1, unter der Annahme, dass R1 = R2 ist, wenn keinerlei Magnetfeld vorhanden ist. Gleichermaßen ist R4 < R3. Demzufolge gilt für diese Widerstände in einer Brückenkonfiguration, wie in 2 gezeigt, Vout₂ > Vout₁, falls das Magnetfeld eine Komponente in der ersten Richtung 40 aufweist, wohingegen Vout₂ < Vout₁ ist, falls das Magnetfeld eine Komponente in der zweiten Richtung 42 aufweisen.
Die Stärke der magnetoresistiven Antwort kann durch Verwendung von Widerständen erhöht werden, die eine vergrößerte „Länge” im Vergleich zu deren „Breite” aufweisen. Dies kann durch Ausbilden eines Mäander- oder Schlangenmusters in dem Material, das die Magnetowiderstände bildet, erreicht werden oder durch Ausbilden jedes Magnetowiderstands aus einigen in Reihe geschalteten Streifen oder Elementen des magnetoresistiven Materials. Die Streifen oder Elemente aus magnetoresistivem Material können parallel zueinander abgeschieden werden.
7 zeigt in vereinfachter Form einen Magnetfeldrichtungsdetektor, bei dem nunmehr jeder Magnetowiderstand eine Vielzahl von verschalteten magnetoresistiven Elementen umfasst. Vergleicht man 7 mit 1, so umfasst der erste Magnetowiderstand 12 nunmehr zwei magnetoresistive Elemente 12-1 und 12-2, die mittels einer metallischen Verbindung 71 miteinander verbunden sind, die über dem magnetoresistiven Material ausgebildet sein kann oder in einer Schicht, die zwischen dem Leiter des Störungsgenerators 50 und den magnetoresistiven Elementen liegt, ausgebildet sein kann oder ein Teil des magnetoresistiven Materials sein kann.
Die anderen Magnetowiderstände sind auf ähnliche Weise durch magnetoresistive Elemente 14-1, 14-2; 16-1, 16-2; 18-1 und 18-2 ausgebildet.
Obwohl der Stromfluss innerhalb des magnetoresistiven Elements 12-2 in entgegengesetzter Richtung verläuft, im Vergleich zum Stromfluss in Element 12-1, so bedeutet die Symmetrie der spezifischen Widerstandscharakteristik um die 90°-Richtung herum, dass die Antwort der zwei Elemente identisch ist. Jeder Magnetowiderstand 12, 14, 16 und 18 kann aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementen erstellt sein, z. B. zwei, drei, vier, fünf usw. Der Widerstandswert und somit die Widerstandswertänderung skaliert mit der Anzahl resistiver Elemente.
Die resistiven Elemente sind als lineare Elemente gezeichnet worden, da dies sowohl die einfachste Konfiguration ist als auch als die wahrscheinlichste angesehen wird, wobei die Erfindung allerdings nicht so beschränkt ist. Selbst wenn von dem äußeren Magnetfeld angenommen wird, dass es im Wesentlichen von linearer Richtung über die räumliche Ausdehnung des Richtungsdetektors hinweg ist, können die Magnetowiderstände und die diese ausbildenden magnetoresistiven Elemente andere Geometrien ausbilden, wie etwa gekrümmt oder zickzack. Dies kann das Packen des Magnetfeldrichtungsdetektors auf ein Die, das andere Komponenten enthält, verbessern.
Zwei Magnetfeldrichtungsdetektoren können verwendet werden, um einen Quadrantendetektor zu bilden, wie nun beschrieben wird.
8 zeigt den Pfad eines gemeinsam genutzten Störungsgenerators, der einen Störungsgenerator 50 mit einem einzelnen Leiter zum Erzeugen der magnetischen Störung in einem ersten Richtungsdetektor 100, der eine Detektionsachse entlang der Richtung des Pfeils 102 aufweist, und eine, zweiten Richtungsdetektor 104, der eine Detektionsachse entlang der Richtung des Pfeils 106 aufweist, umfasst. Somit können die Größe und die Richtung des Störfelds gleichzeitig in beiden Magnetfeldrichtungsdetektoren gesteuert werden. 9 ist der 8 ähnlich, aber gibt auch schematisch die Positionen des ersten bis vierten Magnetowiderstands in jedem Richtungsdetektor 100 und 104 an (die Magnetowiderstände können aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementen bestehen, wie mit Bezug auf 7 beschrieben ist).
Ein nicht gezeigter Komparator kann mit dem ersten und dem zweiten Ausgang des ersten Richtungsdetektors 100 verbunden sein zum Vergleichen von V₁₁ relativ zu V₁₂. Gleichermaßen kann ein mit den Ausgängen der zweiten Brücke 104 verbundener Komparator V₂₁ relativ zu V₂₂ vergleichen.
10 zeigt die Richtungen der Störmagnetfelder, wenn der Leiter des Störungsgenerators 50 wie gezeigt bestromt wird und unter den Magnetowiderständen von 9 vergraben ist.
Es wird möglich, die relativen Größen von V₁₁ und V₁₂, und V₂₁ und V₂₂ abzubilden, wenn sich das Magnetfeld von links nach rechts oder von rechts nach links in der in 11 veranschaulichten x-y-Ebene bewegt, wo die Detektionsachsen 102 und 106 derart veranschaulicht sind, dass sie der in 10 gezeigten Richtung entsprechen.
Somit liegt die Auswirkung der Störung auf ein sich von links nach rechts bewegendes Feld darin, V₁₁ > V₁₂ zu machen.
Der zweite Richtungsdetektor schaut darauf, ob sich das Feld in dem in 11 gezeigten Koordinatensystem aufwärts oder abwärts bewegt. Falls sich das Feld aufwärts bewegt, gilt V₂₁ > V₂₂.
Falls die Komparatoren derart angeordnet sind, dass V₁₁ > V₁₂ = 1, V₁₁ < V₁₂ = 0; V₂₁ > V₂₂ = 1 und V₂₁ < V₂₂ = 0 ist, dann kann die Richtung des Magnetfelds als ein Zwei-Bit-Wort repräsentiert werden, wie ebenfalls in 11 gezeigt ist.
Somit wird in diesem Beispiel ein Magnetfeld, das vom Bewegungsursprung in die 0°- bis 90°-Richtung ausgeht, durch 1,1 repräsentiert. In der 90° bis 180°-Richtung wird es durch 1,0 repräsentiert und so fort. Die Vorzeichen der Komparatorausgänge können durch Abändern der Eingangsverbindungen auf V₁₁ und V₁₂, und auf V₂₁ und V₂₂, und/oder durch Umkehren der Polarität des Stroms, der in dem Störungsgenerator 50 fließt, geändert werden (8, 9 und 10).
Es ist offensichtlich, dass zwei um 45° versetzte Quadrantendetektoren verwendet werden könnten, um die Richtung eines Magnetfelds innerhalb eines Sektors, der ¹/₈ eines Kreises aufspannt, zu bestimmen. Mit einer Modifikation kann ein Detektor auch empfindlich für Magnetfeldrichtungen senkrecht zur Ebene, in der die Magnetowiderstände ausgebildet sind, sein. Eine derartige Anordnung ist schematisch in 12 veranschaulicht.
Wie in 12 gezeigt ist, ist ein Leiter 150 über einem Substrat 152 ausgebildet und innerhalb eines Isolators 154 eingebettet. Der erste und der zweite Magnetowiderstand 160 und 162 (entsprechend den Magnetowiderständen 12 und 14 von 1) sind über der Schicht 154 ausgebildet und auf beiden Seiten des Leiters 150 seitlich verschoben.
Die Linien des vom Stromfluss im Leiter 150 hervorgerufenen magnetischen Flusses 156 (konventionelle Stromflussrichtung in die Ebene von 12) sind veranschaulicht. Das Störfeld weist eine Aufwärtskomponente am Magnetowiderstand 160 und eine Abwärtskomponente am Magnetowiderstand 162 auf. Dies ermöglicht Auftreten des Erfassens in der Richtung senkrecht zur Ebene der integrierten Schaltung, die die Magnetowiderstände trägt. Eine derartige Anordnung kann möglicherweise mit Formanisotropie des Magnetowiderstands, die sich daraus ergibt, dass das Material in der Z-Richtung dünn ist, konkurrieren. Als ein Ergebnis dieser Anisotropie kann die Empfindlichkeit dieser Ausführungsform begrenzt sein, so dass sie die Anwesenheit eines starken Magnetfelds benötigt und/oder die Magnetowiderstände mit zusätzlicher Dicke in der Z-Richtung ausgebildet werden müssen.
Der Quadrantendetektor kann verwendet werden zum Erweitern der Ausgabe von den Magnetwinkelrichtungsdetektoren unter Verwendung anisotropen Magnetowiderstands. Derartige Sensoren werden auch aus Streifen magnetoresistiven Materials hergestellt, das Magnetowiderstände ausbildet, verfügen allerdings nicht über einen Störungsgenerator. Um die Grenzen von AMR-Elementen als Rotationsdetektoren zu verstehen, wenn beispielsweise ein Stabmagnet auf einer Welle getragen wird, um somit die Winkelrotation einer Welle zu messen, sollte man 13 beachten, die die Daten von 6 darstellt, allerdings verdeutlicht, dass es vier Richtungen der Magnetfeldrichtung M relativ zur Längsachse eines Magnetowiderstands gibt, die identische spezifische Widerstände ergeben und somit identische Widerstandswerte.
Diese Winkelmehrdeutigkeit bleibt unverändert, wenn die Magnetowiderstände in einem Brückenarray des in 14 schematisch veranschaulichten Typs platziert werden. Hier sind die magnetoresistiven Elemente in vier Blöcken parallel zueinander ausgelegt, um eine Widerstandsbrücke zu bilden. Somit bilden die sieben innerhalb des Bereichs 180 enthaltenen magnetoresistiven Elemente einen einzelnen Magnetowiderstand. Die Bereiche 182, 184 und 186 bilden andere Magnetowiderstände, die dann in einer Brückenkonfiguration platziert werden, so dass die Magnetowiderstände 180 und 186 zusammenwirken, um ein Glied der Brücke zu bilden, und die Magnetowiderstände 182 und 184 zusammenwirken, um das andere Glied der Brücke zu bilden.
In bekannten Winkelpositionssensoren sind bekanntlich zwei magnetoresistive Brückenkonfigurationen 190 und 192 ausgebildet, wobei eine Brücke um 45° relativ zur anderen Brücke verdreht ist, wie in 15 gezeigt ist. Für jede Brücke kann ein Ausgangssignal Vout = Vout – a – Vout – b gebildet werden. Diese Antworten für die erste Brücke 190 und die zweite Brücke 192 sind in 16 jeweils als Vout_bridge1 und Vout_bridge2 veranschaulicht.
Die Ausgabe der Brücken kann kombiniert werden, wie unten in Gl. 1 gezeigt ist. Output angle = 0,5arctan2(Vout_bridge1, Vout_bridge2)
Die Ausgabe ist in 17 gezeigt und ist im Bereich von –90° < X < 90° monoton, wobei X die Richtung des Magnetfelds relativ zu einer Messachse der ersten Brücke 190 repräsentiert. Somit gibt es weiter eine Mehrdeutigkeit, beispielsweise zwischen –45° und +135°. Allerdings kann die Winkelungewissheit durch Einbeziehen eines Quadrantendetektors, wie er hier beschrieben wird, behoben werden und es ergibt sich eine nichtmehrdeutige Ausgabe.
Wie zuvor angemerkt, müssen die Elemente des Quadrantendetektors oder die einzelnen Richtungsdetektoren, die diese bilden, keine geraden oder linearen Elemente sein. Gleichermaßen müssen die einzelnen Widerstände eines Detektors nicht nebeneinander platziert sein, sondern können über einem Substrat verteilt sein, um eine größere Packungsdichte zu erreichen. Gleichermaßen muss der zum Ausbilden der Magnetstörung verwendete Leiter nicht den hier offenbarten Pfaden folgen und kann beispielsweise in einem Spiralpfad ausgebildet sein.
18 zeigt einen modifizierten Magnetfelddetektor, bei dem jeder der Magnetowiderstände aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementen gebildet ist, die über entsprechenden Abschnitten des Störungsgenerators ausgebildet sind. Vergleicht man 18 mit 1, so ist der erste Widerstand 12 von 1 nun aus vier magnetoresistiven Elementen 200.1 bis 200.4 zusammengesetzt. Die magnetoresistiven Elemente 200.1 bis 200.4 sind relativ zueinander geneigt, um somit ein Zick-Zackmuster über einem Zick-Zack-Störungsgenerator aufzuweisen. Die anderen Magnetowiderstände werden auf ähnliche Weise ausgebildet.
Der Störungsleiter muss nicht permanent mit Strom versehen sein. Ein Winkelpositionssensor sollte in der Lage sein, eine laufende Schätzung einer Winkelposition zu behalten, womit es genügen sollte, den Quadrantendetektor oder tatsächlich nur einen Richtungsdetektor bei der Initialisierung und/oder periodisch zu Prüfzwecken hochzufahren.
19 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Anzahl von Magnetowiderständen verringert wurde; bei diesem Beispiel auf einen einzigen Widerstand 210, der nahe an einem Störungsgenerator 50 platziert ist, der selektiv von einer steuerbaren Stromsenke 214 (oder einer Stromquelle) bestromt werden kann. Der Strom durch den Magnetowiderstand kann auch durch eine Stromsenke 220, wie gezeigt, oder durch eine Stromquelle gesteuert werden. Bei Anwesenheit eines Magnetfelds mit einer Komponente quer zu einer Mess- oder Detektionsrichtung des Widerstands 210, veranlasst das Bestromen des Störungsgenerators, dass sich der Widerstandswert des Widerstands 210 entweder verringert oder erhöht, in Abhängigkeit von der Richtung des Magnetfelds. Dies verursacht eine Spannungsänderung am Knoten 222. Falls diese Änderung überwacht werden kann, kann die Richtung des Magnetfelds geschätzt werden. 19 zeigt eine Schaltung, die zum Überwachen der Spannungsänderung am Knoten 222 geeignet ist. Ein Kondensator 224 weist einen ersten Anschluss auf, der mit einem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 226 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des Kondensators ist mit einer lokalen Masse oder einer Versorgungsleitung 228 verbunden. Ein elektrisch gesteuerter Schalter 230, beispielsweise von einem FET gebildet, ist vorgesehen zum Verbinden des ersten Anschlusses des Kondensators 224 mit dem Knoten 222. Der invertierende Eingang des Verstärkers 226 ist über einen Widerstand mit dem Knoten 222 und über einen Widerstand 234 auch mit dem Ausgang des Verstärkers 226 verbunden. Diese Widerstände dienen der Definition der Verstärkung des Verstärkers 226.
Wenn der Schalter 230 geschlossen wird, kann sich der Kondensator auf die Spannung von Knoten 222 aufladen. Während dieser Zeit kann die Stromsenke 214 stromlos sein, so dass kein Strom in dem Störungsgenerator 50 fließt. Wenn gewünscht wird, die Richtung des Magnetfelds zu überprüfen, wird der Schalter 230 geöffnet, so dass die Spannung am Knoten 222 auf dem Kondensator 224 gehalten wird. Der Störungsgenerator wird dann bestromt, was den Widerstandswert des Widerstands 210 zu einer Änderung veranlasst und folglich die Spannung am Knoten 222 zu einer Änderung veranlasst. Diese neue Spannung wird dem invertierenden Eingang zugeführt, wo sie von dem Verstärker 226 mit dem unmittelbar vorhergehenden Wert verglichen wird und das Vorzeichen des Verstärkerausgangs die Richtung des Magnetfelds angibt. Der Verstärker 226 kann durch einen Komparator ersetzt und die Widerstände 232 und 234 gestrichen werden und der invertierende Eingang des Komparators kann direkt mit dem Knoten 222 verbunden werden.
Der Richtungsdetektor ist für die Integration innerhalb einer integrierten Schaltung, die Winkelpositionssensoren enthält, geeignet und unter gewissen Umständen kann dieselbe AMR-Brücke verwendet werden, um einen Teil eines Winkelrichtungsdetektors und des Richtungsdetektors zu bilden, d. h. ein semisphärischer oder Quadrantendetektor der vorliegenden Erfindung.
Eine Einrichtung und ein Verfahren zur Magnetfelddetektion mit einem magnetoresistiven Sensor und einem Leiter oder Störungsgenerator, die das Beheben der Richtungsungewissheit eines äußeren Magnetfelds ermöglichen, sind in der US-Anmeldung Nr. 13/655,059 („'059-Anmeldung”) mit dem Titel „MAGNETIC FIELD DIRECTION DETECTOR” offenbart, deren Gesamtheit hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Wie in der '059-Anmeldung offenbart ist, können magnetoresistive Sensoren einen begleitenden Störungsgenerator in einer isolierten Schicht unter oder über der Schicht, die magnetoresistive Sensoren enthält, aufweisen und der Störungsgenerator kann dafür ausgelegt sein, Ströme in unterschiedlichen Richtungen nahe an verschiedenen Streifen der magnetoresistiven Sensoren zu leiten. Der wie in der '059-Anmeldung offenbart implementierte Störungsgenerator erlaubt das Bestimmen desjenigen Quadranten, in dem sich die Richtung oder der Winkel eines äußeren Magnetfelds befindet, auf der Grundlage des Vergleichens der Ausgangswerte der verschiedenen Streifen, die von dem Leiter gestört werden. Wie ebenfalls in der '059-Anmeldung erörtert wird, kann der Richtungsdetektor mit dem Störungsgenerator mit magnetoresistiven Sensoren, die in einer Brückenkonfiguration ausgebildet sind, implementiert werden. Bei derartigen Beispielen ist ein erster Satz von magnetoresistiven Streifen in einer Richtung vorgesehen, der eine erste Detektionsachse aufweist, und ein zweiter Satz von magnetoresistiven Streifen ist in einer anderen Richtung vorgesehen, der eine zweite Detektionsachse aufweist, wobei die erste und die zweite Richtung annähernd senkrecht zueinander sein können. Der erste und der zweite Satz von magnetoresistiven Streifen können jeweils als Sinus-Brückenwiderstände und Kosinus-Brückenwiderstände bezeichnet werden.
Magnetsensoren, wie etwa anisotropisch-magnetoresistive (AMR) Sensoren, riesenmagnetoresistive (GMR), Tunnel-magnetoresistive (TMR) Sensoren oder sonstige andere magnetoresistive (XMR) Sensoren bieten jeweils verschiedene Vorteile beim Implementieren eines Magnetfelddetektors. Und Anwendungen, die unter Verwendung verschiedener Typen von Magnetsensoren implementiert wurden, können zum Messen unterschiedlicher Winkelbereiche eines äußeren Felds geeignet sein. Beispielsweise sind manche Anwendungen von AMR-Sensoren, die in einer Brücke ausgebildet sind, möglicherweise nur in der Lage, den Winkel eines äußeren Magnetfelds im Bereich von 0 bis 180 Grad zu bestimmen, da sich die Ausgaben von den AMR-Sensorbrücken alle 180 Grad wiederholen können. Gewisse Magnetfelddetektoren, die wie hier offenbart implementiert sind, erlauben einen vollen Bereich von 360 Grad für eine Winkeldetektion eines äußeren Magnetfelds mit einem relativ breiten magnetischen Fenster und relativ hoher Genauigkeit. Dies kann es den Sensoren ermöglichen, von Vorteilen gewisser magnetoresistiver Sensoren, wie etwa AMR-Sensoren, zu profitieren, während gewisse mit diesen Sensoren verbundene Nachteile überwunden werden.
Ein AMR-Quadrantendetektor kann einen AMR-Winkelpositionssensor ergänzen und dessen Bereich von 180 Grad auf eine volle Drehung von 360 Grad erweitern. Manche AMR-Winkelsensoren liefern ein Ausgangssignal, das einem Winkel eines äußeren Felds mit 2× erhöhter Phase entspricht, so dass für eine Magnetfeldrotation von 360 Grad 2 Perioden (720 Grad) eines Ausgangssignals geliefert werden. Von daher kann es eine Herausforderung sein, zu unterscheiden, ob der tatsächlich gemessene Winkel α oder α + 180 Grad ist.
Eine Reihe von Anwendungen kann von einer Fähigkeit zum Beheben dieser Mehrdeutigkeit profitieren. Eine in der '059-Anmeldung offenbarte Lösung involviert das Hinzufügen von 2 speziell designten AMR-Brücken (AMR-Quadrantendetektor), die im Normalbetrieb eine Null-Ausgabe aufweisen können, allerdings bei Vormagnetisierung mit einer Überlagerungs-„Spule”, die auch als ein Störungsgenerator oder ein Vormagnetisierungsleiter bekannt ist, eine Richtung des gemessenen Felds innerhalb eines Quadranten liefern würde. Es versteht sich, dass die „Spule” andere Gestalten als die einer Spule aufweisen kann und im Allgemeinen den magnetoresistiven Elementen benachbart sein kann. Diese zusätzlichen Informationen in Kombination mit einem AMR-Winkelsensor liefern einen Betriebsbereich von vollen 360 Grad. Der Quadrantendetektor kann im Wesentlichen auf demselben Prozess wie die Winkel-AMR-Brücken basieren und kann in gewissen Ausführungsformen mit nur 1 zusätzlichen metallischen Schicht implementiert werden. Demnach ist die Integration innerhalb eines einzigen Die möglich.
Wie hier offenbart ist, ist es möglich, durch Kippen der resistiven Streifenwinkel innerhalb des Quadrantendetektors der '059-Anmeldung (siehe 9 hierin), Einzelpunkt-Mehrdeutigkeit zu vermeiden, ohne dazu greifen zu müssen, sowohl einen Quadrantendetektor als auch einen Winkeldetektor zu verwenden. Es wird ebenfalls gezeigt, dass in einer Ausführungsform von resistiven Streifen eine sinusförmige Ausgabe mit einer Periode von 360 Grad erhalten werden kann. Darüber hinaus kann durch Wechseln der Polarität eines Ruhestroms die Brückennullpunktverschiebung (und deren Drift) mittels Signalverarbeitung detektiert, reduziert und/oder entfernt werden. Ferner kann eine relativ große Feldgröße eines angelegten Magnetfelds mittels dieser Anordnung zusätzlich zur Winkelrichtung des angelegten Magnetfelds gemessen werden. Dies kann signifikante Verwendungen bei Merkmalen Funktionaler Sicherheit aufweisen.
Ein Vorteil dieser vorgeschlagenen Lösung im Vergleich zu verschiedenen zusammengepackten Kombinationen von Sensoren verschiedener Technologien besteht darin, dass hier offenbarte Ausführungsformen denselben Prozess wie ein Typ eines Magnetsensors (z. B. ein AMR-Sensor) verwenden können. Demnach ist eine Integration auf demselben Die mit einer zusätzlichen metallischen Schicht möglich. Falls der Magnetsensor (z. B. AMR) monolithisch in einem ASIC integriert ist, fällt darüber hinaus die Anzahl von Dies in einer Zusammenstellung auf eins, verglichen mit mindestens drei bei manchen anderen Anwendungen. Bei manchen Implementierungen kann der Vormagnetisierungsstrom (Biasstrom) für die meiste Zeit ausgeschaltet sein, wenn keine Quadranteninformationen gewünscht sind, um Leistung zu sparen, und kann nur in vorgegebenen Intervallen oder auf Verlangen eingeschaltet werden.
20 veranschaulicht eine Beispielanordnung von magnetoresistiven Elementen oder Magnetowiderständen („Widerständen”) für einen Quadrantendetektor oder Schalter gemäß einer Ausführungsform und 24 veranschaulicht ein Ergebnis einer Sensorausgangssimulation für die Beispielanordnung. Wie in 20 veranschaulicht, sind die Sinus-Brückenwiderstandsstreifen unter variierenden Winkeln nicht parallel oder senkrecht zur Detektionsachse der Sinus-Brücke angeordnet. Gleichermaßen sind die Kosinus-Brückenwiderstandsstreifen unter variierenden Winkeln nicht parallel oder senkrecht zur Detektionsachse der Kosinus-Brücke angeordnet. Zwei Widerstände jeder Brücke können unter untereinander entgegengesetzten Winkeln (z. B. X° und –X°) ausgerichtet sein und zwei andere Widerstände jeder Brücke können unter verschiedenen, untereinander entgegengesetzten Winkeln (z. B. Y° und –Y°, wobei X nicht gleich Y ist), die sich von denen der zwei Widerstände unterscheiden, ausgerichtet sein. In dem veranschaulichten Beispiel sind die Sinus- und die Kosinus-Brückenstreifen jeweils unter –36°, –12°, 12° und 36° angeordnet, relativ zu deren jeweiligen Symmetrieachsen, die senkrecht zu deren jeweiligen Detektionsachsen sind.
Der veranschaulichte Quadrantendetektor 400 beinhaltet einen ersten Magnetfelddetektor 402 und einen zweiten Magnetfelddetektor 404. Für die Zwecke dieser Offenbarung sollen sich gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Merkmale beziehen, es sei denn, dass Anderes angegeben wird. Der erste Magnetfelddetektor 402 kann einer Sinus-Brücke entsprechen und der zweite Magnetfelddetektor 404 kann einer Kosinus-Brücke entsprechen. Bei einer Ausführungsform können die magnetoresistiven Elemente des zweiten Magnetfelddetektors 404 dieselbe allgemeine Anordnung wie die magnetoresistiven Elemente des ersten Magnetfelddetektors 402 aufweisen, sind allerdings um 90 Grad gegenüber der Anordnung des ersten Magnetfelddetektors 402 gedreht.
Der veranschaulichte erste Magnetfelddetektor 402 beinhaltet eine erste Gruppe von magnetoresistiven Elementen 412, eine zweite Gruppe von magnetoresistiven Elementen 414, eine dritte Gruppe von magnetoresistiven Elementen 416 und eine vierte Gruppe von magnetoresistiven Elementen 418. Als Referenzpunkt zum Beschreiben von Winkeln sind in 20 vier vertikale Achsen gezeigt. Diese Achsen werden als eine Referenzachse bezeichnet. In diesem Fall ist die Referenzachse orthogonal zu einer Detektionsachse, die für den ersten Magnetfelddetektor 402 von 20 horizontal sein würde.
Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der ersten Gruppe 412 sind dafür ausgelegt, Strom in einer ersten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse ist, die unter einem ersten Winkel α₁ relativ zu der Referenzachse steht. Der Strom kann auf verschiedene Arten dazu gezwungen werden, sich entlang der ersten Stromrichtung zu bewegen, wie etwa durch Ausbilden der magnetoresistiven Elemente in relativ langen und schmalen Streifen, die längenmäßig in der Richtung der ersten Stromrichtung verlaufen. Allerdings sind auch andere Wege möglich, da sich die Mehrheit des Stroms entlang des Pfades des geringsten Widerstands bewegen wird, und die magnetoresistiven Elemente können anders als relativ lang und dünn ausgeformt werden, wobei die Position der Kontakte die Richtung des Stromflusses vorgibt.
Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der zweiten Gruppe 414 sind dafür ausgelegt, Strom in einer zweiten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse ist, die unter einem zweiten Winkel α₂ relativ zu der Referenzachse steht. Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der dritten Gruppe 416 sind dafür ausgelegt, Strom in einer dritten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer dritten Achse ist, die unter einem dritten Winkel α₃ relativ zu der Referenzachse steht. Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der vierten Gruppe 418 sind dafür ausgelegt, Strom in einer vierten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer vierten Achse ist, die unter einem vierten Winkel α₄ relativ zu der Referenzachse steht.
Bei gewissen Ausführungsformen sind die Winkel α₁, α₂, α₃ und α₄ für den ersten Magnetfelddetektor 402 des Quadrantendetektors 400 derart ausgewählt, dass mindestens zwei gerade Harmonische in den Ausgangssignalen des ersten Magnetfelddetektors 402 und des zweiten Magnetfelddetektors 404 verringert werden oder deren Vorhandensein vorzugsweise ausgelöscht wird. Bei anderen Ausführungsformen können mehr als zwei gerade Harmonische durch Addieren zusätzlicher Gruppen von magnetoresistiven Elementen ausgelöscht oder verringert werden.
Beispiele für die Größen der Winkel α₁, α₂, α₃ und α₄ für den ersten Magnetfelddetektor 402 des Quadrantendetektors 400 können in einem breiten Bereich variieren. Bei manchen Ausführungsformen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃ und α₄ jeweils innerhalb eines Bereichs von –39 bis –33 Grad, –15 bis –9 Grad, 9 bis 15 Grad und 33 bis 39 Grad. Bei manchen Ausführungsformen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃ und α₄ jeweils innerhalb eines Bereichs von –38 bis –34 Grad, –14 bis –10 Grad, 10 bis 14 Grad und 34 bis 38 Grad. Bei anderen Ausführungsformen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃ und α₄ jeweils bei etwa –36, –12, 12 und 36 Grad.
21 veranschaulicht eine relativ kompakte Anordnung von magnetoresistiven Elementen für den Quadrantendetektor 400. Die magnetoresistiven Elemente des ersten Magnetfelddetektors 402 und des zweiten Magnetfelddetektors 404 für 21 liegen unter denselben Winkeln wie jene von 20, wurden allerdings für ein praktischeres, platzsparendes Layout umgeordnet. Bei gewissen Ausführungsformen kann der Quadrantendetektor 400 eine asymmetrische Konfiguration aufweisen und beinhaltet den ersten Magnetfelddetektor 402 und den zweiten Magnetfelddetektor 404. Bei anderen Ausführungsformen kann der Quadrantendetektor 400 eine differentielle Konfiguration aufweisen und beinhaltet den ersten Magnetfelddetektor 402, den zweiten Magnetfelddetektor 404, einen dritten Magnetfelddetektor 406 und einen vierten Magnetfelddetektor 408. Zum differentiellen Betrieb sollten der dritte Magnetfelddetektor 406 und der vierte Magnetfelddetektor 408 derart angeordnet sein, dass die magnetoresistiven Elemente jeweils gegenüber den magnetoresistiven Elementen des ersten Magnetfelddetektors 402 und des zweiten Magnetfelddetektors 404 um etwa 180 Grad gedreht sind.
22 veranschaulicht elektrische Verbindungen für die magnetoresistiven Elemente des Quadrantendetektors von 21. Die als COS1, SIN1, COS2, SIN2 gekennzeichneten Anschlüsse oder Bondfelder können jeweils einem ersten Sensorausgangssignal, einem zweiten Sensorausgangssignal, einem dritten Sensorausgangssignal und einem vierten Sensorausgangssignal entsprechen. Jedes dieser Signale (COS1, SIN1, COS2, SIN2) ist eine Ausgabe einer Halbbrücke. Diese Signale können in digitale umgewandelt und in der Digitaldomäne analysiert werden oder sie können eingangs in der Analogdomäne beispielsweise mit einem Differenzverstärker kombiniert werden. Beispielsweise kann beim differentiellen Betrieb ein Differenzverstärker verwendet werden, um das erste Sensorausgangssignal COS1 von dem dritten Sensorausgangssignal COS2 zu subtrahieren, und ein weiterer Differenzverstärker kann verwendet werden, um das zweite Sensorausgangssignal SIN1 vom vierten Sensorausgangssignal SIN2 zu subtrahieren. Die Ergebnisse der Subtraktionsoperation können ins Digitale umgewandelt und der Quadrant über Analyse der Vorzeichen (positiv oder negativ) oder unter Bezugnahme auf eine Nachschlagtabelle bestimmt werden.
23 veranschaulicht einen Vormagnetisierungsleiter 440, der verwendet werden kann zum Erzeugen einer Vormagnetisierung zum Stören des Magnetfelds. Der Vormagnetisierungsleiter kann auf eine Vielzahl von Wegen implementiert werden. Beispielsweise kann der Vormagnetisierungsleiter durch eine Einzelschicht oder durch mehrere Schichten implementiert sein. Weniger Schichten haben den Vorteil geringerer Kosten, wohingegen mehrere hintereinandergeschaltete Schichten Leistungseinsparungen bieten können, da derselbe Strom durch mehrere Schichten durchgeleitet werden und ein stärkeres Magnetfeld für eine vorgegebene Stromstärke erzeugen kann. Diese Schichten können beispielsweise über und/oder unter der Schicht der magnetoresistiven Elemente liegen. Bei einem Beispiel ist der Vormagnetisierungsleiter in einer Schicht über und einer Schicht unter den magnetoresistiven Elementen implementiert. Bei einem anderen Beispiel ist der Vormagnetisierungsleiter in zwei Schichten über und zwei Schichten unter den magnetoresistiven Elementen implementiert. Andere Varianten sind anwendbar. Es sei auch angemerkt, dass andere Wege des Bereitstellens eines Störmagnetfelds anwendbar sind. Beispielsweise kann statt des Erzeugens eines Magnetfelds über elektrischen Strom alternativ ein Permanentmagnet verwendet werden.
24 veranschaulicht Simulationsergebnisse der Sensorausgänge des Quadrantendetektors der 20–23. Die folgenden Bedingungen gelten für die Simulation. Wie oben beschrieben beinhaltet die in 20 veranschaulichte Beispielanordnung magnetoresistive Streifen, die unter –36°, –12°, 12° und 36° bezüglich deren jeweiligen Symmetrieachsen angeordnet sind. Die magnetoresistiven Streifen in diesem Beispiel sind mit AMR-Sensorstreifen implementiert, die Abmessungen von ungefähr 2 Mikrometern (μm) in der Breite und 10 Nanometern (nm) in der Dicke aufweisen. Der Vormagnetisierungsleiter 440 oder Störungsgenerator in diesem Beispiel weist die Abmessungen von ungefähr 3 μm in der Breite und 1 μm in der Dicke auf und befindet sich ungefähr 1 μm von der Schicht, die die AMR-Sensorstreifen enthält, entfernt. Andere Abmessungen sind anwendbar und werden von einem Durchschnittsfachmann sofort erfasst werden. Das Magnetfeld an einem magnetoresistiven Element, das durch Durchleiten eines Stroms von 10 Milliampere (mA) durch den Vormagnetisierungsleiter 440 erhalten wird, beträgt etwa 800 Ampere/Meter (A/m). Ausgangssignalpegel bei 10 mA liegen bei 0,174 mV/V. Eine AMR-Streifenlänge zum Erzielen von 3 Kiloohm beträgt 107 Mikrometer.
Wie in 24 veranschaulicht ist, zeigen die Simulationsergebnisse, dass die Kombination der Ausgaben von den Sinus- und Kosinus-Brückenwiderständen mindestens in jedem Quadranten anders ist, und ohne Mehrdeutigkeitspunkte bei oder um die Übergänge von einem Quadranten zu einem anderen herum (d. h. bei etwa 0°, 90°, 180° und 270°) über den vollen Winkelbereich von 0 bis 360 Grad. Das als Vout1 gekennzeichnete Signal kann beispielsweise dem COS1-Signal oder einer Differenz zwischen dem COS1- und dem COS2-Signal entsprechen. Das als Vout2 gekennzeichnete Signal kann dem SIN1-Signal oder einer Differenz zwischen dem SIN1- und dem SIN2-Signal entsprechen. Durch Untersuchen der Vorzeichen des Vout1- und des Vout2-Signals kann ein bestimmter Quadrant durch den Quadrantendetektor eindeutig identifiziert werden. In einem Quadranten können sowohl das Vout1- als auch das Vout2-Signal positiv sein, in einem anderen Quadranten können sowohl das Vout1- als auch das Vout2-Signal negativ sein, in einem anderen Quadranten kann das Vout1-Signal positiv und das Vout2-Signal negativ sein und in einem anderen Quadranten kann das Vout1-Signal negativ und das Vout2-Signal positiv sein. Quadrantendetektion kann bei rotierenden Objekten, wie Motoren, Rotoren, Naben, Rädern, Wellen und dergleichen nützlich sein.
25 zeigt eine weitere Beispielanordnung von magnetoresistiven Elementen oder Magnetowiderständen („Widerstanden”) eines Detektors gemäß einer Ausführungsform und ein Ergebnis einer Sensorausgangssimulation für die veranschaulichte Beispielanordnung. Die in 25 veranschaulichte Beispielanordnung zeigt, dass Sinus- und Kosinus-Brückenwiderstandsstreifen unter variierenden Winkeln angeordnet sind, relativ zu den jeweiligen Detektionsachsen oder den gegenüber den jeweiligen Detektionsachsen der Sinus- und Kosinus-Brückenwiderstandsstreifen senkrecht stehenden Achsen. Zwei Sätze dieser Streifen entsprechen jedem Widerstand in einer Brücke. Demnach kann es 8 Sätze von Brückenwiderstandsstreifen in jeder Brücke geben. In dem veranschaulichten Beispiel von 25 sind die Sinus- und die Kosinus-Brückenstreifen jeweils unter –60,5°, –35,5°, –24,5°, –0,5°, 0,5°, 24,5°, 35,5° und 60,5° angeordnet, relativ zu deren jeweiligen Symmetrieachsen, die senkrecht zu deren jeweiligen Detektionsachsen sind.
Der veranschaulichte Magnetfeldrichtungsdetektor oder -winkeldetektor 500 beinhaltet einen ersten Magnetfelddetektor 502 und einen zweiten Magnetfelddetektor 504. Der erste Magnetfelddetektor 502 kann einer Sinus-Brücke entsprechen und der zweite Magnetfelddetektor 504 kann einer Kosinus-Brücke entsprechen. Bei einer Ausführungsform können die magnetoresistiven Elemente des zweiten Magnetfelddetektors 504 dieselbe allgemeine Anordnung wie die magnetoresistiven Elemente des ersten Magnetfelddetektors 502 aufweisen, sind allerdings um 90 Grad gegenüber der Anordnung des ersten Magnetfelddetektors 502 gedreht.
Der veranschaulichte erste Magnetfelddetektor 502 beinhaltet eine erste Gruppe von magnetoresistiven Elementen 512, eine zweite Gruppe von magnetoresistiven Elementen 514, eine dritte Gruppe von magnetoresistiven Elementen 516, eine vierte Gruppe von magnetoresistiven Elementen 518, eine fünfte Gruppe von magnetoresistiven Elementen 520, eine sechste Gruppe von magnetoresistiven Elementen 522, eine siebente Gruppe von magnetoresistiven Elementen 524 und eine achte Gruppe von magnetoresistiven Elementen 526. Als Referenzpunkt zum Beschreiben von Winkeln ist in 25 eine Referenzachse 501 gezeigt. Die Referenzachse ist orthogonal zu einer Detektionsachse, die für den ersten Magnetfelddetektor 502 von 25 horizontal und für den zweiten Magnetfelddetektor 504 vertikal sein würde.
Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der ersten Gruppe 512 sind dafür ausgelegt, Strom in einer ersten Stromrichtung zu (ihren, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Achse ist, die unter einem ersten Winkel α₁ relativ zu der Referenzachse 501 steht. Der Strom kann auf verschiedene Arten dazu gezwungen werden, sich entlang der ersten Stromrichtung zu bewegen, wie etwa durch Ausbilden der magnetoresistiven Elemente in relativ langen und schmalen Streifen, die längenmäßig in der Richtung der ersten Stromrichtung verlaufen. Allerdings sind auch andere Wege möglich, da sich die Mehrheit des Stroms entlang des Pfades des geringsten Widerstands bewegen wird, und die magnetoresistiven Elemente können anders als relativ lang und dünn ausgeformt werden, wobei die Position der Kontakte die Richtung des Stromflusses vorgibt.
Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der zweiten Gruppe 514 sind dafür ausgelegt, Strom in einer zweiten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse ist, die unter einem zweiten Winkel α₂ relativ zu der Referenzachse 501 steht. Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der dritten Gruppe 516 sind dafür ausgelegt, Strom in einer dritten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer dritten Achse ist, die unter einem dritten Winkel α₃ relativ zu der Referenzachse 501 steht. Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der vierten Gruppe 518 sind dafür ausgelegt, Strom in einer vierten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer vierten Achse ist, die unter einem vierten Winkel α₄ relativ zu der Referenzachse 501 steht.
Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der fünften Gruppe 520 sind dafür ausgelegt, Strom in einer fünften Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer fünften Achse ist, die unter einem fünften Winkel α₅ relativ zu der Referenzachse 501 steht. Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der sechsten Gruppe 522 sind dafür ausgelegt, Strom in einer sechsten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer sechsten Achse ist, die unter einem sechsten Winkel α₆ relativ zu der Referenzachse 501 steht. Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der siebenten Gruppe 524 sind dafür ausgelegt, Strom in einer siebenten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer siebenten Achse ist, die unter einem siebenten Winkel α₇ relativ zu der Referenzachse 501 steht. Das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der achten Gruppe 526 sind dafür ausgelegt, Strom in einer achten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer achten Achse ist, die unter einem achten Winkel α₈ relativ zu der Referenzachse 501 steht.
Bei gewissen Ausführungsformen sind die Winkel α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆, α₇ und α₈ für den ersten Magnetfelddetektor 502 des Magnetfeldrichtungsdetektors 500 derart ausgewählt, dass eine dritte Harmonische und mindestens eine andere Harmonische in den Ausgangssignalen des ersten Magnetfelddetektors 502 und des zweiten Magnetfelddetektors 504 verringert werden oder deren Vorhandensein vorzugsweise ausgelöscht wird. Bei manchen Ausführungsformen kann die mindestens eine andere Harmonische die 5te Harmonische sein. Bei anderen Ausführungsformen kann die mindestens eine andere Harmonische die 5te Harmonische und die 8te Harmonische sein. Zusätzliche oder alternative Harmonische können durch andere Anordnungen als die gezeigten ausgelöscht oder verringert werden.
Beispiele für die Größen der Winkel α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆, α₇ und α₈ für den ersten Magnetfelddetektor 502 des Magnetfeldrichtungsdetektors 500 können in einem weiten Bereich variieren. Bei manchen Ausführungsformen mit Auslöschung der 3ten, 5ten und 8ten Harmonischen und 8 Gruppen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆, α₇ und α8 jeweils innerhalb eines Bereichs von 57,2 bis 63,2 Grad, 32,5 bis 38,5 Grad, 21,29 bis 27,29 Grad, –21,29 bis –27,29 Grad, –32,5 bis –38,5 Grad, –57,2 bis –63,2 Grad, –2,5 bis 3,5 Grad und –3,5 bis 2,5 Grad. Bei anderen Ausführungsformen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆, α₇ und α₈ jeweils innerhalb eines Bereichs von 58,2 bis 62,2 Grad, 33,5 bis 37,5 Grad, 22,29 bis 26,29 Grad, –22,29 bis –26,29 Grad, –33,5 bis –37,5 Grad, –28,2 bis –62,2 Grad, –1,5 bis 2,5 Grad und –2,5 bis 1,5 Grad. Bei anderen Ausführungsformen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆, α₇ und α₈ jeweils bei etwa 60,2 Grad, 35,5 Grad, 24,29 Grad, –24,29 Grad, –35,5 Grad, –60,2 Grad, 0,5 Grad und –0,5 Grad.
Wie oben veranschaulicht, weisen die siebente und die achte Gruppe fast denselben Winkel auf. Bei manchen Ausführungsformen können anstelle von einer getrennten siebenten und achten Gruppe die zweite Gruppen in einer einzigen siebenten Gruppe zusammengefasst werden, die die doppelte Länge der anderen Gruppen aufweist. Bei manchen (nicht gezeichneten) Ausführungsformen mit Auslöschung der 3ten, 5ten und 8ten Harmonischen und 7 Gruppen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆ und α₇ jeweils innerhalb eines Bereichs von 57,2 bis 63,2 Grad, 32,5 bis 38,5 Grad, 21,29 bis 27,29 Grad, –21,29 bis –27,29 Grad, –32,5 bis –38,5 Grad, –57,2 bis –63,2 Grad und –3,5 bis 3,5 Grad. Bei anderen Ausführungsformen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃, α₄, α₅, α₆ und α₇ jeweils innerhalb eines Bereichs von 58,2 bis 62,2 Grad, 33,5 bis 37,5 Grad, 22,29 bis 26,29 Grad, –22,29 bis –26,29 Grad, –33,5 bis –37,5 Grad, –28,2 bis –62,2 Grad und –2,5 bis 2,5 Grad.
Bei einem anderen (nicht gezeichneten) Beispiel mit Auslöschung der 3ten und 5ten Harmonischen und 4 Gruppen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃, und α₄ jeweils innerhalb eines Bereichs von 45 bis 51 Grad, 9 bis 15 Grad, –9 bis –15 Grad, –45 bis –51 Grad. Bei anderen Ausführungsformen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃ und α₄ jeweils innerhalb eines Bereichs von 46 bis 50 Grad, 10 bis 14 Grad, –10 bis –14 Grad und –46 bis –50 Grad. Bei anderen Ausführungsformen liegen die Winkel α₁, α₂, α₃ und α₄ jeweils innerhalb eines Bereichs von 47 bis 49 Grad, 11 bis 13 Grad, –11 bis –13 Grad und –47 bis –49 Grad.
26 veranschaulicht eine relativ kompakte Anordnung von magnetoresistiven Elementen für einen Magnetfeldrichtungsdetektor 500. Die magnetoresistiven Elemente des ersten Magnetfelddetektors 502 und des zweiten Magnetfelddetektors 504 für 26 liegen unter denselben Winkeln wie jene von 25, wurden allerdings für ein praktischeres, platzsparendes Layout umgeordnet. Bei gewissen Ausführungsformen kann der Magnetfeldrichtungsdetektor 500 eine asymmetrische Konfiguration aufweisen und beinhaltet den ersten Magnetfelddetektor 502 und den zweiten Magnetfelddetektor 504. Bei anderen Ausführungsformen kann der Magnetfeldrichtungsdetektor 500 eine differentielle Konfiguration aufweisen und beinhaltet den ersten Magnetfelddetektor 502, den zweiten Magnetfelddetektor 504, einen dritten Magnetfelddetektor 506 und einen vierten Magnetfelddetektor 508. Zum differentiellen Betrieb sollten der dritte Magnetfelddetektor 506 und der vierte Magnetfelddetektor 508 derart angeordnet sein, dass die magnetoresistiven Elemente jeweils gegenüber den magnetoresistiven Elementen des ersten Magnetfelddetektors 502 und des zweiten Magnetfelddetektors 504 um etwa 180 Grad gedreht sind.
27 veranschaulicht elektrische Verbindungen für die magnetoresistiven Elemente des Magnetfeldrichtungsdetektors 500 von 26. Die als COS1, SIN1, COS2, SIN2 gekennzeichneten Anschlüsse oder Bondfelder können jeweils einem ersten Sensorausgangssignal, einem zweiten Sensorausgangssignal, einem dritten Sensorausgangssignal und einem vierten Sensorausgangssignal entsprechen. Jedes dieser Signale (COS1, SIN1, COS2, SIN2) ist eine Ausgabe einer Halbbrücke. Diese Signale können in digitale umgewandelt und in der Digitaldomäne analysiert werden oder sie können eingangs in der Analogdomäne beispielsweise mit einem Differenzverstärker kombiniert werden. Beispielsweise kann beim differentiellen Betrieb ein Differenzverstärker verwendet werden, um das erste Sensorausgangssignal COS1 von dem dritten Sensorausgangssignal COS2 zu subtrahieren, und ein weiterer Differenzverstärker kann verwendet werden, um das zweite Sensorausgangssignal SIN1 vom vierten Sensorausgangssignal SIN2 zu subtrahieren. Die Ergebnisse der Subtraktionsoperation können ins Digitale umgewandelt und der Winkel über Analyse unter Bezugnahme auf eine Nachschlagtabelle, die Kalibrierungsdaten beinhalten kann, bestimmt werden.
28 veranschaulicht einen Vormagnetisierungsleiter 540, der verwendet werden kann zum Erzeugen einer Vormagnetisierung zum Stören des Magnetfelds für die magnetoresistiven Elemente des Magnetfeldrichtungsdetektors 500. Der Vormagnetisierungsleiter kann auf eine Vielzahl von Wegen implementiert werden. Beispielsweise kann der Vormagnetisierungsleiter durch eine Einzelschicht oder durch mehrere Schichten implementiert sein. Weniger Schichten haben den Vorteil geringerer Kosten, wohingegen mehrere hintereinandergeschaltete Schichten Leistungseinsparungen bieten können, da derselbe Strom durch mehrere Schichten durchgeleitet werden und ein stärkeres Magnetfeld für eine vorgegebene Stromstärke erzeugen kann. Diese Schichten können beispielsweise über und/oder unter der Schicht der magnetoresistiven Elemente liegen. Bei einem Beispiel ist der Vormagnetisierungsleiter in einer Schicht über und einer Schicht unter den magnetoresistiven Elementen implementiert. Bei einem anderen Beispiel ist der Vormagnetisierungsleiter in zwei Schichten über und zwei Schichten unter den magnetoresistiven Elementen implementiert. Andere Varianten sind anwendbar. Es sei auch angemerkt, dass andere Wege des Bereitstellens eines Störmagnetfelds anwendbar sind. Beispielsweise kann statt des Erzeugens eines Magnetfelds über elektrischen Strom alternativ ein Permanentmagnet verwendet werden.
29 veranschaulicht Simulationsergebnisse für den Magnetfeldrichtungsdetektor 500 der 25–28. Die folgenden Bedingungen gelten für die Simulation. Die in den 25–28 veranschaulichte Beispielanordnung oder das SIN/COS- oder Winkel-Design kann unter –60,5°, –35,5°, –24,5°, –0,5°, 0,5°, 24,5°, 35,5° und 60,5° relativ zu deren Symmetrieachsen angeordnete magnetoresistive Streifen beinhalten. Die magnetoresistiven Streifen in diesem Beispiel sind mit AMR-Sensorstreifen implementiert, die Abmessungen von ungefähr 3 μm in der Breite und 10 nm in der Dicke aufweisen. Der Vormagnetisierungsleiter 540 oder Störungsgenerator in diesem Beispiel kann die Abmessungen von ungefähr 4 μm in der Breite und 1 μm in der Dicke aufweisen und befindet sich ungefähr 1 μm von der Schicht, die die AMR-Sensorstreifen enthält, entfernt. Andere Abmessungen sind anwendbar und werden von einem Durchschnittsfachmann sofort erfasst werden. Zusätzlich zu den simulierten Sensorausgaben, die den in 20–21 veranschaulichten ähnlich sind, beinhaltet 22 auch das simulierte Magnetfeld, wenn ein Strom von ungefähr 10 mA in den Vormagnetisierungsleiter oder den Störungsgenerator eingeprägt wird.
Das Magnetfeld an einem magnetoresistiven Element, das durch Durchleiten eines Stroms von 10 Milliampere (mA) durch den Vormagnetisierungsleiter 540 erhalten wird, beträgt etwa 720 Ampere/Meter (A/m). Ein Ausgangssignalpegel mit 10 mA Vormagnetisierungsstrom liegt bei etwa 0,162 mV/V. Eine AMR-Streifenlänge zum Erzielen von 3 Kiloohm beträgt 161 μm. Die Simulationsergebnisse zeigen einen erwarteten Fehler von etwa +15 Grad an.
Die Simulation der Sensorausgaben des Sinus- und des Kosinus-Brückensensors von 29 zeigt, dass jede Ausgabewelle eine Periode von etwa 360° statt von etwa 180° aufweist, was es der Kombination der Sinus- und der Kosinus-Brückenwiderstandsausgaben ermöglicht, über den vollen Winkelbereich von 0 bis 360 Grad eindeutig zu sein. Die Kombination der Sinus- und Kosinus-Brückenwiderstandsausgaben ermöglicht das Bestimmen des Winkels oder der Richtung eines äußeren Magnetfelds, das durch die in den Brückenkonfigurationen angeordneten magnetoresistiven Sensoren determinierend detektiert wird. Beispielsweise kann das als Vout1 gekennzeichnete Signal dem SIN1-Signal oder einer Differenz zwischen dem SIN1- und dem SIN2-Signal entsprechen. Das als Vout2 gekennzeichnete Signal kann dem COS1-Signal oder einer Differenz zwischen dem COS1- und dem COS2-Signal entsprechen. Durch Untersuchen der Vorzeichen und der Größen des Vout1- und des Vout2-Signals kann ein bestimmter Winkel durch den Magnetfeldrichtungsdetektor 500 eindeutig identifiziert werden. Beispielsweise können die Vorzeichen lind Größen mit in einer Nachschlagtabelle gespeicherten Daten verglichen werden. Winkeldetektion kann bei rotierenden Objekten, wie Motoren, Rotoren, Naben, Rädern, Wellen und dergleichen nützlich sein.
30 veranschaulicht ein Beispiel für ein magnetoresistives Element mit relativ langen und schmalen Streifen. 31 veranschaulicht ein Beispiel für ein magnetoresistives Element mit relativ kurzen und breiten Streifen. Relativ kürzere und breitere Streifen können weniger Formanisotropie aufweisen als relativ längere und schmalere Streifen. Dies verringert vorteilhafterweise plötzliche Sprünge magnetischer Domänen, was zu einer glatteren Ausgabe führt, wie in den 32 und 33 gezeigt ist.
32 veranschaulicht Messergebnisse eines Magnetfeldrichtungsdetektors mit 2 μm breiten magnetoresistiven Elementstreifen. 33 veranschaulicht Messergebnisse eines Magnetfeldrichtungsdetektors mit 4 μm breiten magnetoresistiven Elementstreifen. Wie in den 32 und 33 veranschaulicht ist, ist die Ausgangsspannung mit den relativ breiteren Streifen glatter und weist einen geringeren Fehler auf.
Ohne die hier offenbarten Harmonischen-Auslöschungstechniken kann ein Magnetfeldrichtungsdetektor relativ große Mengen an 3ten, 5ten und 8ten Harmonischen aufweisen. Andere Harmonische sind vorhanden, sind allerdings von kleinerer Größenordnung. Eine Technik zum Bestimmen vorläufiger Winkel zum Verwenden für Harmonischen-Auslöschung wird nun beschrieben. Diese vorläufigen Winkel können dann weiter durch Experimentieren optimiert werden, was mittels Simulation durchgeführt werden kann. Die vorläufigen Winkel können sequentiell durch Aufspalten eines magnetoresistiven Elements in zwei bestimmt werden, mit einem Winkel zwischen den beiden von 180 Grad geteilt durch die Harmonische.
Zur Verringerung oder Auslöschung der 3ten Harmonischen kann ein anfangs mit einer Referenzachse ausgerichtetes magnetoresistives Element in zwei Elemente aufgespalten werden mit einer Trennung von 180 Grad geteilt durch 3 oder 60 Grad. 60 Grad entspricht auch +30 Grad.
Zur weiteren Verringerung oder Auslöschung der 5ten Harmonischen werden die zwei Elemente wieder in 180 Grad geteilt durch 5 oder 36 Grad aufgespalten. 36 Grad entspricht auch +18 Grad. Durch Kombinieren von ±30 Grad und ±18 Grad, werden vorläufige Winkel von 48 Grad, 12 Grad, –12 Grad und –48 Grad erhalten.
Zur weiteren Verringerung oder Auslöschung der 8ten Harmonischen werden die vier Elemente in 180 Grad geteilt durch 8 oder 22,5 Grad aufgespalten. 22,5 Grad entspricht ±11,25 Grad. Durch Zusammenkombinieren von ±30 Grad, ±18 Grad und +11,25 Grad, werden vorläufige Winkel von 59,25 Grad, 36,75 Grad, 23,25 Grad, 0,75 Grad, –0,75 Grad, –23,25 Grad, –36,75 Grad und –59,25 Grad erhalten. Diese vorläufigen Winkel können dann mittels Experimentieren eingestellt werden. Bei manchen Ausführungsformen werden Winkel von ±60,2 Grad, ±35,5 Grad, ±24,29 Grad und ±0,5 Grad als optimalere Größen verwendet.
34 veranschaulicht Simulationsergebnisse eines Magnetfeldrichtungsdetektors mit magnetoresistiven Elementstreifen, die unter ±60,5 Grad, ±35,5 Grad, +24,5 Grad und ±0,5 Grad angeordnet sind. 35 veranschaulicht Simulationsergebnisse eines Magnetfeldrichtungsdetektors mit magnetoresistiven Elementstreifen, die unter ±60,2 Grad, ±35,5 Grad, ±24,2935 Grad und ±0,5 Grad angeordnet sind. Wie durch die Simulationsergebnisse veranschaulicht wird, weist die Konfiguration von 35 eine irgendwie bessere Optimierung auf.
36 veranschaulicht Simulationsergebnisse einer Halbbrücke des Magnetfelddetektors der 25–28 mit dem Vormagnetisierungsleiter 540, der Strom in einer positiven Richtung und in einer negativen Richtung führt. Obgleich als im Kontext des Verwendens derselben Ruhestromstärke in zwei verschiedenen Richtungen veranschaulicht, können die Prinzipien und Vorteile auf Differenzen von Ruheströmen ausgedehnt werden. Falls beispielsweise zwei verschiedene Stärken von Ruheströmen verwendet werden, kann dann auf der Grundlage von den Beobachtungen von deren Auswirkung auf die DC-Nullpunktverschiebungen die DC-Nullpunktverschiebung geschätzt und ausgeglichen werden. Beispielsweise können ein erster Ruhestrom von 5 mA und ein zweiter Ruhestrom von 15 mA in derselben Richtung verwendet werden. Der hier präsentierte unkomplizierte Weg besteht darin, dieselbe Größe aber mit entgegengesetzter Richtung zu verwenden. Solange sich allerdings die Größe und/oder die Richtung zwischen einem ersten Ruhestrom und einem zweiten Ruhestrom unterscheiden, können die Auswirkungen des Ruhestroms auf die DC-Nullpunktverschiebung beobachtet und verringert oder eliminiert werden.
Kehren wir nun zu 36 zurück, wo jeweils das Einprägen eines positiven oder negativen Stroms in den Vormagnetisierungsleiter 540 oder den Störungsgenerator zu entgegengesetzten Ausgaben der magnetoresistiven Sensorbrücke führt, die dieselbe DC-Nullpunktverschiebung des Sensorausgaben aufweisen, die verschiedenen nichtidealen Eigenschaften der Sensoren, Leiter und/oder anderer Elemente oder Umweltfaktoren (z. B. Temperatur) zugeschrieben werden kann, die in beiden Fällen vorhanden und diesen gemein sind (d. h. positive und negative eingeprägte Ströme). Bei diesem Beispiel beträgt die Nullpunktverschiebung der Sensorausgaben etwa 0,0124 V und diese DC-Nullpunktverschiebung kann durch Verarbeiten der zwei Ausgaben mit positivem und negativem eingeprägten Strom verringert oder eliminiert werden. Diese Verringerung der DC-Nullpunktverschiebung erlaubt vorteilhafterweise Erfindungsausführungsformen, um besser zwischen Signalen und Nullpunktverschiebungen zu unterscheiden. Obgleich in Verbindung mit dem Magnetfeldrichtungsdetektor 500 der 25–28 veranschaulicht, sind die Prinzipien und Vorteile der DC-Nullpunktverschiebungs-Aufhebung im Allgemeinen auf andere Anordnungen anwendbar. Zusätzlich sind die hier offenbarten DC-Nullpunktverschiebungs-Aufhebungstechniken sowohl auf asymmetrische als auch auf differentielle Konfigurationen anwendbar. Darüber hinaus sind die hier offenbarten DC-Nullpunktverschiebungs-Aufhebungstechniken auch auf lineare Detektoren anwendbar.
37 und 38 veranschaulichen Diagramme von beispielhaften Magnetfelddetektoren 600, 630, die DC-Nullpunktverschiebungs-Korrekturschaltungen beinhalten. In Erweiterung des zuvor im Zusammenhang mit 36 Erörterten, kann eine Sensor-Nullpunktverschiebungs-Aufhebung mit in Halbbrücken-Konfigurationen angeordneten magnetoresistiven Sensoren implementiert werden. Wie in den 37 und 38 veranschaulicht ist, kann jede Halbbrücke 602, 604 von Sinus- und Kosinus-Widerständen an Sample-and-Hold(S&H)-Schaltungen bzw. Abtast-und-Halteschaltungen 612, 614 gekoppelt sein, die ausgelegt sind zum Abtasten und Halten der Ausgaben der Halbbrücken 602, 604 in Fällen von positiven und negativen eingeprägten Strömen in dem Vormagnetisierungsleiter 640. Beispielsweise wird in einer ersten Phase die Ausgabe der Sinus-Halbbrücke 602 bei einem positiven Strom im Vormagnetisierungsleiter 640 in einer ersten Abtast-und-Halteschaltung 612 abgetastet und gespeichert. Dann wird in einer zweiten Phase die Ausgabe der Sinus-Halbbrücke 602 bei einem negativen Strom im Vormagnetisierungsleiter 640 in einer zweiten Abtast-und-Halteschaltung 614 abgetastet und gespeichert. Die Ausgaben der Abtast-und-Halteschaltungen 612, 614 können durch eine Differenzschaltung 622 subtrahiert werden, um eine Sinus-Halbbrückenausgabe zu erzeugen, deren gemeinsame DC-Nullpunktverschiebung entfernt wurde.
Gleichermaßen können Ausgaben der Kosinus-Halbbrücke 604 abgetastet, gespeichert und verarbeitet werden, um eine Kosinus-Halbbrückenausgabe zu erzeugen, deren gemeinsame DC-Nullpunktverschiebung entfernt wurde. Darüber hinaus kann das Ausgangssignal von der Sinus- und der Kosinus-Halbbrücke 602, 604 vor und/oder nach den Abtast-und-Halteschaltungen 612, 614, 616, 618 verstärkt werden. Beispielsweise können die Puffer 626, 628 in einem Signalpfad zwischen den Halbbrücken 602, 604 und den Abtast-und-Halteschaltungen 612, 614, 616, 618 platziert sein. Die hier offenbarte DC-Nullpunktverschiebungs-Korrektur kann mit den in der '059-Anmeldung offenbarten Ausführungsformen sowie mit den hier offenbarten Ausführungsformen, die magnetoresistive Sensoren beinhalten, implementiert werden. Zusätzlich zu der veranschaulichten Halbbrücken-Konfiguration ist eine Vollbrücken-Konfiguration mit einer Differenzausgabe ebenfalls anwendbar und kann bei bestimmten Anwendungen von Vorteil sein. Die Differenzschaltungen 622, 624 können mittels Analogschaltungen oder mittels Digitalschaltungen implementiert werden. Beispielsweise kann für Analogschaltungen ein Differenzverstärker verwendet werden. Für Digitalschaltungen kann die DC-Nullpunktverschiebungs-Korrektur digital implementiert werden, indem die zwei analogen Signale in digitale Werte umgewandelt werden und die Subtraktion in der Digitaldomäne durchgeführt wird.
Die Vorteile der offenbarten DC-Nullpunktverschiebungs-Korrekturtechniken können relativ groß sein. Beispielsweise gibt es in realexistierenden Umgebungen häufig statische Streumagnetfelder, die ansonsten herauskalibriert werden müssten. Mit den offenbarten DC-Nullpunktverschiebungs-Korrekturtechniken würden diese statischen Magnetfelder automatisch kompensiert werden. Zusätzlich ist eines der größten Probleme, denen sich Magnetsensoren ausgesetzt sehen, die zeitliche Drift der Nullpunktverschiebung. Mit DC-Nullpunktverschiebungs-Korrektur/Aufhebung können diese Driften automatisch kompensiert werden.
39 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines Längendetektors 700 und eine Magnetskala 702. Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich Längen-, Linear- und Abstandsdetektieren oder -erfassen auf dieselbe Sache. Praktische Anwendungen für einen derartigen Längendetektor 700 beinhalten unter anderem Längenerfassung, Längencodierung, Radcodierung, relativ hochpräzise Linearpositionserfassung und dergleichen. Beispielsweise kann Linearerfassung zum Bewegen eines Kameraobjektivs zum Fokussieren und/oder zur Bildstabilisierung verwendet werden. Bei einem anderen Beispiel kann Linearerfassung zum Bestimmen der Position eines Verbrennungsmotorventils verwendet werden. Andere Beispiele beinhalten das Erfassen eines Abstands/einer Bewegung für computergestützte numerisch gesteuerte Maschinen (CNC-Maschinen), Förderbänder und dergleichen. Die Magnetskala 702 beinhaltet Permanentmagnete und kann in einem zu messenden Objekt integriert oder an diesem befestigt sein, wie etwa einem Förderband. Erfassen durch den Längendetektor 700 erlaubt es, Langen oder Abstände zu bestimmen.
40 veranschaulicht eine detailliertere perspektivische Ansicht des Längendetektors 700 und der Magnetskala 702. 40 veranschaulicht auch ein Beispiel der lokalen Magnetfelder für die magnetoresistiven Elemente des Längendetektors 700. Der Abstand zwischen magnetoresistiven Elementen des Längendetektors 700 sollte mit der Teilung der magnetischen Domänen der erfassten Magnetskala 702 übereinstimmen.
41–43 zeigen ein Anwendungsbeispiel eines Längen- oder Lineardetektors 700, der gemäß den Offenbarungen hierin implementiert ist. Bei diesem Beispiel können die magnetoresistiven Sinus- und Kosinus-Sensorbrücken so angeordnet sein, dass Halbbrücken der Sinus- und Kosinus-Brücke abwechselnd entlang einer Linie platziert werden können, die im Wesentlichen parallel zur Längendetektionsachse liegt. Die Länge des Interessenobjekts kann ein oder mehrere Magnetelemente (z. B. einen Permanentmagnet) beinhalten, die Magnetfelder erzeugen, die von den abwechselnd angeordneten Sinus- und Kosinus-Brücken detektiert werden sollen. Der Längendetektor kann mit einem Vormagnetisierungsleiter oder einem Störungsgenerator implementiert sein, die gemäß einem der Prinzipien und Vorteile, die in der '059-Anmeldung erörtert werden, implementiert sind.
41 veranschaulicht eine Anordnung von magnetoresistiven Elementen Rs1–Rs4, Rc1–Rc4 und beispielhaften Feldrichtungen für den Längendetektor 700. Im Allgemeinen ist der Widerstandswert für einen Zweig von einem oder mehreren Brückenwiderständen (siehe 2) in zwei oder mehr magnetoresistive Elemente einer Gruppe aufgespalten und beabstandet, um unerwünschte Harmonische zu verringern. Bei der veranschaulichten Ausführungsform ist der Widerstandswert für jeden Zweig einer Brücke oder Halbbrücke in eine Gruppe von zwei oder mehr magnetoresistiven Elementen aufgespalten und beabstandet, um unerwünschte Harmonische zu verringern. Dies ist analog zur Winkelaufspaltung der magnetoresistiven Elemente, die zuvor im Zusammenhang mit dem Magnetfeldrichtungs- oder -winkeldetektor 500 erörtert wurde. Beispielsweise ist das magnetoresistive Element Rs1 für den Längendetektor 700 in zwei Abschnitte aufgespalten, wie in 42 gezeigt ist.
42 veranschaulicht eine Anordnung von magnetoresistiven Elementen Rs1–Rs4, Rc1–Rc4 und assoziierten Verbindungen für den Längendetektor 700. Eine Differenzkonfiguration ist gezeigt, wobei aber die Prinzipien und Vorteile ebenso auf eine unsymmetrische Konfiguration anwendbar sind.
43 veranschaulicht einen Vormagnetisierungsleiter oder eine Vormagnetisierungsspule 740, der/die verwendet werden kann zum Erzeugen einer Vormagnetisierung zum Stören des Magnetfelds für die magnetoresistiven Elemente Rs1–Rs4, Rc1–Rc4 des Längendetektors 700. Es sei angemerkt, dass die magnetoresistiven Elemente auf entgegengesetzten Seiten einer Halbbrücke unterschiedliche Stromrichtungen aufweisen. Beispielsweise ist die Stromrichtung für das magnetoresistive Element Rs2 der des magnetoresistiven Elements Rs1 entgegengesetzt.
44 veranschaulicht ein schematisches Diagramm für die vier Halbbrücken oder zwei Vollbrücken des veranschaulichten Längendetektors 700. Dies ergibt differentielle Erfassung. Beispielsweise kann eine Differenzschaltung zur differentiellen Erfassung die Ausgabe Vs– von Vs+ subtrahieren. Falls allerdings eine unsymmetrische Konfiguration erwünscht ist, können die Halbbrücken mit den Ausgaben Vs– und Vc– eliminiert werden. Die Differenzschaltung kann mittels eines Differenzverstärkers implementiert werden oder kann digital mittels zuerst des Umwandeelns der Ausgaben Vs– und Vs+ in die Digitaldomäne implementiert werden. Nachdem die Differenzergebnisse erhalten und ins Digitale umgewandelt wurden, kann die Länge oder der Abstand berechnet werden, beispielsweise unter Bezug auf eine Zählung der Anzahl von Domänen der Magnetskala für relativ grobe Abstände und eine Nachschlagtabelle für relativ feine Abstände zwischen Domänen.
45 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform für einen Längendetektor 800. Da die Ausrichtung der magnetoresistiven Elemente Rs1–Rs4, Re1–Rc4 anders ist, antworten die magnetoresistiven Elemente Rs1–Rs4, Rc1–Rc4 anders als beim Längendetektor 700. Die veranschaulichte Konfiguration von 45 funktioniert allerdings. 46 veranschaulicht eine Anordnung von magnetoresistiven Elementen Rs1–Rs4, Rc1–Rc4 und beispielhaften Feldrichtungen für die alternative Ausführungsform des Längendetektors 800. Die direkt durch die Zeichnung durchgehend gezeigten und durch eine Zielscheibe angezeigten Magnetfelder sind außerhalb der Ebene. Die magnetoresistiven Elemente Rs1–Rs4, Rc1–Rc4 sind relativ unempfindlich auf Magnetfelder außerhalb der Ebene.
Die 47 und 48 zeigen Querschnittsansichten von beispielhaften Detektoren, die gemäß den vorliegenden Offenbarungen implementiert wurden. Diese Querschnitte zeigen Beispielstrukturen, die mit einem der hier erörterten Magnetdetektoren implementiert werden können. Jegliche der Prinzipien und Vorteile dieser Querschnitte können mit einer der hier erörterten Schaltungen implementiert werden. Darüber hinaus veranschaulichen diese Querschnitte, dass die hier erörterten Detektoren monolithisch integriert werden können. Wie oben erörtert wurde, ist der Vormagnetisierungsleiter oder der Störungsgenerator gegenüber den magnetoresistiven Elementen durch eine isolierende Schicht isoliert und kann über oder unter den magnetoresistiven Elementen platziert sein. Das erste veranschaulichte Beispiel zeigt, dass der Leiter (Metall oder Vormagnetisierungsspule) zuerst oder dichter am Substrat vorgesehen ist und dass die magnetoresistiven Elemente (AMR) später über dem Leiter vorgesehen sind. Das zweite veranschaulichte Beispiel zeigt, dass die magnetoresistiven Elemente zuerst oder dichter am Substrat vorgesehen sind und dass der Leiter später über den magnetoresistiven Elementen vorgesehen ist. Andere magnetoresistive Materialien einschließlich unter anderem GMR und TMR können alternativ verwendet werden. Eine Ausführungsform beinhaltet eine Einrichtung, die einen Magnetlängen- und/oder -positionsdetektor beinhaltet, wobei die Einrichtung Folgendes beinhaltet: einen ersten differentiellen Magnetfelddetektor, der eine Vielzahl von Gruppen von jeweils einem oder mehreren magnetoresistiven Elementen aufweist, wobei die Vielzahl von Gruppen in einer Brükenkonfiguration angeordnet ist, um ein erstes Halbbrücken-Ausgangssignal und ein zweites Halbbrücken-Ausgangssignal zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Gruppen mindestens eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe umfasst, wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der ersten Gruppe an einer ersten Position platziert sind, um den Magnetfeldwinkel zu erfassen; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der zweiten Gruppe an einer zweiten Position platziert sind, die sich von dem der ersten Position unterscheidet, um den Magnetfeldwinkel zu erfassen; und einen Störungsgenerator, der ausgelegt ist zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsmagnetfelds für den ersten differentiellen Magnetfelddetektor. Eine Ausführungsform beinhaltet eine Einrichtung, die einen Magnetfeldabstandsdetektor und/oder einen Längendetektor beinhaltet, wobei die Einrichtung Folgendes beinhaltet: einen ersten Magnetfelddetektor, der Magnetowiderstände aufweist, die in einer Brücken- oder Halbbrücken-Konfiguration angeordnet sind, wobei ein Widerstandswert mindestens eines Magnetowiderstands in jeweils zwei oder mehr magnetoresistive Elemente aufgespalten ist, wobei die zwei oder mehr magnetoresistiven Elemente ausgelegt sind zum Führen eines Stroms unter einem Abstand voneinander, um ein Auftreten einer oder mehrerer Harmonischen in einem Ausgangssignal zu verringern; und einen Störungsgenerator, der ausgelegt ist zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfelds für den ersten Magnetfelddetektor. In gewissen Ausführungsformen kann jeder Magnetowiderstand einer Brücke oder Halbbrücke des ersten Magnetfelddetektors in zwei oder mehr magnetoresistive Elemente aufgespalten sein, die ausgelegt sind zum Führen eines Stroms unter einem Abstand voneinander, um ein Auftreten der einen oder der mehreren Harmonischen in dem Ausgangssignal zu verringern. Die magnetoresistiven Elemente können ausgelegt sein zum Führen von Strom, indem sie in relativ verlängerten Formen angeordnet sind, die voneinander beabstandet sind, wobei andere Techniken, wie etwa das Platzieren von Kontakten, verwendet werden können, um den Stromfluss einzuengen.
Sensoren oder Detektoren, die so mit magnetoresistiven Elementen, wie etwa AMR-Elementen, implementiert sind, wie es hier offenbart ist, ergeben verschiedene Vorteile. Beispielsweise ergibt die oben in den 47 und 48 erörterte Konfiguration den Nutzen der Ausgangssignalamplitude, die eine Funktion des Vormagnetisierungsstroms und des angelegten Felds ist. Die funktionale Beziehung kann genutzt werden, um einen eigenständigen Sensor zum Messen der Größe von Hochfeldern in zwei Achsen zu implementieren, was relativ große Felderfassung ermöglicht. Darüber hinaus kann diese funktionale Beziehung verwendet werden zum Detektieren von Magnetfehlern durch das Detektieren von Feldstärkeabfall, was ein zusätzliches Merkmal Funktionaler Sicherheit darstellen kann. Dieses Sicherheitsmerkmal kann das Detektieren und Korrigieren von Abfällen ermöglichen, die beispielsweise durch Entmagnetisierung, Zerstörung, Entfernung, Alterung und/oder Exzentrizität des Interessenmagneten hervorgerufen werden. Ein weiterer Vorteil von hier veranschaulichten Ausführungsformen beinhaltet eine Steuerung-auf-Verlangen des Einbringens eines Stroms in den Leiter oder zum Vormagnetisieren des Leiters. Beispielsweise kann das Vormagnetisieren des Leiters mit einem Strom selektiv durchgeführt werden (z. B. nur, wenn tatsächlich eine Messung durchgeführt wird), um Strom zu sparen. Bei einem derartigen Beispiel können die magnetoresistiven Sensoren ohne Strom auf dem Leiter ihre Funktion des 180-Grad-Erfassens für gewisse Operationen durchführen, wie etwa Umdrehungszählungen, wobei aber gelegentlich ein 360-Grad-Erfassen oder -Detektieren freigegeben werden kann, indem Ströme in den Leiter eingeprägt werden, um andere Operationen zu ermöglichen, wie etwa das Prüfen oder Verifizieren von Funktionen sowie das Durchführen von Sicherheitsprüfungen.
Hier offenbarte Ausführungsformen stellen ein Erfassen mit relativ hoher Genauigkeit, ein breites Magnetfenster, Nullpunktverschiebungs- und Nullpunktverschiebungsdrift-Aufhebung und Magnetvorhandenseindetektion bereit, können monolithische Integration ermöglichen oder eine beliebige Kombination davon. Obgleich hier AMR-Sensor-Beispiele hinsichtlich verschiedener Anwendungsbeispiele erörtert werden, können andere magnetoresistive Sensoren, wie etwa TMR- oder GMR-Sensoren, auf ähnliche Weise beim Implementieren dieser verschiedenen Anwendungsbeispiele verwendet werden. Das hier Offenbarte kann in verschiedenen Sektoren verwendet werden, wie etwa dem Automobil-, Industrie- und Gerätesektor, die häufig verschiedene Sensoren oder Detektoren verwenden, wie etwa als Servomotor-Kommunikationssensor, Servopositionssensor, Absolut- und Inkremental-Drehencoder, Zahnradzahnsensoren, Aktorpositionssteuerung, Steuerung für Motoren mit ungerader Polpaarzahl, Absolut- und Inkremental-Linearencoder, Steuerung für bürstenlose DC-Motoren, automobilen Lenkradstellungssensor, Nockenwellenwinkelsensoren, Kurbelwellenwinkelsensoren, Radsensoren und wellenlosen Winkelsensor. Im Falle von Absolut- und Inkremental-Drehencodern erlaubt die vorliegende Offenbarung die Implementierung des Nonius-Prinzips für einen Absolut-Drehencoder, um wellenloses 360-Grad-Winkelerfassen zu erreichen.
Aspekte dieser Offenbarung können in diversen elektronischen Vorrichtungen umgesetzt werden. Beispielsweise können Aspekte dieser Offenbarung in jeglicher elektronischen Vorrichtung oder jeglicher elektronischen Komponente implementiert werden, die von einem magnetoresistiven Sensor profitieren könnte. Beispielsweise können Aspekte dieser Offenbarung in jeglicher elektronischen Vorrichtung oder jeglicher elektronischen Komponente implementiert werden, die von einem magnetoresistiven Sensor profitieren könnte. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können unter anderem Unterhaltungselektronikprodukte, Teile von Unterhaltungselektronikprodukten, elektronische Testausstattung, Fahrzeugelektroniksysteme usw. beinhalten. Beispiele für die elektronischen Vorrichtungen können unter anderem Rechenvorrichtungen, Kommunikationsvorrichtungen, elektronische Haushaltsgeräte, Automobil-Elektroniksysteme usw. beinhalten. Ferner können die elektronischen Vorrichtungen unfertige Erzeugnisse beinhalten.
Außer wenn es der Kontext unmissverständlich anders erfordert, sind in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Wörter „umfassen”, „umfassend”, „beinhalten”, „beinhaltend” und dergleichen in einem einschließenden Sinne im Gegensatz zu einem ausschließenden oder erschöpfenden Sinn zu verstehen, das heißt im Sinne von „beinhaltend, aber nicht beschränkt auf”. Zusätzlich beziehen sich die Wörter „hier”, „oben”, „unten” und Wörter mit ähnlicher Bedeutung, wenn sie in dieser Anmeldung verwendet werden, auf diese Anmeldung als ein Ganzes und nicht auf irgendwelche besonderen Abschnitte dieser Anmeldung. Wo es der Kontext erlaubt, können Wörter in der obigen Beschreibung bestimmter Ausführungsformen, die die Singular- oder Pluralzahl verwenden, auch jeweils die Plural- oder Singularzahl beinhalten. Wo es der Kontext erlaubt, soll das Wort „oder” mit Bezug auf eine Liste von zwei oder mehr Elementen alle der folgenden Auslegungen des Worts abdecken: irgendeines der Elemente in der Liste, alle Elemente in der Liste und irgendeine Kombination der Elemente in der Liste.
Außerdem soll konditionelle Sprache, die hier verwendet wird, wie zum Beispiel, unter anderem, „kann”, „könnte”, „z. B.”, „zum Beispiel”, „wie zum Beispiel” und dergleichen, außer wenn spezifisch Anderes angegeben ist oder anderswie in dem verwendeten Kontext verstanden wird, im Allgemeinen vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Zustände enthalten, während andere Ausfühungsformen diese nicht enthalten. Solche konditionelle Sprache bezweckt daher im Allgemeinen nicht, anzudeuten, dass Merkmale, Elemente und/oder Zustände in irgendeiner Art für eine oder mehrere Ausführungsformen erforderlich sind, oder dass eine oder mehrere Ausführungsformen notwendigerweise Logik enthalten, um mit oder ohne Zutun oder Aufforderung des Autors zu entscheiden, ob diese Merkmale, Elemente und/oder Zustande enthalten sind oder in irgendeiner besonderen Ausführungsform auszuführen sind.
Die obige Beschreibung und die Ansprüche können auf Elemente oder Merkmale als miteinander „verbunden” oder „gekoppelt” verweisen. So wie es hier verwendet wird, außer wenn ausdrücklich Anderes angegeben ist, bedeutet „verbunden”, dass ein Element/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Merkmal, und nicht notwendigerweise mechanisch, verbunden ist. Ebenso, außer wenn ausdrücklich Anderes angegeben ist, bedeutet „gekoppelt”, dass ein Element/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Merkmal, und nicht notwendigerweise mechanisch, gekoppelt ist. Obwohl die unterschiedlichen Skizzen, die in den Figuren gezeigt sind, beispielhafte Anordnungen von Elementen und Komponenten abbilden, können daher zusätzliche eingreifende Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer tatsächlichen Ausführungsform vorhanden sein (unter der Annahme, dass die Funktionalität der abgebildeten Schaltungen nicht nachteilig beeinflusst wird).
So wie er hier verwendet wird, ist der Begriff „im Wesentlichen” derart zu verstehen, dass die modifizierte Eigenschaft nicht absolut sein muss, sondern nahe genug, um somit die Vorteile der Eigenschaft zu erzielen.
Die verschiedenen oben beschriebenen Operationen von Verfahren können durch irgendein geeignetes Mittel ausgeführt werden, das in der Lage ist, die Operationen auszuführen, wie zum Beispiel unterschiedliche Hardware- und/oder Software-Komponenten, Schaltungen und/oder ein Modul/Module. Im Allgemeinen können die in den Figuren veranschaulichten Operationen durch entsprechende funktionale Mittel ausgeführt werden, die zum Ausführen der Operationen fähig sind.
Die hier offenbarten Verfahren umfassen eine oder mehrere Operationen oder Handlungen zum Verwirklichen des beschriebenen Verfahrens. Die Verfahrensschritte und/oder Handlungen können untereinander ausgetauscht werden, ohne den Schutzumfang der Ansprüche zu verlassen. Mit anderen Worten können, außer wenn eine spezifische Reihenfolge von Operationen oder Handlungen spezifiziert ist, die Reihenfolge und/oder der Gebrauch spezifischer Operationen und/oder Handlungen geändert werden, ohne den Schutzumfang der Ansprüche zu verlassen.
Es versteht sich, dass die Implementierungen nicht auf die genaue(n) oben veranschaulichte(n) Konfiguration und Komponenten beschränkt sind. Diverse Modifikationen, Änderungen und Variationen können an der Anordnung, dem Betrieb und den Einzelheiten der Verfahren und Einrichtungen, die oben beschrieben sind, vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang der Implementierungen zu verlassen.
Obwohl Innovationen hinsichtlich bestimmter Ausführungsformen beschrieben wurden, fallen andere Ausführungsformen, die dem Durchschnittsfachmann ersichtlich sind, darunter Ausführungsformen, die nicht alle der Merkmale und Vorteile, die hier dargelegt sind, aufweisen, ebenfalls in den Schutzumfang dieser Erfindung. Außerdem können die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu liefern. Zusätzlich können bestimmte Merkmale, die im Kontext einer Ausführungsform gezeigt sind, auch in andere Ausführungsformen aufgenommen werden.
Verschiedene Ausführungsformen wurden oben beschrieben. Obwohl unter Bezugnahme auf diese speziellen Ausführungsformen beschrieben, sind die Beschreibungen als veranschaulichend gedacht und nicht als einschränkend gedacht. Verschiedene Modifikationen und Anwendungen können dem Fachmann in den Sinn kommen.
Die Abhängigkeit von mindestens einigen der Ansprüche kann dergestalt sein, um der Praxis des US-Patent- und Markenamtes (USPTO) zu genügen. Für andere Jurisdiktionen, bei denen mehrere abhängige Ansprüche vorgelegt werden können, ohne eine Anspruchsgebühr zu erheben, versteht es sich, dass jeder Anspruch von einem vorhergehenden Anspruch derselben oder einer ähnlichen Anspruchsart abhängen kann, unter Ausnahme des technisch offensichtlich nicht Machbaren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9310446 [0002]

Claims

Einrichtung, die einen Magnetfeldsensor umfasst, wobei die Einrichtung Folgendes umfasst: einen ersten Magnetfelddetektor mit einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementen, die unter mindestens zwei Winkeln angeordnet sind, wobei der erste Magnetfelddetektor ein erstes Halbbrücken-Ausgangssignal aufweist; einen oder mehrere Vormagnetisierungsleiter nahe an den magnetoresistiven Elementen; eine Vormagnetisierungsschaltung, die ausgelegt ist zum Durchleiten einer ersten Stromstärke durch den einen oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter für eine erste Phase eines Sensorzyklus und zum Durchleiten einer zweiten Stromstärke durch den einen oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter für eine zweite Phase des Sensorzyklus, wobei sich die erste Stromstärke von der zweiten Stromstärke in ihrer Größe und/oder Richtung unterscheidet; und eine Differenzschaltung, die ausgelegt ist zum Bilden einer Differenz zwischen einem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der ersten Phase auftritt, und einem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der zweiten Phase auftritt.
Einrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: eine erste Abtast-und-Halteschaltung, die ausgelegt ist zum Abtasten und Halten des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals während der ersten Phase als ein erster Phasensignalpegel; und eine zweite Abtast-und-Halteschaltung, die ausgelegt ist zum Abtasten und Halten des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals während der zweiten Phase als ein zweiter Phasensignalpegel, wobei die Differenzschaltung ausgelegt ist zum Bilden einer Differenz zwischen dem ersten Phasensignalpegel und dem zweiten Phasensignalpegel.
Einrichtung nach Anspruch 2, die ferner einen Puffer umfasst, der in einem Signalpfad zwischen dem ersten Magnetfelddetektor und der ersten Abtast-und-Halteschaltung angeordnet ist, wobei der Puffer ausgelegt ist zum Puffer des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals für die erste Abtast-und-Halteschaltung und die zweite Abtast-und-Halteschaltung.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenzschaltung einen Differenzverstärker umfasst.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differenzschaltung einen Analog-Digital-Wandler umfasst, wobei die Differenz in einer Digitalschaltung berechnet wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung ferner Folgendes umfasst: einen zweiten Magnetfelddetektor, der ein zweites Halbbrücken-Ausgangssignal aufweist; eine dritte Abtast-und-Halteschaltung, die ausgelegt ist zum Abtasten und Halten des zweiten Halbbrücken-Ausgangssignals während der ersten Phase als ein erster Phasenzweitsignalpegel; eine vierte Abtast-und-Halteschaltung, die ausgelegt ist zum Abtasten und Halten des zweiten Halbbrücken-Ausgangssignals während der zweiten Phase als ein zweiter Phasenzweitsignalpegel; und eine zweite Differenzschaltung, die ausgelegt ist zum Bilden einer Differenz zwischen dem ersten Phasenzweitsignalpegel und dem zweiten Phasenzweitsignalpegel.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter zwei Leiter auf getrennten Schichten an einer ersten Seite der magnetoresistiven Elemente und zwei Leiter auf getrennten Schichten an einer zweiten Seite der magnetoresistiven Elemente umfassen, wobei die zweite Seite der ersten Seite entgegengesetzt ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Magnetfelddetektor eine Vielzahl von Gruppen aus jeweils einem oder mehreren magnetoresistiven Elementen aufweist, wobei die Vielzahl von Gruppen in einer Brückenkonfiguration angeordnet ist, um das erste Halbbrücken-Ausgangssignal und ein zweites Halbbrücken-Ausgangssignal zu erzeugen, wobei die Vielzahl von Gruppen mindestens eine erste Gruppe, eine zweite Gruppe, eine dritte Gruppe und eine vierte Gruppe umfasst; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der ersten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer ersten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Achse ist, die unter einem ersten Winkel relativ zu einer Referenzachse steht; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der zweiten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer zweiten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Achse ist, die unter einem zweiten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der zweite Winkel vom ersten Winkel unterscheidet; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der dritten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer dritten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer dritten Achse ist, die unter einem dritten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der dritte Winkel vom ersten Winkel und vom zweiten Winkel unterscheidet; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der vierten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer vierten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer vierten Achse ist, die unter einem vierten Winkel relativ zu der Referenzachse steht, wobei sich der vierte Winkel vom ersten Winkel, vom zweiten Winkel und vom dritten Winkel unterscheidet; und
Einrichtung nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl von Gruppen des ersten Magnetfelddetektors ferner eine fünfte Gruppe, eine sechste Gruppe, eine siebente Gruppe und eine achte Gruppe umfasst, die jeweils ein oder mehrere magnetoresistive Elemente aufweisen, wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der fünften Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer fünften Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer fünften Achse ist, die unter einem fünften Winkel relativ zu der Referenzachse steht; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der sechsten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer sechsten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer sechsten Achse ist, die unter einem sechsten Winkel relativ zu der Referenzachse steht; wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der siebenten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer siebenten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer siebenten Achse ist, die unter einem siebenten Winkel relativ zu der Referenzachse steht; und wobei das eine oder die mehreren magnetoresistiven Elemente der achten Gruppe dafür ausgelegt sind, Strom in einer achten Stromrichtung zu führen, die im Wesentlichen parallel zu einer achten Achse ist, die unter einem achten Winkel relativ zu der Referenzachse steht.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Stromstärke und die zweite Stromstärke dieselbe Größe aber entgegengesetzte Richtungen aufweisen.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds mit verringerten Nullpunktverschiebungen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: in einer ersten Phase eines Sensorzyklus, Erzeugen eines ersten Halbbrücken-Ausgangssignals von einem ersten Magnetfelddetektor, während eine erste Stromstärke über eine Vormagnetisierungsschaltung durch einen oder mehrere Vormagnetisierungsleiter durchgeleitet wird, wobei der erste Magnetfelddetektor eine Vielzahl von magnetoresistiven Elementen, die unter mindestens zwei Winkeln angeordnet sind, aufweist; wobei sich der eine oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter nahe an den magnetoresistiven Elementen befinden; in einer zweiten Phase des Sensorzyklus, Erzeugen des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, während eine zweite Stromstärke durch den einen oder die mehreren Vormagnetisierungsleiter durchgeleitet wird, wobei sich die erste Stromstärke von der zweiten Stromstärke in ihrer Größe und/oder Richtung unterscheidet; und Bilden, über eine Differenzschaltung, einer Differenz zwischen einem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der ersten Phase auftritt, und einem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der zweiten Phase auftritt, um das Magnetfeld zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Verwenden einer ersten Abtast-und-Halteschaltung zum Abtasten und Halten des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals während der ersten Phase als ein erster Phasensignalpegel; und Verwenden einer zweiten Abtast-und-Halteschaltung zum Abtasten und Halten des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals während der zweiten Phase als ein zweiter Phasensignalpegel, wobei das Bilden der Differenz zwischen dem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der ersten Phase auftritt, und dem Pegel des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals, das während der zweiten Phase auftritt, ferner das Bilden einer Differenz zwischen dem ersten Phasensignalpegel und dem zweiten Phasensignalpegel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Puffer, mit einem Puffer, des ersten Halbbrücken-Ausgangssignals für die erste Abtast-und-Halteschaltung und die zweite Abtast-und-Halteschaltung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines zweiten Halbbrücken-Ausgangssignals von einem zweiten Magnetfelddetektor; Verwenden einer dritten Abtast-und-Halteschaltung zum Abtasten und Halten des zweiten Halbbrücken-Ausgangssignals während der ersten Phase als ein erster Phasenzweitsignalpegel; Verwenden einer vierten Abtast-und-Halteschaltung zum Abtasten und Halten des zweiten Halbbrücken-Ausgangssignals während der zweiten Phase als ein zweiter Phasenzweitsignalpegel; und Bilden, über eine zweite Differenzschaltung, einer Differenz zwischen dem ersten Phasenzweitsignalpegel und dem zweiten Phasenzweitsignalpegel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die erste Stromstärke und die zweite Stromstärke dieselbe Größe aber entgegengesetzte Richtungen aufweisen.