DE102021110733A1 - Magnetfeldbasierter Winkelsensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetfeldbasierten Winkelsensor (10), umfassend zumindest zwei, auf einem Chipsubstrat (12) bezüglich ihrer Halbbrückensensitivitätsachse (H) winkelversetzt angeordnete, Halbbrücken (14), wobei jede Halbbrücke (14) aus einer Reihenschaltung zweier magnetoresistiver Brückenwiderstände (20) mit abweichenden mittleren Pinningrichtungen (S) gebildet ist, und wobei jeder Brückenwiderstand (20) eine Serienschaltung einer Mehrzahl von TMR/GMR-Elementen (22) mit jeweils individuell einstellbarer Pinningrichtung (M) umfasst.Es wird vorgeschlagen, dass eine reihenförmige Anordnung (24) von TMR/GMR-Elementen (22) zweier, ein Widerstandspaar (50) bildender, Brückenwiderstände (20) abweichende mittlere Pinningrichtungen (S) aufweisen, und eng benachbart, insbesondere verschachtelt ineinander, auf dem Chipsubstrat (12) angeordnet sind, und der Winkelsensor (12) einen kompensationsfreien Winkelfehler, gebildet aus sinusförmig und phasenversetzt verlaufenden Messsignalen der Mittelabgriffe der Halbbrücken (14), geringer als 1° aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen magnetfeldbasierten Winkelsensor der zumindest zwei auf einem Chipsubstrat bezüglich ihrer Halbbrücken-Sensitivitätsachse winkelversetzt angeordnete Halbbrücken umfasst, wobei jede Halbbrücke aus einer Reihenschaltung zweier magnetoresistiver Brückenwiderstände mit abweichenden mittleren Pinningrichtungen gebildet ist.
• STAND DER TECHNIK
• Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von magnetbasierten Winkelsensoren bekannt, die zur Bestimmung des Winkels des Feldstärkevektors eines externen magnetischen Feldes eingerichtet sind. In der Regel können diese beispielsweise für eine Kompassanwendung eines mobilen Gerätes wie Smartphone, Tablet oder Navigationssystem, aber auch in technischen Anwendungen beispielsweise im Automobilbereich zur Bestimmung eines Drehwinkels eines Lenkrades eingesetzt werden. Andere Anwendungen umfassen beispielsweise in der Automatisierungstechnik die Bestimmung einer Achsenausrichtung einer Maschine oder bei einer zerstörungsfreien magnetischen Prüfung, die Bestimmung des Verlaufs von magnetfeldsensitiven Materialfehlern.
• Häufig sind derartige Winkelsensoren aus zwei winkelversetzten Halb- oder Vollbrücken aufgebaut, deren Brückenwiderstände magnetoresistiv sind, wobei jeder Brückenwiderstand eine magnetische Vorzugsrichtung aufweist, in dem der Wert des Brückenwiderstandes bezüglich der vektoriellen Ausrichtung und Amplitude eines externen Magnetfelds minimal ist. Regelmäßig werden diese als Sinus- und Cosinus-Brücken mit 90° Winkel versetzten Sensitivitätsausrichtungen aufgebaut. Innerhalb der Brücken werden zumeist zwei oder vier, magnetoresistive Brückenwiderstände mit in der Regel entgegengesetzten Sensitivitätsausrichtungen eingesetzt.
• Im Folgenden werden Winkelsensoren betrachtet, insbesondere TMR- oder GMR-Winkelsensoren, die zwei Ausgangssignale für zwei winkelversetzte Achsenrichtungen liefern - typischerweise als Sinus- und Cosinussignal. TMR steht für „TunnelMagnetoResistance“ und GMR für „Giant MagnetoResistance".
• Um einen geringen Winkelfehler dieser Sensoren zu erreichen, sind die am Markt verfügbaren MR Sensoren zumeist so ausgelegt, dass bestimmte Parameter kompensiert werden. Darunter sind z.B. Offset-, Phasen- und Amplitudensynchronitätsfehler. Ohne diese besagte Kompensation weicht der errechnete Winkelfehler, der über die arctan-Funktion errechnet wird, vom tatsächlichen Winkelwert signifikant ab.
• Die Ursachen für einen Offset ungleich Null liegen in einer mangelnden Prozessstabilität, insbesondere in einem Widerstandsgang innerhalb eines Chips und/oder in kleinen Schwankungen der Dimensionen oder Materialzusammensetzungen der TMR/GMR-Elemente, die im Weiteren auch als magnetoresistive Elemente bezeichnet werden. Dadurch sind die vier Brückenwiderstände einer Wheatstonebrücke nicht identisch abgeglichen, so dass ein mehr oder wenig hoher Offset verursacht wird.
• Die Ursache für einen Phasenfehler liegt darin, dass die unterschiedlichen TMR/GMR-Elemente nicht perfekt zueinander magnetisch ausgerichtet wurden.
• Die Ursache für einen Amplitudenfehler, insbesondere bei nicht identischen Amplituden der Signalwerte zwischen der Sinus- und Cosinusbrücke kann auch durch Inhomogenitäten der TMR-Schichten innerhalb eines Chips erklärt werden.
• Um einen möglichst geringen Winkelfehler zu erzielen, werden Offset, Amplitudensynchronität der beiden Sinus und Cosinus Wheatstonebrücken und Phasendifferenz zwischen den beiden Brücken ermittelt. Hiernach werden durch trigonometrische Funktionen oder weit aufwändigeren Methoden die Korrekturparameter mittels einer rechnerischen Nachbehandlung abgeglichen, sprich: es wird versucht, Offset auf 0 mV/V, Amplitudensynchronität auf 0% Abweichung und Phase zwischen Sinus und Cosinus auf 90° bestmöglich zu korrigieren.
• Letzteres, nämlich die Phasenkorrektur erfordert eine hohe Rechenleistung bzw. Rechenzeit und ist daher ein Kostentreiber und verringert die Bandbreite der Sensoren. Des Weiteren erfordert eine rechnerische Nachbehandlung der Fehlerquellen herkömmlicher magnetfeldbasierter Winkelsensoren eine Recheneinheit bzw. einen Fehlerkorrekturverarbeitungsbaustein, die zum einen den Hardwareaufwand erhöht, zum anderen die Kosten und den Platzbedarf für den Winkelsensor vergrößert.
• Betrachtet man Ursache und Natur der Fehlereinflüsse eines magnetoresistiven Winkelsensors, so kann man folgende Betrachtung anstellen:
• Es gibt eine Magnetfelderzeugung, die am Ort eines Sensors ein vektorielles Magnetfeld H, mit einer Stärke H und einer Vektorrichtung relativ zur Lage des Sensors erzeugt. Der Sensor besteht aus zwei Erfassungseinheiten. Die erste Erfassungseinheit liefert ein Signal, das proportional ist zur Projektion von $\overrightarrow{H}$

  

  auf eine erste Richtung und die zweite Erfassungseinheit liefert ein Signal, das proportional ist zur Projektion von $\overrightarrow{H}$

  

  auf eine zweite Richtung. Typischerweise ist der Winkel zwischen der ersten und der zweiten Richtung 90°. Dann kann das erste Signal auch Cosinus-Signal und das zweite Signal auch Sinus-Signal genannt werden, siehe 1.
• Definiert man den Winkel von $\overrightarrow{H}$

  

  zur Richtung, die parallel ist zur Empfindlichkeitsrichtung des ersten Signals, als φ, dann ist φ = 0, wenn $\overrightarrow{H}$

  

  parallel zur ersten Empfindlichkeitsrichtung ist. Bei einem idealen Sensor ergibt sich nun für das erste und das zweite Signal: $$\begin{array}{l}{U}_1=U_{cosinus}=U_{c1}cos\phi \\ \\ U_2=U_{sinus}=U_{s1}sin\phi \end{array}$$

  
• Der Winkel φ ergibt sich dann für den Fall, dass U_c1 = U_s1 direkt aus der arctan Funktion: $${\phi }_{sensor}=arctan{U}_2/U_1$$

  
• In der Praxis werden bei magnetoresistiven Sensoren typischerweise zwei Wheatstonebrücken eingesetzt. Diese bestehen jeweils aus vier Widerständen eines magnetoresistiven Materials, die in einer Brückenanordnung miteinander verschaltet sind, also alle vier Widerstände sind in Serie geschaltet und der letzte ist mit dem ersten Widerstand elektrisch verbunden. Zwischen jeweils zwei benachbarten Widerständen befindet sich ein Abgriff. Dabei werden zwei gegenüber liegende Abgriffe zur Spannungsversorgung genutzt und die zwei weiteren Abgriffe sind die jeweils differenziellen Signalabgriffe für die Signale U1 bzw. U2.
• Nur im idealen Fall ist die Signalform bei einem gleichförmig drehenden externen magnetischen Feld durch eine einfache Sinus- oder Cosinusfunktion beschrieben. Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten sind die vier Widerstände einer Brücke nicht exakt gleich. Die Brücke ist damit nicht perfekt abgeglichen, und es entsteht ein Offset im Sinus- bzw. Cosinussignal U_s0 und U_c0. $$\begin{array}{l}{U}_1=U_{cosinus}=U_{c0}+U_{c1}cos\phi \\ \\ U_2=U_{sinus}=U_{s0}+U_{s1}sin\phi \end{array}$$

  
• Den Quotient aus U_s1/U_c1 nennt man Amplitudensynchronität und sollte idealerweise = 1 sein. Es ist durchaus möglich, dass die Empfindlichkeiten der Sinusbrücke und der Cosinusbrücke nicht ganz gleich sind, das heißt U_s1 ≠ U_c1.
• Schließlich sind die Cosinusbrücke und die Sinusbrücke so ausgelegt, dass die Messsignale einen Phasenversatz von exakt 90° aufweisen sollten, in der Praxis weichen diese aber regelmäßig vom Idealwert von 90° ab. Insbesondere bei GMR und TMR basierten Sensoren ist das Einstellen der Pinningrichtung verantwortlich für die Signalphasenlage und kann häufig Fehler im unteren einstelligen Bereich haben. Die Abweichung der Phasenlage von 90° wird als phasenfehler bezeichnet: $$phasenfehler={\phi }_c-{\phi }_s$$

  
• Die Signal U₁ und U₂ lassen sich nun folgendermaßen beschreiben: $$\begin{array}{l}{U}_1=U_{cosinus}=U_{c0}+U_{c1}cos\left(\phi -{\phi }_c\right)\\ \\ U_2=U_{sinus}=U_{s0}+U_{s1}sin\left(\phi -{\phi }_s\right)\end{array}$$

  
• Die Ursache dieser Fehler ist typischerweise in den Prozessgenauigkeiten zu finden. In einer Wheatstonebrücke müssen alle Widerstände exakt gleich sein, damit es keinen Offset gibt. Das ist aber in der Regel nicht erreichbar, denn die Streifenbreiten bzw. Kreisdurchmesser der GMR- und TMR Elemente sind aufgrund von Linsenfehlern nicht ganz gleich, bzw. der Schichtwiderstand bei GMR bzw. der RA-Wert bei TMR Schichten schwankt etwas über die Größe eines Chips. Insbesondere bei der TMR Technologie ist es schwierig, den Widerstandswert der TMR Elemente innerhalb einer Fläche konstant zu halten, da der Widerstand exponentiell mit der Dicke der Barrierenschicht skaliert. Ähnliche Argumente zählen auch für die Amplitudengleichheit. Die Genauigkeit des Pinningprozesses definiert die Genauigkeit der Phase.
• Schließlich zeigt sich in der Praxis, dass die beiden Signale der Sinus- und Cosinusbrücke nicht perfekt sinus- bzw. cosinusförmig sind, sondern regelmäßig Oberwellen enthalten. Das liegt bei TMR und GMR-Sensoren daran, dass der Freelayer nicht ungehindert frei dreht mit dem äußeren Feld, und der Pinned Layer nicht exakt fest steht bei einer Änderung des äußeren Feldes, sondern je nach Qualität dazu tendiert, mehr oder weniger stark zu taumeln. Somit weichen die Signalformen für U_sinus und U_cosinus mehrfach von der idealen Sinus- bzw. Cosinuskurve ab und können folgendermaßen dargestellt werden: $$U_{sinus}=U_{s0}+U_{s1}\text{sin}\left(\phi -{\phi }_{s1}\right)+{\displaystyle \sum _{n=2}^{\infty }{U}_{sn}\text{sin}\left(n\phi -{\phi }_{sn}\right)}$$

  

  $$U_{cosinus}=U_{c0}+U_{c1}\text{cos}\left(\phi -{\phi }_{c1}\right)+{\displaystyle \sum _{n=2}^{\infty }{U}_{cn}\text{cos}\left(n\phi -{\phi }_{cn}\right)}$$

  
• Liegen in der Praxis dieses Signalverhalten nach Formel (6) vor, die mit Offset, Phasenfehler, Amplitudenasynchronität und Oberwellen behaftet sind, dann ist die Formel (3) nicht mehr korrekt. Der zu messende Winkel φ kann nicht mehr einfach mit der Arctan-Funktion bestimmt werden. Wendet man die Formel trotzdem an, so erhält man einen Winkelfehler.
• Ein Winkelfehler ist die Abweichung des durch den Sensor bestimmten Winkels φ_sensor vom tatsächlichen Winkel φ der Vektorrichtung des Magnetfelds $\overrightarrow{H}.$

  

  Der Winkelfehler wird auch in Grad angegeben. $$\mathrm{\Delta }\phi ={\phi }_{sensor}-\phi$$

  
• Es zeigt sich, dass der Winkelfehler nicht konstant ist, sondern eine Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke und der Temperatur aufweist. Das heißt, alle Koeffizienten U_cn und U_sn sowie die Phasenfehler ändern typischerweise ihre Werte mehr oder weniger stark, wenn sich die Temperatur bzw. die Magnetfeldstärke ändert. Man umschreibt dies fachterminologisch üblicherweise dadurch, dass der Offset, die Amplitudensynchronität und der Phasenfehler mit der Temperatur bzw. mit der Magnetfeldstärke driften. Typischerweise wird der Winkelfehler für einen Sensor über einen bestimmten Temperatur- und Magnetfeldstärkeintervall spezifiziert. Beispielsweise könnte eine Spezifikation lauten, dass der Winkelfehler < 1° in einem Temperaturbereich von -40°C bis +150°C und einem Magnetflussdichtebereich von 30mT - 80mT ist.
• Das Ziel ist es, die Güte eines Sensors zu erhöhen. Das kann erfolgen, indem der Winkelfehler in einem bestimmten Temperatur- und Magnetfeldstärkeintervall reduziert wird, oder indem der angegebene Winkelfehler für ein größeres Temperatur- und oder Magnetfeldstärkeintervall gilt. Kann z.B. ein Winkelfehler < 1° in einem Temperaturbereich von -40°C bis +150°C und einem Magnetflussdichtebereich von 30mT - 130mT garantiert werden, dann hat der Sensor eine höhere Güte und kann in einem größeren Feld- und Temperaturbereich eingesetzt werden.
• Zusätzlich werden durch Temperaturänderungen verursachte Offsetveränderungen häufig mittels eines Temperaturkoeffizienten beschrieben, in der vereinfachten Annahme, dass thermisch bedingte Änderungen des Offsets linear mit der Temperatur erfolgen. Diese können wiederum durch rechnerische Kompensationsmethoden minimiert werden.
• Der Einfluss von Offsetwerten, Amplitudenasynchronität und Phasenfehler auf den Winkelfehler kann leicht ermittelt werden. So zeigt sich, dass der Einfluss des Offsets (U_c0 und U_s0) auf den Winkelfehler von seiner Größe in Relations zur Amplitude (U_c1 und U_s1) steht. Bildet man den Term U_co/U_c1 * 100%, so kann der Offset in Prozent in Bezug auf die Amplitude bestimmt werden. Ist der Offset beispielsweise 1 mV und die Amplitude ist 1 00mV dann beträgt der Offset 1% der Amplitude. Es zeigt sich, dass der maximale Winkelfehlerbeitrag ca. 0,6° groß ist, wenn entweder der Sinus- oder der Cosinus-Offset 1% der Amplitude beträgt. Hierbei ist zu beachten, dass der Winkelfehler über eine volle Umdrehung des Magnetfeldes nicht konstant ist, sondern eine periodische Funktion abbildet.
• 2 zeigt zur Veranschaulichung eine lineare Abhängigkeit des Winkelfehlers φ_err, aufgetragen auf der Ordinate, von einem Anwachsen beider statischer Offsets U_c0, U_s0, die in gleicher Weise in % der identischen Amplituden U_c1, U_s1 [% Amp] auf der Abszisse angegeben sind. Weisen beide Offsets U_c0, U_s0 10% der Amplituden U_c1, U_s1 auf, so bewirkt dies einen Winkelfehler φ_err von 8°.
• Eine ähnliche, lineare Winkelfehlerabhängigkeit φ_err ist auch für die Amplitudenasynchronität U_c1/U_s1 feststellbar. Bildet man den Term ([Ucl/Usl] - 1)*100% und trägt diesen als %-Wert [%] auf der Abszisse auf, so zeigt sich, dass eine Asynchronität der Amplituden U_c1/U_s1 von 1% einen Winkelfehler von ca. 0,3° verursacht.
• Ein Anwachsen eines Phasenfehlers φ_c - φ_s in [°] wirkt sich ebenfalls linear auf den Winkelfehler φ_err aus. So bewirkt ein Phasenfehler von 1° einen Winkelfehler von 0,5°.
• Die weiteren 3a bis 3f zeigen den Einfluss verschiedener Fehlerquellen bei einer 360°-Drehung eines externen Magnetfeldes $\overrightarrow{H}$

  

  auf den Winkelfehler.
• 3a zeigt die Abhängigkeit des Winkelfehlers bei einem Offset von 10% der Amplituden. Man kann erkennen, dass ein statischer Offset einen 1-periodischen Winkelfehler verursacht. Eine in 3b dargestellte Amplitudenasynchronität mit 10% und ein in 3c gezeigter Phasenfehler von 10° verursachen dagegen einen 2-periodischen Winkelfehler.
• Auch Oberwellen gehen in den Winkelfehler ein. Hier zeigt sich, dass v.a. die dritte und die fünfte Oberwelle einen dominierenden Einfluss auf den Winkelfehler haben. Die geradzahligen Oberwellen können durch ein bestimmtes Brückendesign gefiltert werden. Die dritte und die fünfte Oberwelle im Sinus- bzw. Cosinus-Signal verursachen beide einen 4-periodischen Winkelfehler. Die 3d zeigt diesen vierperiodischen Fehleranteil, bewirkt durch eine Amplitude von 1% in der dritten Oberwelle, bzw. in der fünften Oberwelle gegenüber der Grundamplitude. Die Phasenlage der Oberwellen ist dabei nicht berücksichtigt.
• Höhere Oberwellen verursachen höherperiodische Fehler. 3e zeigt beispielsweise einen achtperiodischen Winkelfehler, der durch den Einfluss einer siebten bzw. neunten Oberwelle verursacht wird, deren Amplitude 1% der Amplitude der Grundwelle beträgt.
• Ein zwölfperiodischer Winkelfehler wird durch eine elfte bzw. dreizehnte Oberwelle verursacht. In 3f ist ein Fall dargestellt, in dem die Amplitude der Oberwelle 1 % der Amplitude der Grundwelle beträgt.
• Auch die Oberwellen sind nicht unabhängig von Temperatur und Magnetfeldstärke. Als Ursache der Oberwellen kommen sowohl die Bewegung des Freelayers in Betracht, der insbesondere bei kleinen Feldern nicht mehr ganz parallel steht zum äußeren Magnetfeld und v.a. auch der Pinned Layer, der insbesondere bei hohen Feldern nicht ganz unbeeinflusst vom äußeren Feld bleibt und sich ein wenig mitdreht. Dies ist der Grund, warum die meisten GMR- und TMR-Winkelsensoren für einen Magnetfeldbereich spezifiziert sind, der durch ein minimales und ein maximales Feld begrenzt ist. Das minimale Feld ist begrenzt durch die Beweglichkeit des Freelayers und das maximale Feld durch die Stabilität des Pinned Layers. Für letzteren gilt: je höher die Felder am Sensor sind und je höher die Temperatur am Sensor ist, desto größer sind die Oberwellen. Die Temperaturabhängigkeit des Pinned Layers basiert auf der Temperaturabhängigkeit der Austauschkopplung. Diese Abhängigkeiten sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht im Detail erläutert. Wichtig ist lediglich, dass es ein Verständnis dafür gibt, dass die Oberwellen feld- und temperaturabhängig sind. Daher ist es vorteilhaft, eine Oberwellenfilterung in einen Sensor zu integrieren. Wenn die Oberwellen stark genug durch den Filter reduziert werden, dann sind auch die Feld- und die Temperaturabhängigkeit stark reduziert. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Oberwellen keine oder nur sehr schwache Drifts verursachen.
• Um einen magnetoresistiven Sensor mit geringem Winkelfehler zu spezifizieren, kann eine Verbesserung angewendet werden, die inzwischen zur Technik der magnetoresistiven Sensoren standardmäßig dazugehört. Der Sensor wird im kompensierten Zustand spezifiziert. Das heißt, man geht davon aus, dass der Anwender über ein rechnerisches Korrekturverfahren verfügt, welches in der Lage ist, eine Offset-, Amplituden- und Phasenkorrektur durchzuführen. Das setzt voraus, dass ein Korrekturbaustein, wie oben beschrieben, Korrekturparameter für Offset, Amplitude und Phasenfehler kennt, welche für jedem einzelnen Sensor individuell zu bestimmen sind. Das heißt, es ist ein Speicherbereich vorzusehen, indem nach einer Messung Korrekturwerte für Offset, Amplitudenasynchronität und Phasenfehler abgelegt werden können. Diese können als Korrekturwerte in die Berechnung eines neuen Wertes für φ_{sensor-korrigiert} verwendet werden.
• Dieses Verfahren nennt man Kompensation bzw. im Detail Offsetkompensation, Amplitudenkompensation und Phasenkompensation. Hat man die Werte für eine Temperatur und ein zu messendes Feld bestimmt, dann können für diese Temperatur und für dieses Feld die Winkelfehler sehr stark minimiert werden. Jedoch verbleibt weiterhin eine Temperaturabhängigkeit, die nicht ohne weiteres kompensierbar ist. Das heißt, wenn der Offset sich linear mit der Temperatur ändert, dann ist er für eine konkrete Temperatur komplett kompensiert. Für abweichende Temperaturwerte tritt weiterhin ein 1-periodischer Offsetfehler auf. Um die Temperaturabhängigkeit weiterhin zu kompensieren, ist es erforderlich, den Offset bei mindestens zwei Temperaturwerten zu bestimmen, beide Werte abzulegen und durch eine Interpolation die Offsetwerte bei jeder Temperatur zu kompensieren, wobei eine separate Temperaturbestimmung bei Messwertbestimmung mit einem Temperatursensor notwendig wird. Das gleiche gilt für Amplituden- und Phasenkompensation. Das erhöht den Speicherbedarf aber auch den Rechenaufwand und die Kosten für die Hardware erheblich, sowie Bauraum auf einem PCB. Dadurch wird das Gesamtsystem größer, teuer und langsamer. Auch wird die Anforderung an einen Endtest des Sensors erhöht, denn die Offsetwerte, sowie die Amplitudenasynchronität sowie der Phasenfehler müssen bei verschiedenen Temperaturen gemessen, und die daraus resultierenden Kompensationsparameter in einen Speicher abgelegt werden.
• Darüber hinaus gibt es Auswerteeinheiten bzw. Korrekturbausteine, die die Oberwellen auf rechnerischem Wege kompensieren. Das erfordert einen noch höheren Rechenaufwand bzw. Kalibrieraufwand. Gelegentlich wird davon ausgegangen, dass die zu messende Winkelbewegung des Magneten so harmonisch und konstant ist, dass gar keine Oberwellen vorliegen dürften, und alle erfassten Oberwellen in den Signalen reine Sensorfehler darstellen. In diesem Fall ist es möglich, dass nicht der Sensor die Drehbewegung überwacht, sondern die Drehbewegung den Sensor mitkalibriert.
• Nachteilig am vorgenannten Stand der Technik ist der hohe Aufwand in der Kompensation der verschiedenen Fehlereinflüsse auf einen Winkelsensor, bzw. die ungenügende Berücksichtigung der einzelnen Fehlerarten in der Kompensation. Weiterhin sind nachgelagerte Signalbearbeitungsmaßnahmen zur Fehlerkompensation nachteilig, da diese einen Zeitversatz in der Signalausgabe bewirken, was sich bei schnell zu ermittelnden Winkelsignale schnelldrehender Anwendungen ungünstig auswirkt.
• Trotz dieser Nachteile ist es Stand der Technik, oben beschriebene Korrekturen mehr oder weniger einzusetzen, da gemäß Stand der Technik nicht davon ausgegangen wird, dass kleine Winkelfehler überhaupt möglich sind ohne diese Korrekturmechanismen. Die Erfinder dieser Anmeldung haben aber überraschenderweise gezeigt, dass diese fest etablierte Meinung nicht länger haltbar ist.
• Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten erheblichen Kompensationsaufwände zu überwinden und mit der einfachen Formel (3) den Winkelfehler in einer hohen Güte ohne weitere Korrektur zu berechnen. Dazu ist es erforderlich, Offsetwerte, Amplitudenasynchronität und Phasenfehler, sowie die Beiträge der Oberwellen im intrinsischen Sensordesign sehr klein über den spezifizierten Temperatur- und Feldbereich zu halten.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine Kombination geeigneter Prozesse und Designs zu ermöglichen, Winkelsensoren mit einem sehr kleinen Winkelfehler von <1°, insbesondere <0,6° mit herausragender Ausbeute zu erhalten, ohne dass in irgendeiner Weise Kompensationsmethoden erforderlich sind.
• Diese Aufgabe wird durch einen magnetfeldbasierter Winkelsensor nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Erfindungsgemäß wird ein magnetfeldbasierter Winkelsensor vorgeschlagen, der zumindest zwei, auf einem Chipsubstrat bezüglich ihrer Halbbrückensensitivitätsachsen H winkelversetzt angeordnete Halbbrücken, insbesondere zwei Paar von in Wheatstone-Brückenanordnung mit winkelversetzten Gesamtsensitivitätsachsen G parallel geschalteten Halbbrücken aufweist. Jede Halbbrücke wird aus einer Reihenschaltung zweier magnetoresistiver Brückenwiderstände mit abweichenden mittleren Pinningrichtungen S gebildet. Jeder Brückenwiderstand umfasst eine Serienschaltung einer Mehrzahl von TMR/GMR-Elementen mit jeweils individuell einstellbarer Pinningrichtung M.
• Es wird vorgeschlagen, dass eine reihenförmige Anordnung von TMR /GMR Elementen zweier, ein Widerstandspaar bildender Brückenwiderstände, insbesondere in Reihe geschalteter Brückenwiderstände der Halbbrücke oder parallel zueinander angeordneter Brückenwiderstände von parallel geschalteten Halbbrücken der Wheatstone-Brückenanordnung, abweichende mittlere Pinningrichtungen S, insbesondere antiparallele mittlere Pinningrichtungen S aufweisen. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die reihenförmige Anordnung der zwei Widerstandspaare eng benachbart, insbesondere verschachtelt ineinander auf den Chipsubstrat angeordnet sind, und der Winkelsensor einen kompensationsfreien Winkelfehler, gebildet aus sinusförmig und phasenförmig verlaufenden Messsignalen der Mittelabgriffe der Halbbrücken < 1° aufweist.
• Im Folgenden werden ein paar vektorielle Begriffe näher erläutert, die im Folgenden verwendet werden sollen. Dazu wird auf 5 Bezug genommen.
• Zunächst wird in 5a ein Brückenwiderstand 20 R einer Wheatstonebrücke 18 oder Halbbrücke 14 dargestellt, der sich wiederum als Reihenschaltung von n TMR Tunnelelemente bzw. GMR Streifen, d.h. TMR/GMR-Elementen 22 ergibt. Jedes dieser n TMR/GMR-Elemente hat eine individuell gepinnte Schicht mit der magnetischen Vorzugsrichtung des TMR-/GMR-Elementes i 22 in Vektorschreibweise: $$\overrightarrow{M_i}$$

  
• Die magnetische Vorzugsrichtung M kann auch als Pinningrichtung M des TMR-/GMR-Elementes 22 bezeichnet werden kann, Es gilt für die magnetische Vorzugsrichtung $\overrightarrow{S}$

  

  des Brückenwiderstands R 20 die vektorielle Beziehung: $$\overrightarrow{S}={\displaystyle \sum _{i=1}^n{\overrightarrow{M}}_i}$$

  
• Von der Vorzugsrichtung $\overrightarrow{S}$

  

  abweichende Pinningrichtungen $\overrightarrow{M}$

  

  ermöglichen eine Oberwellenfilterung auf Ebene S des Brückenwiderstands.
• In 5b ist eine Wheatstonebrücke 18 mit vier Brückenwiderstanden 20 R1, R2, R3, R4. dargestellt. Jedes dieser Brückenwiderstande 20 hat eine magnetische Vorzugsrichtung ${\overrightarrow{S}}_1,{\overrightarrow{S}}_2,{\overrightarrow{S}}_3,{\overrightarrow{S}}_4.$

  

  Für jede Halbbrücke 14 wird eine vektorielle Halbbrückensensitivitätsrichtung ${\overrightarrow{H}}_1,{\overrightarrow{H}}_2$

  

  definiert als: $${\overrightarrow{H}}_1={\overrightarrow{S}}_1-{\overrightarrow{S}}_2$$

  

  $${\overrightarrow{H}}_2={\overrightarrow{S}}_3-{\overrightarrow{S}}_4$$

  
• Weichen die Vorzugsrichtungen $\overrightarrow{S}$

  

  von der Halbbrückensensitivitätsachse H ab, kann eine Oberwellenfilterung auf Halbbrückenebene H erreicht werden.
• Die Brückensensitivitätsrichtung $\overrightarrow{B}$

  

  der Wheatstonebrücke 18 ergibt sich vektoriell durch: $$\overrightarrow{B}={\overrightarrow{H}}_1-{\overrightarrow{H}}_2$$

  
• Eine Abweichung der Halbbrückensensitivitätsrichtung $\overrightarrow{H}$

  

  von der Brückensensitivitätsachse B gibt Raum für eine Oberwellenfilterung in der Ebene der Wheatstonebrücke B.
• Schließlich wird in 5c die Gesamtsensitivitätsrichtung G und -achse G einer Wheatstone-Brückenanordnung 16 definiert. In dem Falle, dass die Signale von mehreren Wheatstonebrücken 18 gemittelt werden, ergibt sich die Gesamtsensitivitätsrichtung $\overrightarrow{G}$

  

  aus: $$\overrightarrow{G}={\displaystyle \sum _{i=1}^n{\overrightarrow{B}}_i}$$

  
• In der 5c ist dies dargestellt für n=2, also für zwei Wheatstonebrücken 18a und 18b. Von der Achse G abweichende Brückensensitivitätsachsen B ermöglichen eine Oberwellenfilterung auf Ebene der Wheatstone-Brückenanordnung. Eine Parallelschaltung zumindest einer weiteren Wheatstonebrücke, 18, insbesondere eine Parallelschaltung von Wheatstonebrückenpaaren mit abweichenden Brückensensitivitätsachsen B ist ebenfalls möglich.
• Die Halbbrückensensitivitätsachsen H bzw. die Brückensensitivitätsachsen B sind die Achsen, die durch die vektorielle Ausrichtung von $\overrightarrow{B}\text{ und }\overrightarrow{H}$

  

  im Raum definiert sind. Bezüglich dieser Sensitivitätsachsen kann ein elektrisches Messsignal, in der Regel in Abhängigkeit eines zu messenden externen Magnetfelds, ermittelt werden, welches in einer Richtung der Achse einen Maximalwert und in einer entgegengesetzten Richtung der Achse einen Minimalwert einnimmt.
• Mit anderen Worten betrifft die Erfindung einen magnetfeldbasierten Winkelsensor, der zumindest zwei winkelversetzt angeordnete Halbbrücken aufweist. In der Regel weist der Winkelsensor zwei Paare von in Wheatstone-Brückenanordnung parallel geschalteten Halbbrücken auf, die in Ihrer Gesamtsensitivitätsachse G bzw. Brückensensitivitätsachse B winkelversetzt, vorzugsweise in 90° Winkelversetzung zueinander angeordnet sind, um ein Sinus und Cosinus Messwertsignal einer Vektorkomponente eines externen Magnetfelds H zu erfassen.
• Jede Halbbrücke weist eine Halbbrückensensitivitätsachse H mit einer Maximums- und Minimumsrichtung bezüglich eines Signals am Mittelabgriff auf und besteht aus einer Reihenschaltung aus zwei magnetoresistiven Brückenwiderständen mit einer jeweiligen Brückenwiderstandssensitivitätsrichtung S, die eine Maximumsrichtung des Brückenwiderstands definiert. Die Brückenwiderstände der Halbbrücke haben dabei zueinander abweichende mittlere Pinningrichtungen S. Jede Halbbrücke weist eine Sensitivitätsachse H auf. Deren Lage ist durch ihre Maximums- und Minimumsrichtung hinsichtlich eines Signalverhaltens am Mittelabgriff, dem Signalwertabgriff der Halbbrücke, definiert, wobei ein Maximum bzw. Minimum eines Signalwertes auftritt, wenn das zu messende äußere Feld genau in dieser Achse liegt. Die Pinningrichtung der Brückenwiderstände S muss nicht zwangsläufig mit der Halbbrückensensitivitätsachse H übereinstimmen, sondern die Lage der Halbbrückenachse H ergibt sich durch vektorielle Subtraktion der Brückenwiderstandssensitivitätsrichtung S.
• Jeder Brückenwiderstand umfasst eine Mehrzahl einzelner magnetoresistiver Elemente, die als TMR (tunnel magnetic resitance) oder GMR (giant magnetic resistance) Elemente ausgeführt ist. Diese TMR/GMR-Elemente sind zur Ausbildung des Brückenwiderstands in der Regel in Reihe geschaltet, können aber auch als Parallelschaltung oder gemischte Reihen- und Parallelschaltung ausgebildet sein. Jedes dieser TMR/GMR-Elemente weist eine ebenfalls einstellbare Pinningrichtung M auf, die die Sensitivitätsrichtung des einzelnen TMR/GMR-Elementes bezüglich der externen magnetischen Feldkomponente definiert, die individuell und unabhängig von den benachbarten magnetoresistiven Elementen einstellbar ist. Die reihenförmige Anordnung der magnetoresistiven Elemente definiert somit einen einzelnen Brückenwiderstand, wobei die mittlere Pinningrichtung S sich durch eine vektorielle Superposition der Pinningrichtungen M der magnetoresistiven Elemente ergibt.
• Gemäß der Erfindung weicht diese mittlere Pinningrichtung S eines Brückenwiderstands, die auch als Brückenwiderstandssensitivitätsrichtung S bezeichnet werden kann, zu einem benachbarten Brückenwiderstand ab, der entweder in der Halbbrücke in Reihe geschaltet ist, oder in einer Wheatstone-Brückenanordnung parallel angeordnet ist. Dabei liegen die beiden Brückenwiderstände als Widerstandspaar eng benachbart, insbesondere derart eng benachbart, dass kein weiteres magnetoresistives Element dazwischen passt oder ein sonstiges funktionstragendes Element angeordnet ist, oder keine Leiterbahn zwischen diesen beiden reihenförmigen Anordnungen auf dem Chipsubstrat verläuft. Damit sind auf einem Chipsubstrat die magnetoresistiven Elemente zweier Brückenwiderstände derart eng miteinander benachbart und weisen abweichende Pinningrichtungen der Brückenwiderstände S und jeweils individuell einstellbare Pinningrichtungen M der magnetoresistiven Elemente auf, obwohl diese sehr eng miteinander benachbart sind. Hierdurch wird ermöglicht, dass im Herstellungsprozess bei prozesstypischen Schwankungen von Bauteildicke, Materialveränderungen oder anderen Prozessgrößen diese jeweils mehrere TMR/GMR-Elemente betreffen, die in verschiedenen und sich jeweils kompensierenden Brückenwiderständen angeordnet sind. Verändert sich beispielsweise die Widerstandsgröße der beiden in Reihe oder parallel geschalteten Brückenwiderstände einer Wheatstone-Brückenanordnung in gleicher Art, so wird diese intrinsisch in der Brückenanordnung kompensiert. Darin kann ein Kern der Erfindung gesehen werden, da durch eine hohe Symmetrie und eine hohe Kompaktheit von eng benachbarten, aber unterschiedlich gepinnten magnetoresistiven Elementen, die die einzelnen elektrischen Bauteile der Brückenwiderstandskonfiguration darstellen, es ermöglicht wird, diese extrem homogen auszubilden und somit Fehlereinflüsse durch Temperaturschwankungen und Prozessschwankungen in der Produktion zu minimieren.
• Zusätzlich wird durch die Integration der verschiedenen Pinningrichtungen ein Oberwellenfilter implementiert, wodurch auch die durch die Eigenschaften des TMR Elementes verursachten Fehler, die sich in Oberwellen zeigen, minimiert werden. Somit ergibt sich eine Kombination aus Designmerkmalen, die es ermöglicht, alle relevanten Fehlerbeiträge, die auf lokalen Abweichungen der Materialien und Geometrien beruhen (Offset, Amplitude und Phase), sowie Fehler, die unvermeidlich durch das verwendete Material (Oberwellen) hervorgerufen werden, gleichzeitig zu minimieren. Dies ermöglicht eine hochgenaue Messsignalabgriff, wobei Winkelfehler von < 1° erreichbar sind, ohne dass es einer zusätzlichen Kompensationsmaßnahme bedarf.
• Die Oberwellenfilterung durch abweichende Sensitivitätsrichtung wird sowohl von der Abwinkelung der Sensitivitätsrichtung innerhalb der Ebene der Brückenwiderstände, innerhalb der Ebene der Halbbrücken, innerhalb der Ebene der Vollbrücken oder zwischen parallel geschalteten Vollbrücken innerhalb der Ebene einer Brückenanordnung, insbesondere einer Sinus- und CosinusBrückenanordnung ermöglicht. Auf Basis gleicher Widerstandswerte der einzelnen resistiven Elemente in einer Ebene kann eine symmetrische +/- Abwinkelung von einer resultierenden Gesamtsensitivitätsachse dieser Ebene angewendet werden. Gleichwohl ist denkbar, eine unsymmetrische +/- Abweichung von einer resultierenden Gesamtsensitivitätsachse bei ungleichen Widerstandswerten vorzusehen, die durch geeigneter vektorieller Superposition ebenfalls einen gewünschten Filtereffekt und eine gewünschte Gesamtsensitivitätsrichtung bei ungleichen Widerstandswerten der resistiven Elemente innerhalb einer Ebene ermöglicht.
• Somit können die Sensoren mit einer einfachen Auswerteeinheit betrieben werden, die lediglich in der Lage ist, die Arcustangens-Funktion zu berechnen, was heute in hoher Geschwindigkeit möglich ist. Kein Speicherregister ist erforderlich zum Vorhalten von gemessenen Kompensationsparametern. Keine Temperaturbestimmung ist erforderlich, um die Winkelgenauigkeit über die Temperatur beizubehalten.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Winkelfehler < 1° in einem Flussdichteunterbereich für mindestens 50 mT in einem Flussdichtebereich von 20 mT bis 150 mT und einem Temperaturbereich von -40° bis +150° C auftreten. Durch die enge räumliche Nachbarschaft von magnetoresistiven Elementen unterschiedlicher Pinningrichtungen von verschiedenen Brückenwiderständen unterschiedlicher mittlerer Pinningrichtungen S wirken sich sowohl herstellungsbedingte Materialvariationen bei variierenden externen Feldstärken als auch bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen gleichartig auf die benachbarten Brückenwiderstände aus, die sich aufgrund der Brückenkonfiguration oder der Halbbrückenkonfiguration kompensieren, so dass sich weder Amplituden, noch Offset-, noch Phasenfehler in größerem Maße einstellen können. Somit lässt sich über den vorgenannten großen Flussdichtebereich sowie über den großen Temperaturbereich ein extrem geringer Winkelfehler von < 1° ohne zusätzliche Kompensationsmaßnahmen erreichen.
• Es ist denkbar, dass eine Wheatstone-Brückenanordnung für eine Sinus Komponente oder für eine Cosinus Komponente mehr als eine einzelne Wheatstonebrücke in Parallelschaltung umfasst. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Winkelsensors kann jede Wheatstone-Brückenanordnung zumindest zwei, bezüglich der Gesamtsensitivitätsachsen G in ihrer Brückensensitivitätsachsen B gegensinnig symmetrisch abgewinkelte, insbesondere um einen Winkel von 7,5°, 8,2°, 9°, 10°, 11,25°, 12,9°, 15°, 18°, 22,5°, oder 30° abgewinkelte und parallel geschaltete Wheatstonebrücken zur Ausbildung eines Oberwellenfilters innerhalb der Ebene der Gesamtsensitivitätsachse G umfassen. Insbesondere können die Brückensensitivitätsachsen B dieser Wheatstonebrücken zueinander um 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sein. So weist die gesamte Wheatstone-Brückenanordnung eine Gesamtsensitivitätsachse G auf, die vorzugsweise in eine Sinus- bzw. Cosinusrichtung zeigt. Jede einzelne Messbrücke innerhalb der Wheatstone-Brückenanordnung kann eine abweichende Brückensensitvitätsachse B aufweisen. Werden beispielsweise zwei Wheatstonebrücken zu einer Wheatstone-Brückenanordnung für eine Sinus- bzw. Cosinuskomponente parallel zusammengeschaltet, so können die beiden Vollbrücken eine Brückensensitivitätsachse B um +/- 30°, +/- 18° oder einem anderen abweichenden Winkel symmetrisch zur Gesamtsensitivitätsachse G aufweisen. Dabei ergibt sich die Lage der Gesamtsensitivitätsachse G durch vektorielle Addition der abweichende Brückensensitivitätsachsen B+/- hinsichtlich ihrer jeweiligen Maximumsrichtungen. Hierdurch lässt sich innerhalb der Ebene der Wheatstone-Brückenanordnung ein Oberwellenfilter ausbilden, der in der Lage ist, Oberwellenfehler im Winkelverlauf insbesondere der 3. oder 5. Oberwelle auszufiltern. Hierzu sind die zuvor genannten Winkel vorteilhaft, um derartige Oberwellenfilter auszufiltern. Es ist beispielsweise denkbar, die Stärke der einzelnen Signalanteile der einzelnen Messbrücken innerhalb der Wheatstone-Brückenanordnung unterschiedlich zu gewichten, so dass beispielsweise eine Wheatstonebrücke, deren Brückensensitivitätsachse B exakt in die Richtung der Gesamtsensitivitätsachse G gerichtet sein könnte, ein höheres Gewicht erhält als Wheatstonebrücken, deren Brückensensitivitätsachse B dazu ausgelegt sind, Oberwellen auszufiltern.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in jeder Wheatstonebrücke die Lage der Halbsensitivitätsachsen H der beiden Halbbrücken gegensinnig symmetrisch zu der Lage der Brückensensitivitätsachse B der Wheatstone-Brückenanordnung abgewinkelt sein, insbesondere um einen Winkel von 7,5°, 8,2°, 9°, 10°, 11,25°, 12,9°, 15°, 18°, 22,5°, oder 30° abgewinkelt sein, um ein Oberwellenfilter innerhalb der Ebene der Brückensensitivitätsachse B auszubilden. Insbesondere können diese Halbbrücken somit zueinander um 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sein. Hierdurch wird ermöglicht, dass in jeder Wheatstonebrücke die jeweiligen beiden Halbbrücken, die jeweils eine Halbbrückensensitivitätsachse H aufweisen, beispielsweise gegensinnig symmetrisch zu der Brückensensitivitätsachse B, die bei einer einzelnen Wheatstonebrücke der Gesamtsensitivitätsachse G entspricht, abgewinkelt sind. Die Abwinkelung der Halbbrückensensitivitätsachse H kann in dem vorgenannten Winkelbereich insbesondere symmetrisch +/- des vorgenannten Winkels der Brückensensitivitätsachse B erfolgen, um Oberwellen im Winkelfehlerverlauf zu kompensieren. Somit kann zusätzlich oder alternativ zur vorgenannten Ausfilterung von Oberwellen in der Ebene der Wheatstone-Brückenanordnung auch innerhalb der Ebene der Wheatstonebrücke eine Kompensation von Oberwellen erreicht werden.
• In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform können in einer Wheatstone-Brückenanordnung die Orientierung der Pinningrichtungen S der Brückenwiderstände jeder Halbbrücke gegensinnig symmetrisch zur Lage der Halbbrückensensitivitätsachse H der Halbbrücke abgewinkelt sein, insbesondere um einen Winkel von 7,5°, 8,2°, 9°, 10°, 11,25°, 12,9°, 15°, 18°, 22,5°, oder 30° zur Ausbildung eines Oberwellenfilters innerhalb der Ebene der Halbbrückensensitivitätsachse H. Insbesondere können diese Pinningrichtungen S der Brückenwiderstände somit zueinander um 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sein. Die Orientierung der mittleren Pinningrichtung S definiert eine Pinningachse, in der die vektorielle mittlere Pinningrichtung S liegt. Die vektorielle Halbbrückensensitivitätsrichtung ergibt sich durch vektorielle Subtraktion der Pinningrichtungen S der beiden Brückenwiderstände, und liegt in der Halbbrückensensitivitätsachse. In dieser weiteren Variante wird vorgeschlagen, dass innerhalb der Ebene einer Halbbrücke die die Halbbrückensensitivitätsachse H definierenden mittleren Pinningrichtung S der Brückenwiderstände gegensinnig symmetrisch zur Maximumsrichtung der Halbbrückensensitivitätsachse H abgewinkelt sind, um entsprechend des jeweiligen Abwinklungsgrades einer Oberwellenfilterung in der Ebene der Halbbrücke zu erreichen. Hierzu sind in den mittleren Pinningrichtungen S der Brückenwiderstände vorzugsweise gegensinnig +/- zur Maximumsrichtung der Halbbrückensensitivitätsachse H abgewinkelt.
• Weiterhin können in jeder Halbbrücke zwei Brückenwiderstände mit mehreren Brückenteilwiderständen angeordnet sein. Dabei können beispielsweise die Sensitivitätsrichtungen zumindest eines Paares von Brückenteilwiderständen des Brückenwiderstands abgewinkelt zueinander sein, beispielsweise um 60°, um 36°, oder um 25,7°, usw. abgewinkelt sein. Die Größe der Brückenteilwiderstände kann derart gewichtet oder angepasst sein, um einen Fehlereinfluss von höherfrequenten Oberwellen auf den Winkelfehlerverlauf minimieren zu können. Die Brückenteilwiderstände können auch als Gruppen von TMR/GMR-Elementen angesehen werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die mittlere Pinningrichtung S der beiden Brückenwiderstände des Widerstandpaars zur Ausbildung als Oberwellenfilters abgewinkelt sein, insbesondere antiparallel ausgerichtet sein, oder um einen Winkel von 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sein. Die beiden Brückenwiderstände, deren reihenförmige Anordnung von TMR/GMR-Elementen eng benachbart zueinander angeordnet sind, können mittlere Pinningrichtungen aufweisen die zur Ausbildung als Oberwellenfilters führen, und somit ebenfalls innerhalb der Ebene einer Halb- oder Vollbrücke ein Oberwellenfilter bezüglich der Halbbrückensensitivitätsachse H bzw. Brückensensitivitätsachse B ausbilden. Dabei spielt es keine Rolle, ob die beiden Brückenwiderstände als Reihenschaltung einer Halbbrücke oder als parallel angeordnete Widerstände der zwei, eine Wheatstone-Messbrücke definierenden, Vollbrücken ausgeführt sind.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung können zumindest gruppenweise entlang der reihenförmigen Anordnung der TMR/GMR-Elemente eines Brückenwiderstands unterschiedliche Pinningrichtungen M in Gruppen der TMR/GMR-Elemente eingebracht sein. Diese können bevorzugt gegenüber der mittleren Pinningrichtung S des Brückenwiderstandes abgewinkelt sein, insbesondere um einen Winkel von 7,5°, 8,2°, 9°, 10°, 11,25°, 12,9°, 15°, 18°, 22,5°, oder 30° abgewinkelt sein, um eine Ausbildung eines Oberwellenfilters innerhalb der Ebene des Brückenwiderstands, d.h. bezogen auf die mittlere Pinningrichtung S zu bewirken. Insbesondere können diese Pinningrichtungen M der Gruppen der TMR/GMR-Elemente somit zueinander um 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sein. Insofern kann eine Oberwellenfilterung innerhalb eines einzelnen Brückenwiderstands mit mittlerer Pinningrichtung S erfolgen. Hierzu ist die reihenförmige Anordnung der TMR/GMR-Elemente mit unterschiedlichen Pinningrichtungen M dergestalt, dass Gruppen von magnetoresistiven Elementen eine gemeinsame Pinningrichtung M aufweisen, wobei mehrere Gruppen ausgebildet sind, deren Pinningrichtungen M insbesondere symmetrisch abgewinkelt zur mittleren Pinningrichtung S eine individuelle Pinningrichtung M aufweisen. Auch hier kann die Gruppengröße derart angepasst werden, dass stärker beeinflussende Oberwellenfehleranteile durch eine höhere Gruppengröße als geringer beeinflussende Oberwellenfehleranteile vorgesehen sind, vorzugsweise eine Gruppe von TMR/GMR-Elemente eine Pinningrichtung M in Richtung der mittleren Pinningrichtung S aufweist, die einen dominanten resistiven Anteil aufweist. Insbesondere können Gruppen von magnetoresistiven Elementen mit höherer Gewichtung gebildet sein, die insbesondere die 3. und 5. Oberwelle ausfiltern, da diese einen höheren Fehlereinfluss aufweist, als Gruppen von TMR/GMR-Elementen, die einen 7., 9., 11. oder 13. Oberwellenfehler ausfiltern können. Beispielsweise kann die Anzahl der Elemente in Richtung der mittleren Pinningrichtung S gleich N sein und die Anzahl der Elemente der Elemente mit abgewinkelten Pinningrichtungen auch gleich N sein, wobei N/2 der Elemente positiv abgewinkelt sind und N/2 der Elemente negativ abgewinkelt sind.
• Vorteilhaft ist eine Ausführung, in der alle Brückenwiderstände gleich ausgeführt sind bis auf ihre mittlere Pinningrichtung S, d.h. jedes Brückenelement kann durch einfache Transformation, die nur Spiegelung, Drehung und Verschiebung enthält in jedes andere Brückenelement überführt werden.
• Die vorgenannten Ausführungsformen ermöglichen sowohl innerhalb der Wheatstone-Brückenanordnung mit Gesamtsensitivitätsachse G die Ausbildung eines Oberwellenfilters bezüglich einzelner Brückensensitivitätsachsen B der einzelnen Wheatstonebrücken, als auch einer Oberwellenfilterung innerhalb der Brückenebene B durch abweichende Richtungen der Halbbrückensensitivitätsachsen H, als auch innerhalb der Ebene der Halbbrücken mit Halbbrückensensitivitätsachse H durch abweichende mittlere Pinningrichtungen S der einzelnen Brückenwiderstände, als auch innerhalb der Ebene der Brückenwiderstände mit mittleren Pinningrichtungen S durch Abweichung der einzelnen Pinningrichtungen M von magnetoresistiven Elementen. Hierdurch ist eine Vielzahl von Designmöglichkeiten geschaffen, durch die abweichende Pinningrichtungen innerhalb einer Ebene der magnetoresistiven Elemente, der Brückenwiderstände, der Halbbrücken, der Brücken, und einer Zusammenschaltung mehrerer Brücken eines Sinus- bzw. Cosinuszweigs ermöglicht, insbesondere Oberwellenfilter stark zu minimieren und Bauteilvariationen auszugleichen.
• Die verschiedenen Ausführungsformen können sich vorteilhaft kombinieren lassen, indem Filter für unterschiedliche Oberwellen auf unterschiedlichen Designebenen implementiert werden. Beispielsweise könnte innerhalb der Designebene G der Wheatstone-Brückenanordnung die 3. Oberwelle gefiltert werden, innerhalb der Brückenebene B die 5. Oberwelle, auf der Halbbrückenebene H die 7. Oberwelle und auf der Brückenwiderstandsebene S die 9. Oberwelle. Auch ist denkbar, mehrfache Filterungen derselben Oberwelle innerhalb verschiedener Ebenen vorzusehen. Somit kann durch eine Kombination von Filtern innerhalb verschiedener Designebenen mehrere Oberwellen elegant gefiltert werden.
• Durch eine hohe Symmetrie im Design von Sinus- und Cosinusbrücken sowie einer sehr dichten Nachbarschaft der magnetoresistiven Elemente auf dem Chipsubstrat benachbarter Brückenwiderstände wird eine Kompensation in Amplitude, Phase, Offset über Temperatur und Feldstärke ermöglicht, so dass zusätzliche Kompensationsmaßnahmen nicht erforderlich sind. Durch Hinzufügen oder Kombinieren einer oder mehrerer der vorgenannten Maßnahmen zur Oberwellenfilterung kann sogar eine hochgenaue Winkelmessung ohne Kompensation erreicht werden.
• Bezugnehmend auf die vorgenannte Ausführungsform eines gruppenweisen Pinnings von magnetoresistiven Elementen mit unterschiedlichen Pinningrichtungen kann vorteilhaft jede Gruppe von TMR/GMR-Elementen zumindest zwei, insbesondere zumindest acht, bevorzugt zumindest zwölf, vierundzwanzig oder mehr TMR/GMR-Elemente umfassen. In der Regel umfasst jeder Brückenwiderstand zumindest acht oder mehr TMR/GMR-Elemente, wobei Untergruppen mit unterschiedlichen magnetischen Pinningrichtungen M der einzelnen magnetoresistiven Elemente zur Oberwellenfilterung ausgebildet werden können. Durch eine hohe Anzahl von mehr als acht oder mehr als zwölf TMR/GMR-Elemente pro Gruppe wird das Design stabiler gegen winzige Schwankungen in einzelnen TMR Elementen. Auch wenn ein einzelnes TMR/GMR-Element durch prozesstechnische Schwankungen sich leicht von anderen TMR/GMR-Elementen unterscheiden sollte, ist dieser Effekt umso vernachlässigbarer, je mehr TMR/GMR-Elemente in jedem Brückenwiderstand verwendet werden. Hinzu kommt, dass an eine Kette von TMR Elementen eine höhere Spannung angelegt werden kann als an ein einziges TMR Element, was das Ausgangssignal erhöht. Auch kann ein skalierbarer Einfluss des Oberwellenfilters auf die verschiedenen Oberwellenarten ermöglicht werden. So können beispielsweise niederfrequente Fehleranteile wie die dritte oder die fünfte Oberwelle mit einer höheren Anzahl von magnetoresistiven Elementen der entsprechend abgewinkelten Gruppe ausgebildet sein, und eine verringerte Anzahl von TMR/GMR-Elementen in einer oder mehreren Gruppen zur Ausfilterung höherfrequenter Fehlerkomponenten vorgesehen sein. Dies kann sich aus vektoralgebraischen Überlegungen ergeben, wie beispielsweise die 5d, 5e zeigen.
• Weiterhin kann einer vorteilhaften Ausbildung des Oberwellenfilters innerhalb der Brückenwiderstandsebene S zumindest zwei, bevorzugt drei oder mehr Gruppen von TMR/GMR-Elemente mit unterschiedlichen Pinningrichtungen M in jedem Brückenwiderstand umfasst sein. Bevorzugt können zumindest eine Gruppe eine Pinningrichtung M in Richtung der mittleren Pinningrichtung S des Brückenwiderstands aufweisen und/oder zumindest zwei Gruppen Pinningrichtungen M aufweisen, die gegensinnig symmetrisch +/- zur mittleren Pinningrichtung S abgewinkelt sind. Durch diese Ausbildung wird beispielsweise zumindest eine Oberwellenfilterung einer dritten bzw. einer fünften Oberwelle ermöglicht. Da die mittlere Pinningrichtung S des Brückenwiderstands durch eine Gruppe von magnetoresistiven TMR/GMR-Elementen mit identischer Pinningrichtung M definiert sein kann, können mindestens zwei weitere Gruppen insbesondere mehr als zwei weitere Gruppen zur Oberwellenfilterung symmetrisch gegenüber der mittleren Pinningrichtung S abgewinkelt sein, und insbesondere um +/-60°, +/-36°, +/-30°, oder einen kleineren Winkel abgewinkelt sein, um die dritte, fünfte oder höherfrequente Fehleranteile der Oberwelleneinflüsse zu kompensieren. Auch kann sich eine mittlere Pinningrichtung S durch vektorielle Superposition abgewinkelter Pinningrichtungen M der TMR/GMR-Elemente ergeben, die symmetrisch, oder gewichtet unsymmetrisch von der mittleren Pinningrichtung S abweichen, wobei keine Pinningrichtung M in die mittlere Pinningrichtung S ausgerichtet ist.
• Üblicherweise weist die Pinningrichtung der TMR/GMR-Elemente in die mittlere Pinningrichtung S des Brückenwiderstands. Weiterhin kann vorteilhaft in jedem Brückenwiderstand mindestens 48, insbesondere 96 oder mehr TMR/GMR-Elemente umfasst sein und eine Anzahl der TMR/GMR-Elemente mit einem gegenüber der mittleren Pinningrichtung S des Brückenwiderstands abweichende Pinningrichtung M mindestens 25 %, bevorzugt genau 50% der Gesamtzahl der TMR/GMR-Elemente des Brückenwiderstands betragen. Die vorgenannte hohe Anzahl an TMR/GMR-Elemente optimiert die Effizienz der Oberwellenfilterung bis zur theoretisch vollständigen Filterung der Oberwelle. Diese hohe Anzahl von magnetoresistiven Elementen, die von der mittleren Pinningrichtung S abweichende Pinningrichtungen M aufweisen, ermöglicht eine effektive Filterung der Oberwellen durch die abweichenden Pinningrichtungen M. Weiterhin vorteilhaft weist die Pinningrichtung M zumindest eines Teils der TMR/GMR-Elemente in die mittlere Pinningrichtung S des Brückenwiderstands. Da die einzelnen magnetoresistiven Elemente sehr eng benachbart sind, und deren Pinningrichtungen M gruppenweise abweichen kann, ist ein spezielles Verfahren zum abweichenden Pinning sehr eng benachbarter TMR/GMR-Elemente einzusetzen, was hocheffizient eines simultanes Pinnen in unterschiedliche Richtungen ermöglicht. Hierzu kann beispielsweise ein Verfahren wie es in der WO 2016/078793 A1 beschrieben ist, eingesetzt werden. Weiterhin können für die Oberwellenfilterung Techniken und Ausführungsformen übernommen werden, die in der WO 2016/0383420 A1 bezüglich einer Oberwellenfilterung innerhalb einer Halbbrückenebene dargestellt sind.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die räumliche Anordnung der TMR/GMR-Elemente eines Brückenwiderstands auf dem Chipsubstrat reihenförmig und mehrzeilig, bevorzugt mäanderförmig, insbesondere zickzackfömig verlaufen. Weiterhin kann vorteilhaft die Anordnung der TMR/GMR-Elemente des Widerstandspaares auf dem Chipsubstrat innerhalb einer Fläche A des Chipsubstrats parallel versetzt zueinander verlaufen, wobei die Brückenwiderstände des Widerstandspaares innerhalb der Fläche A verschachtelt ineinander angeordnet sind. Die Fläche A weist bevorzugt eine konkave Außenkontur mit Eckwinkeln <180° auf, insbesondere eine rechteckförmige, runde, elliptische oder trapezförmige Außenkontur. Hierdurch wird eine dichte und kompakte Anordnung von, zwei Brückenwiderstände ausbildenden, Reihenschaltungen von magnetoresistiven Elementen innerhalb einer Fläche A des Chipsubstrats in mehrzeiligen Schenkeln reihenförmig erreicht, so dass in einem hochkonzentrierten räumlich abgegrenzten Bereich zwei Brückenwiderstände angeordnet sein können, wobei Herstellungsfehler und lokale Temperaturgradienten sich gleichsam auf die beiden Brückenwiderstände auswirken.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform können die Anordnungen der TMR/GMR-Elemente jedes Brückenwiderstand entlang jeweils eines Schenkels eines Schleifenbogens eines mehrschleifigen, bevorzugt zumindest zweischleifigen, insbesondere zumindest dreischleifigen, innerhalb der Fläche A liegenden Mäanders, der einen Stromfluss durch den Brückenwiderstand auf dem Chipsubstrat definiert, verlaufen. Insbesondere kann die Gesamtzahl der TMR/GMR-Elemente in jedem Brückenwiderstand über 48, insbesondere 96 oder 192 Elemente oder mehr betragen. Bevorzugt ist die Gesamtzahl eine durch 4 teilbare Anzahl. Bei derart vielen in Reihe geschalteten Elementen ist besonders vorteilhaft, dass an jedem Element eine geringere Spannung abfällt, was das magnetoresistive Sensitivitätsverhalten robuster macht. Bevorzugt können zumindest zwei TMR/GMR-Elemente, insbesondere zumindest acht TMR/GMR-Elemente im speziellen zumindest zwölf oder mehr TMR/GMR-Elemente entlang jedes Schenkels des Mäanders angeordnet sein, wobei bevorzugt innerhalb zumindest eines Schenkels zumindest zwei Gruppen von TMR/GMR-Elemente mit unterschiedlichen Pinningrichtungen M angeordnet sein können. Somit wird in den vorgenannten Ausführungsformen vorgeschlagen, dass eine reihenweise, d.h. zeilenweise Anordnung von TMR/GMR-Elementen benachbarter Brückenwiderstände in Schenkeln, insbesondere mäanderfömig auf einem Chipsubstrat erfolgt, wobei in jeder Zeile zumindest zwei, insbesondere mehr als acht oder mehr als zwölf TMR/GMR-Elemente angeordnet sind und wobei zumindest innerhalb eines Schenkels zwei Gruppen von TMR/GMR-Elementen mit unterschiedlichen Pinningrichtungen vorzugsweise angeordnet sein können. Somit wird eine räumlich kompakte Anordnung der TMR/GMR-Elemente benachbarter Brückenwiderstände ermöglicht, so dass Einfluss von Temperatur oder Fertigungsschwankungen sich innerhalb eines Brückenarrangements der Brückenwiderstände kompensieren können.
• Weiterhin vorteilhaft in Bezug auf die vorgenannten beiden Ausführungsformen können die Gruppen der TMR/GMR-Elemente mit gegenüber der mittleren Pinningrichtung S des Brückenwiderstands abweichenden Pinningrichtung M zickzackförmig in einen zentralen Flächenbereich AHD der Fläche A zur Ausbildung einer Oberwellenfilteranordnung angeordnet sein, wobei bevorzugt der zentrale Flächenbereich AHD mindestens 50%, insbesondere 70% der Fläche A beträgt. Somit wird eine Unterfläche der Fläche A als Flächenbereich AHD ausgewiesen, in den insbesondere die Gruppen von magnetoresistiven Elementen angeordnet sind, die zur Ausbildung eines Oberwellenfilters abweichende Pinningrichtungen M gegenüber der mittleren Pinningrichtungen S des Brückenwiderstandes aufweisen. Dies vereinfacht in der Produktion die Ausbildung der verschiedenen Pinningrichtungen, die innerhalb eines Unterflächenbereichs AHD der Gesamtfläche A des Brückenwiderstandes konzentriert werden kann und lässt Herstellungsvariationen gleichmäßig auf die TMR/GMR-Elemente mit abweichenden Pinningrichtungen M wirken.
• In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform der vorgenannten drei Ausführungsformen kann ein Abstand eines TMR/GMR-Elements in abweichender Pinningrichtung von der mittleren Pinningrichtung S des Brückenwiderstands vom Schwerpunkt der Fläche A kleiner als ein Abstand eines TMR/GMR-Elements mit identischer Pinningrichtung M zur mittleren Pinningrichtung S des Brückenwiderstands sein. Hierdurch wird bewirkt, dass die Oberwellenfilterung, die durch TMR/GMR-Elemente mit abweichenden Pinningrichtungen M gegenüber der mittleren Pinningrichtung S bewirkt wird, im Schwerpunkt der Fläche A, und damit in einem räumlich eng begrenzten und homogenen Materialumfeld angeordnet ist, so dass die der Oberwellenfilterung dienenden magnetoresistiven Elemente insbesondere bei unterschiedlich auswirkenden Herstellprozessen oder variierenden Temperaturschwankungen ein identisches Verhalten aufweisen.
• Vorteilhaft kann nach den vorgenannten vier Ausführungsformen innerhalb der Fläche A eine Dichte der TMR/GMR-Elemente größer als 5 Elemente / 1000 µm² betragen. Damit ist ein mittlerer Abstand der TMR/GMR-Elemente zueinander definiert, wobei eine Konstellation von mehr als fünf TMR/GMR-Elementen pro 1.000 µm² eine extrem hohe Dichte der TMR/GMR-Elemente fordert, so dass sich sowohl Materialschwankungen als auch Temperatureinflüsse gleichartig auf alle benachbarten und damit auch sich kompensierenden Elemente benachbarter Brückenwiderstände auswirken wird, was zur Selbstkompensation der einzelnen Fehleranteile notwendig ist. Dabei ist die Kombination zweier ineinander verschachtelter Brückenwiderstände mit entgegengesetzter Sensitivität, also entgegengesetzter Pinningrichtung, und mit vorgenannter Oberwellenfilterfunktionalität mit hoher Integrationsdichte von 5 Elementen oder mehr pro 1000µm² besonders vorteilhaft.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung können die räumlichen Anordnungen der TMR/GMR-Elemente der beiden Brückenwiderstände des Widerstandspaars auf dem Chipsubstrat quer zur reihenförmigen Anordnung verschoben und/oder ineinander verschachtelt sein. Insoweit wird vorgeschlagen, dass die beiden benachbarten Brückenwiderstände eine reihenweise Anordnung der TMR/GMR-Elemente aufweist, die identisch ist, wobei die beiden Reihen quer zur reihenförmigen Anordnung geschoben sind oder ineinander verschachtelt sind, und sich dadurch durch Parallelverschiebung ineinander zueinander auf dem Chipsubstrat angeordnet sein können. Damit wird eine hohe Dichte der Brückenwiderstände mit insbesondere verschiedenen mittleren Pinningrichtungen S ermöglicht, und gleichzeitig eine sehr hohe Symmetrie in der Ausführung der beiden Brückenwiderstände erzielt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können der eng benachbarte Abstand Δd der Anordnung der TMR/GMR-Elemente des Widerstandspaars < 50 µm, insbesondere < 20 µm sein. Der Abstand ist hierbei definiert als die Distanz der Parallelverschiebung der beiden Brückenelemente innerhalb der Fläche A bzw. als die Distanz zwischen dem Mittelpunkt zweier TMR Elemente mit abweichenden, insbesondere entgegengesetzten Pinningrichtungen. Dadurch sind die mittleren Abstände so gering, dass zwischen den einzelnen TMR/GMR-Elementen keine weiteren funktionstragenden Bauteile wie Leitungen, Schichtstapel, oder andersweitige funktionelle Substratstrukturen oder ähnliches, außer von, ggf. temporär während des Herstellprozesses aufbringbare, ferromagnetische Strukturierungselemente auf dem Chipsubstrat angeordnet sind. Allenfalls können weichmagnetische Strukturierungselemente zwischen den einzelnen TMR/GMR-Elementen angeordnet sein, die eine magnetische Flussführung insbesondere beim Pinning bewerten, und die nach einem Pinning auch entfernt werden können, aber auch dort verbleiben können. Jedenfalls sind zwischen den einzelnen TMR/GMR-Elementen keine Leiterbahnen oder sonstigen funktionstragenden Bauteile auf dem Chipsubstrat angeordnet, so dass eine hohe Elementkonzentration ermöglicht wird.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Zuleitungen des Widerstandspaars zu einer Versorgungsspannung Vcc, GND auf dem Chipsubstrat im Wesentlichen den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen und Signalanschlüsse für Sinus +, Sinus -, Cosinus +, Cosinus -, der Signalabgriffe des Widerstandspaars in der Mitte der geometrischen Länge der abgewinkelten Reihen von TMR/GMR-Elementen angeordnet sein. Durch diese Art der Leitungsführung für die Versorgungsspannung Vcc, GND als auch für die Signalanschlüsse SIN +/- und COS +/- werden symmetrische Layouts und gleiche Widerstandsverhältnisse gefordert, so dass eine möglichst symmetrische Gruppenschlussanordnung erreicht werden kann.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die geometrische Anordnung des Widerstandspaars durch zumindest eine geometrische Symmetrieoperation auf dem Chipsubstrat in jedes andere Widerstandspaar der Winkelsensoranordnung überführt werden, insbesondere durch eine Spiegelung, eine Drehung und/oder eine Verschiebung, bevorzugt gegenüber einer Symmetrieachse oder eines Schwerpunkts der Fläche A und / oder einer Symmetrieachse P oder eines Schwerpunktes aller Halbbrücken auf dem Chipsubstrat.
• Durch eine symmetrische Anordnung der einzelnen TMR/GMR-Elemente, Brückenwiderstände, Halbbrücken und Widerstandsbrücken, so dass alle TMR/GMR-Elemente durch Spiegelung, Drehung, Verschiebung auf dem Chipsubstrat ineinander überführbar sind, lassen sich insbesondere temperatur- und/oder fertigungsbedingte Schwankungen kompensieren, da durch eine hochsymmetrische Anordnung die meisten Fehlereinflüsse durch Differenzbildung kompensierbar sind.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die geometrische Anordnung eines Widerstandspaars durch zumindest eine geometrische Symmetrieoperation auf dem Chipsubstrat in sich selbst überführbar sein, insbesondere durch eine Spiegelung, Drehung und/oder eine Verschiebung gegenüber einer Symmetrieachse/ und/oder des Schwerpunkts der Fläche A. Weiterhin vorteilhaft können Widerstandselemente, Halbbrücken oder Vollbrücken durch zumindest eine einzelne Symmetrieoperation oder Kombinationen von Symmetrieoperationen auf dem Chipsubstrat aufeinander abbildbar sein. Insbesondere können zumindest Teile der Brückenkonfigurationen des Sinus- und Cosinusteils des Winkelsensors vollständig symmetrisch ineinander überführbar sein, insbesondere durch Drehung, Spiegelung oder Verschiebung gegenüber einer Symmetrieachse und / oder des Schwerpunkts der Fläche des Winkelsensors. Durch diese Symmetrie im Design kann weiterhin eine erhöhte Robustheit gegenüber den vorgenannten Fehlereinflüssen erreicht werden.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung können Widerstandspaare einer Sinusbrückenanordnung und Widerstandspaare einer Cosinusbrückenanordnung auf dem Chipsubstrat kreuzförmig zueinander angeordnet sein. In dieser Ausführung wird vorgeschlagen, dass jeweils Widerstandspaare der Sinusbrückenanordnung auf dem Chipsubstrat flächig entgegengesetzt zu einem Flächenschwerpunkt P verteilt angeordnet sein können, und hierzu Widerstandspaare der Cosinusbrückenanordnung ebenfalls zu einem Flächenschwerpunkt P verteilt und vorteilhaft um 90° um den Punkt P versetzt zu der Sinusbrückenanordnung angeordnet sein können, wobei jeweils die Widerstandspaare der Cosinusbrückenanordnung und die Widerstandspaare der Sinusbrückenanordnung kreuzförmig zueinander angeordnet sein können und gegenüber dem gemeinsamen Schwerpunkt P jeweils abwechselnd ein Teil der Sinus- und ein Cosinusbrückenanordnung kreisförmig auf dem Chipsubstrat angeordnet sein kann. Diese Verschachtelung der Brückenanordnungen der Sinus- und Cosinusbrückenanordnung ermöglicht weiterhin eine Homogenisierung der magnetoelektrischen Eigenschaften der Sinus- und Cosinusbereiche des Winkelsensors.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung können zumindest zwei bezüglich der Halbbrückensensitivitätsachse H winkelversetzt angeordnete Halbbrücken, insbesondere zwei Paare in Wheatstone-Brückenanordnung winkelversetzten Gesamtsensitivitätsachsen G verschalteten Halbbrücken eine Winkelversetzung von > 0° und < 180°, insbesondere 90° aufweisen. In dieser Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die beiden Sinus- und Cosinusbereiche, die als Halbbrücken oder als Paar von Wheatstone-Brückenanordnungen ausgebildet sind, eine Winkelversetzung von > 0° und < 180°, insbesondere 90°, aufweisen. Dabei ist zu beachten, dass eine hochpräzise Ausrichtung der Winkelversetzung in den Halbbrückensensitivitätsachsen H bzw. in den Sensitivitätsachsen G bzw. B auf dem Chipsubstrat einzuhalten ist, um möglichst genaue und fehlerfreie Ergebnisse der Winkelmessung zu erhalten. Es können auch andere Winkel als 90° verwendet werden, die in einem Berechnungsabschnitt statt mittels einer Arcustangens-Funktion durch eine angepasste, andersgestaltige trigonometrische Funktion in eine Winkelbestimmung überführbar sind, dennoch bietet sich die 90° Abweichung an, um möglichst genaue Ergebnisse zu erreichen.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine Dicke eines Freelayers eines jedes TMR/GMR-Elementes > 20nm betragen, und ein Radius des TMR/GMR-Elementes < 5 µm betragen, so dass eine feldfreie Vortex-Magnetisierung ausgebildet werden kann. Dadurch dass eine Dicke des Freelayers von > 20nm und ein Radius von < 5 µm eingehalten wird, kann im feldfreien Zustand einer Vortex-Magnetisierung ausgebildet werden. Diese erlaubt auch bei sehr kleinen Magnetfeldern, eine hochpräzise Ausrichtung und freie Drehbarkeit der Magnetisierung des Freelayers. Somit ist es möglich den Anwendungsbereich des Winkelsensors bis zu sehr kleinen Feldern, insbesondere zu Feldern unter 10mT, u.a. sogar bis 1mT zu erweitern.
• Es wird darauf hingewiesen, dass zur Umsetzung eines vorgenannten kompensationsfreien Winkelsensors eine Bereitstellung eines TMR- bzw. GMR-Schichtstapels nach dem Stand der Technik erforderlich ist. Das heißt insbesondere, dass die verwendeten Materialien temperaturstabil sind, die antiferromagnetischen Schichten beispielsweise IrMn oder PtMn sind. Außerdem muss die gepinnte Schicht robust gegen äußere Felder ausgeführt sein, d.h. die Austauschfelder müssen mindestens 100mT eher 150mT stark sein. Auch muss der Freelayer aus geeigneten weichmagnetischen Materialien ausgebildet sein. Diese Schichten sind dem Fachmann bekannt und sollen hier nicht weiter diskutiert werden.
• Figurenliste
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Es zeigen:
• 1 schematisch eine Berechnungserläuterung des Winkels φ einer externen magnetischen Vektorkomponente H mittels trigonometrischen Operationen, wie bereits in der Einleitung erläutert;
• 2 ein Diagramm des Verhaltens eines Winkelfehlers bezüglich statischen Abweichung, Amplitudenabweichungen, Phasenabweichungen eines Winkelsensors, bereits in der Einleitung erläutert;
• 3a - 3f Fehlerverhalten eines Winkelfehlers bezüglich eines Winkelverlaufs in Abhängigkeit verschiedener Fehlerquellen, bereits in der Einleitung erläutert;
• 4 schematische Schaltskizze mit räumlicher Ausrichtung eines Winkelsensors des Stands der Technik;
• 5a-5e Vektoralgebraische Darstellung der Vorzugsrichtungen und Sensitivitätsachsen eines Brückenwiderstands, einer Wheatstonebrücke und einer Wheatstone-Brückenanordnung, sowie Konstruktionsbeispiel eines Oberwellenfilters;
• 6 schematische Schaltskizze mit räumlicher Ausrichtung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Winkelsensors mit Oberwellenfilterung innerhalb der Ebene der Wheatstone-Brückenanordnung G;
• 7a - 7d schematische Schaltskizzen mit räumlicher Ausrichtung weiterer Ausführungsformen von Wheatstonebrücken mit Oberwellenfilterung innerhalb einer Brückenebene B und/oder der Halbbrückenebene H;
• 8a - 8c schematische Schaltskizzen mit räumlicher Ausrichtung weiterer Ausführungsformen von Winkelsensoren mit Oberwellenfilterung innerhalb der Brückenebene B und der Halbbrückenebene H;
• 9 schematische Chipanordnung von TMR/GMR-Elementen einer Ausführungsform zweier benachbarter Brückenwiderstände mit reihenweiser Anordnung von TMR/GMR-Elementen einer Ausführung der Erfindung;
• 10 schematische Chipanordnung von TMR/GMR-Elementen einer weiteren Ausführungsform paarweise zueinander angeordneter Brückenwiderstände mit reihenweise angeordnete TMR/GMR-Elementen;
• 11 schematisches Chiplayout mit kreuzweise angeordneten Widerstandselementen der Brückenkonfiguration einer Ausführungsform der Sinus- und Cosinusbrücken eines Winkelsensors;
• 12 eine weitere Ausführungsform paarweise angeordneter Brückenwiderstände mit ineinander verschachtelter TMR/GMR-Elemente und Oberwellenfilterung auf einem Chipsubstrat;
• 13 ein Chiplayout einer Ausführungsform eines Winkelsensors unter Verwendung der in 12 dargestellten paarweisen Brückenwiderstandskonfiguration;
• 14a-14i verschiedene Ausführungsformen von paarweise angeordneten Brückenwiderständen mit Oberwellenfilterung auf einem Chipsubstrat;
• 15a-15b Diagramm von Winkelfehlern über Feldstärke und Temperatur einer Ausführungsform eines unkompensierten und kompensierten Winkelsensors.
• In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
• Die 1, 2, und 3a bis 3f sowie die 5a bis 5e sind bereits in der Einleitung der Beschreibung erläutert worden.
• Die 4 zeigt ein schematisches, räumlich orientiertes Schaltbild eines magnetoresistiven Winkelsensors des Stands der Technik 10.1. Dieser umfasst zwei Wheatstone-Brückenanordnungen 16.1, die jeweils zwei parallel geschaltete Halbbrücken 14.1 umfassen. Jede Halbbrücke 14.1 weist zwei in Reihe geschaltete Brückenwiderstände 20 auf. Die jeweils zwei parallel geschaltete Halbbrücken 14.1 ergeben eine Wheatstonebrücke 18. Die Wheatstone-Brückenanordnung 16.1 umfasst somit jeweils eine Wheatstonebrücke 18. Diese Wheatstonebrücke 18 umfasst die beiden parallel geschalteten Halbbrücken 14.1, wobei in der ersten Halbbrücke ein Widerstand R1 und R2 in Reihe geschaltet ist und der zweiten Halbbrücke ein Widerstand R3 und R4 in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände R2 und R4 liegen in der Wheatstonebrücke 18 parallel zueinander, ebenso die Widerstände R1 und R3. Im Mittelabgriff der beiden Halbbrücken lassen sich einzelne Signalwerte der Brücke 16.1 abnehmen, wobei sich bevorzugt ein Sinus- bzw. Cosinussignalwert aus dem Differenzsignal der beiden Mittelabgriff-Signalwerte der Wheatstonebrücke 18 ergibt. Unter Annahme einer 90° Versetzung der Gesamtsensitivitätsachsen GX, GY der beiden Brückenanordnungen 16.1 kann durch Anwendung einer Arcustangensfunktion aus dem Sinus- und Cosinussignalwert ein Winkel des externen Magnetfelds bestimmt werden. Je nach Abwinkelung der Gesamtsensitivitätsachsen der beiden Brückenanordnungen 16.1 können zur Winkelermittlung auch andersartige trigonometrische Beziehungen verwendet werden.
• Die beiden Wheatstone-Brückenanordnungen 16.1 sind um 90° zueinander gedreht, so dass zur Winkelbestimmung eine einfache Arcustangensfunktion genügt, um zwischen den Signalwerten der Cosinus- und Sinusbrücke den Winkelwert φ zu ermitteln.
• An den Versorgungsanschlüssen der Wheatstone-Brückenanordnung 16.1 ist eine Spannungsquelle mit Potentialen Vcc, GND angeschlossen. An den mittleren Signalabgriffen der Halbbrücken 14.1 können die Differenzsignalanteile Cos+, Cos-, sowie Sin+, Sin- entnommen werden. Es sind keine besonderen Maßnahmen zur Oberwellenfilterung vorgesehen, auch können bei unterschiedlichen Größen der einzelnen Brückenwiderstände Amplituden-, Phasen und Offsetfehler auftreten.
• Im Stand der Technik ist es üblich, dass sowohl die mittleren Pinningrichtungen S der Brückenwiderstände als auch die Halbbrückensensitivitätsachse H als auch die Brückensensitivitätsachse B als auch die Gesamtsensitivitätsachse G auf parallelen Achsen liegen, wobei die Gesamtsensitivitätsachse GY des linken Cosinuszweiges gegenüber der Gesamtsensitivitätsachse GX des rechten Sinuszweiges um 90° zueinander abgewinkelt sind.
• In der 5 werden in den 5a bis 5c vektoralgebraische Zusammenhänge der Sensitivitätsrichtungen innerhalb der Ebene S eines Brückenwiderstands 20, Ebene B einer Wheatstonebrücke 18 und innerhalb der Ebene G einer Wheatstone-Brückenanordnung 16 erläutert, diesbezüglich wird auf die verallgemeinerte Erläuterung weiter oben verwiesen.
• Die 5d und 5e stellen mögliche Konstruktionsprinzipien der Abwinkelung bezüglich von sinusförmigen Oberwellenanteilen dar. Eine Halbwellenphase einer n-ten Oberwelle ergibt sich durch 180°/n der Grundwelle, d.h. zwei Werte mit umgekehrten Vorzeichen der Oberwelle sind um 180°/n phasenverschoben innerhalb der Grundwelle, hier einer 360° Drehung eines zu messenden externen Magnetfeldes.
• So weist die 3. Oberwelle eine Halbwellenphase von 60° auf, die 5. Oberwelle von 36°, und so weiter. Zur Filterung dieser Oberwellenanteile können magnetoresistive Sensitivitätsachsen des Winkelsensors in entsprechende Abwinkelungsrichtungen ausgerichtet sein, die den Einfluss der positiven und negativen Oberwellenamplitudenanteile an der Grundwelle kompensieren.
• 5d zeigt am Beispiel einer Filterung einer dritten Oberwelle bezüglich einer Sensitivitätsrichtung S eine +/-30° Abwinkelung zweier Sensitivitätsrichtungen M3- und M3+, die beispielsweise auf Brückenwiderstandsebene eine Abweichung der Pinningrichtung M von TMR/GMR-Elementen 22 um jeweils +/- 30° von der mittleren Pinningrichtung S entspricht, also eine 60° Abwinkelung der Sensitivitätsrichtungen M3- und M3+zueinander entspricht.
• Eine verbesserte Filterung ergibt sich, wenn nicht zwei sondern drei Sensitivitätsrichtungen vorgesehen werden: So kann beispielsweise die im ersten Teilbild der 5d dargestellte Abwinkelung dupliziert und um +/-30° zueinander abgewinkelt parallel geschaltet werden. Hierbei ergibt sich ausgehend von der Sensitivitätsrichtung S zwei um +/-60° abgewinkelte Sensitivitätsrichtungen M3- - und M3++, sowie zwei entlang der Sensitivitätsrichtung S ausgerichtete Sensitivitätsrichtungen M3-+ und M3+-. Werden diese zusammengefasst, erhält die mittlere Sensitivitätsrichtung S einen Betrag, der doppelt so groß ist, wie der Betrag der um +/- 60° abgewinkelten Sensitivitätsrichtungen, siehe das rechte Teilbild der 5d. Es findet verbesserte Filterung einer 3. Oberwelle, zunächst jeweils in eine +/- 30° Abwinkelung zwischen den Sensitivitätsrichtungen M3-- und Mr3-+ sowie M3+- und M3++ statt, deren resultierende Anteile wiederum 60° zueinander abgewinkelt sind, und wiederum eine Filterung der 3. Oberwelle in die Sensitivitätsrichtung S ermöglicht.
• Somit lässt sich eine Filterung einer n-ten Oberwelle entweder in zwei Sensitivitätsrichtungen M+ und M- mittels paarweiser Abwinkelung um 180°/(2n) gegenüber einer gewünschten Sensitivitätsrichtung S, oder als verbesserte Filterung in drei Sensitivitätsrichtungen S, M++ und M-- erreichen, wobei die Sensitivitätsrichtung S einen doppelten Beitrag liefert, und die Sensitivitätsrichtungen M++ und M-- um 180°/n von der Sensitivitätsrichtung S abgewinkelt sind.
• In der Regel dominiert der 3. und 5. Oberwellenanteil einen Gesamtwinkelfehler eines Winkelsensors und führt zu einem vierperiodischen Winkelfehlerverhalten. Das Betragsverhalten des vierperiodischen Winkelfehlerverhaltes wird linear durch die auf die Amplitude der Grundwelle bezogenen relativen Oberwellenamplituden der 3. und 5. Oberwelle beeinflusst. Dies kann insbesondere durch das Vorsehen von Abwinkelungskonfiguration der Sensitivitätsrichtungen, wie beispielhaft in 5d und 5e dargestellt, minimiert werden. Es ist daher wünschenswert, effektiv zumindest die 3. und 5. Oberwelle zu filtern.
• Die 5e erläutert ein Konstruktionsprinzip einer Mehrfachfilterung am Beispiel einer kombinierten Filterung einer dritten und fünften Oberwelle: Die dritte Oberwelle erfordert eine 60° Abwinkelung zweier Sensitivitätsrichtungen M3+ und M3- zueinander, die fünfte Oberwelle eine 36° Abwinkelung zweier Sensitivitätsrichtungen M5- und M5+ zueinander, um bezüglich der Sensitivitätsrichtung S die 3. bzw. 5. Oberwelle zu filtern, siehe von links betrachtet das erste Teilbild der 5e.
• Werden beide Filterungsabwinkelungen kombiniert, so wird bezüglich jeder Sensitivitätsrichtungen M3+ und M3- eine Abwinkelung in die Sensitivitätsrichtungen M5+ und M5- vorgesehen, siehe zweites Teilbild von links der 5e. Somit ergeben sich zwei paarweise Sensitivitätsrichtungen M5-- und M5-+ sowie M5+- und M5++, die jeweils um 36° zueinander abgewinkelt sind, wobei die beiden Sensitivitätspaare zueinander um 60° abgewinkelt.
• Analog zum mittleren und rechten Teilbild der 5d kann eine verbesserte Filterung dadurch erreicht werden, in dem die im zweiten Teilbild der 5e dargestellte Abwinkelung dupliziert und zueinander um +/-30° abgewinkelt parallel geschaltet wird, dies ist im dritten Teilbild von links der 5d dargestellt. Es ergeben sich sechs Sensitivitätsrichtungen M5---, M5--+, M0-, M0+, M5++- und M5+++, die kombiniert das Abwinkelungsschema im rechten Teilbild der 5e ergeben. Dabei ergibt sich M0- als vektorielle Addition der identischen Richtungen M5+-- und M5-+- sowie M0+ als vektorielle Addition der identischen Richtungen M5-++ und M5+-+. Der Beitrag jeder Sensitivitätsrichtungen M0- und M0+ ist doppelt so groß wie der Beitrag jeder Sensitivitätsrichtungen M5---, M5--+, M5++- und M5+++. Hierdurch ergibt sich sowohl eine verbesserte Filterung der 3. als auch der 5. Oberwelle bezüglich der Sensitivitätsrichtung S.
• Die in der 5d und 5e dargestellten Abwinkelungskonfigurationen können in einer Ebene S, H, B oder G vorgesehen sein. Vorteilhaft werden diese allerdings auf mehrere Ebene, insbesondere der Ebene S, H und B aufgeteilt.
• In gleicher Weise wie in 4 zeigt 6 ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Winkelsensors 10.1. Der Winkelsensor 10.1 umfasst eine Sinusbrückenanordnung 40.1 und eine um 90° gedrehte Cosinusbrückenanordnung 42.1. Die Sinusbrückenanordnung 40.1 weist eine Gesamtsensitivitätsachse GY auf, die Cosinusbrückenanordnung 42.1 weist eine Gesamtsensitivitätsachse GX auf. Jede der beiden Brückenanordnungen 16.x und 16.y umfasst zwei Wheatstonebrücken 18, die jeweils aus zwei parallel geschalteten Halbbrücken 14 mit in Reihe geschalteten magnetoresistiven Brückenwiderständen R1-R2 und R3-R4 mit Mittelabgriff bestehen. Die Mittelabgriffe der Halbbrücken der beiden Wheatstonebrücke 18.x1 und 18.x2 der Brückenanordnung 16.x sind miteinander an einem Signalabgriff Cos+ bzw. Cos- verbunden. Das gleiche gilt für die Signalabgriffe Sin- und Sin+ der Sinusbrückenanordnung 16.y, die die beiden Wheatstonebrücken 18.y1 und 18.y2 umfasst. Gegenüber der jeweiligen Gesamtsensitivitätsachse G weichen jeweils die beiden Wheatstonebrücken 18.x1 & 18.x2 sowie 18.y1 & 18.y2 in ihrer Brückensensitivitätsachse B+, B- um einen Winkel symmetrisch +/- von der Gesamtsensitivitätsachse G um beispielsweise um 30° oder 18° ab, um die dritte bzw. fünfte Oberwelle auszufiltern. Denkbar wäre eine Parallelschaltung weiterer Wheatstonebrücken 18 mit weiteren Brückensensitivitätsachsen B, dabei ergibt sich die Gesamtsensitivitätsachse G durch vektorielle Addition aller Brückensensitivitätsachsen B, siehe auch 5c. Insofern findet in dem Ausführungsbeispiel 10.1 in 6 eine Oberwellenfilterung auf Ebene G der Wheatstone-Brückenanordnung 16.x bzw. 16.y statt, wobei für die Brückenanordnung 16.x bzw. 16.y des Sinus- und den Cosinuszweigs jeweils zwei Wheatstonebrücken 18.x1 und 18.x2 bzw. 18.y1 und 18.y2 parallel geschaltet sind. Die beiden Wheatstonebrücken 18.x1 und 18.x2 bzw. 18.y1 und 18.y2 der jeweiligen Brückenanordnung 16.x bzw. 16.y weisen eine Brückensensitivitätsachse B+ und B- auf, die symmetrisch abgewinkelt gegenüber der Gesamtsensitivitätsachse G, hier für die Cosinusbrückenanordnung 42.1 in die Gx+ und für die Sinusbrückenanordnung 40.1 in die Gy- Richtung ausgerichtet sind. Bei der Sinusbrückenanordnung 40.1 weichen die Wheatstonebrücken 18.y1 und 18.y2 in ihrer Brückensensitivitätsachse symmetrisch zur Gy-Achse in eine By+ und die By- Richtung ab, bei der Cosinusbrückenanordnung 42.1 symmetrisch zur Gx-Achse eine Bx+ und eine Bx- Richtung ab. Es können beliebig weitere Brücken parallel geschaltet werden, um höhere Oberwellen auszufiltern. Auch können drei oder mehr Brückenanordnungen mit abweichenden Sensitivitätsachsen B parallel geschaltet sein, wobei beispielsweise auch eine Brückenanordnung eine Brückensensitivitätsachse B in Gesamtsensitivitätsachse G aufweist.
• Dabei ergibt sich die Gesamtsensitivitätsachse G in diesem Fall als Lage des vektoriellen Mittelvektors durch vektorielle Addition aller Brückensensitivitätsachsen B in der jeweiligen Maximumsrichtung.
• Die 7a bis 7d zeigen weiterhin räumlich orientierte, schematische Schaltungslayouts von Ausführungsbeispielen von Brückenanordnungen 16.1 bis 16.4, in denen eine Oberwellenfilterung innerhalb einer Brückenanordnung erfolgt, wobei die Gesamtsensitivitätsachse G und die Brückensensitivitätsachse B identisch sind.
• In der 7a, die dem Stand der Technik entspricht, sind in der Wheatstone-Brückenanordnung 16.1, die eine einzelne Wheatstonebrücke 18.1 umfasst, jeweils die in Reihe geschalteten Brückenwiderstände 20 R1 und R2 einer ersten Halbbrücke 14.1 antisymmetrisch in ihrer Sensitivitätsachse bzw. mittleren Pinningrichtung S ausgerichtet. Ihre Ausrichtung entspricht der der Halbbrückensensitivitätsachse H und entspricht ebenfalls der der Brückensensitivitätsachse B. Gleiches gilt in antisymmetrischer Weise für die zweite, parallel geschaltete Halbbrücke 14.1 mit den in Reihe geschalteten Widerständen R3 und R4. In dieser Konfiguration erfolgt keine Oberwellenfilterung. Schematisch sind die jeweiligen mittleren Pinningrichtungen S sowie die Halbbrückensensitivitätsachse H und die Brückensensitivitätsachse B bzw. Gesamtsensitivitätsachse G dargestellt. Ein Signalwert s+/s- kann zwischen den Mittelabgriffen der beiden Halbbrücken 14.1 abgenommen werden, der gemäß der Ausrichtung eines externen Magnetfelds entlang der Brückensensitivitätsachse B ein Maximum bzw. Minium annimmt.
• In der Ausführungsform einer für Oberwellenfilterung geeignetes Brückendesign der Brückenanordnung 16.2 der 7b erfolgt eine Oberwellenfilterung dadurch, dass in den jeweiligen Halbbrücken 14.2 die mittleren Pinningrichtungen S der in Reihe geschalteten Widerstände R1, R2 und R3, R4 gegenüber der Halbbrückensensitivitätsachse H abgewinkelt sind. Die Halbbrückensensitivitätsachse H entspricht in ihrer Ausrichtung der Brückensensitivitätsachse B. Hier erfolgt eine Oberwellenfilterung auf Ebene H der Halbbrücken.
• In der 7c sind in dem Brückendesign 16.3 sowohl die mittleren Pinningrichtungen S der in Reihe geschalteten Brückenwiderstände 20 der Halbbrücken 14.3 derart abgewinkelt und entsprechen dabei der Halbbrückensensitivitätsachse H der Halbbrücken 14.3, dass sie abgewinkelt zur Brückensensitivitätsachse B der Wheatstonebrücke 18.3 stehen. Somit sind die beiden Halbbrückensensitivitätsachsen H gegenüber der Brückensensitivitätsachse B symmetrisch abgewinkelt und ermöglichen dadurch innerhalb der Brückenebene B eine Oberwellenfilterung.
• In der 7d sind im Brückendesign 16.4 sowohl die mittleren Pinningrichtungen S der Brückenwiderstände 20 gegenüber der Halbbrückensensitivitätsachse H der Halbbrücken 14.4 symmetrisch abgewinkelt, wodurch sich eine mittlere vektorielle Richtung der Halbbrückensensitivitätsachse H gegenüber der beiden mittleren Pinningrichtung S ergibt. Die beiden Halbbrücken 14.4 weisen somit gegeneinander abgewinkelte Halbbrückensensitivitätsachsen H auf, so dass sich eine resultierende Sensitivitätsachse B bzw. G ergibt. Somit findet eine Oberwellenfilterung innerhalb der Ebene B der Wheatstonebrücke statt.
• In den 7b bis 7d sind somit Ausführungsbeispiele von Brückenkonfigurationen 16.2 bis 16.4 dargestellt, die eine Oberwellenfilterung innerhalb der Brückenebene B als auch innerhalb der Halbbrückenebene H oder kombiniert auf Halbbrückenebene H und Brückenebene B ermöglichen.
• Im Detail zeigen die weiteren 8a bis 8c räumlich orientierte Schaltungslayouts weiterer Ausführungsbeispiele 10.2, 10.3 und 10.4 von magnetischen Winkelsensoren die eine Oberwellenfilterung sowohl innerhalb der Halbbrückenebene H als auch innerhalb der Brückenebene B ermöglichen.
• In der 8a des Winkelsensors 10.2 sind in der Sinusbrückenanordnung 40.2 als auch in der Cosinusbrückenanordnung 40.2 Wheatstonebrücken 18.2 wie in 7b dargestellt vorgesehen, in denen die jeweiligen Halbbrücken 14.2 einer gegenüber der Halbbrückensensitivitätsachse H abgewinkelte mittlere Pinningrichtungen S der Brückenwiderstände 20 aufweisen. Die Halbbrückensensitivitätsachsen H entsprechen dabei der Brückensensitivitätsachse B. Es findet eine Oberwellenfilterung innerhalb der Ebene der Halbbrückensensitivitätsachsen H statt.
• In der 8b sind in jeder Wheatstonebrücke 18.3 der Sinusbrückenanordnung 40.2 und Cosinusbrückenanordnung 42.3 die mittleren Pinningrichtungen S der Brückenwiderstände 20 in Richtung der Halbbrückensensitivitätsachse H ausgerichtet, gemäß der 7c. Die Halbbrückensensitivitätsachsen H sind gegenüber der Gesamtsensitivitätsachse G bzw. der Brückensensitivitätsachse B symmetrisch abgewinkelt und definieren durch vektorielle Subtraktion der Maximumsrichtungen der Halbbrückensensitivitätsachsen H eine Gesamtsensitivitätsachse G bzw. Brückensensitivitätsachse B. Eine Oberwellenfilterung findet innerhalb der Brückenebene B statt.
• In der 8c ist ein Design eines Winkelsensors 14.4 mit einer Superposition sowohl der Oberwellenfilterung innerhalb der Halbbrückenebene H als auch innerhalb der Vollbrückenebene G bzw. B dargestellt. Hier kommen die in 7d gezeichneten Brückenkonfigurationen 16.4 zum Einsatz, während in den 8a und 8b die Brückenkonfiguration der 7b bzw. 7c zum Einsatz kommt. Eine Oberwellenfilterung findet dadurch innerhalb der Halbbrückenebene als auch innerhalb der Vollbrückenebene statt, das die Gesamtsensitivitätsachse GX bzw. GY weder mit der Halbbrückensensitivitätsachse HX bzw. HY noch mit den mittleren Pinningrichtungen S der Brückenwiderstände übereinstimmt. So ergeben sich durch die Vielzahl von symmetrischen Abwinklungen, die im lokalen Koordinatensystem dargestellt sind, mittlere Sensitivitätsausrichtungen, die durch vektorielle Superposition bestimmbar sind.
• In den 9 und 10 sind der innere Aufbau eines Widerstandspaars 50.1 bzw. 50.2 eines Brückenwiderstands 20.1 bzw. 20.2 dargestellt.
• So zeigt 9 ein Widerstandspaar 50.1 mit zwei Brückenwiderständen 20.1, die jeweils vier Schenkel 30 umfassen, die innerhalb einer Fläche A angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten TMR/GMR-Elementen 22 in reihenförmiger Anordnung umfassen. Die Schenkel 30 sind parallel zueinander geführt und ermöglichen einen mäanderförmig geführten Stromfluss. Die sich hierdurch ergebende mäanderförmige Anordnung der TMR/GMR-Elemente 22 der beiden Brückenwiderstände 20.1 sind parallel um einen Abstand Δd versetzt. Innerhalb der Anordnung von TMR/GMR-Elementen 22 trägt jeder Schenkel 30 zwölf TMR/GMR-Elemente 22, wobei jeder Brückenwiderstand 20.1 aus einer Reihenschaltung von zumindest 48 GMR / TMR Elemente, insbesondere 96 GMR / TMR Elemente oder mehr, besteht, die die Robustheit gegen Oberwellenfehler verbessern. Die Magnetisierungsrichtung bzw. Pinningrichtung M der TMR/GMR-Elementes 22 des jeweiligen Brückenwiderstands 20.1 ist in Y+ bzw. Y- Richtung gleichsinnig orientiert. Somit weist der eine Brückenwiderstand 20.1 eine Sensitivitätsachse SY+ und der parallel dazu verlaufende zweite Widerstand 20.1 einer Sensitivitätsachse SY- auf. Im mäanderförmigen Verlauf 26 sind die jeweiligen vier Schenkel 30 des Mäanders 26 durch Schleifenbögen 28 mittels elektrischer Kontaktbahnen verbunden, die alle innerhalb der Fläche A auf dem Chipsubstrat liegen, und zweckmäßigerweise auf dem Chipsubstrat, aber ggf. auch auf einer anderen Ebene des Chipsubstrats - beispielsweise verbunden mittels Durchkontaktierungen - verlaufen können. Durch äußere Anschlusskontakte Ry+ bzw. Ry- sind die jeweiligen Anfang und Enden der reihenförmigen Anordnung von magnetoresistiven Elementen 22 von außen elektrisch kontaktierbar. Innerhalb des Widerstandspaars 50.1 findet keine Filterung der Oberwellen statt, da lediglich eine gemeinsame Sensitivitätsachse in Y-Richtung vorliegt.
• 10 zeigt abweichend zur 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Widerstandspaars 50.2, das zwei Brückenwiderstände beispielsweise R1, R2 oder R1, R3 bzw. R3, R4 oder R4, R2 zeigt. Wiederum besteht jeder Brückenwiderstand 20.2 aus einem Mäander 26 von TMR/GMR-Elementen 22, die über Schleifenbögen 28 elektrisch miteinander verbunden sind. Innerhalb der Fläche A gibt es einen verkleinerten Flächenbereich AHD für die Oberwellenfilterung, in den die einzelnen Zeilen des Mäanders in einem Winkel von beispielsweise 36° zueinander abgewinkelt. Im Flächenbereich AHD umfasst jede Zeile vier Teilschenkel, wobei jeder Teilschenkel vier bzw. zwei TMR/GMR-Elemente 22 tragen, die unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen M aufweisen. In der Realität muss nicht unbedingt eine geometrische Abwinkelung auf dem Chipsubstrat sichtbar sein, es genügt bereits eine Abwinkelung der inneren Magnetisierungsrichtung bzw. Pinningrichtung M, wobei die geometrische Anordnung weiterhin zeilenförmig in langgestreckter Schenkelanordnung auf dem Chipsubtrat reihenförmig liegen kann. Die geometrische Abwinkelung dient lediglich zur vereinfachten Veranschaulichung der verschiedenen Magnetisierungsrichtungen M. Insoweit trägt jeder Brückenwiderstand 20.2 eine Magnetisierung einer Gruppe von TMR/GMR-Elementen 22 in Y Richtung, und eine Untergruppe jeweils einer Orientierung in +/- Abwinkelung zur Y Richtung. Das Gleiche gilt für den dazu verschobenen zweiten Brückenwiderstand 20.2 des Brückenpaares 50.2, wobei die Magnetisierungsrichtungen M um 180° gedreht sind. Innerhalb des Flächenbereichs AHD findet somit eine Oberwellenfilterung in eine Abwinkelungsrichtung beispielsweise von +/-36° zur Ausfilterung einer fünften Oberwelle statt, wobei eine doppelte Anzahl von TMR/GMR-Elemente 22, hier 48 Doppelelemente, in Y Richtung und jeweils ein Viertel der TMR/GMR-Elemente 22, hier 12 Doppelelemente, in eine hiervon abweichenden +36° und ein Viertel, hier 12 Doppelelemente, in eine -36° Richtung abweichen. Hier wird, wie bezüglich 5d erläutert, eine verbesserte Filterung der 5. Oberwelle ermöglicht.
• 11 zeigt ein schematisches Chiplayout einer Winkelsensoranordnung 10.5, mit äußeren Anschlusskontakten der Versorgungsspannung Vcc, GND und den Signalabgriffen Sin+/Sin- und Cos+/Cos-. Auf dem Chipsubstrat 12 sind die jeweiligen Kontaktbahnen der Signalabgriffe und Versorgungsspannungen derart aufgebaut, dass sie symmetrisch lang sind, und den gleichen Widerstandswert aufweisen. Jede Brückenanordnung 40 oder 42 der Sinus und Cosinus Brücke umfasst zwei Halbbrücken 14, wobei die jeweiligen Halbbrücken 14, eine Wheatstonebrücke 16 mit Teilen 16a, 16b ausbilden. Jedes dieser Wheatstonebrückenteile 16a, 16b umfasst ein Widerstandspaar 50 innerhalb einer im Wesentlichen quadratischen Fläche mit einem Flächenschwerpunkt p. Das Widerstandspaar 50 umfasst zwei Brückenwiderstände, die aus in Reihe geschalteten TMR/GMR-Elementen 22, wie sie beispielsweise in 12 oder 14 dargestellt sind, bestehen. Die TMR/GMR -Elemente 22 des Widerstandspaars 50 kann vorteilhaft punktsymmetrisch um den Flächenschwerpunkt p angeordnet sein. Es existiert ein geometrischer Symmetrieschwerpunkt P der Winkelsensoranordnung 10.5, der sich beispielsweise als Flächenschwerpunkten p der Widerstandspaare 50 ergibt. Die beiden Wheatstonebrückenteile 16a, 16b sind hierdurch wiederum symmetrisch um den Schwerpunkt P der Gesamtwiderstandsanordnung des Winkelsensors 10.5 angeordnet, hier kreuzweise versetzt und ggf. um den Flächenschwerpunkt p gedreht. So befinden sich in der linken unteren und der rechten oberen Ecke die beiden Halbbrücken 14 der Wheatstonebrücke 16 der Cosinusbrückenanordnung 40a und 40b. Insoweit sind die Widerstandspaare 50 kreisförmig um den Schwerpunkt P angeordnet. Jede Halbbrücke 14 umfasst ein Widerstandspaar 50. In der linken oberen und rechten unteren Ecke befinden sich Teile 16a, 16b der Wheatstonebrückenanordnung 16 bzw. 42a, 42b der Cosinusbrücke 42. Sowohl die Zuleitungen 32 zum Widerstandspaar 50 als auch deren Anordnung auf dem Chipsubstrat entsprechen einer strengen Symmetrie, so dass gleiche Widerstände, gleiche Prozessparameter und gleiche Einflüsse auf Temperatur oder Materialvariationen die einzelnen Widerstandspaare 50 beeinflussen. Innerhalb jeder Brückenanordnung 16 sind zwei Widerstandspaare 50, jeweils ein Paar 50 im Teil 16a und 16b umfasst, deren elektrische Eigenschaften sich gegenseitig kompensieren, so dass bei Temperaturvariationen oder Materialschwankungen diese gleichartig jeden Brückenwiderstand 20 des Widerstandspaars 50 betreffen und somit im differenziellen Abgriffsignal der Brückenanordnung 16 bereits weitestgehend kompensiert sind. Veränderungen der elektrischen und magnetischen Eigenschaften beider Brückenwiderstände innerhalb einer Halbbrücke und aller vier Brückenwiderstände der Vollbrücke, beispielsweise durch Temperaturschwankungen oder durch geringe Materialschwankungen beim Herstellungsprozess, wirken sich nahezu identisch auf alle Widerstandspaare 50 aus, so dass die Effekte dieser Veränderungen sich gegenseitig sowohl innerhalb der Ebene der Halbbrücke als auch innerhalb der Ebene der Vollbrücke die Balance halten und nicht zu einer Verstimmung der Brückenanordnung führen. Mittels Doppelpfeile sind die Lagen der mittleren Pinningrichtungen S der Brückenwiderstandspaare 50 eingezeichnet.
• 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel 50.3 eines Widerstandspaars umfassend zwei Brückenwiderstände 20.3 deren mittlere Pinningrichtung S in Y Richtung bzw. in negative Y Richtung ausgerichtet sind. Ähnlich wie das in 10 dargestellte Ausführungsbeispiel 50.2 umfasst das Widerstandspaar eine Anordnung 24.3 von TMR/GMR-Elementen 22, die entlang eines Mäanders 26 in vier Schenkel 30 angeordnet sind die über Schleifenbögen 28 miteinander verbunden sind. Diese sind innerhalb einer Fläche A auf dem Chipsubstrat 12 angeordnet, wobei in einer relativ großen Teilfläche AHD Gruppen von TMR/GMR-Elementen mit zur mittleren Pinningrichtung S abweichenden Pinningrichtungen M umfasst sind, um eine Oberwellenfilterung zu ermöglichen. Die Anzahl der TMR Elemente sind hier nur beispielhaft gegeben, und können in der Verwirklichung der Chipdesigns auch anders gewählt werden, um Widerstände, Platzbedarf oder andere Eigenschaften der Chips anzupassen. Gegenüber einem Flächenschwerpunkt p der Fläche A sind die GMR-/TMR-Elemente 22 der beiden Brückenwiderstände 20.3 ineinander punktsymmetrisch überführbar, so dass sich aus durch eine Punktspiegelung am Flächenschwerpunkt p der Brückenwiderstand Ry+ in den Brückenwiderstand Ry- überführbar ist.
• 13 zeigt die Verwendung des in 12 dargestellten Widerstandspaares 50.3 innerhalb einer weiteren Ausführungsform 10.6 eines Winkelsensors. Die geometrische Anordnung der einzelnen Widerstandspaare 50.3 des Winkelsensors 10.6 entspricht der schematischen Darstellung der 11. Durch ein derartiges Layout mit streng symmetrischer Anordnung lässt sich eine Vielzahl von Fehlerquellen auf die Winkelerfassung kompensieren. Dabei ist beispielsweise die Halbbrücke R3S und R4S durch eine 90° Rotation um den Punkt P in die Halbbrückenkonfiguration R3C und R4C der Cosinusbrückenanordnung 42 überführbar. Gleiches gilt für die Halbbrückenanordnung R1S und R2S der Sinusbrückenanordnung 40.3b, die durch eine 90° Drehung um den Punkt P in die Halbbrückenkonfiguration der Cosinusbrückenanordnung 42.3b überführbar ist. Durch eine Punkspiegelung der jeweiligen Halbbrücken 14.3 um den Schwerpunkt P der Chipfläche des Winkelsensors und eine anschließende Drehung um ihren eigenen Schwerpunkt des Widerstandspaares 50.3 lassen sich die jeweiligen Sinusbrückenbrückenanordnung 40.3a, 403b oder Cosinusbrückenanordnung 42.3a, 42.3b ineinander überführen. Das gesamte Chiplayout weist einen hochsymmetrischen Aufbau auf, wobei auch die Widerstandsverhältnisse der Zuleitungen zueinander abgeglichen sind. Eine Oberwellenfilterung findet sowohl innerhalb der Widerstandsebene, als auch innerhalb der Halbbrückenebene statt. Hierdurch ist eine hocheffiziente Oberwellenfilterung gegeben, so dass kompensationsfrei ein sehr geringer Winkelfehler von unter 1° erreichbar ist.
• Die 14a bis 14h zeigen verschiedene Ausführungsformen von Widerstandspaaren von 50.4 bis 50.11 die im Rahmen von Ausführungsform 10 eines erfindungsgemäßen Winkelsensors eingesetzt werden können. Allen Widerstandspaaren 50 ist gemeinsam, dass sie auf einer begrenzten Fläche A eines Chipsubstrats angeordnet sind und eine kompakten Anordnung 24 von in Reihe geschalteten TMR/GMR-Elemente 22 umfassen. Diese Anordnung 24 kann in mehreren Schenkeln 30 in Art eines Mäanders 26 zeilenweise und in Reihe angeordnet sein, wobei die beiden Widerstände 20 des Widerstandspaars 50 um eine geringe Distanz Δd von 50 µm oder weniger innerhalb der Fläche A versetzt zueinander sind. Alle Widerstandspaare 50 sind in diesem Beispiel in eine +/- Y Richtung ausgerichtet. In den Ausführungsformen 50.4, 50.7 bis 50.10 und 50.12, ist ein Symmetrieschwerpunkt P eingezeichnet.
• 14a zeigt eine einfache mäanderförmige Anordnung 26 der TMR/GMR-Elemente 20 einer Ausführungsform 50.4, wobei die beiden Brückenwiderstände 20 antisymmetrische mittlere Pinningrichtungen S aufweisen und jedes TMR/GMR-Element 22 eine Pinningrichtung M aufweist, die der mittleren Pinningrichtung S entspricht.
• Die 14b zeigt eine Ausführungsform 50.5, wobei in einem zentralen Unterbereich Gruppen von TMR/GMR-Elemente 22 angeordnet sind, die abweichend zur mittleren Pinningrichtung S eine Oberwellenfilterung vornehmen können. Dabei umfasst jede Gruppe abweichenden Magnetisierungsrichtungen M eine gleiche Anzahl von TMR/GMR-Elementen 22, um einen symmetrischen Einfluss der Abwinkelung zur mittleren Sensitivitätsrichtung S jedes Widerstands 20 zu ergeben. Gleichwohl kann ein gewichteter Einfluss der einzelnen Vorzugsrichtungen durch eine verschiedene Anzahl von TMR/GMR-Elementen 22 der einzelnen Magnetisierungsrichtungen M erreicht werden.
• 14c zeigt eine weitere Ausführungsform 50.6, wobei im mittleren Bereich sowohl TMR/GMR-Elemente 22 gruppenweise in dieselbe in die mittlere Pinningrichtung S eine Pinningrichtung M aufweisen, als auch abweichend dazu.
• 14d zeigt eine Ausführungsform 50.7, die eine annähernd kreisrunde Außenkontur aufweist, wobei Gruppen der äußeren TMR/GMR-Elemente 22 der mäanderförmigen Anordnung 26 abgewinkelt sind, und die Gruppe der inneren Anordnungen eine Magnetisierungsrichtung M aufweisen, die in die mittlere Pinningrichtung S, d.h. Sp+ bzw. Sp- des jeweiligen Brückenwiderstands zeigt. In dieser Ausführungsform 50.7 ist die Anzahl an TMR/GMR-Elementen 22 in den Gruppen mit Pinningrichtungen M in Richtung der mittleren Pinningrichtung Sp+/Sp- gleich groß wie die Anzahl der TMR/GMR-Elemente 22 in den Gruppen mit abgewinkelten Pinningrichtungen M. Die TMR/GMR-Elemente 22 mit abgewinkelten Pinningrichtungen M untergliedern sich in zwei gleichstarke Gruppen mit positiver und negativer Abwinkelung zur mittleren Pinningrichtung Sp+ bzw. Sp-.
• Die 14e, 14f, 14g zeigen Varianten von Widerstandspaaren 50.8, 50.9 und 50.10, in denen eine Vielzahl verschiedener Abweichungen ermöglicht werden, und die je nach Platzverhältnissen auf dem Chipsubstrat 12 eingesetzt werden können. Diesen Ausführungsformen ist gemein, dass diese eine gebogene Außenkontur aufweisen, so dass ein platzsparendes Chiplayout ermöglicht wird. Insbesondere die Anordnung des Widerstandspaars 50.8 der 14e zeigt eine hohe Vielzahl von abweichenden Pinningrichtungen, um eine Mehrzahl von Oberwellen filtern zu können.
• Die in 14e dargestellte Ausführungsform 50.8 ist ähnlich zur Ausführungsform 50.7 der 14d mit dem Unterschied, dass jede Gruppe von TMR/GMR-Elementen 22 in verschiedene Winkel aufgespalten ist. Diese zusätzliche Aufspaltung ermöglicht eine weitere Filterung einer höheren Oberwelle.
• Während alle vorgenannten Widerstandspaare 50.1 bis 50.10 der 14a bis 14g zwei Brückenwiderstände 20 umfassen, die antiparallele mittlere Sensitivitätsrichtungen S aufweisen, zeigt 14h ein Widerstandspaar 50.11 mit zwei unterschiedlichen Widerstandssensitivitätsrichtungen Sp, Sq der beiden Brückenwiderstände 20.11, in den ebenfalls die Pinningrichtung M einer Mehrzahl von TMR/GMR-Elemente 22 abweichend zur mittleren Pinningrichtung Sp bzw. Sq ausgerichtet sind, und somit eine höchst effiziente Oberwellenfilterung ermöglicht wird.
• Letztlich veranschaulicht 14i ein Widerstandspaar 50.12, wobei die Leitungsführung die identische mäanderförmige Anordnung 26 mit gerade verlaufenden Schenkeln 30 der 14a aufweist. Die beiden Brückenwiderstände 20 weisen antisymmetrische mittlere Pinningrichtungen S auf, wobei innerhalb jedes Schenkels 30 individuelle Pinningrichtungen M der einzelnen TMR/GMR-Elemente 22 einzeln bzw. gruppenweise zur Ausbildung eines Oberwellenfilters gegenüber der Pinningrichtung S symmetrisch abweichen. Gegenüber den Widerstandspaar-Ausführungsformen 50.5 bis 50.11 ist die Leitungsführung der Schenkel 30 nicht an der Pinningrichtung M der TMR/GMR-Elemente 22 angepasst, so dass ein platzsparendes und kompaktes Design des Widerstandspaars 50.12 bei optimierter Oberwellenfilterung ermöglicht wird.
• In den 15a, 15b sind Winkelfehler Δφ zweier Ausführungsformen von Winkelsensoren für drei Temperaturbereiche T=-40°C, T=25°C und T=125°C sowie für drei Feldstärkebereiche H=30 mT, H=60 mT und H=80 mT des zu messenden Magnetfelds am Ort des Winkelsensors aufgetragen. Hierzu ist ein Medianwert $\widetilde{\mathrm{\Delta }\phi },$

  

  ein Streuungsintervall von 25%-75% aller betrachteten Winkelsensoren und das 100% Intervall des Winkelfehlers angegeben. Hierbei wird eine Ausführungsform eines Winkelsensors eingesetzt, der eine 3. und 5. Oberwelle in der Ebene der Brückenwiderstände und in der Halbbrückenebene kompensiert, wie er in 13 dargestellt ist.
• 15a stellt das temperatur- und feldstärkeabhängige Winkelfehlerverhalten eines unkompensierten Winkelsensors dar. Aus den an den Mittelabgriffen der Wheatstonebrücke erfassten Signalverläufen wird unmittelbar ein Magnetfeldwinkel gemäß Formel 2 berechnet. Es ist ein stabiles Temperatur- und Feldstärkeverhalten mit einem Median des Winkelfehlers von ca. 0,3°-0,4° erkennbar, wobei die maximale Streuungsbereite des Winkelfehlers über die betrachteten Temperatur- und Feldstärkebereiche 0,4° beträgt, und das 50% Intervall maximal 0,2° ist. Alle Werte des unkompensierten Winkelfehlers liegen unter 1° insbesondere unter 0,6°.
• Im Gegensatz zum unkompensierten Winkelfehler ist in der 15b das temperatur- und feldstärkeabhängige Winkelfehlerverhalten eines kompensierten Winkelsensors dargestellt. Die Winkelfehlerkompensation, die praktisch eine Halbierung des Winkelfehlers ermöglicht, wird, ausgehend von dem in 15a betrachteten Ausführungsform dadurch erreicht, dass eine arithmetische Winkelfehlerkorrekturverarbeitung, die beispielsweise mit einem Sin/Cos-PGA-Signalkonditionierungsbaustein, wie dem iC-MSA der Fa. iC-Haus GmbH, D-55294 Bodenheim, Germany, eingesetzt wird. Die arithmetische Winkelfehlerkompensation nimmt eine Offset-, Amplituden- und Phasenkompensation der Signalwerte der beiden Wheatstone-Brückenanordnungen des Sinus- und Cosinuszweiges vor. Hierdurch kann ein signifikant reduziertes Winkelfehlerverhalten gegenüber der unkompensierten Ausführungsform der 15a über Temperatur und Feldstärke erreicht werden. So wird ein Median des Winkelfehlers von ca. 0,1°-0,2° erreicht, wobei die maximale Streuungsbereite des Winkelfehlers über die betrachteten Temperatur- und Feldstärkebereiche ca. 0,15° beträgt, und das 50% Intervall maximal 0,05° ist. Durch die vorgeschlagenen Eigenschaften des Winkelsensors können trotz Prozessschwankungen minimale Winkelfehler erreicht werden, ohne nachträgliche Korrekturoperationen anzuwenden. Der Winkelsensor mit der gesamten Auswerteelektronik kann einfach und kostengünstig ausgelegt werden und es wird eine geringere Rechnerleistung für die Auswertung benötigt. Es besteht kein Bedarf mehr in einen zusätzlichen Speicher für Kompensationsparameter und der Winkelsensor kann höherfrequent arbeiten, d.h. es sind höhere Bandbreiten der Signalwerterfassung möglich. Es ergibt sich dadurch eine signifikante Kostenersparnis des Winkelsensors, da keine Kompensationsschaltungen mehr erforderlich sind. Auch eine Kalibrierungsmessung zur Bestimmung von Kompensationsparametern entfällt.
• Bezugszeichenliste

10

Winkelsensor

12

Chipsubstrat

14

Halbbrücke

16

Wheatstone-Brückenanordnung

18

Wheatstonebrücke

20

Brückenwiderstand

22

TMR/GMR-Element

24

Anordnung von TMR/GMR-Elemente

26

Mäander von TMR/GMR-Elemente

28

Schleifenbogen des Mäanders

30

Schenkel des Schleifenbogens

32

Zuleitung zu einem Brückenwiderstand

34

Oberwellenfilteranordnung

40

Sinusbrückenanordnung

42

Cosinusbrückenanordnung

44

Spannungsversorgung

50

Widerstandspaar

M

Pinningrichtung eines TMR/GMR-Elements

S

Brückenwiderstandssensitivitätsrichtung / Mittlere Pinningrichtung eines Brückenwiderstands

H

Halbbrückensensitivitätsachse einer Halbbrücke

G

Gesamtsensitivitätsachse einer Wheatstone-Messbrückenanordnung

B

Brückensensitivitätsachse

A

Ausdehnungsfläche einer Halbbrücke auf dem Chipsubstrat

AHD

Flächenbereich (zur Ausbildung eines Oberwellenfilteranordnung

P

Symmetrieschwerpunkt der Winkelsensoranordnung auf dem Chipsubstrat

Δd

Abstand der Versetzung der Anordnungen von TMR/GMR-Elemente zweier benachbarter Halbbrückenwiderständen

VCC

Versorgungspotential der Versorgungsspannung

GND

Grundpotential der Versorgungsspannung

Sin+

Positives Potential des Sinus-Messsignals

Sin-

Negatives Potential des Sinus-Messsignals

Cos+

Positives Potential des Cosinus-Messsignals

Cos-

Negatives Potential des Cosinus -Messsignals

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2016/078793 A1 [0078]
• WO 2016/0383420 A1 [0078]

Claims (23)

1. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) umfassend zumindest zwei, auf einem Chipsubstrat (12) bezüglich ihrer Halbbrückensensitivitätsachse (H) winkelversetzt angeordnete, Halbbrücken (14), insbesondere zwei Paare von in Wheatstone-Brückenanordnung (16) mit winkelversetzten Gesamtsensitivitätsachsen (G) parallel verschalteten Halbbrücken (14), wobei jede Halbbrücke (14) aus einer Reihenschaltung zweier magnetoresistiver Brückenwiderstände (20) mit abweichenden mittleren Pinningrichtungen (S) gebildet ist, und wobei jeder Brückenwiderstand (20) eine Serienschaltung einer Mehrzahl von TMR/GMR-Elementen (22) mit jeweils individuell einstellbarer Pinningrichtung (M) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine reihenförmige Anordnung (24) von TMR/GMR-Elementen (22) zweier, ein Widerstandspaar (50) bildender Brückenwiderstände (20), insbesondere in Reihe geschalteter Brückenwiderstände (20) der Halbbrücke (14) oder parallel zueinander angeordneter Brückenwiderstände (20) von parallel geschalteten Halbbrücken (14) der Wheatstone-Brückenanordnung (16), abweichende mittlere Pinningrichtungen (S), insbesondere antiparallele mittlere Pinningrichtungen (S), aufweisen, und eng benachbart, insbesondere verschachtelt ineinander, auf dem Chipsubstrat (12) angeordnet sind, und der Winkelsensor (12) einen kompensationsfreien Winkelfehler, gebildet aus sinusförmig und phasenversetzt verlaufenden Messsignalen der Mittelabgriffe der Halbbrücken (14), geringer als 1° aufweist.
2. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelfehler geringer als 1° über einen Magnetflussdichteunterbereich von mindestens 50mT in einem Magnetflussdichtebereich von 20mT bis 150mT und einem Temperaturbereich von -40°C bis 125°C auftritt.
3. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wheatstone-Brückenanordnung (16) zumindest zwei, bezüglich der Gesamtsensitivitätsachse (G) in ihren Brückensensitivitätsachsen (B) gegensinnig symmetrisch abgewinkelte, insbesondere um einen Winkel von 7,5°, 8,2°, 9°, 10°, 11,25°, 12,9°, 15°, 18°, 22,5°, oder 30° abgewinkelte, und parallel geschaltete Wheatstonebrücken (18), die somit zueinander um 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sind, zur Ausbildung eines Oberwellenfilters auf Ebene der Gesamtsensitivitätsachse (G) umfasst.
4. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Wheatstonebrücke (18) die Halbbrückensensitivitätsachsen (H) der beiden Halbbrücken (14) gegensinnig symmetrisch zu der Brückensensitivitätsachse (B) der Wheatstone Brückenanordnung (16) abgewinkelt sind, insbesondere um einen Winkel von 7,5°, 8,2°, 9°, 10°, 11,25°, 12,9°, 15°, 18°, 22,5°, oder 30° abgewinkelt sind, die somit insbesondere zueinander um 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sind, zur Ausbildung eines Oberwellenfilters auf Ebene der Brückensensitivitätsachse (B).
5. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Wheatstone Brückenanordnung (16) die Orientierung der mittleren Pinningrichtungen (S) der Brückenwiderstände jeder Halbbrücke (14) gegensinnig symmetrisch zur Halbbrückensensitivitätsachse (H) der Halbbrücke (14) abgewinkelt sind, insbesondere um einen Winkel von 7,5°, 8,2°, 9°, 10°, 11,25°, 12,9°, 15°, 18°, 22,5°, oder 30°abgewinkelt sind, die somit insbesondere zueinander um 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sind, zur Ausbildung eines Oberwellenfilters auf Ebene der Halbbrückensensitivitätsachse (H).
6. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren Pinningrichtungen (S) der beiden Brückenwiderstände (20) des Widerstandspaars (50) zur Ausbildung eines Oberwellenfilters abgewinkelt sind, insbesondere antiparallel ausgerichtet ist, oder um einen Winkel von 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt ist.
7. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest gruppenweise entlang der reihenförmigen Anordnung (24) TMR/GMR-Elemente (22) unterschiedliche Pinningrichtungen (M) aufweisen, die bevorzugt gegenüber der mittleren Pinningrichtung (S) des Brückenwiderstands (20) gegensinnig symmetrisch abgewinkelt sind, insbesondere um einen Winkel von 7,5°, 8,2°, 9°, 10°, 11,25°, 12,9°, 15°, 18°, 22,5°, oder 30°abgewinkelt sind, die somit insbesondere zueinander um 15°, 16,4°, 18°, 20°, 22,5°, 25,7°, 30°, 36°, 45° oder 60° abgewinkelt sind, zur Ausbildung eines Oberwellenfilters auf Ebene der mittleren Pinningrichtung (S) des Brückenwiderstands (20).
8. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe der TMR/GMR-Elemente (22) zumindest zwei, bevorzugt zumindest acht, insbesondere zumindest zwölf TMR/GMR-Elemente (22) umfasst.
9. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei, bevorzugt drei oder mehr Gruppen von TMR/GMR-Elemente (22) mit unterschiedlichen Pinningrichtungen (M) in jedem Brückenwiderstand (20) umfasst sind, wobei bevorzugt zumindest eine Gruppe eine Pinningrichtung (M) in Richtung der mittleren Pinningrichtung (S) aufweist, und/oder zumindest zwei Gruppen Pinningrichtungen (M) aufweisen, die gegensinnig symmetrisch zur mittleren Pinningrichtung (S) abgewinkelt sind.
10. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Brückenwiderstand (20) mindestens 48, insbesondere 96 TMR/GMR-Elemente (22) umfasst sind, und eine Anzahl der TMR/GMR-Elemente (22) mit einer gegenüber der mittleren Pinningrichtung (S) des Brückenwiderstands (20) abweichenden Pinningrichtung (M) mindestens 30%, bevorzugt mindestens 50% der Gesamtanzahl der TMR/GMR-Elemente (22) des Brückenwiderstands (20) beträgt.
11. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Anordnung (24) der TMR/GMR-Elemente (22) eines Brückenwiderstands (20) auf dem Chipsubstrat (12) reihenförmig und mehrzeilig, bevorzugt mäanderförmig, insbesondere zickzackförmig, verläuft, und die Anordnung (24) der TMR/GMR -Elemente (22) des Widerstandspaars (50) auf dem Chipsubstrat (12) innerhalb einer Fläche (A) des Chipsubstrats (12) parallel versetzt zueinander verlaufen, wobei die Brückenwiderstände (20) des Widerstandspaars (50) innerhalb der Fläche (A) verschachtelt ineinander angeordnet sind.
12. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnungen (24) der TMR/GMR-Elemente (22) jedes Brückenwiderstands (20) entlang jeweils eines Schenkels (30) eines Schleifenbogens (28) eines mehrschleifigen, bevorzugt zumindest zweischleifigen, insbesondere zumindest dreischleifigen, innerhalb der Fläche (A) liegenden Mäanders (26), der einen Stromfluss durch den Brückenwiderstand (20) auf dem Chipsubstrat (12) definiert, verläuft, wobei bevorzugt zumindest zwei TMR-Elemente (22), insbesondere zumindest acht TMR-Elemente (22), im Speziellen zumindest zwölf TMR/GMR-Elemente (22) entlang jedes Schenkels (30) angeordnet sind, wobei bevorzugt innerhalb zumindest eines Schenkels (30) zumindest zwei Gruppen von TMR/GMR-Elemente (22) mit unterschiedlichen Pinningrichtungen (M) angeordnet sind.
13. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen der TMR/GMR-Elemente (22) mit gegenüber der mittleren Pinningrichtung (S) des Brückenwiderstands (20) abweichender Pinningrichtung (M) zickzackförmig in einem zentralen Flächenbereich (AHD) der Fläche (A) zur Ausbildung einer Oberwellenfilteranordnung (34) angeordnet ist, wobei bevorzugt der zentrale Flächenbereich (AHD) zumindest 50%, insbesondere 70% der Fläche (A) beträgt.
14. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand eines TMR/GMR-Elements (22) mit abweichender Pinningrichtung (M) von der mittleren Pinningrichtung (S) des Brückenwiderstands (20) vom Schwerpunkt der Fläche (A) kleiner als ein Abstand eines TMR/GMR-Elements (22) mit identischer Pinningrichtung (M) zur mittleren Pinningrichtung (S) des Brückenwiderstands (20) ist.
15. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fläche (A) die Dichte der TMR/GMR-Elemente (22) in der Anordnung (24) größer als 5 Elemente/1000µm² beträgt.
16. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlichen Anordnungen (24) der TMR/GMR-Elemente (22) der beiden Brückenwiderstände (20) des Widerstandspaars (50) auf dem Chipsubstrat (12) quer zur reihenförmigen Anordnung (24) verschoben und/oder ineinander verschachtelt sind.
17. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eng benachbarte Abstand der Versetzung (Δd) der Anordnungen (24) der TMR/GMR-Elemente (22) des Widerstandspaars (50) kleiner als 50µm, insbesondere kleiner als 20µm ist.
18. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zuleitungen (32) des Widerstandspaars (50) zu einer Versorgungsspannung (VCC, GND) auf dem Chipsubstrat (12) im Wesentlichen den gleichen elektrischen Widerstand aufweisen, und Signalanschlüsse (Sin+, Sin-, Cos+, Cos-) des Widerstandspaars (50) in der Mitte der geometrischen Längen der abgewinkelten Reihen von TMR/GMR-Elemente (22) angeordnet sind.
19. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anordnung des Widerstandspaars (50) durch zumindest eine geometrische Symmetrieoperation auf dem Chipsubstrat (12) in jedes andere Widerstandspaars (50) überführbar ist, insbesondere durch eine Spiegelung, Drehung und/oder Verschiebung gegenüber einer Symmetrieachse der Fläche (A) und / oder einer Symmetrieachse (P) aller Halbbrücken (14) auf dem Chipsubstrat (12).
20. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Anordnung jedes Widerstandspaars (50) durch zumindest eine geometrische Symmetrieoperation auf dem Chipsubstrat (12) in sich selbst überführbar ist, insbesondere durch eine Spiegelung, Drehung und / oder Verschiebung gegenüber einer Symmetrieachse der Fläche (A) und / oder einer Symmetrieachse (P) des Schwerpunktes der Fläche (A).
21. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstandspaare (50) einer Sinusbrückenanordnung (40) und Widerstandspaare (50) einer Cosinusbrückenanordnung (42) auf dem Chipsubstrat (12) kreuzförmig zueinander angeordnet sind.
22. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei, bezüglich ihrer Halbbrückensensitivitätsachse (H) winkelversetzt angeordneten Halbbrücken (14), insbesondere zwei Paare in Wheatstone-Brückenanordnungen (16) mit winkelversetzten Gesamtsensitivitätsachse (G) verschalteten Halbbrücken (14), eine Winkelversetzung von größer 0° und kleiner 180°, insbesondere 90° aufweisen.
23. Magnetfeldbasierter Winkelsensor (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke eines Freelayers jedes TMR/GMR-Elements (22) größer als 20nm beträgt und ein Radius eines TMR/GMR-Elements (22) geringer als 5µm beträgt, so dass feldfrei eine Vortex-Magnetisierung ausgebildet ist.

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