DE102022108692B4

DE102022108692B4 - Magnetfeldsensor mit Überstromdetektion

Info

Publication number: DE102022108692B4
Application number: DE102022108692.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schmitt; Gavin P. Cosgrave
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2042-04-12
Also published as: DE102022108692A1; DE102022005014B3; US20220326321A1

Abstract

Magnetfeldsensorsystem, das Folgendes aufweist:einen anisotropen magnetoresistiven bzw. AMR-Magnetfeldsensor, ausgebildet zum Messen eines extern angelegten Magnetfelds; undeinen Überstromdetektionssensor (50), der mindestens ein AMR-Erfassungselement aufweist, wobei der Überstromdetektionssensor (50) ausgebildet ist zum Detektieren des Vorliegens eines hohen elektrischen Stroms basierend auf einer Messung des extern angelegten Magnetfelds, wobeider Überstromdetektionssensor (50) ferner eine feldunempfindliche Komponente aufweist,undwobei die feldunempfindliche Komponente mindestens zwei AMR-Barberpole-Widerstände (R1-R4) aufweist, aufweisend einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit mehreren leitfähigen Streifen, die in einem Winkel relativ zu einer Längsachse des Streifens aus anisotropem magnetoresistivem Material auf dem Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material angeordnet sind, wobei die mindestens zwei AMR-Barberpole-Widerstände (R1-R4) in Reihe geschaltet sind und in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtete leitfähige Streifen aufweisen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Magnetfeldsensor. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein Erfassungssystem, das einen Magnetfeldsensor und einen Überstromdetektionssensor aufweist.
Hintergrund
Anisotrope magnetoresistive Sensoren bzw. AMR-Sensoren werden zum Erfassen externer Magnetfelder durch Detektieren einer Änderung des Widerstands des Sensors als Ergebnis des externen Magnetfelds verwendet. Einige AMR-Sensoren haben eine sogenannte „Barberpole“-Struktur mit einem resistiven Streifen, auf dem leitfähige Streifen in einem Muster ähnlich einer Barbiersäule angeordnet sind.
WO 2015 / 030 871 A1 bezieht sich auf ein Strommesssystem im Bohrloch mit drei oder mehr Magnetfeldsensoren und einem Modul zur Auswahl transienter Störungen, das so konfiguriert ist, dass es ein Ausgangssignal aus einer ausgewählten Teilmenge von Sensorsignalen bildet, während es die Ausgangssignale von einer nicht ausgewählten Teilmenge von Sensorsignalen während eines vorbestimmten Zeitfensters entkoppelt, wenn ein Störsignal an der nicht ausgewählten Menge von Sensorsignalen erwartet wird.
EP 3 171 190 A1 bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor (120) zur Bereitstellung eines Ausgangssignals (174) als Reaktion auf ein externes Magnetfeld (H y). Der Sensor (120) umfasst einen primären Magnetfeldwandler (130) zur Erzeugung eines primären Signals (131) in Reaktion auf das externe Magnetfeld (H y) und mit einer ersten Magnetfeldsättigungscharakteristik; einen sekundären Magnetfeldwandler (140) zur Erzeugung eines sekundären Signals (141) in Reaktion auf das externe Magnetfeld (H y) und mit einer zweiten Magnetfeldsättigungscharakteristik. Die erste Magnetfeldsättigungscharakteristik ist von der zweiten Magnetfeldsättigungscharakteristik verschieden. Der Sensor (120) ist so konfiguriert, dass er das sekundäre Signal (140) verwendet, um Fehler im Ausgangssignal (174) zu korrigieren, die aus der Sättigung des primären Wandlers (130) resultieren.
EP 3 088 908 A1 betrifft einen Ein-Chip-Referenz-Brücken-Magnetfeldsensor für ein hochintensives Magnetfeld, wobei der Sensor ein Substrat (1), einen Referenzarm, einen Messarm, Abschirmstrukturen (4) und Dämpfungsglieder (5) umfasst. Wobei die Referenzarme und die Abtastarme mindestens zwei Reihen/Spalten von Referenzelementsträngen (3) und Abtastelementsträngen (2) umfassen, die ein oder mehrere identische, elektrisch miteinander verbundene magnetoresistive Abtastelemente umfassen; die Referenzelementstränge (3) und die Abtastelementstränge (2) sind ineinander verschachtelt, jeder Referenzelementstrang (3) ist mit einer Abschirmstruktur (4) auf seiner Oberseite und jeder Abtastelementstrang (2) ist mit einem Dämpfungsglied (5) auf seiner Oberseite ausgeführt. Die magnetoresistiven Sensorelemente können AMR-, GMR- oder TMR-Sensorelemente sein. Die Abschirmstrukturen (4) und Dämpfungsglieder (5) sind aus langen rechteckigen Stäben aus einem weichen ferromagnetischen Material wie Permalloy zusammengesetzt.
US 2009 / 0 102 464 A1 bezieht sich auf eine magnetoresistive (MR) Sensorvorrichtung, die MR-Elemente enthält, die elektrisch verbunden sind, um eine Brückenschaltung zu bilden, und ein oder mehrere nicht-funktionale (oder „Dummy“) MR-Elemente zur verbesserten Anpassung der MR-Elemente der Brückenschaltung.
US 2020 / 0 300 943 A1 bezieht sich auf eine Magnetfeldsensorvorrichtung mit ersten Magnetowiderstandseinheiten, zweiten Magnetowiderstandseinheiten, einer ersten leitenden Testleitung, einer zweiten leitenden Testleitung und einem Treiber. Die ersten Magnetowiderstandseinheiten sind in einer ersten Richtung angeordnet. Die zweiten Magnetowiderstandseinheiten sind in der ersten Richtung angeordnet, und die zweiten Magnetowiderstandseinheiten sind an einer Seite der ersten Magnetowiderstandseinheiten in einer zweiten Richtung angeordnet. Die erste Testleitung ist auf einer Seite der ersten Magnetowiderstandseinheiten in einer dritten Richtung angeordnet und erstreckt sich in der ersten Richtung. Die zweite Testleitung ist auf einer Seite der zweiten Magnetowiderstandseinheiten in der dritten Richtung angeordnet und erstreckt sich in der ersten Richtung. Der Treiber ist so konfiguriert, dass zwei Ströme in der gleichen Richtung und zwei Ströme in entgegengesetzten Richtungen zu unterschiedlichen Zeiten durch die erste Testleiterleitung bzw. die zweite Testleiterleitung laufen.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Magnetfeldsensorsystem bereit, das einen AMR-Magnetfeldsensor und einen Überstromdetektionssensor aufweist. Der Überstromdetektionssensor weist ein AMR-Erfassungselement auf, das in einer Halbbrückenanordnung mit einer feldunempfindlichen Komponente verbunden ist. Die Ausgabe des Überstromdetektionssensors kann die durch das Sensorsystem erfahrene Stärke des Magnetfelds überwachen und detektieren, ob das Magnetfeld über eine Erfassungsschwelle des AMR-Magnetfeldsensors hinausgeht. Außerhalb dieser Schwelle ist der AMR-Magnetfeldsensor nicht in der Lage, eine Messung der Magnetfeldstärke bereitzustellen. Der Überstromdetektionssensor kann daher detektieren, dass das System in sehr hohen Magnetfeldern arbeitet, was wiederum darauf hinweisen kann, dass in dem System ein Überstrom vorliegt.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Magnetfeldsensorsystem bereit, aufweisend einen anisotropen magnetoresistiven bzw. AMR-Magnetfeldsensor, ausgebildet zum Messen eines extern angelegten Magnetfelds, und einen Überstromdetektionssensor, aufweisend mindestens ein AMR-Erfassungselement, wobei der Überstromdetektionssensor zum Detektieren des Vorliegens eines hohen elektrischen Stroms basierend auf einer Messung des extern angelegten Magnetfelds ausgebildet ist.
Somit wird zusammen mit dem vorhandenen AMR-Feldsensor ein zusätzlicher AMRbasierter Überstromdetektionssensor bereitgestellt. Dieser AMR-basierte Überstromdetektionssensor wird dazu verwendet, hohe Magnetfelder zu detektieren und dadurch zu detektieren, ob überschüssiger Strom durch das System fließt.
Beispielsweise kann der AMR-Magnetfeldsensor betriebsfähig sein zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das eine Magnetfeldstärke bis zu einem Schwellenwert angibt. Der Überstromdetektionssensor kann dann betriebsfähig sein zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das eine Magnetfeldstärke bis zu und über dem Schwellenwert angibt. Der Überstromdetektionssensor kann somit ein Vorliegen eines hohen elektrischen Stroms detektieren, wenn das Ausgangssignal eine Magnetfeldstärke über dem Schwellenwert angibt. Infolgedessen kann der Überstromdetektionssensor, wenn ein hoher elektrischer Strom durch das System fließt (z. B. aufgrund eines Kurzschlusses), dazu verwendet werden, ein etwaiges durch den Anstieg des Stroms erzeugtes Magnetfeld zu detektieren, welches der Feldsensor nicht detektieren kann.
Der Überstromdetektionssensor kann ferner eine feldunempfindliche Komponente aufweisen. In dieser Hinsicht können das AMR-Erfassungselement des Überstromdetektionssensors und die feldunempfindliche Komponente in einer Halbbrückenkonfiguration verbunden sein.
Als ein Beispiel kann die feldunempfindliche Komponente mindestens zwei AMR-Barberpole-Widerstände aufweisen, aufweisend einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit mehreren leitfähigen Streifen, die in einem Winkel relativ zu einer Längsachse des Streifens aus anisotropem magnetoresistivem Material auf dem Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material angeordnet sind, wobei die mindestens zwei AMR-Barberpole-Widerstände in Reihe geschaltet sind und in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtete leitfähige Streifen aufweisen.
Als ein anderes Beispiel kann die feldunempfindliche Komponente einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit großer Formanisotropie aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann die feldunempfindliche Komponente mehrere in Reihe geschaltete AMR-Erfassungselemente und eine in der Nähe der mehreren AMR-Erfassungselemente platzierte weichmagnetische Abschirmung aufweisen.
In einigen Anordnungen kann der Überstromdetektionssensor mindestens zwei AMR-Erfassungselemente und mindestens zwei feldunempfindliche Komponenten, verbunden in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration, aufweisen.
Der Überstromdetektionssensor kann mindestens zwei in Reihe geschaltete AMR-Erfassungselemente und eine feldunempfindliche Komponente, die mindestens ein Paar von in Reihe geschalteten AMR-Barberpole-Widerständen aufweist, aufweisen, wobei jeder AMR-Barberpole-Widerstand einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit mehreren leitfähigen Streifen aufweist, die in einem Winkel relativ zu einer Längsachse des Streifens aus anisotropem magnetoresistivem Material auf dem Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material angeordnet sind, wobei die mindestens zwei AMR-Erfassungselemente und die feldunempfindliche Komponente so verbunden sind, dass sie eine erste Halbbrückenanordnung bilden.
In solchen Anordnungen können die mehreren leitfähigen Streifen jedes AMR-Barberpole-Widerstands in der gleichen Richtung ausgerichtet sein, und der Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material jedes AMR-Barberpole-Widerstands kann in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sein.
Des Weiteren kann das mindestens eine Paar von AMR-Barberpole-Widerständen ein erstes Paar von AMR-Barberpole-Widerständen, die jeweils mehrere in einem ersten Winkel ausgerichtete leitfähige Streifen aufweisen, wobei der Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material jedes AMR-Barberpole-Widerstands in dem ersten Paar in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert ist, und ein zweites Paar von AMR-Barberpole-Widerständen, die jeweils mehrere in einem zweiten Winkel ausgerichtete leitfähige Streifen aufweisen, wobei sich der zweite Winkel von dem ersten Winkel unterscheidet, wobei der Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material jedes AMR-Barberpole-Widerstands in dem zweiten Paar in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert ist, aufweisen.
Der Überstromdetektionssensor kann ferner eine zweite Halbbrückenanordnung aufweisen, wobei die zweite Halbbrückenanordnung mindestens zwei in Reihe geschaltete AMR-Erfassungselemente und eine feldunempfindliche Komponente aufweist, die mindestens ein Paar in Reihe geschalteter AMR-Barberpole-Widerstände aufweist, wobei die erste und die zweite Halbbrückenanordnung in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration verbunden sind.
In hier beschriebenen Anordnungen kann das Magnetsensorsystem ferner mindestens eine Umkehrspule aufweisen, die in der Nähe des AMR-Magnetfeldsensors und des Überstromdetektionssensors angeordnet ist. In einigen Fällen ist eine einzige Umkehrspule über dem AMR-Magnetfeldsensor und dem Überstromdetektionssensor angeordnet. Alternativ sind separate Umkehrspulen jeweils für den AMR-Magnetfeldsensor und den Überstromdetektionssensor bereitgestellt. Gleichermaßen kann/können die Umkehrspule(n) unter den jeweiligen Sensoren angeordnet sein.
Das Magnetfeldsensorsystem kann ferner einen Querfelddetektionssensor aufweisen, der mindestens ein AMR-Erfassungselement aufweist, wobei das mindestens eine AMR-Erfassungselement in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu einer Erfassungsrichtung des AMR-Magnetfeldsensors ist. In dieser Hinsicht kann ein Querfelddetektionssensor bereitgestellt werden, indem ein beliebiger der hier beschriebenen Überstromdetektionssensoren um 90° relativ zu der Erfassungsrichtung des AMR-Magnetfeldsensors gedreht wird.
In Fällen, in denen ein Differenzmagnetfeld zu überwachen ist, kann der Überstromdetektionssensor einen ersten Satz von AMR-Erfassungselementen, die in einer ersten Halbbrückenanordnung verbunden sind und betriebsfähig sind zum Ausgeben eines Signals, das eine Magnetfeldstärke eines ersten Differenzmagnetfelds bis zu und über einem Schwellenwert angibt, und einen zweiten Satz von AMR-Erfassungselementen, die in einer zweiten Halbbrückenanordnung verbunden sind und betriebsfähig sind zum Ausgeben eines Signals, das eine Magnetfeldstärke eines zweiten Differenzmagnetfelds bis zu und über dem Schwellenwert angibt, aufweisen.
Beispielsweise kann der erste Satz von AMR-Erfassungselementen ein erstes Paar von Erfassungselementen, die sich an einer ersten Erfassungsposition in der Nähe des ersten Differenzmagnetfelds befinden, und ein zweites Paar von Erfassungselementen, die sich an einer zweiten Erfassungsposition befinden, aufweisen, wobei die erste und die zweite Erfassungsposition durch einen ersten Abstand getrennt sind. Der zweite Satz von AMR-Erfassungselementen kann ein drittes Paar von Erfassungselementen, die sich an der zweiten Erfassungsposition befinden, und ein viertes Paar von Erfassungselementen, die sich an einer dritten Erfassungsposition in der Nähe des zweiten Differenzmagnetfelds befinden, aufweisen, wobei die zweite und die dritte Erfassungsposition durch einen zweiten Abstand getrennt sind, wobei die zweite Erfassungsposition zwischen der ersten und der dritten Erfassungsposition liegt. In solchen Fällen besteht an der zweiten Erfassungsposition möglicherweise kein effektives Magnetfeld.
In den hier beschriebenen Anordnungen kann der AMR-Magnetfeldsensor mehrere AMR-Barberpole-Widerstände aufweisen, wobei jeder AMR-Barberpole-Widerstand einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit mehreren leitfähigen Streifen aufweist, die auf dem Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material angeordnet sind und in einem Winkel relativ zu einer Längsachse des Streifens aus anisotropem magnetoresistivem Material ausgerichtet sind, wobei die mehreren AMR-Barberpole-Widerstände in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration verbunden sind.
In Fällen, in denen ein Differenzmagnetfeld zu überwachen ist, kann der AMR-Magnetfeldsensor einen ersten Satz von AMR-Barberpole-Widerständen, die in einer ersten Halbbrückenanordnung verbunden sind und betriebsfähig sind zum Ausgeben eines Signals, das eine Magnetfeldstärke eines ersten Differenzmagnetfelds bis zu einem Schwellenwert angibt, und einen zweiten Satz von AMR-Barberpole-Widerständen, die in einer zweiten Halbbrückenanordnung verbunden sind und betriebsfähig sind zum Ausgeben eines Signals, das eine Magnetfeldstärke eines zweiten Differenzmagnetfelds bis zu einem Schwellenwert angibt, aufweisen.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:

1A-1B veranschaulichen ein Beispiel eines AMR-Feldsensors mit einer Barberpole-Struktur;
2 veranschaulicht die Widerstandsantwort eines AMR-Sensorelements;
3A ist ein Beispiel für einen Überstromdetektionssensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
3B veranschaulicht ein Ausgangssignal des Sensors von 3A;
4A ist ein anderes Beispiel für einen Überstromdetektionssensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
4B veranschaulicht ein Ausgangssignal des Sensors von 4A;
5A ist ein Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
5B veranschaulicht die Ausgangssignale des Sensorsystems von 5A;
6A ist ein weiteres Beispiel für einen Überstromdetektionssensor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
6B veranschaulicht ein Ausgangssignal des Sensors von 6A;
7 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für Überstromdetektionssensoren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
8 ist ein anderes Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
9 ist ein weiteres Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
10 ist ein weiteres Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
11 ist ein weiteres Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
12 ist ein weiteres Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
13 ist ein anderes Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
14 ist noch ein weiteres Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
15A-B veranschaulichen ein Beispiel der Erzeugung eines Differenzmagnetfelds;
16 veranschaulicht ein Beispiel für einen Differenzfeldsensor;
17A-B veranschaulichen einen Überstromdetektionssensor zur Verwendung mit einem Differenzfeld;
18 veranschaulicht ein Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung;
19 veranschaulicht ein Beispiel für ein Sensorsystem gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.

Ausführliche Beschreibung
Anisotrope magnetoresistive Sensoren bzw. AMR-Sensoren werden zum Erfassen externer Magnetfelder durch Detektieren einer Änderung des Widerstands des Sensors als Ergebnis des externen Magnetfelds verwendet, wobei einige AMR-Sensoren eine sogenannte „Barberpole“-Struktur mit einem resistiven Streifen haben, der Streifen aus leitfähigem Material aufweist, die in einem Winkel relativ zu der Längsachse des resistiven Streifens auf dem resistiven Streifen angeordnet sind. In dieser Hinsicht ist der resistive Streifen aus AMR-Material gebildet, während die leitfähigen Streifen aus einem beliebigen geeigneten leitfähigen Material wie Kupfer, Aluminium oder Gold gebildet sind.
Ein Beispiel für einen typischen AMR-Barberpole-Sensor 1 ist in 1A gezeigt.
Der Sensor 1 weist vier AMR-Barberpole-Widerstände R1-R4 auf, die in einer Wheatstone-Brücke verbunden sind. Die AMR-Barberpole-Widerstände R1-R4 sind zwischen eine Versorgungsspannung Vss und Masse GND geschaltet, wobei Ausgangssignalanschlüsse zwischen jedem Paar von Widerständen bereitgestellt sind, um das Ausgangssignal Vo bereitzustellen. Es ist außerdem eine Umkehrspule, If, bereitgestellt, um die AMR-Widerstände zu magnetisieren, die eine Änderung der Empfindlichkeitsrichtung mit Anlegen eines kurzen Stromimpulses gestattet. In dieser Hinsicht kann das durch die Spule erzeugte Magnetisierungsfeld H entweder in die positive y-Richtung oder die negative y-Richtung weisen. 1B zeigt eine typische Spannungsausgabe des Sensors 1 in Abhängigkeit von der durch den Sensor erfahrenen Magnetfeldstärke. Die als „+“ bezeichnete Kurve ist das Signal nach einem positiven Umkehrimpuls, und die als „-“ bezeichnete Kurve ist das Signal nach einem negativen Umkehrimpuls. Das Umkehren gestattet eine Trennung des Sensorsignals von dem Offset, V_off.
Ein signifikanter Nachteil dieser Sensorart besteht darin, dass das Ausgangssignal abnimmt, wenn das Magnetfeld einen gewissen Pegel erreicht, und für sehr hohe Magnetfelder zu null zurückkehren kann. Anders ausgedrückt gibt es eine Obergrenze der Magnetfeldstärke in der positiven und negativen Richtung, außerhalb derer das Sensorsignal keine genaue Messung des Magnetfelds bereitstellt. In einigen Anwendungen, wie etwa Motorkommutation, ist es nicht immer möglich, zu detektieren, dass ein Kurzschluss aufgetreten ist, insbesondere da der Stromanstieg innerhalb eines Zeitrahmens von 100 Nanosekunden erfolgt. Der in einem Kurzschluss erfahrene hohe Strom führt zu einem entsprechend hohen Magnetfeld, das die Magnetfeldschwelle des Sensors 1 überschreiten kann. Der Kommutator ist möglicherweise nicht in der Lage, dem Sensorsignal zu folgen, und detektiert nicht, dass die Magnetfeldschwelle des Sensors 1 überschritten wurde. Dies kann folglich dazu führen, dass ein Kurzschluss unentdeckt bleibt, was zu einem Überstrom durch das System führt, der letztendlich zu einer Überhitzung und dem Risiko eines signifikanten Schadens führen kann.
Die durch die vorliegende Offenbarung vorgeschlagene Lösung besteht darin, zusammen mit dem vorhandenen Feldsensor einen zusätzlichen AMR-basierten Überstromdetektionssensor bereitzustellen. Dieser AMR-basierte Sensor wird dazu verwendet, hohe Magnetfelder zu detektieren und dadurch zu detektieren, ob überschüssiger Strom durch das System fließt.
Dies lässt sich unter Verwendung eines oder mehrerer AMR-Sensorelemente ohne Barberpoles erreichen. 2 zeigt ein einzelnes AMR-Sensorelement 2 und die relative Widerstandsantwort dR/R auf ein senkrecht zur Längsrichtung des Sensorelements 2 angelegtes Magnetfeld. Diese Antwort kann daher zum Detektieren eines Magnetfeldpegels verwendet werden.
3A ist ein Beispiel für einen Überstromdetektionssensor 3 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Überstromdetektionssensor 3 weist ein AMR-Sensorelement 300 und ein feldunempfindliches Element 302 auf, die in einer Halbbrücke verbunden sind. Das AMR-Sensorelement 300 und das feldunempfindliche Element 302 sind zwischen eine Spannungsversorgung VDD und Masse geschaltet, wobei dazwischen ein Ausgangssignalanschluss bereitgestellt ist, um das Ausgangssignal V_OD bereitzustellen. In diesem Beispiel ist das feldunempfindliche Element 302 unter Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Barberpole-Widerständen 304A-B mit unterschiedlichen Barberpole-Richtungen bereitgestellt. Es ist auch wichtig, die Barberpole-Widerstände 304A-B unter Verwendung von AMR-Material zu konstruieren, sodass sie den gleichen Widerstandstemperaturkoeffizienten wie das AMR-Sensorelement 300 aufweisen. Wird ein Magnetfeld (gekennzeichnet durch Pfeil „H“) senkrecht zu der Längsrichtung des AMR-Sensorelements 300 angelegt, so kann das Ausgangssignal V_OD verwendet werden, um die Feldstärke des Magnetfelds zu bestimmen, wie in 3B gezeigt, wobei sehr hohe Magnetfelder auf einen Überstrom in dem System hinweisen.
Wie durch 4A veranschaulicht, ist es auch möglich, einen Überstromdetektionssensor 4 mit einer Vollbrückenkonfiguration zu konstruieren, wobei zwei der in 3A gezeigten Halbbrücken so verbunden werden, dass sie eine Vollbrücke bilden. Somit weist der Überstromdetektionssensor 4 zwei Halbbrücken auf, die aus einem AMR-Sensorelement 400A, 400B und einem feldunempfindlichen Element 402A, 402B, aufweisend zwei Barberpole-Widerstände 404A-B, 404C-D, gebildet sind und so verbunden sind, dass sie eine Vollbrücke bilden. Wie in 4B gezeigt, gibt das Ausgangssignal V_OD wieder die Stärke des senkrecht zu der Längsrichtung des Überstromdetektionssensors 4 angelegten Magnetfelds an.
5A veranschaulicht ein Sensorsystem 5 gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei ein AMR-Feldsensor 504, ähnlich dem unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen, mit einem Überstromdetektionssensor 50 kombiniert ist. Der Überstromdetektionssensor 50 ist dem in 3A gezeigten ähnlich, gebildet aus einem AMR-Sensorelement 500, das in einer Halbbrücke mit einem feldunempfindlichen Element 502 verbunden ist, das zwei Barberpole-Widerstände 506A-B aufweist. Natürlich versteht es sich, dass beliebige der hier beschriebenen Überstromdetektionssensoren in Verbindung mit dem AMR-Feldsensor 504 verwendet werden können. In diesem Beispiel sind der Überstromdetektionssensor 50 und der AMR-Feldsensor 504 auf einer integrierten Schaltung 508 angeordnet, obgleich es sich versteht, dass die Sensoren auf Seite an Seite positionierten separaten Substraten angeordnet sein können. Im Gebrauch weist das Sensorsystem 5 außerdem eine oder mehrere darauf oder darunter angeordnete Umkehrspulen (nicht gezeigt) auf, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
5B veranschaulicht die Ausgabe V_OB des AMR-Feldsensors 504 und die Ausgabe V_OD des Überstromdetektionssensors 50 als Funktion der Magnetfeldstärke. Die Ausgabe V_OD des Überstromdetektionssensors 50 kann somit verwendet werden, um die maximale Magnetfeldstärke zu identifizieren, bei der das Ausgangssignal V_OB des AMR-Feldsensors 504 beginnt, auf null abzunehmen, gekennzeichnet durch Punkte A und B, und somit zu detektieren, ob das Magnetfeld außerhalb dieses Bereichs von Magnetfeldstärken liegt. Gibt das Ausgangssignal V_OD des Überstromdetektionssensors 50 an, dass das Magnetfeld über der Schwelle A und B liegt, so gibt dies eine große Menge an Strom in dem System an, wodurch wiederum angegeben werden kann, dass ein Kurzschluss in dem System aufgetreten ist. Des Weiteren kann durch Vorhandensein der zwei Sensoren der Gesamtmessbereich des Systems erweitert werden, wodurch die Ausgabe V_OB des AMR-Feldsensors 504 die Magnetfeldstärkemessung bis zu einem gewissen Punkt bereitstellt, und wenn die Magnetfeldstärke diesen Punkt überschreitet, die Ausgabe V_OD des Überstromdetektionssensors 50 zum Angeben der Magnetfeldstärke verwendet wird, während die Signalausgabe V_OB des AMR-Feldsensors 504 weiterhin zur Angabe der Feldrichtung verwendet werden kann. Wenn beispielsweise die Magnetfeldstärke unterhalb von 30 % des maximalen durch den Überstromdetektionssensor 50 messbaren Werts liegt, d. h. 30 % des maximalen Werts der Ausgabe V_OD, wird die Signalausgabe V_OB des AMR-Feldsensors 504 verwendet, um sowohl Feldstärke als auch Richtung anzugeben. Sobald die Magnetfeldstärke über diese 30%-Schwelle steigt, wird die Ausgabe V_OD des Überstromdetektionssensors 50 verwendet, um die Magnetfeldstärke zu bestimmen, während die Signalausgabe V_OB des AMR-Feldsensors 504 verwendet wird, um die Feldrichtung zu bestimmen. Natürlich versteht es sich, dass die Schwellen A und B auf einen beliebigen geeigneten Pegel eingestellt werden können, beispielsweise abhängig von der Empfindlichkeit des verwendeten AMR-Feldsensors 504 und der normalerweise erwarteten Feldstärke des durch den AMR-Feldsensor 504 überwachten Magnetfelds.
6A veranschaulicht eine einfache Komparatorschaltung 60, verwendet zum Detektieren des Mittelpunkts des Überstromdetektionssensors 6 unter der Annahme eines typischerweise in einem Permalloy-Film gezeigten maximalen dR/R von 3 %. Wie in 6B gezeigt, kann die Ausgabe V_DIG verwendet werden, um die Mittelpunkte der Ausgabe V_OD des Überstromdetektionssensors 6 zu finden, die äquivalent zu den Schwellenpunkten des AMR-Feldsensors sein werden. Das AMR-Sensorelement 600 und die Widerstände 604A-B des feldunempfindlichen Abschnitts 602 hätten im Idealfall in einer Umgebung, in der kein Magnetfeld vorhanden ist, den gleichen Widerstand. In der Praxis liegt in der Regel ein Offset vor, der berücksichtigt werden muss, sodass der Spannungsteiler angepasst werden kann, um die Mittelpunkte des Überstromdetektionssensors 6 mit den Schwellenpunkten des AMR-Feldsensors (nicht gezeigt) auszurichten.
7 stellt einige alternative Beispiele für die feldunempfindlichen AMR-Elemente 702 bereit, die in dem Überstromdetektionssensor verwendet werden können. Beispiel (A) entspricht den oben beschriebenen, wobei es sich bei dem feldunempfindlichen Element 702 um zwei in Reihe geschaltete AMR-Barberpole-Widerstände 704A-B mit unterschiedlichen Barberpole-Richtungen handelt. In Beispiel (B) wird eine schmale Spur 706 aus AMR-Material mit großer Formanisotropie verwendet, da ein Widerstand mit starker Formanisotropie seinen Widerstandswert in einer Umgebung mit geringem Feld nicht ändern wird. In Beispiel (C) werden mehrere in Reihe geschaltete AMR-Widerstandselemente 708 durch ein in Nähe oberhalb oder unterhalb der Widerstandselemente 708 platziertes weichmagnetisches Material 710 von dem Magnetfeld abgeschirmt.
8 zeigt ein Beispiel für ein Sensorsystem 8 gemäß der vorliegenden Offenbarung, das einen Überstromdetektionssensor 800 und einen AMR-Feldsensor 802 aufweist, die auf einer integrierten Schaltung 808 angeordnet sind.
In diesem Beispiel weist der AMR-Feldsensor 802 acht Barberpole-Widerstände auf, die in einer Wheatstone-Brückenanordnung zwischen die Spannungsversorgung VDD und Masse GND geschaltet sind. Eine Umkehrspule 804 verläuft über die Oberseite (oder unterhalb) der Widerstände, wobei sie den oberen Satz von Widerständen in einer im Vergleich zu dem unteren Satz von Widerständen anderen Richtung magnetisiert. Für einen im Uhrzeigersinn durch die Spule fließenden Strom können die oberen Widerstände beispielsweise in der positiven y-Richtung magnetisiert werden und die unteren Widerstände in der negativen y-Richtung magnetisiert werden. Daher weist jedes Paar in Reihe geschalteter Widerstände, also jeder Zweig, unterschiedliche Barberpole-Richtungen auf. Diese Anordnung fördert eine signifikante Reduzierung von Querfeldeffekten.
Der Überstromdetektionssensor 800 ist im Wesentlichen auf gleiche Weise konstruiert, wobei jedoch die Barberpole-Widerstände, die den feldunempfindlichen Teil bereitstellen, dieselben Barberpole-Richtungen aufweisen, jedoch in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind. Folglich wird erwartet, dass die Summe beider Widerstände in einem externen Feld konstant ist. Gleichermaßen sind die Überstromerfassungselemente (d. h. die AMR-Elemente ohne Barberpoles) in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert. Dies fördert wiederum eine signifikante Reduzierung von Querfeldeffekten.
9 zeigt ein anderes beispielhaftes Sensorsystem 9, das dem von 8 ähnlich ist, wobei der feldunempfindliche Teil des Überstromdetektionssensors 900 zwei Paare von Barberpole-Widerständen mit entgegengesetzten Barberpole-Richtungen aufweist. Somit sind alle möglichen Kombinationen von Barberpole-Richtung und Magnetisierungsrichtung bereitgestellt, wodurch Querfeldeffekte weiter reduziert werden.
10 zeigt ein beispielhaftes Sensorsystem 10, das dem von 9 ähnlich ist, wobei jedoch in diesem Beispiel separate Umkehrspulen 1004, 1006 für den Überstromdetektionssensor 1000 und den AMR-Feldsensor 1002 verwendet werden. In der Regel gibt es bei Verwendung der Umkehrspule 1006 des AMR-Feldsensors 1002 zum Umkehren der Magnetisierung des Sensors 1002 eine kurze Zeit, in der der Sensor 1002 nicht verwendet werden kann. Durch Bereitstellen separater Umkehrspulen (d. h. die Magnetisierung der zwei Sensoren findet zu unterschiedlichen Zeiten statt) lässt sich der Überstromdetektionssensor 1000 weiterhin zum Überwachen eines Stroms während der Totzeit verwenden, während der AMR-Feldsensor 1002 außer Betrieb ist.
In diesem Beispiel wird gezeigt, dass der Überstromdetektionssensor 1000 und der AMR-Feldsensor 1002 auf separaten integrierten Schaltungen 1008A, 1008B angeordnet sind, obgleich es sich versteht, dass sie auch auf einer einzigen integrierten Schaltung platziert sein können.
11 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines Sensorsystems 11, das auf einer integrierten Schaltung 1008 angeordnet ist, wobei der Überstromdetektionssensor 1100 zur weiteren Reduzierung von Querfeldeffekten in einer Wheatstone-Brückenanordnung im Gegensatz zu der in 9 gezeigten Halbbrückenanordnung verbunden ist. Daher weist jede Halbbrücke zwei AMR-Widerstandselemente ohne Barberpoles und einen feldunempfindlichen Teil, der zwei Paare von Barberpole-Widerständen mit entgegengesetzten Barberpole-Richtungen aufweist, auf. Der AMR-Feldsensor 1102 ist im Wesentlichen der gleiche wie der in 8 gezeigte. In diesem Beispiel ist eine einzige Umkehrspule 1104 über beiden Sensoren 1100, 1102 bereitgestellt; es versteht sich jedoch, dass, wie in 12 veranschaulicht, jeweilige Umkehrspulen 1204, 1206 über (oder unter) jedem der Sensoren 1200, 1202 bereitgestellt sein können.
In anderen Anordnungen können die hier beschriebenen Überstromdetektionssensoren außerdem zum Detektieren und Messen von Querfeldern in der Nähe des AMR-Feldsensors, die die Magnetfeldmessungen beeinträchtigen können, verwendet werden, wobei es sich bei Querfeldern um Magnetfelder mit einer senkrecht zu der des gemessenen Magnetfelds verlaufenden Richtung handelt. Ein Beispiel hierfür wird durch 13 bereitgestellt, die ein Sensorsystem 13 veranschaulicht, das einen Überstromdetektionssensor 1300 und einen AMR-Feldsensor 1302 aufweist, die auf einer integrierten Schaltung 1308 angeordnet sind, wobei der Überstromdetektionssensor 1300 um 90° gedreht ist, sodass er senkrecht zu der Erfassungsrichtung des AMR-Feldsensors 1302 ist. Durch Drehen des Überstromdetektionssensors 1300 um 90° ist er empfindlich gegenüber Magnetfeldern, die senkrecht zu der Erfassungsrichtung sind, und kann somit verwendet werden, um die Stärke etwaiger vorliegender Querfelder zu messen und dadurch die durch den AMR-Feldsensor 1302 vorgenommene Messung zu kompensieren.
In diesem Beispiel ist der Überstromdetektionssensor 1300 dem in 11 und 12 gezeigten ähnlich, wobei es sich jedoch versteht, dass jeder der hier beschriebenen Überstromdetektionssensoren zum Detektieren von Querfeldern verwendet werden kann.
14 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für ein Sensorsystem 14, das einen ersten Überstromdetektionssensor 1400, einen AMR-Feldsensor 1402 und einen zweiten Überstromdetektionssensor 1404 aufweist, die auf einer integrierten Schaltung 1408 angeordnet sind. Der erste Überstromdetektionssensor 1400 ist in Ausrichtung auf die Erfassungsrichtung des AMR-Feldsensors 1402 angeordnet und wird somit zum Detektieren von Überstrom, wie zuvor beschrieben, verwendet. Der zweite Überstromdetektionssensor 1404 ist senkrecht zu der Erfassungsrichtung des AMR-Feldsensors 1402 angeordnet und wird somit zum Detektieren von Querfeldern verwendet. In diesem Beispiel ist jeder der Sensoren mit einer separaten Umkehrspule 1406A-C versehen, obgleich es sich versteht, dass dieselbe Umkehrspule für den ersten Überstromdetektionssensor 1400 und den AMR-Feldsensor 1402 verwendet werden kann.
Die hier beschriebenen Anordnungen können auf Anwendungen ausgeweitet werden, die eine Differenzfelderfassung beinhalten, wie nunmehr beschrieben wird. In dieser Hinsicht kann die Verwendung eines Differenzfelds dahingehend vorteilhaft gegenüber einem absoluten Feld sein, dass homogene Streufelder von der Feldmessung ausgeschlossen werden.
15A-B veranschaulichen eine beispielhafte Weise der Erzeugung eines Differenzfelds unter Verwendung eines U-förmigen Stabs 15. Im Gebrauch wird ein Strom I an einen Schenkel 15A des Stabs 15 angelegt, der dann um den Stab 15 herum und aus dem anderen Schenkel 15B heraus fließt. Wie anhand der in 15B gezeigten Querschnittsansicht (in der die Schnittebene durch die Linie X in 15A angegeben ist) zu sehen ist, werden zwei Magnetfelder, Bx, senkrecht zum Stromfluss erzeugt; ein erstes Magnetfeld auf der linken Seite des Stabs 15 (als L bezeichnet), das in eine senkrecht zum Stromfluss verlaufende Richtung weist (im Uhrzeigersinn um den ersten Schenkel 15A herum), und ein zweites Magnetfeld auf der rechten Seite des Stabs 15 (als R bezeichnet), das in die entgegengesetzte Richtung senkrecht zum Stromfluss weist (entgegen dem Uhrzeigersinn um den zweiten Schenkel 15B herum). Somit werden zwei Magnetfelder der gleichen Stärke aber mit unterschiedlichen Richtungen erzeugt, wodurch ein Differenzmagnetfeld bereitgestellt wird. Dieses Differenzmagnetfeld kann somit durch einen AMR-Feldsensor gemäß vorliegender Beschreibung gemessen werden, um dadurch die Stärke des in den U-förmigen Stab 15 eingegebenen Stroms zu messen.
16 veranschaulicht ein Beispiel für einen Differenzfeldsensor 16. Wie bei den oben unter Bezugnahme auf 8 bis 14 beschriebenen AMR-Feldsensoren weist der Differenzfeldsensor 16 acht AMR-Barberpole-Widerstände auf, die in einer Wheatstone-Brückenanordnung zwischen die Spannungsversorgung VDD und Masse GND geschaltet sind, wobei eine Umkehrspule 1602 über den Widerständen platziert ist. Jedoch sind die zwei Halbbrücken 1600A, 1600B in diesem Beispiel durch einen gewissen Abstand getrennt, sodass jede Halbbrücke 1600A, 1600B an einer Position angeordnet ist, die einem Teil des Differenzmagnetfelds entspricht. Unter erneuter Bezugnahme auf das Beispiel der 15A-B ist die erste Halbbrücke 1600A dahingehend angeordnet, das auf der linken Seite (L) des Stabs 15 erzeugte Magnetfeld zu messen, und die zweite Halbbrücke 1600B ist dahingehend angeordnet, das auf der rechten Seite (R) des Stabs 15 erzeugte Magnetfeld zu messen. Ein Differenzausgabesignal wird somit zwischen Vo⁺ und Vo^- erzeugt.
Dagegen werden, da beide Halbbrücken 1600A, 1600B die gleiche Barberpole-Anordnung aufweisen, jegliche homogenen Streufelder zu einer identischen Änderung der Halbbrückenausgabe auf beiden Seiten der Wheatstone-Brücke führen. Folglich wird durch die homogenen Streufelder keine Differenzausgabe erzeugt, und somit werden sie von der Feldmessung ausgeschlossen.
17A veranschaulicht ein Beispiel für einen Überstromdetektionssensor 17 zur Verwendung mit einem Differenzfeld. Der Überstromdetektionssensor 17 weist acht AMR-Widerstände ohne Barberpoles auf, die in einer Wheatstone-Brückenanordnung zwischen die Spannungsversorgung VDD und Masse GND geschaltet sind, wobei eine Umkehrspule 1702 über den Widerständen platziert ist. Die zwei Halbbrücken sind in drei Bereiche 1700A-1700C unterteilt. Die Widerstände der ersten Halbbrücke sind zwischen dem linken Abschnitt 1700A und dem mittleren Abschnitt 1700C aufgeteilt, während die Widerstände der zweiten Halbbrücke zwischen dem rechten Abschnitt 1700B und dem mittleren Abschnitt 1700C aufgeteilt sind. Unter erneuter Bezugnahme auf das Beispiel der 15A-B sind die Widerstände des linken Abschnitts 1700A dahingehend angeordnet, das auf der linken Seite (L) des Stabs 15 erzeugte Magnetfeld zu messen, die Widerstände des rechten Abschnitts 1700B sind dahingehend angeordnet, das auf der rechten Seite (R) des Stabs 15 erzeugte Magnetfeld zu messen, und die Widerstände des mittleren Abschnitts 1700C sind dahingehend angeordnet, das in dem mittleren Abschnitt zwischen den zwei Schenkeln 15A, 15B des Stabs 15 erfahrene Magnetfeld zu messen.
Ein Beispiel der Ausgabe Voc des Überstromdetektionssensors 17 ist in 17B gezeigt. In dem Beispiel der 15A-B wird ein Magnetfeld nur in dem linken und dem rechten Bereich des U-förmigen Stabs 15 erzeugt. Die Widerstände des linken Abschnitts 1700A erfahren somit ein positives Magnetfeld, das eine entsprechende Änderung des Widerstands und eine von null verschiedene Ausgabe (als V_L bezeichnet) erzeugt. Gleichermaßen erfahren die Widerstände des rechten Abschnitts 1700B ein negatives Magnetfeld, das eine entsprechende Änderung des Widerstands und eine von null verschiedene Ausgabe (als V_R bezeichnet) erzeugt. In dem mittleren Abschnitt 1700C wird kein effektives Feld erfahren, wodurch eine Ausgabe von null (als V_M bezeichnet) bereitgestellt wird. Somit kann, wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen, das Ausgangssignal Voc des Überstromdetektionssensors 17 verwendet werden, um die Feldstärke des Differenzmagnetfelds zu bestimmen, wobei sehr hohe Magnetfelder auf einen Überstrom in dem System hinweisen. In diesem Fall werden, anstelle des Vorhandenseins feldunempfindlicher Widerstände, die Widerstände 1700C in einem Bereich ohne effektives Feld platziert. Diese Anordnung hat jedoch den Vorteil, dass sie zum Überwachen eines Differenzfelds verwendet werden kann, während sie unempfindlich gegenüber homogenen Streufeldern ist.
Wie durch 18 veranschaulicht, kann dann ein Sensorsystem 18 bereitgestellt werden, das den Differenzfeldsensor von 16 und den Überstromdetektionssensor von 17 aufweist, die auf einer integrierten Schaltung 1804 angeordnet und mit einer einzigen Umkehrspule 1802 versehen sind.
19 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für ein Sensorsystem 19, das einen Differenzfeldsensor und einen Überstromdetektionssensor (allgemein bei 1900 gezeigt) aufweist, kombiniert mit einem separaten Querfelddetektor 1902, ähnlich dem unter Bezugnahme auf die 13 und 14 beschriebenen.
Verschiedene Modifikationen, sei es durch Hinzufügen, Streichen und/oder Ersetzen, können an allen oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen, von denen jede und/oder alle sich im Umfang der beigefügten Aspekte befinden sollen.
Beispielsweise versteht es sich, dass beliebige der hier beschriebenen Beispiele unter Verwendung einer einzigen Umkehrspule oder einer separaten Umkehrspule für jeden der Sensoren implementiert werden können. Gleichermaßen können die oben beschriebenen Sensorsysteme durch Bereitstellen der jeweiligen Sensoren auf einer einzigen integrierten Schaltung oder auf separaten integrierten Schaltungen implementiert werden.
Anwendungen
Beliebige der hier erörterten Prinzipien und Vorteile können auf andere Systeme angewandt werden und nicht nur auf die oben beschriebenen Systeme. Manche Ausführungsformen können eine Teilmenge von Merkmalen und/oder Vorteilen, die hier dargelegt sind, aufweisen. Die Elemente und Vorgänge der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Die Handlungen der hier besprochenen Verfahren können, wie angemessen, in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden. Zudem können die Handlungen der hier besprochenen Verfahren, wie angemessen, seriell oder parallel durchgeführt werden. Obwohl Schaltungen in speziellen Anordnungen veranschaulicht sind, sind andere äquivalente Anordnungen möglich.
Beliebige der hier besprochenen Prinzipien und Vorteile können in Verbindung mit beliebigen anderen Systemen, Vorrichtungen oder Verfahren, die von beliebigen der Lehren hierin profitieren können, implementiert werden. Beispielsweise können beliebige der hier erörterten Prinzipien und Vorteile in Verbindung mit beliebigen Vorrichtungen mit einem Erfordernis zum Korrigieren von Rotationswinkelpositionsdaten, die aus rotierenden Magnetfeldern abgeleitet werden, implementiert werden. Außerdem können die Vorrichtungen beliebige Magnetowiderstand- oder Hall-Effekt-Vorrichtungen beinhalten, die zum Erfassen von Magnetfeldern in der Lage sind.
Aspekte dieser Offenbarung können in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen oder Systemen implementiert werden. Beispielsweise können Phasenkorrekturverfahren und Sensoren, die gemäß beliebigen der hier besprochenen Prinzipien und Vorteile implementiert werden, in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen und/oder in verschiedenen Anwendungen enthalten sein. Beispiele für elektronische Vorrichtungen und Anwendungen können unter anderem Servosysteme, Robotertechnik, Luftfahrzeuge, U-Boote, Zahnbürsten, biomedizinische Erfassungsvorrichtungen und Teile der Verbraucherelektronikprodukte, wie etwa einen Halbleiter-Die und/oder gekapselte Module, elektronische Testausrüstung usw. einschließen. Ferner können die elektronischen Vorrichtungen unfertige Produkte einschließen, einschließlich solcher für Industrie-, Automobil- und/oder Medizinanwendungen.
Sofern der Kontext nicht deutlich Anderes erfordert, sind die Wörter „aufweisen“, „aufweisend“, „einschließen“, „einschließlich“ und dergleichen in der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen in einem einschließenden Sinn aufzufassen, im Gegensatz zu einem ausschließenden oder erschöpfenden Sinn; das heißt in dem Sinn von „einschließlich, aber nicht darauf beschränkt“. Die Wörter „gekoppelt“ oder „verbunden“, wie hier allgemein verwendet, verweisen auf zwei oder mehr Elemente, die entweder direkt verbunden sein können oder durch ein oder mehr Zwischenelemente verbunden sein können. Obgleich die verschiedenen in den Figuren gezeigten Schemata Beispielanordnungen von Elementen und Komponenten darstellen, können zusätzliche zwischenliegende Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer tatsächlichen Ausführungsform vorhanden sein (unter der Annahme, dass die Funktionalität der dargestellten Schaltkreise nicht nachteilig beeinflusst wird). Die Wörter „basierend auf“, wie hier verwendet, sollen allgemein „nur basierend auf“ und „wenigstens teilweise basierend auf“ einschließen. Außerdem sollen die Wörter „hier“, „vorstehend“, „nachfolgend“ und Wörter mit ähnlicher Bedeutung, wenn sie in dieser Anmeldung verwendet werden, auf diese Anmeldung als Ganzes und nicht auf irgendwelche bestimmten Teile dieser Anmeldung verweisen. Wo es der Kontext zulässt, können Wörter in der ausführlichen Beschreibung, die den Singular oder den Plural verwenden, auch jeweils den Plural oder den Singular einschließen. Das Wort „oder“ ist mit Bezug auf eine Liste von zwei oder mehr Einträgen dafür vorgesehen, alle der folgenden Interpretationen des Worts abzudecken: irgendeiner der Listeneinträge, alle der Listeneinträge und jegliche beliebige Kombination der Listeneinträge. Alle numerischen Werte oder Entfernungen, die hier bereitgestellt sind, sollen ähnliche Werte innerhalb eines Messfehlers einschließen.
Obgleich gewisse Ausführungsformen beschrieben wurden, sind diese Ausführungsformen lediglich beispielhaft präsentiert worden und sollen den Schutzumfang der Offenbarung nicht beschränken. Tatsächlich können die neuartigen Einrichtungen, Systeme und Verfahren, die hier beschrieben sind, in einer Vielzahl anderer Formen ausgeführt werden. Des Weiteren können verschiedene Auslassungen, Substitutionen und Änderungen an der Form der hier beschriebenen Verfahren und Systeme vorgenommen werden, ohne von der Idee der Offenbarung abzuweichen.

Claims

Magnetfeldsensorsystem, das Folgendes aufweist: einen anisotropen magnetoresistiven bzw. AMR-Magnetfeldsensor, ausgebildet zum Messen eines extern angelegten Magnetfelds; und einen Überstromdetektionssensor (50), der mindestens ein AMR-Erfassungselement aufweist, wobei der Überstromdetektionssensor (50) ausgebildet ist zum Detektieren des Vorliegens eines hohen elektrischen Stroms basierend auf einer Messung des extern angelegten Magnetfelds, wobei der Überstromdetektionssensor (50) ferner eine feldunempfindliche Komponente aufweist, und wobei die feldunempfindliche Komponente mindestens zwei AMR-Barberpole-Widerstände (R1-R4) aufweist, aufweisend einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit mehreren leitfähigen Streifen, die in einem Winkel relativ zu einer Längsachse des Streifens aus anisotropem magnetoresistivem Material auf dem Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material angeordnet sind, wobei die mindestens zwei AMR-Barberpole-Widerstände (R1-R4) in Reihe geschaltet sind und in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtete leitfähige Streifen aufweisen.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, wobei der AMR-Magnetfeldsensor betriebsfähig ist zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das eine Magnetfeldstärke bis zu einem Schwellenwert angibt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 2, wobei der Überstromdetektionssensor (50) betriebsfähig ist zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, das eine Magnetfeldstärke bis zu und über dem Schwellenwert angibt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Überstromdetektionssensor (50) ein Vorliegen eines hohen elektrischen Stroms detektiert, wenn das Ausgangssignal eine Magnetfeldstärke über dem Schwellenwert angibt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1, wobei das AMR-Erfassungselement des Überstromdetektionssensors (50) und die feldunempfindliche Komponente in einer Halbbrückenkonfiguration verbunden sind.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1 oder 5, wobei die feldunempfindliche Komponente einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit einer großen Formanisotropie aufweist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 1 oder 5, wobei die feldunempfindliche Komponente mehrere in Reihe geschaltete AMR-Erfassungselemente und eine in der Nähe der mehreren AMR-Erfassungselemente platzierte weichmagnetische Abschirmung aufweist.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Überstromdetektionssensor (50) mindestens zwei AMR-Erfassungselemente und mindestens zwei feldunempfindliche Komponenten, verbunden in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration, aufweist.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Überstromdetektionssensor (50) Folgendes aufweist: mindestens zwei in Reihe geschaltete AMR-Erfassungselemente; und eine feldunempfindliche Komponente, die mindestens ein Paar in Reihe geschalteter AMR-Barberpole-Widerstände aufweist, wobei jeder AMR-Barberpole-Widerstand einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit mehreren leitfähigen Streifen aufweist, die in einem Winkel relativ zu einer Längsachse des Streifens aus anisotropem magnetoresistivem Material auf dem Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material angeordnet sind; wobei die mindestens zwei AMR-Erfassungselemente und die feldunempfindliche Komponente so verbunden sind, dass sie eine erste Halbbrückenanordnung bilden.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 9, wobei die mehreren leitfähigen Streifen jedes AMR-Barberpole-Widerstands in der gleichen Richtung ausgerichtet sind und wobei der Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material jedes AMR-Barberpole-Widerstands in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert ist.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 9 oder 10, wobei das mindestens eine Paar von AMR-Barberpole-Widerständen Folgendes aufweist: ein erstes Paar von AMR-Barberpole-Widerständen, die jeweils mehrere in einem ersten Winkel ausgerichtete leitfähige Streifen aufweisen, wobei der Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material jedes AMR-Barberpole-Widerstands in dem ersten Paar in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert ist; und ein zweites Paar von AMR-Barberpole-Widerständen, die jeweils mehrere in einem zweiten Winkel ausgerichtete leitfähige Streifen aufweisen, wobei sich der zweite Winkel von dem ersten Winkel unterscheidet, wobei der Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material jedes AMR-Barberpole-Widerstands in dem zweiten Paar in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert ist.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Überstromdetektionssensor (50) eine zweite Halbbrückenanordnung aufweist, wobei die zweite Halbbrückenanordnung Folgendes aufweist: mindestens zwei in Reihe geschaltete AMR-Erfassungselemente; und eine feldunempfindliche Komponente, die mindestens ein Paar in Reihe geschalteter AMR-Barberpole-Widerstände aufweist; wobei die erste und die zweite Halbbrückenanordnung in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration verbunden sind.
Magnetsensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Überstromdetektionssensor (50) Folgendes aufweist: einen ersten Satz von AMR-Erfassungselementen, die in einer ersten Halbbrückenanordnung verbunden sind und betriebsfähig sind zum Ausgeben eines Signals, das eine Magnetfeldstärke eines ersten Differenzmagnetfelds bis zu und über einem Schwellenwert angibt; und einen zweiten Satz von AMR-Erfassungselementen, die in einer zweiten Halbbrückenanordnung verbunden sind und betriebsfähig sind zum Ausgeben eines Signals, das eine Magnetfeldstärke eines zweiten Differenzmagnetfelds bis zu und über dem Schwellenwert angibt.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 13, wobei der erste Satz von AMR-Erfassungselementen ein erstes Paar von Erfassungselementen, die sich an einer ersten Erfassungsposition in der Nähe des ersten Differenzmagnetfelds befinden, und ein zweites Paar von Erfassungselementen, die sich an einer zweiten Erfassungsposition befinden, aufweisen, wobei die erste und die zweite Erfassungsposition durch einen ersten Abstand getrennt sind; und wobei der zweite Satz von AMR-Erfassungselementen ein drittes Paar von Erfassungselementen, die sich an der zweiten Erfassungsposition befinden, und ein viertes Paar von Erfassungselementen, die sich an einer dritten Erfassungsposition in der Nähe des zweiten Differenzmagnetfelds befinden, aufweisen, wobei die zweite und die dritte Erfassungsposition durch einen zweiten Abstand getrennt sind; wobei die zweite Erfassungsposition zwischen der ersten und der dritten Erfassungsposition liegt.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Umkehrspule aufweist, die in der Nähe des AMR-Magnetfeldsensors und des Überstromdetektionssensors (50) angeordnet ist.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Querfelddetektionssensor aufweist, der mindestens ein AMR-Erfassungselement aufweist, wobei das mindestens eine AMR-Erfassungselement in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zu einer Erfassungsrichtung des AMR-Magnetfeldsensors ist.
Magnetsensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der AMR-Magnetfeldsensor Folgendes aufweist: mehrere AMR-Barberpole-Widerstände, wobei jeder AMR-Barberpole-Widerstand einen Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material mit mehreren leitfähigen Streifen aufweist, die auf dem Streifen aus anisotropem magnetoresistivem Material angeordnet sind und in einem Winkel relativ zu einer Längsachse des Streifens aus anisotropem magnetoresistivem Material ausgerichtet sind; wobei die mehreren AMR-Barberpole-Widerstände in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration verbunden sind.
Magnetsensorsystem nach Anspruch 17, wobei der AMR-Magnetfeldsensor Folgendes aufweist: einen ersten Satz von AMR-Barberpole-Widerständen, die in einer ersten Halbbrückenanordnung verbunden sind und betriebsfähig sind zum Ausgeben eines Signals, das eine Magnetfeldstärke eines ersten Differenzmagnetfelds bis zu einem Schwellenwert angibt; und einen zweiten Satz von AMR-Barberpole-Widerständen, die in einer zweiten Halbbrückenanordnung verbunden sind und betriebsfähig sind zum Ausgeben eines Signals, das eine Magnetfeldstärke eines zweiten Differenzmagnetfelds bis zu einem Schwellenwert angibt.