DE19521617C1 - Sensorchip zur Bestimmung eines Sinus- und eines Cosinuswertes sowie seine Verwendung zum Messen eines Winkels und einer Position - Google Patents

Sensorchip zur Bestimmung eines Sinus- und eines Cosinuswertes sowie seine Verwendung zum Messen eines Winkels und einer Position

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DE19521617C1 DE1995121617 DE19521617A DE19521617C1 DE 19521617 C1 DE19521617 C1 DE 19521617C1 DE 1995121617 DE1995121617 DE 1995121617 DE 19521617 A DE19521617 A DE 19521617A DE 19521617 C1 DE19521617 C1 DE 19521617C1
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Uwe Loreit
Fritz Dettmann
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    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices, e.g. Hall effect devices; using magneto-resistive devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorchip mit magnetfeldabhängigen Widerstandsschichten sowie seine Verwendung in der berührungslosen Winkel- und Positionsmessung.

Die Vorteile der Anwendung von Sensorchips, deren Dünnschichtwiderstände den anisotro­ pen magnetoresistiven Effekt zeigen, werden beispielsweise in der Schrift von A. Petersen und T. Rinschede "Berührungslose Winkelmessung mit magnetoresistiven Sensoren" in der Elektronik 6/1994, S. 91-93, für solche Messungen bereits herausgestellt. Nachteilig bei der Verwendung einer einzigen Sensorbrücke erweist sich der stark begrenzte Meßbereich und die starke Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignales der Brücke. Deshalb werden be­ reits in der Patentschrift DE 43 17 512 und in dem Aufsatz von A. Petersen "Berührungslose Winkelmessung" in Design & Elektronik Sensortechnik, Mai 1995, S. 64-66 Sensorchips mit zwei Brücken für die Bestimmung des Sinus- und Cosinuswertes des Winkels eines Magnet­ feldes zu einer Kante des Sensorchips beschrieben. Der Winkel wird hier aus dem Verhält­ nis beider Brückenausgangssignale erhalten. Da beide Sensorbrücken auf demselben Chip angeordnet sind, ist ihre Temperatur von nur geringer Differenz, und damit wird das Ver­ hältnis beider Ausgangssignale weitgehend temperaturunabhängig. Als nachteilig bei beiden Sensorchips erweist sich jedoch, daß die magnetoresistiven Streifenleiter, die die Brücken­ widerstände bilden, eine Formanisotropie haben, die die Eigenanisotropie der unendlich ausgedehnten Schicht bei weitem übertrifft. Je größer die Gesamtanisotropie des jeweiligen Schichtstreifens ist, desto größer ist auch die Abweichung der Richtung des äußeren Ma­ gnetfeldes von der Magnetisierungsrichtung im Inneren des Schichtmaterials. Das Brücken­ ausgangssignal entspricht jedoch immer der Richtung der inneren Magnetisierung. Damit treten Abweichungen auf, die sich als entsprechende Fehler in der Winkelmessung bemerk­ bar machen. Eine Korrektur dieser Fehler in der Auswertung wird dadurch äußerst kompli­ ziert, daß magnetoresistive Schichtstreifen mit unterschiedlicher Längsrichtung und unter­ schiedlicher Länge benutzt werden. Damit sind die Abweichungen in jedem magnetoresisti­ ven Schichtstreifen von anderer Größe. Deshalb bleibt bei den beschriebenen Anordnungen nur die Beseitigung der Fehler durch den Einsatz von Magneten mit sehr hoher Feldstärke. Das bedeutet, daß Magnete mit erheblichem Volumen aus Magnetmaterialien, die hohe Feldstärken liefern, benutzt werden müssen und nur relativ geringe Abstände zwischen Ma­ gnet und Sensorchip bestehen dürfen. Ersteres führt zu hohen Kosten, letzteres zu geringen Montagetoleranzen.

Ein weiterer Mangel der Anwendung von langen Magnetschichtstreifen unterschiedlicher Längsrichtung auf der Chipfläche ist rein geometrisch bedingt. Die gesamte Chipfläche kann wegen der Winkel von etwa 45° zwischen den Streifen nicht zur Unterbringung der Schicht mit magnetfeldabhängigem Widerstand genutzt werden. Damit ist eine größere Chipfläche erforderlich, was unbedingt zu höheren Chipkosten führt.

Der Einfluß der Anisotropie der Schichten wird bei einer in der Patentschrift EP 0 217 478 B1 beschriebenen Anordnung, die den planaren Hall-Effekt in magnetoresistiven Schichten nutzt, weitgehend vermieden. Hier ergibt sich jedoch der Nachteil, daß nur sehr geringe Elementewiderstände realisierbar sind. Das führt unmittelbar auch zu geringen Ausgangs­ spannungen der Meßelemente, da diese den angelegten Betriebsspannungen proportional sind.

Dazu kommt, daß bei Verwendung von kreisförmigen Dünnschichtbereichen mit näherungsweise punktförmiger Stromeinspeisung am Kreisumfang die Richtung der Stromlinien nicht parallel ist. So ist immer eine Richtungsverteilung des Stromes gegenüber der Richtung der Magnetisierung vorhanden und die bei parallelen Stromlinien maximale Widerstandsänderung der Magnetschicht wird bei weitem nicht erreicht. Entsprechend der so verringerten Widerstandsänderung ist auch das Ausgangssignal verkleinert. Auch bei Anwendung von kreisbogenförmigen Widerstandsstreifen anstelle der kreisförmigen ist eine Richtungsverteilung vorhanden. Dadurch wird ein Abfall der Ausgangsspannungsamplitude gegenüber der maximal möglichen um einen Faktor 2 bewirkt. Bei schmalen Leiterzügen, wie sie für die kreisbogenförmigen Schichtleiter verwendet werden, hat darüber hinaus die Formanisotropie schon wieder einen erheblichen Wert, so daß größere Abweichungen zwischen der zu messenden Feldrichtung und der Magnetisierung der Schicht auftreten. Im Falle dieser schmalen Schichtleiter bei der vorgeschlagenen rotationssymmetrischen Anordnung ist weiterhin eine Ausnutzung der Chipfläche als empfindliche Sensorfläche nur in geringem Maße möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensorchip zur Bestimmung des Sinus- und Cosinuswertes des Winkels zwischen einem Magnetfeld und einer Linie auf dem Sensorchip anzugeben, der geringe Feldstärken benötigt, der mit einer geringen Chipfläche auskommt, der große Signalamplituden liefert und der große Abstände zwischen Magnet und Sensorchip zuläßt, sowie Verwendungen des Sensorchips in Anordnungen anzugeben.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Sensorchips durch den im Haupt­ anspruch beschriebenen Sensorchip und hinsichtlich der Verwendung des Sensorchips durch die in den Ansprüchen 11 und 14 angegebenen Merkmale gelöst.

Besondere Ausführungssorten der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Die Brückenwiderstände sind aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Schichtelementen aufgebaut. Diese Schichtelemente beinhalten hochleitfähige Dünnschichtflächen mit jeweils zwei gegenüberliegenden Kanten, durch die die Stromrichtung in den Schichtelementen festgelegt wird. Dadurch, daß die Stromrichtun­ gen in den Widerständen derselben Brücke um 90° gegeneinander verdreht sind, wird die für die Brücken notwendige gegenläufige Widerstandsänderung der Widerstände in jedem Brückenzweig erhalten. Der Winkel von 45° zwischen den Kanten der Schichtelemente der Sinus- und der Cosinusbrücke ist die Voraussetzung für die Phasenverschiebung von 90°, die zwischen den beiden Ausgangssignalen der Brücken besteht. Die Schichtelemente sind so gestaltet, daß sie nur vernachlässigbare Formanisotropien aufweisen. Das ergibt sich schon allein aus der Tatsache, daß ihre Länge sich nicht wesentlich von ihrer Breite unter­ scheidet. Solche Schichtelemente können nur einen sehr begrenzten Widerstand haben. Deshalb wird eine Vielzahl von ihnen in Reihe geschaltet. An den sich damit ergebenden hohen Widerstand kann ohne hohe Wärmeerzeugung auf der Chipfläche eine große Be­ triebsspannung angelegt werden. Damit werden hohe Ausgangsspannungen der Brücken ermöglicht, da diese der angelegten Betriebsspannung proportional sind. Die hier mögliche geringe Formanisotropie und eine geringe Eigenanisotropie der magnetoresistiven Schicht bedingen eine geringe Abweichung der Richtung der inneren Magnetisierung der Schicht­ elemente von der äußeren Feldrichtung, so daß die Feldrichtung mit hoher Genauigkeit aus den Ausgangssignalen der beiden Sensorbrücken ermittelt werden kann.

Durch die Verwendung der gleichen geometrischen Figur und der gleichen Abmessungen für alle magnetoresistiven Schichtelemente sind die Gesamtanisotropien derselben überall gleich und es treten mit der Winkelverdrehung des Sensorchips gegenüber dem Magnetfeld keine winkelabhängigen systematischen Abweichungen auf.

Die Ausbildung der magnetoresistiven Schichtelemente als Quadrate hat den Vorteil, daß eine Abweichung bei der Justage der Struktur der hochleitfähigen Dünnschichtflächen ge­ genüber den magnetoresistiven Quadraten in den vier unterschiedlichen gegeneinander verdrehten Lagen keine Widerstandsänderung der magnetoresistiven Schichtelemente be­ wirkt und dadurch die Brücken schon bei der Schichtherstellung mit sehr geringer Offset- Spannung entstehen.

Die Anordnung aller Kontaktflächen für den Anschluß der Betriebsspannung und der Aus­ gangsspannungen entlang einer Kante des Sensorchips führt zu dem Vorteil, daß sich die magnetfeldempfindliche Fläche des Sensors nahe der gegenüberliegenden Kante befindet und so mit geringem Abstand zu magnetfelderzeugenden Teilen wie Spulen oder Dauerma­ gneten positioniert werden kann. Hier sind weit größere Magnetfeldstärken vorhanden als in größeren Abständen, so daß die Messung des Sinus- und Cosinuswertes des Winkels zum Magnetfeld mit kleinerem Fehler erfolgt.

Die Anordnung aller magnetoresistiven Schichtelemente, der Verbindungsleitungen und der Kontaktflächen in einer Ebene vermeidet Leitungsüberkreuzungen und damit die Notwendig­ keit der Herstellung von Isolationsschichten.

Die beschriebene Sensorchipanordnung ist zur Messung eines Winkels geeignet, der zwi­ schen einer Kante des Sensorchips und der Richtung eines Magneten eingeschlossen ist. Im speziellen Fall ist der Sensor über einem Stabmagneten so angeordnet, daß die Mittel­ senkrechte der empfindlichen Fläche des Sensorchips in einer Linie mit der Mittelsenkrech­ ten des Stabmagneten ist und die Magnetisierungsrichtung des Stabmagneten senkrecht zu dieser Mittelsenkrechten steht. Wie bei bekannten magnetoresistiven Sensoren wird bei ei­ ner Drehung des Stabmagneten um 180° eine volle Sinus- und Cosinusperiode an den bei­ den Brückenausgängen gemessen. Aus dem Sinus- und Cosinussignal entsteht durch Ver­ hältnisbildung der Tangens des zu messenden Winkels. Durch die Verhältnisbildung wird das Ergebnis sowohl von der Temperatur des Sensorchips als auch von der Temperatur des Magneten unabhängig.

Für hohe Winkelauflösungen wird der Sensorchip in der Nähe des Umfangs eines Polrades angeordnet, das mindestens auf seiner Oberfläche abwechselnd in entgegengesetzter Richtung magnetisiert ist. Da das Magnetfeld aus den Nordpolen des Polrades senkrecht austritt und in die Südpole senkrecht eintritt, liegt jeweils zwischen den zwei Polen eine Dre­ hung der Magnetfeldrichtung um 180° vor. Damit ergibt sich an den Ausgängen des Sensor­ chips jeweils eine ganze Periode des Sinus- und des Cosinussignales. Die Zahl der am Sen­ sor vorbei bewegten Pole wird nach bekannten inkrementalen Zählverfahren ermittelt. Die genaue Winkelposition zwischen den Polen wird wieder durch Verhältnisbildung beider Aus­ gangssignale erhalten. Vorteilhafterweise ist der winkelbestimmende Sensorchip für die Messung bei den unterschiedlichsten Polabständen von Polrädern geeignet.

Zur Messung einer Position wird eine magnetfelderzeugende Anordnung, die unter anderem eine Spule oder ein Stabmagnet sein kann, gegenüber dem Sensorchip in einer Richtung bewegt. Ist beispielsweise der Sensorchip so angeordnet, daß er sich auf einer Parallelen der Achse des Stabmagneten, in deren Richtung dieser auch magnetisiert ist, bewegt, ist die Position aus dem Winkel des Magnetfeldes gegen diese Parallele, den der Sensor mißt, eindeutig bestimmbar. Als Vorteil ergibt sich auch hier, daß die Temperatur des Magneten und auch des Sensorchips keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben. Dazu kommt, daß eine lineare Zuordnung des gemessenen Winkels zur Position mit geringem Fehler möglich ist. Der Abstand zwischen Magnet und Sensorchip kann von der Größe der halben Magnet­ länge sein. Abstandsschwankungen führen bei Einschränkung des zu messenden Weges auf etwa die halbe Magnetlänge zu keinem Positionsfehler.

Wird statt des einfachen Stabmagneten ein Magnet eingesetzt, der in Bereichen, die in Be­ wegungsrichtung eine bestimmte Länge haben, in abwechselnder Richtung magnetisiert sind, so ist analog zur oben beschriebenen Winkelmessung mit Polrad eine hochauflösende inkrementale Längenmessung möglich. Als Vorteil für den Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorchips ergibt sich wieder, daß er für alle Periodenlängen des in abwechselnder Rich­ tung magnetisierten Magneten geeignet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen und von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Schaltung von zwei parallelen Wheatstone-Brücken entsprechend dem Stand der Technik und der Erfindung,

Fig. 2 eine spezielle Ausführung des erfindungsgemäßen Sensorchips,

Fig. 3 einen gekennzeichneten Ausschnitt aus Fig. 2,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Sensorchip mit einem Stabmagneten zur Winkelmessung,

Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Sensorchip mit einem Polrad zur hochauflösenden Winkelmessung,

Fig. 6 einen erfindungsgemäßen Sensorchip mit einem linear beweglichen Magneten zur Positionsmessung,

Fig. 7 die Abhängigkeit des Positionsfehlers von der gemessenen Position einer Anordnung mit Sensorchip und Stabmagnet.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild von zwei parallel geschalteten Wheatstone-Brücken. Die erste Brücke besteht aus den Widerständen 1.1; 1.2; 1.3 und 1.4, und wird als Sinusbrücke be­ zeichnet, die zweite besteht aus den Widerständen 1.5; 1.6; 1.7 und 1.8. und ist die Cosi­ nusbrücke. Diese Schaltung ist sowohl bei den bekannten als auch bei dem erfindungsge­ mäßen Sensorchip realisiert.

Eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorchips 12 ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Alle Brückenwiderstände 1.1 bis 1.8 sind hier aus gleichen magne­ toresistiven Schichtelementen 2 aufgebaut. Ein solches Schichtelement 2 ist in Fig. 3 ver­ größert zu sehen. Das magnetoresistive Schichtelement 2 enthält außer einer quadratischen Fläche einer Schicht mit anisotropem magnetoresistiven Effekt zur elektrischen Kontaktie­ rung hochleitfähige Dünnschichtflächen 3, deren zum Inneren der Quadrate gerichtete Kan­ ten 4 parallel verlaufen. Die-magnetoresistiven Schichtelemente 2 sind jeweils in Reihen als lineare Widerstandsbereiche 7, von denen nur zwei gestrichelt eingerahmt und gekenn­ zeichnet sind, angeordnet. Die zu jedem Brückenzweig gehörenden beiden Widerstände 1.1 und 1.2,1.3 und 1.4,1.5 und 1.6 sowie 1.7 und 1.8 befinden sich auf dem Sensorchip 12 jeweils symmetrisch zur Mittellinie 10 der Chipfläche. Die Kanten 4 der magnetoresistiven Schichtelemente 2, die in der elektrischen Schaltung der beiden einzelnen Brücken direkt elektrisch miteinander verbunden sind, bilden Winkel 5 von 90° miteinander. Die Kanten 4 der magnetoresistiven Schichtelemente 2, der einander entsprechenden Widerstände der Sinus- und Cosinusbrücke 1.1 und 1.5; 1.2 und 1.6; 1.3 und 1.7; 1.4 und 1.8 bilden Winkel 6 von 45° miteinander. Beide Brücken sind mit den Betriebsspannungskontakten 8 verbunden. Die mit demselben Betriebsspannungskontakt 8 verbundenen linearen Widerstandsbereiche 7 gehören abwechselnd zur Sinus- und zur Cosinusbrücke. Jeder Widerstand 1.1 bis 1.8 besteht aus zwei in Reihe geschalteten linearen Widerstandsbereichen 7, die so angeordnet sind, daß in jedem Zweig 9 die nebeneinanderliegenden linearen Widerstandsbereiche 7 jeweils abwechselnd zur Sinus- und zur Cosinusbrücke gehören. In realen Anordnungen des Sensorchips sind gegenüber der Fig. 2 auf dem Sensorchip 12 nicht nur drei magnetoresistive Schichtelemente 2, sondern eine Vielzahl davon und nicht nur zwei Zweige, sondern wesentlich mehr angeordnet. Die Abmessungen des Sensor­ chips 12 liegen im Bereich von einigen Millimetern, die der magnetoresistiven Schichtele­ mente 2 im Bereich von etwa 10 Mikrometern. Die Kontaktflächen 13 für die Ausgangssigna­ le der beiden Brücken und die Betriebsspannungskontakte 8 liegen alle nahe an einer Chip­ kante 14. Hier sind auch Abgleichflächen 11 für die Einstellung der Nullspannung beider Brücken untergebracht. Die empfindliche Fläche 17 des Sensorchips 12, in der die magnet­ feldabhängigen magnetoresistiven Schichtelemente 2 angeordnet sind, ist also zum dieser Kante 14 gegenüberliegenden Rand verschoben.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung zur Winkelmessung. Über dem Sensorchip 12, dessen emp­ findliche Fläche 17 und deren Mittelsenkrechte 16 eingezeichnet sind, befindet sich drehbar ein Dauermagnet 15 mit den Polen N und S und mit der Mittelsenkrechten 18 seiner zum Sensorchip 12 zeigenden Fläche. Für eine Messung des Winkels zwischen der Kante 14 des Sensorchips 12 und einer Längskante des Magneten 15 mit möglichst geringem Fehler sind beide Mittelsenkrechte 16 und 18 in Übereinstimmung zu bringen.

In Fig. 5 ist die Anordnung für eine hochauflösende Winkelmessung mit dem Sensorchip 12 dargestellt. In der Ebene des Polrades 19, das mindestens an seinem Umfang 20 abwech­ selnd in entgegengesetzter Richtung magnetisiert ist, befindet sich auch die Ebene des Sen­ sorchips 12. Dabei ist die der Kante 14, in der Nähe derer die Kontaktflächen 13 unterge­ bracht sind, gegenüberliegende Kante 21 zum Polrad hin ausgerichtet. Bei Drehung des Polrades um einen Winkel der dem Abstand eines Südpols S vom Nordpol N entspricht, dreht sich die Feldrichtung am Ort des Sensorchips 12 um 180° und die Ausgangssignale der Sinus- und der Cosinusbrücke durchlaufen eine ganze Periode. Damit wird eine Emp­ findlichkeit der Winkelmessung erhalten, die um die Anzahl der Pole des Polrades 19 höher ist als bei Anwendung eines Stabmagneten 15 nach Fig. 4. Die Zählung der bereits am Sensorchip 12 vorbeibewegten Pole kann nach bekannten inkrementalen Meßverfahren ermittelt werden, so daß die Gesamtwinkeländerung gegenüber einem Anfangswert immer bekannt ist.

Fig. 6 zeigt die Anordnung des Sensorchips 12 bei der Messung einer linearen Positi­ onsänderung gegenüber einem Dauermagneten 22, der in Pfeilrichtung hin und her bewegt werden kann. Der Magnet enthält in Bewegungsrichtung mehrere Bereiche 23, die abwech­ selnd in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sind. Der Sensorchip 12 ist mit seiner Kante 21 parallel zur Bewegungsrichtung des Dauermagneten ausgerichtet. Die Feldrich­ tung am Ort des Sensorchips 12 ändert sich bei Vorbeibewegung des Magneten 22 um den Abstand eines Nordpols N vom Südpol S um eine ganze Periodenlänge. Damit durchlaufen beide Sensorausgangssignale eine ganze Periode. Vorteilhafterweise ist die Zuordnung des dabei ermittelten Feldrichtungswinkels zur Position weitgehend linear. Die Zählung der von einer Ausgangsposition aus bereits am Sensorchip 12 vorbeibewegten Magnetpole kann wieder durch bekannte inkrementale Meßverfahren erfolgen.

Die weitgehende Linearität der Zuordnung des mit dem Sensorchip ermittelten Feldrich­ tungswinkels zur Positionsänderung wird in Fig. 7 gezeigt. Die hier dargestellten Ergebnis­ se sind für den Fall ermittelt worden, daß der Magnet 22 nur aus einem Bereich 23 besteht. Er hat eine Länge von 20 mm und einen Querschnitt von 10·10 mm². Aufgetragen ist in der Grafik der Fehler, der sich bei linearer Zuordnung des gemessenen Winkels zur Position in Bewegungsrichtung ergibt. Kurve 24 gilt für einen Abstand zwischen Sensorchip 12 und Ma­ gnet 22 von 10 mm, Kurve 25 für 10,7 mm Abstand und Kurve 26 für 12 mm Abstand. Bei einer Gesamtmeßlänge von 20 mm bleibt der Fehler im optimalen Abstand von 10,7 mm unter 0,1 mm. Wird nur eine Meßlänge von 10 mm bei dem 20 mm langen Magneten ge­ nutzt, ist der Meßfehler auch dann noch kleiner als 0,1 mm, wenn der Abstand zwischen Sensorchip 12 und Magnet um 2 mm geändert wird. Es soll hier betont werden, daß diese Ergebnisse weder von der Temperatur des Sensorchips 12 noch der des Magneten 22 ab­ hängig sind.

Bezugszeichenliste

1.1 bis 1.8 Widerstände
2 magnetoresistive Schichtelemente
3 hochleitfähige Dünnschichtflächen
4 Kanten
5 Winkel
6 Winkel
7 lineare Widerstandsbereiche
8 Betriebsspannungskontakte
9 Mäanderzweig
10 Mittellinie des Chips
11 Abgleichfläche
12 Sensorchip
13 Kontaktflächen
14 Chipkante (nahe den Anschlüssen)
15 Dauermagnet
16 Mittelsenkrechte der empfindlichen Fläche
17 empfindliche Fläche
18 Mittelsenkrechte des Dauermagneten
19 Polrad
20 Umfang des Polrades
21 Chipkante (gegenüber den Kontaktflächen)
22 Magnet
23 Bereich (des Magneten).

Claims (15)

1. Sensorchip zur Bestimmung eines Sinus- und eines Cosinuswertes des Winkels der Ma­ gnetfeldrichtung gegen eine Linie auf der Chipfläche mit zwei magnetoresistiven Wheatstone -Brücken, deren Widerstände (1.1 bis 1.8) aus einer Reihenschaltung einer Vielzahl von ma­ gnetoresistiven Schichtelementen (2) bestehen, deren jeweils zwei Stromanschlüsse aus elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtflächen (3) gebildet sind, die die Schichtelemente (2) von zwei gegenüberliegenden Rändern her bedecken und die in Richtung zueinander von jeweils einer geraden Kante (4) begrenzt werden, und alle geraden Kanten (4) jedes Wider­ standes (1.1 bis 1.8) zueinander parallel sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rand der magnetoresistiven Schichtelemente (2) durch eine geschlossene, ebene geometrische Figur gebildet ist,
daß die parallelen Kanten (4) der elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtflächen (3) auf den magnetoresistiven Schichtelementen (2) der Widerstände (1.1 bis 1 .8), die jeweils aus zwei Widerständen (1.1 und 1.2; 1.3 und 1.4; 1.5 und 1.6; 1.7 und 1.8) eines Brücken­ zweiges in Reihe geschaltet sind, um Winkel (5) von jeweils 90° gegeneinander verdreht sind,
daß die zueinander parallelen Kanten (4) der elektrisch hochleitfähigen Dünnschicht­ flächen (3) auf den magnetoresistiven Schichtelementen (2) der einander entsprechenden Widerstände der Sinusbrücke (1.1; 1.2; 1.3 und 1.4) und der der Cosinusbrücke (1.5; 1.6; 1.7 und 1.8) jeweils einen Winkel von 45° einschließen
und daß die zueinander parallelen Kanten (4) der hochleitfähigen Dünnschichtflä­ chen (3), die zur Sinusbrücke gehören, gegen die Linie auf der Chipfläche um einen Winkel (6) von 45° geneigt sind.
2. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand aller magnetore­ sistiven Schichtelemente (2) die gleiche geschlossene, ebene geometrische Figur aufweist und daß alle Schichtelemente (2) aus einem gleichen Material bestehen.
3. Sensorchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene, ebene geometrische Figur ein Quadrat ist.
4. Sensorchip nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (1.1 bis 1.8) der Brücken aus einem oder mehreren linearen Widerstandsbereichen (7) be­ stehen, die aus geometrisch in einer Linie angeordneten magnetoresistiven Schichtelemen­ ten (2) zusammengesetzt sind.
5. Sensorchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Brücken mit densel­ ben Betriebsspannungskontakten (8) verbunden sind.
6. Sensorchip nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an demselben Betriebs­ spannungskontakt (8) die nebeneinanderliegenden linearen Widerstandsbereiche (7) ab­ wechselnd zur Sinus- und der Cosinus-Brücke gehören.
7. Sensorchip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Widerstände (1.1 und 1.2, 1.3 und 1.4, 1.5 und 1.6, 1.7 und 1.8)) jedes Brückenzweiges beider Brücken sym­ metrisch zur Mittellinie (10) des Sensorchips (12) angeordnet sind.
8. Sensorchip nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kontaktflächen (13) zum Anschluß der Brücken entlang einer Chipkante (14) angeordnet sind.
9. Sensorchip nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle magnetoresisti­ ven Schichtelemente (2) und alle Verbindungsleitungen sowie alle Kontaktflächen (13) zum Anschluß der Brücken in einer Ebene liegen.
10. Sensorchip nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgleich der beiden Brückennullspannungen Abgleichflächen (11) vorgesehen sind.
11. Verwendung eines Sensorchips nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Messen eines Winkels in einer Anordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein gegenüber dem Sensorchip (12) drehbarer Magnet in der Nähe des Sensorchips (12) so angeordnet ist, daß der Drehwinkel des Magneten bezüglich seiner Mittelsenkrechte (18) meßbar ist.
12. Verwendung eines Sensorchips nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß über oder unter der Chipebene mit der Mittelsenkrechten (16) der empfindlichen Fläche (17), in der die magnetfeldabhängigen magnetoresistiven Schichtelemente (2) angeordnet sind, als Achse ein Dauermagnet (15), der in Richtung parallel zur Chipfläche magnetisiert ist und dessen Mittelsenkrechte (18) mit der der empfindlichen Fläche (17) übereinstimmt, drehbar gelagert ist.
13. Verwendung eines Sensorchips nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Ebene eines magnetischen Polrades (19), das mindestens auf seinem Umfang (20) abwechselnd in entgegengesetzter Richtung magnetisiert ist, in der Nähe des Umfanges (20) die Ebene der Fläche des Sensorchips (12) befindet und die Chipkante (21) des Sen­ sorchips (12), die der Chipkante (14), entlang der sich die Kontaktflächen (13) zum Brüc­ kenanschluß befinden, gegenüberliegt, zur Drehachse des Polrades (19) gerichtet ist.
14. Verwendung eines Sensorchips nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Messen einer Position in einer Anordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein gegenüber dem Sensorchip (12) in gerader Linie beweglicher Magnet in einem Abstand zum Sensorchip (12) bewegt wird und soweit vom Sensorchip (12) beabstandet angeordnet ist, daß aus der Magnetfeldrichtung, die der Sensorchip (12) für die Feldlinien des Magneten ermittelt, die Position des Magneten gegenüber dem Sensorchip (12) bestimmbar ist.
15. Verwendung eines Sensorchips nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß über einem in bestimmten Bereichen (23) abwechselnd in entgegengesetzter Richtung magneti­ sierten geraden und ebenen Magneten (22) ein dagegen in Magnetlängsrichtung bewegli­ cher Sensorchip (12) mit der Chipebene in Bewegungsrichtung und senkrecht zur Oberflä­ che des Magneten (22) angeordnet ist.
DE1995121617 1995-06-14 1995-06-14 Sensorchip zur Bestimmung eines Sinus- und eines Cosinuswertes sowie seine Verwendung zum Messen eines Winkels und einer Position Expired - Lifetime DE19521617C1 (de)

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