DE19532065A1 - Magnetoresistiver Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Magnetoresistive Sensoren sind bekannt. Diese werden beispielsweise beim berührungslosen Erfassen von Zu­ standsänderungen eingesetzt. Dies kann beispielsweise eine Winkelmessung an einem drehbar gelagerten Teil sein. Bei den magnetoresistiven Sensoren wird eine Pseudo-Hallspannung ausgenutzt, das heißt, während an zwei Stromkontakten des Sensors ein definierter Steu­ erstrom angelegt wird, werden durch einen über dem Sensor rotierenden Permanentmagneten die aus ferro­ magnetischen Material bestehenden Dünnschichtwider­ stände des Sensors mit einem in der Ebene des Sensors liegenden Magnetfeld beaufschlagt, so daß senkrecht zur Stromrichtung des Steuerstroms eine vom Winkel der Magnetisierung zur Stromrichtung des Steuerstroms proportionale Pseudospannung anliegt. Diese kann an dem magnetoresistiven Sensor zugeordneten Meßkontak­ ten abgegriffen werden. Durch Änderung der Magneti­ sierungsrichtung zur Stromrichtung innerhalb des magnetoresistiven Sensors wird die Pseudo-Hallspan­ nung beeinflußt, so daß bei konstantem Steuerstrom über das abgegriffene Spannungssignal auf die Stel­ lung des das Magnetfeld hervorrufenden Magneten ge­ schlossen werden kann.

Es ist bekannt, diese magnetoresistiven Sensoren aus ferromagnetischen Dünnschichten herzustellen, bei de­ nen beispielsweise eine magnetisch empfindliche Dünn­ schicht aus einer binären Nickel-Eisen-Legierung ein­ gesetzt wird, deren der Pseudo-Hallspannung entspre­ chende Ausgangssignale einer elektronischen Auswerte­ schaltung zugeführt werden. Die bekannten magneto­ resistiven Sensoren besitzen an gegenüberliegenden Längsseiten jeweils einen Stromkontakt und an senk­ recht zu den Stromkontakten verlaufenden Seiten Span­ nungskontakte, an denen die bereits erwähnte Pseudo- Hallspannung abgegriffen werden kann. Da die Pseudo- Hallspannung dabei von der Stromstärke des angelegten Steuerstroms und dem Winkel der Magnetisierung zur Stromrichtung abhängig ist, kommt es auf eine genaue Anordnung der Meßkontakte an dem magnetoresistiven Sensor an. Zum genauen Ermitteln der Winkelposition wird die Stromrichtung in Zeitintervallen umgekehrt.

Weiterhin ist beispielsweise aus der EP 0 217 478 A1 bekannt, eine Einrichtung einzusetzen, die zwei magnetoresistive Sensoren aufweist, die um einen Winkel von 45° zueinander gedreht angeordnet sind. Durch diese gedrehte Anordnung wird erreicht, daß bei einem über den Dünnschichtwiderständen angeordneten Perma­ nentmagneten ausgehenden Magnetfeld an beiden Sen­ soren unterschiedliche Pseudo-Hallspannungen erzeugt werden, die eine genaue Ermittlung der Position des Permanentmagneten gestatten.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße magnetoresistive Sensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß mittels eines einzigen magnetoresistiven Sensors eine Winkelstellung des Permanentmagneten sehr exakt bestimmt werden kann. Dadurch, daß die Dünnschicht­ widerstände derart angeordnet sind, daß zeitgleich eine dem Sinus und eine dem Cosinus des zweifachen Magnetisierungswinkels proportionale Meßspannung ab­ greifbar ist, insbesondere der Sensor zwischen seinen Stromkontakten eine Parallelschaltung von jeweils drei in Reihe geschalteten Identischen Dünnschicht­ widerständen aufweist, wobei zwischen jeweils zwei Dünnschichtwiderständen ein Meßkontakt angeordnet ist, und die Dünnschichtwiderstände derart angeordnet sind, daß zwischen zwei ersten Meßkontakten eine pro­ portional zum Sinus und zwischen zwei zweiten Meß­ kontakten eine proportional zum Cosinus des zweifa­ chen Magnetisierungswinkels sich verhaltende Meß­ spannung abgreifbar ist, ist es sehr vorteilhaft mög­ lich, zeitgleich die beiden Meßspannungen (Pseudo- Hallspannung) mit einem magnetoresistiven Sensor zu erfassen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs­ beispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die sche­ matisch eine Draufsicht auf einen magnetoresistiven Sensor zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Figur zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten magnetoresistiven Sensor. Der Sensor 10 weist insge­ samt sechs identische Dünnschichtwiderstände 12 auf. Hierbei bilden jeweils drei Dünnschichtwiderstände 12′ beziehungsweise 12′′ eine Reihenschaltung, wobei die Reihenschaltungen der Dünnschichtwiderstände 12′ beziehungsweise 12′′ insgesamt parallel zueinander ge­ schaltet sind. Die Dünnschichtwiderstände 12 bestehen aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise einer Nickel-Eisen-Legierung. Der Sensor 10 weist ferner Stromkontakte 14 und 16 auf, die gleichzeitig die Knotenpunkte der Parallelschaltung der Dünn­ schichtwiderstände 12 bilden. Die Stromkontakte 14 und 16 sind mit einer nicht dargestellten Spannungs­ quelle in Verbindung bringbar. Zwischen jeweils zwei Dünnschichtwiderständen 12 ist ein Meßkontakt zum Abgreifen einer Spannung angeordnet. Zwischen den Dünnschichtwiderständen 12′ der ersten Reihenschal­ tung sind hierbei Meßkontakte 18 und 20 und zwischen den Dünnschichtwiderständen 12′′ der zweiten Reihen­ schaltung Meßkontakte 22 und 24 angeordnet. Die Meß­ kontakte 18 und 22 sowie 20 und 24 ergeben hierbei jeweils ein Meßkontaktpaar, zwischen denen eine noch zu erläuternde Meßspannung abgegriffen wird. Die Dünnschichtwiderstände 12 des Sensors 10 sind in der Ebene in einer bestimmten definierten Lage positio­ niert, für die die nachfolgend genannten Winkel­ angaben zutreffen. Bei den Angaben wird im weiteren davon ausgegangen, daß innerhalb einer Reihenschal­ tung der Dünnschichtwiderstände 12′ beziehungsweise 12′′ vom Stromkontakt 14 zum Stromkontakt 16 be­ trachtet, jeweils ein erster, zweiter und dritter Dünnschichtwiderstand 12′ beziehungsweise 12′′ ange­ ordnet ist.

Ein Winkel α zwischen den ersten Dünnschichtwider­ ständen 12′ beziehungsweise 12′′ beträgt 45°, wobei von einer gedachten Nullinie 26 die Dünnschicht­ widerstände 12′ beziehungsweise 12′′ um einen Winkel­ betrag von 1/2 α geneigt sind. Ein Winkel β zwischen dem ersten und zweiten Dünnschichtwiderstand 12′ be­ trägt 135°. Ein Winkel γ zwischen dem zweiten und dritten Dünnschichtwiderstand 12′, der gleichzeitig zwischen dem ersten und zweiten Dünnschichtwiderstand 12′′ ausgebildet ist, beträgt 90°. Zwischen dem zwei­ ten und dritten Dünnschichtwiderstand 12′′ ist eben­ falls ein Winkel α von 45° ausgebildet. Zwischen dem dritten Dünnschichtwiderstand 12′ und dem dritten Dünnschichtwiderstand 12′′ ist wiederum der Winkel β von 135° ausgebildet.

Die in der Figur gezeigte Anordnung übt folgende Funktion aus:
An die Stromkontakte 14 und 16 wird eine eine defi­ nierte Spannung bereitstellende Spannungsquelle ange­ schlossen, so daß sich zwischen den Stromkontakten 14 und 16 ein genau definierter Steuerstrom 1 einstellt, der entsprechend der Parallelschaltung der Reihen­ schaltungen der Dünnschichtwiderstände 12′ bezie­ hungsweise 12′′ sich in zwei gleichgroße Teilströme aufteilt. Die Stromrichtung in bezug auf die Nullinie 26 ergibt sich hierbei durch die geometrische An­ ordnung der Dünnschichtwiderstände 12′ beziehungs­ weise 12′′ entsprechend der Winkel α, β beziehungswei­ se γ. Wird über dem fest angeordneten Sensor 10 ein nicht dargestellter Permanentmagnet gedreht, der bei­ spielsweise an einem Maschinenteil angeordnet ist, dessen momentane Winkelstellung ermittelt werden soll, ergibt sich eine Magnetisierung , die einen bestimmten Winkel Θ zu der Nullinie 26 aufweist (Fig. 1a). Die von dem Permanentmagnet ausgehende Magnetisierung ist so groß gewählt, daß diese die innere Magnetisierung in den Dünnschichtwiderständen 12 so beeinflußt, daß die Innere Magnetisierung der äußeren Magnetisierung M entspricht. Da sich hier­ durch bekanntermaßen ein Zustand einstellt, der ab­ hängig ist von der Stromstärke und der Stromrichtung des Steuerstroms I sowie dem Winkel Θ der Magneti­ sierung , ergibt sich zwischen den Meßkontakten 18 und 22 beziehungsweise 20 und 24 eine Potential­ differenz. Diese Potentialdifferenz ergibt jeweils die sogenannte Pseudo-Hallspannungen U₁ und U₂. Die Pseudo-Hallspannungen U₁ und U₂ werden abgegriffen und einer nicht dargestellten Auswerteschaltung zuge­ führt.

Für die Pseudo-Hallspannung gelten hierbei folgende Beziehungen:

U₁=c₁+A · sin 2Θ und
U₂=c₂+A · cos 2Θ.

c₁ und c₂ sind hierbei die Werte für die Verschiebung der Sinus- und Cosinuskurven der Pseudo-Hallspan­ nungen gegenüber der Nullachse (Offset), während A ein Wert für die Amplitude der Pseudo-Hallspannung ist. Die Offsetwerte c₁ und c₂ werden in bekannter Weise auf Null abgeglichen.

Durch die definierte Anordnung der Dünnschichtwider­ stände 12′ beziehungsweise 12′′ wird also erreicht, daß mit lediglich einem magnetoresistiven Sensor 10 gleichzeitig die dem Sinus und die dem Cosinus des zweifachen Magnetisierungswinkels Θ proportionale Pseudo-Hallspannung U₁ und U₂ ermittelt werden kön­ nen. Durch die Anordnung in einem Sensor 10 ist die Amplitude A für beide Pseudo-Hallspannungen gleich groß, so daß sich hieraus ergebende Einflüsse in gleicher Weise auswirken. Aus den gemessenen Pseudo- Hallspannungen U₁ und U₂ läßt sich in bekannter Weise der Winkel Θ berechnen und hierüber die Winkelstel­ lung des Permanentmagneten beziehungsweise des den Permanentmagnet tragenden Maschinenteils bestimmen.

Eine Anordnung von zwei getrennten Sensoren, mit denen einmal die dem Sinus und einmal die dem Cosinus proportionale Pseudo-Hallspannung ermittelt werden kann, wobei hier aufgrund der Inhomogenität des Magnetfeldes prinzipielle Winkelfehler auftreten kön­ nen, ist nicht mehr erforderlich. Insgesamt ergeben sich somit neben dem einfachen Aufbau wesentliche Funktionsvorteile des magnetoresistiven Sensors 10 für die Ermittlung des Winkels Θ.

Claims (6)

1. Magnetoresistiver Sensor mit aus ferromagnetischem Material bestehenden Dünnschichtwiderständen, die mit einem definierten Steuerstrom beaufschlagbar sind, und denen Meßkontakte zugeordnet sind, an denen in Abhängigkeit einer Magnetisierungsrichtung eine Pseudo-Hallspannung abgegriffen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschichtwiderstände (12) derart angeordnet sind, daß zeitgleich eine dem Sinus und eine dem Cosinus des zweifachen Magnetisierungs­ winkels (Θ) proportionale Meßspannung (U₁, U₂) ab­ greifbar ist.

2. Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) zwischen seinen Stromkontakten (14, 16) eine Parallelschaltung von jeweils drei in Reihe geschalteten identischen Dünn­ schichtwiderständen (12′, 12′′) aufweist, wobei zwi­ schen jeweils zwei Dünnschichtwiderständen (12′, 12′′) ein Meßkontakt (18, 20, 22, 24) angeordnet ist, und die Dünnschichtwiderstände (12′, 12′′) derart angeord­ net sind, daß zwischen zwei ersten Meßkontakten (18, 22) eine proportional zum Sinus und zwischen zwei zweiten Meßkontakten (20, 24) eine proportional zum Cosinus des zweifachen Magnetisierungswinkels (Θ) sich verhaltende Meßspannung (U₁, U₂) abgreifbar ist.

3. Magnetoresistiver Sensor nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschichtwiderstände (12′, 12′′) unter definierten Winkeln (α, β, γ) zueinander angeordnet sind.

4. Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel (α) zwischen den ersten Dünnschichtwiderständen (12′, 12′′) und den zweiten und dritten Dünnschichtwiderständen (12′′) 45° beträgt.

5. Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel (β) zwischen dem ersten und zweiten Dünnschichtwiderstand (12′) und den dritten Dünnschichtwiderständen (12′, 12′′) 135° beträgt.

6. Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel (γ) zwischen dem zweiten und dritten Dünnschichtwiderstand (12′) und dem ersten und zweiten Dünnschichtwiderstand (12′′) 90° beträgt.