DE19701137B4 - Längensensorchip, dessen Ebene einer Maßstabsebene gegenübersteht - Google Patents

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Abstract

Längensensorchip (1), dessen Ebene einer Maßstabsebene gegenübersteht und bei dem magnetoresistive Schichtstreifen (2) mit Barber-Pole-Strukturen Widerstände aufbauen, die Halbbrücken von Einzelsensoren darstellen, die entlang der Meßrichtung abwechselnd in um ein Viertel der Periodenlänge (4) versetzten Bereichen (5) des Längensensorchips (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Bereich (5) eine gleich große gerade Anzahl von magnetoresistiven Schichtstreifen (2) der Widerstände der Halbbrücken mit entgegengesetzter Bar ber-Pole-Neigung (3) und damit gegenläufiger Widerstandsänderung symmetrisch um die Mitte (6) des Bereiches angeordnet ist und die magnetoresistiven Schichtstreifen (2) gleicher Barber-Pole-Neigung (3) jeweils elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß die Verbindungsleitungen (7) zwischen den zu den beiden Einzelsensoren gehörenden Bereichen (5) auf gegenüberliegenden Seiten (8; 9) des Längensensorchips liegen und daß die Verbindung zum um eine halbe Periodenlänge (4) versetzten Bereich (5) zu magnetoresistiven Schichtstreifen (2) der Halbbrücke mit entgegengesetzter Barber-Pole-Neigung (3) besteht.

Description

  • Die Erfindung wird bei der präzisen Bestimmung von linearen oder Drehpositionen eingesetzt. Neben der Anwendung von entsprechenden Anordnungen in der Meßtechnik ist ihr Einsatz auch für die Steuerung und Regelung von Prozessen im Maschinenbau, in der Fertigung der Feinwerktechnik oder der elektronischer Bauelemente vorgesehen.
  • Längensensorchips, die die für eine hochauflösende Interpolation bei inkrementaler Messung notwendigen um ein Viertel der Periodenlänge des magnetischen Maßstabes entfernten zwei Sensorelemente auf magnetoresistiver Basis aufweisen, sind bekannt. So wird beispielsweise in der DE 42 33 331 die Anordnung der zwei Sensorbrücken auf einer Fläche des Chips beschrieben, die sich über eine Länge von zwei Periodenlängen erstreckt. Alle Schichten des Längensensors liegen in einer Ebene, so daß keine Leiterkreuzungen auftreten. Da jedoch für hohe Auflösungen mit nicht zu großer Periodenlänge gearbeitet werden muß und die notwendige Empfindlichkeit der Magnetfeldmessung dafür erheblich sein muß, können nur relativ breite magnetoresistive Schichtstreifen verwendet werden. So ist die Zahl der Schichtstreifen stark begrenzt und es kann nur ein geringer Widerstand der magnetoresistiven Sensorelemente realisiert werden, der zum Beispiel zum Betrieb mit einer Batterie nicht ausreichend hoch ist.
    •
  • Ziel der Erfindung ist es, die Anordnung eines Längensensorchips auf magnetoresistiver Basis anzugeben, das bei einfacher Herstellung zur hochauflösenden Längenmessung mit hoher Empfindlichkeit bei hohem Widerstand geeignet ist.
  • Die Aufgabe wird durch die Anordnung des im Hauptanspruch angegebenen Längensensorchips und durch die in den weiteren Ansprüchen genannten speziellen Ausführungen gelöst. Der erfindungsgemäße Längensensorchip kann sich über viele Periodenlängen des Maßstabes erstrecken und hat so bei nicht zu geringer Breite und hoher Empfindlichkeit der magnetoresistiven Schichtstreifen einen genügend hohen elektischen Widerstand. Dadurch, daß sich der Längensensorchip über viele Perioden erstreckt, kommt es zur Mittelwertbildung des speziell zu bestimmenden Magnetfeldwertes an der entsprechenden Stelle innerhalb der Maßstabsperiode und Abweichungen, die beim Schreiben des Magnetmaßstabes entstanden sind, können herausgemittelt werden. Die entsprechende Teile der jeweiligen Widerstände der Halbbrücke bildenden magnetoresistiven Schichtstreifen liegen immer unmittelbar nebeneinander, so daß Temperaturdifferenzen am Chip nur im äußerst geringen Maße zur einer Beeinflussung des Ausgangssignales führen. Alle Widerstände einer Halb- oder Vollbrücke bestehen immer aus der gleichen Anzahl von magnetoresistiven Schichtstreifen mit positiv und negativ geneigter Barber-Pole-Struktur, so daß bei der Herstellung entstandene Fehler in der Barber-Pole-Neigung sich nicht als Offsetverschiebung im Ausgangssignal bemerkbar machen können. Sowohl die magnetoresistiven Schichtstreifen als auch die Verbindungsleitungen und die Kontaktflächen liegen in einer Ebene, so daß keine Leiterkreuzungen auftreten und so eine einfache Herstellung gewährleistet ist.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt 1 den periodischen Verlauf des Magnetfeldes eines Maßstabes und die entsprechende bekannte Anordnung von Bereichen auf dem Längensensorchip. In 2 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Längensensorchips mit vier magnetoresistiven Schichtstreifen pro Bereich dargestellt. In 3 ist eine andere Ausführung der Erfindung mit acht magnetoresistiven Schichtstreifen pro Bereich zu sehen.
  • Ein magnetischer Maßstab, dessen Abschnitte periodisch abwechselnd in positiver und negativer x-Richtung magnetisiert sind, zeigt über seiner Oberfläche einen in Meßrichtung x periodischen Verlauf der magnetischen Feldstärke H mit einer Periodenlänge 4. Ein Ausschnitt aus diesem Feldverlauf wird in 1 gezeigt. Der Maßstabsoberfläche gegenüber befindet sich ein Längensensorchip 1, auf dessen Oberfläche es Bereiche 5 mit einer Mitte 6 gibt, die im Abstand von einem Viertel der Periodenlänge 4 angeordnet sind. 2 zeigt die Anordnung von magnetoresistiven Schichtstreifen 2 mit Barber-Pole-Strukturen in diesen Bereichen 5, die der Messung der magnetischen Feldstärke H dienen. Jeweils zwei magnetoresistive Schichtstreifen 2 mit gleicher Barber-Pole-Neigung 3 sind in den Bereichen 5 symmetrisch zur Mitte 6 angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet. Die magnetoresistiven Schichtstreifen 2 des ersten, dritten, fünften usw. Bereiches 5 sind entsprechend der 2 in Reihe geschaltet. Die Verbindungsleitungen 7 liegen alle an der einen Seite 8 des Längensensorchips. Diese Streifenanordnung bildet einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen, dessen Anschlußkontakte für die Betriebsspannung in der Figur nicht gezeigt werden und dessen Anschlußkontakt 10 für die Ausgangsspannung sich in der linken unteren Ecke des Längensensorchips befindet. Die magnetoresistiven Schichtstreifen 2 im zweiten, vierten, sechsten usw. Bereich 5 sind ebenfalls über Verbindungsleitungen 7 miteinander verbunden, die jedoch alle auf der anderen Seite 9 des Längensensorchips 1 angeordnet sind. Wieder sind die Anschlußkontakte für die Betriebsspannung des so gebildeten Spannungsteilers nicht gezeigt. Der Anschlußkontakt 10 für seine Ausgangsspannung befindet sich oben links auf dem Längensensorchip 1. Es ist klar, daß die so gebildeten Spannungsteiler für die Messung des Magnetfeldes H des Maßstabes um ein Viertel der Periodenlänge 4 gegeneinander versetzt sind, so daß sie zur Gewinnung der Signale für eine inkrementale Längenmessung geeignet sind, und daß sich die Widerstände der Halbbrücken über beliebig viele Periodenlängen 4 erstrecken können. Damit sind auf jeden Fall genügend hohe Widerstandswerte für die beiden Halbbrücken realisierbar. In praktischen Ausführungen wird sich der Längensensorchip über fünf bis zehn Periodenlängen 4 ausdehnen. Die magnetoresistiven Schichtstreifen 2, die Verbindungsleitungen 7 und die Anschlußkontakte 10 liegen alle in einer Ebene, so daß keine Überkreuzungen notwendig sind und eine einfache Herstellung gewährleistet ist.
  • Für größere Periodenlängen 4 oder für den Fall, daß eine hohe Auflösung bei der Längenmessung nicht gefordert ist und deshalb auch weniger empfindliche schmalere magnetoresistive Schichtstreifen 2 einsetzbar sind, können in einem Bereich 5 auch mehr als vier magnetoresistive Schichtstreifen 2 eingesetzt werden. 3 zeigt, wie beispielsweise acht magnetoresistive Schichtstreifen 2 pro Bereich 5 anzuordnen sind.

Claims (5)

  1. Längensensorchip (1), dessen Ebene einer Maßstabsebene gegenübersteht und bei dem magnetoresistive Schichtstreifen (2) mit Barber-Pole-Strukturen Widerstände aufbauen, die Halbbrücken von Einzelsensoren darstellen, die entlang der Meßrichtung abwechselnd in um ein Viertel der Periodenlänge (4) versetzten Bereichen (5) des Längensensorchips (1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Bereich (5) eine gleich große gerade Anzahl von magnetoresistiven Schichtstreifen (2) der Widerstände der Halbbrücken mit entgegengesetzter Bar ber-Pole-Neigung (3) und damit gegenläufiger Widerstandsänderung symmetrisch um die Mitte (6) des Bereiches angeordnet ist und die magnetoresistiven Schichtstreifen (2) gleicher Barber-Pole-Neigung (3) jeweils elektrisch in Reihe geschaltet sind, daß die Verbindungsleitungen (7) zwischen den zu den beiden Einzelsensoren gehörenden Bereichen (5) auf gegenüberliegenden Seiten (8; 9) des Längensensorchips liegen und daß die Verbindung zum um eine halbe Periodenlänge (4) versetzten Bereich (5) zu magnetoresistiven Schichtstreifen (2) der Halbbrücke mit entgegengesetzter Barber-Pole-Neigung (3) besteht.
  2. Längensensorchip (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Schichtstreifen (2), die Verbindungsleitungen (7) und die Anschlußkontakte (10) in einer Ebene liegen.
  3. Längensensorchip (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch jeweils zwei in den Bereichen (5) symmetrisch angeordnete Halbbrücken die beiden Sensorelemente als Vollbrücke ausgebildet sind.
  4. Längensensorchip (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Anschlußkontakte (10) auf einer Seite (7) des Längensensorchips (1) liegen.
  5. Längensensorchip (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Nullabgleich der Vollbrükken Abgleichbereiche vorgesehen sind.
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