DE19746199A1 - Magnetoresistiver Winkelsensor, der aus zwei Wheatstonebrücken mit je vier Widerständen besteht - Google Patents
Magnetoresistiver Winkelsensor, der aus zwei Wheatstonebrücken mit je vier Widerständen bestehtInfo
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Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein magnetoresistiver Winkelsensor, der den
Winkel zwischen einem anliegenden Magnetfeld und einer Kante des Schichtträgers des
Winkelsensors bestimmt. Eingesetzt werden solche Winkelsensoren in der Winkel- und
Positionsmessung.
Magnetoresistive Winkelsensoren sind bereits bekannt. So wird in der Patentschrift
DE 195 21 617 ein Sensorchip zur Bestimmung eines Sinus- und eines Kosinuswertes des
Winkels sowie seine Verwendung zum Messen eines Winkels und einer Position
beschrieben. Sowohl der Sinuswert als auch der Kosinuswert des doppelten Winkels werden
als Ausgangssignale von Wheatstonebrücken erhalten. Die Widerstände der beiden
Wheatstonebrücken bestehen aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Schichtelementen
mit Stromanschlüssen aus hochleitfähigen Dünnschichtflächen. Da die hochleitfähigen
Dünnschichtflächen einen wesentlichen Teil der magnetoresistiven Schichtelemente
abdecken, wird der Widerstandswert der magnetoresistiven Schichtelemente begrenzt.
Deshalb muß für einen bestimmten Widerstandswert der beiden Wheatstonebrücken eine
größere Zahl von magnetoresistiven Schichtelementen vorhanden sein. Das erfordert jedoch
eine größere Fläche für den Sensorchip. Die Kosten für einen Sensorchip sind aber
proportional zu seiner Fläche. Darüber hinaus erfordert ein größerer Sensorchip in einer
kompletten Winkelsensoranordnung auch einen größeren Magneten, womit weitere höhere
Kosten verbunden sind. Weiterhin kann ein Sensor mit einer größeren Fläche die örtlich
vorhandene Magnetfeldrichtung nur mit einer schlechteren Ortsauflösung angeben, wodurch
sein Einsatz auf Magnetpolräder oder lineare Maßstäbe mit größerer Periodenlänge
beschränkt wird.
Magnetoresistive Winkelsensoren nach der Patentschrift DE 43 17 512 oder dem Aufsatz
von A. Petersen "Berührungslose Winkelmessung" in Design & Elektronik Sensortechnik,
Mai 1995, S. 64-66 nutzen zwar lange Streifen aus magnetoresistiven Schichten, jedoch
sind die unterschiedlichen Widerstände der beiden Wheatstonebrücken rosettenförmig um
das Zentrum des Sensorchips herum angeordnet. Bei diesen Anordnungen ist eine
weitgehende Belegung der Sensorfläche mit magnetoresistiven Schichtstreifen durch die
unterschiedlichen Winkel zwischen ihnen ebenfalls nicht möglich und die Nachteile, die sich
aus einer zu großen Fläche des Sensorchips ergeben, sind auch in diesen beiden
Anordnungen vorhanden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung von magnetoresistiven
Winkelsensoren mit zwei Wheatstonebrücken anzugeben, die es ermöglicht, bei
Vorhandensein eines bestimmten Widerstandswertes mit einer minimalen Fläche des
Sensorchips auszukommen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Anordnung erfüllt. Alle
Widerstände der beiden Wheatstonebrücken bestehen aus einer Vielzahl elektrisch in Reihe
geschalteter quadratischer Bereiche von Streifenmäandern. Die quadratischen Bereiche von
Streifenmäandern der beiden Widerstände jedes Brückenzweiges befinden sich jeweils
direkt nebeneinander. Da die Streifenlängsrichtung in den Bereichen der zum gleichen
Brückenzweig gehörenden Widerstände um 90° gegeneinander gedreht ist, bleiben
dazwischen keine freien Flächen. Zwischen den Bereichen der Wheatstonebrücke, deren
Ausgang dem Sinus des Winkels entspricht und den Bereichen der Wheatstonebrücke,
deren Ausgang dem Kosinus entspricht, ist eine Verdrehung von 45° vorhanden. Durch die
Aufteilung in eine Vielzahl von rechteckigen Bereichen von Streifenmäandern wird erreicht,
daß auch zwischen diesen um 45° gegeneinander verdrehten Bereichen nur ein Minimum an
freier Fläche auf dem Schichtträger bleibt. Damit ist eine fast vollständige Belegung der
Fläche des Schichtträgers mit Schichtstreifen und die Realisierung eines bestimmten
Widerstandes der beiden Wheatstonebrücken auf der kleinsten möglichen Fläche gegeben.
Mit dem Anordnen der jeweils beiden Widerstände jedes Zweiges der Wheatstonebrücken in
direkter Nachbarschaft und durch die Aufteilung der Widerstände auf eine Vielzahl von
gleichen Bereichen sind die Widerstandswerte der jeweils beiden Widerstände mit nur sehr
geringer Abweichung voneinander gleich. Damit weisen die Wheatstonebrücken nur geringe
Offsetspannungen auf. Diese können durch Trimmen von einfach strukturierten
Abgleichflächen auf null abgeglichen werden. Dadurch, daß alle Schichtstreifen
magnetoresistiven Materials, alle Verbindungsleitungen und alle Anschlußkontakte in einer
Ebene liegen, kann der Winkelsensor auf einfache Art ohne Zwischenisolationen gefertigt
werden. Die Anordnung der jeweils zwei Brückenzweige in symmetrischen Abständen zur
Mittelachse gewährleistet, daß eine Phasenverschiebung zwischen dem Sinus- und dem
Kosinuswert des Winkels auch im inhomogenen Magnetfeld nicht auftritt.
Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu
sind in der zugehörigen Zeichnung in Fig. 1 zwei Wheatstonebrücken zur Erzeugung eines
Sinus- und eines Kosinuswertes des zweifachen Wertes des zu bestimmenden Winkels
dargestellt. Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Struktur eines Winkelsensors.
Die Widerstände 3 bis 10 der ersten Wheatstonebrücken 1 und der zweiten
Wheatstonebrücke 2 in der Fig. 1 bestehen aus Mäandern von magnetoresistiven
Schichtstreifen. An den oberen und unteren gemeinsamen Anschlußkontakt 14 der beiden
Wheatstonebrücken 1 und 2 wird die Betriebsspannung für beide Brücken angelegt. Die
Längsrichtungen der magnetoresistiven Schichtstreifen bildet unterschiedliche Winkel mit
einer Parallelen des rechten Randes des Zeichnungsblattes. In der ersten
Wheatstonebrücke 1 sind die Streifenlängsrichtungen um 45° bzw. -45° gegen diese
Parallele verdreht. Entsprechend dem Stand der Technik liegt bei dieser Wheatstonebrücke
1 ein Spannungssignal an den Anschlußkontakten 14 für die Ausgangsspannung an, daß
dem Sinus des doppelten Winkels eines Magnetfeldes zur Parallelen des rechten Randes
des Zeichnungsblattes entspricht. Bei der Wheatstonebrücke 2 sind die Streifen in den
Mäandern, die die Widerstände 7 und 10 bilden, parallel zum rechten Rand, die Streifen in
den Widerständen 8 und 9 bilden mit der Parallelen zum rechten Rand einen Winkel von
90°. Entsprechend dem Stand der Technik liegt bei dieser Wheatstonebrücke 2 ein
Spannungssignal an den Anschlußkontakten 14 für die Ausgangsspannung an, daß dem
Kosinus des doppelten Winkels eines Magnetfeldes zur Parallelen des rechten Randes des
Zeichnungsblattes entspricht.
Eine erfindungsgemäße Struktur des magnetoresistiven Winkelsensors ist in Fig. 2
dargestellt. Auf einem Schichtträger 12 ist eine Vielzahl von quadratischen Bereichen 13
untergebracht. In den quadratischen Bereichen 13 befinden sich gleiche Mäander von
magnetoresistiven Schichtstreifen. Die spezielle Anordnung der gleichen Mäander in den
Bereichen 13 ist in der unteren Reihe der Bereiche 13 eingezeichnet. In den übereinander
liegenden Bereichen 13 ist diese spezielle Anordnung gleich. Deshalb ist der Einfachheit
halber die Lage der Mäander nicht in allen quadratischen Bereichen 13 eingezeichnet.
Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die magnetoresistiven Schichtstreifen in den übereinander
liegenden quadratischen Bereichen 13 elektrisch in Reihe geschaltet. Zwei solche Reihen
von übereinander liegenden quadratischen Bereichen bilden jeweils einen
Brückenwiderstand. So bildet die in der Fig. 2 an der linken Seite befindliche übereinander
liegende Reihe von Mäandern in den quadratischen Bereichen 13 mit der direkt links neben
der Mittelachse 11 liegenden Reihe einen Widerstand, der entsprechend der Lage des
Mäanders in den Bereichen 13 dem Widerstand 4 der in Fig. 1 gezeigten Wheatstonebrücke
entspricht. Direkt neben den genannten beiden Reihen ist in den Bereichen die Lage der
Mäander so, daß sie der des Widerstandes 3 der Fig. 1 entspricht. Durch die genannten vier
Reihen von Mäandern in den Bereichen 13 wird also ein Brückenzweig realisiert, der dem in
der Fig. 1 links liegenden entspricht. Auf der rechten Seite des Schichtträgers 12 in den um
45° gegen die Kante des Schichtträgers 12 geneigten Bereichen 13 sind entsprechend die
Mäander des rechten Brückenzweiges der ersten Brücke 1 untergebracht. Die Abstände der
Bereiche 13 von der Mittelachse sind dabei symmetrisch. Das gilt auch für die acht Reihen
von Bereichen 13, deren Seiten parallel zu den Kanten des Schichtträgers verlaufen und die
die Mäander enthalten, die die Widerstände bilden, die den Widerständen der zweiten
Brücke 2 in Fig. 1 entsprechen. Alle quadratischen Bereiche 13 haben dieselben
Abmessungen. Alle Brückenwiderstände werden durch die gleiche Anzahl von quadratischen
Bereichen 13 gebildet. Damit sind alle Brückenwiderstände gleich groß und die
verbleibenden, aus Fertigungstoleranzen resultierenden Brückenoffsetspannungen haben
nur geringe Werte. Die Auswirkungen von Fertigungstoleranzen werden auch dadurch
minimiert, daß die Widerstände jedes Brückenzweiges über ihre gesamte Länge direkt
nebeneinander liegen. Damit haben Gradienten in der Schichtdicke der magnetoresistiven
Schicht und in der Breite der Streifen der Mäander nur noch einen verschwindenden Einfluß.
Die magnetoresistiven Schichtstreifen der Mäander, die Verbindungsleitungen und die
Anschlußkontakte 14 liegen, wie Fig. 2 zu entnehmen ist, alle in derselben Ebene. Damit
erübrigt sich in der Fertigung die Herstellung von Kreuzungen zwischen Leitern
verschiedener Ebenen. Die Betriebsspannung der beiden Brücken wird einerseits am
mittleren Anschlußkontakt 14 und andererseits an den beiden äußeren Anschlußkontakten
14 angelegt. Die beiderseits neben dem mittleren Anschlußkontakt 14 liegenden
Anschlußkontakte 14 stellen den Ausgang der Brücke dar, die den Sinus des doppelten
Winkels eines Magnetfeldes zur rechten Kante des Schichtträgers 12 zum Ausgangssignal
hat. Die beiden verbleibenden Anschlußkontakte 14 sind für den Ausgang der Brücke, die
den entsprechenden Kosinus des doppelten Winkels erzeugt.
Claims (4)
1. Magnetoresistiver Winkelsensor, der aus zwei Wheatstonebrücken (1; 2) mit je vier
Widerständen (3 bis 6 und 7 bis 10) besteht, die aus auf einem Schichtträger (12)
angeordneten Dünnschichtstreifen magnetoresistiven Materials aufgebaut sind, wobei die
erste Wheatstonebrücke (1) ein Ausgangssignal proportional zum Sinus des doppelten
Winkels gegen eine der Kanten des Schichtträgers und die zweite Wheatstonebrücke (2) ein
Ausgangssignal proportional zum Kosinus des doppelten Winkels abgibt, dadurch
gekennzeichnet,
daß alle Widerstände (3 bis 10) aus der gleichen Vielzahl von elektrisch in Reihe
geschalteten gleichen quadratischen Bereichen (13) von Streifenmäandern bestehen,
und daß sich die quadratischen Bereiche (13) von Streifenmäandern der jeweils zwei
Widerstände (3 und 4; 5 und 6; 7 und 8; 9 und 10) jedes Brückenzweiges direkt
nebeneinander befinden.
2. Magnetoresistiver Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
jeweils zwei Brückenzweige jeder Wheatstonebrücke in symmetrischen Abständen zur
Mittelachse (11) des Schichtträgers (12) angeordnet sind.
3. Magnetoresistiver Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
alle Dünnschichtstreifen magnetoresistiven Materials, alle Verbindungsleitungen und alle
Anschlußkontakte (14) in einer Schichtebene liegen
4. Magnetoresistiver Winkelsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Abgleich der Offsetspannungen der Wheatstonebrücken (1; 2) auf null Abgleichflächen
vorgesehen sind.
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