DE19839450A1

DE19839450A1 - Magnetoresistiver Sensorchip mit mindestens zwei als Halb- oder Vollbrücke ausgebildeten Meßelementen

Info

Publication number: DE19839450A1
Application number: DE1998139450
Authority: DE
Inventors: Fritz Dettmann; Uwe Loreit
Original assignee: INST MIKROSTRUKTURTECHNOLOGIE
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 1998-08-29
Filing date: 1998-08-29
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-08-30
Also published as: DE19839450B4

Abstract

Es wird ein magnetoresistiver Sensorchip mit zwei Meßelementen beschrieben, deren Ausgangssignale proportional zum Kosinus und Sinus des Winkels sind, unter dem ein Magnetfeld an dem Sensorchip anliegt, womit die Ermittlung dieses Winkels ermöglicht wird. Die verbesserte Genauigkeit der Winkelmessung bei geringer Magnetfeldstärke und geringer Sensorchipfläche wird dadurch ermöglicht, daß die magnetoresistiven Schichtstreifen, die die Widerstände der Meßelemente bilden, in Bereichen untergebracht sind, deren Vorzugsrichtungen senkrecht aufeinander stehen, und daß die Gesamtlänge aller magnetoresistiven Schichtstreifen in 2·n· gleiche Längenanteile aufgeteilt ist, und daß die Längenanteile Paare bilden, die jeweils den gleichen positiven und negativen Neigungswinkel zwischen der Längsrichtung der Schichtstreifen und der Vorzugsrichtung der Bereiche bilden, wodurch fehlerbedingende Oberwellenanteile aus den Ausgangssignalen der Meßelemente entfernt werden.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein magnetoresistiver Sensor, dessen Ausgangssignale durch den Winkel zwischen einem anliegenden Magnetfeld und einer Linie auf dem Sensorchip bestimmt werden. Eingesetzt werden solche magnetoresistiven Sensoren beispielsweise zur Winkel- und Positionsmessung in der Feinmechanik, im Maschinenbau oder im Automobilbau.

Sensoren der genannten Art sind bereits bekannt. So wird in dem Aufsatz von A. Petersen "Berührungslose Winkelmessung" in Design & Elektronik Sensortechnik, Mai 1995, S. 64-66 ein Sensorchip mit zwei Sensorbrücken beschrieben, die der Bestimmung des doppelten Wertes des Sinus und des Kosinus des Winkels der Magnetfeldrichtung gegen eine Kante des Sensorchips dienen. Die Widerstände der Brücken werden jeweils durch zu Mäandern verbundene parallele magnetoresistive Schichtstreifen gebildet. Die Schichtstreifen jedes Brückenzweiges sind jeweils in Bereichen untergebracht. Deren Vorzugsrichtungen stehen im rechten Winkel zueinander. Die Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen stimmt mit der Vorzugsrichtung der Bereiche überein. In den in der Brückenschaltung diagonal gegenüberliegenden Widerständen verlaufen die magnetoresistiven Schichtstreifen dabei jeweils parallel. Zwischen den Vorzugsrichtungen der Bereiche der einander entsprechenden Widerstände der Sinus- und der Kosinusbrücke sind Winkel von jeweils 45° vorhanden. Die Widerstände sind sternförmig um ein Zentrum angeordnet. In Richtung des Umlaufes um dieses Zentrum gehören die Widerstände abwechselnd zur Sinus- und zur Kosinusbrücke.

Der Widerstand der magnetoresistiven Schichtstreifen hängt vom Winkel ϕ zwischen der Richtung des elektrischen Stromes und der Richtung der Magnetisierung ab:

R(ϕ) = R₀ + ΔR.(cosϕ)².

Dabei ist R₀ der magnetfeldunabhängige Anteil des Widerstandes und ΔR die Amplitude der Änderung im Magnetfeld. Da die Längsrichtungen der magnetoresistiven Schichtstreifen der beiden Widerstände jeden Brückenzweiges um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind, ändern sich die Widerstände jedes Brückenzweiges gegenläufig, und es kommt wegen des quadratischen Terms in der obigen Formel zu Ausgangsspannungen, die zum Kosinus bzw. Sinus des doppelten Winkels zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung proportional sind. Zur Einstellung der Richtung der Magnetisierung wird ein Magnetfeld in der entsprechenden Richtung angelegt. Dazu kann zum Beispiel ein Dauermagnet benutzt werden. Aus den beiden Sensorsignalen kann dann bestimmt werden, welchen Winkel die Längsrichtung des Dauermagneten mit der Kante des Sensorchips gerade bildet. Dabei wird jedoch vorausgesetzt, daß die Richtung des Magnetfeldes und die Richtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen übereinstimmt. Daß das im allgemeinen nicht erfüllt ist, erkennt man daran, daß für den Winkel des Magnetfeldes gegen die x-Richtung des Koordinatensystems die Beziehung

tanα = H_y/H_x

und für den Winkel der Magnetisierung des sich in x-Richtung erstreckenden magnetoresistiven Schichtstreifens die Beziehung

H_x/H₀.tanϕ + sinϕ - H_y/H₀ = 0

gilt. H_x und H_y sind hier die in x-Richtung bzw. y-Richtung wirkenden Feldstärkekomponenten des Dauermagneten. H₀ ist die Anisotropiefeldkonstante der magnetoresistiven Schichtstreifen, die sich aus der relativ geringen Eigenanisotropie des Schichtmaterials und aus der Formanisotropie, die für schmale, lange Schichtstreifen den Hauptanteil liefert, zusammensetzt. Die Werte von ϕ und α stimmen nur dann überein, wenn der den Sinus enthaltende Term der unteren Gleichung keine Rolle spielt. Das ist für den Fall gegeben, daß H_x/H₀ » 1 und H_y/H₀ » 1 ist.

Praktisch bedeutet das, daß eine genaue Angabe des Winkels eines Magneten mit Hilfe des Sensorchips entsprechend der oben angeführten Veröffentlichung nur erfolgen kann, wenn sehr hohe Magnetfelder zur Verfügung stehen. Dazu müssen jedoch Magnete aus hochkoerzitiven Materialien mit erheblichem Volumen eingesetzt werden, was erhebliche Kosten verursacht. Auch bei diesen Magneten ist eine starke Abnahme der magnetischen Feldstärke mit der Entfernung zum Magneten festzustellen. Die für genaue Ermittlung des Winkels erforderliche Feldstärke wird nur in sehr geringer Entfernung zur Oberfläche des Magneten erreicht. Damit ist der Vorteil, der sich aus der berührungsfreien magnetischen Meßmethode des Winkels ergibt, daß sich Sensorchip und Magnet auf unterschiedlichen Seiten nichtmagnetischer Wände befinden können, kaum noch zu realisieren.

Die Ungleichungen H_x/H₀ E 1 und H_y/H₀ E 1 können auch dadurch eingehalten werden, daß nicht hohe Magnetfeldstärken, sondern magnetoresistive Strukturen mit sehr geringem H₀ benutzt werden. Dieser Weg wird in der Patentschrift DE 195 21 617 vorgeschlagen. Hier bestehen die Brückenwiderstände aus einer Reihenschaltung einer Vielzahl von magnetoresistiven Flächen, deren Breite sich von der Länge höchstens geringfügig unterscheidet, so daß der Beitrag der Formanisotropie zur Anisotropiefeldkonstanten nur sehr gering ist. Als nachteilig bei diesen Strukturen erweist sich jedoch, daß zur Realisierung eines bestimmten Widerstandswertes der magnetoresistiven Sensorbrücken, wie er zum Betreiben mit einer ausreichenden Betriebsspannung bei geringem Umsatz elektrischer Leistung notwendig ist, eine weit größere Sensorfläche benötigt wird als im Falle der schmalen langen Schichtstreifen. Die Kosten des Sensorchips sind der benötigten Sensorfläche nahezu proportional. Hinzu kommt noch, daß bei einem größeren Sensorchip auch größere Magnete verwendet werden müssen, was ebenfalls zu einer Erhöhung der Kosten führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die Struktur von magnetoresistiven Schichtelementen anzugeben, die geeignet sind, genaue Winkelmessungen bei Einsatz geringer Magnetfeldstärken und bei hohem Widerstand der Meßelemente auf kleiner Chipfläche zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch den im Hauptanspruch beschriebenen Sensorchip und dessen in den Unteransprüchen weiter ausgestalteten speziellen Ausführungen gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe geht davon aus, daß durch die Abweichung der Richtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen von der Richtung des an den Sensorchip angelegten Magnetfeldes als Ausgangssignal der Sensorbrücken entsprechend dem Stand der Technik zwar periodische Spannungsverläufe mit einer Periodenlänge von 180° auftreten, diese Spannungsverläufe jedoch erheblich von der Sinusform abweichen. Diese Abweichungen von der Sinusform sind die Ursache für die in der Auswertung erhaltenen Winkelfehler, die in der Bildung des Quotienten aus Sinus- und Kosinussignal und dem Aufsuchen des zu dem so erhaltenen Tangenswert gehörigen Winkels besteht. Abweichungen von der Sinusform bedeuten, daß die Signale sowohl die Grundwelle mit einer Periodenlänge von 180°, als auch Oberwellen, deren Periodenlängen sich über einen Bruchteil der Periodenlänge der Grundwelle erstrecken, enthalten. Durch die Differenzbildung der Signale in jeder Halbbrücke, bei denen die magnetoresistiven Schichtstreifen in Bereichen parallel zur Vorzugsrichtung angeordnet sind, die um 90° gegeneinander verdreht sind, werden alle Oberwellenanteile, deren Periodenlänge durch Division der Periodenlänge der Grundwelle durch gerade Zahlen erhalten wird, herausgemittelt. Es verbleiben aber die Oberwellen mit Periodenlängen von 1/3, 1/5, 1/7 usw. der Periodenlänge der Grundwelle, wobei die Amplituden der Oberwellen mit fallender Periodenlänge erfahrungsgemäß rasch abnehmen. Durch Verdrehen der Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen gegenüber der Vorzugsrichtung der Bereiche wie im Hauptanspruch angegeben, werden nun auch diese Oberwellenanteile mit Periodenlängen, die durch ungeradzahlige Nenner gebildet werden, herausgemittelt. Zur vollständigen Eliminierung des Anteils bestimmter Oberwellen sind die im zweiten Anspruch angegebenen Neigungswinkel der Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen gegen die Vorzugsrichtung der Bereiche einzuhalten. Entsprechend dem Hauptanspruch kann die Anordnung des Sensorchips so gestaltet werden, daß in den Sensorausgangssignalen nur die Eliminierung der Oberwellenanteile bis zu einer bestimmten Ordnung der Oberwellen erfolgt. Wird die Gesamtlänge der magnetoresistiven Schichtstreifen eines Meßelementes nur in ein Paar von Längenanteilen aufgeteilt, und die beiden Längenanteile sind in ihrer Längsrichtung um Winkel von +15° und -15° gegen die Vorzugsrichtung der Bereiche geneigt, dann wird nur der Anteil der Oberwelle mit einer Periodenlänge von einem Drittel der Periodenlänge der Grundwelle aufgehoben. Die dadurch verbesserte Genauigkeit der Winkelangabe kann jedoch schon in vielen praktischen Fällen ausreichend sein. Bei Aufteilung der Gesamtlänge in zwei Paaren von Längenanteilen mit Neigungswinkeln von ±6° und ±24° sind Anteile der Oberwellen mit Periodenlängen von einem Drittel und einem Fünftel der Periodenlänge der Grundwelle eliminiert, was natürlich zu einer erhöhten Genauigkeit der Winkelangabe führt. Bei Aufteilung in drei Paare von Längenanteilen mit Neigungswinkeln von ±30,43°, ±17,57°, ±12,43° und ±0,43° werden die Anteile der Oberwellen mit Periodenlängen von einem Drittel, einem Fünftel und einem Siebentel der Periodenlänge der Grundwelle aus dem Ausgangssignal entfernt bei weiter verbesserter Genauigkeit der aus den Signalen ermittelten Winkel.

Da die Sinusförmigkeit der Sensorausgangssignale und damit die Genauigkeit der daraus ermittelten Winkelwerte durch die spezielle Anordnung der magnetoresistiven Schichtstreifen, die die Eliminierung der Oberwellenanteile bewerkstelligt, gesichert ist, sind bei den erfindungsgemäßen Sensorchips größere Abweichungen zwischen der Richtung des angelegten Magnetfeldes und der Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen zulässig. Deshalb können sehr schmale Schichtstreifen mit relativ großer Formanisotropie verwendet werden und es wird so auf kleinen Chipflächen ein genügend großer Widerstandswert für die Brücken oder Halbbrücken der Meßelemente realisierbar. Durch die geringe Chipgröße einerseits und wegen der zulässigen Abweichung der Magnetisierungsrichtung von der Feldrichtung andererseits können kleine Magnete aus billigerem Material mit kleinerer Koerzitivfeldstärke eingesetzt werden. Die Magnete können auch in größerer Entfernung vom Sensorchip angebracht sein und liefern trotzdem die für ein hohe Winkelgenauigkeit ausreichende Feldstärke. Die Sensorchips können nicht nur zur Winkelbestimmung, sondern auch zum Abtasten linearer oder kreisförmiger Magnetmaßstäbe benutzt werden. Wegen ihrer geringen Abmessungen sind sie auch zum Abtasten solcher Maßstäbe bei geringer Periodenlänge geeignet.

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

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung eines magnetoresistiven Winkelsensors entsprechend dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine der Sensorbrücken des Sensorchips entsprechend der Erfindung mit einer bestimmten Winkelverteilung der magnetoresistiven Schichtstreifen,

Fig. 3 eine der Sensorbrücken des Sensorchips entsprechend der Erfindung mit einer anderen Winkelverteilung der magnetoresistiven Schichtstreifen,

Fig. 4 eine der Sensorbrücken des Sensorchips entsprechend der Erfindung mit einer weiteren Winkelverteilung der magnetoresistiven Schichtstreifen,

Fig. 5 eine der Sensorbrücken des Sensorchips entsprechend der Erfindung mit unterschiedlichen Winkeln der magnetoresistiven Schichtstreifen in jedem Bereich,

Fig. 6 eine der Sensorbrücken des Sensorchips entsprechend der Erfindung mit zwei unterschiedlich geneigten Schichtstreifenabschnitten,

Fig. 7 eine der Sensorbrücken des Sensorchips entsprechend der Erfindung mit unterschiedlichen Neigungswinkeln in den Bereichen,

Fig. 8 eine der Sensorbrücken des Sensorchips entsprechend der Erfindung mit vier unterschiedlich geneigten Schichtstreifenabschnitten.

In Fig. 1 ist ein Winkelsensorchip entsprechend dem Stand der Technik dargestellt. Auf einer Chipfläche 1 befinden sich zwei Wheatstonebrücken, deren Widerstände alle aus magnetoresistiven Schichtstreifen 4 aufgebaut sind. Die magnetoresistiven Schichtstreifen 4 sind auf der Chipfläche 1 in Bereichen 2 angeordnet und verlaufen innerhalb eines Bereiches 2 alle parallel zur Vorzugsrichtung 3 des Bereiches 2. In jedem Bereich 2 wurden drei Schichtstreifen 4 eingezeichnet. Es kann jedoch eine beliebige Zahl von Schichtstreifen 4 enthalten sein. Für jeden Brückenzweig 8 bzw. 9 wurden zwei senkrecht zueinander gerichtete Bereiche 2 gezeichnet. In wirklichen Anordnungen kann jeder gezeichnete Bereich 2 aus mehreren Unterbereichen mit gleicher Vorzugsrichtung 3 bestehen, die in unterschiedlicher Art auf der Chipfläche verteilt sind, deren magnetoresistive Schichtstreifen 4 jedoch elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Bereiche 2 wurden zwar als Rechtecke gezeichnet, können jedoch auch durch andere Flächen dargestellt sein, in denen die Schichtstreifen 4 auch von unterschiedlicher Länge sein können. In der links gezeichneten Brücke verlaufen zwei der Vorzugsrichtungen 3 parallel zur Kante 7 der Chipfläche 1. An den Ausgangskontakten dieser Brücke wird bei Anlegen einer Betriebsspannung an den ganz rechts befindlichen Kontakten und eines homogenen Magnetfeldes genügender Stärke in einem Winkel zur Kante 7 der Chipfläche 1 eine Spannung zu messen sein, die näherungsweise dem Kosinus des genannten Winkels proportional ist. Die Brücke mit den um 45° gegenüber der Kante 7 gedrehten Vorzugsrichtungen 3 der Bereiche 2 liefert ein dem Sinus des Winkels näherungsweise proportionales Signal. Es können auch nur die Halbbrücken 8 und 9 auf der Chipfläche 1 vorhanden sein. In diesem Fall ergeben sich die entsprechenden Signale mit halber Amplitude. Die Abweichungen der Signale von der Sinusform sind durch die Differenz der Richtung des angelegten Magnetfeldes von der Richtung der Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen 4 bedingt. Die Abweichungen können als Summe von Oberwellenanteilen im Signal dargestellt werden. Dabei treten wegen der Differenzbildung der Brücke zwischen den Beiträgen der einzelnen Brückenwiderstände und deren Verdrehung um 90° gegeneinander geradzahlige Oberwellen mit der zwei-, vier-, sechs-, usw. -fachen Frequenz nicht auf. Es sind aber die ungeradzahligen Oberwellen mit der drei-, fünf-, sieben-, usw. -fachen Frequenz enthalten, und zwar mit einer Amplitude, die mit steigender Frequenz rasch abnimmt. Die Abweichungen führen in der Auswertung, die die fehlerfreie Sinusform voraussetzt, zu Winkelwerten für die Feldrichtung, die erhebliche Meßfehler aufweisen können.

Eine der Brücken der Sensorfläche 1 entsprechend einer ersten Ausführung der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Auch hier sind die magnetoresistiven Schichtstreifen 4 in Bereichen 2 angeordnet, deren Vorzugsrichtungen 3 in jedem Brückenzweig jeweils senkrecht aufeinander stehen. In jedem Bereich 2 sind drei magnetoresistive Schichtstreifen 4 gezeichnet, die den entsprechenden Brückenwiderstand bilden. Die magnetoresistiven Schichtstreifen 4 sind in jedem Bereich 2 parallel zueinander. In beiden Bereichen 2 des ersten Brückenzweiges bilden die Längsrichtungen der magnetoresistiven Schichtstreifen 4 mit den Vorzugsrichtungen 3 Neigungswinkel 6 von -15°. Im zweiten Brückenzweig sind Neigungswinkel 6 von +15° vorhanden. Damit sind gleiche Längenanteile der Gesamtlänge der magnetoresistiven Schichtstreifen 4 um den gleichen positiven und negativen Wert eines Neigungswinkels gegen die Vorzugsrichtung 3 verkippt. Es liegt also ein Paar von Längenanteilen vor. Wird ein Magnetfeld gegenüber dieser Sensorbrücke um 180° gedreht, entsteht am Brückenausgang eine volle Periode des Ausgangssignales. Die dritte Oberwelle dieses Signales hat eine Periodenlänge von 60°. Da die magnetoresistiven Schichtstreifen 4 zu gleichen Anteilen um insgesamt 30° gegeneinander verkippt sind und durch die Brückenschaltung Differenzen der in den einzelnen Brückenwiderständen entstehenden Signalanteile gebildet werden, wird so der Anteil der dritten Oberwelle aus dem Ausgangssignal entfernt. Die zweite Brücke des Sensorchips entspricht der in Fig. 2 dargestellten. Es sind nur alle Bereiche 2 gegenüber denen der ersten Brücke um 45° gedreht. Auch im Signal der zweiten Brücke sind also Anteile der dritten Oberwelle nicht mehr enthalten. Der aus den beiden Brückensignalen ermittelbare Winkelwert wird deshalb wesentlich genauer sein als der eines Sensorchips entsprechend dem Stand der Technik.

In diesem Ausführungsbeispiel wie in allen folgenden sind die Bereiche zwar als Rechtecke gezeichnet, sie können aber auch andere geometrische Formen haben. Es sind drei magnetoresistive Schichtstreifen 4 pro Bereich gezeichnet, jedoch kann eine beliebige Zahl von ihnen vorhanden sein. Die Bereiche 2 können in Unterbereiche aufgeteilt sein, die an beliebigen Stellen auf der Sensorfläche 1 angeordnet sein können, die jedoch alle die gleiche Vorzugsrichtung 3 haben müssen. Die magnetoresistiven Schichtstreifen der Unterbereiche müssen elektrisch in Reihe geschaltet sein.

In Fig. 3 und Fig. 4 sind weitere Ausführungen der Erfindung dargestellt, die in ihrer Wirkung der Anordnung nach Fig. 2 entsprechen, die jedoch eine andere Verteilung der Neigungswinkel auf die unterschiedlichen Bereiche 2 der Brücken zeigen.

Fig. 5 zeigt eine andere erfindungsgemäße Anordnung der magnetoresistiven Schichtstreifen 4 in den Bereichen 2. Es ist in jedem Bereich 2 ein mit einem Neigungswinkel 6 von +15° und ein mit einem Neigungswinkel 6 von -15° gedrehter Schichtstreifen 4 vorhanden. Damit erfolgt die Herausmittlung des Anteiles der dritten Oberwelle am Signal bereits in jedem einzelnen Brückenwiderstand. Anders als in der Zeichnung kann auch eine größere gleiche Anzahl von positiv und negativ geneigten magnetoresistiven Schichtstreifen 4 vorhanden sein.

In Fig. 6 sind die magnetoresistiven Schichtstreifen jeweils in zwei Schichtstreifenabschnitte 5 gleicher Länge aufgeteilt, die positiv und negativ um Neigungswinkel 6 von 15° gegen die Vorzugsrichtung 3 der Bereiche 2 gedreht sind. Damit wird bereits in jedem einzelnen magnetoresistiven Schichtstreifen 4 der Anteil der dritten Oberwelle im Signal beseitigt. Es ist klar, daß auch eine Aufteilung der magnetoresistiven Schichtstreifen in eine größere gerade Zahl von Schichtstreifenabschnitten mit abwechselnd positiver und negativer Neigung zu demselben Ergebnis führt.

Fig. 7 zeigt die Verteilung der Neigungswinkel 10; 11 in einer der Brücken des Sensorchips für den Fall, daß entsprechend der Erfindung zwei Paare von Längenanteilen aus der Gesamtlänge aller magnetoresistiven Schichtstreifen 4 gebildet sind. Das erste Paar ist im links dargestellten Brückenzweig angeordnet und die Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen 4 ist hier um Neigungswinkel 11 von -6° bzw. +6° gegen die Vorzugsrichtung 3 der Bereiche 2 verdreht. Das zweite Paar von magnetoresistiven Schichtstreifen im rechten Brückenzweig ist um Neigungswinkel 10 von -24° bzw. +24° gegen die Vorzugsrichtung geneigt. Mit dieser Brückenanordnung werden die Anteile der dritten Oberwelle mit einer Periodenlänge von 60° und der fünften Oberwelle mit einer Periodenlänge von 36° aus dem Ausgangssignal eliminiert. Zur Eliminierung der fünften Oberwelle müssen um die halbe Periodenlänge von 18° gegeneinander verdrehte Schichtstreifen 4 vorhanden sein. Damit auch die dritte Oberwelle entfernt wird, werden zwei Paare von Schichtstreifen benutzt, deren mittlerer Winkel um die halbe Periodenlänge der dritten Oberwelle von 30° gegeneinander gedreht ist. Daraus ergeben sich dann die angegebenen Winkel. Mit den Ausgangssignalen zweier nach der in Fig. 7 gezeigten Anordnung aufgebauten Brücken, deren Bereiche 2 jeweils um 45° gegeneinander gedreht sind, kann der Winkel des angelegten Magnetfeldes mit gegenüber den Anordnungen nach Fig. 2 bis Fig. 6 weiter gesteigerter Genauigkeit angegeben werden.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ebenfalls der Anteil der dritten und der fünften Oberwelle auf den Ausgangssignalen der Brücken eliminiert wird, ist in Fig. 8 dargestellt. Hier ist jeder magnetoresistive Schichtstreifen 4 in vier Schichtstreifenabschnitte 5 gleicher Länge aufgeteilt. Ein Paar der Schichtstreifenabschnitte 5 weist Neigungswinkel 11 von -6° bzw. +6° auf, das andere hat Neigungswinkel 10 von -24° bzw. +24° gegen die Vorzugsrichtung 3 der Bereiche 2. Durch diese Anordnung der Schichtstreifenabschnitte 5 sind die Anteile der dritten und fünften Oberwelle bereits in jedem einzelnen gesamten magnetoresistiven Schichtstreifen 4 nicht mehr enthalten.

Weitere Ausführungsbeispiele, insbesondere auch zur Eliminierung der Anteile höherer Oberwellen in den Brückensignalen, sind durch Anwendung der in den Ansprüchen formulierten Merkmale und durch Benutzung der in den ausgeführten Ausführungsbeispiele angegebenen Aufbauprinzipien möglich.

Claims

1. Magnetoresistiver Sensorchip mit mindestens zwei als Halb- oder Vollbrücke ausgebildeten Meßelementen, von denen das erste ein periodisches Ausgangssignal proportional zum Kosinus des doppelten Winkels der Magnetfeldrichtung gegen eine Linie auf dem Chip und jedes weitere Meßelement ein periodisches, zum Signal des ersten Meßelementes unterschiedlich phasenverschobenes Ausgangssignal abgibt, und bei dem die magnetoresistiven Schichtstreifen (4), die die Widerstände der jeweiligen Meßelemente bilden, auf der Chipfläche (1) in Bereichen (2), deren Vorzugsrichtungen (3) senkrecht zueinander verlaufen, untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge aller magnetoresistiven Schichtstreifen (4) jedes Meßelementes in 2ⁿ gleiche Längenanteile aufgeteilt ist, wobei n eine ganze Zahl ist, und die Längenanteile aus den Längen von magnetoresistiven Schichtstreifen (4) und/oder von Schichtstreifenabschnitten (5) zusammengesetzt sind und daß die Längenanteile Paare bilden, die jeweils den gleichen positiven und negativen Neigungswinkel (6) zwischen der Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen (4) oder Schichtstreifenabschnitte (5) und der Vorzugsrichtung des jeweiligen Bereiches (2) bilden.

2. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungswinkel (6) bei n = 1 durch
α_1,2 = ± 180°/(4.(1.2 + 1)),
bei n = 2 durch
α_1,2,3,4 = ± 180°/(4.(1.2 + 1)) ± 180°/(4.(2.2 + 1)),
bei n = 3 durch
α_{1,2,3,4,5,6,7,8} = ± 180°/(4.(1.2 + 1)) ± 180°/(4.(2.2 + 1)) ± 180°/(4.(3.2 + 1))
und allgemein durch
α_{1,2, . . . 2ⁿ} = ± 180°/(4.(1.2 + 1)) ± 180°/(4.(2.2 + 1)) ± 180°/.(4.(3.2 + 1)) ± . . . ± 180°/(4.(n.2 + 1))
gegeben sind, wobei jeweils alle Kombinationsmöglichkeiten der Vorzeichen anzuwenden sind.

3. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meßelemente vorhanden sind und zwischen den Vorzugsrichtungen (3) der Bereiche (2) des ersten Meßelementes und den Vorzugsrichtungen (3) der jeweils entsprechenden Bereiche (2) des zweiten Meßelementes Winkel von 45° vorhanden sind, so daß das Ausgangssignal des ersten Meßelementes proportional zum Kosinus des doppelten Winkels der Magnetfeldrichtung gegen eine der Kanten (7) des Chipfläche (1) und das Ausgangssignal des zweiten Meßelementes proportional zum Sinus des doppelten Winkels ist.

4. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß n = 1 ist und so die Gesamtlänge aller magnetoresistiven Schichtstreifen (4) jeder Brücke in ein Paar von Längenanteilen geteilt ist und die Neigungswinkel (6) +15° und -15° betragen.

5. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente Vollbrücken sind, deren vier Widerstände jeweils durch zueinander parallele magnetoresistive Schichtstreifen (4) in den Bereichen (2) gebildet sind und daß die magnetoresistiven Schichtstreifen (4) jedes Brückenzweiges (8; 9) um den gleichen Winkel (6) gegen die Vorzugsrichtungen (3) der Bereiche (2) geneigt sind.

6. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente Vollbrücken sind, deren Widerstände jeweils durch zueinander parallele magnetoresistive Schichtstreifen (4) in den Bereichen (2) gebildet sind und daß die Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen (4) jedes Brückenzweiges (8; 9) in einem der beiden Bereiche (2) einen Winkel (6) von +15° und in dem anderen einen Winkel (6) von -15° mit der jeweiligen Vorzugsrichtung (3) bildet.

7. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente Vollbrücken sind, deren Widerstände jeweils durch eine gerade Zahl magnetoresistiver Schichtstreifen (4) in den Bereichen (2) gebildet sind, die jeweils abwechselnd um +15° und -15° gegen die Vorzugsrichtung (3) des jeweiligen Bereiches (2) geneigt sind.

8. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente Vollbrücken sind, deren Widerstände jeweils durch magnetoresistive Schichtstreifen (4) in den Bereichen (2) gebildet sind und daß die magnetoresistiven Schichtstreifen (4) aus einer geraden Zahl von Schichtstreifenabschnitten (5) bestehen, deren Längsrichtungen abwechselnd um +15° und -15° gegen die Vorzugsrichtung (6) des jeweiligen Bereiches (2) geneigt sind.

9. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß n = 2 ist und so die Gesamtlänge in zwei Paare von Längenanteilen geteilt ist und die Neigungswinkel (10) des einen Paares von Längenanteilen +24° und -24° und die Neigungswinkel (11) des zweiten Paares -6° und +6° betragen.

10. Magnetoresistiver Sensorchip nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Bereich die Schichtstreifen (4) aus vier Schichtstreifenabschnitten (5) gleicher Länge bestehen, von denen das eine Paar um einen Neigungswinkel (10) von +24° und -24° und das andere Paar um einen Neigungswinkel (11) von +6° und -6° gegen die Vorzugsrichtung (3) des jeweiligen Bereiches (2) geneigt ist.