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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren
zur Feststellung eines magnetischen Feldes nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
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Eine
Schaltung zur Feststellung eines magnetischen Feldes, bei welcher
magnetoresistive Elemente in Form einer Brücke zusammengeschaltet werden,
ist beispielsweise aus der
DE
196 14 460 A1 bekannt. Hierzu eingesetzte magnetoresistive
Elemente sind beispielsweise unter Verwendung sogenannter Spin-Valve-Materialien
realisierbar. Spin-Valve-Elemente sind im einfachsten Falle ultradünne Dreischichtsysteme,
bei denen zwei magnetische Schichten, welche jeweils eine Dicke
von 0,1 bis 10 nm aufweisen, von einer nicht magnetischen Zwischenschicht
einer ähnlichen
Schichtdicke getrennt sind. Eine der beiden magnetischen Schichten
ist extrem weichmagnetisch und richtet sich leicht in einem äußeren Magnetfeld
aus. Die zweite magnetische Schicht weist eine magnetisch harte
Charakteristik auf und hängt
im Idealfall auch bei betragsmäßig großen äußeren magnetischen
Feldern nicht von deren Richtung ab. Die zweite magnetische Schicht
wirkt hierbei als Referenzmagnetisierung. Bei entsprechender Wahl
der jeweiligen Schichtdicken tritt eine magnetfeldabhängige Widerstandsänderung
auf, die von der Richtung α des äußeren Magnetfelds
abhängt.
Der Widerstand R
i(α), d. h. der Widerstand eines
derartigen magnetoresistiven Elements, läßt sich ausdrücken durch
die Formel R
i(α) = R
0 + ΔRcos(α + φ
i). Hierbei ist R
0 ein
Offset-Widerstand, welcher vom spezifischen Widerstand des Materials
sowie der Länge
und Breite der Widerstandsbahn abhängt, ΔR die Amplitude der Widerstandsänderung
und φ
i der Winkel zwischen einer Eichrichtung
des äußeren Feldes
und der Ausrichtung der magnetischen Momente in der Referenzschicht.
Die Cosinusfunktion ist eindeutig bestimmt im Bereich zwischen 0° und 180°, und somit
können
mit einem Sensor, welcher im einfachsten Fall aus nur einem einzigen
Streifen eines derartigen Spin-Valve-Materials besteht, Winkel von 0° bis 180° gemessen
werden.
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Um
einen von R0 unabhängigen Widerstand zu generieren,
verschaltet man in der Regel vier Widerstandsstreifen in einer Brücke zusammen.
Dies kann sowohl auf einem Chip geschehen (die Sensorstruktur besteht
hierbei aus vier Widerstandsbahnen) oder in der Form von vier unabhängigen Bauelementen.
Hierbei müssen
die Referenzmagnetisierungen in den magnetoresistiven Elementen
der Brücke
wenigstens teilweise unterschiedlich sein.
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Zur
Bereitstellung eines 360°-Winkelgebers ist
es bislang notwendig, eine weitere, gegenüber der ersten Brücke um 90° gedrehte
Brücke
zur Verfügung
zu stellen. Durch diese Maßnahme
können gleichzeitig
Sinus- und Cosinussignale gemessen werden. Auf der Grundlage bekannter
Sinus- und Cosinussignale ist es dann in einfacher Weise möglich, über eine
Arcurstangensbildung einen eindeutigen Winkel im Bereich von 0° bis 360° zu bestimmen.
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Es
wird jedoch aufgrund der immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung
angestrebt, derartige Sensoren möglichst
platzsparend zur Verfügung zu
stellen. Ferner stellt man fest, dass mit einer verkleinerten Gesamtfläche eines
derartigen Sensors der Sensor weniger anfällig bezüglich lokaler Feldrichtungsinhomogenitäten ist
und somit exakter arbeiten kann.
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Aus
der
DE 699 24 598
T2 ist bereits ein linearer Winkelpositionssenor mit magnetfeldabhängigen Widerständen bekannt.
Den Magnetwiderständen
soll hierzu eine Form-Anisothropie verliehen werden, so dass die
Reaktion in Abhängigkeit
von dem Magnetfeld anisothrop ist (während das Material intrinsisch
isotrop ist). In einer speziellen Schaltung ist ein Abgriff des
Lesesignals im Brückenmittelpunkt vorgesehen.
Das hierbei erhaltene Signal ist linear über einen sehr großen Winkelbereich,
weshalb sich eine weitere Verarbeitungselektronik zur Linealisierung
des Lesesignals erübrigt.
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Aus
der
DE 197 43 335
C1 ist eine Sensoreinrichtung mit einer Brückenschaltung
ihrer einen großen
magnetoresistiven Effekt zeigenden Brückenelemente bekannt. Zwei
stromführende
Leiterbahnen sind vorgesehen, die jeweils einem Brückenzweig
zugeordnet sind, nacheinander die Brückenelemente jeweils unter
einem vorbestimmten Winkel schneiden und ein magnetisches Zusatzfeld hervorrufen
sowie den gesamten Brückenstrom
oder dessen auf den jeweiligen Brückenzweig entfallenden Teil
des Stromes führen.
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Aus
der
DE 697 36 463
T2 ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds
bekannt. Diese umfasst eine Wheatestone-Brücke mit mindestens vier magnetoresistiven
Elementen auf einem Substrat, wobei jedes magnetoresistive Element
mindestens einen empfindlichen Bereich sukzessive eine erste ferromagnetische
Schicht mit einer magnetisch leichten Achse in einer ersten Richtung,
eine nicht magnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische
Schicht mit einer magnetisch leichten Achse in einer zweiten Richtung,
die sich von der ersten Richtung unterscheidet. Diese empfindlichen
Bereiche weisen zueinander parallele Empfindlichkeitsrichtungen
auf, die parallel zu einer dritten Richtung sind und jedes magnetoresisitve
Element einem Stromleiter in der unmittelbaren Nähe dieses magnetoresistiven
Elements zugeordnet ist. Die erste Richtung ist durch einen spitzen
Winkel hinsichtlich der dritten Richtung abgeschrägt und die
zweite Richtung in entgegengesetzter Richtung durch einen spitzen
Winkel hinsichtlich der dritten Richtung abgeschrägt, wobei
sich jeder dieser Stromleiter mindestens in einem Bereich seiner
Länge in
einer vierten Richtung senkrecht zur dritten Richtung erstreckt.
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Aus
der
DE 195 48 385
C2 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Winkelposition
einer Drehachse eines Gegenstands durch einen Rechner bekannt. Einem
sinusförmigen
Signal ist ein Wertebereich von 0 Grad bis 360 Grad durch eine obere
und eine untere Schranke in mindestens vier Bereiche aufgeteilt,
wobei die obere Schranke ein erster Schnittpunkt des ersten sinusförmigen Signals
mit dem zweiten sinusförmigen
Signal ist und die untere Schranke ein zweiter Schnittpunkt des
ersten sinusförmigen
Signals mit dem zweiten sinusförmigen
Signal ist. Der Bereich wird nach folgenden Kriterien ausgewählt: Liegt
der Wert des zweiten sinusförmigen
Signals über
der oberen Schranke, wird ein erster Bereich gewählt, liegt der Wert des ersten
sinusförmigen
Signals unter der unteren Schranke, wird ein zweiter Bereich gewählt, liegt
der Wert des zweiten sinusförmigen
Signals unter der unteren Schranke, wird ein dritter Bereich gewählt, liegt
der Wert des ersten sinusförmigen
Signals über
der oberen Schranke, wird ein vierter Bereich gewählt, bei
dem aus dem gespeicherten Verlauf der Umkehrfunktion des sinusförmigen Signals
unter Berücksichtigung
der Phasenanpassung und der Betragsanpassung für den ausgewählten Bereich
ein relativer Winkel innerhalb des gewählten Bereichs bestimmt wird
und bei dem abhängig
von dem gewählten
Bereich die absolute Winkelposition durch Addition eines bereichsabhängigen Winkels bestimmt
wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Winkelgeber bzw. – sensor zur Verfügung zu
stellen, welcher möglichst
klein gebaut ist und über
einen Winkelbereich von 0° bis
360° eindeutige
Winkelbestimmungen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Schaltung zur Feststellung eines magnetischen Feldes
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
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Erfindungsgemäß ist es
nun möglich,
unter Verwendung lediglich einer Brückenschaltung, welche vier
magnetoresistive Widerstände
aufweist, die Richtung eines äußeren magnetischen
Feldes über einen
Bereich von 360° eindeutig
anzugeben. Die erfindungsgemäße Schaltung
baut gegenüber
herkömmlichen
Schaltungen wesentlich kleiner, da nur noch vier anstelle von bisher
acht magnetoresistiven Elementen benötigt werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des
ersten und zweiten Betriebszustandes jeweils um 90° zueinander
phasenverschobene Signale erzeugt. Auf der Grundlage derartiger
Signale sind sequentiell Meßwerte
generierbar, aus welchen die Ausrichtung eines äußeren magnetischen Feldes in einfacher
Weise ermittelbar ist. Es ist hierbei beispielsweise möglich, während des
ersten Betriebszustandes ein dem Cosinus des Winkels der Ausrichtung
des festzustellenden magnetischen Feldes, und während des zweiten Betriebszustandes
ein dem Sinus des Winkels der Ausrichtung des magnetischen Feldes
entsprechendes Signal zu ermitteln.
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Zweckmäßigerweise
wird der Winkel der Ausrichtung des zu bestimmenden magnetischen Feldes
mittels einer Arcustangensfunktion unter Quotientenbildung der um
90° phasenverschobenen Signale
bestimmt. Eine Winkelbestimmung unter Verwendung der Arcustangensfunktion
auf der Grundlage bekannter Sinus- und Cosinuswerte ist an sich
bekannt und mit relativ geringem Rechenaufwand durchzuführen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltung
weisen die magnetoresistiven Elemente unterschiedlich ausgerichtete Referenzmagnetisierungen
auf. Als Referenzmagnetisierung wird, wie bereits erwähnt, beispielsweise bei
aus drei Schichten aufgebauten magnetoresistiven Elementen die magnetische
Ausrichtung einer magnetisch harten Schicht bezeichnet, welche im Idealfall
auch bei betragsmäßig großen äußeren magnetischen
Feldern ihre ursprüngliche
Magnetisierungsrichtung beibehält.
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Zweckmäßigerweise
sind die Referenzmagnetisierungen der jeweiligen magnetoresistiven
Elemente jeweils um 90° zueinander
verdreht ausgebildet. Werden die Referenzmagnetisierungen der vier magnetoresistiven
Elemente einer Brücke
beispielsweise auf 0°,
90°, 180° und 270° ausgerichtet,
ist eine besonders einfache rechnerische Auswertung erhaltener Signale
möglich.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben.
In dieser zeigt
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1 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
einer herkömmlichen
Schaltung zur Feststellung der Ausrichtung eines äußeren magnetischen
Feldes, welche zwei nebeneinander angeordnete Brücken aufweist,
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2 eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltung
während
eines ersten und während
eines zweiten Betriebszustandes.
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In
der 1 ist eine Schaltung zur Feststellung der Ausrichtung
eines äußeren magnetischen Feldes
dargestellt. Die Schaltung weist eine erste Brücke 1, und eine bezüglich dieser
Brücke 1 um
90° verdrehte
zweite Brücke 2 auf.
Die erste Brücke 1 weist
vier magnetoresistive Elemente, welche insbesondere als Widerstandsstreifen
ausgebildet sind, auf. Die vier magnetoresistiven Elemente, welche
mit 1a, 1b, 1d bezeichnet sind, können sowohl
auf einem Chip ausgebildet sein als auch aus vier unabhängigen Bauelementen
bestehen. Die magnetoresistiven Elemente 1a, 1b, 1c, 1d weisen
jeweils unterschiedliche Referenzmagnetisierungen Φ1, Φ2 Φ3 Φ4 auf, wie in der Figur dargestellt ist.
Hierbei sind die Referenzmagnetisierungen zweier gegenüberliegender Widerstände 1a, 1c bzw. 1b, 1d um
180° gegeneinander
verdreht bzw. phasenverschoben.
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Die
magnetoresistiven Elemente 1a, 1b bilden einen
ersten Spannungsteiler, und die magnetoresistiven Elemente 1c, 1d einen
zweiten Spannungsteiler innerhalb der Brücke 1.
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Durch
Anlegen einer äußeren Spannung
U0 und Vergleich der Teilspannungen der
beiden Spannungsteiler zum Erhalt einer Spannung UBr1 erhält man entsprechend
der Ausrichtung des festzustellenden äußeren magnetischen Feldes einen
cosinusartigen Signalverlauf UBr1, wie er
in 1, unten, dargestellt ist. Mit einer derartigen,
als Winkelsensor bzw. Winkelgeber eingesetzten Brücke erhält man über einen
Winkelbereich von 0° bis
180° eindeutig zuordnenbare
Winkel.
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Ein
360°-Winkelsensor
bzw. -geber kann dadurch realisiert werden, daß man den beschriebenen Aufbau
um eine weitere Brücke,
welche bezüglich der
bereits dargestellten Brücke
um 90° gedreht
ist, ergänzt.
Eine derartige Brücke
ist in 1 insgesamt mit 2 bezeichnet. Die Brücke 2 weist
magnetoresistive Widerstandselemente 2a, 2b, 2c, 2d auf, welche jeweils
Widerstandswerte R1, R2,
R3, R4 bzw. Referenzmagnetisierungen Φ1, Φ2, Φ3, Φ4 . aufweisen. Der Aufbau
dieser zweiten Brücke
entspricht dem Aufbau der ersten Brücke 1, so daß auf eine
Wiederholung der Beschreibung der Funktionsweise verzichtet werden
kann. Mittels der Brücke 2 erhält man einen
zweiten Signalverlauf UBr2, welcher sinusartig
verläuft. Mittels
Arcustangensbildung auf der Grundlage der erhaltenen Sinussignale
und Cosinussignale sind die Winkel der Ausrichtung des äußeren magnetischen Feldes
in einfacher Weise berechenbar.
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Die
erfindungsgemäße Schaltung,
mit welcher insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
wird nun anhand der 2 beschrieben. Die erfindungsgemäße Schaltung
ist insgesamt mit 3 bezeichnet. Hierbei ist in 2 links
ein erster Betriebszustand, und in 2 rechts
ein zweiter Betriebstzustand der Schaltung 3 dargestellt.
Der wesentliche Unterschied zu der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen
Schaltung gemäß dem Stand
der Technik liegt darin, daß erfindungsgemäß nur vier
Widerstandselemente, welche mit 3a, 3b, 3c, 3d bezeichnet
sind, vorgesehen sind. Die magnetoresistiven Widerstandselemente 3a, 3b, 3c, 3d weisen
jeweils Widerstandswerte R1, R2,
R2, R4 bzw. Referenzmagnetisierungen Φ1, Φ2, Φ3, Φ4 auf, wie in den 2a, 2b dargestellt ist. Die Referenzmagnetisierungen
sind zueinander jeweils um 90° gedreht bzw.
phasenverschoben (0°,
90°, 180°, 270°). In dem ersten
Betriebszustand bilden die magnetoresistiven Elemente 3a, 3b einen
ersten, und die magnetoresistiven Elemente 3c, 3d einen
zweiten Spannungsteiler. Bei Anlegen einer äußeren Spannung U0 erhält man,
entsprechend der ersten Brücke
der 1, ein cosinusartiges Spannungssignal UBr1.
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Die
Brücke 3 ist
nun ferner zur Darstellung eines zweiten Betriebszustandes derartig
verschaltbar, daß die
magnetoresistiven Elemente 3a, 3d einen ersten,
und die magnetoresistiven Widerstandselemente 3b, 3c einen
zweiten Spannungsteiler bilden. Auf der Grundlage dieser Verschaltung
der Brücke 3 erhält man,
unter Berücksichtigung
der jeweiligen Referenzmagnetisierungen, ein sinusartiges Signal
UBr2. Die jeweiligen Signalverläufe für unterschiedliche
Ausrichtungen eines äußeren magnetischen
Feldes sind in 2, unten, dargestellt. Die dargestellte
flexible Verschaltung der magnetoresistiven Elemente ist beispielsweise
mittels Dioden realisierbar. Man ist so in der Lage, sequentiell
unterschiedliche Brücken
bereitzustellen, die einerseits einen cosinusartigen Signalverlauf,
und andererseits einen sinusartigen Signalverlauf liefern. Mit dieser Maßnahme ist
es möglich,
aus nur vier Widerstandselementen einen über 360° eindeutigen Winkelgeber bzw.
-sensor zu konstruieren.
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Obwohl
man bei der Wahl der Referenzmagnetisierungen der magnetoresistiven
Elemente 3a, 3b, 3c, 3d der
Brücke
relativ frei ist, erweist es sich als zweckmäßig, wie dargestellt um 90° phasenverschobene
Referenzmagnetisierungen zu wählen. Derartige
Signale sind, wie bereits unter Bezugnahme auf 1 erläutert, über eine
Arcustangens-Bildung ihres Quotienten leicht auszuwerten.