DE202019100886U1

DE202019100886U1 - Positionssensor

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Publication number: DE202019100886U1
Application number: DE202019100886.5U
Authority: DE
Original assignee: Analog Devices Global ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2019-05-17
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: CN210773869U; JP2019144242A; KR20200068539A; JP6820367B2; US11175353B2; TWI731306B; TW201942536A; US20190257894A1

Abstract

Magnetoresistiver Positionssensor zum Messen der Position in mindestens einer ersten Richtung, wobei der Sensor Folgendes aufweist:
einen Magneten, der dazu angeordnet ist, sich in mindestens die erste Richtung zu bewegen; und
einen Differenzfeldsensor, der dazu angeordnet ist, eine Bewegung des Magneten in die erste Richtung zu detektieren und eine Bewegung des Magneten in mindestens eine zweite Richtung auszugleichen.

Description

Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Positionssensor, der eine Bewegung von Sensorkomponenten in irgendeine Richtung, die nicht auf die Detektionsrichtung ausgerichtet ist, ausgleicht. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung ein beispielhaftes Verfahren zur Positionserfassung.
Hintergrund
Positionssensoren werden in der Regel unter Verwendung eines einfachen Magneten und eines Feldsensors hergestellt. Wenn sich der Magnet bezüglich des Feldsensors bewegt, erzeugt der Feldsensor ein Ausgangssignal, das den Grad der Bewegung anzeigt. Die Herstellung solcher Positionssensoren ist einfach, und sie werden in der Regel in Großserie produziert. Der Abstand zwischen dem Magneten und dem Feldsensor korreliert mit der Magnetfeldstärke am Sensor.
Obgleich diese Art von Sensor einfach herzustellen und kostengünstig ist, sind sie sehr empfindlich für Streufelder und Fehlausrichtung des Magneten. Die Bewegung des Magneten in einer senkrecht zu der beabsichtigten Bewegungsrichtung verlaufenden Richtung ändert die Feldstärke am Feldsensor, wodurch die Positionsmessung beeinflusst wird.
Kurzfassung der Offenbarung
Die Offenbarung stellt einen magnetoresistiven Feldsensor zum Detektieren einer Position in einer bestimmten Richtung bereit. Der Sensor weist mehrere magnetoresistive Elemente auf, die in Paaren angeordnet sind. Die Elemente des gleichen Paars sind so angeordnet, dass ihre Empfindlichkeitsrichtung in derselben Richtung orientiert ist. Die Elemente von unterschiedlichen Paaren sind so orientiert, dass ihre Empfindlichkeitsrichtung in einer unterschiedlichen Richtung orientiert ist, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu einem anderen Paar. Die magnetoresistiven Sensoren und ihre Empfindlichkeitsrichtungen sind allgemein in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur Messrichtung der Vorrichtung verläuft. Die Elemente jedes Paars sind zwischen zwei Knoten in Reihe angeordnet, so dass sie eine Brückenschaltung bilden. Somit bewirkt eine Bewegung des Magneten in der ersten Ebene eine im Wesentlichen gleiche Änderung in den Elementen jedes Paars, wodurch diese Bewegung im Ausgangssignal ausgeglichen wird.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein magnetoresistiver Positionssensor zur Positionsmessung in mindestens einer ersten Richtung bereitgestellt, wobei der Sensor einen Magneten, der dazu angeordnet ist, sich mindestens in die erste Richtung zu bewegen, und einen Differenzfeldsensor, der dazu angeordnet ist, eine Bewegung des Magneten in eine erste Richtung zu detektieren und eine Bewegung des Magneten in mindestens eine zweite Richtung auszugleichen, aufweist.
Somit ist der Sensor dazu ausgebildet, eine Bewegung eines Magneten in eine bestimmte Richtung, das heißt die Detektionsrichtung, zu messen, während eine Bewegung des Magneten in die mindestens eine zweite Richtung durch den Differenzfeldsensor ausgeglichen wird. Das heißt, der Sensor gleicht eine Bewegung durch den Magneten in eine andere Richtung aus, so dass jegliche Bewegung in diese andere Richtung die Messung der Bewegung des Magneten in die Detektionsrichtung nicht beeinflusst. Zum Beispiel kann der Magnet über dem Sensor aufgehängt sein und dazu ausgebildet sein, sich in die z-Richtung auf den Sensor zu und von ihm weg zu bewegen, wobei der Sensor die Änderung der Magnetfeldstärke bei seiner Bewegung in diese Richtung misst. Der Differenzfeldsensor kann dann dazu ausgebildet sein, Änderungen der Feldstärke, die sich aus irgendeiner lateralen Bewegung durch den Magneten, während er sich in die Detektionsrichtung bewegt, ergeben, auszugleichen.
Der Differenzfeldsensor kann mehrere magnetoresistive Elemente aufweisen. Zum Beispiel können die magnetoresistiven Elemente riesenmagnetoresistive Spin-Ventile (GMR-Spin-Ventile, GMR - giant magnetoresistive), tunnelmagnetoresistive Elemente (TMR-Elemente, TMR - tunnelling magnetoresistive), anisotrope magnetoresistive Elemente (AMR-Elemente, AMR - anisotropic magnetoresistive) oder irgendeine andere geeignete magnetoresistive Vorrichtung, die für Änderungen eines Magnetfelds in einer bestimmten Richtung empfindlich ist, sein.
Jedes der mehreren magnetoresistiven Elemente kann eine Erfassungsrichtung aufweisen, und mindestens ein erstes Paar der Elemente kann so angeordnet sein, dass ihre Erfassungsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind. Die Erfassungsrichtung der mehreren magnetoresistiven Elemente kann in einer ersten Ebene angeordnet sein, und die erste Ebene kann bezüglich der ersten Richtung versetzt sein. Zum Beispiel kann die erste Ebene im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung verlaufen. Die mindestens eine zweite Richtung kann in der ersten Ebene liegen.
Durch Ausrichtung der Erfassungsrichtungen der Paare magnetoresistiver Elemente führt eine Bewegung durch den Magneten in die Richtung der Erfassungsrichtung zu einer ähnlichen oder identischen Widerstandswertänderung, wobei die Paare magnetoresistiver Elemente so verbunden sind, dass dies zu einer Änderung von null oder im Wesentlichen null der Sensorausgabe führt. Deshalb kann durch Ausrichtung der Erfassungsrichtungen in einer bestimmten Ebene jegliche Bewegung in der Ebene ausgeglichen werden.
Der Sensor kann ferner ein zweites Paar der magnetoresistiven Elemente aufweisen, die so angeordnet sind, dass ihre Erfassungsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind, und so angeordnet sind, dass ihre Erfassungsrichtungen bezüglich des ersten Paars der magnetoresistiven Elemente versetzt sind. Die Erfassungsrichtung des ersten Paars der magnetoresistiven Elemente kann im Wesentlichen senkrecht zur Erfassungsrichtung des zweiten Paars der magnetoresistiven Elemente verlaufen.
In dem Fall, dass die Detektionsrichtung die z-Richtung ist, können die Erfassungsrichtungen der magnetoresistiven Elemente zum Beispiel in der xy-Ebene angeordnet sein. Ein Paar der magnetoresistiven Elemente kann ihre Erfassungsrichtungen in der x-Richtung ausgerichtet haben, um eine Bewegung in diese Richtung auszugleichen, während ein anderes Paar der magnetoresistiven Elemente ihre Erfassungsrichtungen in die y-Richtung ausgerichtet haben kann, um eine Bewegung in diese Richtung auszugleichen.
Die mehreren magnetoresistiven Elemente können in einer ersten Ebene so angeordnet sein, dass das mindestens erste und zweite Paar gleichmäßig um den Sensor herum verteilt sind, wobei jedes jeweilige Element eines Paars der magnetoresistiven Elemente auf einer gegenüberliegenden Seite des Sensors und in einer äquidistanten Position bezüglich des Magneten angeordnet ist. Zum Beispiel kann jedes Paar der magnetoresistiven Elemente an einander gegenüberliegenden Ecken des Sensors angeordnet sein, oder sie können in der Mitte einander gegenüberliegender Ränder des Sensors angeordnet sein.
Die mehreren magnetoresistiven Elemente können in einer Brückenanordnung verbunden sein, und eine Ausgabe der Brücke kann eine Bewegung des Magneten in die erste Richtung anzeigen. Zum Beispiel kann die Brückenanordnung eine Wheatstone-Brückenschaltung sein.
Die mindestens eine zweite Richtung kann in einer ersten Ebene im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung verlaufen, wobei die Ausgabe der Brückenanordnung eine Bewegung des Magneten in der ersten Ebene nicht anzeigt. Somit kann die Ausgabe der Brückenanordnung nur eine Anzeige einer Bewegung in die erste Richtung bereitstellen, während der Differenzfeldsensor dazu ausgebildet ist, jegliche Bewegung in der ersten Ebene auszugleichen. Das heißt, der Differenzfeldsensor ist so ausgebildet, dass jegliche Bewegung des Magneten in der ersten Ebene zu einer Änderung von null oder im Wesentlichen null der Ausgabe führt. Somit ist die Ausgabe insofern unabhängig von einer Bewegung in der ersten Ebene, als sie von jeglichen durch eine laterale Bewegung des Magneten in der ersten Ebene verursachten Änderungen der Magnetfeldstärke im Wesentlichen unbeeinflusst ist.
Bei einigen Anordnungen kann ein erstes Paar magnetoresistiver Elemente zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten in Reihe geschaltet sein, und ein zweites Paar Elemente kann zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten in Reihe geschaltet sein, und eine Ausgabe der Brückenschaltung wird einem Knoten zwischen jedem Paar entnommen.
In solchen Fällen kann jedes der mehreren magnetoresistiven Elemente eine Erfassungsrichtung aufweisen. Das erste Paar der magnetoresistiven Elemente kann so angeordnet sein, dass ihre Erfassungsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind, und das zweite Paar der magnetoresistiven Elemente kann so angeordnet sein, dass ihre Erfassungsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind, wobei die Erfassungsrichtungen des zweiten Paars der magnetoresistiven Elemente bezüglich der Erfassungsrichtungen des ersten Paars der magnetoresistiven Elemente versetzt sind. Zum Beispiel kann die Erfassungsrichtung des ersten Paars der magnetoresistiven Elemente im Wesentlichen senkrecht zu der Erfassungsrichtung des zweiten Paars der magnetoresistiven Elemente verlaufen.
Eines der mehreren magnetoresistiven Elemente kann ein Referenzwiderstand sein. Bei einigen Anordnungen kann der Referenzwiderstand abgeschirmt sein, so dass seine Ausgabe nicht magnetfeldabhängig ist.
Gemäß einem dritten Aspekt wird eine andere Ausführungsform eines Positionssensors bereitgestellt.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Sensor ein magnetoresistiver Positionssensor zum Messen der Position in mindestens einer ersten Richtung bereitgestellt, wobei der Sensor einen Magneten, der dazu angeordnet ist, sich in mindestens die erste Richtung zu bewegen, und ein Substrat mit mehreren daran angeordneten magnetoresistiven Elementen aufweist, wobei die magnetoresistiven Elemente dazu angeordnet sind, eine Bewegung des Magneten in eine erste Richtung zu detektieren, wobei die magnetoresistiven Elemente in einer Brückenanordnung angeordnet sind, um eine Bewegung des Magneten in mindestens eine zweite Richtung auszugleichen.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird nunmehr beispielhaft allein mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
2 eine Draufsicht eines Erfassungselements des Sensors von 1;
3 eine Brückenschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
4 ein Diagramm, das die Transferkurve eines GMR-Spin-Ventils gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt;
5 ein Diagramm, das die Feldstärke an der Fläche des Erfassungselements von 2 zeigt, wenn ein Magnet über dem Erfassungselement aufgehängt ist;
6A eine Draufsicht eines Erfassungselements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
6B eine Brückenschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung;
7A bis 7D Diagramme, die ein Magnetfeld an jedem Element des Erfassungselements von 6 zeigen und Diagramme, die die relative Position des Magneten und des Erfassungselements zeigen;
8 ein Diagramm, das die Gesamtmagnetfeldstärke vs. eine Bewegung des Magneten in die z-Richtung zeigt;
9 eine Brückenschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
10 eine Draufsicht eines Erfassungselements gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
11 eine Brückenschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung;
12 ein Diagramm, das eine typische Transferkurve einer GMR-Mehrfachschicht, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt;
13A bis 13D Diagramme, die ein Magnetfeld an jedem Element des Erfassungselements von 10 zeigen; und
14 ein Diagramm, das die Gesamtmagnetfeldstärke vs. eine Bewegung des Magneten in die z-Richtung für das Erfassungselement von 10 zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Ein Positionssensor weist in der Regel einen Magneten auf, der über einem Erfassungselement aufgehängt ist. Der Magnet erzeugt ein Magnetfeld, und das Erfassungselement misst die Magnetfeldstärke. Der Magnet kann so aufgehängt sein, dass er sich bezüglich des Erfassungselements hin und her bewegen kann.
Zum Beispiel kann er unter Verwendung von Metallverbindungen, die als Federn wirken, aufgehängt sein. Wenn sich der Magnet näher zum Erfassungselement bewegt, erfolgt eine entsprechende Zunahme der Magnetfeldstärke am Erfassungselement. Wenn sich der Magnet von dem Erfassungselement weg bewegt, erfolgt umgekehrt eine entsprechende Abnahme der Magnetfeldstärke am Erfassungselement. Somit ist die Ausgabe des Erfassungselements ein Maß der Magnetfeldstärke. Dies stellt den Abstand zwischen dem Magneten und dem Erfassungselement dar. Als Beispiel kann das Erfassungselement ein Hall-Effekt-Sensor oder eine magnetoresistive Vorrichtung, wie zum Beispiel ein riesenmagnetoresistiver Sensor (GMR-Sensor) sein.
Positionssensoren werden so hergestellt, dass der Magnet nur in der Lage sein sollte, sich in die Richtung zu bewegen, für die eine Positionsdetektion erforderlich ist. Diese wird allgemein als die z-Richtung bezeichnet. Es ist jedoch nicht immer möglich, vollständig zu verhindern, dass sich der Magnet in der xy-Ebene von Seite zu Seite bewegt, das heißt, sich in einer senkrecht zu der Detektionsrichtung verlaufenden Ebene bewegt. Das durch einen Magneten erzeugte Magnetfeld variiert nicht nur mit dem Abstand von einem Ende des Magneten in der z-Richtung, sondern auch von Seite zu Seite in der xy-Ebene. Somit kann jegliche laterale Bewegung des Magneten von Seite zu Seite eine Änderung der Ausgabe am Erfassungselement erzeugen. Dies könnte als eine Bewegung in die Primärbewegungsrichtung fehlinterpretiert werden und falsche Positionsanzeigewerte ergeben. Wenn sich der Sensor in großer Nähe einer anderen Vorrichtung, die Magnetfelder erzeugt, bewegt, kann das Erfassungselement ferner diese Felder detektieren. Dies kann als eine Bewegung der Vorrichtung in die Primärrichtung fehlinterpretiert werden.
Bei einer Ausführungsform der Offenbarung ist der Sensor mit Paaren Erfassungselementen versehen, die dazu angeordnet sind, Änderungen des Magnetfelds aufgrund einer Bewegung in der xy-Ebene oder aufgrund von externen Magnetfeldern auszugleichen. Dies wird unter Verwendung eines Paars magnetoresistiver Elemente erreicht, die in einer Wheatstone-Brückenanordnung miteinander verbunden sein können. Jedes Element jedes Paars Elemente ist auf einander gegenüberliegenden Seiten des und äquidistant von dem Magneten positioniert. Die Magnetfeldstärke auf beiden Seiten des Magneten ist allgemein gleich, aber in entgegengesetzten Richtungen. Die magnetoresistiven Erfassungselemente sind so angeordnet, dass bei den Elementen jedes Paars ihre Erfassungsrichtung, das heißt ihre Empfindlichkeit, aufeinander und in die gleiche Richtung ausgerichtet ist. Somit kann eines der Elemente einen sehr hohen elektrischen Widerstand aufweisen, und das andere weist einen niedrigeren elektrischen Widerstand auf, wenn der Magnet in der xy-Ebene zentriert ist. Wenn sich der Magnet in der xy-Ebene in die Richtung der Erfassungsrichtung bewegt, erfahren beide Elemente des Paars eine ähnliche oder eine identische Änderung des elektrischen Widerstands. Somit bleiben das Spannungsteilerverhältnis und somit die Ausgabe der Wheatstone-Brücke gleich oder im Wesentlichen gleich.
Durch derartige Anordnung beider Paare Elemente, dass ihre Erfassungsrichtungen in der xy-Ebene senkrecht zueinander verlaufen und sie um den Magneten herum gleichmäßig verteilt sind, wird eine Bewegung des Magneten in der xy-Ebene weitgehend ausgeglichen. Ferner hat das Anlegen eines gleichmäßigen äußeren Magnetfelds, zum Beispiel von einer externen Vorrichtung, keine oder nur eine minimale Auswirkung auf die Ausgabe der Wheatstone-Brücke.
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Positionssensors 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in 1 gezeigt wird, weist der Sensor einen Magneten 101 und ein Erfassungselement 102 auf. Der Magnet 101 ist über dem Erfassungselement 102 aufgehängt und ist dazu angeordnet, sich in eine Primärrichtung zu bewegen. In diesem Beispiel ist die Primärrichtung die z-Richtung, und somit ist der Magnet dazu angeordnet, sich auf das Erfassungselement 102 zu und davon weg zu bewegen. Der Magnet ist jedoch auch in der Lage, sich in einem geringeren Grad in der xy-Ebene zu bewegen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es sehr schwierig ist, den Magneten so aufzuhängen, dass keine Bewegung in der xy-Ebene vorliegt, während eine Bewegung in der z-Richtung gestattet wird. Der Magnet kann zum Beispiel durch Blechverbinder, die den Magneten an dem Sensor befestigen, gestützt werden. Die Metallverbinder wirken wie Federn, wodurch sie eine Bewegung in die z-Richtung gestatten. Da sie federartig sind, kann es jedoch auch zu einem geringen Bewegungsausmaß in der xy-Ebene kommen.
2 zeigt eine Draufsicht des in 1 gezeigten Erfassungselements 102. In diesem Beispiel weist das Erfassungselement 102 ein Substrat 103 auf, das aus Silicium oder Glas gebildet sein kann. Das Substrat weist vier magnetoresistive Elemente R1, R2, R3 und R4 auf, die auf einer Oberseite des Substrats 103 ausgebildet sind. Die magnetoresistiven Elemente sind Dünnfilmvorrichtungen, die unter Verwendung standardmäßiger Halbleiterherstellungsprozesse gebildet werden können. In diesem Beispiel sind die magnetoresistiven Vorrichtungen riesenmagnetoresistive Spin-Ventile (GMR-Spin-Ventile). Die magnetoresistiven Elemente können jedoch auch tunnelmagnetoresistive Elemente (TMR-Elemente) oder anisotrope magnetoresistive Elemente (AMR-Elemente) sein. Generisch können diese Vorrichtungen als xMR-Elemente bezeichnet werden. Bei weiteren Ausführungsformen kann irgendeine Art von magnetoresistiver Vorrichtung, die für Änderungen eines Magnetfelds in einer bestimmten Richtung empfindlich ist, verwendet werden.
In diesem Beispiel kann jedes magnetoresistive Element R1-R4 in Richtung einer jeweiligen Ecke des quadratischen Substrats gebildet sein. In diesem Beispiel sind die magnetoresistiven Elemente an gegenüberliegenden Ecken des Erfassungselements 102 so angeordnet, dass ihre Empfindlichkeitsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind. Somit sind die Empfindlichkeitsrichtungen der Elemente R1 und R4 aufeinander ausgerichtet, und die Empfindlichkeitsrichtungen der Elemente R2 und R3 sind aufeinander ausgerichtet. Die Empfindlichkeitsrichtung der Elemente R2 und R3 ist so angeordnet, dass sie senkrecht zu der Empfindlichkeitsrichtung der Elemente R1 und R4 verläuft. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Anordnungen möglich sind. Zum Beispiel kann jedes der magnetoresistiven Elemente R1-R4 in Richtung der Mitte eines Rands des Substrats gebildet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Erfassungselement mehr als zwei Paare magnetoresistiver Elemente aufweisen. Je höher die Anzahl von Elementenpaaren, desto besser kann der Sensor eine Bewegung des Magneten in der xy-Ebene ausgleichen. Bei irgendeiner gegebenen Anzahl von Paaren magnetoresistiver Elemente kann die Empfindlichkeitsrichtung der Paare gleichermaßen um 360 Grad verteilt sein. Das heißt, die Paare magnetoresistiver Elemente können über die Ebene, in der eine Bewegung ausgeglichen werden soll, hinweg gleichmäßig verteilt sein, wobei jedes Paar auf einander gegenüberliegenden Seiten des und äquidistant von dem Magneten positioniert ist.
3 ist ein Schaltplan, der die Art und Weise zeigt, auf die die magnetoresistiven Elemente R1 bis R4 in einer Brückenanordnung verbunden sein können, um Änderungen eines Magnetfelds zu detektieren. Im diesem Beispiel können Elemente R1 und R4 zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten in Reihe geschaltet sein. Der erste Knoten ist mit einer ersten Versorgungsschiene gekoppelt, und der zweite Knoten ist mit einer zweiten Versorgungschiene oder Masse gekoppelt. Auf entsprechende Weise sind die Elemente R3 und R2 zwischen dem ersten und dem zweiten Knoten in Reihe geschaltet. Somit ist die Kombination aus den Elementen R1 und R4 mit der Kombination aus den Elementen R2 und R3 parallelgeschaltet. Die Ausgabe der Brückenschaltung wird dann einem dritten Knoten zwischen den Elementen R1 und R4 und einem vierten Knoten zwischen den Elementen R2 und R3 entnommen. Änderungen der Widerstandselemente können Änderungen der Ausgabe bewirken, wodurch eine Anzeige der Bewegung des Magneten in die z-Richtung bereitgestellt wird.
4 zeigt eine typische Transferkurve für ein GMR-Spin-Ventil. Dieses Diagramm zeigt wie sich die Prozentanteiländerung des Widerstandswerts der Vorrichtung bezüglich eines angelegten Magnetfelds ändert. Bei einem großen positiven Magnetfeld, das in der Empfindlichkeitsrichtung des GMR-Spin-Ventils angelegt ist, ist der Widerstandswert niedrig. Bei einem großen negativen Magnetfeld, das in der Empfindlichkeitsrichtung des GMR-Spin-Ventils angelegt ist, ist der Widerstandswert hoch. Die magnetoresistiven Elemente der oben beschriebenen Ausführungsformen können diese Eigenschaften annehmen.
5 zeigt das Magnetfeld in der xy-Ebene der Fläche des Erfassungselements 102, wenn sich der Magnet in einem Abstand von 2 mm über der Fläche befindet und direkt auf der Sensorfläche zentriert ist; das heißt ohne Bewegung in der xy-Ebene. Das Diagramm zeigt die Komponenten (Hx und Hy) in der Ebene, lässt aber die Komponenten (Hz) außerhalb der Ebene weg. Die Feldstärke ist genau in der Mitte der Erfassungselementfläche im Wesentlichen null, während sie zu den Rändern der Sensoren hin relativ stark ist.
Es wird nunmehr die Funktionsweise des Sensors 100 beschrieben. Auf die in 2 gezeigte Anordnung Bezug nehmend, ist der Widerstandswert von R1 und R2 niedrig, während sich der Magnet in einem stationären Zustand befindet, wenn ein großes Magnetfeld in die gleiche Richtung wie die Empfindlichkeitsrichtung von R1 und R2 angelegt wird. Umgekehrt ist der Widerstandswert von R3 und R4 hoch, wenn ein großes Magnetfeld in die der Empfindlichkeitsrichtung von R3 und R4 entgegengesetzte Richtung angelegt wird. Dies bewirkt eine Spannungsdifferenz am Ausgang der Brückenschaltung. Diese Spannung kann als die voreingestellte Spannung für eine Bewegung von null in die z-Richtung aufgezeichnet werden.
Angenommen, der Magnet 101 ist in der xy-Ebene fixiert, wird die Magnetfeldstärke an der Fläche des Erfassungselements schwächer, wenn sich der Magnet von dem Erfassungselement 102 weg bewegt. Somit nimmt der Widerstandswert der Elemente R1 und R2 zu, wenn das Feld in die gleiche Richtung wie die Empfindlichkeitsrichtung der Elemente R1 und R2 orientiert wird. Umgekehrt nimmt der Widerstandswert der Elemente R3 und R4 ab, wenn das Magnetfeld in die der Empfindlichkeitsrichtung der Elemente R3 und R4 entgegengesetzte Richtung orientiert wird. Somit nimmt das Verhältnis des Widerstandswerts der Elemente R1 und R4 ab, während das Verhältnis des Widerstandswerts der Elemente R3 und R2 zunimmt. Somit ändert sich auch die Ausgabe der Brückenschaltung. Das Gegenteil tritt ein, wenn sich der Magnet in Richtung des Erfassungselements bewegt.
Erneut auf 2 Bezug nehmend, ist die Konfiguration der magnetoresistiven Elemente und der Brückenschaltung derart, dass eine Bewegung des Magneten in der xy-Ebene eine minimale Auswirkung oder eine Auswirkung von null auf die Ausgabe der Brückenschaltung hat. Zum Beispiel würde jegliche Bewegung des Magneten in der xy-Ebene in die Empfindlichkeitsrichtung von R1 und R4 eine entsprechende Änderung der Widerstände von R1 und R4 bewirken. Auf 5 Bezug nehmend, wird zum Beispiel das Magnetfeld leicht verringert, wenn sich der Magnet lateral in Richtung von R1 bewegt, was eine leichte Zunahme des Widerstandswerts bewirkt. Wenn sich der Magnet in Richtung von R1 bewegt, bewegt er sich von R4 weg. Dies bewirkt eine leichte Zunahme des Magnetfelds bei R4. Wenn sich das Feld in der der Empfindlichkeitsrichtung von R4 entgegengesetzten Richtung befindet und R4 einen hohen Widerstandswert hat, erfährt R4 jedoch eine entsprechende Zunahme des Widerstandswerts. Somit erfährt das Teilernetzwerk von R1 und R4 keine signifikante Änderung des Teilerverhältnisses. Die Ausgabe von der Brückenschaltung bleibt deshalb die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche. Infolge des Vorhandenseins von zwei Paaren magnetoresistiver Elemente wird ein ähnlicher Ausgleich für eine Bewegung in andere Richtungen innerhalb der xy-Ebene erreicht.
6A zeigt ein Erfassungselement 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Erfassungselement 600 ist das gleiche wie das in 2 gezeigte Element 102, außer dass die magnetoresistiven Elemente H1 bis H4 entlang den Rändern des Substrats anstatt in den Ecken positioniert sind. Die in 6A gezeigten Pfeile entsprechen der Empfindlichkeitsrichtung für jedes Element. Somit sind in diesem Beispiel die magnetoresistiven Elemente an einander gegenüberliegenden Rändern des Erfassungselements 600 so angeordnet, dass ihre Empfindlichkeitsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind. Die Empfindlichkeitsrichtungen der Elemente H1 und H3 sind aufeinander ausgerichtet, und die Empfindlichkeitsrichtungen der Elemente H2 und H4 sind aufeinander ausgerichtet. Die Empfindlichkeitsrichtung der Elemente H2 und H4 ist so angeordnet, dass sie senkrecht zu der Empfindlichkeitsrichtung der Elemente H1 und H3 verläuft. Was die Brückenschaltung angeht, sind H1 und H3 auf einer Seite der Brücke in Reihe geschaltet, und H2 und H4 sind auf der anderen Seite in Reihe geschaltet, wie in 6B gezeigt wird.
Wenn sich der Magnet in die z-Richtung bewegt, entspricht eine beispielhafte Betriebsweise im Wesentlichen der oben in Verbindung mit den 2 und 3 beschriebenen. Während sich der Magnet in einem stationären Zustand befindet, ist der Widerstandswert von H1 und H2 niedrig, wenn ein großes Magnetfeld in die gleiche Richtung wie die Empfindlichkeitsrichtung von H1 und H2 angelegt wird. Umgekehrt ist der Widerstandswert von H3 und H4 hoch, wenn ein großes Magnetfeld in die der Empfindlichkeitsrichtung von H3 und H4 entgegengesetzte Richtung angelegt wird. Wenn sich der Magnet von dem Erfassungselement 600 weg bewegt, wird die Magnetfeldstärke deshalb an der Fläche des Erfassungselements schwächer, was eine Zunahme des Widerstandswerts der Elemente H1 und H2 und eine Abnahme des Widerstandswerts der Elemente H3 und H4 bewirkt. Somit nimmt das Verhältnis des Widerstandswerts der Elemente H1 und H3 ab, während das Verhältnis des Widerstandswerts der Elemente H4 und H2 zunimmt, was zu einer Änderung an der Ausgabe der Brückenschaltung führt. Wie vorher ist das Gegenteil der Fall, wenn sich der Magnet in Richtung des Erfassungselements 600 bewegt.
Die 7A bis 7D zeigen die Magnetfeldstärkemessungen an jedem einzelnen Element des Erfassungselements 600, um die Art und Weise zu demonstrieren, auf die der Sensor funktioniert. In der Praxis würden keine solchen Messungen durchgeführt werden. 8 zeigt die Gesamtausgabe des Erfassungselements 600. Es sei angemerkt, dass die in den 7 und 8 gezeigten Diagramme auf Simulationen basieren, in denen die Ausgangs- oder Nullposition des Magneten in der z-Richtung ungefähr 2 mm von dem Magneten zur Sensorfläche liegt. Somit zeigen die in den 7A bis 7D gezeigten Schaubilder die Änderung der Magnetfeldstärke in der z-Richtung, wenn der Magnet von dem Sensor weg und auf ihn zu bewegt wird, ausgehend von dieser Nullposition.
7A zeigt die Ausgabe jedes Elements, wenn der Magnet auf dem Erfassungselement zentriert ist. Die Position des Erfassungselements bezüglich des Magneten wird auf der rechten Seite des Diagramms gezeigt. Die y-Achse zeigt die gemessene Feldstärke, während die x-Achse die Verschiebung des Magneten in die z-Richtung in Millimeter zeigt. Wie in 7A gezeigt wird, ist die gemessene Feldstärke an H1 und H2 unabhängig von der Verschiebung des Magneten in die z-Richtung identisch. Die durch H3 und H4 gemessene Feldstärke ist auch identisch sowie auch gleich und der an H1 und H2 gemessenen Feldstärke entgegengesetzt. Somit nimmt die Feldstärke mit Zunahme von z an H1, H2, H3 und H4 ab. Somit reflektiert die Ausgabe von der Brückenschaltung nur die Bewegung in die z-Richtung.
7B zeigt die gleiche Anordnung, wenn der Magnet in die x-Richtung (in diesem Beispiel nach links) verschoben wurde. Wie gezeigt wird, ändert sich die Auftragung von H2 und die Auftragung von H4 nicht oder ändert sich nur in einem sehr geringen Ausmaß, da sich die Feldstärke im Bereich der Elemente H2 und H4 nicht wesentlich geändert hat. Die H1 darstellende Auftragung hat sich jedoch nach oben bewegt, was eine Zunahme der Feldstärke anzeigt. Die H3 darstellende Auftragung hat sich auch nach oben bewegt, was eine Abnahme der Feldstärke darstellt. Somit haben die Widerstände sowohl von H1 als auch H3 abgenommen. Da H1 und H3 in der Brückenanordnung in Reihe gebildet sind, ändert sich das Potenzial zwischen den beiden Widerständen nicht signifikant. H1 und H3 gleichen die Bewegung in die x-Richtung faktisch aus.
7C zeigt die gleiche Anordnung, wenn der Magnet in die y-Richtung (in diesem Beispiel nach oben) verschoben wurde. Wie gezeigt wird, ändert sich die Auftragung von H1 und die Auftragung von H3 nicht oder ändert sich nur in einem sehr geringen Ausmaß, da sich die Feldstärke im Bereich der Elemente H1 und H3 nicht wesentlich geändert hat. Die H2 darstellende Auftragung hat sich jedoch nach oben bewegt, was eine Zunahme der Feldstärke anzeigt. Die H4 darstellende Auftragung hat sich auch nach oben bewegt, was eine Abnahme der Feldstärke darstellt. Somit haben die Widerstände sowohl von H2 als auch H4 abgenommen. Da H2 und H4 in der Brückenanordnung in Reihe gebildet sind, ändert sich das Potenzial zwischen den beiden Widerständen nicht signifikant. H2 und H4 gleichen die Bewegung in die y-Richtung faktisch aus.
7D zeigt die gleiche Anordnung, wenn der Magnet in die x-Richtung und die y-Richtung verschoben wurde. Hier zeigt die H1 darstellende Auftragung eine Zunahme der Feldstärke im Bereich von Element H1 an, während die H3 darstellende Auftragung eine Abnahme der Feldstärke im Bereich von Element H3 anzeigt, wodurch die Elemente H1 und H3 eine entsprechende Abnahme des Widerstandswerts erfahren. Ebenso zeigt die H2 darstellende Auftragung eine Zunahme der Feldstärke im Bereich von Element H2 an, während die H4 darstellende Auftragung eine Abnahme der Feldstärke im Bereich von Element H4 anzeigt. Da die Empfindlichkeitsrichtung der Elemente H2 und H4 senkrecht zu der der Elemente H1 und H3 verläuft, führt diese Änderung der Feldstärke zu einer entsprechenden Zunahme des Widerstandselemente H2 und H4. Folglich bleibt die Brückenausgabe an jedem jeweiligen Paar Elemente H1 und H3, und H2 und H4 die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche. Somit gleichen H1 und H3 die Bewegung in die x-Richtung aus, während H2 und H4 jegliche Bewegung in die y-Richtung ausgleichen.
8 ist ein Diagramm, dass die durch die Brückenschaltung detektierte Feldstärke vs. eine Verschiebung des Magneten in die z-Richtung zeigt. In diesem Beispiel zeigt das Diagramm eine Auftragung, wenn der Magnet zentriert ist, eine Auftragung, wenn er um 0,2 mm in die x-Richtung verschoben ist, eine Auftragung, wenn er um 0,2 mm in die y-Richtung verschoben ist, und eine Auftragung, wenn er um 0,2 mm sowohl in die x-Richtung als auch in die y-Richtung verschoben ist. Obgleich aufgrund der xy-Bewegung eine geringe Differenz bei der Ausgabe besteht, wird diese im Vergleich zu einem Detektor mit einem einzigen Element weitgehend ausgeglichen.
9 zeigt eine Brückenschaltung gemäß einer alternativen Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform werden R1 bis R4 jeweils aus zwei identischen magnetoresistiven Elementen R1a, R1b, R2a, R2b, R3a, R3b, R4a und R4b gebildet. Zum Beispiel werden R1a und R1b durch Schneiden eines R1 bildenden Streifens in zwei Hälften gebildet. R1a und R1b befinden sich am gleichen Teil des Erfassungselements bei gleicher Empfindlichkeitsrichtung. Jedes dieser Elemente wird dann in der in 9 gezeigten Brückenanordnung verbunden. Der Vorteil bei dieser Anordnung besteht darin, dass sie verbesserte Temperaturangleicheigenschaften zeigt. Wenn sich der Magnet in die z-Richtung bewegt, ist eine beispielhafte Betriebsweise in Wesentlichen die gleiche wie oben in Verbindung mit den 2 und 3 beschrieben, wobei eine Bewegung in die z-Richtung eine entsprechende Änderung der Ausgaben der Brückenschaltung bewirkt. Wie bei den 2 und 3 würde jegliche Bewegung des Magneten in der xy-Ebene durch Paare Erfassungselemente auf einander gegenüberliegenden Seiten des Sensors mit einer Empfindlichkeit, die auf einander und in die gleiche Richtung ausgerichtet ist, ausgeglichen. Zum Beispiel gleicht jedes der Erfassungselementpaare R1a und R4b, R1b und R4a, R2a und R3b und R2b und R3a eine Verschiebung in der xy-Ebene aus.
10 zeigt ein Erfassungselement 900 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung. Bei dieser Ausführungsform ist zusätzlich zu den magnetoresistiven Elementen R1 bis R4 ein abgeschirmter Referenzwiderstand 901 in der Mitte des Erfassungselements 900 enthalten. Bei dieser Ausführungsform sind die magnetoresistiven Elemente GMR-Mehrschichtelemente. 11 zeigt eine Brückenanordnung, die mit der in 10 gezeigten Anordnung verwendet wird. R1 bis R4 können in einer Reihen- oder Parallelanordnung gekoppelt sein. Der Gesamtwiderstandswert der Reihen- oder Parallelanordnung von R1 bis R4 sollte gleich oder ungefähr gleich dem Widerstandswert des Referenzwiderstands 901 sein. Jedes jeweilige Paar Elemente R1 und R4, und R2 und R3 gleicht eine Bewegung in der xy-Ebene auf im Wesentlichen die gleiche Weise wie die vorherigen Beispiele aus.
Als Alternative können R1 bis R4 jeweils aus zwei identischen magnetoresistiven Elementen R1a, R1b, R2a, R2b, R3a, R3b, R4a und R4b gebildet sein. In solch einem Fall kann der Widerstand von 11 oben links aus R1a bis R4a gebildet sein, und der Widerstand unten rechts kann aus R1b bis R4b gebildet sein. Als eine weitere Alternative kann der Widerstand oben links aus R1 und R2 gebildet sein, während der Widerstand unten rechts aus R3 und R4 gebildet sein kann.
12 ist ein Diagramm, das eine typische Transferkurve einer GMR-Mehrfachschicht gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt. In diesem Beispiel zeigt das Diagramm die allgemeine Beziehung zwischen dem GMR-Widerstandswert und der Magnetfeldstärke eines hierin offenbarten Widerstands. Die Änderungen des Widerstandswert sind von der Magnetfeldrichtung unabhängig.
Die 13A bis 13D zeigen eine Simulation der individuellen Feldstärkemessungen der Widerstände R1 bis R4 bei einer weiteren Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform sind die magnetoresistiven Elemente in den Mitten der Ränder anstatt in den Ecken auf ähnliche Weise wie die in 6A gezeigte Anordnung angeordnet. 14 zeigt eine Simulation der Ausgabe der in 11 gezeigten Brückenanordnung, die die für die 13A bis 13D verwendete magnetoresistive Anordnung verwendet. Wie zu sehen ist, zeigt diese Anordnung weitere Verbesserungen gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsformen mit wenig oder keiner Differenz bei denen sich aus der Bewegung in der xy-Ebene ergebenden Ausgaben.
13A zeigt die Änderungen der Magnetfeldstärke aller vier Widerstände R1-R4, wenn der Magnet in die z-Richtung verschoben wird und der Magnet über dem Sensor zentriert ist, das heißt, es gibt keine Verschiebung in die x- und y-Richtung. Hier ist die Magnetfeldstärke an allen vier Widerständen die gleiche. Die 13B, 13C und 13D zeigen die Änderungen der Magnetfeldstärke aufgrund der Verschiebung in die z-Richtung, wenn der Magnet auch aus seiner mittleren Position lateral weg verschoben wird. In 13B wird der Magnet in die x-Richtung verschoben, wobei die Widerstände R1 und R3 eine entsprechende Änderung der Magnetfeldstärke und somit des Widerstandswerts erfahren, wodurch diese laterale Bewegung ausgeglichen wird. In 13C wird der Magnet in die y-Richtung verschoben, wobei die Widerstände R2 und R4 eine entsprechende Änderung der Magnetfeldstärke und somit des Widerstandswerts erfahren, wodurch diese laterale Bewegung ausgeglichen wird. In 13D wird der Magnet sowohl in die x- als auch die y-Richtung verschoben, wobei jedes Paar wieder eine entsprechende Änderung der Magnetfeldstärke und somit des Widerstandswerts erfährt, wodurch die laterale Bewegung in beiden Richtungen berücksichtigt wird.
Die vorliegende Offenbarung ist zur Verwendung in mehreren Anwendungen geeignet, in denen auf eine Detektion einer Bewegung eines Magneten in eine Richtung durch Bewegung in andere Richtungen eingewirkt werden kann. Beispielhafte Anwendungen beinhalten Antriebsmotoren in Digitalkameras, Antriebsmotoren in Mikroskopen und Näherungsdetektoren.

Claims

Magnetoresistiver Positionssensor zum Messen der Position in mindestens einer ersten Richtung, wobei der Sensor Folgendes aufweist: einen Magneten, der dazu angeordnet ist, sich in mindestens die erste Richtung zu bewegen; und einen Differenzfeldsensor, der dazu angeordnet ist, eine Bewegung des Magneten in die erste Richtung zu detektieren und eine Bewegung des Magneten in mindestens eine zweite Richtung auszugleichen.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Differenzfeldsensor mehrere magnetoresistive Elemente aufweist.
Sensor nach Anspruch 2, wobei jeder der mehreren magnetoresistiven Elemente eine Erfassungsrichtung aufweist und mindestens ein erstes Paar der magnetoresistiven Elemente so angeordnet ist, dass ihre Erfassungsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind.
Sensor nach Anspruch 3, wobei die Erfassungsrichtung der mehreren magnetoresistiven Elemente in einer ersten Ebene angeordnet ist, und die erste Ebene bezüglich der ersten Richtung versetzt ist.
Sensor nach Anspruch 4, wobei die erste Ebene im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung verläuft.
Sensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei die mindestens eine zweite Richtung in der ersten Ebene liegt.
Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein zweites Paar der magnetoresistiven Elemente so angeordnet ist, dass ihre Erfassungsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind, und so, dass ihre Erfassungsrichtungen bezüglich des ersten Paars der magnetoresistiven Elemente versetzt sind.
Sensor nach Anspruch 7, wobei die Erfassungsrichtung des ersten Paars der magnetoresistiven Elemente im Wesentlichen senkrecht zu der Erfassungsrichtung des zweiten Paars der magnetoresistiven Elemente verläuft.
Sensor nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mehreren magnetoresistiven Elemente in einer ersten Ebene angeordnet sind, derart, dass das mindestens erste und zweite Paar der magnetoresistiven Elemente um den Sensor gleichmäßig verteilt sind, wobei jedes jeweilige Element des Paars der magnetoresistiven Elemente auf einer gegenüberliegenden Seite des Sensors und in einer äquidistanten Position bezüglich des Magneten angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die mehreren magnetoresistiven Elemente in einer Brückenanordnung verbunden sind und eine Ausgabe der Brücke eine Bewegung des Magneten in die erste Richtung anzeigt.
Sensor nach Anspruch 10, wobei die Brückenanordnung eine Wheatstone-Brückenschaltung ist.
Sensor nach Anspruch 10 oder 11, wobei die mindestens eine zweite Richtung in einer ersten Ebene im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung liegt, und wobei die Ausgabe der Brückenanordnung eine Bewegung des Magneten in der ersten Ebene nicht anzeigt.
Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein erstes Paar magnetoresistiver Elemente zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten in Reihe geschaltet ist und ein zweites Paar Elemente zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten in Reihe geschaltet ist und eine Ausgabe der Brückenschaltung einem Knoten zwischen jedem Paar entnommen wird.
Sensor nach Anspruch 13, wobei jedes der mehreren magnetoresistiven Elemente eine Erfassungsrichtung aufweist, wobei das erste Paar der magnetoresistiven Elemente so angeordnet ist, dass ihre Erfassungsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind, und wobei das zweite Paar der magnetoresistiven Elemente so angeordnet ist, dass ihre Erfassungsrichtungen aufeinander ausgerichtet sind, wobei die Erfassungsrichtungen des zweiten Paars magnetoresistiver Elemente bezüglich der Erfassungsrichtungen des ersten Paars der magnetoresistiven Elemente versetzt sind.
Sensor nach Anspruch 14, wobei die Erfassungsrichtung des ersten Paars der magnetoresistiven Elemente im Wesentlichen senkrecht zu der Erfassungsrichtung des zweiten Paars der magnetoresistiven Elemente verläuft.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 15, wobei die mehreren magnetoresistiven Elemente ein Referenzwiderstand sind.
Sensor nach Anspruch 16, wobei der Referenzwiderstand abgeschirmt ist, so dass seine Ausgabe nicht magnetfeldabhängig ist.
Sensor magnetoresistiver Positionssensor zum Messen der position in mindestens einer ersten Richtung, wobei der Sensor Folgendes aufweist: einen Magneten, der dazu angeordnet ist, sich in mindestens die erste Richtung zu bewegen; und ein Substrat mit mehreren daran angeordneten magnetoresistiven Elementen, wobei die magnetoresistiven Elemente dazu angeordnet sind, eine Bewegung des Magneten in eine erste Richtung zu detektieren; wobei die magnetoresistiven Elemente in einer Brückenanordnung angeordnet sind, um eine Bewegung des Magneten in mindestens eine zweite Richtung auszugleichen.