DE4438715C1 - Magnetfeldsensorchip - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Bestimmung von linearen oder Dreh-Positionen auf magnetischer Basis. Solche Vorrichtungen bestehen aus einem in gerader oder gekrümmter Linie periodisch magnetisierten Maßstab und einem Magnetfeldsensorsystem, welches vorzugsweise den magnetoresistiven Effekt nutzt. Sie werden zum Beispiel bei der mikroskopischen Vermessung von Objekten oder bei der Steuerung und Regelung vieler Prozesse in der Meßtechnik, in der Feinwerktechnik oder im Maschinenbau eingesetzt.

Der Stand der Technik von Vorrichtungen zur Bestimmung von Positionen mit den oben genannten Eigenschaften geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 42 33 331 hervor. Dort wird bereits dargelegt, daß die magnetische Feldstärke des periodischen Maßstabes mit dem Abstand von seiner Oberfläche um so stärker abnimmt, je kürzer die Periodenlänge des Maßstabes ist. Um für den Abstand des Sensorsystems von der Maßstabsoberfläche eine technisch sinnvolle Toleranz zu ermöglichen, wird man also mit größeren Periodenlängen arbeiten müssen als im vergleichbaren optischen Meßsystem. Durch die bessere Sinusförmigkeit der Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke von der zu messenden Koordinate kann trotzdem eine Meßgenauigkeit erreicht werden, die vergleichbar oder besser ist. Für die üblichen Auswerteverfahren der inkrementalen Längen- oder Winkelmessung ist durch zwei in Meßrichtung um ein Viertel der Periodenlänge versetzt angeordnete Sensoren der Sinus und der Cosinus zu ermitteln. Damit wird die Sensorabmessung in Meßrichtung direkt von der Periodenlänge abhängig. Wie in der angegebenen OS gezeigt, ist angenähert die doppelte Periodenlänge erforderlich. Bei großer Periodenlänge wird also auch eine große Chipfläche notwendig. Die Chipkosten steigen ungünstigerweise jedoch etwa proportional mit der Fläche an.

Diese Schlußfolgerung gilt auch für den Fall, wenn sich die Ebenen der Maßstabsoberfläche und des Sensorchips sich nicht wie bisher diskutiert in geringem Abstand gegenüberstehen, sondern wenn die Sensorchipfläche senkrecht auf der Maßstabsoberfläche steht und mit der zweiten Koordinate in Meßrichtung ausgedehnt ist. Eine solche Anordnung wird beispielsweise in dem Aufsatz "Magnetoresistive Sensoren messen Drehwinkel" von G. Hager (Elektronik 12, 1993, Seite 30 bis 34) beschrieben.

In der Patentschrift DE 42 08 154 C2 wird ein weiterer magnetoresistiver Sensorchip vorgestellt. Auch bei diesem liegt die Sensorebene der Maßstabsoberfläche gegenüber und ist zu dieser parallel angeordnet. Für die Periodenlänge λ wird eine vom Magnetmaßstab her definierte Größe angegeben. Sie umfaßt die Summe der Strecken eines in Meßrichtung magnetisierten und eines dazu entgegengesetzt magnetisierten Bereiches. Da für den Sensor einfache magnetoresistive Streifen ohne Barber Pole Strukturen benutzt werden, weist das Ausgangssignal jedoch in jeder der so festgelegten Periodenlängen zwei komplette Signalperioden auf. Für die Längenmessung ist also die Periodenlänge P, die dem Wert λ/2 entspricht, entscheidend. Die Gesamtlänge des Sensorchips in Meßrichtung des Maßstabes beträgt bei den beiden angegebenen Sensorchipvarianten in einem Fall etwa 3,5 Periodenlänge und im anderen 6 Periodenlängen. Die Ausdehnung des Sensorchips quer zur Meßrichtung ist in der Patentschrift nicht direkt angegeben, jedoch läßt sie sich einmal aus dem notwendigen Widerstandwert der magnetoresistiven Streifen und zum zweiten auch aus den durch eine zufällige Verdrehung entstehenden angegebenen Signalabweichungen abschätzen. Diese zufällige Verdrehung ist in der dortigen Fig. 10A charakterisiert. Es ergeben sich übereinstimmend Ausdehnungen des Chips quer zur Meßrichtung von etwa der fünfzigfachen Periodenlänge. Die in diesem Falle somit notwendige Chipfläche übersteigt die oben bereits genannte noch um ein Vielfaches, so daß hier eine kostengünstige Sensorherstellung auf keinen Fall möglich ist. Durch die große Ausdehnung der Sensorstreifen quer zur Meßrichtung entsteht noch ein anderer für den Aufbau des Längenmeßsystems sehr wesentlicher Nachteil. Dieser besteht in der geringen zulässigen Toleranz für den in der dortigen Fig. 10 auftretenden Azimuthwinkel, die unmittelbar eine hohe Justiergenauigkeit und damit einen hohen Montageaufwand nach sich zieht.

In der Patentschrift US 5 134 371 ist ein magnetoresistiver Sensor zur Positionsbestimmung und zur Drehgeschwindigkeitsanzeige an einem weich magnetischen Zahnrad oder einem abwechselnd in positiver oder negativer Radialrichtung magnetisierten Rad beschrieben. Der magnetoresistive Sensor besteht aus Schichtstreifen, für die eine Kennlinie mit angenähert linearen Bereich durch Anlegen eines von einem Dauermagneten erzeugten Hilfsfeldes erreicht wird. Da ein magnetoresistiver Widerstand mit abnehmendem Widerstandswert und ein Widerstand mit zunehmendem Widerstandswert bei der gleichem zu bestimmenden Magnetfeldstärke zur Differenzbildung benötigt wird, besteht der Sensor bekannterweise aus zwei Schichtstreifengruppen, die mit ihrer Längsrichtung einen Winkel von 90° einschließen. Es erweist sich, daß die Meßsignale nur dann eine einfach auswertbare Form haben, wenn Meßfeld und Hilfsfeld senkrecht aufeinanderstehen. Diese Aufgabe ist hier dadurch gelöst, daß die beiden Schichtstreifengruppen des Sensors einen Winkel von +45° und -45° mit der Richtung des Meßfeldes bilden. Eine Beziehung zwischen der zu messenden Periodenlänge und dem Sensoraufbau wird nicht hergestellt. Einige wesentliche Mängel dieser Anordnung werden bereits in der Patentschrift genannt: Ein Nebeneinander der beiden Schichtstreifengruppen in Meßrichtung führt zu einem Phasenversatz der Signale und damit zu Meßfehlern. Es erhöht auch den Flächenbedarf. Ein Nebeneinander in Hilfsfeldrichtung hat nur den zuletzt genannten Nachteil. Geometrisch am günstigsten ist die Anordnung beider Schichtstreifengruppen übereinander in voneinander isolierten Ebenen. Diese Lösung erfordert jedoch die Herstellung der magnetoresistiven Schichten in zwei nacheinander ablaufenden Prozessen, wobei die für die Schichtabscheidung zur Verfügung stehende Fläche auch noch unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Die Ausarbeitung der Technologie, unter diesen Bedingungen magnetoresistive Schichten mit gleichen Parametern herzustellen, erfordert einen erheblichen Aufwand. Darüberhinaus ist die Einstellung des Arbeitspunktes der magnetoresistiven Schichtstreifengruppen durch Anbringen eines Dauermagneten durch die geforderte hohe Justagegenauigkeit ein sehr arbeitsaufwendiger Vorgang.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung für ein Magnetfeldsensorchip mit magnetoresistiven Widerständen anzugeben, die bei großer Periodenlänge des Magnetmaßstabes und damit großen Montagetoleranzen des Magnetfeldsensorchips gegenüber dem magnetischen Maßstab einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die angegebene Lösung ist sowohl für den Fall ausgeführt, daß der magnetoresistive Einzelsensor durch einen Spannungsteiler, zusammengesetzt aus zwei Widerständen, die jeweils aus einem oder mehreren magnetoresistiven Schichtstreifen bestehen, gebildet ist, als auch für den Fall, daß die Einzelsensoren durch Wheatstone-Brücken dargestellt werden.

Gegenüber bekannten magnetoresistiven Längen- oder Winkelsensoren müssen hier nicht nur parallele oder nur senkrecht zueinander stehende Schichtstreifen verwendet werden, sondern es wird der jeweilige Winkel für jede Schichtstreifengruppe aus dem Abstand der Schichtstreifengruppen konkret ermittelt. Der jeweilige Winkel kann nach der angegebenen Vorschrift für einen beliebigen Versatz der beiden auf einem Magnetfeldsensorchip befindlichen Einzelsensoren bestimmt werden und nicht nur für den bisher üblichen Versatz um ein Viertel der Periodenlänge, der in der Berechnungsformel als Winkel von 90° einzusetzen ist. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten für die Gestaltung der Auswertung der beiden versetzten Signale.

Der angegebenen Berechnungsformel liegt die Berechnung der Richtung der magnetischen Feldlinien oberhalb des Maßstabes nach bekannten Verfahren zugrunde. Sie ergibt sich aus dem Wert der Feldkomponente senkrecht zur Maßstabsoberfläche und aus dem Wert der Feldkomponente in Meßrichtung. Für die Abhängigkeit des Widerstandswertes der magnetoresistiven Schichtstreifen vom Winkel zwischen der Richtung des Stromes und der Magnetisierung wurde die allgemein bekannte Beziehung benutzt, die beispielsweise auch in dem oben zitierten Aufsatz angegeben wird. Weiterhin wurde vorausgesetzt, daß die Richtung der Magnetisierung in den magnetoresistiven Schichtstreifen mit der Magnetfeldrichtung übereinstimmt. Dazu ist es erforderlich, daß die magnetische Feldstärke über dem Maßstab groß ist gegen die Anisotropiefeldstärke der Schichtstreifen. Meßergebnisse mit einem Maßstabsmuster mit einer Periodenlänge der Magnetisierung von 10 mm und einem angepaßten magnetoresistiven Megnetfeldsensorchip zeigten die Richtigkeit aller Voraussetzungen und Annahmen für die Berechnung. Überraschenderweise ergibt sich, daß die Ausgangssignalamplitude der beiden Einzelsensoren, unabhängig davon, ob es sich um Halb- oder Vollbrücken handelt, über einen mit der Länge der Magnetisierungsbereiche des Maßstabes vergleichbaren Bereich des Abstandes zwischen Maßstabsoberfläche und Magnetfeldsensorchip konstant bleibt. Das gilt, obwohl die Stärke des Magnetfeldes über diesen Abstandsbereich um mehr als zwei Größenordnungen variiert. Die Einstellung des Arbeitsabstandes und seine betriebsbedingten Schwankungen stellen durch diese große Toleranz überhaupt kein Problem mehr da.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ableiten.

Fig. 1 zeigt dazu über einem periodischen Magnetmaßstab einen Magnetfeldsensorchip gemäß der Erfindung. In Fig. 2 wird der Abstand der auf dem Magnetfeldsensorchip befindlichen Flächen dargestellt. Eine spezielle elektrische Verbindung der magnetoresistiven Schichtstreifen auf diesen Flächen ist Fig. 3 zu entnehmen. In Fig. 4 ist die Anordnung der magnetoresistiven Schichtstreifen in einem Teil der Flächen im Falle der Anwendung von Wheatston-Brücken erläutert.

In Fig. 1 ist ein magnetischer Maßstab 4 dargestellt, der mit der Periodenlänge p periodisch wie durch die eingezeichneten Pfeile gezeigt in positiver und negativer Meßrichtung magnetisiert ist. Über dem Maßstab 4 befindet sich ein spezieller, rechteckiger Magnetfeldsensorchip 1 entsprechend der Erfindung. Eine Kante 3 der Fläche des Magnetfeldsensorchips 1 ist in Meßrichtung und parallel zur Oberfläche 2 des magnetischen Maßstabes 4 ausgerichtet. Auf dem Magnetfeldsensorchip 1 befinden sich in gleichem Abstand vier Flächen F₁ bis F₄. Auf jeder der Flächen F₁ bis F₄ befinden sich magnetoresistive Schichtstreifen 5, die mit der Kante 3 die Winkel β₁ bis β₄ bilden. Es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß die Periodenlänge p hier mit der Länge einer Magnetisierungsrichtung, der sogenannten Pollänge, übereinstimmt. Diese Wahl wurde getroffen, da diese Länge der Periodenlänge des Ausgangssignales der Widerstandsanordnungen auf dem Sensorchip 1 entspricht. Weiterhin muß darauf hingewiesen werden, daß die Figuren keine maßstabsgerechten Zeichnungen bestimmter Anordnungen sind. Damit ist auch der Zusammenhang der Winkel β₁ bis β₄ und der Lage bezüglich der Periodenlänge p des magnetischen Maßstabes 4 aus der Fig. 1 nicht zu entnehmen. Zur Ermittlung der Winkel β₁ bis β₄ aus den Abständen x₁ bis x₄ der Mitten der Flächen ist die im Anspruch 1 angegebene Berechnungsformel zu benutzen. Aus Fig. 2, die einen Ausschnitt aus der Fig. 1 darstellt, geht hervor, wie die Abstände x₂ bis x₄ der Mitten der Flächen F₁ bis F₄ festgelegt sind. Der Wert von x₁ als Abstand der ersten Fläche von sich selbst ist null.

Im in dem in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellten Beispiel haben die vier Winkel folgende Werte: β₁ = 120°; β₂ = 90°; β₃ = 60° und β₄ = 30°. Der Abstand der Flächen F₁und F₄ entspricht ¼ der Periodenlänge. Damit ist die Ausdehnung des Sensorchips 1 in Meßrichtung wesentlich kleiner als die Periodenlänge p. Die Chipfläche ist so gering und die Herstellung des Magnetfeldsensorchips 1 dadurch sehr kostengünstig. In dem dargestellten Beispiel sind die magnetoresistiven Schichtstreifen 5 der Flächen F₁ und F₃ sowie der Flächen F₂ und F₄ zu Spannungsteilern zusammengeschaltet, wie es der Fig. 3 zu entnehmen ist. Beide Spannungsteiler sind parallel geschaltet und werden mit der Betriebsspannung U_b versorgt. Für die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen U₁ und U₂ wurde ein Wert von 90° zugrunde gelegt. Die beiden Signale U₁ und U₂ sind also um ein Viertel der Maßstabsperiode p gegeneinander versetzt. Die Ermittlung der Positionsänderungen des Sensorchips 1 gegenüber dem Maßstab 4 aus diesen beiden Signalen erfolgt nach bekannten Auswerteverfahren der inkrementalen Längenmessung.

Eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Sensorchips 1, in der zwei vollständige Wheatstone-Brücken verwendet werden, ist ausschnittsweise in Fig. 4 dargestellt. Die Fig. 4 zeigt nur die Flächen F₂ und F₄ des Sensorchips 1, während die Flächen F₁ und F₃ auch auf diesem Magnetfeldsensorchip 1 vorhanden sind, in der Darstellung jedoch weggelassen wurden. Auf jeder der Flächen F₂, F₄ sind die in der elektrischen Brückenschaltung im oberen Teil der Fig. 4 jeweils diagonal liegenden Widerstände 9 bzw. 10 angeordnet. Jeder Widerstand besteht aus vier magnetoresistiven Widerstandsstreifen 5. Die Winkel β₂ und β₄, die die magnetoresistiven Widerstandsstreifen 5 mit der Kante 3 des Sensorchips 1 bilden, wurden wieder nach der unter Anspruch 1 angegebenen Formel berechnet. Die magnetoresistiven Widerstandsstreifen 5 sind mäanderförmig miteinander verbunden und den beiden Widerständen 9 bzw. 10 paarweise abwechselnd zugeordnet. Durch diese ineinander verschachtelte Anordnung von jeweils zwei Widerständen 9 bzw. 10 wird erreicht, daß die entsprechenden Widerstände 9 bzw. 10 im Mittel bei etwa dem gleichen Positionswert über dem magnetischen Maßstab 4 liegen und so bei beiden Widerständen auf einer Fläche F₂ bzw. F₄ die durch die gleiche Magnetfeldstärke bewirkte gleiche Widerstandsänderung auftritt. Deshalb wird gegenüber der oben beschriebenen Anwendung von Spannungsteilern bei gleicher Betriebsspannung U_b an den Brückenausgängen U₂₁ und U₂₂ als Ausgangssignal eine Differenzspannung von doppelter Amplitude erhalten. Auf dem Sensorchip 1 befinden sich in dieser Ausführungsform der Erfindung selbstverständlich wieder vier Flächen F₁ bis F₄ mit zwei kompletten Brücken, die wieder zwei in der Phase versetzte Ausgangssignale liefern. Die zweite Brücke ist entsprechend der beschriebenen ersten Brücke aufgebaut, was jedoch in der Fig. 4 nicht dargestellt ist. Für die Ermittlung der Position des Magnetfeldsensorchips 1 gegenüber dem magnetischen Maßstab 4 aus den beiden Brückenausgangsspannungen können wieder bekannte Verfahren für die inkrementale Längenmessung genutzt werden.

Claims (8)

1. Magnetfeldsensorchip, der gegenüber einem periodisch magnetisierten Maßstab in dessen Längsrichtung beweglich angeordnet ist und dessen Ebene senkrecht zur Maßstabsoberfläche und in Bewegungsrichtung ausgedehnt ist und zur Messung von zwei phasenverschobenen Ausgangssignalen aus magnetoresistiven Schichtstreifen gebildete Spannungsteiler oder Wheatstone-Brücken enthält, die auf dem Magnetfeldsensorchip (1) in Richtung einer zur Maßstabsoberfläche (2) parallelen Kante (3) nebeneinander von links beginnend in einer ersten bis vierten Fläche (F_n; n = 1; 2; 3; 4) angeordnet sind, die jeweils im Vergleich mit der Periodenlänge (p) eines magnetisierten Maßstabes (4) eine geringe Ausdehnung in beiden Richtungen haben und einen oder mehrere magnetoresistive Schichtstreifen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Flächen (F_n; n = 1; 2; 3; 4) jeweils symmetrisch um quer zur Bewegungsrichtung verlaufende Mittellinien (7) ausgedehnt sind und in diesen Flächen (F_n) jeweils ein oder mehrere zueinander parallele magnetoresistive Schichtstreifen (5) mit gleichen Flächenanteilen symmetrisch zu den Mittellinien angeordnet sind, und daß die Längsrichtungen (6) der magnetoresistiven Schichtstreifen (5) Winkel β_n mit der Kante (3) bilden, die durch die Abstände x_n der Mittellinien (7) der jeweiligen Fläche (F_n) von der der ersten Fläche (F₁) be­ stimmt sind durch β_n = β_o + (x_n/p)·180° - (n-1)·ϕ/2, n = 1; 2; 3 oder 4mit β_o als dem Winkel der Längsrichtung (6) der magnetoresistiven Schichtstreifen (5) mit der Kante (3) in der ersten Fläche (F₁) und ϕ als der Phasendifferenz der beiden Ausgangssignale (U₁; U₂), und daß die erste und dritte Fläche (F₁ und F₃) beziehungsweise die zweite und vierte Fläche (F₂ und F₄) jeweils die aus den magnetoresistiven Schichtstreifen (5) bestehenden Widerstände (8) eines Spannungsteilers oder einer Brücke enthalten.

2. Magnetfeldsensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in allen vier Flächen F_n, n = 1; 2; 3; 4) jeweils parallele magnetoresistive Schichtstreifen (5) mäanderförmig zu Widerständen (8) miteinander verbunden sind und die Widerstände (8) ohne Magnetfeldeinwirkung gleichen Gesamtwiderstandswertes von zwei Spannungsteilern bilden.

3. Magnetfeldsensorchip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von magnetoresistiven Schichtstreifen (5) in jeder Fläche (F_n; n = 1; 2; 3; 4) vorhanden ist und daß jeweils zwei nebeneinanderliegende magnetoresistive Schichtstreifen (5) ein Paar bilden und die nebeneinander liegenden Paare abwechselnd Teil des einen und Teil des anderen diagonalen Widerstandes (9 oder 10) sind, und daß die Schichtstreifen (5) der beiden Brückenwiderstände (9 oder 10) jeweils mäanderförmig verbunden sind.

4. Magnetfeldsensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Fläche (F_n; n = 1; 2; 3; 4) jeweils die magnetoresistiven Schichtstreifen (5) von beiden in der Brückenschaltung diagonal gegenüberliegenden Widerständen (9 oder 10) enthält.

5. Magnetfeldsensorchip nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verbindungsleitungen zwischen den Brückenwiderständen (9 oder 10) abgleichbare Widerstandsflächen zur Einstellung der Brückensymmetrie vorgesehen sind.

6. Magnetfeldsensorchip nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle magnetoresistiven Schichtstreifen (5), die Verbindungsleitungen und die Anschlußkontakte in einer Ebene liegen.

7. Magnetfeldsensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Schichtstreifen (5) Barberpolstrukturen tragen.

8. Magnetfeldsensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz ϕ der beiden Ausgangssignale (U₁; U₂) 90° beträgt.