WO2007051801A1 - Arrangement for magnetic field measurement - Google Patents

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WO2007051801A1
WO2007051801A1 PCT/EP2006/067984 EP2006067984W WO2007051801A1 WO 2007051801 A1 WO2007051801 A1 WO 2007051801A1 EP 2006067984 W EP2006067984 W EP 2006067984W WO 2007051801 A1 WO2007051801 A1 WO 2007051801A1
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branches
arrangement according
measuring
branch
sensors
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Application number
PCT/EP2006/067984
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Inventor
Roland Weiss
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for magnetic field measurement with a measuring bridge of MR sensors.
  • Magnetoresistive sensors are based on so-called XMR effects.
  • the electrical properties of such a sensor change depending on the magnetic field applied to the sensor.
  • XMR effects denote a whole class of similar effects, e.g. GMR sensors, in particular, represent an alternative to Hall sensors.
  • MR sensors are always used for measuring the magnetic field and are used in the position and velocity measurement systems. , Speed, field or current sensors. Particularly in the field of position and current sensors, the market has increasingly relied on sensors based on XMR effects in recent years.
  • MR sensors Compared to Hall sensors are MR sensors mainly the advantages of a simpler system structure, a greater resistance to interference due to the more reduced foreign ⁇ field sensitivity in the system, and a lower noise on.
  • the higher sensitivity eliminates the need for additional, previously necessary flux concentrators at the sensor, which leads to further advantages of the overall sensor, such as lower weight and fewer saturation problems.
  • MR elements In many applications, especially in position, speed and current sensors, four MR elements each are connected in a so-called Wheatstone bridge in order to produce a more precise, from temperature fluctuations, external fields, etc. to achieve more independent measurement.
  • FIG. 1 shows a magnetic field measuring device 100 according to the prior art in the embodiment as a Wheatstone bridge.
  • the magnetic field sensor 100 has two electrical connections 102a and 102b, with which it is connected via connection lines 104a and 104b to a voltage source, not shown. Between the terminals 102a and 102b, two electric branches 106a and 106b are connected in parallel.
  • Each of the branches 106aun 106b consists of the series connection of two MR resistors 108 and a respective voltage tap 110a and 106b lying between the two MR resistors 108 of a branch 106a and 106b. From each voltage tap 110a and 106b leads a measuring line 112 to a separate, not shown in Figure 1 transmitter.
  • the measuring arrangement 100 as a Wheatstone measuring bridge therefore supplies the bridge voltage U BE between the voltage taps 110a and 100b, which is picked off via the measuring lines 112 and further processed in the evaluation electronics. If the MR resistors 108 are penetrated by a magnetic field 114, they change their electrical resistance. By appropriate dimensioning of the MR resistors 108 or the entire measuring bridge, it is then achieved that the bridge voltage U BE changes. The bridge voltage U BE thus represents a measure of the magnetic field 114.
  • DE 34 26 784 A1 discloses a magnetoresistive sensor for emitting electrical signals as a function of the position or rotational speed of a ferromagnetic body, in which ferromagnetic measuring strips on a substrate are penetrated by a stationary magnetic constant field.
  • a bridge may be formed, the conductor tracks are assigned in a specific way.
  • a plurality of magneto-resistive elements are formed on a substrate, forming a double Wheatstone bridge, wherein at least one resistive element in each case Element is magnetic field sensitive.
  • the two bridges are constructed identically, the polarity of each corre sponding ⁇ magnetoresistive elements is opposite. This circuit should be able to eliminate an offset signal in the measuring arrangement.
  • the cause of the offset that is the voltage of the MR sensor when the field strength disappears, and partly also the non-linearity, lies in the lacking pair accuracy of the MR bridge. resistors. This is caused by procedural fluctuations, which today lies in the percentage range; The aim here is an accuracy in the per thousand range.
  • MR sensors z. B. sorted by quality, which means a high reject rate in production. Also, the MR sensors are trimmed with the laser, which is complicated and expensive. MR sensors can also be used in egg ner so-called closed-loop circuit in which an artificial field for compensation of the measured field it is evidence ⁇ to match the resulting field to zero at the sensor location.
  • the closed-loop circuit thus has the disadvantage of a very high power consumption and more expensive discrete electronic amplifier components or a very expensive BiCMOS process for the realization of the electronics.
  • the object of the present invention is therefore to improve the arrangement of MR sensors known from the prior art and the measuring bridge formed thereby.
  • the invention relates to a measuring arrangement of magnetic ⁇ field sensors with electrical connections for power supply, with at least three parallel between the terminals, a measuring bridge forming branches, wherein each branch at least two series-connected MR sensors including, with an intermediate voltage tap for a bridge voltage and wherein uras two branch groups are formed by the branches in each case we ⁇ .
  • the branches of a branch group can be directly next to each other or even nested.
  • the individual branch groups are advantageously mirror-symmetrical or point-symmetrical with respect to the same symmetry element.
  • each two of the at least three rallel connected between the terminals pa ⁇ branches form a measuring bridge in the manner of a Wheatstone measuring bridge.
  • a separate bridge voltage can be removed in each case between their voltage taps.
  • at least a third branch is provided with an additional voltage tap, at least three different independent bridge voltages are available between the three voltage taps of the three branches.
  • Bridge voltages can be such.
  • the bridge voltage at the magnetic field sensor can be calculated taking into account the error propagation.
  • the voltage error of the bridge voltage ie the offset voltage AU BMr, P ', the following results:
  • m is a factor for the meandering structure of a single MR sensor consisting of m meanders of partial sensors, as will be explained below.
  • branch groups need to contain multiple branches.
  • branch groups There are also single branches - in other words to single two ⁇ gen degenerate branch groups - possible.
  • At least one of the MR sensors may include a series connection of a plurality of MR sub-sensors. These may in particular be strung together meandering.
  • Latter measure is already only peo ⁇ within a gen MR sensor instead of a compensation of manufacturing variations in the production of each part MR sensors.
  • the MR sub-sensors can be interconnected meander-shaped to form an MR sensor.
  • the meandering arrangement of MR partial sensors is well known, as well as the resulting advantages, such as the small footprint for producing an MR sensor.
  • the noise voltage with meandering of m MR partial sensors increases according to the formula
  • the offset voltage is further reduced by meandering with the factor m, but less than by parallel connection. Due to the combination of m meander and 2p parallel elements, ie branches in the construction of a magnetic field sensor, two degrees of freedom are available, in order to best adapt this to existing specifications given given design rules.
  • the magnetic field sensor may include at least two branch groups each comprising at least two branches. This offers several combi ⁇ nation possibilities for magnetic field sensors with various measuring applications, as explained below.
  • branches are constructed identically within a branch group. "Identical” means here at ⁇ not necessarily be completely identical, but also to the branches. B. not only for manufacturing tolerances of the MR sensors, but in the dimensioning and the different acting on them local magnetic field.
  • the spacing of individual branches within the branch group may be smaller than the spacing of the branch groups from each other.
  • the magnetic field sensor is then formed from at least two, relatively widely spaced branch groups, each branch group consists of at least two individual branches, which in contrast behave ⁇ tively close to each other.
  • each branch group consists of at least two individual branches, which in contrast behave ⁇ tively close to each other.
  • a structure is formed similar to a Wheatstone bridge, wherein each of the two bridge branches of the bridge has two paralle ⁇ le branches, each with a voltage tap.
  • the arrangement according to the invention then provides a total of four bridge voltages, namely from the two voltage taps of the one branch group to the two voltage taps of the second branch group.
  • the intervals between individual branches within the branch group for various branch groups un ⁇ may be differently.
  • different branch groups can thus locally different field strengths or fields, namely corresponding to the respective different distance of their branches, to realize the magnetic field measurement. This is especially helpful when measuring gradient fields.
  • the branch groups can be arranged nested. Between the branches of a first branch group are then z. For example, all show one or more other topic groups.
  • a current sensor can be constructed according to the principle of a gradient bridge. In this principle, the further inside of a branch group associated MR elements, ie z. B. exposed in the nesting to innermost branch group, in pairs a lower magnetic field strength. These MR elements are thus saturated only at higher currents and thus a larger field gradient. The outside, ie far apart MR elements are then exposed to a larger field gradient and go earlier in saturation.
  • the MR elements of inner and outer branch groups may be geometrically different.
  • the field gradient is low, may no longer be detectable by the innermost branch group because too small and below the working area ei ⁇ nes MR sensor, but then from the outermost branch group, which is relatively far from each other MR Elements in their workspace are captured.
  • this effect can be intensified.
  • the magnetic field sensor thereby has a considerably extended measuring range. Due to an extension of the measuring range, it is z. B. possible to better predict the hysteresis at the offset by a suitable signal post-processing of the bridge voltage. This hysteresis component at the offset is caused by overcurrents or high magnetic fields, wel ⁇ che beyond the required measuring range z. B. may occur in special operating conditions or in the event of a fault.
  • Such a magnetic field sensor is fundamentally "open-loop” and / or “closed-loop” capable.
  • the magnetic field sensor can be arranged as an integrated magnetic field sensor together with evaluation electronics on a single chip.
  • the area requirement for chip area increases greatly in the presence of a plurality of voltage taps , since the voltage tap has to be conducted to a bonding pad for subsequent contacting.
  • the bond pads are here in the
  • the bonding pads are avoided because the voltage taps can be performed directly on the off ⁇ evaluation electronics.
  • the contacting of voltage taps of the transmitter can, for. B. by Through holes, so-called “vias” are produced .Thus, for example, a lying between the evaluation and MR sensor electrical insulation layer is overcome.
  • Each voltage tap in a branch may be assigned an amplifier stage. This too is not critical in the case of integration on a chip surface, since an amplifier stage can also be realized in a significantly smaller space than a bond pad or MR element. Because of the high input impedance of the amplifier stage, due to the amplifier stage at each voltage tap, a particularly good voltage measurement between the individual branches takes place with respect to the bridge voltages.
  • the MR sensors of individual branches may be different. So z. B. be covered by the integration of MR sensors with different sensitivities for magnetic fields large areas to be measured field strength. Corresponding MR sensors therefore have a greatly increased dynamic range compared to those which are constructed from the same MR sensors.
  • Individual branches may include ⁇ therebetween predetermined angle. This results in so-called MR angle sensors with which field angles in the magnetic field to be measured can be determined.
  • MR angle sensors with which field angles in the magnetic field to be measured can be determined.
  • angles can z. B. in particular 30 °, 45 °, 60 ° or 90 °. These are common angles for field determination, in which particularly simple geometric angular relationships apply. The reworking of measured values is thereby considerably simplified. Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims.
  • FIG. 1 shows a magnetic field sensor in the form of a Wheatstone
  • Figure 2 shows a magnetic field sensor with three branch groups of two branches
  • Figure 3 is a diagram illustrating the sensitivity and measuring range
  • FIG. 4 shows an alternative magnetic field sensor with two groups of two branches each
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment for a branch from FIG.
  • FIG. 6 shows the layout of a magnetic field sensor according to FIG. 4 and FIG.
  • FIG. 6 shows the layout of a magnetic field sensor in an alterna tive embodiment for ⁇ field angle measurement.
  • Figure 1 has already been described in detail in the presentation of the prior art.
  • two branches are present. Branch groups are not formed there.
  • FIG. 2 shows a magnetic field sensor 2 with three branch groups 10a, 10b, 10c are arranged each consisting of two branches 8a, 8b and 8c, 8d and 8e, 8f, the symmetrically to a symmetry plane SE ⁇ and in pairs in each case form a measuring bridge.
  • all the branch groups 10a to 10c are executed with branches 8a to 8f extending parallel to one another, the distances a, b, c of the branches within the branch groups 10a to 10c being different for each of these branch groups. they are.
  • the branches 8a, 8b of the branch group 10a have the smallest distance 30a, the branch group 10b a greater distance 30b, and the branch group 10d the largest distance 30c.
  • the branch group 10c includes the two branch groups 10a and 10b between their branches 8e and 8f.
  • the branch ⁇ group 10b in turn, includes between its branches 8c and 8d, the branch group 10a.
  • the branch groups 10a to 10c are thus arranged nested inside each other.
  • the voltages between different branch groups 10a to 10c are not tapped via the leads 20, as is the case in FIG. 4, but the three voltages U ab , Ucd and U e f occurring within the branch groups 10 a - c, ie the voltages Tensions between the branches 8a, 8b and 8c, 8d and 8e, 8f.
  • each branch 10a - 10c thus consists of at least two series music-connected sensors 16i D and D 1 ⁇ 2 ac with an intermediate voltage tap 18a -18d for a bridge voltage U, ad U, Practice or U b d- Of these four bridge voltages are each independently of three ⁇ .
  • the MR sensors 16 'of the branch groups 10a to 10c in FIG. 2 have pairs of different geometries (width of the strips).
  • the different geometries (width of the strips) or sensor surfaces cause a different measuring range of the individual partial bridges.
  • the measurement sensitivity of a measurement arrangement it is located ⁇ of Figure 3.
  • the characteristics of the individual measurement branches are shown. Specifically, the abscissa is the measuring current I M and the ordinate, the measurement voltage U B ⁇ applied.
  • the graphs 26, 27 and 28 characterize the characteristic curves of the individual bridges from the branch groups 10 1 .
  • A represents the working range and Ü the overflow range.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of a magnetic field sensor ⁇ 2 with two electrical terminals 4a and 4b, to which in turn supply lines 6a and 6b are connected, which lead from the magnetic field measuring device 2 to a not shown in the Figure 1 power supply.
  • the magnetic field sensor 2 are provided between the terminals 4a and 4b are a total of four electrical branches tet 8a to 8d parallel maral ⁇ .
  • the branches 8a and 8b form a first branch group 10a, and the branches 8c and 8d form a second pointing group 10b.
  • Inner ⁇ half of the branch groups 10a and 10b have the branches 8a and 8b and 8c and 8d to each other a distance d of 100 microns, where ⁇ , however, the branch groups 10a and 10b have a distance e of 1500 ⁇ m to each other. The distance d is therefore significant smaller than the distance d of the branch groups (d ⁇ e).
  • Each branch 8a to 8d in turn includes the series connection of two MR resistors 16ik and 162k with a respective voltage tap 18a to 18d arranged between them. All voltage taps 18a to 18d are connected via leads 20 to a transmitter, not shown.
  • the magnetic field measuring device 2 is intended to measure a magnetic field 21 "in plane", that is to say in the plane of the magnetic field sensor 2.
  • the magnetic field 21 has a known local characteristic which subjects all elements within the branch groups 10a and 10b to the same field strength and field direction These differ only between the branch groups 10a and 10b.
  • the branches 8a and 8b or 8c and 8d are each dimensioned identically to ⁇ each other but by institutionsto ⁇ tolerances different from each other, the four measured voltages are dependent just from these manufacturing tolerances.
  • the measurement accuracy of the magnetic field sensor 2 is therefore ge ⁇ increases when processed instead of a single bridge voltage according to the prior art, all four bridge voltages, z. B. be averaged. Of these four bridge voltages, three are linearly independent.
  • the number of bridge voltages can be achieved by further parallelization of the magnetic field measuring arrangement 2, ie by the insertion of additional branches in the branch groups 10a and / or 10b further increased and thus the measurement accuracy for magnetic field ⁇ measurement further improved.
  • FIG. 5 shows a specific embodiment of one of the branches 8a to 8d using the branch 8a as an example.
  • the two, the voltage tap 18a enclosing MR resistors 16 lk are not made in one piece, but each of three MR partial resistors 22i, 22 2 and 22 3 constructed, which are paral ⁇ lel and spaced from each other on a substrate, not shown.
  • the MR partial resistors 22 k are connected in series in meandering fashion at their ends via electrically conductive bridges 24 x .
  • the bridges 24 k may alternatively be made of MR material.
  • the two end MR partial resistors 22i and 22 3 of the upper MR resistor 16i k in FIG. 5 are connected via the leads 26 and 28 to the terminal 4a on the one hand and to the voltage tap 18a on the other hand
  • FIG. 6 shows the structure according to FIG. 4, in which the MR resistors 16 lk are designed in a meandering manner according to FIG. 2, in a realization as an integrated circuit.
  • the above-mentioned evaluation electronics 42 and the leads 20 and additional Sig ⁇ nal Kochen 44 are applied in the form of interconnects.
  • the leads 20 and signal lines 44 are connected to the transmitter 42.
  • each supply line 20 is assigned an amplifier stage 43, which amplifies the voltage present at the corresponding voltage tap, which here corresponds to the bond pads 52b, with a high input impedance.
  • the entire substrate 40 is nik together with the Ausenseelektro ⁇ 42 and the aforementioned conductor tracks of an intermediate layer 46 covers, which is shown cut away in Figure 4 in the field of electronics Ausenseelek ⁇ 42nd
  • the eight MR resistors 16 as well as four bond pads 48a-d and printed conductors 50 are applied to the intermediate layer 46.
  • the MR resistors 16 are ge in Switzerlandtechnik ⁇ Gurss Figure 2 but formed with five instead of that shown in Figure 2, three meander.
  • Each MR resistor 16 lk has at its two ends per contact areas 52a and 52b. In this case, the contact areas 52a are connected above the interconnects 46 via the interconnects 50 to the bonding pads 48a and 48b, which thus correspond to the terminals 4a, 4b of FIG.
  • the contact portions 52b are on the one hand above the layer between ⁇ 46 also through conducting paths 50 each in pairs, ver ⁇ connected so as to form the four branches from figure 1 to 8d 8a.
  • four so-called "vias" or through-contacts 54 are arranged, which provide an electrical connection between the corresponding contact regions 52b through the intermediate layer 46 to the underlying ones Leads 20 ago.
  • the evaluation electronics 42 carries out the evaluation of the four voltages U ac , U ad , U bc and U b d from FIG.
  • the measurement result is output via the signal lines 44 which electrically connect the evaluation electronics 42 to the bonding pads 48c and 48d.
  • an overall karte bridge voltage to the bonding pads 48c and 48d submitge ⁇ be ben analog.
  • a digitally coded voltage or a voltage profile can be output as a digitized measurement result. This can be z.
  • FIG. 7 shows, according to FIG. 6, the realization of a magnetic field sensor operating on the principle of FIG.
  • FIG. 3 shows, according to FIG. 6, the realization of a magnetic field sensor operating on the principle of FIG.
  • only two branch groups 10a and 10b are interleaved with each other so as to detect various magnetic field gradients as described above.
  • each branch corresponding to the individual branches 8a to 8d from FIG. 5 is again constructed according to FIG. 2 or FIG. 4 from the parallel connection of two individual branches and the MR resistors 16 are meandered.
  • B an averaging of the manufacturing tolerances of the MR resistors 16 1D according to Figure 2 and Figure 4/5 instead.
  • FIG. 8 shows the layout of a further embodiment of a magnetic field measuring arrangement 2, here with four parallel angle sensor bridges 60a to 60d.
  • the individual angle sensor bridges 60a to 60d are arranged point-symmetrically to a central point of symmetry SP.
  • the bond pads 48a to 48d serve both the power supply of the measuring arrangement 2 and the delivery of the measurement information, as has already been described in detail.

Abstract

A magnetic field sensor (2) comprises two electrical connections (4a, 4b) for voltage supply, and at least three branches (8a - 8c), which are connected in parallel between the connections (4a, 4b) and form a measurement bridge, wherein each branch (8a - 8c) contains at least two series-connected MR sensors (16ik) with a voltage tap (18a - 18d) located therebetween for a bridge voltage (Uac, Uad, Ubc, Ubd) and forms at least three branch groups (10a - 10c). The individual branch groups (10a - 10c) are arranged in mirror-symmetrical or point-symmetrical fashion to form a single balancing element (SE, SP) within the realms of measurement-engineering tolerances.

Description

Beschreibungdescription
Anordnung zur MagnetfeldmessungArrangement for magnetic field measurement
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Magnetfeldmessung mit einer Messbrücke aus MR-Sensoren.The invention relates to an arrangement for magnetic field measurement with a measuring bridge of MR sensors.
Magnetoresistive Sensoren, sog. MR-Sensoren, basieren auf so genannten XMR-Effekten . Die elektrischen Eigenschaften eines derartigen Sensors ändern sich je nach an dem Sensor anliegendem Magnetfeld. XMR-Effekte bezeichnen eine ganze Klasse ähnlicher Effekte, z. B. MR, Giant MR (GMR), Colossal MR (CMR), AMR usw. Insbesondere GMR-Sensoren stellen heute eine Alternative zu Hallsensoren dar. MR-Sensoren dienen stets der Magnetfeldmessung und finden Einsatz in der Positions-, Ge- schwindigkeits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik . Insbesondere im Bereich der Positions- und Stromsensorik sind am Markt während der letzten Jahre verstärkt auf den XMR- Effekten basierte Sensoren zu finden.Magnetoresistive sensors, so-called MR sensors, are based on so-called XMR effects. The electrical properties of such a sensor change depending on the magnetic field applied to the sensor. XMR effects denote a whole class of similar effects, e.g. GMR sensors, in particular, represent an alternative to Hall sensors. MR sensors are always used for measuring the magnetic field and are used in the position and velocity measurement systems. , Speed, field or current sensors. Particularly in the field of position and current sensors, the market has increasingly relied on sensors based on XMR effects in recent years.
Im Vergleich zu Hallsensoren weisen MR-Sensoren hauptsächlich die Vorteile eines einfacheren Systemaufbaus, einer größeren Störsicherheit, bedingt durch die stärker reduzierte Fremd¬ feldempfindlichkeit im System, und eines geringeren Rauschens auf. Durch die höhere Empfindlichkeit werden zusätzliche, bisher notwendige Flusskonzentratoren am Sensor unnötig, was zu weiteren Vorteilen des Gesamtsensors führt, wie geringerem Gewicht und weniger Sättigungsproblemen.Compared to Hall sensors are MR sensors mainly the advantages of a simpler system structure, a greater resistance to interference due to the more reduced foreign ¬ field sensitivity in the system, and a lower noise on. The higher sensitivity eliminates the need for additional, previously necessary flux concentrators at the sensor, which leads to further advantages of the overall sensor, such as lower weight and fewer saturation problems.
Bei MR-basierten Sensoren bieten sich vor allem vollintegrierte Lösungen an, da die MR-Elemente als Back-End-Prozess auf einer bereits auf einem Chipsubstrat aufgebrachten Elektronik oben aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chipfläche beanspruchen.Fully integrated solutions are particularly suitable for MR-based sensors, since the MR elements can be applied as a back-end process on top of an electronics already mounted on a chip substrate, thus requiring no additional chip area.
In vielen Anwendungen, vor allem in der Positions-, Drehzahl- und Stromsensorik werden jeweils vier MR-Elemente zu einer so genannten Wheatstone-Brücke verschaltet, um eine genauere, von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern usw. unabhängigere Messung zu erreichen.In many applications, especially in position, speed and current sensors, four MR elements each are connected in a so-called Wheatstone bridge in order to produce a more precise, from temperature fluctuations, external fields, etc. to achieve more independent measurement.
Aus der DE 34 26 784 Al ist beispielsweise ein Magnetfeldsen- sor bekannt, wie er im speziellen Beschreibungsteil insbeson¬ dere in Figur 1 gezeigt wird. Im Einzelnen zeigt Figur 1 eine Magnetfeldmessanordnung 100 gemäß Stand der Technik in der Ausführung als Wheatstone-Brücke . Der Magnetfeldsensor 100 weist zwei elektrische Anschlüsse 102a und 102b auf, mit wel- chen er über Anschlussleitungen 104a und 104b an einer nicht dargestellten Spannungsquelle angeschlossen ist. Zwischen den Anschlüssen 102a und 102b sind zwei elektrische Zweige 106a und 106b parallel geschaltet. Jeder der Zweige 106aun 106b besteht aus der Reihenschaltung zweier MR-Widerstände 108 und einem jeweils zwischen den beiden MR-Widerständen 108 eines Zweiges 106a und 106b liegenden Spannungsabgriff 110a und 106b. Von jedem Spannungsabgriff 110a und 106b führt eine Messleitung 112 zu einer separaten, in Figur 1 nicht dargestellten Auswerteelektronik.From DE 34 26 784 Al is for example a Magnetfeldsen- sor known as particular in the specific part insbeson ¬ is shown in FIG. 1 In detail, Figure 1 shows a magnetic field measuring device 100 according to the prior art in the embodiment as a Wheatstone bridge. The magnetic field sensor 100 has two electrical connections 102a and 102b, with which it is connected via connection lines 104a and 104b to a voltage source, not shown. Between the terminals 102a and 102b, two electric branches 106a and 106b are connected in parallel. Each of the branches 106aun 106b consists of the series connection of two MR resistors 108 and a respective voltage tap 110a and 106b lying between the two MR resistors 108 of a branch 106a and 106b. From each voltage tap 110a and 106b leads a measuring line 112 to a separate, not shown in Figure 1 transmitter.
Die Messanordnung 100 als Wheatstone-Messbrücke liefert also zwischen den Spannungsabgriffen 110a und 100b die Brückenspannung UBE, die über die Messleitungen 112 abgegriffen und in der Auswerteelektronik weiter verarbeitet wird. Werden die MR-Widerstände 108 von einem Magnetfeld 114 durchsetzt, so ändern sie ihren elektrischen Widerstand. Durch entsprechende Dimensionierung der MR-Widerstände 108 bzw. der gesamten Messbrücke wird dann erreicht, dass sich die Brückenspannung ÜBE ändert. Die Brückenspannung UBE stellt damit ein Maß für das Magnetfeld 114 dar.The measuring arrangement 100 as a Wheatstone measuring bridge therefore supplies the bridge voltage U BE between the voltage taps 110a and 100b, which is picked off via the measuring lines 112 and further processed in the evaluation electronics. If the MR resistors 108 are penetrated by a magnetic field 114, they change their electrical resistance. By appropriate dimensioning of the MR resistors 108 or the entire measuring bridge, it is then achieved that the bridge voltage U BE changes. The bridge voltage U BE thus represents a measure of the magnetic field 114.
Weiterhin ist aus der DE 34 26 784 Al ein magnetoresistiver Sensor zur Abgabe von elektrischen Signalen in Abhängigkeit von der Lage oder der Drehzahl eines ferromagnetischen Kör- pers bekannt, bei dem ferromagnetische Messstreifen auf einem Substrat von einem stationären magnetischen Gleichfeld durchsetzt sind. Dabei kann eine Brücke gebildet sein, der Leiter- bahnen in spezifischer Weise zugeordnet sind. Ein als Brü¬ ckenschaltung ausgebildeter Magnetfeldsensor ist aus der DE 10 2004 040 079 B3 bekannt, wobei ein erster und ein zwei¬ ter Brückenzweig mit jeweils zumindest zwei in Reihe geschal- tete Widerstände, von denen jeweils zumindest einer magneto- resistiv ist, vorhanden sind. Dabei sind zur Messung eines Feldgradienten in Richtung einer Basisachse die einzelnen Widerstände voneinander beabstandet angeordnet und ist ein dritter Brückenzweig geschaltet, der gemeinsam mit dem ersten oder zweiten Brückenzweig zur Messung der Magnetfeldstärke dient. Eine Zweifach-Wheatstone-Brücke ist schließlich aus der US 6 100 686 A bekannt Zur Bildung eines magnetischen Feldsensors sind auf einem Substrat eine Mehrzahl von magne- toresistiven Elementen angeordnet, die eine Zweifach-Wheat- stone-Brücke bilden, wobei zumindest jeweils ein resistives Element magnetfeldempfindlich ist. Die beiden Brücken sind identisch aufgebaut, wobei die Polarität der jeweils entspre¬ chenden magnetoresistiven Elemente entgegengesetzt ist. Mit dieser Schaltung soll auf ein Offset-Signal in der Messanord- nung eliminiert werden können.Furthermore, DE 34 26 784 A1 discloses a magnetoresistive sensor for emitting electrical signals as a function of the position or rotational speed of a ferromagnetic body, in which ferromagnetic measuring strips on a substrate are penetrated by a stationary magnetic constant field. In this case, a bridge may be formed, the conductor tracks are assigned in a specific way. An than Brü ¬ bridge circuit formed magnetic field sensor is known from DE 10 2004 040 079 B3, wherein a first and a two ¬ ter bridge arm, each having at least two geschal- preparing resistors in series, at least one magneto of which is each resistive, are present , In this case, the individual resistors are arranged spaced from each other for measuring a field gradient in the direction of a base axis and a third bridge branch is connected, which serves together with the first or second bridge branch for measuring the magnetic field strength. Finally, a two-Wheatstone bridge is known from US Pat. No. 6,100,686 A. To form a magnetic field sensor, a plurality of magneto-resistive elements are formed on a substrate, forming a double Wheatstone bridge, wherein at least one resistive element in each case Element is magnetic field sensitive. The two bridges are constructed identically, the polarity of each corre sponding ¬ magnetoresistive elements is opposite. This circuit should be able to eliminate an offset signal in the measuring arrangement.
Bei den bekannten Messandnungen aus MR-Sensoren treten jedoch in der Praxis häufig Probleme auf, wie z. B. ein Offset und eine damit verbundene Offsetdrift und/oder Hystereseeffekte mit Nichtlinearitäten und Temperaturdriften. Diese unerwünschten Erscheinungen sind bedingt durch intrinsische Mate¬ rialeigenschaften und prozesstechnische Schwankungen bei der Abscheidung und Strukturierung der MR-Schichten auf einem Substrat. Vor allem die in der Anwendung bei der Stromsenso- rik geforderten Überströme bzw. auch generell eine Überschreitung der zu messenden Sollfeldstärke können über die materialintrinsischen Eigenschaften der Hysterese zu einer zeitlichen Veränderung des Offsets führen und damit die Messgenauigkeit der Messanordnung deutlich reduzieren.In the known Messandnungen from MR sensors, however, often occur in practice problems such. As an offset and associated offset drift and / or hysteresis effects with non-linearities and temperature drifts. These undesirable phenomena are caused by intrinsic rialeigenschaften Mate ¬ and process-related variations in the deposition and patterning of the MR layers on a substrate. Above all, the overcurrents required in the application in the field of current measurement, or else generally exceeding the target field strength to be measured, can lead to a temporal change in the offset via the material intrinsic properties of the hysteresis and thus significantly reduce the measurement accuracy of the measuring arrangement.
Die Ursache des Offsets, also der Spannung des MR-Sensors bei verschwindender Feldstärke, und zum Teil auch der Nichtlinea- rität liegt in der mangelnden Paargenauigkeit der MR-Brücken- widerstände. Diese ist durch prozesstechnische Schwankungen verursacht, welche heute im Prozentbereich liegt; angestrebt ist hier eine Genauigkeit im Promillebereich.The cause of the offset, that is the voltage of the MR sensor when the field strength disappears, and partly also the non-linearity, lies in the lacking pair accuracy of the MR bridge. resistors. This is caused by procedural fluctuations, which today lies in the percentage range; The aim here is an accuracy in the per thousand range.
Ziel bei der Entwicklung von MR-Sensoren ist es, eine Kompensation von Offset und Nichtlinearität in der den MR-Element nachgeschalteten Elektronik, also z. B. eine rein digitale Kompensation, zu erreichen. Hierzu allerdings darf der Offset ein gewisses Maß nicht überschreiten.The goal in the development of MR sensors is to compensate for offset and nonlinearity in the MR element downstream electronics, so z. As a purely digital compensation to achieve. For this, however, the offset must not exceed a certain extent.
Bisher werden MR-Sensoren z. B. nach Qualität aussortiert, was jedoch einen hohen Ausschuss bei der Produktion bedeutet. Auch werden die MR-Sensoren mit dem Laser getrimmt, was jedoch aufwendig und teuer ist. MR-Sensoren können auch in ei- ner so genannten Closed-Loop-Schaltung verwendet werden, bei der ein künstliches Feld zur Kompensation des Messfeldes er¬ zeugt wird, um am Ort des Sensors das resultierende Feld auf Null abzugleichen.So far, MR sensors z. B. sorted by quality, which means a high reject rate in production. Also, the MR sensors are trimmed with the laser, which is complicated and expensive. MR sensors can also be used in egg ner so-called closed-loop circuit in which an artificial field for compensation of the measured field it is evidence ¬ to match the resulting field to zero at the sensor location.
Die Closed-Loop-Schaltung hat damit den Nachteil einer sehr hohen Leistungsaufnahme und teurerer diskreter elektronischer Verstärkerbauelemente bzw. eines sehr teueren BiCMOS-Prozes- ses zur Realisierung der Elektronik. Das oben genannte Lasertrimmen und aussortieren, also eine stark reduzierte Ausbeu- te, verursachen immense Kosten bei der Herstellung.The closed-loop circuit thus has the disadvantage of a very high power consumption and more expensive discrete electronic amplifier components or a very expensive BiCMOS process for the realization of the electronics. The above-mentioned laser trimming and sorting out, ie a greatly reduced yield, cause immense costs in the production.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vom Stand der Technik bekannte Anordnung aus MR-Sensoren und damit gebildeter gebildeten Messbrücke zu verbessern.The object of the present invention is therefore to improve the arrangement of MR sensors known from the prior art and the measuring bridge formed thereby.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa¬ tentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features of Pa ¬ tentanspruches 1. Further developments are specified in the subclaims.
Gegenstand der Erfindung ist eine Messanordnung aus Magnet¬ feldsensoren mit elektrischen Anschlüssen zur Spannungsversorgung, mit mindestens drei zwischen den Anschlüssen parallel geschalteten, eine Messbrücke bildenden Zweigen, wobei jeder Zweig mindestens zwei in Reihe geschaltete MR-Sensoren mit einem dazwischen liegenden Spannungsabgriff für eine Brückenspannung enthält und wobei von den Zweigen jeweils we¬ nigstens zwei Zweiggruppen gebildet sind. Die Zweige einer Zweiggruppe können direkt nebeneinander liegen oder auch einander verschachtelt zugeordnet sein. Dabei sind die einzelnen Zweiggruppen im Rahmen technischer Toleranzen vorteilhafterweise Spiegel- oder punktsymmetrisch zum gleichen Symmetrieelement .The invention relates to a measuring arrangement of magnetic ¬ field sensors with electrical connections for power supply, with at least three parallel between the terminals, a measuring bridge forming branches, wherein each branch at least two series-connected MR sensors including, with an intermediate voltage tap for a bridge voltage and wherein nigstens two branch groups are formed by the branches in each case we ¬. The branches of a branch group can be directly next to each other or even nested. Within the scope of technical tolerances, the individual branch groups are advantageously mirror-symmetrical or point-symmetrical with respect to the same symmetry element.
Jeweils zwei der mindestens drei zwischen den Anschlüssen pa¬ rallel geschalteten Zweige bilden somit eine Messbrücke nach Art einer Wheatstone' sehen Messbrücke. Zwischen je zwei Zweigen ist jeweils zwischen deren Spannungsabgriffen eine sepa- rate Brückenspannung abnehmbar. Da erfindungsgemäß jedoch mindestens ein dritter Zweig mit einem zusätzlichen Spannungsabgriff vorgesehen ist, stehen zumindest drei verschiedene unabhängige Brückenspannungen zwischen den drei Spannungsabgriffen der drei Zweige zur Verfügung.Thus, each two of the at least three rallel connected between the terminals pa ¬ branches form a measuring bridge in the manner of a Wheatstone measuring bridge. Between each two branches a separate bridge voltage can be removed in each case between their voltage taps. However, since according to the invention at least a third branch is provided with an additional voltage tap, at least three different independent bridge voltages are available between the three voltage taps of the three branches.
Durch die mindestens drei Spannungsabgriffe kann während ei¬ nes einzigen Messzyklus also nicht nur eine einzige Brücken¬ spannung wie bisher, sondern mindestens drei Brückenspannungen erfasst werden. Die pro Messzyklus gewonnene Informati- onsmenge ist daher deutlich erhöht.By at least three voltage taps not only a single bridge ¬ ¬, during egg nes single measurement cycle voltage as before, but at least three bridge voltages are detected. The amount of information obtained per measuring cycle is therefore significantly increased.
Durch eine anschließende Weiterverarbeitung der im Allgemeinen verschiedenen, voneinander unabhängigen Brückenspannungen können z. B. statistische Fehler, welche durch die Prozessie- rung der MR-Sensoren hervorgerufen werden, ausgeglichen werden .By a subsequent further processing of the generally different, independent bridge voltages z. B. statistical errors caused by the processing of the MR sensors are compensated.
Mit den zwei elektrischen Anschlüssen zur Spannungsversorgung kann natürlich auch eine Stromversorgung der Messbrücke, z. B. mit konstantem Versorgungsstrom, bewerkstelligt werden, falls diese in einem anderen Messbetrieb arbeiten soll. Das durch einen ohmschen Widerstandes bedingte Rauschen der Spannung Ur in einem Net zwerk mit Widerstand R i st in bekann¬ ter Wei se def iniert al s :Of course, with the two electrical connections for power supply, a power supply of the bridge, z. B. with constant supply current, be accomplished, if they should work in another measurement mode. The conditional by an ohmic resistance noise of the voltage U r in a Net Zwerk with resistance R i st in well Wei ¬ ter se def ined al s:
Ur = ^4KTRAf , ( 1 ) mit K = Boltzmann-Konstante T = abs . Temperatur R = ohmscher Widerstand Δf = FrequenzdifferenzU r = ^ 4KTRAf, (1) with K = Boltzmann constant T = abs. Temperature R = ohmic resistance Δf = frequency difference
Bezeichnet UrBE das Widerstandsrauschen in der Messbrücke mit 2p = z = 2 , also zwei Zweigen nach Figur 1, und UrBP das Wider¬ standsrauschen in einer Messbrücke mit mehreren Zweigen 2p = z , welche 2p-l-z-l unabhängige Werte für Brückenspannungen UBP liefert, so gilt:U denotes RBE the resistance noise in the measuring bridge with 2p = z = 2, ie, two branches of Figure 1, and U rBP the counter ¬ was noise in a measurement bridge with several branches 2p = z, which 2p VAS independent values for bridge voltages U BP provides , then:
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001
Durch eine entsprechende Mitteilung der verschiedenen 2p-lBy an appropriate communication of the various 2p-l
Brückenspannungen kann so z. B. eine geringere Schwankung des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors aufgrund prozesstechni¬ scher Schwankungen, d.h. der Exemplarstreuung einzelner MR- Sensoren, erreicht werden.Bridge voltages can be such. B. a smaller fluctuation of the output signal of the magnetic field sensor due to process ¬ cal fluctuations, ie the specimen scattering of individual MR sensors, can be achieved.
Bezeichnet AR die Standardabweichung des ohmschen Widerstandes R eines einzelnen MR-Sensors auf dem Sensorchip, so kann die Brückenspannung am Magnetfeldsensor unter Berücksichtigung der Fehlerfortpflanzung berechnet werden. Für den Span- nungsfehler der Brückenspannung, also die Offsetspannung AU BMr,P' ergibt sich:If AR denotes the standard deviation of the ohmic resistance R of a single MR sensor on the sensor chip, then the bridge voltage at the magnetic field sensor can be calculated taking into account the error propagation. For the voltage error of the bridge voltage, ie the offset voltage AU BMr, P ', the following results:
Figure imgf000008_0002
m ist hierbei ein Faktor für den mäanderförmigen Aufbau ei- nes einzelnen MR-Sensors aus m Mäandern von Teilsensoren, wie weiter unten noch erläutert wird.
Figure imgf000008_0002
m is a factor for the meandering structure of a single MR sensor consisting of m meanders of partial sensors, as will be explained below.
In einem Magnetfeldsensor mit mehreren Zweiggruppen müssen natürlich nicht alle Zweiggruppen mehrere Zweige enthalten. Es sind auch Einzelzweige - mit anderen Worten zu Einzelzwei¬ gen entartete Zweiggruppen - möglich.Of course, in a magnetic field sensor with multiple branch groups, not all of the branch groups need to contain multiple branches. There are also single branches - in other words to single two ¬ gen degenerate branch groups - possible.
Mindestens einer der MR-Sensoren kann eine Reihenschaltung mehrerer MR-Teilsensoren enthalten. Diese können insbesondere mäanderförmig aneinandergereiht sein.At least one of the MR sensors may include a series connection of a plurality of MR sub-sensors. These may in particular be strung together meandering.
Durch letztere Maßnahme findet bereits innerhalb eines einzi¬ gen MR-Sensors eine Kompensation von Fertigungsschwankungen bei der Herstellung der einzelnen MR-Teilsensoren statt. Die statistischen Schwankungen, z. B. des Widerstandswertes der MR-Teilsensoren mittein sich hierbei innerhalb eines einzel¬ nen MR-Sensors durch die x-fache Reihenschaltung teilweise aus, so dass mehrere gesamte MR-Sensoren gegeneinander weniger Schwankungen aufweisen.Latter measure is already only peo ¬ within a gen MR sensor instead of a compensation of manufacturing variations in the production of each part MR sensors. The statistical fluctuations, z. B. the resistance of the MR-part sensors in this case within a single ¬ nen MR sensor by the x-fold series connection partially off, so that a plurality of entire MR sensors against each other have fewer fluctuations.
Hierbei können die MR-Teilsensoren mäanderförmig zu einem MR- Sensor verschaltet sein. Die mäanderförmige Anordnung von MR- Teilsensoren ist hinreichend bekannt, ebenso wie die daraus resultierenden Vorteile, wie beispielsweise der geringe Platzbedarf zur Herstellung eines MR-Sensors. Die Rauschspannung bei Mäanderung von m MR-Teilsensoren steigt zwar nach der FormelIn this case, the MR sub-sensors can be interconnected meander-shaped to form an MR sensor. The meandering arrangement of MR partial sensors is well known, as well as the resulting advantages, such as the small footprint for producing an MR sensor. The noise voltage with meandering of m MR partial sensors increases according to the formula
Figure imgf000009_0001
etwa wurzeiförmig an, jedoch wird dies durch die erwähnte Rauschspannungsänderung bei Parallelschaltung von 2p Zweigen, wie oben ausgeführt, kompensiert.
Figure imgf000009_0001
approximately wurzelförmig, but this is compensated by the mentioned noise voltage change in parallel connection of 2p branches, as stated above.
Zusätzlich wird die Offset-Spannung, wie oben erläutert, durch Mäanderung mit dem Faktor m weiter verringert, jedoch weniger stark als durch Parallelschaltung. Durch die Kombination aus m Mäander- und 2p Parallelelementen, also Zweigen beim Aufbau eines Magnetfeldsensors stehen zwei Freiheitsgrade zur Verfügung, um diesen bei vorgegebenen Design-Rules an existierende Vorgaben bestmöglich anzupassen.In addition, as explained above, the offset voltage is further reduced by meandering with the factor m, but less than by parallel connection. Due to the combination of m meander and 2p parallel elements, ie branches in the construction of a magnetic field sensor, two degrees of freedom are available, in order to best adapt this to existing specifications given given design rules.
Der Magnetfeldsensor kann mindestens zwei Zweiggruppen aus je mindestens zwei Zweigen enthalten. Dies bietet mehrere Kombi¬ nationsmöglichkeiten für Magnetfeldsensoren mit verschiedenen messtechnischen Anwendungen, wie im Folgenden ausgeführt wird.The magnetic field sensor may include at least two branch groups each comprising at least two branches. This offers several combi ¬ nation possibilities for magnetic field sensors with various measuring applications, as explained below.
Dies gilt insbesondere, wenn die Zweige innerhalb einer Zweiggruppe identisch aufgebaut sind. „Identisch" meint hier¬ bei nicht zwingenderweise vollständige Identität, sondern auch, dass sich die Zweige z. B. lediglich durch Fertigungstoleranzen der MR-Sensoren, jedoch nicht in der Dimensionierung und dem auf sie einwirkenden lokalen Magnetfeld unterscheiden .This is especially true if the branches are constructed identically within a branch group. "Identical" means here at ¬ not necessarily be completely identical, but also to the branches. B. not only for manufacturing tolerances of the MR sensors, but in the dimensioning and the different acting on them local magnetic field.
Für in Relation zum Ortsverhalten des Magnetfeldes eng beieinander liegenden Zweige innerhalb einer Zweiggruppe herrschen dann im allgemeinen die gleichen magnetischen Felder vor, so dass innerhalb der Zweiggruppe, wiederum abgesehen von den Fertigungsschwankungen, sich nahezu gleiche Potentia- Ie am Spannungsabgriff in jedem Zweig einstellen.For in relation to the local behavior of the magnetic field closely adjacent branches within a branch group prevail then in general the same magnetic fields, so that set within the branch group, again apart from the manufacturing fluctuations, almost identical potenti ies at the voltage tap in each branch.
Genau diese Unterschiede können dann z. B. durch die oben ge¬ nannte Fehlerverminderung durch Mittelung kompensiert werden.Exactly these differences can then z. B. be compensated by the above ge ¬ called error reduction by averaging.
Der Abstand einzelner Zweige innerhalb der Zweiggruppe kann kleiner als der Abstand der Zweiggruppen zueinander sein.The spacing of individual branches within the branch group may be smaller than the spacing of the branch groups from each other.
Mit anderen Worten ist der Magnetfeldsensor dann aus mindestens zwei, verhältnismäßig weit voneinander beabstandeten Zweiggruppen gebildet, wobei jede Zweiggruppe aus mindestens zwei Einzelzweigen besteht, die im Gegensatz hierzu verhält¬ nismäßig eng zueinander beanstandet sind. Im einfachsten Fall, also mit zwei Zweiggruppen aus je zwei Zweigen entsteht ein Gebilde ähnlich einer Wheatstone-Brücke, wobei jeder der beiden Brückenzweige der Brücke zwei paralle¬ le Zweige mit je einem Spannungsabgriff aufweist. Im Ver- gleich zur klassischen Wheatstone-Brücke, welche nur eine einzige Brückenspannung liefert, liefert dann die erfindungs¬ gemäße Anordnung insgesamt vier Brückenspannungen, nämlich von der zwei Spannungsabgriffen der einen Zweiggruppe zu den zwei Spannungsabgriffen der zweiten Zweiggruppe.In other words, the magnetic field sensor is then formed from at least two, relatively widely spaced branch groups, each branch group consists of at least two individual branches, which in contrast behave ¬ tively close to each other. In the simplest case, that is with two branch groups of two branches, a structure is formed similar to a Wheatstone bridge, wherein each of the two bridge branches of the bridge has two paralle ¬ le branches, each with a voltage tap. In comparison to the classical Wheatstone bridge, which supplies only a single bridge voltage, the arrangement according to the invention then provides a total of four bridge voltages, namely from the two voltage taps of the one branch group to the two voltage taps of the second branch group.
Von den vier Brückenspannungen sind drei voneinander unabhängig und können, wie oben beschrieben, vorteilhafterweise wei¬ ter verarbeitet, beispielsweise gemittelt, werden.Of the four bridge voltages, three are independent of one another and, as described above, can advantageously be further processed, for example averaged.
Alternativ zu oben können auch die Abstände einzelner Zweige innerhalb der Zweiggruppe für verschiedene Zweiggruppen un¬ terschiedlich sein. Mit verschiedenen Zweiggruppen lassen sich somit lokal verschiedene Feldstärken oder Felder, nämlich entsprechend dem jeweiligen unterschiedlichen Abstand ihrer Zweige, zur Magnetfeldmessung realisieren. Dies ist insbesondere bei der Messung von Gradientenfeldern hilfreich.As an alternative to the above, the intervals between individual branches within the branch group for various branch groups un ¬ may be differently. With different branch groups can thus locally different field strengths or fields, namely corresponding to the respective different distance of their branches, to realize the magnetic field measurement. This is especially helpful when measuring gradient fields.
Die Zweiggruppen können dabei verschachtelt angeordnet sein. Zwischen den Zweigen einer ersten Zweiggruppe liegen dann z. B. sämtliche Zeige einer oder mehrerer anderer Zweiggruppen. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein Stromsensor nach dem Prinzip einer Gradientenbrücke aufbauen. Bei diesem Prinzip sind die weiter innen liegenden einer Zweiggruppe zugehörigen MR-Elemente, also z. B. die in der Verschachtelung zu innerste liegende Zweiggruppe, paarweise einer geringeren magnetischen Feldstärke ausgesetzt. Diese MR-Elemente gehen damit erst bei größeren Strömen und damit einem größeren Feldgradienten in Sättigung. Die außen, also weit voneinander liegenden MR-Elemente sind dann einem größeren Feldgradienten ausgesetzt und gehen früher in Sättigung. Die MR-Elemente von inneren und äußeren Zweiggruppen können hierbei geometrisch unterschiedlich sein. Bei schwachen Feldstärken hingegen ist der Feldgradient gering, eventuell von der innersten Zweiggruppe nicht mehr erfassbar, da zu klein bzw. unterhalb des Arbeitsbereiches ei¬ nes MR-Sensors, kann jedoch dann von der äußersten Zweiggrup- pe, also den relativ weit voneinander entfernten MR-Elementen in deren Arbeitsbereich erfasst werden.The branch groups can be arranged nested. Between the branches of a first branch group are then z. For example, all show one or more other topic groups. As a result, for example, a current sensor can be constructed according to the principle of a gradient bridge. In this principle, the further inside of a branch group associated MR elements, ie z. B. exposed in the nesting to innermost branch group, in pairs a lower magnetic field strength. These MR elements are thus saturated only at higher currents and thus a larger field gradient. The outside, ie far apart MR elements are then exposed to a larger field gradient and go earlier in saturation. The MR elements of inner and outer branch groups may be geometrically different. At low field strengths, however, the field gradient is low, may no longer be detectable by the innermost branch group because too small and below the working area ei ¬ nes MR sensor, but then from the outermost branch group, which is relatively far from each other MR Elements in their workspace are captured.
Je nach Höhe der Formanisotropie, Streufeldkopplung usw., welche durch das Layout, also die Anordnung der Zweige, Zweiggruppen und die Geometrie der MR-Elemente vorgegeben ist, lässt sich dieser Effekt verstärken.Depending on the height of the shape anisotropy, stray field coupling, etc., which is predetermined by the layout, that is to say the arrangement of the branches, branch groups and the geometry of the MR elements, this effect can be intensified.
Der Magnetfeldsensor weist hierdurch einen erheblich erweiterten Messbereich auf. Durch eine Erweiterung des Messberei- ches ist es z. B. möglich, den Hystereseanteil am Offset durch eine geeignete Signalnachbearbeitung der Brückenspannung besser vorherzusagen. Dieser Hystereseanteil am Offset wird durch Überströme bzw. hohe Magnetfelder verursacht, wel¬ che jenseits des geforderten Messbereiches z. B. bei besonde- ren Betriebszuständen oder im Fehlerfall auftreten können.The magnetic field sensor thereby has a considerably extended measuring range. Due to an extension of the measuring range, it is z. B. possible to better predict the hysteresis at the offset by a suitable signal post-processing of the bridge voltage. This hysteresis component at the offset is caused by overcurrents or high magnetic fields, wel ¬ che beyond the required measuring range z. B. may occur in special operating conditions or in the event of a fault.
Ein derartiger Magnetfeldsensor ist grundsätzlich „open-loop" und/oder „closed-loop"-fähig.Such a magnetic field sensor is fundamentally "open-loop" and / or "closed-loop" capable.
Der Magnetfeldsensor kann als integrierter Magnetfeldsensor zusammen mit einer Auswerteelektronik auf einem einzigen Chip angeordnet sein. Bei einer geometrischen Anordnung der Messzweige auf dem Chip steigt der Flächenbedarf an Chipfläche bei Vorhandensein mehrere Spannungsabgriffe stark an, da je¬ der Spannungsabgriff zur späteren Kontaktierung auf ein Bond- Päd geführt werden muss. Die Bond-Pads sind hierbei in derThe magnetic field sensor can be arranged as an integrated magnetic field sensor together with evaluation electronics on a single chip. In the case of a geometrical arrangement of the measuring branches on the chip, the area requirement for chip area increases greatly in the presence of a plurality of voltage taps , since the voltage tap has to be conducted to a bonding pad for subsequent contacting. The bond pads are here in the
Regel deutlich größer als ein MR-Sensor selbst bzw. die Auswerteelektronik .Usually much larger than an MR sensor itself or the transmitter.
Durch die Integration des Magnetfeldsensors zusammen mit der Auswerteelektronik auf einem einzigen Chip werden die Bond- Pads vermieden, da die Spannungsabgriffe direkt auf die Aus¬ werteelektronik geführt werden können. Die Kontaktierung von Spannungsabgriffen der Auswerteelektronik kann z. B. durch Durchkontaktierungen, so genannte „Vias" hergestellt werden. Hierdurch wird z. B. eine zwischen Auswerteelektronik und MR- Sensor liegende elektrische Isolationsschicht überwunden.By integrating the magnetic field sensor together with the evaluation electronics on a single chip, the bonding pads are avoided because the voltage taps can be performed directly on the off ¬ evaluation electronics. The contacting of voltage taps of the transmitter can, for. B. by Through holes, so-called "vias" are produced .Thus, for example, a lying between the evaluation and MR sensor electrical insulation layer is overcome.
Jedem Spannungsabgriff in einem Zweig kann eine Verstärkerstufe zugeordnet sein. Auch dies ist bei der Integration auf einer Chipfläche unkritisch, da auch eine Verstärkerstufe auf deutlich geringerem Raum als ein Bond-Pad bzw. MR-Element realisiert werden kann. Durch die Verstärkerstufe an jedem Spannungsabgriff erfolgt wegen der hohen Eingangsimpedanz der Verstärkerstufe eine besonders gute Spannungsmessung zwischen den einzelnen Zweigen bezüglich der Brückenspannungen.Each voltage tap in a branch may be assigned an amplifier stage. This too is not critical in the case of integration on a chip surface, since an amplifier stage can also be realized in a significantly smaller space than a bond pad or MR element. Because of the high input impedance of the amplifier stage, due to the amplifier stage at each voltage tap, a particularly good voltage measurement between the individual branches takes place with respect to the bridge voltages.
Die MR-Sensoren einzelner Zweige können unterschiedlich sein. So kann z. B. durch die Integration von MR-Sensoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten für Magnetfelder große Bereiche zu messender Feldstärke abgedeckt werden. Entsprechende MR-Sensoren weisen daher einen stark vergrößerten Dynamikbereich gegenüber solchen auf, die aus gleichen MR-Sensoren aufgebaut sind.The MR sensors of individual branches may be different. So z. B. be covered by the integration of MR sensors with different sensitivities for magnetic fields large areas to be measured field strength. Corresponding MR sensors therefore have a greatly increased dynamic range compared to those which are constructed from the same MR sensors.
Einzelne Zweige können zwischen sich vorgegebene Winkel ein¬ schließen. Hierdurch entstehen so genannte MR-Winkelsensoren, mit denen Feldwinkel im zu messenden Magnetfeld ermittelt werden können. Durch den Einsatz von um bestimmte Winkel versetzte Zweige innerhalb einer Zweiggruppe bzw. zwischen zwei Zweiggruppen kann wieder die Informationsmenge pro Messzyklus erhöht werden. So können auch bezüglich der Feldwinkel Messfehler bzw. Messungenauigkeiten, wie oben erläutert, redu- ziert werden.Individual branches may include ¬ therebetween predetermined angle. This results in so-called MR angle sensors with which field angles in the magnetic field to be measured can be determined. Through the use of branches offset by certain angles within a branch group or between two branch groups, the amount of information per measurement cycle can be increased again. Thus, measuring errors or measurement inaccuracies, as explained above, can also be reduced with respect to the field angles.
Die Winkel können z. B. insbesondere 30°, 45°, 60° oder 90° betragen. Dies sind übliche Winkel zur Feldbestimmung, bei denen besonders einfache geometrische Winkelbeziehungen gel- ten. Die Nachbearbeitung von gemessenen Werten wird dadurch erheblich vereinfacht. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen .The angles can z. B. in particular 30 °, 45 °, 60 ° or 90 °. These are common angles for field determination, in which particularly simple geometric angular relationships apply. The reworking of measured values is thereby considerably simplified. Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims.
Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:They show, in each case in a schematic outline sketch:
Figur 1 einen Magnetfeldsensor in Form einer Wheatstonschen1 shows a magnetic field sensor in the form of a Wheatstone
Messbrücke gemäß Stand der Technik Figur 2 einen Magnetfeldsensor mit drei Zweiggruppen aus je zwei Zweigen, Figur 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung Der Empfindlichkeit und es MessbereichesFigure 2 shows a magnetic field sensor with three branch groups of two branches, Figure 3 is a diagram illustrating the sensitivity and measuring range
Figur 4 einen alternativen Magnetfeldsensor mit zwei Zwei- gruppen aus je zwei Zweigen,FIG. 4 shows an alternative magnetic field sensor with two groups of two branches each,
Figur 5 eine alternative Ausführung für einen Zweig aus FigurFIG. 5 shows an alternative embodiment for a branch from FIG
4 mit zwei mäanderförmigen MR-Sensoren, Figur 6 das Layout eines Magnetfeldsensors gemäß Figur 4 und4 with two meander-shaped MR sensors, FIG. 6 shows the layout of a magnetic field sensor according to FIG. 4 and FIG
Figur 5, Figur 7das Layout eines Magnetfeldsensors gemäß Figur 2 undFIG. 5, FIG. 7, the layout of a magnetic field sensor according to FIG. 2 and FIG
Figur 4 und,FIG. 4 and FIG.
Figur 6 das Layout eines Magnetfeldsensors in einer alterna¬ tiven Ausführungsform zur Feldwinkelmessung.6 shows the layout of a magnetic field sensor in an alterna tive embodiment for ¬ field angle measurement.
Figur 1 wurde eingangs bei der Darstellung des Standes der Technik bereits ausführlich beschrieben. Bei der dort beschriebenen Messanordnung mit MR-Sensoren sind zwei Zweige vorhanden. Zweiggruppen sind dort nicht gebildet.Figure 1 has already been described in detail in the presentation of the prior art. In the measuring arrangement with MR sensors described there, two branches are present. Branch groups are not formed there.
Figur 2 zeigt einen Magnetfeldsensor 2 mit drei Zweiggruppen 10a, 10b, 10c aus jeweils zwei Zweigen 8a, 8b sowie 8c, 8d und 8e, 8f, die symmetrisch zu einer Symmetrieebene SE ange¬ ordnet sind und paarweise jeweils ein Messbrücke bilden.2 shows a magnetic field sensor 2 with three branch groups 10a, 10b, 10c are arranged each consisting of two branches 8a, 8b and 8c, 8d and 8e, 8f, the symmetrically to a symmetry plane SE ¬ and in pairs in each case form a measuring bridge.
In Figur 2 sind alle Zweiggruppen 10a bis 10c mit parallel zueinander verlaufenden Zweigen 8a bis 8f ausgeführt, wobei die Abstände a, b, c der Zweige innerhalb der Zweiggruppen 10a bis 10c für jede dieser Zweiggruppenvoneinander verschie- den sind. Die Zweige 8a, 8b der Zweiggruppe 10a weisen den kleinsten Abstand 30a, die der Zweiggruppe 10b einen größeren Abstand 30b und die der Zweiggruppe 10d den größten Abstand 30c auf.In FIG. 2, all the branch groups 10a to 10c are executed with branches 8a to 8f extending parallel to one another, the distances a, b, c of the branches within the branch groups 10a to 10c being different for each of these branch groups. they are. The branches 8a, 8b of the branch group 10a have the smallest distance 30a, the branch group 10b a greater distance 30b, and the branch group 10d the largest distance 30c.
Außerdem schließt die Zweiggruppe 10c die beiden Zweiggruppen 10a und 10b zwischen ihren Zweigen 8e und 8f ein. Die Zweig¬ gruppe 10b wiederum schließt zwischen ihren Zweigen 8c und 8d die Zweiggruppe 10a ein. Die Zweiggruppen 10a bis 10c sind also ineinander verschachtelt angeordnet.In addition, the branch group 10c includes the two branch groups 10a and 10b between their branches 8e and 8f. The branch ¬ group 10b, in turn, includes between its branches 8c and 8d, the branch group 10a. The branch groups 10a to 10c are thus arranged nested inside each other.
Die Anordnung in Figur 2 wird als MR-Gradientenmessbrücke be¬ zeichnet, da das zu messende Magnetfeld 21 eine Gradienten¬ komponente in oder entgegen der Richtung des Pfeils 32 auf- weist, dargestellt auch durch das lokal unterschiedliche Mag¬ netfeld 21. Dies führt zu verschieden großen Feldstärkeunterschieden zwischen den einzelnen Zweigen 8a bis 8f der verschiedenen Zweiggruppen 10a bis 10c. So erfahren die Zweige 8a, 8b der Zweiggruppe 10a bei einem vorgegebenen Feldgra- dienten in Richtung des Pfeils 32 einen deutlich kleinerenThe arrangement in Figure 2 is characterized as MR Gradientenmessbrücke be ¬, as the component, a gradient magnetic field to be measured ¬ up 21 has, in or opposite to the direction of the arrow 32, also shown netfeld 21 by the locally different Mag ¬ This leads to different field strength differences between the individual branches 8a to 8f of the various branch groups 10a to 10c. Thus, the branches 8a, 8b of the branch group 10a experience a significantly smaller one in the case of a given field gradient in the direction of the arrow 32
Feldstärkeunterschied an ihren MR-Widerständen 16 als die MR- Widerstände 16 der Zeige 8e und 8f der Zweiggruppe 10c.Field strength difference at its MR resistors 16 as the MR resistors 16 of the show 8e and 8f of the branch group 10c.
Über die Zuleitungen 20 werden deshalb auch nicht, wie in Fi- gur 4, als Brückenspannungen die Spannungen zwischen unterschiedlichen Zweiggruppen 10a bis 10c, sondern die drei innerhalb der Zweiggruppen 10a-c auftretenden Spannungen Uab, Ucd und Uef abgegriffen, also die Spannungen zwischen den Zweigen 8a, 8b sowie 8c, 8d und 8e, 8f.Therefore, as in FIG. 4, the voltages between different branch groups 10a to 10c are not tapped via the leads 20, as is the case in FIG. 4, but the three voltages U ab , Ucd and U e f occurring within the branch groups 10 a - c, ie the voltages Tensions between the branches 8a, 8b and 8c, 8d and 8e, 8f.
Die einzelnen MR-Sensoren in Figur 2 und den nachfolgenden Figuren haben die Bezugszeichen 16^, wobei (i = 1, 2) für die beiden hintereinander geschalteten Sensoren eines Messzweiges und k für die einzelnen Messzweige steht. Jeder Zweig 10a - 10c besteht also aus mindestens zwei in Reihe geschal¬ tete MR-Sensoren 16iD und 1Ö2D mit einem dazwischen liegenden Spannungsabgriff 18a -18d für eine Brückenspannung Uac, Uad, Übe oder Ubd- Von diesen vier Brückenspannungen sind drei von¬ einander unabhängig.The individual MR sensors in FIG. 2 and the following figures have the reference numerals 16, where (i = 1, 2) stands for the two series-connected sensors of a measuring branch and k stands for the individual measuring branches. Each branch 10a - 10c thus consists of at least two series geschal ¬ ended MR sensors 16i D and D 1œ2 ac with an intermediate voltage tap 18a -18d for a bridge voltage U, ad U, Practice or U b d- Of these four bridge voltages are each independently of three ¬.
Die MR-Sensoren 16^ der Zweiggruppen 10a bis 10c haben in Fi- gur 2 jeweils paarweise unterschiedliche Geometrien (Breite der Streifen) . Die unterschiedlichen Geometrien (Breite der Streifen) bzw. Sensorflächen bewirken einen unterschiedlichen Messbereich der einzelnen Teilmessbrücken.The MR sensors 16 'of the branch groups 10a to 10c in FIG. 2 have pairs of different geometries (width of the strips). The different geometries (width of the strips) or sensor surfaces cause a different measuring range of the individual partial bridges.
Die Messempfindlichkeit einer Messanordnung gemäß Figur 2 er¬ gibt sich aus Figur 3. In Figur 3 sind die Kennlinien der einzelnen Messzweige wiedergegeben. Im Einzelnen ist auf der Abszisse der Messstrom IM und ist auf der Ordinate die Mess¬ spannung UB aufgetragen. Die Graphen 26, 27 und 28 kenn- zeichnen die Kennlinien der einzelnen Brücken aus den Zweiggruppen 1O1.The measurement sensitivity of a measurement arrangement according to Figure 2 it is located ¬ of Figure 3. In Figure 3, the characteristics of the individual measurement branches are shown. Specifically, the abscissa is the measuring current I M and the ordinate, the measurement voltage U B ¬ applied. The graphs 26, 27 and 28 characterize the characteristic curves of the individual bridges from the branch groups 10 1 .
In der Figur 3 stellt A den Arbeitsbereich und Ü den Über- strombereich dar. Die Steilheit der Graphen der den einzelnen Brücken 10 a, 10b und 10c aus Figur 2 zugeordneten GraphenIn FIG. 3, A represents the working range and Ü the overflow range. The steepness of the graphs of the graphs associated with the individual bridges 10a, 10b and 10c from FIG
26, 27 und 28 zeigt, dass die Messempfindlichkeit mit den Ab¬ ständen a, b und c der die jeweilige Brücke bildenden Mess¬ zweige ansteigt.26, 27 and 28 shows that the measuring sensitivity with the Ab stands ¬ a, b and c of the respective bridge measuring forming ¬ branches increases.
Figur 4 zeigt einen alternative Ausführungsform eines Magnet¬ feldsensor 2 mit zwei elektrischen Anschlüssen 4a und 4b, an welchen wiederum Versorgungsleitungen 6a und 6b angeschlossen sind, welche vom Magnetfeldmessanordnung 2 zu einer in der Figur 1 nicht dargestellten Spannungsversorgung führen. Im Magnetfeldsensor 2 sind zwischen den Anschlüssen 4a und 4b insgesamt vier elektrische Zweige 8a bis 8d parallel geschal¬ tet. Die Zweige 8a und 8b bilden eine erste Zweiggruppe 10a und die Zweige 8c und 8d eine zweite Zeiggruppe 10b. Inner¬ halb der Zweiggruppen 10a und 10b weisen die Zweige 8a und 8b bzw. 8c und 8d zueinander einen Abstand d von 100 μm auf, wo¬ hingegen die Zweiggruppen 10a und 10b einen Abstand e von 1500μm zueinander aufweisen. Der Abstand d ist also erheblich kleiner als der Abstand d der Zweiggruppen (d << e) .Are 4 shows an alternative embodiment of a magnetic field sensor ¬ 2 with two electrical terminals 4a and 4b, to which in turn supply lines 6a and 6b are connected, which lead from the magnetic field measuring device 2 to a not shown in the Figure 1 power supply. In the magnetic field sensor 2 are provided between the terminals 4a and 4b are a total of four electrical branches tet 8a to 8d parallel geschal ¬. The branches 8a and 8b form a first branch group 10a, and the branches 8c and 8d form a second pointing group 10b. Inner ¬ half of the branch groups 10a and 10b have the branches 8a and 8b and 8c and 8d to each other a distance d of 100 microns, where ¬, however, the branch groups 10a and 10b have a distance e of 1500μm to each other. The distance d is therefore significant smaller than the distance d of the branch groups (d << e).
Jeder Zweig 8a bis 8d beinhaltet wiederum die Reihenschaltung zweier MR-Widerstände 16ik und 162k mit einem jeweils zwischen diesen angeordneten Spannungsabgriff 18a bis 18d. Sämtliche Spannungsabgriffe 18a bis 18d sind über Zuleitungen 20 mit einer nicht dargestellten Auswerteelektronik verbunden.Each branch 8a to 8d in turn includes the series connection of two MR resistors 16ik and 162k with a respective voltage tap 18a to 18d arranged between them. All voltage taps 18a to 18d are connected via leads 20 to a transmitter, not shown.
Über die Zuleitungen 20 bzw. die Spannungsabgriffe 18a bis 18d werden von der Auswerteelektronik vier Brückenspannungen Uac, Uad, Übe und Ubcu jeweils zwischen den Zweigen 8a und 8c, 8a und 8d, 8b und 8c sowie zischen den Zweigen 8b und 8d er- fasst. Anstelle einer einzigen Brückenspannung UBE bei derVia the supply lines 20 and the voltage taps 18a to 18d, four bridge voltages Uac, U ad , Übbe and Ubcu are respectively detected between the branches 8a and 8c, 8a and 8d, 8b and 8c and between the branches 8b and 8d , Instead of a single bridge voltage U BE at the
Wheatstone-Messbrücke nach Figur 1 gemäß Stand der Technik werden also hier vier voneinander unabhängige Spannungen Uac, Uacu Übe und Ubd erfasst.Wheatstone measuring bridge according to Figure 1 according to the prior art so four independent voltages U ac , Uacu Üb and Ubd are detected here.
Mit dem Magnetfeldmessanordnung 2 soll ein Magnetfeld 21 „in plane", d.h. in der Ebene des Magnetfeldsensors 2, gemessen werden: Das Magnetfeld 21 hat eine bekannte Ortscharakteris¬ tik, die jeweils alle Elemente innerhalb der Zweiggruppen 10a und 10b der gleichen Feldstärke und Feldrichtung aussetzt. Diese unterscheiden sich lediglich zwischen den Zweiggruppen 10a und 10b.The magnetic field measuring device 2 is intended to measure a magnetic field 21 "in plane", that is to say in the plane of the magnetic field sensor 2. The magnetic field 21 has a known local characteristic which subjects all elements within the branch groups 10a and 10b to the same field strength and field direction These differ only between the branch groups 10a and 10b.
Da die Zweige 8a und 8b bzw. 8c und 8d jeweils identisch zu¬ einander dimensioniert sind, sich jedoch durch Fertigungsto¬ leranzen voneinander unterscheiden, sind die vier gemessenen Spannungen gerade von diesen Fertigungstoleranzen abhängig. Die Messgenauigkeit des Magnetfeldsensors 2 wird deshalb ge¬ steigert, wenn anstelle einer einzelnen Brückenspannung gemäß dem Stand der Technik sämtliche vier Brückenspannungen verarbeitet, z. B. gemittelt werden. Von diesen vier Brückenspannungen sind nämlich drei linear unabhängig.Since the branches 8a and 8b or 8c and 8d are each dimensioned identically to ¬ each other but by Fertigungsto ¬ tolerances different from each other, the four measured voltages are dependent just from these manufacturing tolerances. The measurement accuracy of the magnetic field sensor 2 is therefore ge ¬ increases when processed instead of a single bridge voltage according to the prior art, all four bridge voltages, z. B. be averaged. Of these four bridge voltages, three are linearly independent.
Die Zahl der Brückenspannungen kann durch weitere Paralleli- sierung der Magnetfeldmessanordnung 2, d.h. durch die Einfügung zusätzlicher Zweige in den Zweiggruppen 10a und/oder 10b weiter erhöht und somit die Messgenauigkeit zur Magnetfeld¬ messung weiter verbessert werden.The number of bridge voltages can be achieved by further parallelization of the magnetic field measuring arrangement 2, ie by the insertion of additional branches in the branch groups 10a and / or 10b further increased and thus the measurement accuracy for magnetic field ¬ measurement further improved.
Figur 5 zeigt eine spezifische Ausführungsform eines der Zweige 8a bis 8d am Beispiel des Zweiges 8a. Die beiden, den Spannungsabgriff 18a einschließenden MR-Widerstände 16lk sind hier nicht einstückig ausgeführt, sondern jeweils aus drei MR-Teilwiderständen 22i, 222 und 223 aufgebaut, welche paral¬ lel und beabstandet zueinander auf einem nicht dargestellten Substrat hergestellt sind. Zur Bildung des eigentlichen bzw. gesamten MR-Widerstandes 16lk sind die MR-Teilwiderstände 22k über elektrisch leitende Brücken 24X jeweils an ihren Enden mäanderförmig in Reihe geschaltet. Auch die Brücken 24k können alternativ aus MR-Material hergestellt sein.FIG. 5 shows a specific embodiment of one of the branches 8a to 8d using the branch 8a as an example. The two, the voltage tap 18a enclosing MR resistors 16 lk are not made in one piece, but each of three MR partial resistors 22i, 22 2 and 22 3 constructed, which are paral ¬ lel and spaced from each other on a substrate, not shown. In order to form the actual or entire MR resistor 16 lk , the MR partial resistors 22 k are connected in series in meandering fashion at their ends via electrically conductive bridges 24 x . The bridges 24 k may alternatively be made of MR material.
Die beiden endseitigen MR-Teilwiderstände 22i und 223 des oberen MR-Widerstandes 16ik in Figur 5 sind dabei über die Zuleitungen 26 und 28 mit dem Anschluss 4a einerseits und dem Spannungsabgriff 18a andererseits verbundenThe two end MR partial resistors 22i and 22 3 of the upper MR resistor 16i k in FIG. 5 are connected via the leads 26 and 28 to the terminal 4a on the one hand and to the voltage tap 18a on the other hand
Figur 6 zeigt den Aufbau nach Figur 4, bei der die MR-Widerstände 16lk mäanderförmig gemäß Figur 2 ausgeführt sind, in einer Realisierung als integrierte Schaltung. Auf einem Trägermaterial oder Substrat 40 sind die oben erwähnte Auswerte- elektronik 42 sowie die Zuleitungen 20 und zusätzliche Sig¬ nalleitungen 44 in Form von Leiterbahnen aufgebracht. Die Zuleitungen 20 und Signalleitungen 44 sind an der Auswerteelektronik 42 angeschlossen. Jeder Zuleitung 20 ist hierbei eine Verstärkerstufe 43 zugeordnet, die die am entsprechenden Spannungsabgriff, der hier den Bond-Pads 52b entspricht, anstehende Spannung mit hoher Eingangsimpedanz verstärkt.FIG. 6 shows the structure according to FIG. 4, in which the MR resistors 16 lk are designed in a meandering manner according to FIG. 2, in a realization as an integrated circuit. On a carrier material or substrate 40, the above-mentioned evaluation electronics 42 and the leads 20 and additional Sig ¬ nalleitungen 44 are applied in the form of interconnects. The leads 20 and signal lines 44 are connected to the transmitter 42. In this case, each supply line 20 is assigned an amplifier stage 43, which amplifies the voltage present at the corresponding voltage tap, which here corresponds to the bond pads 52b, with a high input impedance.
Das gesamte Substrat 40 ist zusammen mit der Auswerteelektro¬ nik 42 und den eben genannten Leiterbahnen von einer Zwi- schenschicht 46 bedeckt, welche im Bereich der Auswerteelek¬ tronik 42 in Figur 4 aufgeschnitten dargestellt ist. Auf der Zwischenschicht 46 wiederum sind die acht MR-Wider- stände 16, sowie vier Bond-Pads 48a-d und Leiterbahnen 50 aufgebracht. Die MR-Widerstände 16 sind in Mäandertechnik ge¬ mäß Figur 2, jedoch mit fünf statt der in Figur 2 gezeigten drei Mäander ausgebildet. Jeder MR-Widerstand 16lk weist an seinen beiden Enden je Kontaktbereiche 52a und 52b auf. Die Kontaktbereiche 52a sind hierbei oberhalb der Zwischenschicht 46 über die Leiterbahnen 50 mit den Bond-Pads 48a bzw. 48b verbunden, welche somit den Anschlüssen 4a, 4b aus Figur 1 entsprechen.The entire substrate 40 is nik together with the Auswerteelektro ¬ 42 and the aforementioned conductor tracks of an intermediate layer 46 covers, which is shown cut away in Figure 4 in the field of electronics Auswerteelek ¬ 42nd In turn, the eight MR resistors 16 as well as four bond pads 48a-d and printed conductors 50 are applied to the intermediate layer 46. The MR resistors 16 are ge in Mäandertechnik ¬ Mäss Figure 2 but formed with five instead of that shown in Figure 2, three meander. Each MR resistor 16 lk has at its two ends per contact areas 52a and 52b. In this case, the contact areas 52a are connected above the interconnects 46 via the interconnects 50 to the bonding pads 48a and 48b, which thus correspond to the terminals 4a, 4b of FIG.
Die Kontaktbereiche 52b sind zum einen oberhalb der Zwischen¬ schicht 46 ebenfalls durch Leiterbahnen 50 je paarweise ver¬ bunden um so die vier Zweige 8a bis 8d aus Figur 1 zu bilden. Zum anderen sind in vier der der Kontaktbereiche 52b, nämlich einem pro Zweig 8a bis 8d, vier so genannte „Vias" bzw. Durchkontaktierungen 54 angeordnet. Diese stellen eine elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden Kontaktbereichen 52b durch die Zwischenschicht 46 zu den darunter liegen- den Zuleitungen 20 her.The contact portions 52b are on the one hand above the layer between ¬ 46 also through conducting paths 50 each in pairs, ver ¬ connected so as to form the four branches from figure 1 to 8d 8a. On the other hand, in four of the contact regions 52b, namely one per branch 8a to 8d, four so-called "vias" or through-contacts 54 are arranged, which provide an electrical connection between the corresponding contact regions 52b through the intermediate layer 46 to the underlying ones Leads 20 ago.
Wie bereits oben beschrieben, führt die Auswerteelektronik 42 die Auswertung der vier Spannungen Uac, Uad, Ubc und Ubd aus Figur 4 durch. Über die Signalleitungen 44, welche die Aus- werteelektronik 42 elektrisch mit den Bond-Pads 48c und 48d verbinden, wird das Messergebnis ausgegeben. Hierfür sind unterschiedliche Varianten möglich: Z. B. kann analog eine ge- mittelte Brückenspannung an den Bond-Pads 48c und 48d abgege¬ ben werden. Alternativ kann eine digital codierte Spannung bzw. ein Spannungsverlauf als digitalisiertes Messergebnis abgegeben werden. Dies kann z. B. die gemessene magnetische Feldstärke oder codierte Binärwerte der vier eben genannten Spannungen oder anderweitig weiter verarbeitete Daten enthal¬ ten .As already described above, the evaluation electronics 42 carries out the evaluation of the four voltages U ac , U ad , U bc and U b d from FIG. The measurement result is output via the signal lines 44 which electrically connect the evaluation electronics 42 to the bonding pads 48c and 48d. For this, different variants are possible: For example, an overall mittelte bridge voltage to the bonding pads 48c and 48d abgege ¬ be ben analog. Alternatively, a digitally coded voltage or a voltage profile can be output as a digitized measurement result. This can be z. B. the measured magnetic field strength or coded binary values of the four voltages just mentioned or otherwise further processed data enthal ¬ th.
Figur 7 zeigt entsprechend Figur 6 die Realisierung eines nach dem Prinzip von Figur 3 arbeitenden Magnetfeldsensors. Im Unterscheid zu Figur 3 sind hier jedoch nur zwei Zweig- gruppen 10a und 10b verschachtelt zueinander angeordnet, um so verschiedene Magnetfeldgradienten, wie oben beschrieben zu erfassen. Jeder den Einzelzweigen 8a bis 8d aus Figur 5 entsprechende Zweig ist hierbei jedoch wiederum gemäß Figur 2 bzw. Figur 4 aus der Parallelschaltung zweier Einzelzweige aufgebaut und die MR-Widerstände 16 mäandriert . Innerhalb je¬ des der vier Zweige 8a bis 8d gemäß Figur 3 findet so z. B. eine Mittelung der Fertigungstoleranzen der MR-Widerstände 161D gemäß Figur 2 und Figur 4/5 statt.FIG. 7 shows, according to FIG. 6, the realization of a magnetic field sensor operating on the principle of FIG. In contrast to FIG. 3, however, only two branch groups 10a and 10b are interleaved with each other so as to detect various magnetic field gradients as described above. However, each branch corresponding to the individual branches 8a to 8d from FIG. 5 is again constructed according to FIG. 2 or FIG. 4 from the parallel connection of two individual branches and the MR resistors 16 are meandered. Within each ¬ of the four branches 8a to 8d according to Figure 3 finds such. B. an averaging of the manufacturing tolerances of the MR resistors 16 1D according to Figure 2 and Figure 4/5 instead.
Auch in Figur 7 ist wieder eine nicht dargestellte Auswerte¬ elektronik unterhalb der Zwischenschicht 46 vorhanden, welche an den beiden Bond-Pads 48c und 48d gemäß der Beschreibung zu Figur 6 Ausgangsinformationen liefert.In Figure 7 an evaluation electronics ¬ not shown, is again present below the intermediate layer 46, which delivers to figure at the two bond pads 48c and 48d according to the Description 6 output information.
Figur 8 zeigt das Layout einer weiteren Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung 2, hier mit vier parallelen Winkelsensorbrücken 60a bis 6Od. Durch die vier Paare aus jeweils zwei um 90° kreuzförmig zueinander angeordneten Zweigen 62a bis 62h werden paarweise jeweils um 90° versetzte Feldkompo¬ nenten eines Magnetfeldes, angedeutet durch den Pfeil 64, er- fasst. Die einzelnen Winkelsensorbrücken 60a bis 6Od sind punktsymmetrisch zu einem zentrischen Symmetriepunkt SP angeordnet .FIG. 8 shows the layout of a further embodiment of a magnetic field measuring arrangement 2, here with four parallel angle sensor bridges 60a to 60d. By the four pairs of two by 90 ° crosswise arranged branches 62a to 62h are in pairs each offset by 90 ° Feldkompo ¬ nenten a magnetic field, indicated by the arrow 64, detected. The individual angle sensor bridges 60a to 60d are arranged point-symmetrically to a central point of symmetry SP.
Die Bond-Pads 48a bis 48d dienen wiederum sowohl der Stromversorgung der Messanordnung 2 als auch der Abgabe der Messinformation, wie bereits ausführlich beschrieben wurde.The bond pads 48a to 48d in turn serve both the power supply of the measuring arrangement 2 and the delivery of the measurement information, as has already been described in detail.
Durch den symmetrischen Aufbau der Zweige bzw. Zweiggruppen ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Lehre eine optimale Ge¬ nauigkeit der Messanordnung - verbunden mit maximaler Empfindlichkeit und erweitertem Messbereich. The symmetrical design of the branches or branch groups optimum Ge ¬ obtained with the inventive teaching accuracy of the measuring device - connected with maximum sensitivity and extended measuring range.

Claims

Patentansprüche claims
1. Anordnung zur Magnetfeldmessung mit einer Messbrücke aus MR-Sensoren mit elektrischen Anschlüssen (4a, 4b) zur Span- nungsversorgung, mit mindestens zwei zwischen den Anschlüssen (4a, 4b) parallel geschalteten, eine Messbrücke bildenden Zweigen (8a - 8c), wobei jeder Zweig (8a - 8c) mindestens zwei in Reihe geschaltete MR-Sensoren (16) mit einem dazwi¬ schen liegenden Spannungsabgriff (18a -18d) für eine Brücken- Spannung (Uac, Uad, Ubc, Ubd) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Messzweige (8a - 8f) vorhanden sind, von denen jeweils wenigstens zwei einzelne Zweige (8a - 8f) we¬ nigstens eine Zweiggruppe (10a - 10c) bilden, wobei die ein¬ zelnen Zweiggruppen (10a - 10c) im Rahmen messtechnischer To- leranzen Spiegel- bzw. punktsymmetrisch zu einem einzigen Symmetrieelement (SE, SP) angeordnet sind.1. Arrangement for magnetic field measurement with a measuring bridge of MR sensors with electrical connections (4a, 4b) for voltage supply, with at least two between the terminals (4a, 4b) connected in parallel, a measuring bridge forming branches (8a - 8c), wherein each branch (8a - 8c) at least two series-connected MR sensors (16) with a voltage tap located Between the seats ¬ rule (18a -18d) for a bridge voltage (U ac ad, U, bc U, U b d) characterized in that at least three measuring branches (8a - 8f) are provided, of which at least two individual branches (8a - 8f) we ¬ nigstens a branch group (10a - 10c), wherein the a ¬ individual branch groups (10a - 10c ) are arranged in the context of metrological tolerances mirror or point symmetry to a single symmetry element (SE, SP).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der MR-Sensoren (16lk) eine Reihenschaltung mehrerer MR-Teilsensoren (221D) enthält.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that at least one of the MR sensors (16 lk ) contains a series connection of a plurality of MR-part sensors (22 1D ).
3. Anordnung r nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die MR-Teilsensoren (221D) mäanderförmig zu einem einzigen MR-Sensor (161D) verschaltet sind.3. Arrangement r according to claim 2, characterized in that the MR sub-sensors (22 1D ) meandering to a single MR sensor (16 1D ) are interconnected.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Zweiggruppen (10a, 10b) aus je mindestens zwei Zweigen (8a - 8d) bestehen.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least two branch groups (10a, 10b) each consist of at least two branches (8a - 8d).
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweige (8a - 8d) innerhalb einer Zweiggruppe (10a, 10b) identisch aufgebaut sind.5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the branches (8a - 8d) are constructed identically within a branch group (10a, 10b).
6. Anordnung nach Anspruch 4 und/oder Anspruch 5,, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) einzelner Zweige (8a - 8d) innerhalb der Zweiggruppe (10a, 10b) kleiner als der Ab¬ stand (e) der Zweiggruppen (10a, 10b) zueinander ist. 6. Arrangement according to claim 4 and / or claim 5, characterized in that the distance (d) of individual branches (8a - 8d) within the branch group (10a, 10b) smaller than the Ab ¬ stand (e) of the branch groups (10a , 10b) to each other.
7. Anordnung nach Anspruch 4 und/oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a, b, c) einzelner Zweige (8a7. Arrangement according to claim 4 and / or claim 5, characterized in that the distance (a, b, c) of individual branches (8a
- 8f) innerhalb der Zweiggruppe (10a - 10c) für verschiedene Zweiggruppen (10a - 10c) unterschiedlich ist.- 8f) within the branch group (10a - 10c) is different for different branch groups (10a - 10c).
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweiggruppen (10a - 10c) verschachtelt angeordnet sind.8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the branch groups (10a - 10c) are arranged interleaved.
9. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Genauigkeit der Magnetfeldmessung dem Widerstandsrauschen umgekehrt proportional ist. (Gl.l, Gl. 2)9. Arrangement according to claim 4, characterized in that the accuracy of the magnetic field measurement is inversely proportional to the resistance noise. (Equation 1, equation 2)
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Offset-Fehler, der durch eine statistische Abweichung (ΔR) des Widerstandes (R) hervorgerufen wird, gilt:10. Arrangement according to claim 9, characterized in that for the offset error, which is caused by a statistical deviation (ΔR) of the resistor (R), the following applies:
Figure imgf000022_0001
wobei 2p die Anzahl der Messzweige und m die Anzahl der Mäander eines MR-Sensors (16lk) ist.
Figure imgf000022_0001
where 2p is the number of measuring branches and m is the number of meanders of an MR sensor (16 lk ).
11. Anordnung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Genauigkeit von der Anzahl (z=2p) der Messzweige (8a11. Arrangement according to claim 9 and 10, characterized in that the accuracy of the number (z = 2p) of the measuring branches (8a
- 8e) einerseits und der Anzahl (m) der einzelnen Magnetfeld- Mäander (221D) abhängig ist.- 8e) on the one hand and the number (m) of the individual magnetic meander (22 1D ) is dependent.
12. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweige (8a - 8d) verschiedener Zweiggruppe (10a, 10b) un¬ terschiedlich aufgebaut sind.12. The arrangement according to claim 4, characterized in that the branches (8a - 8d) of different branch group (10a, 10b) are constructed un ¬ different.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das der Messbereich und/oder die Messempfindlichkeit der13. Arrangement according to claim 12, characterized in that the measuring range and / or the measuring sensitivity of
Messbrücken von der Ausbildung der Messzweige abhängig sind.Measuring bridges are dependent on the formation of the measuring branches.
14. Anordnung nach einem der Ansprüchel2 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich, der von der Geometrie (Breite/Fläche) der MR-Sensoren (16lk) bestimmt wird, vorgeb¬ bar ist. 14. Arrangement according to one of Ansprüchel2 or 13, characterized in that the measuring range, which is determined by the geometry (width / area) of the MR sensors (16 lk ), is vorgeb ¬ bar.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der MR-Sensoren (16^) bei den von den Zweiggrup¬ pen (10a - 10c) gebildeten Messbrücken mit dem Abstand (a, b, c) der Messzweige (8a - 8e) zunimmt.15. An arrangement according to claim 14, characterized in that the width of the MR sensors (16 ^) in the measuring groups formed by the Zweiggrup ¬ pen (10a - 10c) with the distance (a, b, c) of the measuring branches (8a - 8e) increases.
16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messempfindlichkeit abhängig vom Abstand (a, b, c) der eine Messbrücke (10a - 10c) bilden¬ den Messzweige (8a - 8Of) ist.16. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement sensitivity depends on the distance (a, b, c) of a measuring bridge (10a - 10c) form ¬ the measuring branches (8a - 8Of).
17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als integrierter Magnetfeld¬ sensor zusammen mit einer Auswerteelektronik (42) auf einem einzigen Chip (40) angeordnet ist.17. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the integrated magnetic field ¬ sensor together with a transmitter (42) on a single chip (40) is arranged.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Spannungsabgriff (18a-d) in einem Zweig (10a - 10c) ei¬ ne Verstärkerstufe (43) zugeordnet ist.18. Arrangement according to claim 17, characterized in that each voltage tap (18a-d) in a branch (10a - 10c) ei ¬ ne amplifier stage (43) is associated.
19. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MR-Sensoren (16) einzelner Zweige (8a - 8d) unterschiedlich sind.19. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the MR sensors (16) of individual branches (8a - 8d) are different.
20. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass einzelne Zweige (8a - 8d) zwischen sich vorgegebene Winkel einschließen.20. Arrangement according to one of the preceding claims, character- ized in that individual branches (8a - 8d) include between them predetermined angle.
21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel 30°, 45°, 60° oder 90° betragen. 21. Arrangement according to claim 20, characterized in that the angles are 30 °, 45 °, 60 ° or 90 °.
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