WO2013174542A1

WO2013174542A1 - Magnetische differenzfeldsensoranordnung

Info

Publication number: WO2013174542A1
Application number: PCT/EP2013/056025
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Welsch; Hartmut Kittel
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2013-11-28
Also published as: DE102012208404A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetische Differenzfeldsensoranordnung (10) mit mindestens zwei magnetoresistiven Widerständen (R1, R2, R3, R4), welche jeweils als magnetoresistive Schichtanordnungen mit vorgegebenen Streifenbreiten (b1, b2, b3) und einem vorgebbaren Abstand (d) zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die einzelnen magnetoresistiven Widerstände (R1, R2, R3, R4) jeweils mit mindestens zwei Bereichen (R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3) mit unterschiedlich starken Formanisotropien ausgeführt, welche unterschiedliche Sättigungsfeldstärken und Magnetfeldempfindlichkeiten aufweisen.

Description

Beschreibung

Titel

Magnetische Differenzfeldsensoranordnung Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer magnetischen Differenzfeldsensoranordnung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Magnetische Differenzfeldsensoranordnungen, wie beispielsweise der in der Patentschrift EP 1 348 974 B1 beschriebene magnetoresistive Differenzfeldsensor, bieten aufgrund von mehreren magnetfeldempfindlichen Sensorelementen den Vorteil einer Unempfindlichkeit gegenüber homogenen magnetischen Störfeldern. Die magnetfeldempfindlichen Sensorelemente sind in einem definierten räumlichen Abstand zueinander angeordnet und derart verschaltet, dass diese

Schaltung ein elektrisches Signal liefert, welches zwar von der Differenz des Magnetfeldes an den beiden Sensierungspositionen nicht aber von einem an diesen Sensorpositionen identischen Magnetfeld abhängig ist. Im Idealfall ist das Sensorsignal dieses Differenzfeldsensors proportional zur Magnetfelddifferenz und liefert ein Signal mit der Größe Null, wenn an beiden Sensierungspositionen dasselbe Magnetfeld vorliegt. Bei GMR- oder TMR-Schichtsystemen entspricht der Abstand der Sensorelemente, welcher nachfolgend als Sondenabstand bezeichnet wird, idealerweise einer halben Periodenlänge des abzutastenden Geberrades (Encoders), d.h. der Polbreite oder dem Polabstand (magnetischer En- coder) bzw. dem Zahn-Lücke-Abstand (ferromagnetisches Zahn- oder Stanzrad).

Bei einem AMR-Schichtsystem entspricht der Abstand der Sensorelemente idealerweise einer viertel Periodenlänge des abzutastenden Geberrades (Encoders). Bei einer Abweichung von diesen Idealfällen, d.h. bei einer Fehlanpassung von Sondenabstand und Encoder, kann es zu einem Signal- bzw. Empfindlich- keitsverlust und damit zu einer Reduktion des maximal möglichen Luftspaltes zwischen dem Sensor und dem Encoder kommen. Die beschriebene Differenz- feldsensoranordnung umfasst wenigstens zwei auf einem gemeinsamen Substrat angeordnete Vollmessbrücken, welche jeweils vier nach Art einer Wheatstone- Brücke verschaltete magnetoresistive Schichtanordnungen aufweisen. Die magnetoresistiven Schichtanordnungen sind in Draufsicht zumindest bereichs- weise als Streifen mit einer jeweils innerhalb einer Vollmessbrücke gleichen

Streifenbreite ausgebildet, wobei die Schichtanordnungen von Vollmessbrücke zu Vollmessbrücke jeweils unterschiedlich Streifenbreiten aufweisen.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße magnetische Differenzfeldsensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Unempfindlichkeit von magnetoresistiven Differenzfeldsensoren gegenüber homogenen magnetischen Störfeldfeldern mit der hohen Schaltgenauigkeit (Low-Jitter) und der hohen magnetischen Empfindlichkeit (große Luftspalte) von magnetoresistiven Absolutfeldsensoren (Sondenabstand ca. 0mm, keine Differenzfeldsensierung) in einer Low-Jitter magnetoresistiven Differenzfeldsensoranordnung vereint sind. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung stellen ein Differenzsignal zur Verfügung, welches über einen großen Encoder-Feldstärkebereich von beispielsweise 0 bis 30kA/m und über einen großen Sensor-Encoder-Anpassungsbereich

(Sondenabstand/Encoderpolbreite) von beispielsweise 60 bis 130% keine flachen Nulldurchgänge mit eine Steigung von Null aufweist, und zwar ohne, dass hierfür eine erhebliche Einbuße an Magnetfeldempfindlichkeit hingenommen werden muss. Zudem können Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung die obengenannte Kombination aus magnetischer Robustheit, hoher Empfindlichkeit und Fehlanpassungstoleranz mit nur einer Vollbrücke darstellen. Den Kern der Erfindung stellt die Kombination von mehreren Bereichen bzw. Abschnitten unterschiedlicher Sättigungsfeldstärke und Magnetfeldempfindlichkeit innerhalb eines jeden einzelnen der magnetoresistiven Widerstände einer Vollbrücke dar. Innerhalb jedes Brückenwiderstands gibt es also einen oder mehrere Bereiche mit hoher Magnetfeldempfindlichkeit und folglich geringer

magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke so wie auch einen oder mehrere Bereiche mit geringerer Magnetfeldempfindlichkeit dafür aber höherer magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke. Dadurch wird erreicht, dass jeder Brückenwiderstand bei kleinen Encoderfeldstärken eine hohe Empfindlichkeit aufweist, aber selbst bei hohen Encoderfeldstärken noch nicht ganz gesättigt ist und noch immer eine gewisse Magnetfeldempfindlichkeit besitzt. Die Brückenwider- Standsbereiche mit hoher Magnetfeldempfindlichkeit ermöglichen somit Applikationen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung bei großen Luftspalten zum Encoder mit entsprechend kleinen Encoder-Feldstärken, und die Brückenwiderstandsbereiche mit großer magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke, wenn auch kleiner Magnetfeldempfindlichkeit, ermöglichen darüber hinaus auch Applikationen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung bei kleinen

Luftspalten mit entsprechend großen Encoder-Feldstärken. Auf diese Weise werden selbst bei kleinen Luftspalten bzw. großen Encoder-Feldamplituden extrem flache Nulldurchgänge des Differenzsensorsignals und somit ein Auftreten von Signalflankenjitter am Ausgabesignal der erfindungsgemäßen Differenzfeld- sensoranordnung vermieden. Die Bereiche unterschiedlicher Magnetfeldempfindlichkeit und magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke innerhalb eines jeden der einzelnen Brückenwiderstände werden erfindungsgemäß durch Bereiche unterschiedlich starker Formanisotropien dargestellt. Die Unterschiede in der Formanisotropie werden dabei durch Unterschiede in der Streifenbreite einzelner Ab- schnitte eines jeden einzelnen magnetoresistiven Brückenwiderstands erzeugt.

Somit ermöglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung eine hohe Schaltgenauigkeit, d.h. einen geringen

Signalflankenjitter, selbst bei hoher Encoder-Feldamplitude und hoher Fehlan- passung von Sondenabstand zu Encoder-Polbreite, eine hohe magnetische Robustheit, d.h. Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Fremd- bzw. Störfeldern, welche über den Sondenabstand homogen sind, eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit, d.h. Zulässigkeit auch von großen Luftspalten zwischen Sensor und Encoder.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung eignen sich besonders zur Anwendung bei Raddrehzahlfühlern, welche in Kraftfahrzeugen als sicherheitsrelevante Komponenten in ABS- und ESP-Systemen (ABS: Antiblockiersystem, ESP: elektronisches Stabilitätsprogramm) eingesetzt werden und in vorteilhafter Weise einerseits die erforderliche Robustheit gegen magnetische Fremdfelder aufweisen, und andererseits mit einer Vielzahl von En- codern unterschiedlicher Polbreite einsetzbar sind sowie über ihre hohe Empfindlichkeit auch große Luftspaltforderungen abdecken können und durch den geringen Jitter der Signalflanken zusätzlich auch für die frequenzbasierte

Reifendrucksensierung (TPM-F) verwendet werden können.

Des Weiteren können Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung beispielsweise nur als eine Vollbrücke implementiert werden. Darüber hinaus ist eine Realisierung mit nur zwei magnetoresistiven Sensorelementen möglich, welche bevorzugt zu einer Halbbrücke verschaltet werden, wo- bei jeweils ein erstes magnetoresistives Sensorelement an einer ersten

Sondenposition und ein zweites magnetoresistives Sensorelement an einer zweiten Sondenposition angeordnet ist.

Zudem besteht für Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung aufgrund der Verwendbarkeit der bekannten magnetoresistiven Effekte wie z. B. des Riesen-Magnetoresistiven-Effekts (GMR: Giant-Magneto- Resistance), des Tunnel-Magnetoresistiven-Effekts (TMR: Tunneling-Magneto- Resistance) oder des Anisotropen-Magnetoresistiven-Effekts (AMR: Anisotropie- Magneto-Resistance) eine breite technologische Realisierbarkeit. Technologisch bieten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung gegenüber einer Single-Magnetoresistiven-Absolutfeldsensoranordnung mit einem Sondenabstand von ca. Null, den Vorteil einer einheitlichen Referenzrichtung in allen Brückenwiderständen. Diese ist, insbesondere im Fall von GM R- oder TMR-Differenzfeldsensoranordnungen, technisch leichter darstellbar als bei Single-Magnetoresistiven-Absolutfeldsensoranordnungen. Denn letztere erfordern in den Brückenwiderständen einer Halbbrücke unterschiedliche Referenzrichtungen. Bei der GMR- oder TMR-Differenzfeldsensoranordnung entspricht die Referenzrichtung einer Referenzmagnetisierungsrichtung, und bei einer AM R- Differenzfeldsensoranordnung entspricht die Referenzrichtung einer Referenzstromrichtung.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine magnetische Differenzfeldsensoranordnung mit mindestens zwei magnetoresistiven Wderständen zur Verfügung, welche jeweils als magnetoresistive Schichtanordnungen mit vor- gegebenen Streifenbreiten und einem vorgebbaren Abstand zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die einzelnen magnetoresistiven Widerstände jeweils mit mindestens zwei Bereichen mit unterschiedlich starker Formanisotropie ausgeführt, welche unterschiedliche Sättigungsfeldstärken und Magnetfeldempfindlichkeiten aufweisen. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Differenzfeldsensoranordnung möglich.

Besonders vorteilhaft ist, dass die unterschiedlich starke Formanisotropie der mindestens zwei Bereiche der magnetoresistiven Widerstände über den Ent- magnetisierungsfaktor der magnetoresistiven Widerstandsgeometrie bestimmt ist. welcher vorzugsweise über die Streifenbreite der magnetoresistiven Widerstände vorgegeben werden kann. In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung ist mindestens eine Vollbrückenschaltung vorgesehen, welche jeweils vier magnetoresistive Widerstände umfasst. Die mindestens eine Vollbrückenschaltung kann beispielsweise als GMR-Schichtsystem oder als TMR-Schichtsystem oder als AMR-Schichtsystem aufgebaut werden. Das GMR-Schichtsystem ist vorzugsweise als GMR-Spinvalve-Schichtsystem ausgeführt und umfasst zumindest eine natürliche antiferromagnetische Schicht (z.B. PtMn, IrMn, FeMn), eine ferromagnetische Referenzschicht (z.B. NiFe, CoFe), deren Magnetisierungsrichtung durch die benachbarte antiferromagnetische Schicht fixiert (gepinnt) ist, eine nichtmagnetische Zwischenschicht (z.B. Cu) und eine ferromagnetische freie Schicht (z.B. NiFe, CoFe). Der GMR-Schichtstapel kann aber auch deutlich komplexer aufgebaut sein und beispielsweise zusätzlich einen künstlichen Antiferro- magnet aufweisen. Bevorzugt haben alle vier magnetoresistiven Brückenwiderstände des GMR-Spinvalve-Schichtsystems dieselbe Referenzrichtung, welche einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht. Diese lässt sich somit tech- nisch einfach in einem Prozessschritt gleichzeitig für alle Sensorchips eines oder gar mehrerer Wafer einprägen. Bei einem TMR-Schichtsystem ist der Aufbau ähnlich, außer dass die nichtmagnetische Zwischenschicht durch eine isolierende Schicht (z.B. MgO) ersetzt ist. Auch bei einem TMR-Schichtsystem weisen alle vier magnetoresistiven Brückenwiderstände bevorzugt dieselbe Referenzrich- tung auf, welche einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht. Das AMR-

Schichtsystem umfasst insbesondere eine ferromagnetische Schicht (z.B. NiFe, CoFe), welche typischerweise eine um den Faktor zwei bis fünf größere Schichtdicke als die ferromagnetische freie Schicht des GMR-Spinnvalve- Schichtsystems oder des TMR-Schichtsystems aufweist. Auch bei dem AMR- Schichtsystem weisen alle vier magnetoresistiven Brückenwiderstände bevorzugt dieselbe Referenzrichtung auf, welche einer Referenzstromrichtung entspricht.

Die Referenzstromrichtung kann durch die Streifengeometrie und bevorzugt durch zusätzliche Barberpol-Strukturen eingestellt werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Differenzfeldsen- soranordnung können die einzelnen magnetoresistiven Widerstände beispielsweise jeweils mindestens zwei Widerstandsstreifen mit unterschiedlicher Breite umfassen, welche mit einem vorgegebenen Abstand direkt nebeneinander angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Alternativ können die einzelnen magnetoresistiven Widerstände beispielsweise als Wderstandsstreifen ausge- führt werden, welche mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Breite aufweisen. Als weitere Alternative können die einzelnen magnetoresistiven Widerstände als Wderstandsstreifen ausgeführt werden, deren Breite sich zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert kontinuierlich ändert. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine beliebig feine Abstufung der Streifen- breiten innerhalb jedes einzelnen magnetoresistiven Wderstands.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung können die Wderstandsstreifen der einzelnen magnetoresistiven Widerstände einer Vollbrückenschaltung gleich lang ausgeführt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Differenzfeldsensoranordnung gemäß dem Stand der Technik mit vier GMR-Widerständen mit jeweils einheitlicher und gleichbleibender Streifenbreite. Fig. 2 zeigt ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild einer Differenzfeldsensoranordnung.

Fig. 3 zeigt eine Spannungskennlinie der GMR-Differenzfeldsensoranordnung aus Fig. 1 und 2 bei einer 67% Anpassung des GMR-Sondenabstands an die Encoder-Polbreite und 30mT Encoder-Feldamplitude.

Fig. 4 zeigt verschiedene Spannungskennlinien bei unterschiedlich starker Formanisotropie (FA) für die bekannte Differenzfeldsensoranordnung aus Fig. 1 und 2 mit einheitlicher Streifenbreite bei allen Brückenwiderständen einer Vollbrücke.

Fig. 5 zeigt einen Verlauf des Brückensignals und des Ausgangssignals einer nachgeschalteten Signalverarbeitung (ASIC) der Differenzfeldsensoranordnung aus Fig. 1 und 2 mit einheitlicher Streifenbreite der Brückenwiderstände und einer 67% Anpassung von Sondenabstand zu Encoder-Polbreite und 30mT Encoder-Feldamplitude.

Fig. 6 zeigt eine Detaildarstellung aus Fig. 5.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung mit drei benachbart angeordneten Dünnschichtwiderstandsstreifen mit unterschiedlicher Breite für jeden Brückenwiderstand.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung mit einem Dünnschichtwiderstandsstreifen für jeden Brückenwiderstand, welche jeweils abschnittsweise drei unterschiedliche Breiten aufweist.

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung mit einem Dünnschichtwiderstandsstreifen für jeden Brückenwiderstand, welcher jeweils eine kontinuierlich sich ändernde Streifenbreite aufweist.

Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung mit zwei Vollbrücken und einem Dünnschichtwiderstandsstreifen für jeden Brückenwiderstand, welcher jeweils eine kontinuierlich sich ändernde Streifenbreite aufweist.

Fig. 1 1 zeigt eine exemplarische Kennlinie für die erfindungsgemäße Differenzfeldsensoranordnung aus Fig. 7 bei einer Encoder Feldamplitude von 30mT sowie einer 67% Sensor-Encoder-Anpassung.

Fig. 12 zeigt eine exemplarische Kennlinie für die erfindungsgemäße Differenzfeldsensoranordnung aus Fig. 7 bei einer Encoder Feldamplitude von 3mT sowie einer 67% Sensor-Encoder-Anpassung.

Fig. 13 zeigt einen Verlauf des Brückensignals und des Ausgangssignals einer nachgeschalteten Signalverarbeitung (ASIC) der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung aus Fig. 7 mit drei unterschiedlichen Streifenbreiten von 0,4μηι, 1 μηι und 4μηι innerhalb eines Brückenwiderstands bei einer Encoder Feldamplitude von 30mT sowie einer 67% Sensor-Encoder-Anpassung.

Fig. 14 zeigt eine Detaildarstellung aus Fig. 13.

Fig. 15 zeigt eine Nulldurchgangsbreite des Brückensignals in Abhängigkeit der Sensor-Encoder-Anpassung bei einer Feldamplitude von 37mT.

Fig. 16 zeigt eine Nulldurchgangsbreite des Brückensignals in Abhängigkeit der Encoder-Feldamplitude bei einer Sensor-Encoder- Anpassung von 67%

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst die Differenzfeldsensoranordnung 1 gemäß Patentschrift EP 1 348 974 B1 vier magnetoresistive Widerstände R1 , R2, R3, R4, welche jeweils eine einheitliche und gleichbleibende Streifenbreite b aufweisen. Die Widerstände R1 , R2, R3, R4 sind paarweise in einem

Sondenabstand d angeordnet. We aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Widerstände R1 , R2, R3, R4 gemäß dem dargestellten Ersatzschaltbild derart zu einer Vollbrücke 2 verschaltet, dass ein korrespondierendes Brückensignal bzw. ein Differenzsignal Usig = U+ - U- proportional zur Differenz des Magnetfeldes von der linken zur rechten Sondenposition ist. Magnetoresistive Differenzfeldsensoranordnungen, wie die exemplarisch in Fig. 1 dargestellte GM R-Differenzfeldsensoranordnung 1 (GMR: Giant Magneto Resistance) haben das Problem, dass aufgrund des Sättigungsverhaltens des magnetoresistiven Effekts oberhalb einer bestimmten Magnetfeldstärke jedes der einzelnen als magnetoresistive Widerstände R1 , R2, R3, R4 ausgeführten Sensorelemente keine Magnetfeldempfindlichkeit mehr aufweist. Das bedeutet, dass eine Zunahme einer magnetischen Differenzflussdichte B_diff oberhalb dieser Sättigungsfeldstärke zu keiner weiteren Erhöhung des Differenzsignals Usig führt. Dies verdeutlicht die in Fig. 3 dargestellte exemplarische Kennlinie FAO des Dif- ferenzsignals Usig der GMR-Differenzfeldsensoranordnung 1 , welche bei einer

Sonden-Encoder-Anpassung von 67% und einer Encoder-Feldamplitude von 30mT aufgenommen wurde. Eine weitere Folge ist, dass ab einer bestimmten Fehlanpassung von Sondenabstand und Encoder-Polbreite und hoher Encoder- Feldamplitude der Nulldurchgang des Differenzsignals Usig nicht mehr steil, son- dem extrem flach mit eine Steigung von ungefähr Null, d.h. mit einer Empfindlichkeit von Null verläuft. Diesen extrem flachen Nulldurchgang wie auch das Sättigungsverhalten bei einer großen Differenzflussdichte B_diff zeigt beispielhaft die Kennlinie FAO der fehlangepassten GMR-Differenzfeldsensoranordnung 1 in Fig. 3. Die Breite dieses flachen Nulldurchgangs nimmt mit der Fehlanpassung und der Amplitude der Geberradfeldstärke zu. Für Raddrehzahl- und Positionssensoren, welche im Nulldurchgang des Differenzsignals Usig ein korrespondierendes Ausgabesignal l_A schalten, und bei denen es auf einen scharf reproduzierbaren Schaltzeitpunkt ankommt, sind solche extrem flachen Nulldurchgänge unbrauchbar. Denn der Schaltzeitpunkt ist entsprechend der Breite des Nulldurchgangs Undefiniert und der Jitter der Signalflanken des Ausgabesignal l_A dementsprechend erhöht. Dies ist in Fig. 5 und 6 dadurch veranschaulicht, dass die Schaltflanken des Ausgabesignal l_A der Differenzfeldsensoranordnung 1 , welches beispielsweise von einem mit der Vollbrücke 2 verbundenen nicht dargestellten ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) erzeugt und ausgegeben wird, an unterschiedlichen Stellen im Bereich des flachen Nulldurchgangs auftreten können. Das Differenzsignal Usig und das Ausgabesignal l_A wurden bei einer Sonden-Encoder-Anpassung von 67% und einer Encoder-Feldamplitude von 30mT aufgenommen.

Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Differenzfeldsensoranordnung 1 aus Fig. 1 , bei welcher die magnetoresistiven Widerstände R1 , R2, R3, R4 ein- heitliche Streifenbreiten b aufweisen, kann durch eine Reduktion dieser Streifenbreite b die magnetoresistive Sättigungsfeldstärke erhöht werden. Das ist aber direkt mit einer Einbuße an magnetischer Empfindlichkeit verbunden und reduziert folglich den maximal zulässigen Luftspalt der Differenzfeldsensoranordnung 1 , so dass die flachen Nulldurchgänge nur durch Verzicht auf Magnetfeldempfindlichkeit vermieden werden können.

Die in Fig. 4 dargestellten Kennlinien FA1 , FA2, FA3, welche bei einer Sonden- Encoder-Anpassung von 100% und einer Encoder-Feldamplitude von 30mT aufgenommen wurden, zeigen unterschiedlich starke Formanisotropien für bekannte Differenzfeldsensoranordnungen mit einheitlicher Streifenbreite bei allen Brückenwiderständen R1 , R2, R3, R4 der Vollbrücke 2. Hierbei repräsentiert eine erste Kennlinie FA1 beispielsweise eine mittlere Formanisotropie für eine mittlere Streifenbreite von b=^m für alle Brückenwiderstände R1 , R2, R3, R4 der Vollbrücke 2. Eine abgeflachte zweite Kennlinie FA2 repräsentiert eine erhöhte Formanisotropie durch eine reduzierte Streifenbreite von beispielsweise b=0^m für alle Brückenwiderstände R1 , R2, R3, R4 der Vollbrücke 2. Eine steilere dritte Kennlinie FA3 repräsentiert eine reduzierte Formanisotropie durch eine erhöhte Streifenbreite von beispielsweise b=4μm für alle Brückenwiderstände R1 , R2, R3, R4 der Vollbrücke 2.

Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus Fig. 7 bis 10 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen magnetischen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20, 30, 40 jeweils mindestens zwei magnetoresistive Widerständen R1 , R2, R3, R4, welche jeweils als magnetoresistive Schichtanordnungen mit vorgegebenen Streifenbreiten b und einem vorgebbaren Abstand d zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die einzelnen magnetoresistiven Widerstände R1 , R2, R3, R4 jeweils mit mindestens zwei Bereichen R1.1 , R1.2, R1.3, R2.1 , R2.2, R2.3, R3.1 , R3.2, R3.3, R4.1 , R4.2, R4.3, R1-1 , R1 -2, R1 -3, R2-1 , R2-2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4-1 , R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V mit unterschiedlich starken Formanisotropien ausgeführt, welche unterschiedliche Sättigungsfeldstärken und Magnetfeldempfindlichkeiten aufweisen. Die flachen Nulldurchgänge des Differenzsignals Usig der bekannten Differenzfeldsensoranordnung 1 mit einer Steigung 0 treten dann auf, wenn aufgrund einer großen Fehlanpassung zwischen Sondenabstand d und Encoder-Polbreite bei hoher Encoder-Feldstärkeamplitude, d.h. bei einem geringen Luftspalt, zwar das Differenzsignal Usig = 0 ist, die einzelnen magnetoresistiven Widerstände

R1 , R2, R3, R4 aber magnetisch gesättigt sind und auf eine Veränderung der externen magnetischen Feldstärke nicht mehr reagieren können. Hierbei entspricht der Sondenabstand d einem mittleren Abstand zwischen den magnetoresistiven Widerständen R1 und R4, welche an einer ersten Sondenposition angeordnet sind, und den magnetoresistiven Wderständen R2 und R3, welche an einer zweiten Sondenposition angeordnet sind, bzw. einem mittleren Abstand zwischen den einzelnen magnetoresistiven Wderständen 1 -R1 , 1 -R2, 1 -R3, 1 -R4, 2-R1 , 2-R2, 2-R3, 2-R4 der beiden Vollbrücken 42, 44, welche jeweils an einer Sondenposition angeordnet sind.

Um zu vermeiden, dass bei großer Fehlanpassung von Sondenabstand d und Encoder-Polbreite die einzelnen magnetoresistiven Widerstände R1 , R2, R3, R4 durch eine lokal an den Sondenpositionen vorliegende große magnetische Feldstärke gesättigt werden, wird erfindungsgemäß die Sättigungsfeldstärke in einem Teilabschnitt eines jeden magnetoresistiven Widerstands R1 , R2, R3, R4 so weit vergrößert, dass bei der zu spezifizierenden maximalen Encoder-Feldamplitude und maximalen Sensor-Encoder-Fehlanpassung noch keine magnetische Sättigung auftritt. Diese bereichsweise Erhöhung der magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke innerhalb eines jeden Widerstands R1 , R2, R3, R4 wird dadurch er- reicht, dass die magnetisch bedingte Wderstandsänderung dieser Wderstands-

Teilbereiche R1.1 , R2.1 , R3.1 , R4.1 , R1-1 , R2-1 , R3-1 , R4-1 , R1V, R2V, R3V, R4V in ihrer Steilheit (Empfindlichkeit) reduziert und dadurch der magnetische Arbeitsbereich erweitert wird. Dies verdeutlicht die abgeflachte GMR- Charakteristik FA3 in Fig. 4. Um dennoch bei kleinen Encoder-Feldamplituden, d.h. großen Luftspalten, eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit zu erreichen, wird in einem anderen Teilabschnitt R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1 -3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V eines jeden magnetoresistiven Widerstands R1 , R2, R3, R4 die Magnetfeldempfindlichkeit erhöht. Diesen Fall zeigt die steile GMR- Charakteristik FA1 in Fig. 4. Diese bereichsweise unterschiedlichen

magnetoresistiven Charakteristiken innerhalb eines jeden einzelnen Widerstands

R1 , R2, R3, R4 werden durch eine bereichsweise unterschiedlich starke Form- anisotropie der einzelnen Brückenwiderstandsstruktur erreicht. Die Widerstandsabschnitte R1.1 , R2.1 , R3.1 , R4.1 , R1 -1 , R2-1 , R3-1 , R4-1 , R1V, R2V, R3V, R4V mit großer Sättigungsfeldstärke also breitem magnetischen Arbeitsbereich erfordern eine erhöhte Formanisotropie, die Widerstandsabschnitte R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V mit großer Magnetfeldempfindlichkeit erfordern eine reduzierte Formanisotropie. Die Stärke der Formanisotropie wird über den Entmagnetisierungsfaktor N der magnetoresistiven Widerstandsgeometrie bestimmt und eingestellt. Bei magnetoresistiven Dünnschichtstrukturen ist dieser Entmagnetisierungsfaktor N näherungsweise durch das Ver- hältnis von Schichtdicke zu Streifenbreite b gegeben. Dementsprechend wird die erhöhte Formanisotropie der Wderstandsabschnitte R1.1 , R2.1 , R3.1 , R4.1 , R1 - 1 , R2-1 , R3-1 , R4-1 , R1V, R2V, R3V, R4V mit großer Sättigungsfeldstärke durch eine dort reduzierte Streifenbreite b1 erreicht. Entsprechend wird die reduzierte Formanisotropie der Widerstandsabschnitte R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1 -3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V mit hoher Magnetfeldempfindlichkeit durch eine in diesen Wderstandsabschnitten R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1 -3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V erhöhte Streifenbreite b3 erreicht.

Die in Fig. 4 dargestellten GMR-Kennlinien FA1 , FA2, FA3 erhält man bei jeweils einheitlicher Streifenbreite b aller GMR-Brückenwiderstände R1 , R2, R3, R4.

Dies entspricht dem Stand der Technik (siehe EP-1348974-A2). Zur erfindungsgemäßen Erzielung sowohl einer hohen Magnetfeldempfindlichkeit bei kleinen Encoder-Feldstärken wie auch einer hohen magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke bei großen Encoder-Feldstärken mit nur einer Vollbrücke 12, 22, 32, 42 wird jedoch jeder einzelne der magnetoresistiven Widerstände R1 , R2, R3, R4 als eine Kombination aus Abschnitten R1.1 , R1.2, R1.3, R2.1 , R2.2, R2.3, R3.1 , R3.2, R3.3, R4.1 , R4.2, R4.3, R1-1 , R1 -2, R1 -3, R2-1 , R2-2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4-1 , R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V unterschiedlicher Formanisotropie und dementsprechend als eine Kombination aus Streifenabschnitten unterschied- licher Streifenbreite b1 , b2, b3, b_min, b_max realisiert.

Wie aus Fig. 7 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10 zur Implementierung einer Vollbrücke 12 vier magnetoresistive Widerstände R1 , R2, R3, R4, welche jeweils drei magnetoresistive Wderstandsstreifen R11 , R12, R13,

R21 , R22, R23, R31 , R32, R33, R41 , R42, R43 mit unterschiedlicher Breite b1 , b2, b3 und gleicher Länge aufweisen, welche mit einem vorgegebenen Abstand direkt nebeneinander angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind.

Wie aus Fig. 8 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte zweite Ausfüh- rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 20 zur

Implementierung einer Vollbrücke 22 vier magnetoresistive Wderstände R1 , R2, R3, R4, welche jeweils nur einen einzelnen magnetoresistiven Wderstandsstrei- fen aufweisen, welcher drei Abschnitte R1-1 , R1 -2, R1 -3, R2-1 , R2-2, R2-3, R3- 1 , R3-2, R3-3, R4-1 , R4-2, R4-3 mit unterschiedlicher Breite b1 , b2, b3 aufweist.

Wie aus Fig. 9 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 30 zur Implementierung einer Vollbrücke 32 vier magnetoresistive Wderstände R1 , R2, R3, R4, welche jeweils als Wderstandsstreifen R1V, R2V, R3V, R4V ausgeführt sind, deren Breite sich zwischen einem minimalen Wert b_min und einem maximalen

Wert b_max kontinuierlich ändert. Hier ist durch eine kontinuierliche Änderung der Streifenbreite zwischen der minimalen Streifenbreite b_min und der maximalen Streifenbreite b_max eine beliebig feine Abstufung der Streifenbreiten innerhalb jedes einzelnen magnetoresistiven Widerstands R1 , R2, R3, R4 der Vollbrücke 32 erreicht.

Die in Fig. 7 bis Figur 9 jeweils schematisch dargestellte magnetoresistive Vollbrücke 12, 22, 32, deren Ersatzschaltbild in Fig. 2 dargestellt ist, wird bevorzugt mit einem GMR-Spinvalve-Schichtsystem aufgebaut. Dieses besteht zumindest aus einer natürlichen antiferromagnetischen Schicht, wie z.B. PtMn, IrMn, FeMn, einer ferromagnetischen Referenzschicht, wie z.B. NiFe, CoFe, deren Magnetisierungsrichtung durch die benachbarte antiferromagnetische Schicht fixiert (ge- pinnt) ist, einer nichtmagnetischen Zwischenschicht, wie z.B. Cu, und einer ferromagnetischen freien Schicht, wie z.B. NiFe, CoFe. Der GMR-Schichtstapel kann aber auch deutlich komplexer aufgebaut sein und beispielsweise zusätzlich einen künstlichen Antiferromagnet aufweisen. Bevorzugt haben alle vier magnetoresistiven Widerstände R1 , R2, R3, R4 des GMR-Spinvalve- Schichtsystems dieselbe Referenzrichtung, welche einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht. Diese lässt sich somit technisch einfach in einem Pro- zessschritt gleichzeitig für alle Sensorchips eines oder gar mehrerer Wafer einprägen. Auch wenn sich die hier beschriebenen möglichen Ausführungsformen auf die Anwendung der GMR-Sensortechnologie beziehen, so ist dennoch die erfindungsgemäße Kombination von Bereichen R1.1 , R1.2, R1.3, R2.1 , R2.2, R2.3, R3.1 , R3.2, R3.3, R4.1 , R4.2, R4.3, R1-1 , R1 -2, R1 -3, R2-1 , R2-2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4-1 , R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V unterschiedlicher Formani- sotropie innerhalb eines jeden MR- Brückenwiderstands auch mittels anderer magnetoresistiver Schichttechnologien realisierbar. So wird beispielsweise bei Anwendung der AMR-Technologie bevorzugt dasselbe Widerstandsstreifenlayout gewählt wie bei Anwendung der GMR-Technologie. Bei einem AMR- Schichtsystem weisen alle vier magnetoresistiven Widerstände R1 , R2, R3, R4 ebenfalls dieselbe Referenzrichtung auf, welche hier aber einer Referenzstromrichtung entspricht. Zur AMR-Kennlinien-Linearisierung werden aber bevorzugt zusätzliche Barberpol-Strukturen und zur AMR-Kennlinien-Stabilisierung (Vermeidung des Kennlinien-Flippens) ein zusätzliches magnetisches Stützfeld eingesetzt. Entsprechend sind bei Anwendung der TMR-Sensortechnologie zusätz- lieh deren speziellen Belange wie beispielsweise Stromfluss senkrecht zur Tunnel-Schichtebene zu berücksichtigen. Bevorzugt haben alle vier

magnetoresistiven Wderstände R1 , R2, R3, R4 des TMR-Schichtsystems ebenfalls dieselbe Referenzrichtung, welche hier analog zum GMR-Spinvalve- Schichtsystem einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht.

Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, ist die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Bereiche bzw. Abschnitte R1.1 , R1.2, R1.3, R2.1 , R2.2, R2.3, R3.1 , R3.2, R3.3, R4.1 , R4.2, R4.3, R1-1 , R1-2, R1-3, R2-1 , R2-2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4-1 , R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V unterschiedlicher Formanisotropie innerhalb eines jeden magnetoresistiven Widerstands R1 , R2, R3, R4 nicht auf Ausführungsformen mit einer Vollbrücke 12, 22, 32, wie in Fig. 7 bis 9 dargestellt, beschränkt. Die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Bereiche bzw. Abschnitte R1.1 , R1.2, R1.3, R2.1 , R2.2, R2.3, R3.1 , R3.2, R3.3, R4.1 , R4.2, R4.3, R1 -1 , R1-2, R1-3, R2-1 , R2-2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4-1 , R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V ist beispielsweise auch auf eine erfindungsgemäße Differenzfeldsensoranordnung 40 anwendbar, welche an jeder Sondenposition eine Vollbrücke 42, 44, in Summe also zwei Vollbrücken 42, 44 aufweist.

Wie aus Fig. 10 weiter ersichtlich ist, sind die einzelnen magnetoresistiven Widerstände 1-R1 , 1-R2, 1-R3, 1-R4, 2-R1 , 2-R2, 2-R3, 2-R4 analog zum dritten Ausführungsbeispiel jeweils als ein einziger Widerstandsstreifen ausgeführt, des- sen Streifenbreite sich entlang des Streifens kontinuierlich von einem maximalen Wert b_max auf einen minimalen Wert b_min und wieder bis zum maximalen Wert b_max ändert. Die Ausführung der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 40 mit zwei Vollbrücken 42, 44 bietet den Vorteil, dass das Gesamtdifferenzsignal Udiff = Usigl a - Usig2a mit Usigl a = U 1+ - U1- und Usig2a= U2+ - U2- doppelt so groß ist, als im Fall von nur einer Vollbrücke 32 und somit noch größere Luftspalte ermöglicht und einen noch geringeren Jitter der Signalflanken des Ausgabesignals l_A aufweist. Jede der beiden Vollbrücken 42, 44 stellt für sich allein betrachtet einen Single-Absolutfeldsensor mit einem Sondenabstand von Null dar. Daher sind bei den magnetoresistiven Widerständen 1 -R1 , 1 -R2, 1 -R3, 1-R4, 2-R1 , 2-R2, 2-R3, 2-R4 einer Halbbrücke unterschiedliche Referenzrichtungen erforderlich. Bei der dargestellten Verwendung von GMR-Spinvalve- Schichtsystemen entsprechen die Referenzrichtungen Referenzmagnetisierungsrichtungen, welche durch schwarze Pfeile in Fig. 10 symbolisiert sind.

Für die Ausführungsbeispiele mit drei unterschiedlichen Streifenbreiten b1 , b2, b3 innerhalb eines jeden Widerstands R1 , R2, R3, R4, siehe Fig. 7 und Fig. 8 erhält man bei einer Anpassung des Sondenabstands zur Encoder-Polbreite von 67% die in Fig.11 und 12 dargestellten GMR-Differenzsignal-Kennlinien FA10a, FA10b.

Die Kennlinie FA10a in Fig. 11 ist typisch für den Fall großer Encoder- Feldamplituden. Die Kennlinie FA10a zeigt im Vergleich mit der Kennlinie FAO aus Fig. 3, dass selbst bei einer Absolutfeldamplitude von 30mT die Kennlinien- Steigung im Nulldurchgang des Differenzsignals Usigl noch immer deutlich größer als Null ist. Die einzelnen magnetoresistiven Widerstände R1 , R2, R3, R4 der Vollbrücke 12, 22 sind also erfindungsgemäß trotz lokal an den

Sondenpositionen hoher Feldstärke, bedingt durch die Sensor-Encoder- Fehlanpassung von 33%, noch nicht gesättigt und zeigen im Gegensatz zu der in Fig. 3 dargestellten Kennlinie FAO noch eine ausreichend hohe Magnetfeldempfindlichkeit.

Die Kennlinie FA10b in Fig. 12 ist typisch für den Fall kleiner Encoder- Feldamplituden. Die Kennlinie FA10b zeigt im Vergleich mit der Kennlinie FAO aus Fig. 3, dass bei Encoder-Feldamplituden von 3mT und weniger, die Kennli- nien-Steigung d.h. die Magnetfeldempfindlichkeit erfindungsgemäß sehr groß ist und derjenigen bei einer Sensor-Encoder-Anpassung von 100% entspricht.

Für den Fall großer Encoder-Feldamplituden zeigen Figur 13 und 14 jeweils exemplarisch den Verlauf des Differenzsignals Usigl bzw. Brückensignals und des Ausgabesignals l_A der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20, welches beispielsweise von einem mit der Vollbrücke 12, 22 verbundenen nicht dargestellten ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) erzeugt und ausgegeben wird, bei einer Sensor-Encoder-Anpassung von 67% und einer Encoder-Feldamplitude von 30mT. Die dargestellten Signale Usigl , l_A betreffen die in Fig. 7 bzw. 8 dargestellten erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnungen 10, 20 mit drei unterschiedlichen Streifenbreiten von Μ =0.4μηι, b2=^m und b3=4μm innerhalb eines jeden magnetoresistiven Widerstands R1 , R2, R3, R4. Die Nulldurchgänge des Brückensignals Usigl zeigen die erfindungsgemäße von Null verschiedene Steigung. Folglich sind die Schaltpunkte des Sensorausgabesignals l_A gut definiert. Der Jitter der Signalflanken ist gegenüber den in Fig. 5 und 6 dargestellten Signalen der aus dem Stand der Technik bekannte Differenzfeldsensoranordnung 1 stark reduziert. Die Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik verdeutlicht auch die in

Fig. 15 beispielhaft dargestellte Abhängigkeit der Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usigl von der Sensor-Encoder-Anpassung SEA bei einer hohen Encoder-Absolutfeldamplitude von 37mT. Fig. 15 zeigt eine erste Kennlinie NDB1 , welche die auf die Encoder-Polpaarperiode bezogene relative Nulldurchgangs- breite des Differenzsignals Usig der aus dem Stand der Technik bekannte Differenzfeldsensoranordnung 1 mit magnetoresistiven Widerständen R1 , R2, R3, R4 repräsentiert, welche eine einheitliche Streifenbreite b von 1 ,4μηι aufweisen. Zudem zeigt Fig. 15 eine zweite Kennlinie NDB10, welche die auf die Encoder- Polpaarperiode bezogene relative Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usig der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 mit magnetoresistiven Widerständen R1 , R2, R3, R4 repräsentiert, welche jeweils drei unterschiedliche Streifenbreiten von Μ =0.4μηι, b2=^m und b3=4μm aufweisen. Bei der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 ist der für eine geringe Nulldurchgangsbreite <0,3% zulässige Sensor-Encoder- Anpassungsbereich wesentlich breiter, und die tolerierbare Fehlanpassung von

Sondenabstand zu Encoder-Polbreite also wesentlich größer. Ebenso ist bei der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 bei einer vorgegebenen Sensor-Encoder-Anpassung die für eine geringe Nulldurchgangsbreite zulässige maximale Encoder-Feldamplitude deutlich höher als bei der aus dem Stand der Technik bekannten Differenzfeldsensoranordnung 1 mit nur einer Streifenbreite.

Analog zu Fig. 15 zeigt Fig. 16 eine erste Kennlinie NDB1 , welche in Abhängigkeit der Amplitude der Absolutflussdichte B_abs die auf die Encoder-Polpaarbreite bezogene relative Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usig der aus dem Stand der Technik bekannte Differenzfeldsensoranordnung 1 mit

magnetoresistiven Widerständen R1 , R2, R3, R4 repräsentiert, welche eine einheitliche Streifenbreite b von 1 ,4μηι aufweisen, und eine zweite Kennlinie NDB10, welche die auf die Encoder-Polpaarbreite bezogene relative Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usig der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 mit magnetoresistiven Widerständen R1 , R2, R3, R4 repräsentiert, welche jeweils drei unterschiedliche Streifenbreiten von Μ =0.4μηι, b2=^m und b3=4μm aufweisen. Wie aus Fig. 16 weiter ersichtlich ist, sind beispielsweise für eine bei einer Sensor-Encoder-Anpassung von 67% dargestellten Abhängigkeit der Nulldurchgangsbreite von der Encoder-Feldamplitude bei der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 mit drei Streifenbreiten von Μ=0.4μηι, b2=^m und b3=4μm für jeden magnetoresistiven Widerstand R1 , R2, R3, R4 für eine Nulldurchgangsbreite von kleiner 0,3%, Encoder- Absolutfeldamplituden von bis ca. 45mT zulässig, d.h. ein um den Faktor 3 höherer Wert als im Fall der aus dem Stand der Technik bekannten Differenzfeldsensoranordnung 1 mit nur einer einheitlichen Streifenbreite b von 1 ,4μηι.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung können vorzugsweise für Drehzahlfühler in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Diese Drehzahlfühler stellen die für die ABS/ESP-Fahrdynamikregelung erforderli- chen Geschwindigkeitssignale der vier Räder zur Verfügung. Zusätzlich kann im

Rahmen der frequenzbasierten Reifendrucksensierung dieses Drehzahlfühlerge- schwindigkeitssignal über eine Frequenzanalyse auch zur Bestimmung des Reifenluftdrucks herangezogen werden. Diese zusätzliche Signalauswertung erfordert eine sehr hohe Wederholgenauigkeit der Drehzahlfühlersignalflankenpositi- on, d.h. den Einsatz von Low-Jitter Drehzahlfühlern. Mit den bisherigen Hall-

Effekt-basierten Drehzahlfühlern kann diese Anforderung nicht oder nur teilweise erfüllt werden. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung verbindet in vorteilhafter Weise die erforderliche Low-Jitter- Performance mit einer hohen Robustheit gegenüber magnetischen Fremd- bzw. Störfeldern. Dies ist gerade auch im Hinblick auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit großen elektrischen Strömen und damit verbundenen magnetischen Störfeldern von Bedeutung.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung können aufgrund der Low-Jitter-Performance auch sehr vorteilhaft als Drehzahlgeber an einer Kurbelwelle eingesetzt werden. Denn auch die exakte Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs erfordert Positionssignale mit hoher Wiederholgenauigkeit der Signalflanken-Position.

Darüber hinaus eignen sich Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Diffe- renzfeldsensoranordnung generell zur inkrementalen Positionssensierung (Winkel, Weg) insbesondere bei großen Luftspalten, aufgrund der hohen Magnetfeldempfindlichkeit, bei Gegenwart magnetischer Störfelder, aufgrund der magnetischen Robustheit des eingesetzten Differenzprinzips, und breitem Encoder- Spektrum, aufgrund der Fehlanpassungs-Toleranz.

Claims

Ansprüche

Magnetische Differenzfeldsensoranordnung mit mindestens zwei

magnetoresistiven Widerständen (R1 , R2, R3, R4), welche jeweils als magnetoresistive Schichtanordnungen mit vorgegebenen Streifenbreiten (b) und einem vorgebbaren Abstand (d) zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen magnetoresistiven Widerstände (R1 , R2, R3, R4) jeweils mit mindestens zwei Bereichen (R1 .1 , R1 .2, R1.3, R2.1 , R2.2, R2.3, R3.1 , R3.2, R3.3, R4.1 , R4.2, R4.3, R1 -1 , R1 -2, R1 -3, R2-1 , R2- 2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4-1 , R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V) mit unterschiedlich starken Formanisotropien ausgeführt sind, welche unterschiedliche Sättigungsfeldstärken und Magnetfeldempfindlichkeiten aufweisen.

Differenzfeldsensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich starke Formanisotropie der mindestens zwei Bereiche (R1.1 , R1.2, R1.3, R2.1 , R2.2, R2.3, R3.1 , R3.2, R3.3, R4.1 , R4.2, R4.3, R1-1 , R1-2, R1-3, R2-1 , R2-2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4-1 , R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V) der magnetoresistiven Wderstände (R1 , R2, R3, R4) über den Entmagnetisierungsfaktor (N) der magnetoresistiven Wderstands- geometrie bestimmt ist, welcher vorzugsweise über die Streifenbreite (b) der magnetoresistiven Wderstände (R1 , R2, R3, R4) vorgebbar ist.

Differenzfeldsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Vollbrückenschaltung (12, 22, 32, 42, 44), welche jeweils vier magnetoresistive Widerstände (R1 , R2, R3, R4) umfasst.

Differenzfeldsensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vollbrückenschaltung (12, 22, 32, 42, 44) als GMR-Schichtsystem oder als TMR-Schichtsystem oder als AMR- Schichtsystem aufgebaut ist. Differenzfeldsensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das GMR-Schichtsystem als GMR-Spinvalve-Schichtsystem ausgeführt ist und zumindest eine natürliche antiferromagnetische Schicht, eine ferro- magnetische Referenzschicht, deren Magnetisierungsrichtung durch die benachbarte antiferromagnetische Schicht fixiert ist, eine nichtmagnetische Zwischenschicht und eine ferromagnetische freie Schicht umfasst.

Differenzfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen magnetoresistiven Widerstände (R1 , R2, R3, R4) einer Vollbrückenschaltung (12, 22, 32) dieselbe Referenzrichtung aufweisen, wobei die Referenzrichtung des GMR-Schichtsystems und/oder des TMR-Schichtsystems einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht, und wobei die Referenzrichtung des AMR-Schichtsystems einer Referenzstrom richtung entspricht.

Differenzfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Vollbrückenschaltungen (42, 44) vorgesehen sind, wobei die einzelnen Brückenwiderstände (1 -R1 , 1 -R2, 1 -R3, 1 -R4, 2- R1 , 2-R2, 2-R3, 2-R4) einer jeden Halbbrücke unterschiedliche Referenzrichtungen aufweisen, wobei die Referenzrichtung des GMR-Schichtsystems und/oder des TMR-Schichtsystems einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht, und wobei die Referenzrichtung des AMR-Schichtsystems einer Referenzstrom richtung entspricht.

Differenzfeldsensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Vollbrückenschaltung (42) an einer ersten Sondenposition und eine zweite Vollbrückenschaltung (44) an einer zweiten Sondenposition angeordnet ist.

Differenzfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen magnetoresistiven Widerstände (R1 , R2, R3, R4) jeweils mindestens zwei Wderstandsstreifen (R1 1 , R12, R13, R21 , R22, R23, R31 , R32, R33, R41 , R42, R43) mit unterschiedlicher Breite (b1 , b2, b3) umfassen, welche mit einem vorgegebenen Abstand direkt nebeneinander angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind.

10. Differenzfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen magnetoresistiven Widerstände (R1 , R2, R3, R4) als Wderstandsstreifen ausgeführt sind, welche mindestens zwei Abschnitte (R1-1 , R1-2, R1 -3, R2-1 , R2-2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4- 1 , R4-2, R4-3) mit unterschiedlicher Breite (b1 , b2, b3) aufweisen.

1 1. Differenzfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen magnetoresistiven Wderstände (R1 , R2, R3, R4) als Wderstandsstreifen (R1V, R2V, R3V, R4V) ausgeführt sind, deren Breite sich zwischen einem minimalen Wert (b_min) und einem maximalen Wert (b_max) kontinuierlich ändert.

12. Differenzfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wderstandsstreifen der einzelnen

magnetoresistiven Widerstände (R1 , R2, R3, R4) einer Vollbrückenschaltung (12, 22, 32, 42, 44) gleich lang ausgeführt sind.