DE102004040079B3

DE102004040079B3 - Magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE102004040079B3
Application number: DE200410040079
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans; Martin Steck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2024-08-19

Abstract

Ein Magnetfeldsensor zum Messen eines magnetischen Feldes (B) enthält eine Brückenschaltung (2) mit zumindest einem ersten und einem zweiten Brückenzweig (22 bzw. 24), die jeweils zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R¶1¶, R¶2¶ bzw. R¶3¶, R¶4¶) enthalten, von denen jeweils zumindest einer magnetoresistiv ist, wobei die zumindest zwei magnetoresistiven, zu verschiedenen Brückenzweigen (22, 24) gehörenden Widerstände (R¶1¶, R¶3¶ und R¶2¶, R¶4¶) zur Messung des Gradienten des magnetischen Feldes (B) in Richtung einer Basisachse (x) eine Basislänge (b) voneinander beabstandet angeordnet sind. Gemäß der Erfindung ist in die Brückenschaltung (2) ein dritter Brückenzweig (23) geschaltet, der gemeinsam mit dem ersten oder zweiten Brückenzweig (22 bzw. 24) zur Messung der Magnetfeldstärke dient.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor.

Aus der DE 44 36 876 A1 ist ein Magnetfeldsensor bekannt, mit dem es möglich ist, den Gradienten eines magnetischen Feldes zu messen. Ein solcher Magnetfeldsensor ist in einer Prinzipdarstellung in 2 dargestellt. Er enthält eine Brückenschaltung 2 in Form einer Wheatstone-Brücke mit einem ersten und einem zweiten Brückenzweig 22 bzw. 24 die voneinander um eine Basislänge b = x₂ – x₁ voneinander entfernt angeordnet sind. Jeder Brückenzweig 22, 24 enthält zwei in Reihe geschaltete erste Teilzweige 22-1, 22-2 bzw. zweite Teilzweige 24-3, 24-4 mit jeweils zumindest einem magnetoresistiven Widerstand R₁, R₂ bzw. R₃, R₄. Bei den magnetoresistiven Widerständen R_1,2 und R_3,4 handelt es sich jeweils um einen oder mehrere in Serie geschaltete Schichtwiderstände, die sich in Längsrichtung senkrecht zur Abstandsachse x der Brückenschaltung 2 erstrecken und auf einem in der Figur nicht dargestellten Substrat angeordnet sind.

Die magnetoresistiven Widerstände R_1,2 und R_3,4 eines jeden Brückenzweiges 22 bzw. 24 sind jeweils mit einer Mehrzahl von so genannten Barberpolen 4 versehen, die gegen die Längsachse eine Neigung von 45° aufweisen und in der Figur schematisch durch diagonale Linien veranschaulicht sind. Zum Nachweis eines Gradienten der Komponente B_x eines Magnetfeldes B in Richtung der Abstandsachse x sind die in einem Brückenzweig 22, 24 in verschiedenen Teilzweigen 22-1, 22-2 bzw. 24-3, 24-4 angeordneten magnetoresistiven Widerstände R_1,2 bzw. R_3,4 jeweils mit um 90° versetzt zueinander angeordneten Barberpolen 4 versehen, wobei die an ein gemeinsames Potential angeschlossenen Teilzweige 22-1, 24-3 bzw. 22-2, 24-4 verschiedener Brückenzweige 22, 24 zueinander parallel orientierte Barberpole 4 aufweisen.

Die Brückenschaltung 2 wird mit einer konstanten Versorgungsspannung V₀ (oder alternativ mit einem konstanten Versorgungsstrom) gespeist und ein dem Gradienten eines magnetischen Feldes B in Richtung der Abstandsachse x annähernd proportionale Spannungsdifferenz V₁ – V₂ wird über der Brückendiagonale 26 abgegriffen. In Abwesenheit eines Magnetfeldgradienten ist die Spannungsdifferenz V₁ – V₂ (Brückenspannung) über der Brückendiagonale bei ideal abgeglichenen Widerständen R₁ bis R₄ gleich Null.

Für die Spannungen V₁ und V₂ gelten die Berechnungen V1 = V0R2/(R1 + R2) V2 = V0R4/(R3 + R4),wobei V₀ die Versorgungsspannung der Brückenschaltung 2 ist. Für die Brückenspannung V₁ – V₂ folgt näherungsweise: V1 – V2 = V0(R2 – R4)/2R

Wobei R der nominelle Widerstandswert, d. h. der Widerstandswert in Abwesenheit eines Magnetfeldes B (B = 0) aller magnetoresistiven Widerstände R_1-4 ist. Wegen der Orientierung der Barberpole 4 folgt für die Magnetfeldabhängigkeit R2 = R2(0) + (∂R2/∂B)B(x1) R4 = R4(0) + (∂R4/∂B)B(x2)

Dabei sind R₂(0) und R₄(0) die jeweiligen tatsächlichen Widerstandswerte der Widerstände R₂ bzw. R₄ für B = 0, die aus fertigungstechnischen Gründen vom nominellen Widerstandswert abweichen. Mit den Beziehungen ∂R2/∂B = ∂R/∂B + ∂(R2 – R)/∂B ∂R4/∂B = ∂R/∂B + ∂(R4 – R)/∂B ergibt sich für die Brückenspannung V₁ – V₂: (V1 – V2)(2R/V0) = [R2(0) – R4(0)] + [∂(R2 – R)/∂B – ∂(R4 – R)/∂B]B(x1) + [(x2 – x1)∂R/∂B]∂B/∂x (1)

Das erste Glied der Summe stellt eine Offsetspannung dar, die zusammenhängt mit der nicht perfekten Gleichheit der Magnetowiderstände, d. h. deren Abweichung vom nominellen Widerstandswert R und der daraus folgenden Asymmetrie der Brückenschaltung 2. Diese Offsetspannung kann prinzipiell in einer nachgeschalteten Verstärkerstufe abgeglichen werden, kann aber zusätzlich eine Temperaturdrift aufweisen, da die magnetoresistiven Widerstände eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Das zweite Glied ist eine Spannung, die proportional zu der Magnetfeldstärke ist und durch eine Asymmetrie der Brückenschaltung 2 verursacht ist. Störende homogene Magnetfelder würden sich entsprechend dieses Glieds bemerkbar machen. Das dritte Glied stellt das eigentliche Messsignal dar und ist proportional zum Gradienten ∂B/∂x des Magnetfeldes B in Abstandsrichtung x. Das Gradiometerprinzip in der Messbrücke führt im Sensorausgang (Brückendiagonale 26) zu einem Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal entsprechend der Gleichung [(x2 – x1)(∂R/∂B)/{∂(R2 – R)/∂B – ∂(R4 – R)/∂B}]·[(∂B/∂x)/B] (2)

Dieses Verhältnis wird wesentlich beeinflusst durch die Symmetrie der Brückenschaltung 2, die durch die Fertigungstechnik bestimmt ist und insbesondere bei einer photolithographischen Herstellung der magnetoresistiven Widerstände aus Dünnschichten optimiert werden kann.

Den Gleichungen (1) und (2) ist nun zu entnehmen, dass die Messempfindlichkeit des Magnetfeldsensors direkt proportional zur Basislänge b = x₂ – x₁ ist.

Die vorstehend anhand eines so genannten AMR-Wandlers, dessen magnetoresistive Widerstände einen anisotropen oder anomalen Magnetowiderstandseffekt zeigen (anomalous magnetoresistance), vorgetragenen Überlegungen gelten auch für Wheatstone-Brückenschaltungen, deren Widerstände einen von der Magnetfeldstärke und von der Magnetfeldrichtung abhängigen ohmschen Widerstand aufweisen, beispielsweise auf der Grundlage des GMR- oder TMR-Effektes beruhen (giant bzw. tunneling magnetoresistance). Aufgrund der in neuerer Zeit entdeckten Vielzahl von neuen Magnetowiderstandseffekten werden diese in der Literatur auch unter dem Sammelabkürzung „XMR" geführt.

In einer Vielzahl von Applikationen ist es neben der Messung eines Magnetfeldgradienten erforderlich, die Magnetfeldstärke zu bestimmen. Mit anderen Worten: Es muss nicht nur der Ort der Magnetfeldquelle sondern auch deren Quellstärke gemessen werden. Hierzu ist es im Stand der Technik bekannt, ebenfalls vier magnetoresistive Widerstände R₁, R₂ bzw. R₃, R₄ in Form einer Widerstandsbrücke anzuordnen, wobei allerdings in diesem Fall die magnetoresistiven Widerstände R₁, R₃ und R₂, R₄ der an ein gemeinsames Potential angeschlossenen Teilzweige 22-1, 24-3 bzw. 22-2, 24-4 verschiedener Brückenzweige 22, 24 Barberpole 4 aufweisen, die senkrecht zueinander orientiert sind, wie es in der 2 gestrichelt angedeutet ist. Um bei einer solchen Anordnung eine Abhängigkeit von eventuell noch vorhandenen Gradienten des magnetischen Feldes zu verringern, ist die Basislänge b abweichend von der Darstellung auf ein Minimum beschränkt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, einen Magnetfeldsensor anzugeben, mit dem sowohl die Messung eines Magnetfeldgradienten als auch die Messung einer Magnetfeldstärke möglich ist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Magnetfeldsensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ein solcher Magnetfeldsensor enthält eine Brückenschaltung mit zumindest einem ersten und einem zweiten Brückenzweig die jeweils zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände enthalten, von denen jeweils zumindest einer magnetoresistiv ist, wobei die zumindest zwei magnetoresistiven, zu verschiedenen Brückenzweigen gehörenden Widerstände zur Messung des Gradienten des magnetischen Feldes in Richtung einer Basisachse eine Basislänge voneinander beabstandet angeordnet sind. In die Brückenschaltung ist ein dritter Brückenzweig geschaltet, der gemeinsam mit dem ersten oder zweiten Brückenzweig zur Messung der Magnetfeldstärke dient.

Durch die gemeinsame Nutzung eines der Brückenzweige für die Gradienten des Magnetfeldes und für die Messung der Magnetfeldstärke ist der Aufbau gegenüber einer herkömmliche Anordnung, bei der zwei voneinander unabhängige Brückenschaltungen zum Einsatz kommen, vereinfacht. Durch die Integration beider Messfunktionen in eine Brückenschaltung werden die Feldstärke und der Gradient praktisch am selben Ort gemessen und die Rekonstruktion des Magnetfeldes durch Integration ist vereinfacht. Ebenso ist der Einfluss von Driftspannungen durch Temperaturunterschiede oder unterschiedliche Massepunkte reduziert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält der dritte Brückenzweig zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände, die magnetfeldunabhängig sind. Durch diese Maßnahme ist der Einfluss eines Gradienten eines Magnetfeldes bei der Messung der Magnetfeldstärke praktisch eliminiert, da zur Brückenspannung, das heißt zur Spannungsdifferenz zwischen dem Mittenabgriffen des ersten und dritten oder zweiten und dritten Brückenzweiges ausschließlich die am Ort des ersten bzw. zweiten Brückenzweiges herrschende Magnetfeldstärke beiträgt.

Vorzugsweise haben alle Widerstände der Brückenschaltung denselben nominellen Widerstandswert. Durch diese Maßnahme ist sowohl das Rauschen begrenzt als auch die Verlustleistung ge genüber einer konventionellen Messanordnung mit zwei Brückenschaltungen reduziert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
1 einen Magnetfeldsensor gemäß der Erfindung, bei dem der dritte Brückenzweig zwei in Reihe geschaltete magnetfeldunabhängige Widerstände enthält,
2 Magnetfeldsensoren zur Messung des Gradienten eines Magnetfeldes und einer Magnetfeldstärke, wie sie jeweils im Stand der Technik bekannt sind,
3 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.
Gemäß 1 ist der Brückenschaltung 2 des Magnetfeldsensors neben den bereits anhand von 2 erläuterten ersten und zweiten Brückenzweigen 22, 24 ein dritter Brückenzweig 23 zugeschaltet, so dass auf diese Weise drei nutzbare Brückenschaltungen entstehen. Bei den magnetoresistiven Widerständen R_1-4 des Ausführungsbeispiels handelt es sich um so genannte AMR-Widerstände, beispielsweise aus Permalloy bestehende, auf einem Siliziumwafer aufgebrachte und mit Barberpolen 4 versehene Dünnschichtwiderstände. Die magnetoresistiven Widerstände R_1-4 sind nominell gleich, d. h. haben im Rahmen der Fertigungstoleranzen in Abwesenheit eines Magnetfeldes praktisch denselben Wert R ≈ R₁(0) ≈ R₂(0) ≈ R₃(0) ≈ R₄(0).
Der dritte Brückenzweig 23 besteht ebenfalls aus zwei dritten Teilzweigen 23-5 und 23-6, die jeweils zumindest einen magnetfeldunabhängigen ohmschen Widerstand R₅ und R₆ enthalten. Für die Brückenspannung V₁ – V₃ zwischen dem ersten Brü ckenzweig 22 und dem dritten Brückenzweig 23 gilt dann näherungsweise die folgende Beziehung: V1 – V3 = (E/2R)[{R2(0) – R} + (∂R2/∂B)B(x1)]
Entsprechend gilt für die Brückenspannung V₁ – V₃ zwischen dem zweiten Brückenzweig 24 und dem dritten Brückenzweig 26 V2 – V₃ die Beziehung V2 – V3 = (E/2R) [{R4(0) – R} + (∂R4/∂B)B(x2)]
Die Brückenspannungen V₁ – V₃ und V₂ – V₃ sind jeweils proportional zur Stärke des Magnetfeldes B am Ort x₁ bzw. x₂. Da die Widerstände R₅, R₆ des dritten Brückenzweiges 23 vom magnetischen Feld unabhängig sind, kann dessen Position frei gewählt werden, wie dies in der Figur durch den Doppelpfeil 28 veranschaulicht ist.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist alternativ zur Ausführungsform 1 ein dritter Brückenzweig 23' vorgesehen, der in seinen Teilzweigen 23'-5 und 23'-6 jeweils magnetoresistive Widerstände R'₅, R'₆ enthält, die möglichst nahe an den Widerständen R₃ bzw. R₄ des zweiten Brückenzweiges 24 angeordnet sind. Die Barberpole 4 einander zugeordneter Teilzweige 24-3, 23'-5 und 24-4, 23'-6 des zweiten bzw. dritten Brückenzweiges 24 bzw. 23' stehen jeweils senkrecht aufeinander, um die Messung der Magnetfeldstärke zu ermöglichen. In dieser Ausführungsform ist die Empfindlichkeit bei der Messung der Magnetfeldstärke gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 1 um den Faktor 2 erhöht.
Die Dimensionierung der zusätzlichen Widerstände R₅, R₆ bzw. R'₅, R'₆ erfolgt unter der Bedingung, dass diese nur zu einer geringen Erhöhung des Rauschens der Brückenspannungen führen sollen. Um eine Zunahme des Rauschens der Brückenspannung V₁ – V₂ durch die zusätzlichen Widerstände R₅, R₆ bzw. R'₅, R'₆ zu begrenzen, ist es zweckmäßig, die relative Streubreite der zusätzlichen Widerstände R₅, R₆ bzw. R'₅, R'₆ im Rahmen des fertigungstechnisch Möglichen weitgehend zu minimieren (<< 1). Mit anderen Worten: Die durch Fertigungstoleranzen verursachte absolute Streubreite der Widerstandswerte der zusätzlichen Widerstände R₅, R₆ bzw. R'₅, R'₆ muss sehr viel kleiner sein als deren nomineller Widerstandswert.
Der Rauschspannungsanteil bei der Brückenspannung V₁ – V₃ hängt außerdem von den absoluten Widerstandswerten der zusätzlichen Widerstände R₅, R₆ bzw. R'₅, R'₆ ab. Dieser ist umso kleiner, je kleiner diese Widerstandswerte sind. Um jedoch die Verlustleistung der Brückenschaltung durch den zusätzlich dritten Brückenzweig 23 bzw. 23' zu begrenzen, ist es zweckmäßig, den Widerstandswert der Widerstände R₅ und R₆ bzw. R'₅, R'₆ nicht zu klein zu wählen. Vorzugsweise ist dieser Widerstandswert gleich dem nominellen Widerstandswert der magnetoresistiven Widerstände R₁, R₂ und R₃, R₄ im ersten bzw. zweiten Brückenzweig 22 bzw. 24. Die Widerstände R₁ – R₆ haben somit vorzugsweise alle denselben nominellen Wert R, d. h. sind im Rahmen der fertigungstechnischen Toleranzen in Abwesenheit eines Magnetfeldes praktisch gleich groß. Bei einer solchen Dimensionierung der Widerstände R₅ und R₆ bzw. R'₅, R'₆ nimmt zwar die Verlustleistung der Brückenschaltung 2 um den Faktor 1,5 gegenüber einer herkömmlichen Brückenschaltung zu. Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem ein erster Sensor zur Messung der Magnetfeldstärke und ein zweiter Sensor zur Messung des Gradienten des Magnetfeldes vorgesehen sind, wird jedoch um den Faktor 0,75 weniger Leistung aufgenommen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, in denen als magnetoresistive Widerstände AMR-Widerstände gezeigt sind. Als magnetoresistive Widerstände sind jedoch grundsätzlich auch Widerstände geeignet, deren magnetoresistive Eigenschaften auf anderen physikalischen Effekten beruhen, beispielsweise TMR- oder GMR-Widerstände, und bei de nen der ohmsche Widerstand von der Richtung und der Stärke des Magnetfeldes abhängt.
Darüber hinaus ist es – wenngleich aufgrund der verringerten Empfindlichkeit wenig vorteilhaft – auch prinzipiell ausreichend, wenn der erste und zweite Brückenzweig 22 bzw. 24 und gegebenenfalls auch der dritte Brückenzweig jeweils nur einen einzigen magnetoresistiven Widerstand aufweisen.

Claims

Magnetfeldsensor zum Messen eines magnetischen Feldes (B) mit einer Brückenschaltung (2) mit zumindest einem ersten und einem zweiten Brückenzweig (22 bzw. 24), die jeweils zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R₁, R₂ bzw. R₃, R₄) enthalten, von denen jeweils zumindest einer magnetoresistiv ist, wobei die zumindest zwei magnetoresistiven, zu verschiedenen Brückenzweigen (22, 24) gehörenden Widerstände (R₁, R₃ und R₂, R₄) zur Messung des Gradienten des magnetischen Feldes (B) in Richtung einer Basisachse (x) eine Basislänge (b) voneinander beabstandet angeordnet sind, sowie mit einem in die Brückenschaltung (2) geschalteten dritten Brückenzweig (23, 23'), der gemeinsam mit dem ersten oder zweiten Brückenzweig (22 bzw. 24) zur Messung der Magnetfeldstärke dient.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, bei dem der dritte Brückenzweig (23) zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R₅, R₆) enthält, die magnetfeldunabhängig sind.
Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Widerstände (R₁, R₂, R₃, R₄ und R₅, R₆ bzw. R'₅, R'₆) der Brückenschaltung (2) denselben nominellen Widerstandswert haben.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, bei dem im dritten Brückenzweig (23') zumindest zwei in Reihe geschaltete magnetoresistive Widerstände (R'₅, R'₆) angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die magnetoresistiven Widerstände (R₁, R₂ und R₃, R₄) des ersten und des zweiten Brückenzweiges (22 bzw. 24) AMR-Widerstände sind, die in jedem Brückenzweig (22, 24) mit ihrer Längsrichtung senkrecht zur Basisachse (x) mit unter 45° zu dieser Längsrichtung orientierten Barberpolen (4) angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 5, bei dem die magnetoresistiven Widerstände (R'₅, R'₆) des dritten Brückenzweiges (23') AMR-Widerstände sind und in diesem mit ihrer Längsrichtung senkrecht zur Basisachse (x) mit unter 45° zu dieser Längsrichtung orientierten Barberpolen (4) angeordnet sind.