DE102012201348A1

DE102012201348A1 - Sensor

Info

Publication number: DE102012201348A1
Application number: DE102012201348A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ausserlechner Udo
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: DE102012201348B4; CN102628696A; CN102628696B; US20120194175A1; US8797024B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit einem Körper und einem Magnetfeldsensor. Der Körper umfasst eine Mehrzahl von Strukturen, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Der Magnetfeldsensor ist konfiguriert, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der Magnetfeldsensor benachbart zu dem Körper angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor. Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Sensor mit einem Körper und einem Magnetfeldsensor. Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Drehsensor mit einem Rad und einem Magnetfeldsensor. Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen verbesserten GMR-Geschwindigkeitssensor.
Sensoren können für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie z. B. zum Erfassen einer Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung eines Körpers.
Mit Bezugnahme auf Drehsensoren kann der Körper beispielsweise ein Rad sein, das einer Welle befestigt ist, wobei der Sensor verwendet wird zum Erfassen einer Drehposition, eines Winkels einer Geschwindigkeit oder einer Beschleunigung der Welle.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sensoren, ein Verfahren zum Messen einer Bewegung eines Körpers sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Sensor mit einem Körper und einem Magnetfeldsensor. Der Körper weist eine Mehrzahl von Strukturen auf, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Der Magnetfeldsensor ist konfiguriert, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der Magnetfeldsensor benachbart zu dem Körper angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen (Dreh-)Sensor, der ein Rad und einen Magnetfeldsensor aufweist. Das Rad weist eine Mehrzahl von azimutal verteilten Strukturen auf, um auf eine Drehung des Rads hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Der Magnetfeldsensor ist konfiguriert, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der Magnetfeldsensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist, so dass die zweite Richtung einer Richtung der Achse des Rads entspricht und die dritte Richtung einer radialen Richtung des Rads entspricht.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Messen einer Bewegung eines Körpers, wobei der Körper eine Mehrzahl von Strukturen aufweist, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Das Verfahren weist das Erfassen von Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung mit einem Magnetfeldsensor auf, wobei der Magnetfeldsensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors. Bei einem ersten Schritt wird ein Körper mit einer Mehrzahl von Strukturen versehen, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Bei einem zweiten Schritt wird ein Magnetfeldsensor bereitgestellt, der konfiguriert ist, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der Magnetfeldsensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine darstellende Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Sensors mit einem Körper und einem Magnetfeldsensor;
2 eine darstellende Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Sensors mit einem Körper und einem Magnetfeldsensor;
3 eine darstellende Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines (Dreh-)Sensors mit einem Rad und einem Magnetfeldsensor;
4 eine darstellende Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des (Dreh-)Sensors mit einem Rad und einem Magnetfeldsensor;
5 einen allgemeinen Drehsensor mit einem Polrad und drei XMR-Sensoren auf einem Sensorchip;
6 eine darstellende Ansicht der Ausrichtung der Magnetisierung in einem GMR-Streifen für unterschiedliche Werte der angelegten x-Komponente des Magnetfelds;
7 ein Diagramm der x-Komponente und der y-Komponente des Magnetfelds, das durch das in 5 gezeigte Polrad erzeugt wird;
8a ein Diagramm der y-Komponente der Magnetisierung als eine Funktion der Zeit;
8b ein Diagramm des XMR-Widerstands als eine Funktion der Zeit;
9a und 9b Diagramme von GMR-Signalen auf die Drehung des Rads hin;
10 eine darstellende Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines (Dreh-)Sensors mit einem Rad und einem ersten XMR-Sensor und einem zweiten XMR-Sensor;
11 eine darstellende Seitenansicht des in 10 gezeigten (Dreh-)Sensors;
12 eine Vorrichtung zum Vergleichen eines XMR-Signals mit einem Hall-Signal;
13 die Ausgangsspannung einer Wheatstone-Brücke eines (Dreh-)Sensors mit vier GMR-Sensoren;
14 einen kleinen Teil eines Polrads und Flusslinien eines Magnetfelds, das durch den kleinen Teil des Polrads erzeugt wird;
15 die x-Komponente, die y-Komponente und die z-Komponente des Magnetfelds, das durch den kleinen Teil des in 14 gezeigten Polrads erzeugt wird;
16 die x-Komponente des Magnetfelds über der z-Komponente des Magnetfelds und die y-Komponente des Magnetfelds über der z-Komponente des Magnetfelds auf einem Weg entlang der x-Richtung;
17 die y-Komponente und die z-Komponente der Magnetflussdichte bei einem kleinen Luftzwischenraum als eine Funktion der y-Komponente des Referenzkoordinatensystems;
18 die y-Komponente und die z-Komponente der Magnetflussdichte bei einem großen Luftzwischenraum als eine Funktion der y-Komponente des Referenzkoordinatensystems.
Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder äquivalente Bezugszeichen bezeichnet.
Merkmale der hierin nachfolgenden beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn, dies ist speziell anderweitig angemerkt.
1 zeigt eine darstellende Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 mit einem Körper 102 und einem Magnetfeldsensor 104. Dadurch ist nur ein kleiner Teil des Körpers 102 gezeigt, wobei der kleine Teil eine Mehrzahl von Strukturen 106_1 bis 106_18 aufweist, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers 102 in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Der Magnetfeldsensor 104 ist konfiguriert, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der Magnetfeldsensor 104 benachbart zu dem Körper 102 angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Die angehängten Zeichnungen zeigen ein x-y-z-Referenzkoordinatensystem mit einer x-Achse, einer y-Achse und einer z-Achse, die senkrecht zueinander sind. Die y-Achse und die z-Achse definieren eine vertikale Ebene oder eine vertikale Abmessung parallel zu dem aktiven oder empfindlichen Bereich des Magnetfeldsensors 104. Die x-Achse definiert eine laterale Abmessung senkrecht zu dem aktiven oder empfindlichen Bereich des Magnetfeldsensors 104.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Magnetfeldsensor 104 benachbart zu dem Körper 102 angeordnet, so dass der aktive oder empfindliche Bereich (freie Schicht) des Magnetfeldsensors 104 parallel zu einer Ebene angeordnet ist, die durch die zweite Richtung (y-Achse des Referenzkoordinatensystems) und die dritte Richtung (z-Achse des Referenzkoordinatensystem) definiert ist. Die erfassten Magnetfeldkomponenten in der zweiten Richtung (B_y) und in der dritten Richtung (B_z) sind gleichphasig, wobei eine Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung (B_x, x-Komponente des Magnetfelds an dem Magnetfeldsensor 104) senkrecht zu der zweiten Richtung und zu der dritten Richtung 90° phasenverschoben ist. Aufgrund der Anordnung des Magnetfeldsensors 104 ist die Magnetfeldkomponente in der ersten Richtung (B_x) senkrecht zu dem aktiven oder empfindlichen Bereich (freie Schicht) des Magnetfeldsensors 104 und daher irrelevant. Somit kann die Magnetfeldkomponente in der zweiten Richtung (B_y) keine unerwünschte Drehung einer Magnetisierung der freien Schicht verursachen, die zu einem diskontinuierlichen Sprung bei dem Widerstand des Magnetfeldsensors 104 führen kann.
Wie es in 1 beispielhaft gezeigt ist, sind die Strukturen 106_1 bis 106_18 des Körpers 102 bei einigen Ausführungsbeispielen Magnetpole, die mit wechselnder Polarität angeordnet sind. Alternativ kann der Sensor 100 ein Magnetelement aufweisen, das benachbart zu dem Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist, wobei die Strukturen 106_1 bis 106_18 des Körpers 102 Vorsprünge oder Ausnehmungen aufweisen können, die in der zweiten Richtung oder in der dritten Richtung periodisch an dem Körper 102 gebildet sind.
In 1 ist die Anzahl der Strukturen beispielhaft als 18 gewählt. Selbstverständlich kann der Körper 102 bis zu n Strukturen 106_1 bis 106_n aufweisen, wobei n eine natürliche Zahl sein kann, beispielsweise zwischen 50 und 70 oder zwischen 20 und 90.
2 zeigt eine darstellende Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Sensors 100 mit einem Körper 102 und einem Magnetfeldsensor 104. Im Gegensatz zu 1 stehen die Strukturen 106_1 bis 106_9 des Rads 102 in der dritten Richtung periodisch von dem Körper 102 vor. Darüber hinaus ist ein Magnetelement 110, das einen magnetischen Nord- und Südpol aufweist, benachbart zu dem Körper 102 angeordnet, so dass ein Magnetisierungsvektor des Magnetelements 110 senkrecht zu dem aktiven oder empfindlichen Bereich (freie Schicht) des Magnetfeldsensors 104 ist. Wie es in 2 gezeigt ist, kann das Magnetelement 110 somit auf einer Linie parallel zu der x-Achse des Referenzkoordinatensystems angeordnet sein, so dass der magnetische Nordpol des Magnetelements 110 benachbart zu dem Magnetfeldsensor 104 ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Körper 102 ein ferromagnetisches Material aufweisen, das das Magnetfeld ablenkt, das durch das Magnetelement 110 erzeugt wird, wobei die Vorsprünge 106_1 bis 106_9, die periodisch an dem Körper 102 gebildet sind, auf eine Bewegung des Körpers 102 in die erste Richtung hin ein variierendes Magnetfeld an dem Magnetfeldsensor 104 bewirken. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Material des Körpers 102 eine relative Permeabilität μ_r ungleich 1 aufweisen. Darüber hinaus kann das Material des Körpers 102 ein weichmagnetisches Material sein, das eine relative Permeabilität μ_r größer als 1.000 (μ_r > 1.000) aufweist, wie z. B. Stahl oder Eisen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Körper 102 ein Rad aufweisen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der in 1 und 2 gezeigte Sensor 100 ferner einen Auswerter aufweisen, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal des Magnetfeldsensors 104 zu erfassen. Darüber hinaus kann der Auswerter konfiguriert sein, um basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung des Körpers 102 auszuwerten.
Der Magnetfeldsensor 104, der in 1 und 2 gezeigt ist, kann einen XMR-Sensor aufweisen, z. B. einen anisotrop-magnetoresistiven (AMR; AMR = anisotropic magneto resistive), einen giant-magnetoresistiven (GMR, GMR = giant magneto resistive), einen tunnel-magnetoresistiven (TMR; TMR = tunnel magneto resistive) oder einen kolossalmagnetoresistiven (CMR; CMR = colossal magneto resistive) Sensor.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei der Körper 102 die Form eines Rads aufweist, und wobei eine relative Bewegung zwischen dem Körper 102 und dem Magnetfeldsensor 104 durch eine Drehung des Körpers 102 verursacht wird.
3 zeigt eine darstellende Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines (Dreh-)Sensors 100 mit einem Rad 102 und einem Magnetfeldsensor 104. Das Rad 102 weist eine Mehrzahl von azimuth verteilten Strukturen 106_1 bis 106_16 auf, um auf eine Drehung des Rads 102 hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Der Magnetfeldsensor 104 ist konfiguriert, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der Magnetfeldsensor 104 benachbart zu dem Rad 102 angeordnet ist, so dass die zweite Richtung einer Richtung der Achse 108 des Rads 102 entspricht und die dritte Richtung einer radialen Richtung des Rads 102 entspricht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Magnetfeldsensor 104 benachbart zu dem Rad 102 angeordnet, so dass der aktive oder empfindliche Bereich (freie Schicht) des Magnetfeldsensors 104 parallel zu einer Ebene angeordnet ist, die durch die Achse 108 des Rads 102 (y-Achse des Referenzkoordinatensystems) und durch die Radialrichtung des Rads 102 (z-Achse des Referenzkoordinatensystems) definiert ist. Anders ausgedrückt, der Magnetfeldsensor 104 ist konfiguriert, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung zu erfassen, die der Richtung der Achse 108 des Rads 102 (B_y, y-Komponente des Magnetfelds an dem Magnetfeldsensor 104) entspricht, und in einer dritten Richtung, die der radialen Richtung des Rads 102 (B_z, z-Komponente des Magnetfelds an dem Magnetfeldsensor 104) entspricht. Die erfassten Magnetfeldkomponenten in der zweiten Richtung (B_y) und in der dritten Richtung (B_z) sind gleichphasig, wobei eine Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung (B_x, x-Komponente des Magnetfelds an dem Magnetfeldsensor 104) senkrecht zu der zweiten Richtung und der dritten Richtung 90° phasenverschoben ist. Aufgrund der Anordnung des Magnetfeldsensors 104 ist die Magnetfeldkomponente in der ersten Richtung (B_x) senkrecht zu dem aktiven oder empfindlichen Bereich (freie Schicht) des Magnetfeldsensors 104 und daher irrelevant. Somit kann die Magnetfeldkomponente in der zweiten Richtung (B_y) keine unerwünschte Drehung einer Magnetisierung der freien Schicht verursachen, die zu einem diskontinuierlichen Sprung bei dem Widerstand des Magnetfeldsensors 104 führen kann.
Wie es in 3 beispielhaft gezeigt ist, sind die azimutal verteilten Strukturen 106_1 bis 106_16 des Rads 102 bei einigen Ausführungsbeispielen Magnetpole, die mit wechselnder Polarität angeordnet sind. Oder anders ausgedrückt, das in 3 gezeigte Rad 102 ist ein Magnetpolrad, das magnetische Nord- und Südpole aufweist, die mit wechselnder Polarität angeordnet sind. Alternativ kann der (Dreh-)Sensor 100 ein Magnetelement aufweisen, das benachbart zu dem Magnetfeldsensor 104 angeordnet ist, wobei die azimutal verteilten Strukturen 106_1 bis 106_n des Rads Vorsprünge oder Ausnehmungen aufweisen können, die an dem Rad 102 in der radialen Richtung des Rads 102 oder in der Richtung der Achse 108 des Rads 102 periodisch gebildet sind.
In 3 ist die Anzahl der azimutal verteilten Strukturen beispielhaft als 16 gewählt. Selbstverständlich kann das Rad 102 bis zu n azimutal verteilte Strukturen 106_1 bis 106_n aufweisen, wobei n eine natürliche Zahl sein kann, beispielsweise zwischen 50 und 70 oder zwischen 20 und 90.
4 zeigt eine darstellende Ansicht eines darstellenden Ausführungsbeispiels des (Dreh-)Sensors 100 mit einem Rad 102 und einem Magnetfeldsensor 104. Im Gegensatz zu 3 stehen die azimutal verteilten Strukturen 106_1 bis 106_8 des Rads 102 in der radialen Richtung des Rads 102 periodisch von dem Rad 102 vor. Darüber hinaus ist ein Magnetelement 110, das einen magnetischen Nord- und Südpol aufweist, benachbart zu dem Rad 102 angeordnet, so dass ein Magnetisierungsvektor des Magnetelements 110 senkrecht zu dem aktiven oder empfindlichen Bereich (freie Schicht) des Magnetfeldsensors 104 ist. Wie es in 4 gezeigt ist, kann das Magnetelement 110 somit auf einer Linie parallel zu der x-Achse des Referenzkoordinatensystems angeordnet sein, so dass der magnetische Nordpol des Magnetelements 110 benachbart zu dem Magnetfeldsensor 104 ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Rad 102 ein ferromagnetisches Material aufweisen, das das Magnetfeld ablenkt, das durch das Magnetelement 110 erzeugt wird, wobei die Vorsprünge 106_1 bis 106_8 die periodisch an dem Rad 102 gebildet sind, auf eine Drehung des Rads 102 hin ein variierendes Magnetfeld bewirken. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Material des Rads 102 eine relative Permeabilität μ_r ungleich 1 aufweisen. Darüber hinaus kann das Material des Rads 102 ein weichmagnetisches Material sein, das eine relative Permeabilität μ_r größer als 1.000 (μ_r > 1.000) aufweist, wie z. B. Stahl oder Eisen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der in 3 und 4 gezeigte (Dreh-)Sensor 100 ferner einen Auswerter aufweisen, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal des Magnetfeldsensors 104 zu erfassen. Darüber hinaus kann der Auswerter konfiguriert sein, um basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung des Körpers 102 auszuwerten.
Der Magnetfeldsensor 104, der in 3 und 4 gezeigt ist, kann einen XMR-Sensor aufweisen, z. B. einen anisotrop-magnetoresistiven (AMR; AMR = anisotropic magneto resistive), einen giant-magnetoresistiven (GMR, GMR = giant magneto resistive), einen tunnel-magnetoresistiven (TMR; TMR = tunnel magneto resistive) oder einen kolossalmagnetoresistiven (CMR; CMR = colossal magneto resistive) Sensor.
Im Gegensatz zu allgemeinen Magnetfeldsensoren, wie z. B. Hall-Sensoren und magnetoresistiven Sensoren, haben XMR-Sensoren 104 eine höhere magnetische Empfindlichkeit. Daher werden dieselben bei einem Ausführungsbeispiel bevorzugt für die Erfassung einer Winkelposition oder Geschwindigkeit eines sich drehenden Zielrads 102.
Das allgemeine Merkmal von XMR-Sensoren 104 ist, dass dieselben eine freie Schicht haben, welche eine Schicht ist, wo die Magnetisierung sich frei bewegen kann. Die Richtung, in der sich die Schichtmagnetisierung ausrichtet, hängt von dem externen Magnetfeld und von verschiedenen Anisotropietermen ab. Ein Anisotropieterm wird bestimmt durch die geometrische Form des XMR-Sensors 104. Bei GMR-Sensoren ist beispielsweise bekannt, dass die Formanisotropie der Dünnschichtstruktur die Magnetisierung in die Ebene der freien Schicht zwingt. Falls der GMR-Sensor ferner die Form eines langen Streifens hat, dann zieht die Formanisotropie die Magnetisierung in die Richtung der langen Seite des Streifens, dies ist die leichte Achse. Falls externe Felder mit Komponenten in der Ebene des GMR-Sensors (nachfolgend „planare Felder” genannt) und senkrecht zu dem GMR-Streifen (GMR-Sensor) angelegt werden, dann drehen dieselben die Magnetisierung aus der leichten Achse.
5 zeigt einen allgemeinen Drehsensor 102 mit einem Polrad 102 und drei XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 auf einem Sensorchip 112. Bei dieser Figur ist nur ein kleiner Teil des Polrads 102 gezeigt und die Krümmung wird vernachlässigt. Das Magnetpolrad kann mehrere (normalerweise 60) kleine Permanentmagnetbereiche auf seinem Umfang aufweisen, die ein wechselndes Magnetfeldmuster erzeugen. Der Magnetfeldsensor erfasst die Änderungen in dem Magnetfeld, wenn sich das Polrad dreht, wodurch er z. B. die Bewegung einer Welle erfasst.
Die Drehachse des Polrads 102 ist parallel zu der y-Achse, die Tangentialbewegung der Magnetpole 106_1 bis 106_8 ist entlang der x-Achse. Das Polrad 102 weist eine Tragestruktur 114 auf, wie z. B. einen Stahlrücken, der das Polrad 102 an der Welle befestigt und einen Permanentmagnetstreifen 116 hält. Der Streifen 116 weist mehrere Bereiche auf (Magnetpole 106_1 bis 106_8), wo die Magnetisierung in die positive und negative z-Richtung zeigt. Die Magnetisierung des Polrads 102 ist mit einem Strich (M_Z') bezeichnet, um dieselbe von der ungestrichenen Magnetisierung (M_Y) der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 zu unterscheiden. 5 zeigt auch einen größeren magnetischen Nordpol um x = 0, der als Indexzone 118 dient. Normalerweise sind die XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 auf der Oberfläche eines Halbleiterchips 112 angeordnet.
Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die in 3 und 4 gezeigt sind, sind die XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 des in 5 gezeigten allgemeinen Drehsensors angeordnet, so dass der aktive oder empfindliche Bereich (freie Schicht) der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 parallel zu einer Ebene ist, die durch die x-Achse und die y-Achse des Referenzkoordinatensystems definiert ist. Oder, anders ausgedrückt, die XMR-Ebenen (XMR-Ebenen = Ebenen der freien Schicht der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3) sind identisch mit der x-y-Ebene, wobei die z-Achse senkrecht zu den XMR-Ebenen ist, und wobei die leichte Achse identisch ist mit der y-Achse.
Somit sind die XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 des allgemeinen Drehsensors, der in 5 gezeigt ist, konfiguriert, um Komponenten des Magnetfelds in der Drehrichtung des Rads 102 (B_x, x-Komponente des Magnetfelds an den XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3) und in Richtung der Achse 108 des Rads 102 (B_y, y-Komponente des Magnetfelds an den XMR-Sensoren) zu erfassen.
Falls das Zielrad (Rad 102) eine Mehrzahl oder Vielzahl kleiner Permanentmagneten wechselnder Polarität aufweist, dann haben gewöhnliche Drehsensoren mit XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 das folgende Problem. Der Feldvektor (Vektor des Magnetfelds) auf den XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 der durch das Rad 102 erzeugt oder bewirkt wird, dreht sich – d. h. besteht aus zwei orthogonalen Komponenten parallel zu der Ebene (oder freien Schicht) der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 und beide Komponenten sind 90° phasenverschoben. Falls dieselben die gleiche Amplitude haben, dann dreht sich der Feldvektor auf einem Kreis – falls dieselben eine unterschiedliche Amplitude haben, dann dreht sich der Feldvektor auf einer Ellipse (was normalerweise der Fall ist). Dies bewirkt, dass die Magnetisierung der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 jedes Mal springt, wenn die Magnetisierung von einem Halbraum zum anderen übergeht.
Das Magnetfeld eines Polrads 102 auf den XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 sollte Idealerweise nur eine x-Komponente (B_x) haben, wobei die y-Komponente des Magnetfelds gleich null sein sollte (B_y= 0). In der Praxis kann die räumliche Abhängigkeit der x-Komponente des Magnetfelds (B_x) nahe einer Sinuswelle sein. Dies bedeutet, falls sich die Welle bei konstanter Geschwindigkeit dreht, ist die Zeitabhängigkeit der x-Komponente des Magnetfelds (B_x) auf die XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 sinusförmig. Dennoch ist für bestimmte Anwendungen das Magnetisierungsmuster auf dem Polrad 102 entworfen, um eine bestimmte Asymmetrie zu haben, was als eine Indexzone 118 oder eine Referenzzone bezeichnet wird. Überwiegend ist das Feldmuster in der Indexzone nach wie vor beinahe sinusförmig, aber die Periode der Sinuswelle ist größer. Unter diesen idealen Umständen bewegt sich der Magnetisierungsvektor in der freien Schicht des XMR-Elements von der leichten Achse leicht nach links und nach rechts gemäß der angelegten x-Komponente des Magnetfelds (B_x) von dem Polrad 102.
Nachfolgend wird die Bewegung des Magnetisierungsvektors in der freien Schicht der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 leicht nach links und rechts von der leichten Achse beispielhaft beschrieben durch einen GMR-Streifen.
6 zeigt eine darstellende Ansicht der Ausrichtung der Magnetisierung in einem GMR-Streifen für unterschiedliche Werte der angelegten x-Komponente des Magnetfelds. Wie es in 6 gezeigt ist, kann die Ausrichtung der Magnetisierung durch einen Magnetisierungsvektor 130 beschrieben werden. Das Anlegen eines Magnetfelds mit einer negativen x-Komponente (B_x < 0) an den GMR-Streifen führt zu einem Magnetisierungsvektor 130, der hauptsächlich eine positive y-Komponente und eine kleine negative x-Komponente aufweist. Das Anlegen eines Magnetfelds ohne x-Komponente (B_x = 0) an den GMR-Streifen führt zu einem Magnetisierungsvektor 130, der nur eine positive y-Komponente aufweist. Das Anlegen eines Magnetfelds mit einer positiven x-Komponente (B_x > 0) an den GMR-Streifen führt zu einem Magnetisierungsvektor 130, der hauptsächlich eine positive y-Komponente und eine kleine positive x-Komponente aufweist.
Wie es in 6 gezeigt ist, ist es klar, dass die Magnetisierung des GMR-Streifens unter allen Umständen nach oben zeigt, oder anders ausgedrückt, der Magnetisierungsvektor 130 ändert seinen Halbraum nicht – er bleibt in dem oberen Halbraum (des Referenzkoordinatensystems).
In der Praxis hat das Polrad 102 ein Magnetfeld mit einer y-Komponente größer oder kleiner null (B_y <> 0) und einer z-Komponente größer oder kleiner null (B_z <> 0) – es gibt nur sehr wenige Positionen (z. B. Symmetrieebenen des Polrads 102) wo die y-Komponente des Magnetfelds null ist (B_y = 0). Die Situation ist noch schwerwiegender, wenn Montagetoleranzen der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 berücksichtigt werden bezüglich des Polrads 102 und Herstellungstoleranzen des Polrads 102 berücksichtigt werden.
Nachfolgend werden die Magnetfeldkomponenten berücksichtigt, die auf eine Drehung des Polrads 102 des allgemeinen in 5 gezeigten Drehsensors hin bewirkt werden.
7 zeigt ein Diagramm der x-Komponente und der y-Komponente des Magnetfelds, das durch das in 5 gezeigte Polrad 102 erzeugt wird. Die Ordinate beschreibt die Magnetflussdichte, wobei die Abszisse die x-Achse des Referenzkoordinatensystems und somit die Position des Polrads 102 in der Drehrichtung beschreibt. Darüber hinaus sind die x-Komponente und die y-Komponente des Magnetfelds für einen Abstand von 0 mm und für einen Abstand von 2 mm von dem Polrad in der positiven y-Richtung aufgezeichnet.
Das Muster der x-Komponente des Magnetfelds (B_x) ist ausgezeichnet, während die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) nur für die Position y = 0 verschwindet, und während dieselbe positive und negative Werte annimmt für exzentrische Positionen wie z. B. y = 2 mm (was in der Praxis aufgrund von Montagetoleranz geschehen kann).
Dies kann zu einer negativen y-Komponente des Magnetfelds (B_y < 0) auf den XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 führen. Genauer gesagt, die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) ist maximal, während die x-Komponente des Magnetfelds (B_x) durch null geht. Die x-Komponente des Magnetfelds (B_x) und die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) sind 90° phasenverschoben. Falls die Magnitude der y-Komponente des Magnetfelds (B_y) stark genug ist, kann dieselbe die Magnetisierung dazu zwingen, nach unten zu zeigen (in der negativen y-Richtung). Dies kann zu der Situation führen, dass die Magnetisierung den oberen Halbraum (des Referenzkoordinatensystems) verlässt – in der Tat kann sich die Spitze der Magnetisierung (z. B. des in 6 gezeigten Magnetisierungsvektors 130) auf einer Ellipse drehen, während sich das Polrad 102 dreht.
Nachfolgend wird die Auswirkung einer Drehung der Magnetisierung der freien Schicht der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 des allgemeinen Drehsensors, der in 5 gezeigt ist, beschrieben.
8a zeigt ein Diagramm der y-Komponente der Magnetisierung (M_y) als eine Funktion der Zeit. Oder anders ausgedrückt, 8a beschreibt die Drehung der Magnetisierung der freien Schicht der XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3, die auf eine Drehung des Rads 102 hin bewirkt wird. 8b zeigt ein Diagramm des XMR-Widerstands als eine Funktion der Zeit.
Wie es in 8a und 8b gezeigt ist, hängt der XMR-Widerstand von der Ausrichtung der Magnetisierung ab. Darüber hinaus wird experimentell beobachtet, dass der XMR-Widerstand jedes Mal einen diskontinuierlichen Sprung zeigt, wenn sich das Vorzeichen der y-Komponente der Magnetisierung (M_y) ändert, oder anders ausgedrückt, jedes Mal wenn der Magnetisierungsvektor 130 den oberen Halbraum des Referenzkoordinatensystems verlässt. Genauer gesagt wird der Sprung in dem XMR-Widerstand verzögert zu dem Nulldurchgang der y-Komponente der Magnetisierung (M_y).
Darüber hinaus können die in 5 gezeigten XMR-Sensoren 104_1 bis 104_3 GMR-Sensoren sein. Experimentelle Ergebnisse für diesen Fall werden als Nächstes präsentiert.
9a und 9b zeigen Diagramme von GMR-Signalen auf die Drehung des Rads 102 hin. Die Ordinate beschreibt den Betrag der GMR-Signale. Die Abszisse beschreibt den Winkle, wo durch Definition ein Winkel von 360° eine volle Periode bezeichnet, oder anders ausgedrückt, eine Drehung des in 5 gezeigten Polrads 102 um einen Nord- und einen Südpol. Darüber hinaus werden vier Perioden auf ein einziges Diagramm kopiert. Der Sprung bei den in 9a und 9b gezeigten GMR-Signalen wird verursacht durch eine Drehung der Magnetisierung der freien Schicht des GMR-Streifens. Dieser Sprung kann zu einer Fehlfunktion des GMR-Sensors führen – daher sollte derselbe vermieden werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die Sprünge in dem XMR-Widerstand verhindern, beispielhaft beschrieben unter Bezugnahme auf einen (Dreh-)Sensor 100, der ein Rad 102 und zwei XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 aufweist, ähnlich dem in 3 und 4 gezeigten (Dreh-)Sensor 10. Selbstverständlich ist die folgende Beschreibung auch anwendbar auf einen Sensor, der einen Körper 102 und einen Magnetfeldsensor, wie er in 1 und 2 gezeigt ist, aufweist. Aus diesem Grund wird die Krümmung des Rads 102 in der folgenden 10 vernachlässigt.
Außerdem bezieht sich die nachfolgende Beschreibung beispielhaft auf (Dreh-)Sensoren 100, wo die Magnetfeldsensoren zum Erfassen von Magnetfeldkomponenten in der zweiten und dritten Richtung XMR-Sensoren sind. Selbstverständlich ist die nachfolgende Beschreibung auch anwendbar auf andere Typen von Magnetfeldsensoren, die angeordnet werden sollten, so dass eine Erfassung eines Drehmagnetfelds vermieden wird.
10 zeigt eine darstellende Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines (Dreh-)Sensors 100 mit einem Rad 102 und einem ersten XMR-Sensor 104_1 und einem zweiten XMR-Sensor 104_2. Das Rad weist eine Mehrzahl von azimutal verteilten Strukturen 106_1 bis 106_n auf, um auf eine Drehung des Rads 102 hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. In 10 ist nur ein kleiner Teil des Rads 102 gezeigt, nämlich der Teil, der die azimutal verteilten Strukturen 106_1 bis 106_8 aufweist.
Der erste XMR-Sensor 104_1 und der zweite XMR-Sensor 104_2 sind konfiguriert, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der erste XMR-Sensor 104_1 und der zweite XMR-Sensor 104_2 benachbart zu dem Rad 102 angeordnet sind, so dass die zweite Richtung der y-Achse des Referenzkoordinatensystems entspricht und so dass die dritte Richtung der z-Achse des Referenzkoordinatensystems entspricht.
Anders ausgedrückt, Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, wie der Sprung in dem XMR-Widerstand vermieden werden kann durch eine Modifikation des Polrads (oder Anordnung des Polrads bezüglich der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2). Darüber hinaus erfordert der (Dreh-)Sensor 100 kein spezielles Polrad oder Vormagnetisierungsmagnete, um eine Drehung der Magnetisierung der freien Schicht der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 zu verhindern. Durch Vermeiden von Vormagnetisierungsmagneten ist die magnetische Empfindlichkeit der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 verbessert, der (Dreh-)Sensor 100 (oder das Sensormodul) ist weniger aufwändig und erfordert weniger Volumen und Driften des Magneten gegenüber den XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 (über Temperatur und Lebenszeit) und Probleme mit Montagetoleranzen werden vermieden. Durch Vermeiden spezieller Polräder ist der (Dreh-)Sensor 100 weniger aufwändig und weniger kompliziert in der Handhabung für den Kunden.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird der Sprung bei dem XMR-Widerstand vermieden aufgrund der Anordnung der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 bezüglich des Magnetfelds, das durch das Rad 102 erzeugt wird. Die Anordnung der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 verhindert ein Drehmagnetfeld. Wie es bereits oben beschrieben wurde, wird beobachtet, dass die x-Komponente des Magnetfelds (B_x) 90° phasenverschoben ist zu der y-Komponente des Magnetfelds (B_y). Außerdem ist die x-Komponente des Magnetfelds (B_x) 90° phasenverschoben zu der z-Komponente des Magnetfelds (B_z). Daher sind die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) und die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) gleichphasig. Somit ist der Sensorchip 112 auf solche Weise angeordnet, dass die Chipoberfläche (= relevante XMR-Ebene) parallel zu der y-z-Ebene des Referenzkoordinatensystems ist. Nun ist die x-Komponente des Magnetfelds (B_x) senkrecht zu dem Sensorchip 112 und ist daher irrelevant für die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2. In der Praxis gibt es eine kleine x-Komponente des Magnetfelds (B_x) gekoppelt auf die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 aufgrund von Neigungen und Fehlausrichtungen zwischen dem Sensorchip 112 und dem Zielrad 102, falls jedoch die x-Komponente klein ist, macht dies nichts aus. Die zwei relevanten Magnetfeldkomponenten sind die y-Komponente (B_y) und die z-Komponente (B_z). Dieselben sind beide gleichphasig, so dass sich das Feld, das an die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 angelegt ist, nicht dreht, und daher die Magnetisierung der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 nicht zwischen den zwei Halbräumen (des Referenzkoordinatensystems) springt.
Die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) ist am stärksten in der Mitte des Rads 102 (bei y = 0) und verringert sich moderat über y. Die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) verschwindet für y = 0 und erhöht sich linear mit y bis zu dem Rand des Rads 102. Daher können die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 an einer Position größer oder kleiner null (y <> 0) platziert werden, wie es in 10 gezeigt ist.
Darüber hinaus sind in 10 beispielhafte Regionen gezeigt, wo die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 platziert sein können, dies bedeutet jedoch nicht, dass die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 längliche Streifen entlang der y-Richtung sein müssen. Dieselben können auch aus mehreren Streifen entlang der z-Richtung zusammengesetzt sein oder aus Mäanderstrukturen, Spiralen, O-Formen oder L-Formen, usw. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 nahe dem Rand des Chips 112 platziert sein, der am nächsten zu (oder benachbart zu) dem Zielrad 102 ist.
11 zeigt eine darstellende Seitenansicht des in 10 gezeigten (Dreh-)Sensors 100. Das Rad 102 kann angeordnet sein, um eine Ebene 120 zu definieren, die senkrecht zu der Achse 108 des Rads 102 ist, wobei der erste XMR-Sensor 104_1 auf einer ersten Seite der Ebene 120 (positive y-Richtung) an einem definierten Abstand zu der Ebene 120 angeordnet ist, und wobei der zweite XMR-Sensor 104_2 auf einer zweiten Seite der Ebene 120 (negative y-Richtung) in einem definierten Abstand zu der Ebene 120 angeordnet ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können der erste XMR-Sensor 104_1 und der zweite XMR-Sensor 104_2 auf einer Oberflächennormalen 122 der Ebene 120 des Rads 102 angeordnet sein. Dabei können der erste XMR-Sensor 104_1 und der zweite XMR-Sensor 104_2 an einem gleichen Abstand zu dem Rad 102 angeordnet sein.
Für GMRs, CMRs und TMRs (nicht für AMRs) ist es wichtig, in welcher Richtung die Vormagnetisierung (der festen oder gepinnten Schicht) definiert ist. Dies sollte in der positiven oder negativen y-Richtung sein, für beide XMR-Sensoren 104_1 und 104_2. Mit dieser Anordnung hat der obere XMR-Sensor 104_1 (bei y > 0) eine y-Komponente des Magnetfelds (B_y) und somit eine Widerstandsauslenkung mit entgegengesetzter Richtung zu dem niedrigeren XMR-Sensor 104_2 (bei y < 0). Beide XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 können eine Halbbrücke bilden und die Differenz von beiden kann durch eine Schaltung ausgewertet werden. Auf diese Weise kann eine Differenzfeldmessung erreicht werden, die widerstandsfähig ist gegenüber Hintergrundmagnetfeldern (Störungen). Darüber hinaus kann eine zweite Halbbrücke implementiert werden (wo die XMR-Sensoren an den gleichen Punkten sind, wie es in 10 gezeigt ist, aber miteinander ausgetauscht) und beide Halbbrücken können kombiniert werden, um eine volle Wheatstone-Brückenschaltung zu bilden, wie es bei Sensorschaltungen üblich ist.
Oder anders ausgedrückt, der erste XMR-Sensor 104_1 und der zweite XMR-Sensor 104_2 können eine gepinnte Schicht aufweisen, wobei die gepinnten Schichten des ersten XMR-Sensors 104_1 und des zweiten XMR-Sensors 104_2 in der gleichen Richtung vormagnetisiert sind. Die gepinnten Schichten beider XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 können beispielsweise in der positiven y-Richtung, in der negativen y-Richtung, in der positiven z-Richtung oder in der negativen z-Richtung vormagnetisiert sein. Der Auswerter kann konfiguriert sein, um ein XMR-Signal zu erfassen, das von einem Widerstand des ersten XMR-Sensors 104_1 oder des zweiten XMR-Sensors 104_2 abhängt, und um eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rads 102 auszuwerten basierend auf dem erfassten XMR-Signal. Darüber hinaus kann der Auswerter eine Auswertungsschaltung aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Auswirkung eines Hintergrundmagnetfelds zu reduzieren. Um die Auswirkung eines Hintergrundmagnetfelds zu reduzieren, kann die Auswertungsschaltung den Widerstand des ersten XMR-Sensors 104_1 und den Widerstand des zweiten XMR-Sensor 104_2 verbunden mit einer Halbbrücke aufweisen.
Der (Dreh-)Sensor 100, der in 11 gezeigt ist, kann optional einen dritten XMR-Sensor 104_3 und einen vierten XMR-Sensor 104_4 aufweisen, die konfiguriert sind, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der dritte XMR-Sensor 104_3 und der vierte XMR-Sensor 104_4 benachbart zu dem Rad 102 angeordnet sind, so dass die zweite Richtung der y-Achse des Referenzkoordinatensystems entspricht, und so dass die dritte Richtung der z-Achse des Referenzkoordinatensystems entspricht. Die gepinnten Schichten des dritten XMR-Sensors 104_3 und des vierten XMR-Sensors 104_4 können in der gleichen Richtung vormagnetisiert sein. Darüber hinaus können die gepinnten Schichten des dritten und des vierten XMR-Sensors 104_3 und 104_4 in der gleichen oder entgegengesetzten Richtung wie die gepinnten Schichten des ersten und des zweiten XMR-Sensors 104_1 und 104_2 vormagnetisiert sein.
Wie es in 11 gezeigt ist, können der erste und der dritte XMR-Sensor 104_1 und 104_3 auf einer ersten Seite der Ebene 120 (positive y-Richtung) in einem definierten Abstand zu der Ebene 120 angeordnet sein, wobei der zweite und der vierte XMR-Sensor 104_2 und 104_4 auf einer zweiten Seite der Ebene 120 in einem definierten Abstand zu der Ebene 120 angeordnet sein können. Darüber hinaus kann die Auswertungsschaltung die Widerstände des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten XMR-Sensors 104_1 bis 104_4 verbunden zu einer Wheatstone-Brücke aufweisen.
Nachfolgend wird die Funktionalität des (Dreh-)Sensors 100 mit zwei XMR-Sensoren 104_1 und 104_2, die in 10 und 11 gezeigt sind, beschrieben (11 ohne den optionalen dritten und vierten XMR-Sensor 104_3 und 104_4). Selbstverständlich ist die folgende Beschreibung auch anwendbar auf einen (Dreh-)Sensor 100 mit vier XMR-Sensoren 104_1 bis 104_4.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) nach wie vor wichtig für die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2. Dies ergibt das Anisotropiefeld der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 (wie z. B. Formanisotropie). Wenn die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) einen großen Betrag aufweist (unabhängig vom Vorzeichen), ist die magnetische Empfindlichkeit der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 bezüglich der y-Komponente des Magnetfelds (B_y) reduziert. Da beide gleichphasig sind, hat dies keine Bedeutung. Die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) ist groß, wenn die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) groß ist, und somit beeinträchtigt die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) die wichtigen Nulldurchgänge der Signale der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 (XMR-Signale) nicht. Die z-Komponente (B_z) und die y-Komponente (B_y) des Magnetfeld s können die gleiche Lebensdauerdrift oder Temperaturdrift oder Prozessausbreitung oder -drift über dem Luftzwischenraum und somit x-Abhängigkeit zeigen. Oder, anders ausgedrückt, die z-Komponente (B_z) und die y-Komponente (B_y) des Magnetfelds sind perfekte Zwillinge. Bei einem großen Luftzwischenraum wird die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) klein, und glücklicherweise wird auch die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) klein. Daher reduziert die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) die magnetische Empfindlichkeit des Systems (Drehsensor 100) bei großen Luftzwischenräumen nicht. In der Tat hat die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) sogar eine vorteilhafte Auswirkung. Es ist eine Art Negativrückkopplung, die die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 daran hindert, bei kleinen Luftzwischenräumen oder mit starken Magneten gesättigt zu werden.
Die Ausrichtung des Sensorchips 112 zu dem Zielrad hat sowohl Vorteile als auch Nachteile. Der Vorteil ist, dass der Kunde bei Gehäusen, die mit Anschlussleitungen versehen sind, wie z. B. der PG-SSO-Gehäuse-Reihe von Infineon Technologies^® die Anschlussleitungen nicht mehr biegen muss, was Kosten und Raum spart. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Sensorlayout nicht mit der Teilung des Zielrads 102 übereinstimmen muss. Falls die Pole 106_1 bis 106_8 des Rads 102 in der x-Richtung nur 3 mm lang sind oder in der x-Richtung 10 mm lang sind, macht dies nicht aus – die XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 liefern immer einen Nulldurchgang des Signals (XMR-Signal) an jeder Grenze der wechselnden Pole 106_1 bis 106_8. Der Nachteil ist selbstverständlich ein erhöhter Abstand der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 zu dem Zielrad 102, da der Halbleiterchip 112 nach wie vor bedeckt sein muss durch Teile des Gehäuses (in 10 nicht gezeigt). Dies ist jedoch kein schwerwiegender Nachteil, aufgrund der hohen magnetischen Empfindlichkeit der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2. Ein weiterer Nachteil ist, dass es komplizierter ist, eine Referenz- oder Indexzone 118 zu implementieren und es auch nicht möglich ist, die Drehrichtung des Rads 102 mit den XMR-Sensoren 104_1 und 104_2, die bisher gezeigt sind, zu erfassen. Dies kann jedoch stark verbessert werden durch Hinzufügen eines optionalen Hall-Sensors 126, beispielsweise in der Mitte zwischen dem oberen und unteren XMR-Sensor 104_1 und 104_2. Der Hall-Sensor 126 erfasst die x-Komponente des Magnetfelds (B_x), das das Stärkste ist und daher einen Teil der kleineren magnetischen Empfindlichkeit des Hall-Sensors 126 ausgleicht. Außerdem ist die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) 90° phasenverschoben mit der x-Komponente (B_x) und der y-Komponente (B_y) des Magnetfelds, so dass es möglich ist, die Drehrichtung des Rads 102 zu verschieben durch Vergleichen der XMR-Signale mit den Hall-Signalen.
Oder anders ausgedrückt, der (Dreh-)Sensor kann einen Hall-Sensor 126 aufweisen, der benachbart zu dem Rad zwischen dem ersten XMR-Sensor 104_1 und dem zweiten XMR-Sensor 104_2 angeordnet ist, wobei der Hall-Sensor 126 konfiguriert sein kann, um eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung zu erfassen, und wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung und zu der dritten Richtung ist. Der Auswerter kann ferner konfiguriert sein, um ein Hall-Signal des Hall-Sensors 126 zu erfassen und um eine Drehrichtung des Rads basierend auf dem erfassten Hall-Signal auszuwerten.
12 zeigt eine Vorrichtung zum Vergleichen eines XMR-Signals mit einem Hall-Signal. Die Vorrichtung hat Eingänge 12 und 14 zum Empfangen von zwei Eingangssignalen basierend auf einem zu erfassenden Parameter, einen Ausgang für ein Ausgangssignal, eine Vorrichtung zum Schalten des Ausgangssignals zu einem ersten logischen Pegel, falls das erste Eingangssignal A an dem Eingang 12 einen Schwellenwert überschreitet, der größer ist als der definierte Wert 18, und auf einen zweiten logischen Wert, falls derselbe unter einen zweiten Schwellenwert fällt, der niedriger ist als der definierte Wert 18, und eine Vorrichtung 22 zum Einstellen der Schwellenwerte unter Verwendung des zweiten Eingangssignals B an dem Eingang 14. Die Vorrichtung hat Eingänge 12 und 14 zum Empfangen eines ersten und zweiten Eingangssignals A und B basierend auf einem zu erfassenden Parameter, wobei das zweite Eingangssignal B größer ist als das erste, falls das erste Eingangssignal A einen definierten Wert aufweist, einen Ausgang 20 für ein erstes Ausgangssignal OUT, eine Vorrichtung 16 zum Schalten des Ausgangssignals auf einen ersten Logikpegel, falls das erste Eingangssignal A einen Schwellenwert überschreitet, der größer ist als der definierte Wert 18, und auf einen zweiten logischen Pegel, falls dasselbe unter einen zweiten Schwellenwert fällt, der niedriger ist als der definierte Wert 18, und eine Vorrichtung 22 zum Einstellen der Schwellenwerte unter Verwendung des Pegels des zweiten Eingangssignals.
Darüber hinaus ist das Richtungssignal des Hall-Sensors 126 nicht so wesentlich für die korrekte Leistungsfähigkeit des Systems (oder (Dreh-)Sensors 100) wie das Geschwindigkeitssignal der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2. Das Geschwindigkeitssignal muss von höherer Qualität sein, um geringen Jitter und genaue Schaltpegel zu erhalten, während nur das Vorzeichen des Richtungssignals in dem Moment, wenn das Geschwindigkeitssignal von positiven oder negativen Werten Null kreuzt, oder umgekehrt, notwendig ist, um die Drehrichtung abzuleiten. Es wird angemerkt, dass der Hall-Sensor auch verwendet werden kann zum Messen der genauen Größe des Felds, die nötig ist für eine wahre Einschaltfunktion (die bestimmt, ob ein Nord- oder ein Südpol am Nächsten ist zu dem Sensor direkt nach dem Einschalten des Systems). Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, dass es mit Hall- und XMR-Sensoren möglich ist, einen Geschwindigkeitssensor mit Richtungserfassung zu implementieren, der unabhängig von der Teilung des Zielrads 102 ist. Der Hall-Sensor 126 hat den zusätzlichen Vorteil, in der Lage zu sein, herkömmliche Referenz-/Indexzonen 118 zu erfassen. Zusammengefasst hat der (Dreh-)Sensor 100 gemäß dem Konzept der vorliegenden Erfindung mehrere Vorteile, die auf eine attraktive Weise kombiniert werden können.
In der Praxis ist die z-Komponente des Magnetfelds (B_z) stärker als die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) für die allgemeinste Geometrie von Zielrädern. Dies ist jedoch aufgrund der hohen Empfindlichkeit der XMR-Sensoren 104_1 und 104_2 kein Problem, wie es von der folgenden Beschreibung offensichtlich wird.
Als Nächstes wird die hohe Empfindlichkeit von XMR-Sensoren demonstriert durch ein Ausführungsbeispiel eines (Dreh-)Sensors 100, der vier GMR-Sensoren 104_1 bis 104_4 aufweist. Die vier GMR-Sensoren 104_1 bis 104_4 können wie in 11 beschrieben angeordnet sein, wo die Widerstände der GMR-Sensoren 104_1 bis 104_4 zu einer Wheatstone-Brücke verbunden sind. Selbstverständlich ist die folgende Beschreibung auch allgemein auf XMR-Sensoren anwendbar.
13 zeigt die Ausgangsspannung einer Wheatstone-Brücke eines (Dreh-)Sensors 100 mit vier GMR-Sensoren 104_1 bis 104_4. Die Ordinate beschreibt die Ausgangsspannung in Volt [V], während die Abszisse die x-Achse des Referenzkoordinatensystems und somit die Position des Polrads 102 in der Drehrichtung in Millimeter [mm] beschreibt. Die Wheatstone-Brücke wird beispielhaft mit einer Versorgungsspannung von 1 V versorgt. In 13 wurden Magnetbereiche von 6 mm × 6 mm × 1 mm, angeordnet zwischen z = 1 mm und z = 2 mm und eine Remanenz von 250 mT angenommen.
Wie es in 13 gezeigt ist, ist selbst bei einem 7 mm Luftzwischenraum die Amplitude des GMR-Sensors mehr als 1 mV (ohne zusätzliche Verstärker), die ohne weiteres verarbeitet wird durch Signalaufbereitungsschaltungen. Ferner sind die Kurven selbst bei kleinen Luftzwischenräumen beinahe sinusförmig. Die GMR-Sensoren 104_1 bis 104_4 werden nicht gesättigt aufgrund negativer Rückkopplung von der z-Komponente des Magnetfelds (B_z), wie es oben erläutert wird.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist es nicht von Bedeutung, ob der gesamte Sensor durch Montagetoleranzen in der y-Richtung verschoben wird. Die y-Komponente des Magnetfelds auf den niedrigeren XMR-Sensoren 104_2 und 104_4 ist reduziert, während die y-Komponente auf den oberen XMR-Sensoren 104_1 und 104_3 erhöht ist, oder umgekehrt. Daher verbleibt das Gesamtsignal, das die Differenz beider ist, unverändert.
Nachfolgend wird das Magnetfeld, das durch ein beispielhaftes Polrad 102 erzeugt wird, näher beschrieben.
14 zeigt einen kleinen Teil eines Polrads 102 und Flusslinien eines Magnetfelds, das durch den kleinen Teil des Polrads 102 erzeugt wird. Der kleine Teil des Polrads 102 weist zwei Magneten oder Magnetpole 106_1 und 106_2 auf. Der Stahlrücken 114 hat eine Dicke von beispielsweise 1 mm (von z = 0 bis z = 1 mm) und eine relative Permeabilität von beispielsweise 4.000. Die Magnete 106_1 und 106_2 sind magnetisiert mit einer Remanenz von beispielsweise 1 T in der positiven (Magnet 106_2) und der negativen (Magnet 106_1) z-Richtung. Die gesamte Geometrie ist offensichtlich spiegelsymmetrisch zu y = 0.
15 zeigt die x-Komponente, die y-Komponente und die z-Komponente des Magnetfelds, das durch den kleinen Teil des in 14 gezeigten Polrads 102 erzeugt wird. Die Ordinate beschreibt die Magnetflussdichte in Tesla [T], während die Abszisse die x-Achse des Referenzkoordinatensystems in Millimeter [mm] beschreibt.
16 zeigt die x-Komponente des Magnetfelds (B_x) über der z-Komponente des Magnetfelds (B_z) und die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) über der z-Komponente des Magnetfelds (B_z) auf einem Weg entlang der x-Richtung (in y = 1,5 mm und z = 9 mm). Die Ordinate beschreibt die x-Komponente und die y-Komponente der Magnetflussdichte in Tesla [T], wobei die Abszisse die z-Komponente der Magnetflussdichte in Tesla [T] beschreibt. 16 zeigt eine Ellipse für die x-Komponente des Magnetfelds (B_x) über der z-Komponente des Magnetfelds (B_z) und eine gerade Linie für die y-Komponente des Magnetfelds (B_y) über der z-Komponente des Magnetfelds (B_z). In der y-z-Ebene bewegt sich das Feld nur hin und her, während es sich in der x-z-Ebene dreht. Außerdem ist die Amplitude der y-Komponente der Magnetflussdichte (B_y) kleiner (nur 1 mT) im Vergleich zu der x-Komponente der Magnetflussdichte (B_x) (6 mT) bei dem großen Luftzwischenraum. Somit ist die magnetische Empfindlichkeit um einen Faktor von 6 reduziert (und es gibt noch zusätzliche Reduzierung aufgrund des größeren Luftzwischenraums).
17 zeigt die y-Komponente (B_y) und die z-Komponente (B_z) der Magnetflussdichte bei einem kleinen Luftzwischenraum (z = 3 mm und x = 3 mm) als eine Funktion der y-Komponente des Referenzkoordinatensystems. Die Ordinate beschreibt die Magnetflussdichte in Tesla [T], wobei die Abszisse die y-Achse des Referenzkoordinatensystems in Millimeter [mm] beschreibt. Die z-Komponente der Magnetflussdichte (B_z) ist stärker als die y-Komponente der Magnetflussdichte (B_y). Darüber hinaus ist die y-Komponente der Magnetflussdichte (B_y) linear zu dem y-Versatz von der Mittellinie.
18 zeigt die y-Komponente (B_y) und die z-Komponente (B_z) der Magnetflussdichte bei einem großen Luftzwischenraum (z = 7 mm und x = 3 mm) als eine Funktion der y-Komponente des Referenzkoordinatensystems. Die Ordinate beschreibt die Magnetflussdichte in Tesla [T], wobei die Abszisse die y-Achse des Referenzkoordinatensystems in Millimeter [mm] beschreibt. Darüber hinaus ist die y-Komponente der Magnetflussdichte (B_y) linear zu dem y-Versatz von der Mittellinie.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Magnetsensor, der mit der Normalen der Chipoberfläche in Tangentialrichtung des Zielrads platziert ist, mit XMR-Sensorelementen nahe der Kante nahe zu dem Rad und versetzt zu der Mittelebene (definiert durch) y = 0. Falls die XMR-Sensorelemente GMR-Sensorelemente sind, dann kann die gepinnte Schicht parallel zu der positiven/negativen y-Richtung magnetisiert werden. Der Magnetsensor weist zumindest zwei XMR-Sensoren an unterschiedlichen y-Positionen auf und Ausgänge werden subtrahiert für Differenzfeldmessung. Außerdem kann der Magnetsensor einen Hall-Sensor nahe dem Rand nahe zu dem Rad aufweisen und vorzugsweise in der Mitte zwischen XMR-Elementen, die verwendet werden, um eine echte Einschaltposition, eine Drehrichtung des Rads und die Indexzone des Zielrads zu erfassen.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Messen einer Bewegung eines Körpers, wobei der Körper eine Mehrzahl von Strukturen aufweist, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Das Verfahren weist das Erfassen von Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung mit einem XMR-Sensor auf, wobei der XMR-Sensor benachbart zu dem Körper angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Messen einer Bewegung eines Körpers ferner zwei zusätzliche Schritte aufweisen. Bei einem Schritt wird ein XMR-Signal, das von einem Widerstand des XMR-Sensors abhängt, erfasst. Bei einem anderen Schritt wird eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Körpers basierend auf dem erfassten XMR-Signal ausgewertet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Messen einer Bewegung eines Körpers ferner das Erfassen einer Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung mit einem Hall-Sensor aufweisen, wobei der Hall-Sensor benachbart zu dem Körper angeordnet ist.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Messen einer Drehung eines Rads, wobei das Rad eine Mehrzahl von azimutal verteilten Strukturen aufweist, um auf eine Drehung des Rads hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Das Verfahren weist das Erfassen von Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung mit einem XMR-Sensor auf, wobei der XMR-Sensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist, so dass die zweite Richtung einer Richtung der Achse des Rads entspricht und die dritte Richtung einer radialen Richtung des Rads entspricht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Messen einer Drehung eines Rads ferner zwei zusätzliche Schritte aufweisen. Bei einem Schritt wird ein XMR-Signal erfasst, das von einem Widerstand des XMR-Sensors abhängt. Bei einem anderen Schritt wird eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rads basierend auf dem erfassten XMR-Signal ausgewertet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Messen einer Drehung eines Rads ferner das Erfassen einer Komponente des Magnetfelds in einer ersten Richtung mit einem Hall-Sensor aufweisen, wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung und zu der dritten Richtung ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors. Bei einem ersten Schritt wird ein Körper mit einer Mehrzahl von Strukturen bereitgestellt, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers in die erste Richtung hin ein sich periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Bei einem zweiten Schritt wird ein XMR-Sensor bereitgestellt, der konfiguriert ist, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der XMR-Sensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Herstellen eines Sensors ferner das Bereitstellen eines Auswerters aufweisen, der konfiguriert ist, um ein XMR-Signal zu erfassen, das von einem Widerstand des XMR-Sensors abhängt, und um eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Körpers basierend auf dem erfassten XMR-Signal auszuwerten.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Herstellen eines Sensors ferner das Bereitstellen eines Hall-Sensors aufweisen, um eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung zu erfassen, wobei der Hall-Sensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ferner ein Verfahren zum Herstellen eines (Dreh-)Sensors. Bei einem ersten Schritt wird ein Rad mit einer Mehrzahl von azimutal verteilten Strukturen bereitgestellt, um auf eine Drehung des Rads hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken. Bei einem zweiten Schritt wird ein XMR-Sensor bereitgestellt, der konfiguriert ist, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen, wobei der XMR-Sensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist, so dass die zweite Richtung einer Richtung der Achse des Rads entspricht und die dritte Richtung einer radialen Richtung des Rads entspricht.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Herstellen eines (Dreh-)Sensors ferner das Bereitstellen eines Auswerters aufweisen, der konfiguriert ist, um ein XMR-Signal zu erfassen, das von einem Widerstand des XMR-Sensors abhängt, und um eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rads basierend auf dem erfassten XMR-Signal auszuwerten.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren zum Herstellen eines (Dreh-)Sensors ferner das Bereitstellen eines Hall-Sensors aufweisen, um eine Komponente des Magnetfelds in einer ersten Richtung zu erfassen; wobei der Hall-Sensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist, so dass die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung und zu der dritten Richtung ist.
Obwohl einige Aspekte im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wo ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog stellen Aspekte, die im Zusammenhang eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können ausgeführt werden durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung, beispielsweise eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einer oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch solch eine Vorrichtung ausgeführt werden.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode wirksam ist zum Durchführen eines der Verfahren, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Der Programmcode kann beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele weisen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren auf, gespeichert auf einem maschinenlesbaren Träger.
Anders ausgedrückt, ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Durchführen eines der Verfahren, die hierin beschrieben sind, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist daher ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), das darauf aufgezeichnet das Computerprogramm aufweist zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel weist eine Verarbeitungseinrichtung auf, beispielsweise einen Computer oder eine programmierbare Logikvorrichtung, die konfiguriert oder angepasst sind, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel weist einen Computer auf mit darauf installiertem Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine programmierbare Logikvorrichtung (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray) verwendet werden, um einige oder alle der Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor kooperieren, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein können die Verfahren durch jede Hardwarevorrichtung durchgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich darstellend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es ist klar, dass Modifikationen und Variationen der Anordnungen und der hierin beschriebenen Einzelheiten für andere Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sind. Dieselbe soll daher nur begrenzt werden durch den Schutzbereich der angehängten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die hierin zur Beschreibung und Erklärung der Ausführungsbeispiele dargelegt wurden.

Claims

Sensor (100), der folgende Merkmale aufweist: einen Körper (102) mit einer Mehrzahl von in einer ersten Richtung angeordneten Strukturen, der konfiguriert ist, um auf eine Bewegung des Körpers (102) in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken; einen Magnetfeldsensor (104), der konfiguriert ist, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen; wobei der Magnetfeldsensor (104) benachbart zu dem Körper (102) angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Strukturen des Körpers (102) Magnetpole aufweist, die mit wechselnder Polarität angeordnet sind.
Sensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, der ferner ein Magnetelement (110) aufweist, das benachbart zu dem Magnetfeldsensor (104) angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von Strukturen des Körpers (102) Vorsprünge oder Ausnehmungen aufweist, die periodisch auf beziehungsweise in dem Körper (102) in der zweiten Richtung oder in der dritten Richtung gebildet sind.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Magnetfeldsensor (104) einen XMR-Sensor aufweist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 4, wobei der XMR-Sensor einen anisotropischen Sensor, einen Giant-Sensor, einen Tunnel-Sensor oder einen kolossal-magnetoresistiven Sensor aufweist.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner einen Auswerter aufweist, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal des Magnetfeldsensors (104) zu erfassen und basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Körpers (102) auszuwerten.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, der ferner einen zusätzlichen Magnetfeldsensor aufweist, der benachbart zu dem Körper (102) angeordnet ist und konfiguriert ist, um eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung zu erfassen.
Sensor (100) gemäß Anspruch 7, wobei der zusätzliche Magnetfeldsensor einen Hall-Sensor aufweist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 7 oder 8, der ferner einen Auswerter aufweist, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal des Magnetfeldsensors (104) zu erfassen und ein zusätzliches Sensorsignal des zusätzlichen Magnetfeldsensors zu erfassen, und basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Körpers (102) auszuwerten und basierend auf dem erfassten zusätzlichen Sensorsignal eine Bewegungsrichtung des Körpers (102) auszuwerten.
Sensor (100), der folgende Merkmale aufweist: ein Rad (102) mit einer Mehrzahl von azimutal verteilten Strukturen, die konfiguriert sind, um auf eine Drehung des Rads (102) hin ein periodisch variierendes Magnetfeld in einer ersten Richtung zu bewirken; einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor, die konfiguriert sind, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und einer dritten Richtung zu erfassen; wobei der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor benachbart zu dem Rad (102) angeordnet sind, so dass die zweite Richtung einer Richtung der Achse des Rads (102) entspricht und die dritte Richtung einer radialen Richtung des Rads (102) entspricht.
Sensor (100) gemäß Anspruch 10, wobei der erste Magnetfeldsensor einen ersten XMR-Sensor aufweist und der zweite Magnetfeldsensor einen zweiten XMR-Sensor aufweist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 11, wobei der erste XMR-Sensor und der zweite XMR-Sensor eine gepinnte Schicht aufweisen, wobei die gepinnten Schichten des ersten XMR-Sensors und des zweiten XMR-Sensors in der gleichen Richtung vormagnetisiert sind.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Rad (102) angeordnet ist, um eine Ebene zu definieren, die senkrecht zu der Achse des Rads (102) ist, wobei der erste Magnetfeldsensor auf einer ersten Seite der Ebene an einem ersten vordefinierten Abstand zu der Ebene angeordnet ist, und wobei der zweite Magnetfeldsensor auf einer zweiten gegenüberliegenden Seite der Ebene an einem zweiten definierten Abstand zu der Ebene angeordnet ist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 13, wobei der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor auf einer Oberflächennormalen der Ebene des Rads (102) angeordnet sind.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem der erste definierte Abstand und der zweite definierte Abstand der gleiche Abstand sind.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, der ferner einen Auswerter aufweist, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal des ersten Magnetfeldsensors oder des zweiten Magnetfeldsensors zu erfassen, und basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rads (102) auszuwerten.
Sensor (100) gemäß Anspruch 16, bei dem der Auswerter eine Auswertungsschaltung aufweist, die konfiguriert ist, um eine Auswirkung eines Hintergrundmagnetfelds zu reduzieren.
Sensor (100) gemäß Anspruch 17, wobei der erste Magnetfeldsensor einen ersten XMR-Sensor aufweist und der zweite Magnetfeldsensor einen zweiten XMR-Sensor aufweist, und wobei die Auswertungsschaltung des Auswerters die Widerstände des ersten XMR-Sensors und des zweiten XMR-Sensors verbunden mit einer Halbbrücke aufweist.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 18, der ferner einen zusätzlichen Magnetfeldsensor aufweist, der benachbart zu dem Rad (102) zwischen dem ersten Magnetfeldsensor und dem zweiten Magnetfeldsensor angeordnet ist, wobei der zusätzliche Magnetfeldsensor konfiguriert ist, um eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung zu erfassen, wobei die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung und zu der dritten Richtung ist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 19, der ferner einen Auswerter aufweist, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal des ersten Magnetfeldsensors oder des zweiten Magnetfeldsensors zu erfassen und um ein zusätzliches Sensorsignal des zusätzlichen Magnetfeldsensors zu erfassen, und basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rads (102) auszuwerten, und basierend auf dem erfassten zusätzlichen Sensorsignal eine Drehrichtung des Rads (102) auszuwerten.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 20, der ferner einen dritten Magnetfeldsensor und einen vierten Magnetfeldsensor aufweist, die jeweils konfiguriert sind, um Komponenten des Magnetfelds in der zweiten Richtung und der dritten Richtung zu erfassen, wobei der dritte Magnetfeldsensor und der vierte Magnetfeldsensor benachbart zu dem Rad (102) angeordnet sind.
Sensor (100) gemäß Anspruch 21, wobei der dritte Magnetfeldsensor einen dritten XMR-Sensor aufweist und der vierte Magnetfeldsensor einen vierten XMR-Sensor aufweist.
Sensor (100) gemäß Anspruch 21 oder 22, bei dem das Rad (102) angeordnet ist, um eine Ebene zu definieren, die senkrecht zu der Achse des Rads (102) ist, wobei der erste Magnetfeldsensor und der dritte Magnetfeldsensor auf einer ersten Seite der Ebene an einem ersten definierten Abstand zu der Ebene angeordnet sind, und wobei der zweite Magnetfeldsensor und der vierte Magnetfeldsensor auf einer zweiten gegenüberliegenden Seite der Ebene an einem zweiten definierten Abstand zu der Ebene angeordnet sind.
Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 21 bis 23, der ferner einen Auswerter aufweist, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal des ersten, des zweiten, des dritten oder des vierten Magnetfeldsensors zu erfassen, und basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rads (102) auszuwerten.
Sensor (100) gemäß Anspruch 24, bei dem der Auswerter eine Auswertungsschaltung aufweist, die konfiguriert ist, um eine Auswirkung eines Hintergrundmagnetfelds zu reduzieren.
Sensor (100) gemäß Anspruch 25, wobei der erste Magnetfeldsensor einen ersten XMR-Sensor aufweist, der zweite Magnetfeldsensor einen zweiten XMR-Sensor aufweist, der dritte Magnetfeldsensor einen dritten XMR-Sensor aufweist und der vierte Magnetfeldsensor einen vierten XMR-Sensor aufweist, und wobei die Auswertungsschaltung die Widerstände des ersten, des zweiten, des dritten und des vierten XMR-Sensors verbunden mit einer Wheatstone-Brücke aufweist.
Verfahren zum Messen einer Bewegung eines Körpers (102), wobei der Körper (102) eine Mehrzahl von Strukturen aufweist, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers (102) in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen von Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung mit einem Magnetfeldsensor; wobei der Magnetfeldsensor benachbart zu dem Rad angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 27, das ferner folgende Schritte aufweist: Erfassen eines Sensorsignals des Magnetfeldsensors; und Auswerten einer Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Körpers basierend auf dem erfassten Sensorsignal.
Verfahren gemäß Anspruch 27 oder 28, das ferner folgenden Schritt aufweist: Erfassen einer Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung mit einem zusätzlichen Magnetfeldsensor.
Verfahren gemäß Anspruch 29, das ferner folgende Schritte aufweist: Erfassen eines Sensorsignals des Magnetfeldsensors; Erfassen eines zusätzlichen Sensorsignals des zusätzlichen Magnetfeldsensors; Auswerten einer Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Körpers basierend auf dem erfassten Sensorsignal; und Auswerten einer Bewegungsrichtung des Körpers basierend auf dem erfassten zusätzlichen Sensorsignal.
Verfahren zum Herstellen eines Sensors, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Versehen eines Körpers mit einer Mehrzahl von Strukturen, die in einer ersten Richtung angeordnet sind, um auf eine Bewegung des Körpers in die erste Richtung hin ein periodisch variierendes Magnetfeld zu bewirken; und Bereitstellen eines Magnetfeldsensors, der konfiguriert ist, um Komponenten des Magnetfelds in einer zweiten Richtung und in einer dritten Richtung zu erfassen; wobei der Magnetfeldsensor benachbart zu dem Körper angeordnet ist, so dass die zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung ist, und so dass die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und zu der zweiten Richtung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 31, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bereitstellen eines Auswerters, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal des Magnetfeldsensors zu erfassen und basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Körpers auszuwerten.
Verfahren gemäß Anspruch 31 oder 32, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bereitstellen eines zusätzlichen Magnetfeldsensors, um eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung zu erfassen; wobei der zusätzliche Magnetfeldsensor benachbart zu dem Körper angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 33, bei dem der Magnetfeldsensor einen ersten Magnetfeldsensor und einen zweiten Magnetfeldsensor aufweist, das ferner folgenden Schritt aufweist: Bereitstellen eines Auswerters, der konfiguriert ist, um ein Sensorsignal zu erfassen, das von einem Widerstand des ersten Magnetfeldsensors oder des zweiten Magnetfeldsensors abhängt, und ein zusätzliches Sensorsignal des zusätzlichen Magnetfeldsensors zu erfassen, und basierend auf dem erfassten Sensorsignal eine Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Körpers auszuwerten und basierend auf dem erfassten zusätzlichen Sensorsignal eine Bewegungsrichtung des Körpers auszuwerten.