DE102022200223A1

DE102022200223A1 - Magnetfeldsensorvorrichtung und Verfahren zum Ermitteln einer Magnetfeldinformation

Info

Publication number: DE102022200223A1
Application number: DE102022200223.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Maschmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-07-13
Also published as: WO2023134925A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Magnetfeldsensorvorrichtung mit einer ersten Messbrücke (20), wobei zumindest in einem Messmodus der ersten Messbrücke (20) mindestens ein abgegriffenes erstes Messsignal (UM1) abhängig von einer magnetischen Feldstärke in einer ersten Raumrichtung variiert, und einer Elektronikeinrichtung (44), welche dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, zumindest unter Berücksichtigung des mindestens einen ersten Messsignals (UM1) eine erste Information bezüglich der magnetischen Feldstärke in der ersten Raumrichtung zu ermitteln, wobei die Magnetfeldsensorvorrichtung eine erste Korrekturbrücke (24) aufweist oder die erste Messbrücke aus dem Messmodus in einen Korrekturmessmodus überführbar ist, und wobei die Elektronikeinrichtung (44) zusätzlich dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, die erste Information unter zusätzlicher Berücksichtigung des mindestens einen ersten Korrektursignals (UC1) der ersten Korrekturbrücke (26) oder der in den Korrekturmessmodus überführten ersten Messbrücke festzulegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensorvorrichtung. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Magnetfeldinformation.
Stand der Technik
1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Magnetfeldsensors, welcher der Anmelderin als interner Stand der Technik bekannt ist.
Der in 1 schematisch dargestellte herkömmliche Magnetfeldsensor hat eine Wheatstonebrücke 10 mit mehreren Einheitssensorelementen 12a und 12b, welche auf ein externes Magnetfeld mit einer magnetischen Feldstärke ungleich Null in einer ersten Raumrichtung reagieren. Bei den Einheitssensorelementen 12a der Wheatstonebrücke 10 nimmt deren elektrischer Widerstand mit zunehmender Feldstärke in der ersten Raumrichtung zu, während bei anderen Einheitssensorelementen 12b der Wheatstonebrücke 10 ihr elektrischer Widerstand mit zunehmender magnetischer Feldstärke in der ersten Raumrichtung abnimmt. An einem ersten Verzweigungspunkt 14a der Wheatstonebrücke 10 ist eine Versorgungsspannung VDD bereitgestellt, während an einem zweiten Verzweigungspunkt 14b der Wheatstonebrücke 10 eine Erdung GND anliegt. Zwischen einem dritten Verzweigungspunkt 14c und einem vierten Verzweigungspunkt 14d der Wheatstonebrücke 10 ist außerdem ein Signal U abgreifbar, anhand von welchem die magnetische Feldstärke des externen Magnetfelds in der ersten Raumrichtung festlegbar sein soll.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Magnetfeldsensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Ermitteln einer Magnetfeldinformation mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten zum Vermeiden von Ungenauigkeiten oder Fehlern beim Ermitteln von Magnetfeldinformationen, welche herkömmlicherweise aufgrund von mechanischen Spannungen in einer zum Messen eingesetzten Messbrücke mit Einheitssensorelementen häufig auftreten. Mechanische Spannungen, wie mechanische Zugspannungen, mechanische Druckspannungen und/oder mechanische Scherspannungen, beeinflussen oft einen elektrischen Widerstand der Einheitssensorelemente der jeweiligen Messbrücke, und damit auch mindestens ein an der jeweiligen Messbrücke abgegriffenes Messsignal. Da die mechanischen Spannungen durch innere Einflüsse, wie beispielsweise unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der jeweiligen Messbrücke und ihrer unmittelbaren Umgebung, und/oder äußere Einflüsse, wie insbesondere Löteffekte oder eine mechanische Verformung unmittelbar an der jeweiligen Messbrücke, ausgelöst sein können, ist es vorteilhaft, dass mittels einer Nutzung der vorliegenden Erfindung die Einflüsse der mechanischen Spannungen auf das mindestens eine Messsignal herauskorrigiert werden können. Dazu schafft die vorliegende Erfindung vorteilhafte Möglichkeiten zum „indirekten Messen“ der mechanischen Spannungen entweder in der Nähe der jeweiligen Messbrücke oder direkt in der jeweiligen Messbrücke. Die unerwünschten Effekte der mechanischen Spannungen können auf diese Weise verlässlich herauskorrigiert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass insbesondere Löteffekte und Temperaturveränderungseffekte bei herkömmlichen Magnetfeldsensoren aufgrund der dadurch ausgewirkten mechanischen Spannungen häufig zu einem sogenannten Nullfeldfehler (Offset-Fehler) führen, welcher jedoch mittels einer Nutzung der vorliegenden Erfindung verlässlich herauskorrigiert werden kann. Die vorliegende Erfindung trägt damit zur verlässlicheren Vermessbarkeit von Magnetfeldern bei.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung sind die Einheitssensorelemente der ersten Messbrücke so als Wheatstonebrücke mit mindestens zwei zwischen gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen verschaltet und derart ausgelegt, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke in der ersten Raumrichtung der jeweilige elektrische Widerstand entweder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen zunimmt oder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen abnimmt, wobei die Einheitssensorelemente der ersten Korrekturbrücke so als weitere Wheatstonebrücke mit mindestens zwei zwischen gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen verschaltet sind und derart ausgelegt sind, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke in der ersten Raumrichtung der jeweilige elektrische Widerstand bei mindestens einem ersten Einheitssensorelement der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen zunimmt und bei mindestens einem zweiten Einheitssensorelement der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen abnimmt. Während die mittels der magnetischen Feldstärke in der ersten Raumrichtung ausgelösten Änderungen der elektrischen Widerstände sich somit bei der ersten Messbrücke an ihrem mindestens einen ersten Messsignal vollständig aufaddieren, tritt keine magnetfeldbewirkte Änderung an dem mindestens einen ersten Korrektursignal auf.
Vorzugsweise sind die erste Korrekturbrücke und die erste Messbrücke nebeneinander angeordnet. Eine derart nahe Anordnung der ersten Korrekturbrücke zu der ersten Messbrücke ermöglicht ein vorteilhaftes „indirektes Messen“ der mechanischen Spannungen in der Nähe der ersten Messbrücke mittels der ersten Korrekturbrücke.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung sind die Einheitssensorelemente der ersten Messbrücke als Wheatstonebrücke mit mindestens zwei zwischen gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen verschaltet, wobei die Einheitssensorelemente der in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke derart ausgelegt sind, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke in der ersten Raumrichtung der jeweilige elektrische Widerstand entweder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen zunimmt oder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen abnimmt, und wobei die Einheitssensorelemente der in ihrem Korrekturmessmodus vorliegenden ersten Messbrücke so ausgelegt sind, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke in der ersten Raumrichtung der jeweilige elektrische Widerstand bei mindestens einem ersten Einheitssensorelement der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen zunimmt und bei mindestens einem zweiten Einheitssensorelement der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten in Serie geschalteten Einheitssensorelementen abnimmt. Durch die hier beschriebene Ausbildung der ersten Messbrücke zur Nutzung sowohl in ihrem Messmodus als auch in ihrem Korrekturmessmodus können die an der in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke auftretenden mechanischen Spannungen mittels der in ihren Korrekturmessmodus überführten ersten Messbrücke indirekt gemessen werden.
Bevorzugter Weise ist auf einer Speichereinheit der Elektronikeinrichtung ein Programm hinterlegt, mittels welchem die erste Messbrücke aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus überführbar ist. Damit entfällt die Notwendigkeit zur Anbringung einer eigens zum Abgreifen des mindestens einen ersten Korrektursignals ausgebildeten zusätzlichen Brücke nahe an der ersten Messbrücke.
Beispielsweise kann die Elektronikeinrichtung dazu ausgelegt und/oder programmiert sein, die erste Messbrücke mit einer fest-vorgegebenen Soll-Frequenz aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus zu überführen und nach einem Abgreifen des mindestens einen ersten Korrektursignals die erste Messbrücke aus ihrem Korrekturmessmodus in ihren Messmodus zu überführen. Mittels der hier beschriebenen Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung können die direkt in der ersten Messbrücke auftretenden mechanischen Spannungen regelmäßig mittels des mindestens einen aktuell abgegriffenen ersten Korrektursignals herauskorrigiert werden.
Alternativ kann die Magnetfeldsensorvorrichtung auch einen Temperatursensor aufweisen, wobei die Elektronikeinrichtung in diesem Fall dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, unter Berücksichtigung einer von dem Temperatursensor ausgegebenen Temperatur eine Soll-Frequenz festzulegen und die erste Messbrücke mit der festgelegten Soll-Frequenz aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus zu überführen und nach einem Abgreifen des mindestens einen ersten Korrektursignals die erste Messbrücke aus ihrem Korrekturmessmodus in ihren Messmodus zu überführen. Mittels der hier beschriebenen Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung kann die Frequenz zum indirekten Messen der mechanischen Spannungen direkt in der ersten Messbrücke an eine durch die aktuelle Temperatur vorliegende Häufigkeit von mechanischen Spannungen angepasst werden.
Die Einheitssensorelemente der ersten Messbrücke und/oder der ersten Korrekturbrücke können je eine gepinnte ferromagnetische Schicht, je eine freie ferromagnetische Schicht, je eine zwischen der gepinnten ferromagnetischen Schicht des gleichen Einheitssensorelements und der freien ferromagnetischen Schicht des gleichen Einheitssensorelements angeordnete Tunnelbarriere, je eine erste Kontaktschicht auf der von der Tunnelbarriere des gleichen Einheitssensorelements weg gerichteten Seite der gepinnten ferromagnetischen Schicht des gleichen Einheitssensorelements und je eine zweite Kontaktschicht auf der von der Tunnelbarriere des gleichen Einheitssensorelements weg gerichteten Seite der freien ferromagnetischen Schicht des gleichen Einheitssensorelements aufweisen. Die Einheitssensorelemente der ersten Messbrücke und/oder der ersten Korrekturbrücke können deshalb basierend auf dem TMR-Prinzip (Magnetischer Tunnelwiderstand) ausgebildet sein.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Magnetfeldsensorvorrichtung noch eine zweite Messbrücke umfassend mehrere sensitive Einheitssensorelemente für ein externes Magnetfeld mit einer magnetischen Feldstärke in einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Raumrichtung aufweisen, wobei zumindest in einem Messmodus der zweiten Messbrücke mindestens ein abgegriffenes zweites Messsignal abhängig von der magnetischen Feldstärke in der zweiten Raumrichtung variiert, wobei die Magnetfeldsensorvorrichtung noch eine zweite Korrekturbrücke umfassend mehrere weitere für das externe Magnetfeld mit der magnetischen Feldstärke in der zweiten Raumrichtung sensitive Einheitssensorelemente aufweist oder die zweite Messbrücke aus dem Messmodus in einen Korrekturmessmodus überführbar ist, wobei von der magnetischen Feldstärke in der zweiten Raumrichtung ausgelöste Änderungen von elektrischen Widerständen der Einheitssensorelemente der zweiten Korrekturbrücke oder der in den Korrekturmessmodus überführten zweiten Messbrücke sich in mindestens einem abgegriffenen zweiten Korrektursignal zumindest teilweise herausmitteln, und wobei die Elektronikeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, eine zweite Information bezüglich der magnetischen Feldstärke in der zweiten Raumrichtung zumindest unter Berücksichtigung des mindestens einen zweiten Messsignals und des mindestens einen zweiten Korrektursignals festzulegen. Die hier beschriebene Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung kann somit auch zum mehrdimensionalen Vermessen des externen Magnetfelds genutzt werden. Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Magnetfeldsensorvorrichtung auch zum 3-dimensionalen Vermessen des externen Magnetfelds weitergebildet sein.
Auch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Ermitteln einer Magnetfeldinformation schafft die oben erläuterten Vorteile. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Ermitteln einer Magnetfeldinformation gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen von Magnetfeldsensorvorrichtungen weitergebildet werden kann.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Magnetfeldsensors;
2a bis 2c schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung;
3a bis 3f schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung;
4a bis 4c schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung; und
5 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Ermitteln einer Magnetfeldinformation.

Ausführungsformen der Erfindung
2a bis 2c zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung.
Die in 2a bis 2c schematisch dargestellte Magnetfeldsensorvorrichtung weist eine erste Messbrücke 20 auf, welche mehrere Einheitssensorelemente 22a und 22b umfasst, die für ein externes Magnetfeld Bx mit einer magnetischen Feldstärke Hx ungleich Null in einer ersten Raumrichtung (positiv oder negativ) sensitiv sind. Zusätzlich ist die Magnetfeldsensorvorrichtung der 2a bis 2c mit einer ersten Korrekturbrücke 24 ausgebildet, wobei auch die erste Korrekturbrücke 24 mehrere weitere Einheitssensorelemente 26a und 26b aufweist, welche auf das externe Magnetfeld Bx mit der magnetischen Feldstärke Hx ungleich Null in der ersten Raumrichtung sensitiv reagieren. Es wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass unter der sensitiven Ausbildung der Einheitssensorelemente 22a, 22b, 26a und 26b (lediglich) zu verstehen ist, dass ein elektrischer Widerstand/elektrischer Einzelwiderstand eines einzelnen Einheitssensorelements 22a, 22b, 26a oder 26b bei der sich ändernden magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung variiert. Bevorzugter Weise sind die erste Messbrücke 20 und die erste Korrekturbrücke 24 nebeneinander angeordnet.
2b zeigt eine vergrößerte Darstellung eines der Einheitssensorelemente 26a und 26b der ersten Korrekturbrücke 24. Das jeweilige Einheitssensorelement 26a oder 26b hat eine erste ferromagnetische Schicht 28, deren Magnetisierungsrichtung 30 in der ersten Raumrichtung, in welcher das externe Magnetfeld Bx die magnetische Feldstärke Hx ungleich Null aufweist, gepinnt ist. Die erste ferromagnetische Schicht 28 ist deshalb als gepinnte/fixierte ferromagnetische Schicht 28 (Pinned Layer) bezeichenbar.
Das Einheitssensorelement 26a oder 26b der 2b weist auch eine zweite ferromagnetische Schicht 32 auf, deren Magnetisierungsrichtung 34 durch das externe Magnetfeld Bx mit der magnetischen Feldstärke Hx ungleich Null in der ersten Raumrichtung beeinflussbar ist. Die zweite ferromagnetische Schicht 32 kann deshalb als eine freie ferromagnetische Schicht 32 (Free Layer) bezeichnet werden, deren Magnetisierungsrichtung 34 von dem externen Magnetfeld Bx „gedreht“ wird. Sofern die magnetische Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung gleich Null ist, kann die Magnetisierungsrichtung 34 der freien ferromagnetischen Schicht 32 als eine Ausgangs- Magnetisierungsrichtung 34a bezeichnet werden. Die Ausgangs- Magnetisierungsrichtung 34a kann entweder in einem Neigungswinkel von 90° (siehe 2b) oder in einem Neigungswinkel von 270° zu der Magnetisierungsrichtung 30 der gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 ausgerichtet sein. Die Ausgangs-Magnetisierungsrichtung 34a der freien ferromagnetischen Schicht 32 kann entweder während einer Prozessierung des Einheitssensorelements 26a oder 26b festgelegt oder nach der Prozessierung durch ein kurzfristiges Anlegen eines starken Stromflusses variabel eingestellt sein. Beispielsweise kann die Ausgangs-Magnetisierungsrichtung 34a der freien ferromagnetischen Schicht 32 auch während eines Betriebs der Magnetfeldsensorvorrichtung durch kurzzeitiges Anlegen eines Stromflusses von insbesondere 30 mA (Milliampere) und die auf diese Weise induzierten Magnetfeldern zwischen einer ersten Ausrichtung mit dem Neigungswinkel von 90° zu der Magnetisierungsrichtung 30 der gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 und einer zweiten Ausrichtung mit dem Neigungswinkel von 270° zu der Magnetisierungsrichtung 30 der gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 umgerichtet werden.
Zwischen der gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 und der freien ferromagnetischen Schicht 32 des Einheitssensorelements 26a oder 26b der 2b liegt eine Tunnelbarriere 36, welche z.B. eine Isolierschicht 36 sein kann. Auf der von der Tunnelbarrieren 36 weg gerichteten Seite der gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 des Einheitssensorelements 26a oder 26b der 2b liegt eine erste Kontaktschicht 38a, während eine zweite Kontaktschicht 38b auf der von der Tunnelbarriere 36 weg gerichteten Seite der freien ferromagnetischen Schicht 32 des Einheitssensorelements 26a oder 26b angeordnet ist. Lediglich beispielhaft ist der aus den Schichten 28, 32, 36, 38a und 38b ausgebildete Schichtaufbau derart an/auf einem (nichtleitenden) Substrat 40 angeordnet, dass die erste Kontaktschicht 38a das Substrat 40 oder mindestens eine das Substrat 40 abdeckende Zwischenschicht 42 mechanisch kontaktiert. Alternativ kann jedoch auch die zweite Kontaktschicht 38b des Schichtstapels aus den Schichten 28, 32, 36, 38a und 38b das Substrat 40 oder die mindestens eine Zwischenschicht 42 mechanisch kontaktieren.
Der elektrische Widerstand/elektrische Einzelwiderstand des Einheitssensorelements 26a oder 26b der 2b ist u.a. abhängig von einem zwischen der Magnetisierungsrichtung 30 der gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 und der Magnetisierungsrichtung 34 der freien ferromagnetischen Schicht eingeschlossenen Winkel. Je stärker eine mittels der magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung bewirkte „Drehung“ der Magnetisierungsrichtung 34 der freien ferromagnetischen Schicht 32 aus der Ausgangs- Magnetisierungsrichtung 34a ist, desto mehr ändert sich auch der elektrische Widerstand des Einheitssensorelements 26a oder 26b. Liegt die Ausgangs-Magnetisierungsrichtung 34a der freien ferromagnetischen Schicht 32 in dem Neigungswinkel von 90° zu der Magnetisierungsrichtung 30 der gepinnten ferromagnetischen Schicht 28, so führt die mittels der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung bewirkte „Drehung“ der Magnetisierungsrichtung 34 der freien ferromagnetischen Schicht 32 aus der Ausgangs- Magnetisierungsrichtung 34a zu einer Widerstandserhöhung. Ein Einheitssensorelement 26a mit einer Ausgangs-Magnetisierungsrichtung 34a seiner freien ferromagnetischen Schicht 32 in dem Neigungswinkel von 90° zu der Magnetisierungsrichtung 30 seiner gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 kann deshalb als ein positives/positiv sensitives Einheitssensorelement 26a bezeichnet werden, welches auf die Zunahme der magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung mit einer Widerstandserhöhung reagiert. Alternativ bewirkt, sofern die Ausgangs-Magnetisierungsrichtung 34a der freien ferromagnetischen Schicht 32 in dem Neigungswinkel von 270° zu der Magnetisierungsrichtung 30 der gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 ausgerichtet ist, die mittels des externen Magnetfelds Bx bewirkte „Drehung“ der Magnetisierungsrichtung 34 der freien ferromagnetischen Schicht 32 aus der Ausgangs- Magnetisierungsrichtung 34a eine Widerstandsabsenkung. Ein Einheitssensorelement 26b mit einer Ausgangs-Magnetisierungsrichtung 34a seiner freien ferromagnetischen Schicht 32 in dem Neigungswinkel von 270° zu der Magnetisierungsrichtung 30 seiner gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 wird deshalb oft ein negatives Einheitssensorelement 26b genannt, bei welchem die Zunahme der magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung eine Widerstandsabsenkung bewirkt. In beiden Fällen ist die mittels des externen Magnetfelds Bx bewirkte „Drehung“ der Magnetisierungsrichtung 34 der freien ferromagnetischen Schicht 32 abhängig von der magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung.
Obwohl in den vorausgehenden Absätzen nicht ausführlicher beschrieben, weisen die Einheitssensorelemente 22a und 22b der ersten Messbrücke 20 den gleichen Schichtaufbau aus den Schichten 28, 32, 36, 38a und 38b wie die Einheitssensorelemente 26a und 26b der ersten Korrekturbrücke 24 auf. Auch die erste Messbrücke 20 kann positive Einheitssensorelemente 22a mit jeweils einer Ausgangs-Magnetisierungsrichtung 34a der jeweiligen freien ferromagnetischen Schicht 32 in dem Neigungswinkel von 90° zu der Magnetisierungsrichtung 30 der jeweiligen gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 und negative Einheitssensorelemente 22b mit jeweils einer Ausgangs-Magnetisierungsrichtung 34a der jeweiligen freien ferromagnetischen Schicht 32 in dem Neigungswinkel von 270° zu der Magnetisierungsrichtung 30 der jeweiligen gepinnten ferromagnetischen Schicht 28 umfassen.
Wie oben bereits erläutert ist, beeinflussen auch mechanische Spannungen, wie mechanische Zugspannungen, mechanische Druckspannungen und/oder mechanische Scherspannungen, die elektrischen Widerstände der Einheitssensorelemente 22a, 22b, 26a und 26b der Brücken 20 und 24.
Die Einheitssensorelemente 22a und 22b der ersten Messbrücke 20 sind als Wheatstonebrücke miteinander verschaltet. Die als erste Messbrücke 20 eingesetzte Wheatstonebrücke weist einen ersten Verzweigungspunkt 20a mit einer anliegenden Versorgungsspannung VDD, einen zweiten Verzweigungspunkt 20b mit einer anliegenden Erdung GND, einen dritten Verzweigungspunkt 20c in einem sich von dem ersten Verzweigungspunkt 20a zu dem zweiten Verzweigungspunkt 20b erstreckenden ersten Schaltungspfad der Wheatstonebrücke und einen vierten Verzweigungspunkt 20d in einem sich von dem ersten Verzweigungspunkts 20a zu dem zweiten Verzweigungspunkt 20b erstreckenden und zu dem ersten Schaltungspfad parallelen zweiten Schaltungspfad auf. Zumindest ein erstes Messsignal U_M1 kann zwischen dem dritten Verzweigungspunkt 20c und dem vierten Verzweigungspunkt 20d der ersten Messbrücke 20 abgegriffen werden. Die Einheitssensorelemente 22a und 22b der ersten Messbrücke 20 sind derart miteinander verschaltet, dass mindestens zwei in Serie geschaltete Einheitssensorelemente 22a oder 22b zwischen jeweils den gleichen Verzweigungspunkten 20a bis 20d liegen. Beispielsweise können je 50 in Serie geschaltete Einheitssensorelemente 22a oder 22b zwischen dem ersten Verzweigungspunkt 20a und dem dritten Verzweigungspunkt 20c, zwischen dem ersten Verzweigungspunkt 20a und dem vierten Verzweigungspunkt 20d, zwischen dem zweiten Verzweigungspunkt 20b und dem dritten Verzweigungspunkt 20c und zwischen dem zweiten Verzweigungspunkt 20b und dem vierten Verzweigungspunkt 20d vorliegen.
Außerdem sind die Einheitssensorelemente 22a und 22b der ersten Messbrücke 20 derart ausgelegt, d.h. die Ausgangs-Magnetisierungsrichtungen 34a ihrer freien ferromagnetischen Schichten 32 sind derart zu den Magnetisierungsrichtungen 30 ihrer gepinnten ferromagnetischen Schichten 28 orientiert, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke Hx des ersten Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung der jeweilige elektrische Widerstand entweder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 20a bis 20d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 22a zunimmt oder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 20a bis 20d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 22b abnimmt. Man kann dies auch damit umschreiben, dass die zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 20a bis 20d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 22a und 22b entweder alle positive Einheitssensorelementen 22a oder alle negative Einheitssensorelementen 22b sind. Das mindestens eine an der ersten Messbrücke 20 abgegriffene erste Messsignal U_M1 variiert deshalb abhängig von der magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung. Damit ist das mindestens eine erste Messsignal U_M1 sowohl von der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung als auch von den an/in der ersten Messbrücke 20 auftretenden mechanischen Spannungen abhängig.
Die Einheitssensorelemente 26a und 26b der ersten Korrekturbrücke 24 sind als weitere Wheatstonebrücke miteinander verschaltet. Die als erste Korrekturbrücke 24 eingesetzte weitere Wheatstonebrücke weist ebenfalls vier Verzweigungspunkte 24a bis 24d auf, wobei an einem ersten Verzweigungspunkt 24a die Versorgungsspannung VDD anliegt, an einem zweiten Verzweigungspunkt 24b die Erdung GND anliegt, ein dritter Verzweigungspunkt 24c in einem sich von dem ersten Verzweigungspunkt 24a zu dem zweiten Verzweigungspunkt 24b erstreckenden ersten Schaltungspfad der weiteren Wheatstonebrücke angeordnet ist und ein vierter Verzweigungspunkt 24d in einem sich von dem ersten Verzweigungspunkt 24a zu dem zweiten Verzweigungspunkt 24b erstreckenden und zu dem ersten Schaltungspfad parallelen zweiten Schaltungspfad der weiteren Wheatstonebrücke ausgebildet ist. Zumindest ein erstes Korrektursignal U_C1
kann zwischen dem dritten Verzweigungspunkt 24c und dem vierten Verzweigungspunkt 24d abgegriffen werden. Auch bei der ersten Korrekturbrücke 24 sind mindestens zwei Einheitssensorelemente 26a und 26b zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 24a bis 24d in Serie geschaltet. Insbesondere können je 50 Einheitssensorelemente 26a oder 26 zwischen dem ersten Verzweigungspunkt 24a und dem dritten Verzweigungspunkt 24c, zwischen dem ersten Verzweigungspunkt 24a und dem vierten Verzweigungspunkt 24d, zwischen dem zweiten Verzweigungspunkt 24b und dem dritten Verzweigungspunkt 24c und zwischen dem zweiten Verzweigungspunkt 24b und dem vierten Verzweigungspunkt 24d in Serie geschaltet sein.
Allerdings sind die Einheitssensorelemente 26a und 26b der ersten Korrekturbrücke 24 derart ausgelegt, d.h. die Ausgangs-Magnetisierungsrichtungen 34a ihrer freien ferromagnetischen Schichten 32 sind derart zu den Magnetisierungsrichtungen 30 ihrer gepinnten ferromagnetischen Schichten 28 orientiert, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung der jeweilige elektrische Widerstand bei mindestens einem ersten Einheitssensorelement 26a der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 24a bis 24d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 26a und 26b zunimmt und bei mindestens einem zweiten Einheitssensorelement 26b der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 24a bis 24d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 26a und 26b abnimmt. Von den zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 24a bis 24d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 26a und 26b ist somit mindestens eines ein positives Einheitssensorelement 26a und mindestens eines ein negatives Einheitssensorelement 26b. Die von der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung ausgelöste Widerstandserhöhung des mindestens einen positiven Einheitssensorelements 26a wird somit von der mittels der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung bewirkten Widerstandsabsenkung des mindestens einen negativen Einheitssensorelement 26b zumindest teilweise kompensiert. Änderungen von elektrischen Widerständen der Einheitssensorelemente 26a und 26b, wie sie von der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung ausgelöst werden, mitteln sich deshalb in dem mindestens einen an der ersten Korrekturbrücke 24 abgegriffenen ersten Korrektursignal U_C1 zumindest teilweise heraus.
Vorzugsweise bestehen die zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 24a bis 24d in Serie geschalteten Einheitssensorelemente 26a und 26b (ausschließlich) aus einer Anzahl von positiven Einheitssensorelementen 26a und der gleichen Anzahl von negativen Einheitssensorelementen 26b. Die von der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung ausgelösten Widerstandserhöhungen der positiven Einheitssensorelemente 26a und Widerstandsabsenkung der negativen Einheitssensorelemente 26b kompensieren sich in diesem Fall (nahezu) vollständig. Entsprechend mitteln sich die von der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung ausgelösten Änderungen der elektrischen Widerstände der Einheitssensorelemente 26a und 26b in dem mindestens einen ersten Korrektursignal U_C1 (im Wesentlichen) vollständig heraus. Wie in 2c schematisch dargestellt ist, kann die erste Korrekturbrücke 24 als ihre Einheitssensorelemente 26a und 26b auch (ausschließlich) Einheitssensorelementpaare 26ab aus je einem positiven Einheitssensorelement 26a und je einem benachbarten negativen Einheitssensorelement 26b aufweisen.
Im Unterschied zu dem mindestens einen ersten Messsignal U_M1 ist das mindestens eine erste Korrektursignal U_C1 darum (im Wesentlichen) von der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung unabhängig. Das mindestens eine erste Korrektursignal U_C1 bleibt jedoch abhängig von den an/in der ersten Korrekturbrücke 24 auftretenden mechanischen Spannungen, und eignet sich deshalb vorteilhaft zum „indirekten Messen“ der mechanischen Spannungen an/in der ersten Korrekturbrücke 24, bzw. in der Nähe der ersten Messbrücke 20. Ein „indirektes Messen“ bedeutet in diesem Fall, dass nicht die mechanischen Spannungen selbst oder die durch die mechanischen Spannungen bewirkten Widerstandsänderungen pro Einheitssensorelement 26a und 26b der ersten Korrekturbrücke 24 gemessen werden, sondern mittels des mindestens einen ersten Korrektursignals U_C1 ein zu den mechanischen Spannungen proportionales Signal zusammen dem mindestens einen ersten Messsignal U_M1 ausgewertet wird.
Die Magnetfeldsensorvorrichtung der 2a bis 2c umfasst deshalb auch eine Elektronikeinrichtung 44, welche dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, zumindest unter Berücksichtigung des mindestens einen ersten Messsignals U_M1 und des mindestens einen ersten Korrektursignals U_C1 eine erste Information bezüglich der magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung zu ermitteln. Die Elektronikeinrichtung 44 kann beispielsweise ein integrierter Micro-Controller sein. Beispielsweise kann die Elektronikeinrichtung 44 dazu ausgelegt/programmiert sein, gemäß Gleichung (Gl. 1) ein erstes Auswertesignal U₁ zu bestimmen, bei welchem die durch mechanische Spannungen bewirkte Offsetdrift der ersten Messbrücke 20 korrigiert ist: $U_{1} = U_{M1} - U_{C1}$
Das erste Auswertesignal U₁ kann anschließend zur verlässlichen Festlegung der ersten Information bezüglich der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung ausgewertet werden. Wahlweise kann die magnetische Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung auch gemäß Gleichung (Gl. 2) berechnet werden mit: $Hx = a_{0} + a_{1} * (U_{M1} - U_{C1}) + a_{2} * {(U_{M1} - U_{C1})}^{n},$
wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist. Die Parameter a₀, a₁ und a₂ können mittels einer Eichung festgelegt werden. Auch eine Pade-Approximation kann zur Berechnung der magnetischen Feldstärke Hx in der ersten Raumrichtung verwendet werden.
Ein eventueller Offset-Fehler der ersten Korrekturbrücke 24 kann mittels einer Eichung von erster Messbrücke 20 und erster Korrekturbrücke 24 nach deren Fertigstellung abgeglichen werden. Ein auf diese Weise bestimmter Korrekturwert kann zum Beispiel in einem elektrisch programmierbaren ROM der Elektronikeinrichtung 44 abgespeichert werden. Die erste Messbrücke 20 und die erste Korrekturbrücke 24 können simultan oder abwechselnd ausgelesen werden. Die Auslesung der Signale U_M1 und U_C1 muss jedoch nicht mit derselben Datenrate erfolgen. Insbesondere in einem Stromsparmodus der Magnetfeldsensorvorrichtung kann das Auslesen ihrer Korrekturbrücke 24 in der Häufigkeit reduziert sein. Erfahrungsgemäß ändern sich mechanische Spannungen nur langsam. Ein Auslesen der ersten Korrekturbrücke 24 einmal pro Minute ist deshalb häufig ausreichend. Weiterhin kann die Auslesung der ersten Korrekturbrücke 24 bei schnellen Temperaturänderungen mittels mindestens eines (integrierten) Temperatursensors extra getriggert sein, da Temperaturänderungen erfahrungsgemäß Änderungen der mechanischen Spannungen auslösen.
3a bis 3f zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung.
Auch die in den 3a bis 3f schematisch wiedergegebene Magnetfeldsensorvorrichtung hat eine erste Messbrücke 50 mit mehreren für ein externes Magnetfeld Bx mit einer magnetischen Feldstärke Hx ungleich Null in der ersten Raumrichtung sensitiven Einheitssensorelementen 52a bis 52d. Die Einheitssensorelemente 52a bis 52d der ersten Messbrücke 50 können den ober erläuterten Schichtaufbau aus den Schichten 28, 32, 36, 38a und 38b aufweisen. Außerdem sind die Einheitssensorelemente 52a bis 52d der ersten Messbrücke 50 zu einer Wheatstonebrücke miteinander verschaltet, welche einen ersten Verzweigungspunkt 50a mit einer anliegenden Versorgungsspannung VDD, einen zweiten Verzweigungspunkt 50b mit einer anliegenden Erdung GND, einen dritten Verzweigungspunkt 50c in einem sich von dem ersten Verzweigungspunkt 50a zu dem zweiten Verzweigungspunkt 50b erstreckenden ersten Schaltungspfad und einen vierten Verzweigungspunkt 50d in einem sich von dem ersten Verzweigungspunkts 50a zu dem zweiten Verzweigungspunkt 50b erstreckenden und zu dem ersten Schaltungspfad parallelen zweiten Schaltungspfad aufweist. Mindestens zwei Einheitssensorelemente 52a und 52b oder 52c und 52d der ersten Messbrücke 50 sind zwischen gleichen Verzweigungspunkten 50a bis 50d der ersten Messbrücke 50 in Serie geschaltet.
3a und 3b zeigen die erste Messbrücke 50 in einem sogenannten Messmodus der ersten Messbrücke 50. Die Einheitssensorelemente 52a bis 52d der in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke 50 sind derart ausgelegt, d.h. die Ausgangs-Magnetisierungsrichtungen 34a ihrer freien ferromagnetischen Schichten 32 sind derart zu den Magnetisierungsrichtungen 30 ihrer gepinnten ferromagnetischen Schichten 28 orientiert, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung der jeweilige elektrische Widerstand entweder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 50a bis 50d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 52a und 52b zunimmt oder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 50a bis 50d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 52c und 52d abnimmt. Bei der in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke 50 sind somit die zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 50a bis 50d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 52a bis 52d entweder alle positive Einheitssensorelementen 52a und 52b oder alle negative Einheitssensorelementen 52c und 52d. Damit ist gewährleistet, dass das mindestens eine erste Messsignal U_M1, welches an der in dem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke 50 abgegriffen ist, abhängig von der magnetischen Feldstärke Hx des magnetischen Feldes in der ersten Raumrichtung variiert.
Im Unterschied zu der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform der 2a bis 2c ist die erste Messbrücke 50 der Magnetfeldsensorvorrichtung der 3a bis 3f aus dem Messmodus in einen sogenannten Korrekturmessmodus überführbar. Die 3c und 3d geben den Korrekturmessmodus der ersten Messbrücke 50 wieder. Die Einheitssensorelemente 52a bis 52d` der in ihrem Korrekturmessmodus vorliegenden ersten Messbrücke 50 sind so ausgelegt, d.h. die Ausgangs-Magnetisierungsrichtungen 34a ihrer freien ferromagnetischen Schichten 32 sind derart zu den Magnetisierungsrichtungen 30 ihrer gepinnten ferromagnetischen Schichten 28 orientiert, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung der jeweilige elektrische Widerstand bei mindestens einem ersten Einheitssensorelement 52a oder 52d` der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 50a bis 50d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 52a und 52b` oder 52c und 52d` zunimmt und bei mindestens einen zweiten Einheitssensorelement 52b` und 52c der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 50a bis 50d in Serie geschalteten Einheitssensorelementen 52a und 52b` oder 52c und 52d` abnimmt. Die von der magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung ausgelösten Änderungen von elektrischen Widerständen der Einheitssensorelemente 52a bis 52d` der in den Korrekturmessmodus überführten ersten Messbrücke 50 mitteln sich deshalb in mindestens einem abgegriffenen Korrektursignal U_C1 zumindest teilweise heraus.
Bevorzugter Weise weist die in ihrem Korrekturmessmodus vorliegende erste Messbrücke 50 als ihre zwischen den gleichen Verzweigungspunkten 50a bis 50d in Serie geschalteten Einheitssensorelemente 52a bis 52d` (ausschließlich) eine Anzahl von positiven Einheitssensorelementen 52a und 52d` und die gleiche Anzahl von negativen Einheitssensorelementen 52b` und 52c auf. Wie mittels der 3b, 3d und 3e schematisch wiedergegeben ist, kann dazu beim Überführen der ersten Messbrücken 50 aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus jedes zweite positive Einheitssensorelement 52b der in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke 50 durch kurzfristiges Anlegen eines Stromflusses 54 in ein negatives Einheitssensorelement 52b` umgewandelt werden. Entsprechend kann, wie in 3f skizziert ist, jedes zweite negative Einheitssensorelement 52d der in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke 50 durch kurzfristiges Anlegen eines weiteren Stromflusses 56 in ein positives Einheitssensorelement 52d` umgewandelt werden. Diese „Umprogrammierung“ der ersten Messbrücke 50 ist reversibel, so dass die in ihrem Korrekturmessmodus vorliegende erste Messbrücke 50 mittels weiterer Stromflüsse wieder in ihren Messmodus überführbar ist.
Die Überführung der ersten Messbrücke 50 aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus ermöglicht die „indirekte Messung“ von mechanischen Spannungen direkt in der ersten Messbrücke 50. Die Elektronikeinrichtung 44 kann anschließend wie oben schon erläutert zum genauen und verlässlichen Festlegen der ersten Information bezüglich der magnetischen Feldstärke Hx des externen Magnetfelds Bx in der ersten Raumrichtung unter Berücksichtigung des mindestens einen ersten Messsignals U_M1 und des mindestens einen ersten Korrektursignals U_C1 eingesetzt werden. Auf einer (nicht skizzierten) Speichereinheit der Elektronikeinrichtung 44 kann außerdem ein Programm hinterlegt sein, mittels welchem die erste Messbrücke 50 aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus, bzw. aus ihrem Korrekturmessmodus in ihren Messmodus, überführbar ist. Insbesondere kann die Elektronikeinrichtung 44 dazu ausgelegt/programmiert sein, die erste Messbrücke 50 mit einer fest-vorgegebenen Soll-Frequenz aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus zu überführen und nach einem Abgreifen des mindestens einen ersten Korrektursignals U_C1 die erste Messbrücke 50 wieder aus ihrem Korrekturmessmodus in ihren Messmodus zu überführen. Alternativ kann die Magnetfeldsensorvorrichtung jedoch auch einen Temperatursensor haben, so dass die Soll-Frequenz auch unter Berücksichtigung einer von dem Temperatursensor ausgegebenen Temperatur vorteilhaft gewählt sein kann.
Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der Magnetfeldsensorvorrichtung der 3a bis 3f und ihrer Vorteile wird auf die Beschreibung der vorausgehenden Ausführungsform der 2a bis 2c verwiesen.
4a bis 4c zeigt schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform der Magnetfeldsensorvorrichtung.
Die Magnetfeldsensorvorrichtung der 4a bis 4c weist die oben schon erläuterten Brücken 20 und 24 auf. Zusätzlich hat die Magnetfeldsensorvorrichtung der 4a bis 4c eine zweite Messbrücke 60 mit mehreren sensitiven Einheitssensorelementen für ein externes Magnetfeld By mit einer magnetischen Feldstärke Hy in einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung x ausgerichteten zweiten Raumrichtung y. Ebenso ist die Magnetfeldsensorvorrichtung mit einer zweiten Korrekturbrücke 62 für die zweite Messbrücke 60 ausgestattet, wobei die zweite Korrekturbrücke 62 ebenfalls mehrere sensitive Einheitssensorelemente 64a und 64b umfasst, die auf das externe Magnetfeld By mit der magnetischen Feldstärke Hy in der zweiten Raumrichtung y reagieren. Die erste Raumrichtung x und die zweite Raumrichtung y können parallel zu einer mit den jeweiligen Brücken 20, 24, 60 und 62 bestückten Substratoberfläche des Substrats 40 ausgerichtet sein. Die sensitiven Einheitssensorelemente 64a und 64b der Brücken 60 und 62 können den oben schon erläuterten Schichtaufbau aus den Schichten 28, 32, 36, 38a und 38b aufweisen und jeweils als Wheatstonebrücke verschaltet sein. In 4b ist das Verschaltungsschema der sensitiven Einheitssensorelemente 64a und 64b der zweiten Korrekturbrücke 62 als Einheitssensorelementpaare 64ab schematisch wiedergegeben. Bezüglich der Eigenschaften und Merkmale der Brücken 60 und 62 wird deshalb auf die Beschreibung der 2a bis 2c verwiesen.
Als vorteilhafte Weiterbildung kann die Magnetfeldsensorvorrichtung noch eine weitere Sensorik 66 haben, welche auf ein externes Magnetfeld Bz mit einer magnetischen Feldstärke ungleich Null in einer senkrecht zu der Substratoberfläche des Substrats 40 ausgerichteten dritten Raumrichtung z reagiert. Wie anhand der 4c erkennbar ist, kann mittels eines Magnetflussumlenkers (flux guide) 68 die in der dritten Raumrichtung z ausgerichtete Komponente des externen Magnetfelds Bz in ein inneres Magnetfeld mit magnetischen Feldstärken ungleich Null in einer senkrecht zu der dritten Raumrichtung z ausgerichteten Ebene konvertiert werden. Mittels magnetischer Sensorelemente 70a und 70b, kann das innere Magnetfeld anschließend detektiert werden. Die dazu eingesetzten Sensorelemente 70a und 70b sind unempfindlich bezüglich eines äußeren Magnetfelds selbst mit einer magnetischen Feldstärke ungleich Null in der xy-Ebene (parallel zu der Substratoberfläche des Substrats 40). Anschließend kann aus den erhaltenen Daten eine dritte Information bezüglich der magnetischen Feldstärke des externen Magnetfelds Bz in der dritten Raumrichtung z festgelegt werden. Auch für die Sensorelemente 70a und 70b kann noch mindestens eine weitere Korrekturbrücke an der Magnetfeldsensorvorrichtung ausgebildet sein.
Die Magnetfeldsensorvorrichtung der 4a bis 4c kann somit vorteilhaft zum 3-dimensionalen Vermessen des externen Magnetfelds eingesetzt werden. Offset-Fehler und Offset Driften können vorteilhaft für alle drei Raumrichtungen x,y und z herauskorrigiert werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Magnetfeldsensorvorrichtung auch mit Messbrücken ausgestattet sein, welche jeweils aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus überführbar sind. Bezüglich weiterer Eigenschaften und Merkmale der Magnetfeldsensorvorrichtung der 4a bis 4c und ihrer Vorteile wird auf die Beschreibung der vorausgehenden Ausführungsformen verwiesen.
Die oben erläuterten Magnetfeldsensorvorrichtungen können vorteilhaft für Smartphones, Tablets, Wearables, Hearables, Drohnen, Spielzeug, Roboter, Schrittzähler, Kalorienzähler, im AR- und VR-Bereich, im Gaming-Bereich, im Smart Home-Bereich und im industriellen Kontext eingesetzt werden. Mittels der oben erläuterten Magnetfeldsensorvorrichtungen können Weckfunktionen für ausgewählte Gerätemodule ausgeführt werden. Sie können auch zur Logistik, Teilenachverfolgung, Geräteorientierung, Bildschirmorientierung, Anzeigeorientierung, Bildstabilisierung, Einbruchsüberwachung, Schlafüberwachung, Erfassung des Tragezustands von Hearables (In-Ear-Detection), Bestimmung von Kopforientierung und Kopfbewegung, Positionsverfolgung, Erkennung von Begrenzungen und Hindernissen, Erkennung einer signifikanten Bewegung, Echtzeit-Bewegungserkennung und - verfolgung, Bewegungssteuerung, Höhen- und Lagestabilisierung, Stockwerkserkennung, Aktivierungsverfolgung, Fußgänger-Koppelnavigation, Flugsteuerung, Innen- und Außennavigation, dynamischen Streckenplanung, Streckenaufzeichnung und zum Indoor-Slam (Simultanlokalisierung und Kartenerstellung) genutzt werden. Weitere Einsatzmöglichkeiten der oben erläuterten Magnetfeldsensorvorrichtungen sind Energiemanagement, energiesparendes Messen, vorausschauende Wartung und Sensordatenfunktionen.
5 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Ermitteln einer Magnetfeldinformation.
In einem Verfahrensschritt S1 des Verfahrens wird mindestens ein Messsignal an einer an und/oder in einer Vorrichtung angeordneten und in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke derart abgegriffen, dass das mindestens eine abgegriffene Messsignal abhängig von einer magnetischen Feldstärke in einer ersten Raumrichtung variiert. Die dazu verwendete erste Messbrücke umfasst mehrere für ein externes Magnetfeld mit der aktuellen magnetischen Feldstärke in der ersten Raumrichtung sensitive Einheitssensorelemente.
Außerdem wird in einem Verfahrensschritt S2 mindestens ein Korrektursignal an einer an und/oder in der Vorrichtung angeordneten ersten Korrekturbrücke oder an der aus dem Messmodus in einen Korrekturmessmodus überführten ersten Messbrücke derart abgegriffen, dass von der magnetischen Feldstärke in der ersten Raumrichtung ausgelöste Änderungen von elektrischen Widerständen der Einheitssensorelemente der ersten Korrekturbrücke oder der in den Korrekturmessmodus überführten ersten Messbrücke sich in dem mindestens einen Korrektursignal zumindest teilweise herausmitteln. Auch die erste Korrekturbrücke weist mehrere (weitere) für das externe Magnetfeld mit der magnetischen Feldstärke in der ersten Raumrichtung sensitive Einheitssensorelemente auf.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S3 eine erste Information bezüglich der magnetischen Feldstärke in der ersten Raumrichtung zumindest unter Berücksichtigung des mindestens einen Messsignals und des mindestens einen abgegriffenen Korrektursignals festgelegt. Damit schafft auch ein Ausführen des hier beschriebenen Verfahrens die oben schon erläuterten Vorteile.

Claims

Magnetfeldsensorvorrichtung mit: einer ersten Messbrücke (20, 50) umfassend mehrere für ein externes Magnetfeld (Bx) mit einer magnetischen Feldstärke (Hx) in einer ersten Raumrichtung (x) sensitive Einheitssensorelemente (22a, 22b, 52a bis 52d), wobei zumindest in einem Messmodus der ersten Messbrücke (20, 50) mindestens ein abgegriffenes erstes Messsignal (U_M1) abhängig von der magnetischen Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) variiert; und einer Elektronikeinrichtung (44), welche dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, zumindest unter Berücksichtigung des mindestens einen ersten Messsignals (U_M1) eine erste Information bezüglich der magnetischen Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) zu ermitteln; dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensorvorrichtung eine erste Korrekturbrücke (24) umfassend mehrere weitere für das externe Magnetfeld (Bx) mit der magnetischen Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) sensitive Einheitssensorelemente (26a, 26b) aufweist oder die erste Messbrücke (50) aus dem Messmodus in einen Korrekturmessmodus überführbar ist, wobei von der magnetischen Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) ausgelöste Änderungen von elektrischen Widerständen der Einheitssensorelemente (26a, 26b, 52a bis 52d`) der ersten Korrekturbrücke (26) oder der in den Korrekturmessmodus überführten ersten Messbrücke (50) sich in mindestens einem abgegriffenen ersten Korrektursignal (U_C1) zumindest teilweise herausmitteln, und wobei die Elektronikeinrichtung (44) zusätzlich dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, die erste Information unter zusätzlicher Berücksichtigung des mindestens einen ersten Korrektursignals (U_C1) festzulegen.
Magnetfeldsensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einheitssensorelemente (22a, 22b) der ersten Messbrücke (20) so als Wheatstonebrücke mit mindestens zwei zwischen gleichen Verzweigungspunkten (20a bis 20d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (22a, 22b) verschaltet sind und derart ausgelegt sind, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) der jeweilige elektrische Widerstand entweder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten (20a bis 20d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (22a) zunimmt oder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten (20a bis 20d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (22b) abnimmt, und wobei die Einheitssensorelemente (26a, 26b) der ersten Korrekturbrücke (24) so als weitere Wheatstonebrücke mit mindestens zwei zwischen gleichen Verzweigungspunkten (24a, 24b) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (26a, 26b) verschaltet sind und derart ausgelegt sind, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) der jeweilige elektrische Widerstand bei mindestens einem ersten Einheitssensorelement (26a) der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten (24a bis 24d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (26a, 26b) zunimmt und bei mindestens einem zweiten Einheitssensorelement (26b) der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten (24a bis 24d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (26a, 26b) abnimmt.
Magnetfeldsensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Korrekturbrücke (24) und die erste Messbrücke (20) nebeneinander angeordnet sind.
Magnetfeldsensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einheitssensorelemente (52a bis 52d) der ersten Messbrücke (50) als Wheatstonebrücke mit mindestens zwei zwischen gleichen Verzweigungspunkten (50a bis 50d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (52a bis 52d) verschaltet sind, wobei die Einheitssensorelemente (52a bis 52d) der in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke (50) derart ausgelegt sind, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) der jeweilige elektrische Widerstand entweder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten (50a bis 50d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (52a, 52b) zunimmt oder bei allen zwischen den gleichen Verzweigungspunkten(50a bis 50d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (52c, 52d) abnimmt, und wobei die Einheitssensorelemente (52a bis 52d`) der in ihrem Korrekturmessmodus vorliegenden ersten Messbrücke (50) so ausgelegt sind, dass mit zunehmender magnetischer Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) der jeweilige elektrische Widerstand bei mindestens einem ersten Einheitssensorelement (52a, 52d`) der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten (50a, 50d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (52a bis 52d`) zunimmt und bei mindestens einem zweiten Einheitssensorelement (52b`, 52c) der zwischen den gleichen Verzweigungspunkten (50a bis 50d) in Serie geschalteten Einheitssensorelementen (52a bis 52d`) abnimmt.
Magnetfeldsensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei auf einer Speichereinheit der Elektronikeinrichtung (44) ein Programm hinterlegt ist, mittels welchem die erste Messbrücke (50) aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus überführbar ist.
Magnetfeldsensorvorrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, wobei die Elektronikeinrichtung (44) dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, die erste Messbrücke (50) mit einer fest-vorgegebenen Soll-Frequenz aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus zu überführen und nach einem Abgreifen des mindestens einen ersten Korrektursignals (U_C1) die erste Messbrücke (50) aus ihrem Korrekturmessmodus in ihren Messmodus zu überführen.
Magnetfeldsensorvorrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, wobei die Magnetfeldsensorvorrichtung einen Temperatursensor aufweist, und wobei die Elektronikeinrichtung (44) dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, unter Berücksichtigung einer von dem Temperatursensor ausgegebenen Temperatur eine Soll-Frequenz festzulegen und die erste Messbrücke (50) mit der festgelegten Soll-Frequenz aus ihrem Messmodus in ihren Korrekturmessmodus zu überführen und nach einem Abgreifen des mindestens einen ersten Korrektursignals (U_C1) die erste Messbrücke (50) aus ihrem Korrekturmessmodus in ihren Messmodus zu überführen.
Magnetfeldsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einheitssensorelemente (22a, 22b, 26a, 26b, 52a bis 52d) der ersten Messbrücke (20, 50) und/oder der ersten Korrekturbrücke (24) je eine gepinnte ferromagnetische Schicht (28), je eine freie ferromagnetische Schicht (32), je eine zwischen der gepinnten ferromagnetischen Schicht (28) des gleichen Einheitssensorelements (22a, 22b, 26a, 26b, 52a bis 52d) und der freien ferromagnetischen Schicht (32) des gleichen Einheitssensorelements (22a, 22b, 26a, 26b, 52a bis 52d) angeordnete Tunnelbarriere (36), je eine erste Kontaktschicht (38a) auf der von der Tunnelbarriere (36) des gleichen Einheitssensorelements (22a, 22b, 26a, 26b, 52a bis 52d) weg gerichteten Seite der gepinnten ferromagnetischen Schicht (28) des gleichen Einheitssensorelements (22a, 22b, 26a, 26b, 52a bis 52d) und je eine zweite Kontaktschicht (38b) auf der von der Tunnelbarriere (36) des gleichen Einheitssensorelements (22a, 22b, 26a, 26b, 52a bis 52d) weg gerichteten Seite der freien ferromagnetischen Schicht (32) des gleichen Einheitssensorelements (22a, 22b, 26a, 26b, 52a bis 52d) aufweisen.
Magnetfeldsensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldsensorvorrichtung eine zweite Messbrücke (60) umfassend mehrere sensitive Einheitssensorelemente für ein externes Magnetfeld (By) mit einer magnetischen Feldstärke (Hy) in einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung (x) ausgerichteten zweiten Raumrichtung (y) aufweist, wobei zumindest in einem Messmodus der zweiten Messbrücke (60) mindestens ein abgegriffenes zweites Messsignal abhängig von der magnetischen Feldstärke (Hy) in der zweiten Raumrichtung (y) variiert, wobei die Magnetfeldsensorvorrichtung eine zweite Korrekturbrücke (62) umfassend mehrere weitere für das externe Magnetfeld (By) mit der magnetischen Feldstärke (Hy) in der zweiten Raumrichtung (y) sensitive Einheitssensorelemente (64a, 64b) aufweist oder die zweite Messbrücke aus dem Messmodus in einen Korrekturmessmodus überführbar ist, wobei von der magnetischen Feldstärke (Hy) in der zweiten Raumrichtung (y) ausgelöste Änderungen von elektrischen Widerständen der Einheitssensorelemente (64a, 64b) der zweiten Korrekturbrücke (62) oder der in den Korrekturmessmodus überführten zweiten Messbrücke sich in mindestens einem abgegriffenen zweiten Korrektursignal zumindest teilweise herausmitteln, und wobei die Elektronikeinrichtung (44) zusätzlich dazu ausgelegt und/oder programmiert ist, eine zweite Information bezüglich der magnetischen Feldstärke (Hy) in der zweiten Raumrichtung (y) zumindest unter Berücksichtigung des mindestens einen zweiten Messsignals und des mindestens einen zweiten Korrektursignals festzulegen.
Verfahren zum Ermitteln einer Magnetfeldinformation mit den Schritten: Abgreifen mindestens eines Messsignals (U_M1) an einer an und/oder in einer Vorrichtung angeordneten und in ihrem Messmodus vorliegenden ersten Messbrücke (20, 50) umfassend mehrere für ein externes Magnetfeld (Bx) mit einer magnetischen Feldstärke (Hx) in einer ersten Raumrichtung (x) sensitive Einheitssensorelemente (22a, 22b, 52a bis 52d) derart, dass das mindestens eine abgegriffene Messsignal (U_M1) abhängig von der magnetischen Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) variiert (S1); und Ermitteln einer ersten Information bezüglich der magnetischen Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) zumindest unter Berücksichtigung des mindestens einen Messsignals (U_M1); gekennzeichnet durch die Schritte: Abgreifen mindestens eines Korrektursignals (U_C1) an einer an und/oder in der Vorrichtung angeordneten ersten Korrekturbrücke (24) umfassend mehrere weitere für das externe Magnetfeld (Bx) mit der magnetischen Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) sensitive Einheitssensorelemente (26a, 26b) oder an der aus dem Messmodus in einen Korrekturmessmodus überführten ersten Messbrücke (50) derart, dass von der magnetischen Feldstärke (Hx) in der ersten Raumrichtung (x) ausgelöste Änderungen von elektrischen Widerständen der Einheitssensorelemente (26a, 26b, 52a bis 52d`) der ersten Korrekturbrücke (24) oder der in den Korrekturmessmodus überführten ersten Messbrücke (50) sich in dem mindestens einen Korrektursignal (U_C1) zumindest teilweise herausmitteln (S2); wobei die erste Information unter zusätzlicher Berücksichtigung des mindestens einen abgegriffenen Korrektursignals (U_C1) festgelegt wird (S3).