DE19948026A1 - Schaltung und Verfahren zur Feststellung eines magnetischen Feldes - Google Patents

Abstract

Schaltung zur Feststellung eines äußeren magnetischen Feldes, insbesondere im Rahmen eines Winkelsensors oder Winkelgebers, mit ersten bis vierten magnetoresistiven Elementen, welche unter Bildung zweier Spannungsteiler miteinander zu einer Brücke verschaltbar sind, mit Mitteln zur flexiblen Verschaltung der magnetoresistiven Elemente (3a, 3b, 3c, 3d), derart, daß in einem ersten Betriebzustand ein erstes und ein zweites magnetoresistives Element (3a, 3b) einen ersten Spannungsteiler, und ein drittes und ein viertes magnetoresistives Element (3c, 3d) einen zweiten Spannungsteiler bilden, und in einem zweiten Betriebszustand das erste und das vierte magnetoresistive Element (3a, 3d) einen ersten, und das zweite und das dritte magnetoresistive Element (3b, 3c) einen zweiten Spannungsteiler bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zur Feststellung eines magnetischen Feldes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Eine Schaltung zur Feststellung eines magnetischen Feldes, bei welcher magnetoresistive Elemente in Form einer Brücke zusammengeschaltet werden, ist beispielsweise aus der DE 196 14 460 A1 bekannt. Hierzu eingesetzte magnetoresistive Elemente sind beispielsweise unter Verwendung sogenannter Spin-Valve-Materialien realisierbar. Spin-Valve-Elemente sind im einfachsten Falle ultradünne Dreischichtsysteme, bei denen zwei magnetische Schichten, welche jeweils eine Dicke von 0,1 bis 10 nm aufweisen, von einer nicht magnetischen Zwischenschicht einer ähnlichen Schichtdicke getrennt sind. Eine der beiden magnetischen Schichten ist extrem weichmagnetisch und richtet sich leicht in einem äußeren Magnetfeld aus. Die zweite magnetische Schicht weist eine magnetisch harte Charakteristik auf und hängt im Idealfall auch bei betragsmäßig großen äußeren magnetischen Feldern nicht von deren Richtung ab. Die zweite magnetische Schicht wirkt hierbei als Referenzmagnetisierung. Bei entsprechender Wahl der jeweiligen Schichtdicken tritt eine magnetfeldabhängige Widerstandsänderung auf, die von der Richtung α des äußeren Magnetfelds abhängt. Der Widerstand R_i(α), d. h. der Widerstand eines derartigen magnetoresistiven Elements, läßt sich ausdrücken durch die Formel R_i(α) = R₀ + ΔRcos(a + ϕ_i). Hierbei ist R₀ ein Offset-Widerstand, welcher vom spezifischen Widerstand des Materials sowie der Länge und Breite der Widerstandsbahn abhängt, ΔR die Amplitude der Widerstandsänderung und ϕ_i der Winkel zwischen einer Eichrichtung des äußeren Feldes und der Ausrichtung der magnetischen Momente in der Referenzschicht. Die Cosinusfunktion ist eindeutig bestimmt im Bereich zwischen 0° und 180°, und somit können mit einem Sensor, welcher im einfachsten Fall aus nur einem einzigen Stteifen eines derartigen Spin-Valve-Materials besteht, Winkel von 0° bis 180° gemessen werden.

Um einen von R₀ unabhängigen Widerstand zu generieren, verschaltet man in der Regel vier Widerstandsstreifen in einer Brücke zusammen. Dies kann sowohl auf einem Chip geschehen (die Sensorstruktur besteht hierbei aus vier Widerstandsbahnen) oder in der Form von vier unabhängigen Bauelementen. Hierbei müssen die Referenzmagnetisierungen in den magnetoresistiven Elementen der Brücke wenigstens teilweise unterschiedlich sein.

Zur Bereitstellung eines 360°-Winkelgebers ist es bislang notwendig, eine weitere, gegenüber der ersten Brücke um 90° gedrehte Brücke zur Verfügung zu stellen. Durch diese Maßnahme können gleichzeitig Sinus- und Cosinussignale gemessen werden. Auf der Grundlage bekannter Sinus- und Cosinussignale ist es dann in einfacher Weise möglich, über eine Arcustangensbildung einen eindeutigen Winkel im Bereich von 0° bis 360° zu bestimmen.

Es wird jedoch aufgrund der immer weiter fortschreitenden Miniaturisierung angestrebt, derartige Sensoren möglichst platzsparend zur Verfügung zu stellen. Ferner stellt man fest, daß mit einer verkleinerten Gesamtfläche eines derartigen Sensors der Sensor weniger anfällig bezüglich lokaler Feldrichtungsinhomogenitäten ist und somit exakter arbeiten kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Winkelgeber bzw. - sensor zur Verfügung zu stellen, welcher möglichst klein gebaut ist und über einen Winkelbereich von 0° bis 360° eindeutige Winkelbestimmungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltung zur Feststellung eines magnetischen Feldes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.

Erfindungsgemäß ist es nun möglich, unter Verwendung lediglich einer Brückenschaltung, welche vier magnetoresistive Widerstände aufweist, die Richtung eines äußeren magnetischen Feldes über einen Bereich von 360° eindeutig anzugeben. Die erfindungsgemäße Schaltung baut gegenüber herkömmlichen Schaltungen wesentlich kleiner, da nur noch vier anstelle von bisher acht magnetoresistiven Elementen benötigt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des ersten und zweiten Betriebszustandes jeweils um 90° zueinander phasenverschobene Signale erzeugt. Auf der Grundlage derartiger Signale sind sequentiell Meßwerte generierbar, aus welchen die Ausrichtung eines äußeren magnetischen Feldes in einfacher Weise ermittelbar ist. Es ist hierbei beispielsweise möglich, während des ersten Betriebszustandes ein dem Cosinus des Winkels der Ausrichtung des festzustellenden magnetischen Feldes, und während des zweiten Betriebszustandes ein dem Sinus des Winkels der Ausrichtung des magnetischen Feldes entsprechendes Signal zu ermitteln.

Zweckmäßigerweise wird der Winkel der Ausrichtung des zu bestimmenden magnetischen Feldes mittels einer Arcustangensfunktion unter Quotientenbildung der um 90° phasenverschobenen Signale bestimmt. Eine Winkelbestimmung unter Verwendung der Arcustangensfunktion auf der Grundlage bekannter Sinus- und Cosinuswerte ist an sich bekannt und mit relativ geringem Rechenaufwand durchzuführen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung weisen die magnetoresistiven Elemente unterschiedlich ausgerichtete Referenzmagnetisierungen auf. Als Referenzmagnetisierung wird, wie bereits erwähnt, beispielsweise bei aus drei Schichten aufgebauten magnetoresistiven Elementen die magnetische Ausrichtung einer magnetisch harten Schicht bezeichnet, welche im Idealfall auch bei betragsmäßig großen äußeren magnetischen Feldern ihre ursprüngliche Magnetisierungsrichtung beibehält.

Zweckmäßigerweise sind die Referenzmagnetisierungen der jeweiligen magnetoresistiven Elemente jeweils um 90° zueinander verdreht ausgebildet. Werden die Referenzmagnetisierungen der vier magnetoresistiven Elemente einer Brücke beispielsweise auf 0°, 90°, 180° und 270° ausgerichtet, ist eine besonders einfache rechnerische Auswertung erhaltener Signale möglich.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer herkömmlichen Schaltung zur Feststellung der Ausrichtung eines äußeren magnetischen Feldes, welche zwei nebeneinander angeordnete Brücken aufweist,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung während eines ersten und während eines zweiten Betriebszustandes.

In der Fig. 1 ist eine Schaltung zur Feststellung der Ausrichtung eines äußeren magnetischen Feldes dargestellt. Die Schaltung weist eine erste Brücke 1, und eine bezüglich dieser Brücke 1 um 90° verdrehte zweite Brücke 2 auf. Die erste Brücke 1 weist vier magnetoresistive Elemente, welche insbesondere als Widerstandsstreifen ausgebildet sind, auf. Die vier magnetoresistiven Elemente, welche mit 1a, 1b, 1d bezeichnet sind, können sowohl auf einem Chip ausgebildet sein als auch aus vier unabhängigen Bauelementen bestehen. Die magnetoresistiven Elemente 1a, 1b, 1c, 1d weisen jeweils unterschiedliche Referenzmagnetisierungen Φ₁, Φ₂, Φ₃, Φ₄ auf, wie in der Figur dargestellt ist. Hierbei sind die Referenzmagnetisierungen zweier gegenüberliegender Widerstände 1a, 1c bzw. 1b, 1d um 180° gegeneinander verdreht bzw. phasenverschoben.

Die magnetoresistiven Elemente 1a, 1b bilden einen ersten Spannungsteiler, und die magnetoresistiven Elemente 1c, 1d einen zweiten Spannungsteiler innerhalb der Brücke 1.

Durch Anlegen einer äußeren Spannung U₀ und Vergleich der Teilspannungen der beiden Spannungsteiler zum Erhalt einer Spannung U_Br1 erhält man entsprechend der Ausrichtung des festzustellenden äußeren magnetischen Feldes einen cosinusartigen Signalverlauf U_Br1, wie er in Fig. 1, unten, dargestellt ist. Mit einer derartigen, als Winkelsensor bzw. Winkelgeber eingesetzten Brücke erhält man über einen Winkelbereich von 0° bis 180° eindeutig zuordnenbare Winkel.

Ein 360°-Winkelsensor bzw. -geber kann dadurch realisiert werden, daß man den beschriebenen Aufbau um eine weitere Brücke, welche bezüglich der bereits dargestellten Brücke um 90° gedreht ist, ergänzt. Eine derartige Brücke ist in Fig. 1 insgesamt mit 2 bezeichnet. Die Brücke 2 weist magnetoresistive Widerstandselemente 2a, 2b, 2c, 2d auf, welche jeweils Widerstandswerte R₁, R₂, R₃, R₄ bzw. Referenzmagnetisierungen Φ₁, Φ₂, Φ₃, Φ₄ aufweisen. Der Aufbau dieser zweiten Brücke entspricht dem Aufbau der ersten Brücke 1, so daß auf eine Wiederholung der Beschreibung der Funktionsweise verzichtet werden kann. Mittels der Brücke 2 erhält man einen zweiten Signalverlauf U_Br2, welcher sinusartig verläuft. Mittels Arcustangensbildung auf der Grundlage der erhaltenen Sinussignale und Cosinussignale sind die Winkel der Ausrichtung des äußeren magnetischen Feldes in einfacher Weise berechenbar.

Die erfindungsgemäße Schaltung, mit welcher insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, wird nun anhand der Fig. 2 beschrieben. Die erfindungsgemäße Schaltung ist insgesamt mit 3 bezeichnet. Hierbei ist in Fig. 2 links ein erster Betriebszustand, und in Fig. 2 rechts ein zweiter Betriebstzustand der Schaltung 3 dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Schaltung gemäß dem Stand der Technik liegt darin, daß erfindungsgemäß nur vier Widerstandselemente, welche mit 3a, 3b, 3c, 3d bezeichnet sind, vorgesehen sind. Die magnetoresistiven Widerstandselemente 3a, 3b, 3c, 3d weisen jeweils Widerstandswerte R₁, R₂, R₃, R₄ bzw. Referenzmagnetisierungen Φ₁, Φ₂, Φ₃, Φ₄ auf, wie in den Fig. 2a, 2b dargestellt ist. Die Referenzmagnetisierungen sind zueinander jeweils um 90° gedreht bzw. phasenverschoben (0°, 90°, 180°, 270°). In dem ersten Betriebszustand bilden die magnetoresistiven Elemente 3a, 3b einen ersten, und die magnetoresistiven Elemente 3c, 3d einen zweiten Spannungsteiler. Bei Anlegen einer äußeren Spannung U₀ erhält man, entsprechend der ersten Brücke der Fig. 1, ein cosinusartiges Spannungssignal U_Br1.

Die Brücke 3 ist nun ferner zur Darstellung eines zweiten Betriebszustandes derartig verschaltbar, daß die magnetoresistiven Elemente 3a, 3d einen ersten, und die magnetoresistiven Widerstandselemente 3b, 3c einen zweiten Spannungsteiler bilden. Auf der Grundlage dieser Verschaltung der Brücke 3 erhält man, unter Berücksichtigung der jeweiligen Referenzmagnetisierungen, ein sinusartiges Signal U_Br2. Die jeweiligen Signalverläufe für unterschiedliche Ausrichtungen eines äußeren magnetischen Feldes sind in Fig. 2, unten, dargestellt. Die dargestellte flexible Verschaltung der magnetoresistiven Elemente ist beispielsweise mittels Dioden realisierbar. Man ist so in der Lage, sequentiell unterschiedliche Brücken bereitzustellen, die einerseits einen cosinusartigen Signalverlauf, und andererseits einen sinusartigen Signalverlauf liefern. Mit dieser Maßnahme ist es möglich, aus nur vier Widerstandselementen einen über 360° eindeutigen Winkelgeber bzw. -sensor zu konstruieren.

Obwohl man bei der Wahl der Referenzmagnetisierungen der magnetoresistiven Elemente 3a, 3b, 3c, 3d der Brücke relativ frei ist, erweist es sich als zweckmäßig, wie dargestellt um 90° phasenverschobene Referenzmagnetisierungen zu wählen. Derartige Signale sind, wie bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert, über eine Arcustangens-Bildung ihres Quotienten leicht auszuwerten.

Claims (6)

1. Schaltung zur Feststellung eines äußeren magnetischen Feldes, insbesondere zur Bereitstellung eines Winkelsensors oder Winkelgebers, mit ersten bis vierten magnetoresistiven Elementen (3a, 3b, 3c, 3d), welche unter Bildung zweier Spannungsteiler miteinander zu einer Brücke (3) verschaltbar sind, gekennzeichnet durch Mittel zur flexiblen Verschaltung der magnetoresistiven Elemente (3a, 3b, 3c, 3d) derart, daß in einem ersten Betriebszustand ein erstes und ein zweites magnetoresistives Element (3a, 3b) einen ersten Spannungsteiler, und ein drittes und ein viertes magnetoresistives Element (3c, 3d) einen zweiten Spannungsteiler bilden, und in einem zweiten Betriebszustand das erste und das vierte magnetoresistive Element (3a, 3d) einen ersten, und das zweite und das dritte magnetoresistive Element (3b, 3c) einen zweiten Spannungsteiler bilden.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente (3a, 3b, 3c, 3d) unterschiedlich ausgerichtete Referenzmagnetisierungen aufweisen.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmagnetisierungen der magnetoresistiven Elemente (3a, 3b, 3c, 3d) jeweils um 90° zueinander verdreht ausgebildet sind.

4. Verfahren zur Feststellung der Ausrichtung eines äußeren magnetischen Feldes mittels erster bis vierter magnetoresistiver Elemente (3a, 3b, 3c, 3d), welche unter Bildung zweier Spannungsteiler miteinander zu einer Brücke (3) verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Betriebszustand zum Erhalt eines ersten dem magnetischen Feld zuordenbaren Signals ein erstes magnetoresistives Element (3a) und ein zweites magnetoresistives Element (3b) zu einem ersten Spannungsteiler, und ein drittes magnetoresistives Element (3c) und ein viertes magnetoresistives Element (3d) zu einem zweiten Spannungsteiler verschaltet werden, und in einem zweiten Betriebszustand zum Erhalt eines zweiten dem magnetischen Feld zuordnenbaren Signals das erste magnetoresistive Element (3a) und das vierte magnetoresistive Element (3d) zu einem ersten Spannungsteiler, und das zweite magnetoresistive Element (3b) und das dritte magnetoresistive Element (3c) zu einem zweiten Spannungsteiler verschaltet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten und dem zweiten Betriebszustand jeweils um 90° zueinander phasenverschobene Signale, insbesondere cosinusartige und sinusartige Signale, erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des zu bestimmenden äußeren magnetischen Feldes mittels einer Arcustangensfunktion unter Quotientenbildung der um 90° phasenverschobenen Signale bestimmt wird.