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Dokumentenidentifikation DE4335826A1 27.04.1995
Titel Meßvorrichtung mit magnetoresistiven Sensoreinrichtungen in einer Brückenschaltung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Vieth, Michael, Dipl.-Phys., 91096 Möhrendorf, DE
DE-Anmeldedatum 20.10.1993
DE-Aktenzeichen 4335826
Offenlegungstag 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse G01R 33/00
IPC-Nebenklasse G01R 17/00   
Zusammenfassung Die Vorrichtung zur Messung inhomogener Magnetfelder (Hy) enthält zwei parallelgeschaltete Brückenzweige (Z1, Z2) einer Brückenschaltung (3) mit jeweils zwei magnetoresistiven Sensoreinrichtungen, die vorbestimmte Vorzeichen ihrer magnetfeldabhängigen Widerstandsänderungen haben. Erfindungsgemäß sollen in Meßrichtung gesehen alle Sensoreinrichtungen (E1 und E4) derart nebeneinander angeordnet sein, daß die äußeren Sensoreinrichtungen (E1 und E3) zu verschiedenen Brückenzweigen (Z1, Z2) gehören, und haben die Sensoreinrichtungen (E1 bis E4) an die Inhomogenität angepaßte Empfindlichkeiten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung eines Magnetfeldes vorgegebener Inhomogenität in mindestens einer Meßrichtung mittels magnetoresistiver Sensoreinrichtungen in einer Brückenschaltung, die zwei parallelgeschaltete Brückenzweige aufweist mit jeweils zwei in Reihe liegenden Sensoreinrichtungen und zwischen diesen Sensoreinrichtungen liegendem Meßpunkt der Brückenschaltung, wobei alle Sensoreinrichtungen derart räumlich zueinander angeordnet und bezüglich des Vorzeichens ihrer magnetfeldabhängigen Widerstandsänderungen verschaltet sind, daß in der Meßrichtung das Magnetfeld mit erhöhter Empfindlichkeit zu erfassen ist.

Eine derartige Meßvorrichtung ist aus dem Buch "Sensors", Ed.: W. Göpel u. a., Vol. 5, 1989, VCH Verlagsgesellschaft, DE, Seiten 341 bis 380, insbesondere Seiten 369 und 370 bekannt.

Die Sensoreinrichtungen entsprechender Meßvorrichtungen werden jeweils durch mindestens ein magnetoresistives Sensorelement gebildet, das auch als MR-Element bezeichnet wird. Ein solches Element ist im allgemeinen streifenförmig gestaltet und enthält eine Dünnschicht aus einem ferromagnetischen Material, das einen insbesondere anisotropen Magnetowiderstand aufweist. Über Elektroden wird an das Element ein elektrischer Strom I mit einer konstanten Richtung angelegt. Die Widerstandsänderung in dem Element ist dann abhängig von dem Winkel φ zwischen der Magnetisierung M der magnetoresistiven Dünnschicht und dem Strom I und gehorcht im wesentlichen einer cos²(φ)-Abhängigkeit. Bei φ = 0° oder φ = 180°, d. h. bei einer parallelen bzw. antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung M bezüglich des Stromes I, ist die Widerstandsänderung des Sensorelementes null, so daß dann dessen Widerstand dem normalen isotropen ohmschen Widerstand entspricht. Demgegenüber ist bei φ = ± 90°, d. h. bei einer orthogonalen Ausrichtung der Magnetisierung M bezüglich des Stromes I, die Widerstandsänderung gegenüber dem normalen isotropen Widerstand am größten. In einem Bereich um φ = ± 45° ist die Widerstandsänderung weitgehend linear vom Winkel φ) abhängig und die Empfindlichkeit des Sensorelementes am größten. Die Magnetisierung M der Dünnschicht des Sensorelementes richtet sich ohne äußere Magnetfelder entlang einer Gleichgewichtslage niedrigster Energie aus, die von der Geometrie des Streifens abhängt und als Ruhe- oder Gleichgewichtsmagnetisierung M&sub0; bezeichnet wird. Ein äußeres Magnetfeld mit einer Meßfeldkomponente Hm senkrecht zur Magnetisierung M dreht dann die Magnetisierung M aus ihrer Gleichgewichtslage und verursacht dadurch eine Widerstandsänderung in dem Sensorelement. Diese Widerstandsänderung kann als Meßsignal erfaßt werden.

Es sind Ausführungsformen von magnetoresistiven Sensorelementen bekannt, in denen die Richtung des Stromes I parallel zur Längsrichtung des Elementes gerichtet ist. Bei einer dieser Ausführungsformen hat das Sensorelement eine Vorzugsachse der Magnetisierung, die parallel zur Längsrichtung des Elements verläuft. Man erhält so eine weitgehend quadratisch vom Meßfeld Hm abhängende Sensorkennlinie. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Vorzugsachse unter einem Winkel von 45° zur Längsrichtung des Sensorelements gerichtet. Ein solches Element zeichnet sich durch eine weitgehend lineare Kennlinie aus.

Darüber hinaus ist noch ein weiteres magnetoresistives Sensorelement mit linearer Kennlinie bekannt. Bei diesem Element wird die Richtung der Vorzugsachse und damit die Gleichgewichtsmagnetisierung M&sub0; parallel zur Längsrichtung eingestellt, während die Stromrichtung des Stromes I im wesentlichen gegenüber dieser Vorzugsachse gedreht verläuft. Dies wird durch das Aufbringen von dünnen Leitschichtstreifen aus einem elektrisch gut leitenden Metall wie z. B. Gold auf das Element erreicht, wobei alle Leitschichtstreifen unter einem Winkel von ± 45° gegen die Längsrichtung des Elementes geneigt sind. Der Strom I fließt dann in einem solchen magnetoresistiven Sensorelement zwischen benachbarten Leitschichtstreifen im wesentlichen unter einem Winkel von -45° bzw. +45° zur Längsrichtung und damit zur Gleichgewichtsmagnetisierung M&sub0;. Solche Sensorelemente werden auch als Barber- Pole-Sensoren bezeichnet (vgl. das genannte Buch "Sensors", Vol. 5, Seiten 350 bis 355).

Im allgemeinen wird ein magnetoresistives Sensorelement zur Stabilisierung seiner Sensorkennlinie in einem äußeren Stützbzw. Biasfeld Hb angeordnet. Bei den beiden erstgenannten Ausführungsformen mit einfachen magnetoresistiven Sensorelementen ist das Biasfeld Hb im allgemeinen parallel zur Vorzugsachse des Elements gerichtet. Es hat sich bei der Ausführungsform mit einer unter ± 45° zur Längsrichtung geneigten Vorzugsachse gezeigt, daß bei einem senkrecht zur Vorzugsachse eingestellten Biasfeld Hb die Meßempfindlichkeit für ein senkrecht zum Biasfeld Hb angelegtes Meßfeld Hm deutlich größer ist als bei einem parallel zur Vorzugsachse gerichteten Biasfeld Hb (vgl. "Phys. stat. sol. (a)", Vol. 60, 1980, Seiten 467 bis 473). Hingegen ist bei einem magnetoresistiven Sensorelement vom Barber-Pole-Typ das Biasfeld Hb immer parallel zur Vorzugsachse und damit zur Längsrichtung gerichtet. Im Fall des magnetoresistiven Sensorelements vom Barber- Pole-Typ wird durch den Strom I ein inneres Biasfeld H&min;b parallel zur Vorzugsachse des Elements erzeugt (vgl. das genannte Buch "Sensors", Vol. 5, Seite 366).

Alle diese bekannten magnetoresistiven Sensorelemente haben eine Richtung maximaler Meßempfindlichkeit. D.h., jedes magnetoresistive Sensorelement spricht auf eine Meßfeldkomponente eines äußeren Magnetfelds in dieser Richtung am empfindlichsten an.

Zur Messung von Feldkomponenten Hm können vier magnetoresistive Sensorelemente zu einer Wheatstone&min;schen Brücke zusammengeschaltet sein. Eine solche Brücke wird an zwei Anschlußpunkten mit einem Konstantstrom versorgt. Zwischen diese beiden Anschlußpunkte sind zwei Brückenzweige parallelgeschaltet, die jeweils aus zwei in Reihe liegenden Sensorelementen bestehen. Zwischen den beiden Sensorelementen jedes Brückenzweigs liegen die diagonalen Meßpunkte der Brückenschaltung, an denen das der zur erfassenden Feldkomponente Hm entsprechende Meßsignal abgenommen wird. Ist die Brückenschaltung aus vier gleichen Sensorelementen aufgebaut, so ist unter der Annahme einer homogenen Magnetfeldkomponente das Meßsignal in Betrag und Vorzeichen proportional zu der Feldkomponente.

Eine entsprechende Brückenschaltung geht aus dem genannten Buch "Sensors", Vol. 5, insbesondere Seiten 369 und 370 hervor. Für die vier Sensorelemente ist dabei eine Anordnung an den vier Ecken eines gedachten Quadrates vorgesehen. Je nach dem, wie die einzelnen Sensorelemente bezüglich des Vorzeichens ihrer magnetfeldabhängigen Widerstandsänderungen in dem zu erfassenden Magnetfeld ausgerichtet sind, läßt sich an den diagonalen Meßpunkten der Brückenschaltung auch ein Meßsignal gewinnen, das einem magnetischen Feldgradienten entspricht.

Zur Messung von inhomogenen Feldverteilungen, bei denen die Feldänderung innerhalb der Größenordnung des Abstandes bzw. der Breite der einzelnen Sensorelemente auftritt, ergeben sich jedoch bei bekannten Meßvorrichtungen mit Brückenschaltung ihrer Sensorelemente Schwierigkeiten. Ist das Feld beispielsweise in eine Richtung nicht mehr hinreichen homogen oder nur lokal vorhanden, z. B. auf der Absolutspur eines Winkelcodierers (vgl. z. B. DE-OS 42 08 918), so können zwar in gewissem Umfang die Abmessungen der einzelnen Sensorelemente sowie der Brückenschaltung angepaßt werden. Dies führt in der Regel jedoch zu einer Verkürzung der Sensorelemente in ihrer Hauptausdehnungsrichtung. Sensorelemente vom Barber- Pole-Typ sollten ein Längen-zu-Breiten-Verhältnis von über 5, vorzugsweise über 10 haben, um einen wirksamen Einsatz ihrer schräg angeordneten Leitschichtstreifen zu ermöglichen. Wird aber wegen einer verkürzten Länge eines Sensorelementes die Breite entsprechend verringert, so reduziert sich auch die Empfindlichkeit dieses Elementes. Dies kann bei zu messenden Feldern geringer Feldstärke zu Problemen führen. Die Empfindlichkeit einer Brücke aus vier Sensorelementen ist nämlich über das entmagnetisierende Feld des einzelnen Sensorelementes im wesentlichen nur von der Breite, nicht aber von der Länge abhängig; andererseits ist der Widerstand proportional zur Breite und Länge des Elements.

Unter Berücksichtigung dieser Problematik ist gemäß der US-PS 4 639 807 für den Spezialfall einer Messung periodischer Felder eine Brückenschaltung von einfachen magnetoresistiven Elementen vorgesehen, die nebeneinander angeordnet sind. Die einzelnen Elemente weisen jedoch eine quadratische Widerstandskennlinie auf. Sie sind deshalb zu einer Feldbestimmung bei inhomogenen Feldverteilungen nicht geeignet.

Aus "Messen, Steuern, Regeln", Bd. 31, 1988, Seiten 348 bis 350 ist ebenfalls eine lineare Anordnung von magnetoresistiven Sensorelementen bekannt. Bis auf die Vorzeichen der Widerstandsänderung handelt es sich hierbei um gleiche Einzelelemente vom Barber-Pole-Typ. Die Anordnung der einzelnen Elemente bezüglich ihres Vorzeichens ist dabei so vorgenommen, daß praktisch nur homogene Felder zu vermessen sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Meßvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß eine Messung räumlich etwa auf die Ausdehnung der Meßvorrichtung begrenzter oder inhomogener Feldverteilungen mit hinreichender Empfindlichkeit ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Meßrichtung gesehen alle vier Sensoreinrichtungen derart nebeneinander angeordnet sind, daß die äußeren Sensoreinrichtungen zu verschiedenen Brückenzweigen gehören und daß die Empfindlichkeiten der Sensoreinrichtungen an die Inhomogenität des zu erfassenden Magnetfeldes angepaßt sind.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß in der Brückenschaltung Sensoreinrichtungen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit entsprechend den unterschiedlichen Feldstärkeverhältnissen, denen sie in dem zu erfassenden Magnetfeld ausgesetzt sind, vorgesehen werden. Auf diese Weise kann jede einzelne Sensoreinrichtung in ihrer Hauptausdehnungsrichtung, in der eine Feldbegrenzung bestehen kann, auf größtmögliche Länge ausgedehnt werden. Es besteht damit die Möglichkeit, für alle Elemente eine verhältnismäßig große Breite zu wählen und damit die Empfindlichkeit der einzelnen Elemente sowie der gesamten Brückenschaltung zu vergrößern.

Vorteilhaft werden die Widerstände der einzelnen Sensoreinrichtungen so eingestellt, daß bei fehlendem Magnetfeld an den Meßpunkten zumindest annähernd keine Spannung auftritt. Zur Einstellung der einzelnen Widerstände sind in erster Linie drei Maßnahmen möglich, von denen auch mehrere zugleich angewandt werden können:

  • - Man kann die Abmessungen (insbesondere die Längen) der einzelnen Sensoreinrichtungen bzw. ihrer Sensorelemente vorgeben.
  • - Man kann die Anzahl der Sensorelemente der einzelnen Sensoreinrichtungen variieren.
  • - Bei Barber-Pole-Sensorelementen kann man vorbestimmte Streifenabstände und/oder Streifenbreiten der Leitschichtstreifen vorsehen.


Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung gehen aus den übrigen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren verschiedene Brückenschaltungsanordnungen von Sensoreinrichtungen erfindungsgemäßer Meßvorrichtungen schematisch dargestellt sind. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 3 verschiedene Brückenschaltungen mit jeweils vier Sensorelementen, während aus Fig. 4 eine Brückenschaltung mit mehr als vier Sensorelementen hervorgeht. Aus Fig. 5 ist eine weitere Brückenschaltung mit vier Sensorelementen zu entnehmen. Für alle Figuren ist dieselbe Darstellungsweise gewählt, wobei sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf einer ebenen, gegebenenfalls aber auch gekrümmten Oberfläche 2 vier Sensoreinrichtungen E&sub1;, E&sub2;, E&sub3; und E&sub4; zu einer Brückenschaltungsanordnung 3 nach Art einer Wheatston&min;schen Brücke zusammengeschaltet. Der Oberfläche 2 ist ein karthesisches x-y-Koordinatensystem zugeordnet. Jede Sensoreinrichtung Ei (i= 1. . .4) wird durch ein einziges Sensorelement ei vom Barber-Pole-Typ gebildet. Es weist deshalb eine streifenförmige magnetoresistive Schicht 4 mit darauf aufgebrachten, bezüglich der Hauptausdehnungsrichtung des Elementes schräg verlaufenden Leiterschichtstreifen 5 auf. Diese Leiterschichtstreifen haben jeweils eine Streifenbreite s und sind gegenseitig mit einem Abstand a beabstandet. In der Hauptausdehnungsrichtung hat jedes Sensorelement ei eine Länge L, die in die X-Richtung weist. Die vergleichsweise deutlich geringere Breite 13 jedes Elementes liegt dann in y-Richtung. Alle vier Sensorelemente e&sub1; bis e&sub4; haben zumindest annähernd gleiche Abmessungen von L. An Anschlußpunkten A&sub1; und A&sub2; wird die Brückenschaltung zum Betrieb mit einem Konstantstrom an eine entsprechende Spannung gelegt. Einer der Anschlußpunkte kann sich beispielsweise auf Massepotential befinden. Zwischen diesen Anschlußpunkten verlaufen zwei parallelgeschaltete Brückenzweige Z&sub1; und Z&sub2;. Dabei sind in dem Brückenzweig Z&sub1; die Sensorelemente e&sub1; und e&sub2; sowie in dem Brückenzweig Z&sub2; die Sensorelemente e&sub3; und e&sub4; jeweils in Reihe hintereinandergeschaltet. Zwischen den beiden Sensorelementen e&sub1;, e&sub2; bzw. e&sub3;, e&sub4; jedes Brückenzweiges Z&sub1; bzw. Z&sub2; liegt jeweils ein Meßpunkt M&sub1; bzw. M&sub2;. An diesen Meßpunkten der Brückenschaltung kann ein Meßsignal in Form einer Meßspannung abgenommen werden.

Mit den Sensoreinrichtungen E&sub1; bis E&sub4; bzw. ihren Sensorelementen e&sub1; bis e&sub4; soll eine Feldverteilung eines Magnetfeldes zu detektieren sein, die innerhalb der Größenordnung der gegenseitigen Abstände w der Sensorelemente inhomogen ist, wobei der Feldverlauf bekannt, d. h. vorgegeben ist. Dies ist z. B. bei der aus der genannten DE-OS 42 08 918 zu entnehmenden Drehpositionsgebereinrichtung der Fall. Die in y-Richtung weisende Komponente dieser Feldverteilung ist in der Fig. 1 mit Hy bezeichnet. Dabei lassen sich die Sensoreinrichtungen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung auch dann einsetzen, wenn das Magnetfeld in x-Richtung räumlich begrenzt ist. Jedoch kann das Magnetfeld in dieser Richtung auch weiter ausgedehnt sein wie z. B. im Fall eines stromführenden Drahtes. Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß zum einen alle vier Sensorelemente e&sub1; bis e&sub4; so parallel zueinander ausgerichtet sind, daß ihre Hauptausdehnungsrichtungen bzw. ihre Längen L alle zumindest weitgehend in die x-Richtung weisen. Zum anderen ist durch die Ausrichtung der Leiterschichtstreifen 5 auf den magnetoresistiven Schichten 4 der Elemente zu gewährleisten, daß ihre Widerstandsänderungen unter Einwirkung der Feldkomponente Hy vorbestimmte Vorzeichen haben. So müssen die zu einem Brückenzweig gehörenden Sensoreinrichtungen bezüglich dieser Feldkomponente zu verschiedenen Vorzeichen führen. Außerdem sollen die beiden äußeren Sensoreinrichtungen zu verschiedenen Brückenzweigen gehören. Dementsprechend ist gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Reihenfolge der Sensorelemente in y-Richtung: e&sub1;- e&sub2;-e&sub4;-e&sub3;. Dabei zeigen die Sensorelemente e&sub1; und e&sub4; eine positive und die übrigen Elemente e&sub2; und e&sub3; eine negative Widerstandsänderung. In der Figur sind diese unterschiedlichen Widerstandsänderungen durch "+"-Zeichen und "-"-Zeichen veranschaulicht. Die beiden äußeren Sensorelemente e&sub1; und e&sub3; gehören zu verschiedenen Brückenzweigen (Z&sub1; bzw. Z&sub2;).

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform der Brückenschaltungsanordnung 3 ist besonders zur Messung räumlich begrenzter bzw. inhomogener Felder geeignet. Jedes einzelne Sensorelement ei läßt sich dabei in der x-Richtung, in der gegebenenfalls auch eine räumliche Feldbegrenzung bestehen kann, auf größtmögliche Länge L ausdehnen. Ferner besteht damit die Möglichkeit, für alle Elemente eine größere Breite zu wählen und damit die Empfindlichkeit jedes einzelnen Elementes sowie der gesamten Brückenschaltungsanordnung zu vergrößern.

In der Meßrichtung, d. h. in y-Richtung, soll im Bereich der Brückenschaltungsanordnung 3 die Feldverteilung Hy inhomogen oder nur lokal vorhanden sein. Dann kann vorteilhaft die Breite B der in Meßrichtung gesehen außenliegenden Elemente gegenüber der Breite B&min; der innenliegenden Elemente so verändert werden, daß diese Elemente eine dem dort auftretenden Feld angepaßte Empfindlichkeit haben. Bei der Ausführungsform der Brückenschaltungsanordnung 3 sei angenommen, daß die außenliegenden Sensorelemente e&sub1; und e&sub3; in einem Feld mit geringerer Feldstärke zu liegen kommen. Dann ist ihre Breite B gegenüber der der innenliegenden Elemente e&sub2; und e&sub4; zu vergrößern, damit die äußeren Elemente eine vergleichsweise höhere Empfindlichkeit aufweisen. Es läßt sich so bei geeigneter Einstellung der Widerstände der Elemente erreichen, daß zwischen den Meßpunkten M&sub1; und M&sub2; der Brückenschaltungsanordnung 3 bei fehlendem äußeren Feld praktisch kein Spannungssignal auftritt.

Bei den aus den Fig. 2 und 3 entnehmbaren Ausführungsformen von Brückenschaltungsanordnungen 8 und 9 ist gewährleistet, daß die Widerstände der einzelnen Sensorelemente e&sub1; bis e&sub4; innerhalb der jeweiligen Brückenschaltung gleiche Größe haben können. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man das Verhältnis von Länge L zu Breite B bzw. B&min; jedes Sensorelementes konstant hält. Wurde z. B. die Breite B der außenliegenden Elemente e&sub1; und e&sub3; erhöht, so kann nun entweder die Länge L dieser Elemente ebenfalls erhöht oder aber die Länge L&min; der innenliegenden Elemente e&sub4; und e&sub2; entsprechend verkürzt werden. Hierfür sei angenommen, daß aufgrund der Herstellungsart die Dicken der einzelnen magnetoresistiven Schichten 4 aller Elemente konstant gehalten sind.

Die Brückenschaltungsanordnungen 8 und 9 der Fig. 2 und 3 unterscheiden sich lediglich in der räumlichen Anordnung der einzelnen Sensorelemente ei und in dem Vorzeichen ihrer Widerstandsänderungen. Selbstverständlich kann für die gezeigten Ausführungsformen der Brückenschaltungsanordnungen auch eine Verschaltung gewählt werden, wie sie der Brückenschaltungsanordnung 3 nach Fig. 1 zugrundegelegt ist.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 wurde davon ausgegangen, daß die Sensoreinrichtungen E&sub1; bis E&sub4; der einzelnen Brückenschaltungen jeweils aus einem einzigen Sensorelement ei bestehen. In diesem Falle ist n=1, wobei die Größe n die Anzahl der Sensorelemente pro Sensoreinrichtung darstellt. Zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes einer Sensoreinrichtung ist es jedoch auch möglich, mindestens zwei Sensorelemente in Form eines Mäanders in Reihe hintereinander zu schalten. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 4 für den Fall n=2. Anstelle von ei (gemäß den Fig. 1 bis 3) bilden nun ei1 und ei2 (mit i = 1 oder 4) die Widerstände der Brückenschaltungen.

Darüber hinaus ist es für den Fall n>1 möglich, die Elemente eij (für j>1) von je zwei Sensoreinrichtungen untereinander räumlich zu mischen, um so bei inhomogenen Feldverläufen Elemente jeder Sensoreinrichtung in Feldbereichen mit höherer Feldstärke anzuordnen. Wiederum können die Elementbreiten B je nach gewünschter Empfindlichkeit angepaßt und über das Längen-zu-Breiten-Verhältnis der einzelnen Elemente jede Sensoreinrichtung abgestimmt werden.

Bei der Ausführungsform der mit 11 bezeichneten Brückenschaltungsanordnung nach Fig. 4 sind die beiden inneren Sensoreinrichtungen E&sub3; und E&sub2; jeweils nur aus einem einzigen Sensorelement e&sub3; bzw. e&sub2; gebildet, während die beiden äußeren Sensoreinrichtungen E&sub1; und E&sub4; jeweils zwei Sensorelemente e&sub1;&sub1; + e&sub1;&sub2; bzw. e&sub4;&sub1; + e&sub4;&sub2; aufweisen. In diesem Falle von Sensoreinrichtungen mit ungleicher Anzahl von Sensorelementen kann ein erwünschter Gesamtwiderstand jeder Sensoreinrichtung über eine Anpassung des Längen-zu-Breiten-Verhältnisses der einzelnen Elemente eingestellt werden. Dementsprechend ist bei der Anordnung 11 die Länge L&min; der Elemente e&sub3; und e&sub2; größer gewählt als die Länge L der übrigen Elemente, während diese Elemente e&sub1;&sub1;, e&sub1;&sub2;, e&sub4;&sub1; und e&sub4;&sub2; eine größere Breite B haben als die mittleren Elemente e&sub3; und e&sub2; mit ihrer Breite B&min;.

Wird ein durch Leiterschichtstreifen bestehendes Stützfeld in Streifenrichtung von einzelnen Sensorelementen nicht benötigt oder ist ein solches Stützfeld ausreichend groß, so lassen sich bei den Brückenanordnungen gemäß den Fig. 1 bis 4 vorbestimmte Streifenbreiten s und/oder vorbestimmte Streifenabstände a der Leitschichtstreifen wählen, um so gleich große Einzelwiderstände in einer Brückenschaltung und damit ein Meßsignal "Null" bei fehlendem äußeren Feld einzustellen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel einer Brückenschaltungsanordnung 12 ist in Fig. 5 dargestellt, wobei eine Verschaltung der einzelnen Elemente e&sub1; bis e&sub4; nach Fig. 1 zugrundegelegt ist. Bei gleicher Breite s und gleichem Abstand a der metallischen Streifen haben die Sensorelemente e&sub1; und e&sub3; aufgrund ihrer größeren Breite den niedrigeren Elementwiderstand; wird eine geringere Streifenbreite s oder ein größerer Abstand a als bei den Elementen e&sub2; und e&sub4; gewählt, kann dadurch der Widerstand aller vier Elemente e&sub1; bis e&sub4; aneinander angeglichen werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Messung eines Magnetfeldes vorgegebener Inhomogenität in mindestens einer Meßrichtung mittels magnetoresistiver Sensoreinrichtungen in einer Brückenschaltung, die zwei parallelgeschaltete Brückenzweige aufweist mit jeweils
    1. - zwei in Reihe liegenden Sensoreinrichtungen und
    2. - zwischen diesen Sensoreinrichtungen liegendem Meßpunkt der Brückenschaltung,
  2. wobei alle Sensoreinrichtungen der Brückenschaltung derart räumlich zueinander angeordnet und hinsichtlich des Vorzeichens ihrer magnetfeldabhängigen Widerstandsänderungen verschaltet sind, daß in der Meßrichtung das Magnetfeld mit erhöhter Empfindlichkeit zu erfassen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßrichtung gesehen alle Sensoreinrichtungen (E&sub1; bis E&sub4;) derart nebeneinander angeordnet sind, daß die äußeren Sensoreinrichtungen zu verschiedenen Brückenzweigen (Z&sub1;, Z&sub2;) gehören, und daß die Empfindlichkeiten der Sensoreinrichtungen (E&sub1; bis E&sub4;) an die Inhomogenität des zu erfassenden Magnetfeldes (Hy) angepaßt sind.
  3. 2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Widerstände der einzelnen Sensoreinrichtungen (E&sub1; bis E&sub4;) so eingestellt sind, daß bei fehlendem Magnetfeld (Hy) an den Meßpunkten (M&sub1;, M&sub2;) zumindest annähernd keine Spannung auftritt.
  4. 3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Meßrichtung gesehen die Sensoreinrichtungen (E&sub4;, E&sub3;) des einen Brückenzweiges (Z&sub2;) den Sensoreinrichtungen (E&sub1;, E&sub2;) des anderen Brückenzweiges (Z&sub1;) nachgeordnet sind.
  5. 4. Meßvorrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Meßrichtung gesehen abwechselnd Sensoreinrichtungen (E&sub1;, E&sub4;, E&sub2;, E&sub3;) aus den beiden Brückenzweigen (Z&sub1;, Z&sub2;) angeordnet sind.
  6. 5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Brückenzweig (Z&sub1;, Z&sub2;) die Sensoreinrichtungen (E&sub1; bis E&sub4;) jeweils aus einem einzigen Sensorelement (ei) bestehen.
  7. 6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Brückenzweig (Z&sub1;, Z&sub2;) mindestens eine Sensoreinrichtung (E&sub1;, E&sub4;) aus mehreren Sensorelementen (eij) aufgebaut ist, die so hintereinander geschaltet sind, daß sie gleiche Vorzeichen ihrer Widerstandsänderung bezüglich der Meßrichtung haben.
  8. 7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Brückenzweig (Z&sub1;, Z&sub2;) alle Sensorelemente (ei, eij) gleich gestaltet sind.
  9. 8. Meßvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Brückenzweig (Z&sub1;, Z&sub2;) Sensorelemente (ei, eij) mit verschiedener Gestalt vorgesehen sind.
  10. 9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelemente (ei, eij) Elemente vom Barber-Pole-Typ vorgesehen sind.
  11. 10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sensorelement (ei, eij) vom Barber-Pole-Typ auf einer Schicht (4) aus einem magnetoresistiven Material Leitschichtstreifen (5) mit vorbestimmter Streifenbreite (s) und vorbestimmtem gegenseitigen Streifenabstand (a) aufweist und daß zumindest einige Sensorelemente mit unterschiedlicher Streifenbreite (s) und/oder unterschiedlichem Streifenabstand (a) vorgesehen sind.






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