DE60131246T2

DE60131246T2 - Magnetischer Positionsgeber

Info

Publication number: DE60131246T2
Application number: DE60131246T
Authority: DE
Inventors: Thaddeus Rochester Hills Schroeder
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: US20020093329A1; EP1225425A3; EP1225425B1; DE60131246D1; US6498482B2; EP1225425A2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetwiderstandsvorrichtungen, die für magnetische Positionssensoren verwendet werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Verwendung von Magnetwiderständen (MRs) und Hall-Vorrichtungen als Positionssensoren ist auf dem Gebiet allgemein bekannt. Beispielsweise kann ein vormagnetisierter differenzieller MR-Sensor dazu verwendet werden, eine Winkelposition eines sich drehenden Zahnrades zu erfassen, wie es beispielsweise durch die US-Patente 4.835.467 , 5.731.702 und 5.754.042 veranschaulicht wird.
Bei derartigen Anwendungen wird der Magnetwiderstand (MR) mit einem Magnetfeld vormagnetisiert und üblicherweise mit einer Konstantstromquelle oder einer Konstantspannungsquelle elektrisch angeregt. Ein magnetischer (d. h. ferromagnetischer) Gegenstand, der sich relativ zum MR, wie etwa einem Zahnrad, sowie sehr nahe an diesem bewegt, erzeugt eine veränderliche magnetische Flussdichte durch den MR, die wiederum den Widerstandswert des MR ändert. Der MR hat, wenn ein Zahn des sich bewegenden Target-Rades dem MR benachbart ist, eine höhere magnetische Flussdichte und einen höheren Widerstandswert, als wenn ein Schlitz des sich bewegenden Target-Rades dem MR benachbart ist.
Zunehmend höher entwickelte Zündzeitpunkt- und Emissionssteuerungen führten zum Bedarf an Kurbelwellensensoren, die in der Lage sind, wäh rend des Andrehens präzise Positionsinformationen bereitzustellen. Um diese Informationen zu erhalten, wurden verschiedene Kombinationen von Magnetwiderständen und Einzelspur- sowie Doppelspur-Zahnrädern oder Schlitzrädern (auch als Codierräder und Target-Räder bezeichnet) verwendet (siehe zum Beispiel die US-Patente 5.570.016 , 5.731.702 und 5.754.042 ).
Der Nachteil von MR-Vorrichtungen ist ihre Temperaturempfindlichkeit. Sie haben einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswerts, und ihr Widerstandswert kann um 50% sinken, wenn sie auf 180 Grad Celsius erwärmt werden. Allgemein führte dies zur Verwendung von MR-Vorrichtungen in zur Temperaturkompensation angepassten Paaren. Weiterhin wird bevorzugt, MR-Vorrichtungen mit Stromquellen zu betreiben, da das Ausgangssignal im Vergleich zu einer Konstantspannungsquelle nahezu doppelt so stark ist, wenn die gleiche Leistungsversorgung verfügbar ist.
Um die Widerstandsabnahme des MR bei höheren Temperaturen und dadurch die Betragsverringerung des Ausgangssignals zu kompensieren, die zu einer verringerten Empfindlichkeit der MR-Vorrichtung führt, ist es außerdem wünschenswert, zu bewerkstelligen, dass der Strom aus der Stromquelle automatisch ansteigt, wenn die Temperatur des MR höher wird. Dies ist im US-Patent 5.404.102 gezeigt, bei dem eine aktive Rückkopplungsschaltung den Strom aus der Stromquelle als Antwort auf Änderungen der Temperatur der MR-Vorrichtung automatisch anpasst. Es ist außerdem bekannt, dass Änderungen des Luftspalts zwischen der MR-Vorrichtung und ferromagnetischen Materialien oder Gegenständen den Widerstandswert von MR-Vorrichtungen beeinflussen, wobei größere Luftspalte einen geringeren Widerstandswert und schwächere Ausgangssignale bewirken.
Außerdem sind in einem einzigen Bauteil ausgeführte Magnetfeldsensoren bekannt, die beispielsweise aus einem epitaktischen Schichtstreifen aus Indiumantimonid oder Indiumarsenid bestehen, der beispielsweise auf einem einkristallinen elementaren Halbleitersubstrat gelagert ist. Die Indiumantimonid- oder Indiumarsenidschicht befindet sich beispielsweise entweder direkt auf dem elementaren Halbleitersubstrat oder auf einer Zwischenschicht mit einem höheren Widerstandswert als dem von Silizium. An jedem Ende der epitaktischen Schicht befindet sich ein leitfähiger Kontakt, und auf der epitaktischen Schicht befinden sich, längs dieser regelmäßig beabstandet, mehrere metallische Kurzschlussbrücken (aus Gold). Beispiele dafür werden durch die US-Patente 5.153.557 , 5.184.106 und 5.491.461 beispielhaft erläutert.
Viele Arten von Messungen können nicht mit gewöhnlichen magnetischen Sensoren ausgeführt werden, die ein einziges Fühlelement aufweisen. Jedoch sind Verbundhalbleiter-MRs, wie etwa die aus InSb, InAs usw. hergestellten, einfach Zwei-Anschluss-Widerstände mit einer hohen magnetischen Empfindlichkeit und sind dadurch sehr geeignet für die Konstruktion von MR-Sensoren auf einem einzigen Chip (in den meisten Fällen kann ein Anschluss sämtlicher MR-Elemente gemeinsam sein).
Schließlich könnten derartige MR-Sensoren auf dem gleichen Chip mit einer geeigneten Verarbeitungsschaltungsanordnung integriert sein. Wenn beispielsweise die MR-Anordnung auf einem Si-Substrat hergestellt wurde, dann basiert auch die Verarbeitungsschaltungsanordnung auf Si. Für höhere Arbeitstemperaturen kann Silizium auf einem Isolator (SOI) verwendet werden. Eine potenziell preiswertere Alternative zum SDI-Ansatz besteht im Ausnutzen der Tatsache, dass MRs derzeit auf GaAs, einem Hochtemperaturhalbleiter, hergestellt werden, und daher darin, die integrierte Verarbeitungsschaltungsanordnung aus GaAs (oder dem verwandten InP) unter Verwendung der Struktur von HBT (Bipolar-Heterotransistoren) oder der Struktur von HEMT (Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit) herzustellen. Diese Technologie ist derzeit aufgrund der explosiv expandierenden Mobiltelefon-Industrie leicht verfügbar und kostengünstig.
Dementsprechend bleibt ein Bedarf an einem kompakten und kostengünstigen Chip, der drei magnetische Fühlelemente aufweist und so konfiguriert ist, dass er einen linearen Positionssensor bereitstellen kann, der über weite Bereiche der Temperatur und der Luftspalte, einschließlich Neigungen, zur Selbstkompensation in der Lage ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein kompakter und kostengünstiger Einzelchip mit drei MR-Elementen, wobei jedes seiner MR-Elemente vorzugsweise aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten MR-Segmenten aufgebaut ist.
Die vorliegende Erfindung ist ein linearer Magnetwiderstandspositionssensor, der in einem einzigen Chip integriert ist sowie über weite Bereiche der Temperatur und der Luftspalte, einschließlich Neigungen, zur Selbstkompensation in der Lage ist. Er nutzt drei MR-Elemente mit (vorzugsweise) einem gemeinsamen Vormagnetisierungsmagneten. Der MR-Sensor ist allgemein in der Bewegungsrichtung eines magnetischen Targets ausgerichtet. Das mittlere MR-Element ist der eigentliche lineare Positionssensor. Die zwei äußeren MR-Elemente dienen als Referenzsensoren, die das Magnetfeld an den Begrenzungen des Positionserfassungsbereichs erfassen. Das mitwirkende magnetische Target stellt sicher, dass eines der zwei äußeren MR-Elemente stets einem maximalen Magnetfeld B_MAX ausgesetzt ist, das einer Position X_MAX entspricht, und dass das andere äußere MR-Element stets einem minimalen Magnetfeld B_MIN ausgesetzt ist, das einer Position X_MIN entspricht, wobei das mittlere MR-Element einen Abschnitt, der B_MAX ausgesetzt ist, und einen anderen Abschnitt aufweist, der B_MIN ausgesetzt, wobei der relative Anteil der Abschnitte mit der Position X des Targets variiert. Der effektive Widerstandswert des zweiten MR-Elements ist proportional zur linearen Position des Targets. Dadurch schafft die vorliegende Erfindung einen MR-Sensor, der aus drei MR-Elementen zum Erfassen einer linearen Verschiebung eines ausgewählten Targets aufgebaut ist. Eine Forschungs-Offenbarung von Kenneth Mason Publications, Hampshire, Gb (01-07-1993), (351), 450–451 offenbart einen ähnlichen Positionssensor. Dieser Sensor beruht auf der Nutzung eines speziell geformten trapezförmigen Targets für den Sensor. Das Target wird längs einer Richtung senkrecht zu einer Achse durch die drei im Sensor enthaltenen MR-Elemente verschoben. Sensor und Target wirken insofern zusammen, als eines der äußeren MR-Elemente stets vom Target bedeckt ist, und insofern, als das andere äußere MR-Element vom Target bedeckt ist.
EP 0 188 771 offenbart einen Positionssensor, bei dem die Bewegungsrichtung des Targets parallel zu einer Achse durch alle MR-Elemente des Sensors verläuft. Wiederum ist das Target speziell geformt, sodass es der Position, der Form und dem Intervall der Reihe von MR-Elementen entspricht.
Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird eine epitaktische Schicht aus Indiumantimonid ausgebildet, dann maskiert und geätzt, um dadurch epitaktische Mesas zu produzieren, die die MR-Elemente kenn zeichnen. Darauf werden Kurzschlussbrücken, vorzugsweise aus Gold, abgeschieden, wobei die epitaktische Mesa, die von den Kurzschlussbrücken nicht bedeckt wird, die MR-Segmente bereitstellt. Die Verfahren zum Herstellen epitaktischer Mesas mit Kurzschlussbrücken sind ausführlich dargelegt im US-Patent 5.153.557 , erteilt am 6. Oktober 1992, im US-Patent 5.184.106 , erteilt am 2. Februar 1993 und im US-Patent 5.491.461 , erteilt am 13. Februar 1996.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen MR-Chip zu schaffen, der drei MR-Elemente umfasst, die in der Lage sind, eine eindimensionale Position eines magnetischen Targets längs einer Ausrichtungsachse der MR-Elemente zu erfassen.
Diese und zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform klarer.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Beispiel für die bevorzugte Umgebung bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine schematische Darstellung eines MR-Sensors auf einem einzigen Chip in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine detaillierte Veranschaulichung eines einzigen Chips, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aus mehreren MR-Elementen aufgebaut ist.
2C ist eine Detailansicht eines MR-Elements, das im Kreis 2C in 2B zu erkennen ist.
3 zeigt ein erstes Beispiel für eine analoge Schaltung, die die vorliegende Erfindung ausführt.
4 zeigt ein zweites Beispiel für eine analoge Schaltung, die die vorliegende Erfindung ausführt.
5 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung, die einen digitalen Prozessor nutzt und die vorliegende Erfindung ausführt.
6 ist ein Ablaufplan für den digitalen Prozessor von 5.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 veranschaulicht ein Beispiel für die bevorzugte Umgebung bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung. Der vorzugsweise stationäre MR-Sensor 10 nutzt einen MR-Chip 12, der aus drei Magnetwiderstandselementen MR1', MR2 und MR3 aufgebaut ist, die durch einen Permanentmagneten 14 vormagnetisiert sind, wobei der von diesem ausgehende magnetische Fluss 16, 18 bzw. 20 durch gestrichelte Pfeile dargestellt wird. Der magnetische Fluss 16, 18 bzw. 20 verläuft vom Permanentmagneten 14 durch die Magnetwiderstände MR1', MR2 und MR3' sowie durch die Luftspalte 22 und 24 zum Target 30. Die Länge des Luftspalts 22 beträgt üblicherweise 0,1 bis 0,2 mm bei einer minimalen Zahnhöhe 28 von angenähert 0,5 mm, wobei der Bereich (X_MAX – X_MIN) vorzugsweise der Länge 42 des MR2 in der Größenordnung von 1 bis 3 mm entspricht.
Das Target 30 ist aus einem magnetischen Material gefertigt und hat bei diesem Beispiel einen Zahn 32, eine Zahnflanke 26 sowie einen Zwischenraum 34 und ist durch Ausnutzung des kleinen Luftspalts 22 und der Zahnhöhe 28 so entworfen, dass es eine steile Neigung 40 zum Magnetfeldprofil 36 aufweist, wodurch an der Zahnflanke 26 eine Stufenfunktion angenähert wird, die mit dem Target befördert wird, wenn sich das Target bewegt. Das Target 30 kann andere Konfigurationen als die in 1 gezeigten haben und kann geeignet geformt sein, um irgendein erwünschtes Magnetfeldprofil ähnlich dem Magnetfeldprofil 36 bereitzustellen. Das Target 30 bewegt sich in der X-Richtung 38 und ist darauf beschränkt, sich in einem bekannten Bereich mit einem maximalen Wert X_MAX und einem minimalen Wert X_MIN zu bewegen, wobei der Bereich (X_MAX – X_MIN) vorzugsweise der Länge 42 des MR2 entspricht. Das magnetische Profil 36 und der Bewegungsbereich des Targets zwischen X_MAX und X_MIN stellen sicher, dass MR1' stets B_MAX ausgesetzt ist und MR3' stets B_MIN ausgesetzt ist, während der Abschnitt des MR2 zwischen X_MAX und X dem Magnetfeld B_MAX ausgesetzt ist und der Abschnitt des MR2 zwischen X_MIN und X dem Magnetfeld B_MIN ausgesetzt ist, wobei X bei diesem Beispiel die relative Position der Zahnflanke 26 in Bezug auf die Länge 42 des MR2 bezeichnet und (X_MAX – X) die Länge des MR2 bezeichnet, die dem Magnetfeld B_MAX ausgesetzt ist (d. h. die effektive Länge des MR2). Wenn der Bereich (X_MAX – X_MIN) der Länge 42 des MR2 entspricht, kann ein einfacheres Koordinatensystem 38' gewählt werden, das auf die Länge des MR2 normiert ist, wobei der Ursprung bei X_MAX angesetzt wird. In diesem Fall bezeichnet X' die relative Position der Zahnflanke 26 in Bezug auf die Länge 42 des MR2 sowie den Anteil der Länge des MR2, der dem Magnet feld B_MAX ausgesetzt ist (was bedeutet, dass X' die effektive Länge des MR2 ist), wobei der Wert von X' kleiner als eins ist.
2A ist eine schematische Darstellung eines MR-Sensors 50 auf einem einzigen Chip 60 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der MR-Sensor 50 besteht aus drei mäanderartig konfigurierten MR-Elementen 52, 54 und 56, die MR1', MR2 bzw. MR3' darstellen, wobei die Längen 44 und 46 vorzugsweise, aber nicht unbedingt, dieselben sind und eine gleiche Beabstandung 62 aufweisen. Die Kontaktplatten können für jedes der MR-Elemente getrennt sein oder können (wie veranschaulicht) zwischen MR-Elementen 52 und 54 sowie zwischen MR-Elementen 54 und 56 kombiniert sein.
Da MR1' und MR3' nur dazu dienen, Referenzwerte für die Berechnung von X bereitzustellen, können der Widerstandswert des MR1', proportional zur Länge 44, und der Widerstandswert des MR3', proportional zur Länge 46, ein kleiner, unveränderter Anteil des Widerstandswerts des MR2, proportional zur Länge 42, sein, damit an Fläche des Chips 60 gespart wird und der größte Teil der Chipfläche dem MR2 zugeordnet ist, der die eigentliche Positionserfassung ausführt. Wenn beispielsweise MR1' und MR2 (Elemente 52 und 54) dem maximalen Magnetfeld B_MAX ausgesetzt sind, wird der Widerstandswert des MR1' so gewählt, dass er k·R_MR2MAX ist, und wenn MR2 und MR3' (Elemente 54 und 56) dem minimalen Magnetfeld B_MIN ausgesetzt sind, wird der Widerstandswert des MR3' so gewählt, dass er p·R_MR2MIN ist, wobei k und p konstante Koeffizienten sind, deren Werte vorzugsweise kleiner als eins sind und wobei k gleich p sein kann, wobei R_MR2MAX der maximale Widerstandswert des MR2 und R_MR2MIN der minimale Widerstandswert des MR2 ist. Wenn die Werte von k und p beide gleich eins sind, dann ist der Widerstandswert R_MR1' des MR1' gleich R_MR2MAX und kann einfach als R_MR1 bezeichnet werden, während der Widerstandswert R_MR3 des MR3' gleich R_MR2MIN ist und einfach als R_MR3 bezeichnet werden kann. Die Verwendung eines einzigen Chips 60 für die MR-Elemente 52, 54 und 56 stellt sicher, dass die Fühlelemente angepasste thermische und magnetische Empfindlichkeiten haben.
Zu Zwecken der beispielhaften Erläuterung zeigen 2B und 2C Details eines MR-Chips 60', der aus einem MR-Sensor 50' besteht. Strukturell besteht der MR-Chip 60' aus mehreren MR-Elementen, wobei jedes MR-Element aus einer Anzahl von MR-Segmenten 62 aufgebaut ist, die durch gleichförmige, vorzugsweise aus Gold bestehende Kurzschlussbrücken 64 abgegrenzt sind. Die MR-Segmente 62 sind jeweils gleichmäßig an die anderen angepasst (das bedeutet, dass die MR-Segmente identisch sind).
Gemäß dem bevorzugten Beispiel ist jedes MR-Segment 62 aus epitaktischen Schicht-Mesas aus Indiumantimonid (InSb) aufgebaut. Jede epitaktische Schicht-Mesa wird gemäß dem bevorzugten Beispiel durch Ausbilden einer epitaktischen Schicht aus Indiumantimonid sowie anschließendes Maskieren und Ätzen erzeugt. Die Kurzschlussbrücken 64, die die MR-Segmente 62 abgrenzen, sind aus Goldbrücken aufgebaut, die auf den MR-Segmenten abgeschieden sind. Bindungsplatten (oder Anschlüsse) 66, vorzugsweise ebenfalls aus Gold, sind bei diesem Beispiel für jedes MR-Element vorgesehen.
Wie wiederum in 1 gezeigt ist, kann der Widerstandswert R_MR2 des MR2 unter Verwendung des Koordinatensystems 38' folgendermaßen ausgedrückt werden: RMR2 = R2MAX + R2MIN (1)
Dabei ist R_2MAX der Widerstandswert des dem Magnetfeld B_MAX ausgesetzten Abschnitts des MR2, und R_2MIN ist der Widerstandswert des dem Magnetfeld B_MIN ausgesetzten Abschnitts des MR2. Aufgrund der steilen Neigung 40 des magnetischen Profils 36 ist R_2MAX = X'·R_MR2MAX und R_2MIN = (1 – X')·R_MR2MIN, sodass Gleichung (1) folgendermaßen geschrieben werden kann: RMR2 = X'·RMR2MAX + (1 – X')·RMR2MIN (2)
Unter Verwendung von R_MR1' = k·R_MR2MAX und R_MR3' = p·R_MR2MIN kann die Position X' in Gleichung (2) folgendermaßen ausgedrückt werden: X' =(RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p) (3)oder X' = (RMR2 – RMR3)/(RMR1 – RMR3) (4)
Dabei wurden die Variablen vorher definiert.
3 zeigt ein erstes Beispiel für eine analoge Schaltung 70, die die vorliegende Erfindung ausführt. V_S ist die Stromversorgungsspannung, und i₁, i₂ sowie i₃ sind angepasste Ströme aus Konstantstromquellen, sodass i₁ = i₂ = i₃ ist. V₁, V₂ und V₃ sind gegeben durch: V1 = i1·RMR1' (5) V2 = i2·RMR2 (6)und V3 = i3·RMR3' (7)
Der Ausgang V₄ des Verstärkers 72 (d. h. eines Operationsverstärkers) mit einem Verstärkungsfaktor (1/k) und der Ausgang V₅ des Verstärkers 74 (d. h. eines Operationsverstärkers) mit einem Verstärkungsfaktor (1/p) ist gegeben durch: V4 = V1/k = i1 ·RMR1'/k (8)und V5 = V3/p = i3·RMR3'/p (9)
Der Ausgang V₆ des Differenzierverstärkers 76 (d. h. eines Operationsverstärkers) und der Ausgang V₇ des Differenzierverstärkers 78 (d. h. eines Operationsverstärkers) sind gegeben durch: V6 = V4 – V5 = V1/k – V3/p = i1·RMR1'/k – i3·RMR3'/p (10)und V7 = V2 – V5 = V2 – V3/p = i2·RMR2 – i3·RMR3'/p (11)
Dadurch ist der Ausgang V_OUT des analogen Teilers 80: VOUT = C·(V7/V6) = C·(i2·RMR2 – i3·RMR3'/p)/(i1·RMR1'/k – i3·RMR3'/p) (12)oder, wegen i₁ = i₂ = i₃: VOUT = C·(RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p) = C·(RMR2 – RMR3)/(RMR1 – RMR3) (13)
Darin ist C der Verstärkungsfaktor des analogen Teilers 80 und für eine maximale Empfindlichkeit angepasst, oder C ist so angepasst, dass andere Systemanforderungen erfüllt werden können. Beispielsweise kann C so angepasst werden, dass V_QUT einen Wert von null hat, wenn MR2 an der Position X_MIN ist, und einen Wert von 5 Volt hat, wenn MR2 an der Position X_MAX ist. Daher ist (RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p) = (R2 – R3)/(R1 – R3) = VOUT/C (14)und die Gleichungen (3) und (4) können folgendermaßen ausgedrückt werden: X' = VOUT/C (15)
Dadurch kann, da der Verstärkungsfaktor C bekannt ist, die Position X' aus der Spannung V_OUT bestimmt werden, aus der die Position X im Koordinatensystem 38 von 1 ermittelt werden kann.
4 zeigt ein zweites Beispiel für eine analoge Schaltung 70, die für die Integration auf dem MR-Chip 60 gut geeignet ist und die vorliegende Erfindung ausführt. V'_S ist die Stromversorgungsspannung, und i'₁, i'₂ sowie i'₃ sind gewichtete Ströme aus Konstantstromquellen, wobei i'₁ = i'₂/k und i'₃/k = i'₂/p ist. V'₁, V'₂ und V'₃ sind gegeben durch: V'1 = i'1·RMR1'(i'2/k)·RMR1' (16) V'2 = i'2·RMR2 (17)und V'3 = i'3·RMR3' – (i'2/p)·RMR3' (18)
Der Ausgang V'₆ des Differenzierverstärkers 76 (d. h. eines Operationsverstärkers) und der Ausgang V'₇ des Differenzierverstärkers 78' (d. h. eines Operationsverstärkers) sind gegeben durch: V'6 = V'1 – V'3 – (i'2/k)·RMR1' – (i'2/p)·RMR3' (19)und V'7 = V'2 – V'3 = i'2·RMR2 – (i'2/p)·RMR3' (20)
Dadurch ist der Ausgang V'_OUT des analogen Teilers 80': V'OUT = C'·(RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p) = C'·(RMR2 – RMR3)/(RMR1 – RMR3) (21)
Darin ist C der Verstärkungsfaktor des analogen Teilers 80' und für eine maximale Empfindlichkeit angepasst, oder C ist so angepasst, dass andere Systemanforderungen erfüllt werden können. Beispielsweise kann C' so angepasst werden, dass V'_OUT einen Wert von null hat, wenn MR2 an der Position X_MIN ist, und einen Wert von 5 Volt hat, wenn MR2 an der Position X_MAX ist. Daher ist (RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p) = (R2 – R3)/(R1 – R3) = V'OUT/C (22)und die Gleichungen (3) und (4) können folgendermaßen ausgedrückt werden: X' = V'OUT/C' (23)
Dadurch kann, da der Verstärkungsfaktor C' bekannt ist, die Position X' aus der Spannung V_OUT bestimmt werden, aus der die Position X im Koordinatensystem 38 von 1 ermittelt werden kann.
5 zeigt ein Beispiel einer Schaltung 90, die einen digitalen Prozessor 92 (d. h. einen digitalen Signalprozessor, einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor usw.) nutzt und die vorliegende Erfindung ausführt. V''_OUT ist der Wert der Versorgungsspannung und ist dem digitalen Prozessor 92 implizit bekannt, beispielsweise als ein Eingang oder im Speicher des digitalen Prozessors gespeichert. Der Positionsbereich sowie X_MIN und X_MAX wie auch die Parameter p und k sind vorzugsweise ebenfalls im Speicher gespeichert. Die Werte von V_A und V_B werden in den digitalen Prozessor 92 eingegeben und können folgendermaßen ausgedrückt werden: VA = V''S·(RMR2 + RMR3')/(RMR1' + RMR2 + RMR3') (24)und VB = V''S·RMR3'/(RMR1' + RMR2 + RMR3') (25)
V_MR1, V_MR2 und V_MR3 sind die Werte der Spannungen über MR1', MR2 bzw. MR3', während i der Strom durch MR1', MR2 und MR3' ist, und können folgendermaßen ausgedrückt werden: VMR1' = V''S – VA = i·RMR1' (26) VMR2 = VA – VB = i·RMR2 (27)und VMR3' = VB = i·RMR3' (28)
Der Wert der Ausgangsspannung V''_OUT wird durch den digitalen Prozessor 92 berechnet und kann folgendermaßen ausgedrückt werden: V''OUT = C''·(VMR2 – VMR3'/p)/(VMR1'/k – VMR3'/p) (29)oder anhand der Gleichungen (26), (27) und (28): V''OUT = C''·(RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p) (30)
Darin ist C'' der Verstärkungsfaktor und für eine maximale Empfindlichkeit angepasst, oder C'' ist so angepasst, dass andere Systemanforderungen erfüllt werden können. Beispielsweise kann C'' so angepasst werden, das V''_OUT einen Wert von null hat, wenn MR2 an der Position X_MIN ist, und einen Wert von 5 Volt hat, wenn MR2 an der Position X_MAX ist. Daher ist (RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p) = (R2 – R3)/(R1 – R3) = V''OUT/C'' (31)und die Gleichungen (3) und (4) können folgendermaßen ausgedrückt werden: X' = V''OUT/C'' (32)
Dadurch kann, da der Verstärkungsfaktor C'' bekannt ist, die Position X' aus der Spannung V''_OUT bestimmt werden, aus der die Position X im Koordinatensystem 38 von 1 ermittelt werden kann.
6 ist ein Ablaufplan für den digitalen Prozessor 92 von 5. Der Ablauf beginnt im Block 100, in dem die Initialisierung des digitalen Prozessors 92 ausgeführt wird. Im Block 102 werden die Werte von V_A und V_B in den digitalen Prozessor 92 eingegeben, und im Block 104 werden die Werte von V_MR1', V_MR2 und V_MR3' gemäß der Gleichung (26), (27) bzw. (28) berechnet. Der Verstärkungsfaktor C'' wird im Block 106 ausgewählt, und im Block 108 wird die Ausgangsspannung V''_OUT berechnet sowie ausgegeben. V'_OUT wird gemäß Gleichung (29) unter Verwendung der gespeicherten Werte von k und p berechnet. Wenn im (optionalen) Entscheidungsblock 110 der Ablauf nicht beendet ist, geht die Steuerung zum Block 102 über. Andernfalls endet der Ablauf im Block 112. Wenn gewünscht, kann auch der Wert von X' gemäß Gleichung (32) berechnet und ausgegeben werden. Das Verfahren, nach dem dies auszuführen ist, umfasst einen weiteren Berechnungsblock, der in 6 realisiert ist und dem Fachmann auf dem Gebiet allgemein bekannt ist.
Die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform kann durch den Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, einer Abwandlung oder Veränderung unterzogen werden. Eine derartige Abwandlung oder Veränderung kann vorgenommen werden, ohne dass vom Umfang der Erfindung abgewichen wird, von dem beabsichtigt ist, dass er lediglich durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Sensorsystem (10), das umfasst: einen Magnetwiderstandssensor auf einem einzigen Chip (12), der enthält: ein erstes Magnetwiderstandselement (52); ein zweites Magnetwiderstandselement (54), das ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende besitzt; und ein drittes Magnetwiderstandselement (56), wobei das erste, das zweite und das dritte Magnetwiderstandselement gemeinsam längs einer Achse angeordnet sind und wobei sich das zweite Magnetwiderstandselement zwischen dem ersten und dem dritten Magnetwiderstandselement befindet; ein Vormagnetisierungsfeld (14); und ein magnetisches Target (30) mit einer vorgegebenen magnetischen Unregelmäßigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass das Target benachbart zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Magnetwiderstandselement längs der Achse zwischen einer vorgegebenen Maximalposition und einer vorgegebenen Minimalposition in der Weise beweglich ist, dass das Vormagnetisierungsfeld und die magnetische Unregelmäßigkeit (26) gemeinsam stets einen maximalen Magnetfeldwert bei dem ersten Magnetwiderstandselement und einen minimalen Magnetfeldwert bei dem dritten Magnetwiderstandselement schaffen.
Sensorsystem nach Anspruch 1, bei dem jedes Magnetwiderstandselement mehrere gleichmäßig angeordnete und in Reihe geschaltete Magnetwiderstandssegmente (62) aufweist.
Sensorsystem nach Anspruch 2, bei dem das erste Ende des zweiten Magnetwiderstandselements (54) zu dem ersten Magnetwiderstandselement (52) benachbart ist und das zweite Ende des zweiten Magnetwiderstandselements zu dem dritten Magnetwiderstandselement (56) benachbart ist.
Sensorsystem nach Anspruch 3, bei dem das zweite Magnetwiderstandselement (54) zwischen dem ersten und dem zweiten Ende von diesem im Wesentlichen gleichmäßig (14) ist und bei dem das Vormagnetisierungsfeld und die magnetische Unregelmäßigkeit (26) gemeinsam stets den maximalen Magnetfeldwert bei dem ersten Magnetwiderstandselement und den minimalen Magnetfeldwert bei dem dritten Magnetwiderstandselement schaffen.
Sensorsystem nach Anspruch 4, bei dem die Position des Targets relativ zu dem zweiten Magnetwiderstand längs der Achse definiert ist durch: X = (RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p),wobei X die Position der Unregelmäßigkeit relativ zu dem zweiten Magnetwiderstand ist, R_MR1' ein Widerstandswert des ersten Magnetwiderstands ist, R_MR2 ein Widerstandswert des zweiten Magnetwiderstands ist, R_MR3' ein Widerstandswert des dritten Magnetwiderstands ist, und k und p vorgegebene konstante Koeffizienten sind.
Sensorsystem nach Anspruch 5, bei dem die magnetische Unregelmäßigkeit eine Zahnflanke (26) ist.
Sensorsystem nach Anspruch 5, das ferner eine elektrische Schaltung (70) umfasst, die mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Magnetwiderstandselement verbunden ist, um eine Spannung über dem ersten, dem zweiten und dem dritten Magnetwiderstandselement bereitzustellen, die auf die Position des Targets anspricht.
Sensorsystem nach Anspruch 7, bei dem die Schaltung einen Spannungsausgang V_OUT bereitstellt, wobei die elektrische Schaltung eine Spannungsquelle und mehrere mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Magnetwiderstand verbundene Verstärker umfasst, wobei die mehreren Verstärker einen analogen Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor C enthalten, wobei (RMR2 – RMR3'/p)/(RMR1'/k – RMR3'/p) = (R2 – R3)/(R1 – R3) = VQUT/C,und wobei die Position eine vorgegebene Beziehung in Bezug auf den Ausdruck V_QUT/C hat.
Sensorsystem nach Anspruch 8, bei dem die magnetische Unregelmäßigkeit eine Zahnflanke (26) ist.
Sensorsystem nach Anspruch 9, bei dem die elektrische Schaltung (90) eine Spannungsquelle und einen digitalen Prozessor (92) umfasst, der mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Magnetwiderstand verbunden ist, wobei der digitale Prozessor einen Spannungsausgang V_QUT bereitstellt, der auf die Position des Targets anspricht.
Sensorsystem nach Anspruch 10, bei dem VQUT = C·(VMR2 – VMR3'/p)/(VMR1'/k – VMR3'/p),wobei C ein vorgegebener Verstärkungsfaktor des digitalen Prozessors ist und wobei die Position eine vorgegebene Beziehung in Bezug auf den Ausdruck V_QUT/C hat.
Sensorsystem nach Anspruch 11, bei dem die magnetische Unregelmäßigkeit eine Zahnflanke (26) ist.
Verfahren zum Bestimmen der Position eines Targets (30), das eine magnetische Unregelmäßigkeit (26) relativ zu einem magnetischen Positionssensor (10) hat, wobei der magnetische Sensor ein erstes, ein zweites und ein drittes Magnetwiderstandselement (52, 54, 56) umfasst, die längs einer Achse nacheinander angeordnet sind, wobei das zweite Magnetwiderstandselement zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetwiderstandselement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Target benachbart zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Magnetwiderstandselement längs der Achse zwischen einer vorgegebenen Maximalposition X_MAX und einer vorgegebenen Minimalposition X_MIN beweglich ist, so dass ein Vormagnetisierungsfeld und die magnetische Unregelmäßigkeit gemeinsam stets einen maximalen Magnetfeldwert bei dem ersten Magnetwiderstandselement und einen minimalen Magnetfeldwert bei dem dritten Magnetwiderstandselement schaffen, und wobei ein digitaler Prozessor mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Magnetwiderstandselement verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen einer ersten Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetwiderstandselement und einer zweiten Spannung zwischen dem zweiten und dem dritten Magnetwiderstandselement; Berechnen einer Spannung über dem ersten bzw. dem zweiten bzw. dem dritten Magnetwiderstandselement, wobei die Spannung V_MR1 über dem ersten Magnetwiderstandselement gleich einer Quellenspannung abzüglich der ersten Spannung ist, die Spannung V_MR2 über dem zweiten Magnetwiderstandselement gleich der ersten Spannung abzüglich der zweiten Spannung ist und die Spannung V_MR3 über dem dritten Magnetwiderstandselement gleich der zweiten Spannung ist; Auswählen eines Verstärkungsfaktors C des digitalen Prozessors; Berechnen einer Ausgangsspannung V_OUT, wobei VOUT = C·(VMR2 – VMR3'/p)/(VMR1'/k – VMR3'/p),wobei p und k vorgegebene Konstanten sind; und Berechnen der Position X, wobei X = V_QUT/C.