DE69924598T2

DE69924598T2 - Linearer winkelpositionssensor mit magnetfeldabhängigen widerständen

Info

Publication number: DE69924598T2
Application number: DE69924598T
Authority: DE
Inventors: Line Vieux-Rochaz; Marie-Helène VAUDAINE; Robert Cuchet; Thierry Braisaz
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1998-01-05
Filing date: 1999-01-04
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2019-01-05
Also published as: FR2773395A1; EP1046021A1; FR2773395B1; DE69924598D1; WO1999035469A1; US6522132B1; EP1046021B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung hat einen linearen Winkelpositionssensor mit magnetfeldabhängigen Widerständen zum Gegenstand. Sie findet eine generelle Anwendung bei der Messung der Ausrichtung eines Magnetfelds und – spezieller – bei der Detektion der Winkelposition eines mit einer Magnetfeldquelle ausgerüsteten Gegenstands. Der erfindungsgemäße Sensor besitzt eine Messebene und liefert ein Signal, das eindeutig mit dem Winkel verknüpft ist, den die Feldkomponente in dieser Ebene mit einer Referenzrichtung bildet, die sich ebenfalls in dieser Ebene befindet. Mit einem erfindungsgemäßen Sensor kann die Winkelposition eines jeden Gegenstands des Typs Werkstück, Motor, Rotor, Antenne, Steuerknopf usw... ermittelt werden.
Stand der Technik
Man kennt Vorrichtungen zur Detektion der Ausrichtung eines Magnetfelds, die magnetoresitive Materialien auf der Basis von ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Nickel, Eisen, Kobalt oder ihre Legierungen benutzen. Diese Materialien, in Stabform gebracht, ermöglichen, Vorrichtungen zu konstruieren, die in Abhängigkeit von der Ausrichtung des angewendeten Felds im Wesentlichen sinusförmige Signale liefern. Diese Vorrchtungen haben den Nachteil, elektronische Verarbeitungseinrichtungen zu benötigen, um ein Linearfunktions-Messsignal des Winkels zu erhalten.
Man kennt auch Sensoren, die als magnetoresistives Material Schichtenstapel benutzen, die zu einem sogenannten "Rieseneffekt" (im Englischen "Giant Magnetoresistance Effect") oder abgekürz GMR führen. Diese Stapel werden im Allgemeinen durch zwei magnetische Dünnschichten gebildet, die durch eine unmagnetische und elektrisch leitfähige Dünnschicht getrennt sind. Solche Strukturen, auch Spinventile (im Englischen "spin valves") genannt, werden in dem Dokument US-A-4,949,039 beschrieben. Eine Vorrichtung zur Detektion der Winkelposition eines Objekts, die solche Riesen-Magnetowiderstände nutzt, wird beschrieben in dem Dokument US-A-5,650,721 und in dem Artikel von W. CLEMENS et al. mit dem Titel "Contactless potentiometer based on giant magnetoresistance sensors", veröffentlicht in Jour. Appl. Phys. 81, (8), 15. April 1997, Seiten 4310–4312. Bei dieser Technik benutzt man einen Spinventil-Magnetowiderstand oder eventuell zwei, die rechtwinklig angeordnet sind. Das durch jeden Magnetowiderstand gelieferte Signal ist in Abhängigkeit von dem Winkel des Felds in Bezug auf eine Referenzrichtung im Wesentlichen sinusförmig. Jedoch ist es aufgrund der mit den entmagnetisierenden Feldern verknüpften Effekten nicht exakt sinusförmig. Zudem existiert eine Rotationshysteresis von 2°, welche die Auflösung des Geräts begrenzt. Außerdem kann man Felder, die nicht zwischen 4,4 kA/m und 27,2 kA/m enthalten sind, nicht verarbeiten.
Man kennt auch Sensoren, die Materialien mit GMR-Effekt und isotropem Verhalten benutzen. Wie man weiß, ist ein isotropes magnetoresistives Material ein Material, dessen Widerstand in Abhängigkeit von der Amplitude des Feldes variiert, aber in Abhängigkeit von der Richtung des Feldes in der Ebene nicht variiert: das Verhalten ist bei jedem Winkel gleich.
Damit ein Winkeldetektor, gebildet durch zwei einen Winkel von 90° bildende und halbbrückenförmig angeordnete Magnetowiderstände, ein Verhalten liefert, das von dem durch das Feld und eine Referenzrichtung in der Ebene gebildeten Winkel abhängig ist, muss das Verhalten unter dem Feld jedes dieser Magnetowiderstände verschieden sein, um eine Unsymmetrie der Brücke zu erzeugen.
In Falle eines isotropen GMR-Materials liefern die beiden Magnetowiderstände, deren Dimensionen durch Ätzung definiert werden, die gleiche isotrope Reaktion und es gibt keinen Winkeldetektionseffekt. Eine Lösung zur Realisierung eines Winkeldetektors mit einem isotropen GMR-Material mit Hilfe zweier unter 90° halbbrückenförmig angeordneter Magnetowiderstände liefert das Dokument DE 195 32 674 . Damit die Reaktion der beiden Magnetowiderstände unterschiedlich ist, schlägt das Dokument vor, um die Magnetowiderstände herum Magnetflussleiter anzuordnen, deren Funktion unterschiedlich ist, je nachdem, welchen von den Magnetowiderständen man betrachtet. Wenn zum Beispiel das angewendete Magnetfeld zu einem der Magnetowiderstände parallel ist, ist es folglich zu dem anderen Magnetowiderstand senkrecht, und die Magnetflussleiter fangen die Gesamtheit auch derjenigen durch das Feld erzeugten Flusslinien ein, die andernfalls den ersten Magnetowiderstand durchlaufen hätten. Dieser ist also keinem Magnetfeld ausgesetzt und seine Widerstandsänderung ist null. Umgekehrt konzentrieren diese Leiter den gesamten Fluss in dem zweiten Magnetowiderstand, so dass das Feld und sein Widerstand abnehmen.
Die Brücke ist deutlich unsymmetrisch und der Sensor liefert eine Reaktion.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, wie man auf diese Magnetflussleiter verzichten kann und trotzdem unterschiedliche Reaktionen der beiden Magnetowiderstände erhält.
Die Dokumente DE-A-195 36 433 und DE-A-196 14 460 beschreiben Vorrichtungen mit Magnetowiderständen, die aber nicht rechtwinklig angeordnet sind.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, den Magnetowiderständen eine Form-Anisotropie zu verleihen, so dass ihre Reaktion in Abhängigkeit von dem Magnetfeld anisotrop ist (während das Material intrinsisch isotrop ist). Diese Form-Anisotropie kann durch Ätzen mit entsprechenden Dimensionen realisiert werden. Außerdem sieht die Erfindung eine spezielle Schaltung vor, nämlich als Brücke mit Abgriff des Lesesignals im Brückenmittelpunkt. Überraschenderweise ist das erhaltene Signal linear über einen sehr großen Winkelbereich (besser als 5% über 90°). Man benötigt dann keine Verarbeitungselektronik des Signals mehr, um das Lesesignal zu linearisieren. Außerdem ist die Hysteresis verschwunden. Schließlich erübrigt sich bei einer erfindungsgemäßen Anordnung die Polarisation der Magnetowiderstände.
Ganz genau hat die vorliegende Erfindung einen Winkelpositionssensor mit wenigstens zwei Magnetowiderständen aus einem GMR-Material und mit isotropem Verhalten zum Gegenstand, wobei diese Magnetowiderstände rechtwinklig angeordnet und dadurch gekennzeichnet sind, dass sie eine Formanisotropie aufweisen, die unter einem Magnetfeld zu einem anisotropen Verhalten führt, wobei die beiden Magnetowiderstände seriengeschaltet sind und eine Brücke mit zwei Enden und einem Mittelpunkt bilden, Versorgungseinrichtungen mit den Enden der Brücke verbunden sind, und Messeinrichtungen der Unsymmetrie der Brücke mit dem Mittelpunkt der Brücke verbunden sind.
Bei einer vorteilhaften Realisierungsart kombiniert die Erfindung zwei Brücken dieses Typs, um eine Wheatstone-Brücke mit vier Magnetowiderständen zu bilden.
Die Linearität des Sensors kann noch verbessert werden durch einen zusätzlichen Widerstand aus magnetoresistivem Material, der sich entweder seriengeschaltet im Eingang der Brücke befindet oder parallelgeschaltet in ihrem Ausgang.
Vorteilhafterweise werden die Magnetowiderstände aus einem Schichtenstapel auf FeNi/Ag-Basis realisiert. Selbstverständlich können andere Stapel verwendet werden und insbesondere die Stapel auf der Basis von Fe/Cr oder Fe/Cu oder NiFe/Cu.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei brückenartig angeordneten Magnetowiderständen;
die 2 zeigt die Kennlinie einer solchen Vorrichtung;
die 3 zeigt schematisch einen Sensor mit zwei Brücken, das heißt mit vier Magnetowiderständen;
die 4 zeigt die Kennlinie dieses Sensors;
die 5 zeigt dieselbe Kennlinie, aber vergrößert zwischen –45° und +45°;
die 6 zeigt eine Realisierungsart einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Falle einer Konfiguration des Typs Wheatstone-Brücke mit vier Magnetowiderständen;
die 7 zeigt eine vorteilhafte Variante mit einem seriengeschalteten Stabilisierungswiderstand;
die 8 zeigt eine weitere Variante mit einem parallelgeschalteten Stabilisierungswiderstand.
Detaillierte Darstellung von Realisierungsarten
In der 1 sieht man zwei rechtwinklig angeordnete Magnetowiderstände MR1, MR2 des Rieseneffekttyps (oder auch des Spinventiltyps). Diese beiden Magnetowiderstände sind seriengeschaltet und bilden eine Widerstandsbrücke mit zwei Enden Ext1, Ext2 und einem Mittelpunkt PM, welcher der Verbindungspunkt der Magnetowiderstände ist. Eine Spannungsversorgungseinrichtung 10 ist mit den Enden Ext1, Ext2 der Brücke verbunden, und eine Messeinrichtung 12 ist zwischen dem Mittelpunkt PM und einem der Enden vorgesehen (Ext1 in der dargestellten Variante).
Die 1 zeigt die Magnetowiderstände perspektivisch. Sie definieren zusammen eine Ebene 14. In dieser Ebene kann man eine Referenzachse x definieren, die durch den Mittelpunkt PM verläuft. Diese Achse bildet mit dem Magnetowiderstand MR1 einen Winkel β.
Außerdem wird angenommen, dass ein Permanentmagnet 16 über der Ebene 14 angeordnet ist und ein Magnetfeld erzeugt, dessen Komponente in der Ebene 14 mit H bezeichnet ist. Dieses Feld H bildet mit der Referenzrichtung x einen Winkel θ. Der Magnet 16 kann sich um seine Achse 18 herum drehen. Dieser Magnet kann an einem Gegenstand 19 befestigt werden, dessen Winkelposition man verfolgen möchte.
Die 2 ist eine experimentelle Kurve, erhalten mit dem Sensor der 1 in dem Fall, wo die Magnetowiderstände durch zwei dünne magnetische FeNi-Schichten, getrennt durch eine dünne Silberschicht, gebildet werden. Diese Kurve zeigt die Ausgangsspannung Vs – abgegriffen im Mittelpunkt PM der Brücke – in Abhängigkeit von dem Winkel θ, den die Feldkomponente H mit der Referenzrichtung bildet. Die Kurve der 2 ist nicht auf den Nullpunkt zentriert, denn in dem dargestellten Fall ist der Winkel β, den die Referenzachse mit MR1 bildet, nicht gleich 45°. Wenn dies der Fall ist, erstreckt sich der Reaktionsbereich von –90° bis +90° und der lineare Bereich geht von –45° bis 45°.
Die 3 zeigt einen Sensor, bei dem zwei Brücken von der Art derjenigen der 1 kombiniert wurden. Diese Brücken haben jeweils Enden Ext1, Ext2 und Ext3, Ext4 sowie zwei Mittelpunkte PM1, PM2. Die Enden Ext2, Ext3 sind miteinander verbunden; ebenso die Enden Ext1, Ext4. Man erhält also eine Wheatstone-Brücke mit vier Magnetowiderständen. Das Lesesignal wird immer zwischen den Mittelpunkten und einem der Enden der Brücke abgegriffen, was auf ein Abgreifen des Signals zwischen den Mittelpunkten PM1 und PM2 hinausläuft.
Die 4 zeigt das Ausgangssignal Vs in Abhängigkeit von dem Winkel θ. Man sieht, dass das Signal zwischen –45° und +45° bemerkenswert linear ist. Diese Anordnung bzw. Schaltung hat den Vorteil, die Gleichstromkomponente am Ausgang der Brücke zu eliminieren.
Die 5 zeigt dasselbe Signal, aber zwischen –45° und +45° vergrößert, um die Linearität besser darzustellen. Wenn der Magnet auf einem Steuerknopf befestigt ist, liefert der nach Art einer Wheatstone-Brücke der 3 und 4 geschaltete Sensor ein Signal, dessen Amplitude der Drehung des Knopfes linear folgt.
Die 6 zeigt eine Realisierungsart eines Sensors mit vier FeNi/Ag-Magnetowiderständen, die quadratisch angeordnet sind, das heißt mit jeweils 90° zueinander. Diese Magnetowiderstände tragen wieder die Referenzen MR1, MR2, MR3, MR4. Angenommen wird, dass sie durch mäanderförmige Streifen gebildet werden. Vier äußere Kontaktstellen 21, 22, 23 und 24 sind verbunden mit vier inneren Kontaktstellen 31, 32, 33 und 34. Die Kontaktstelle 32 bildet den Mittelpunkt der Brücke (MR1, MR2) und die Kontaktstelle 33 den Mittelpunkt der Brücke (MR3, MR4). Das Messsignal wird also zwischen den äußeren Kontaktstellen 22, 23 abgegriffen. Die Kontaktstellen 31 und 34 bilden die Enden der Brücken (MR1, MR2) und (MR3, MR4). Die Versorgungsspannung wird also zwischen den äußeren Kontaktstellen 21, 24 angelegt.
Die Linearität des erfindungsgemäßen Sensors kann noch verbessert werden durch die in den 7 und 8 dargestellten Perfektionierungen. Diese Figuren zeigen eine Wheatstone-Brücke mit vier Magnetowiderständen mit den schon verwendeten Bezugszeichen, und einen Widerstand 30 beziehungsweise 40, realisiert aus einem magnetoresistiven Material, dessen Empfindlichkeit wenigstens ebenso groß wie die des Materials ist, aus dem die Magnetowiderstände der Brücke sind. In dem Fall der 7 befindet sich der Widerstand 30 seriengeschaltet im Eingang der Brücke, während sich in dem Fall der 8 der Widerstand 40 parallelgeschaltet im Ausgang der Brücke befindet.

Claims

Winkelpositionssensor mit wenigstens zwei Magnetowiderständen (MR1, MR2) aus einem Material mit Riesen-Magnetoresistenzeffekt, wobei diese Magnetowiderstände rechtwinklig angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Magnetowiderstände eine Formanisotropie aufweisen, die unter einem Magnetfeld zu einem anisotropen Verhalten führt, wobei die beiden Magnetowiderstände (MR1, MR2) seriengeschaltet sind und eine Brücke mit zwei Enden (Ext1, Ext2) und einem Mittelpunkt (PM) bilden, Versorgungseinrichtungen (10) mit den Enden (Ext1, Ext2) der Brücke verbunden sind, und Messeinrichtungen (12) der Unsymmetrie der Brücke mit dem Mittelpunkt der Brücke (PM) verbunden sind.
Winkelpositionssensor mit zwei Sensoren nach Anspruch 1, jeder zwei Magnetowiderstände (MR1, MR2)(MR3, MR4) umfassend, wobei die Enden (Ext1, Ext2) (Ext3, Ext4) der Brücken jedes Sensors paarweise miteinander verbunden sind, die vier Magnetowiderstände (MR1, MR2, MR3, MR4) also eine Wheatstone-Brücke bilden, die Versorgungseinrichtungen (12) diese Wheatstone-Brücke zwischen den verbundenen Enden (Ext1, Ext3)(Ext2, Ext4) versorgen, und die Messeinrichtungen (14) zwischen den beiden Mittelpunkten (PM1, PM2) angeschlossen sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 2, bei dem jeder Magnetowiderstand (MR1, MR2, MR3, MR4) die Form eines mäanderartigen Streifens aufweist, mit gebogenen bzw. zusammengefalteten Armen.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 2, bei dem die vier Magnetowiderstände (MR1, MR2, MR3, MR4) quadratisch angeordnet sind.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 4, vier Verbindungsstellen (31, 32, 33, 34) umfassend, angeordnet an den Ecken des durch die vier Magnetowiderstände (MR1, MR2, MR3, MR4) gebildeten Quadrats, wobei jeder Magnetowiderstand mit seinen Enden an zwei dieser Verbindungsstellen angeschlossen ist.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 2, außerdem wenigstens einen Widerstand (30) aus magnetoresistivem Material umfassend, seriengeschaltet zwischen den Versorgungseinrichtungen (10) und einem der Enden der Brücke (Ext1, Ext2), wobei dieses magnetoresistive Material eine Empfindlichkeit für das Magnetfeld hat, die mindestens genauso groß ist wie die der Magnetowiderstände (MR1, MR2, MR3, MR4) der Brücke.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 2, außerdem wenigstens einen Widerstand (40) aus magnetoresistivem Material umfassend, parallelgeschaltet zu den Messeinrichtungen (12), zwischen den beiden Mittelpunkten (PM1, PM2), wobei dieses magnetoresistive Material eine Empfindlichkeit für das Magnetfeld hat, die mindestens genauso groß ist wie die der Magnetowiderstände (MR1, MR2, MR3, MR4) der Brücke.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, bei dem die Magnetowiderstände durch einem Stapel von Schichten auf der Basis von FeNi/Ag oder Fe/Cr oder Fe/Cu oder NiFe/Cu gebildet werden.
Winkelpositionssensor nach Anspruch 1, bei dem die Formanisotropie durch Ätzen realisiert wird.