DE102004040079B3 - Magnetic field sensor has two magnetoresistive bridge arms and third optionally invariant arm to measure field strength and gradient - Google Patents

Magnetic field sensor has two magnetoresistive bridge arms and third optionally invariant arm to measure field strength and gradient Download PDF

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Abstract

A magnetic field (Bx) sensor has two bridge arms (22, 24) with magnetoresistive (R1-4) impedances and also a third bridge arm (23, 23) to measure the field gradient over a base length (b) in the direction of a basis axis (x) and barber poles (4) optionally at 45 degrees on at least the the outer impedances.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor.The The invention relates to a magnetic field sensor.

Aus der DE 44 36 876 A1 ist ein Magnetfeldsensor bekannt, mit dem es möglich ist, den Gradienten eines magnetischen Feldes zu messen. Ein solcher Magnetfeldsensor ist in einer Prinzipdarstellung in 2 dargestellt. Er enthält eine Brückenschaltung 2 in Form einer Wheatstone-Brücke mit einem ersten und einem zweiten Brückenzweig 22 bzw. 24 die voneinander um eine Basislänge b = x2 – x1 voneinander entfernt angeordnet sind. Jeder Brückenzweig 22, 24 enthält zwei in Reihe geschaltete erste Teilzweige 22-1, 22-2 bzw. zweite Teilzweige 24-3, 24-4 mit jeweils zumindest einem magnetoresistiven Widerstand R1, R2 bzw. R3, R4. Bei den magnetoresistiven Widerständen R1,2 und R3,4 handelt es sich jeweils um einen oder mehrere in Serie geschaltete Schichtwiderstände, die sich in Längsrichtung senkrecht zur Abstandsachse x der Brückenschaltung 2 erstrecken und auf einem in der Figur nicht dargestellten Substrat angeordnet sind.From the DE 44 36 876 A1 For example, a magnetic field sensor with which it is possible to measure the gradient of a magnetic field is known. Such a magnetic field sensor is shown in a schematic diagram in FIG 2 shown. It contains a bridge circuit 2 in the form of a Wheatstone bridge with a first and a second bridge branch 22 respectively. 24 which are spaced from each other by a base length b = x 2 - x 1 . Every bridge branch 22 . 24 contains two first sub-branches connected in series 22-1 . 22-2 or second sub-branches 24-3 . 24-4 each with at least one magnetoresistive resistor R 1 , R 2 and R 3 , R 4 . The magnetoresistive resistors R 1, 2 and R 3, 4 are each one or more series-connected sheet resistors which extend in the longitudinal direction perpendicular to the spacing axis x of the bridge circuit 2 extend and are arranged on a substrate, not shown in the figure.

Die magnetoresistiven Widerstände R1,2 und R3,4 eines jeden Brückenzweiges 22 bzw. 24 sind jeweils mit einer Mehrzahl von so genannten Barberpolen 4 versehen, die gegen die Längsachse eine Neigung von 45° aufweisen und in der Figur schematisch durch diagonale Linien veranschaulicht sind. Zum Nachweis eines Gradienten der Komponente Bx eines Magnetfeldes B in Richtung der Abstandsachse x sind die in einem Brückenzweig 22, 24 in verschiedenen Teilzweigen 22-1, 22-2 bzw. 24-3, 24-4 angeordneten magnetoresistiven Widerstände R1,2 bzw. R3,4 jeweils mit um 90° versetzt zueinander angeordneten Barberpolen 4 versehen, wobei die an ein gemeinsames Potential angeschlossenen Teilzweige 22-1, 24-3 bzw. 22-2, 24-4 verschiedener Brückenzweige 22, 24 zueinander parallel orientierte Barberpole 4 aufweisen.The magnetoresistive resistors R 1,2 and R 3,4 of each bridge branch 22 respectively. 24 are each with a plurality of so-called Barber poles 4 provided, which have an inclination of 45 ° against the longitudinal axis and are schematically illustrated in the figure by diagonal lines. To detect a gradient of the component B x of a magnetic field B in the direction of the distance axis x are in a bridge branch 22 . 24 in different sub-branches 22-1 . 22-2 respectively. 24-3 . 24-4 arranged magnetoresistive resistors R 1,2 and R 3,4 each with offset by 90 ° to each other Barberpolen 4 provided, wherein the partial branches connected to a common potential 22-1 . 24-3 respectively. 22-2 . 24-4 various bridge branches 22 . 24 Parallel to each other oriented Barberpole 4 exhibit.

Die Brückenschaltung 2 wird mit einer konstanten Versorgungsspannung V0 (oder alternativ mit einem konstanten Versorgungsstrom) gespeist und ein dem Gradienten eines magnetischen Feldes B in Richtung der Abstandsachse x annähernd proportionale Spannungsdifferenz V1 – V2 wird über der Brückendiagonale 26 abgegriffen. In Abwesenheit eines Magnetfeldgradienten ist die Spannungsdifferenz V1 – V2 (Brückenspannung) über der Brückendiagonale bei ideal abgeglichenen Widerständen R1 bis R4 gleich Null.The bridge circuit 2 is supplied with a constant supply voltage V 0 (or alternatively with a constant supply current) and a voltage difference V 1 -V 2 approximately proportional to the gradient of a magnetic field B in the direction of the distance axis x becomes over the bridge diagonal 26 tapped. In the absence of a magnetic field gradient, the voltage difference V 1 -V 2 (bridge voltage) across the bridge diagonal is ideally equal to ideally balanced resistors R 1 to R 4 .

Für die Spannungen V1 und V2 gelten die Berechnungen V1 = V0R2/(R1 + R2) V2 = V0R4/(R3 + R4),wobei V0 die Versorgungsspannung der Brückenschaltung 2 ist. Für die Brückenspannung V1 – V2 folgt näherungsweise: V1 – V2 = V0(R2 – R4)/2R For the voltages V 1 and V 2 the calculations apply V 1 = V 0 R 2 / (R 1 + R 2 ) V 2 = V 0 R 4 / (R 3 + R 4 ) where V 0 is the supply voltage of the bridge circuit 2 is. For the bridge voltage V 1 - V 2 follows approximately: V 1 - V 2 = V 0 (R 2 - R 4 ) / 2R

Wobei R der nominelle Widerstandswert, d. h. der Widerstandswert in Abwesenheit eines Magnetfeldes B (B = 0) aller magnetoresistiven Widerstände R1-4 ist. Wegen der Orientierung der Barberpole 4 folgt für die Magnetfeldabhängigkeit R2 = R2(0) + (∂R2/∂B)B(x1) R4 = R4(0) + (∂R4/∂B)B(x2) Wherein R is the nominal resistance value, ie the resistance value in the absence of a magnetic field B (B = 0) of all magnetoresistive resistors R 1-4 . Because of the orientation of the barber poles 4 follows for the magnetic field dependence R 2 = R 2 (0) + (∂R 2 / ∂B) B (x 1 ) R 4 = R 4 (0) + (∂R 4 / ∂B) B (x 2 )

Dabei sind R2(0) und R4(0) die jeweiligen tatsächlichen Widerstandswerte der Widerstände R2 bzw. R4 für B = 0, die aus fertigungstechnischen Gründen vom nominellen Widerstandswert abweichen. Mit den Beziehungen ∂R2/∂B = ∂R/∂B + ∂(R2 – R)/∂B ∂R4/∂B = ∂R/∂B + ∂(R4 – R)/∂B ergibt sich für die Brückenspannung V1 – V2: (V1 – V2)(2R/V0) = [R2(0) – R4(0)] + [∂(R2 – R)/∂B – ∂(R4 – R)/∂B]B(x1) + [(x2 – x1)∂R/∂B]∂B/∂x (1) In this case, R 2 (0) and R 4 (0) are the respective actual resistance values of the resistors R 2 and R 4 for B = 0, which deviate from the nominal resistance value for manufacturing reasons. With the relationships ∂R 2 / ∂B = ∂R / ∂B + ∂ (R 2 - R) / ∂B ∂R 4 / ∂B = ∂R / ∂B + ∂ (R 4 - R) / ∂B results for the bridge voltage V 1 - V 2 : (V 1 - V 2 ) (2R / V 0 ) = [R 2 (0) - R 4 (0)] + [∂ (R 2 - R) / ∂B - ∂ (R 4 - R) / ∂B] B (x 1 ) + [(x 2 - x 1 ) ∂R / ∂B] ∂B / ∂x (1)

Das erste Glied der Summe stellt eine Offsetspannung dar, die zusammenhängt mit der nicht perfekten Gleichheit der Magnetowiderstände, d. h. deren Abweichung vom nominellen Widerstandswert R und der daraus folgenden Asymmetrie der Brückenschaltung 2. Diese Offsetspannung kann prinzipiell in einer nachgeschalteten Verstärkerstufe abgeglichen werden, kann aber zusätzlich eine Temperaturdrift aufweisen, da die magnetoresistiven Widerstände eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Das zweite Glied ist eine Spannung, die proportional zu der Magnetfeldstärke ist und durch eine Asymmetrie der Brückenschaltung 2 verursacht ist. Störende homogene Magnetfelder würden sich entsprechend dieses Glieds bemerkbar machen. Das dritte Glied stellt das eigentliche Messsignal dar und ist proportional zum Gradienten ∂B/∂x des Magnetfeldes B in Abstandsrichtung x. Das Gradiometerprinzip in der Messbrücke führt im Sensorausgang (Brückendiagonale 26) zu einem Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal entsprechend der Gleichung [(x2 – x1)(∂R/∂B)/{∂(R2 – R)/∂B – ∂(R4 – R)/∂B}]·[(∂B/∂x)/B] (2) The first term of the sum represents an offset voltage which is related to the imperfect equality of the magnetoresistors, ie their deviation from the nominal resistance R and the consequent asymmetry of the bridge circuit 2 , This offset voltage can be balanced in principle in a downstream amplifier stage, but may additionally have a temperature drift, since the magnetoresistive resistors have a temperature dependence. The second term is a voltage that is proportional to the magnetic field strength and an asymmetry of the bridge circuit 2 caused. Disturbing homogeneous magnetic fields would become noticeable according to this term. The third term represents the actual measurement signal and is proportional to the gradient ∂B / ∂x of the magnetic field B in the distance direction x. The gradiometer principle in the measuring bridge leads in the sensor output (bridge diagonal 26 ) to a ratio of useful signal to interference signal according to the equation [(X 2 - x 1 ) (∂R / ∂B) / {∂ (R 2 - R) / ∂B - ∂ (R 4 - R) / ∂B}] · [(∂B / ∂x) / B] (2)

Dieses Verhältnis wird wesentlich beeinflusst durch die Symmetrie der Brückenschaltung 2, die durch die Fertigungstechnik bestimmt ist und insbesondere bei einer photolithographischen Herstellung der magnetoresistiven Widerstände aus Dünnschichten optimiert werden kann.This ratio is significantly influenced by the symmetry of the bridge circuit 2 , which is determined by the manufacturing technology and can be optimized in particular in a photolithographic production of the magnetoresistive resistors of thin films.

Den Gleichungen (1) und (2) ist nun zu entnehmen, dass die Messempfindlichkeit des Magnetfeldsensors direkt proportional zur Basislänge b = x2 – x1 ist.It can be seen from the equations (1) and (2) that the measuring sensitivity of the magnetic field sensor is directly proportional to the basic length b = x 2 -x 1 .

Die vorstehend anhand eines so genannten AMR-Wandlers, dessen magnetoresistive Widerstände einen anisotropen oder anomalen Magnetowiderstandseffekt zeigen (anomalous magnetoresistance), vorgetragenen Überlegungen gelten auch für Wheatstone-Brückenschaltungen, deren Widerstände einen von der Magnetfeldstärke und von der Magnetfeldrichtung abhängigen ohmschen Widerstand aufweisen, beispielsweise auf der Grundlage des GMR- oder TMR-Effektes beruhen (giant bzw. tunneling magnetoresistance). Aufgrund der in neuerer Zeit entdeckten Vielzahl von neuen Magnetowiderstandseffekten werden diese in der Literatur auch unter dem Sammelabkürzung „XMR" geführt.The above on the basis of a so-called AMR converter whose magnetoresistive resistors show an anisotropic or anomalous magnetoresistance effect (anomalous magnetoresistance), the considerations given also apply to Wheatstone bridge circuits, their resistances one of the magnetic field strength and have resistance dependent on the magnetic field direction, for example, based on the GMR or TMR effect (giant or tunneling magnetoresistance). Because of the recent time be discovered variety of new magnetoresistance effects these are also listed in the literature under the collective abbreviation "XMR".

In einer Vielzahl von Applikationen ist es neben der Messung eines Magnetfeldgradienten erforderlich, die Magnetfeldstärke zu bestimmen. Mit anderen Worten: Es muss nicht nur der Ort der Magnetfeldquelle sondern auch deren Quellstärke gemessen werden. Hierzu ist es im Stand der Technik bekannt, ebenfalls vier magnetoresistive Widerstände R1, R2 bzw. R3, R4 in Form einer Widerstandsbrücke anzuordnen, wobei allerdings in diesem Fall die magnetoresistiven Widerstände R1, R3 und R2, R4 der an ein gemeinsames Potential angeschlossenen Teilzweige 22-1, 24-3 bzw. 22-2, 24-4 verschiedener Brückenzweige 22, 24 Barberpole 4 aufweisen, die senkrecht zueinander orientiert sind, wie es in der 2 gestrichelt angedeutet ist. Um bei einer solchen Anordnung eine Abhängigkeit von eventuell noch vorhandenen Gradienten des magnetischen Feldes zu verringern, ist die Basislänge b abweichend von der Darstellung auf ein Minimum beschränkt.In a large number of applications, in addition to the measurement of a magnetic field gradient, it is necessary to determine the magnetic field strength. In other words, not only the location of the magnetic field source but also its source strength must be measured. For this purpose, it is known in the art, also four magnetoresistive resistors R 1 , R 2 and R 3 , R 4 to be arranged in the form of a resistance bridge, although in this case, the magnetoresistive resistors R 1 , R 3 and R 2 , R 4 the sub-branches connected to a common potential 22-1 . 24-3 respectively. 22-2 . 24-4 various bridge branches 22 . 24 Barber Pole 4 have, which are oriented perpendicular to each other, as in the 2 indicated by dashed lines. In order to reduce a dependence on any remaining gradient of the magnetic field in such an arrangement, the base length b is deviated from the representation to a minimum.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, einen Magnetfeldsensor anzugeben, mit dem sowohl die Messung eines Magnetfeldgradienten als auch die Messung einer Magnetfeldstärke möglich ist.Of the Invention is now based on the object, a magnetic field sensor specify with which both the measurement of a magnetic field gradient as well as the measurement of a magnetic field strength is possible.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Magnetfeldsensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ein solcher Magnetfeldsensor enthält eine Brückenschaltung mit zumindest einem ersten und einem zweiten Brückenzweig die jeweils zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände enthalten, von denen jeweils zumindest einer magnetoresistiv ist, wobei die zumindest zwei magnetoresistiven, zu verschiedenen Brückenzweigen gehörenden Widerstände zur Messung des Gradienten des magnetischen Feldes in Richtung einer Basisachse eine Basislänge voneinander beabstandet angeordnet sind. In die Brückenschaltung ist ein dritter Brückenzweig geschaltet, der gemeinsam mit dem ersten oder zweiten Brückenzweig zur Messung der Magnetfeldstärke dient.The said object is according to the invention solved with a magnetic field sensor with the features of claim 1. Such a magnetic field sensor includes a bridge circuit with at least a first and a second bridge branch each at least two resistors connected in series, of which at least one is magnetoresistive, the at least two magnetoresistive, to different bridge branches belonging resistors for measuring the gradient of the magnetic field in the direction of Base axis a base length are arranged spaced from each other. In the bridge circuit is a third bridge branch connected in common with the first or second bridge branch for measuring the magnetic field strength serves.

Durch die gemeinsame Nutzung eines der Brückenzweige für die Gradienten des Magnetfeldes und für die Messung der Magnetfeldstärke ist der Aufbau gegenüber einer herkömmliche Anordnung, bei der zwei voneinander unabhängige Brückenschaltungen zum Einsatz kommen, vereinfacht. Durch die Integration beider Messfunktionen in eine Brückenschaltung werden die Feldstärke und der Gradient praktisch am selben Ort gemessen und die Rekonstruktion des Magnetfeldes durch Integration ist vereinfacht. Ebenso ist der Einfluss von Driftspannungen durch Temperaturunterschiede oder unterschiedliche Massepunkte reduziert.By sharing one of the bridge branches for the gradients of the magnetic field and for the measurement of the magnetic field strength is the construction opposite a conventional one Arrangement in which two independent bridge circuits are used come, simplified. By integrating both measuring functions in a bridge circuit become the field strength and the gradient measured in virtually the same place and the reconstruction the magnetic field through integration is simplified. Likewise is the Influence of drift voltages due to temperature differences or different Mass points reduced.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält der dritte Brückenzweig zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände, die magnetfeldunabhängig sind. Durch diese Maßnahme ist der Einfluss eines Gradienten eines Magnetfeldes bei der Messung der Magnetfeldstärke praktisch eliminiert, da zur Brückenspannung, das heißt zur Spannungsdifferenz zwischen dem Mittenabgriffen des ersten und dritten oder zweiten und dritten Brückenzweiges ausschließlich die am Ort des ersten bzw. zweiten Brückenzweiges herrschende Magnetfeldstärke beiträgt.In an advantageous embodiment of the invention contains the third bridge branch at least two resistors connected in series, which are magnetic field independent. By this measure is the influence of a gradient of a magnetic field in the measurement the magnetic field strength virtually eliminated because of bridge voltage, this means to the voltage difference between the center taps of the first and third or second and third bridge branches excluding the at the location of the first and second bridge branch prevailing magnetic field strength contributes.

Vorzugsweise haben alle Widerstände der Brückenschaltung denselben nominellen Widerstandswert. Durch diese Maßnahme ist sowohl das Rauschen begrenzt als auch die Verlustleistung ge genüber einer konventionellen Messanordnung mit zwei Brückenschaltungen reduziert.Preferably have all the resistance the bridge circuit the same nominal resistance. By this measure is both the noise limited and the power loss ge compared to one reduced conventional measuring arrangement with two bridge circuits.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in the other dependent claims specified.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:to further explanation The invention is based on the embodiments referred to the drawing. Show it:

1 einen Magnetfeldsensor gemäß der Erfindung, bei dem der dritte Brückenzweig zwei in Reihe geschaltete magnetfeldunabhängige Widerstände enthält, 1 a magnetic field sensor according to the invention, wherein the third bridge branch two series-connected magnetic field independent Wider contains states,

2 Magnetfeldsensoren zur Messung des Gradienten eines Magnetfeldes und einer Magnetfeldstärke, wie sie jeweils im Stand der Technik bekannt sind, 2 Magnetic field sensors for measuring the gradient of a magnetic field and a magnetic field strength, as are known in the prior art,

3 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors. 3 a further advantageous embodiment of a magnetic field sensor according to the invention.

Gemäß 1 ist der Brückenschaltung 2 des Magnetfeldsensors neben den bereits anhand von 2 erläuterten ersten und zweiten Brückenzweigen 22, 24 ein dritter Brückenzweig 23 zugeschaltet, so dass auf diese Weise drei nutzbare Brückenschaltungen entstehen. Bei den magnetoresistiven Widerständen R1-4 des Ausführungsbeispiels handelt es sich um so genannte AMR-Widerstände, beispielsweise aus Permalloy bestehende, auf einem Siliziumwafer aufgebrachte und mit Barberpolen 4 versehene Dünnschichtwiderstände. Die magnetoresistiven Widerstände R1-4 sind nominell gleich, d. h. haben im Rahmen der Fertigungstoleranzen in Abwesenheit eines Magnetfeldes praktisch denselben Wert R ≈ R1(0) ≈ R2(0) ≈ R3(0) ≈ R4(0).According to 1 is the bridge circuit 2 of the magnetic field sensor in addition to those already based on 2 explained first and second bridge branches 22 . 24 a third bridge branch 23 switched so that arise in this way three usable bridge circuits. In the magnetoresistive resistors R 1-4 of the embodiment are so-called AMR resistors, for example, consisting of Permalloy, applied to a silicon wafer and with Barberpolen 4 provided thin-film resistors. The magnetoresistive resistors R 1-4 are nominally the same, ie within the scope of the manufacturing tolerances in the absence of a magnetic field have practically the same value R ≈ R 1 (0) ≈ R 2 (0) ≈ R 3 (0) ≈ R 4 (0).

Der dritte Brückenzweig 23 besteht ebenfalls aus zwei dritten Teilzweigen 23-5 und 23-6, die jeweils zumindest einen magnetfeldunabhängigen ohmschen Widerstand R5 und R6 enthalten. Für die Brückenspannung V1 – V3 zwischen dem ersten Brü ckenzweig 22 und dem dritten Brückenzweig 23 gilt dann näherungsweise die folgende Beziehung: V1 – V3 = (E/2R)[{R2(0) – R} + (∂R2/∂B)B(x1)] The third bridge branch 23 also consists of two third sub-branches 23-5 and 23-6 , each containing at least one magnetic field independent ohmic resistance R 5 and R 6 . For the bridge voltage V 1 - V 3 between the first bridge branch 22 and the third bridge branch 23 then approximately the following relationship applies: V 1 - V 3 = (E / 2R) [{R 2 (0) - R} + (∂R 2 / ∂B) B (x 1 )]

Entsprechend gilt für die Brückenspannung V1 – V3 zwischen dem zweiten Brückenzweig 24 und dem dritten Brückenzweig 26 V2 – V3 die Beziehung V2 – V3 = (E/2R) [{R4(0) – R} + (∂R4/∂B)B(x2)] Accordingly applies to the bridge voltage V 1 - V 3 between the second bridge branch 24 and the third bridge branch 26 V2 - V 3 the relationship V 2 - V 3 = (E / 2R) [{R 4 (0) - R} + (∂R 4 / ∂B) B (x 2 )]

Die Brückenspannungen V1 – V3 und V2 – V3 sind jeweils proportional zur Stärke des Magnetfeldes B am Ort x1 bzw. x2. Da die Widerstände R5, R6 des dritten Brückenzweiges 23 vom magnetischen Feld unabhängig sind, kann dessen Position frei gewählt werden, wie dies in der Figur durch den Doppelpfeil 28 veranschaulicht ist.The bridge voltages V 1 - V 3 and V 2 - V 3 are each proportional to the strength of the magnetic field B at the location x 1 and x 2, respectively. Since the resistors R 5 , R 6 of the third bridge branch 23 are independent of the magnetic field, its position can be freely selected, as in the figure by the double arrow 28 is illustrated.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist alternativ zur Ausführungsform 1 ein dritter Brückenzweig 23' vorgesehen, der in seinen Teilzweigen 23'-5 und 23'-6 jeweils magnetoresistive Widerstände R'5, R'6 enthält, die möglichst nahe an den Widerständen R3 bzw. R4 des zweiten Brückenzweiges 24 angeordnet sind. Die Barberpole 4 einander zugeordneter Teilzweige 24-3, 23'-5 und 24-4, 23'-6 des zweiten bzw. dritten Brückenzweiges 24 bzw. 23' stehen jeweils senkrecht aufeinander, um die Messung der Magnetfeldstärke zu ermöglichen. In dieser Ausführungsform ist die Empfindlichkeit bei der Messung der Magnetfeldstärke gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 1 um den Faktor 2 erhöht.In the embodiment according to 3 is a third bridge branch as an alternative to embodiment 1 23 ' provided in its sub-branches 23'-5 and 23'-6 each magnetoresistive resistors R ' 5 , R' 6 contains the closest possible to the resistors R 3 and R 4 of the second bridge branch 24 are arranged. The barber poles 4 associated sub-branches 24-3 . 23'-5 and 24-4 . 23'-6 of the second and third bridge branch, respectively 24 respectively. 23 ' are each perpendicular to each other to allow the measurement of the magnetic field strength. In this embodiment, the sensitivity in the measurement of the magnetic field strength over the embodiment after 1 increased by a factor of 2.

Die Dimensionierung der zusätzlichen Widerstände R5, R6 bzw. R'5, R'6 erfolgt unter der Bedingung, dass diese nur zu einer geringen Erhöhung des Rauschens der Brückenspannungen führen sollen. Um eine Zunahme des Rauschens der Brückenspannung V1 – V2 durch die zusätzlichen Widerstände R5, R6 bzw. R'5, R'6 zu begrenzen, ist es zweckmäßig, die relative Streubreite der zusätzlichen Widerstände R5, R6 bzw. R'5, R'6 im Rahmen des fertigungstechnisch Möglichen weitgehend zu minimieren (<< 1). Mit anderen Worten: Die durch Fertigungstoleranzen verursachte absolute Streubreite der Widerstandswerte der zusätzlichen Widerstände R5, R6 bzw. R'5, R'6 muss sehr viel kleiner sein als deren nomineller Widerstandswert.The dimensioning of the additional resistors R 5 , R 6 and R ' 5 , R' 6 is carried out under the condition that they should only lead to a slight increase in the noise of the bridge voltages. To limit an increase in the noise of the bridge voltage V 1 - V 2 by the additional resistors R 5 , R 6 and R ' 5 , R' 6 , it is expedient, the relative spread of the additional resistors R 5 , R 6 and R ' 5 , R' 6 within the scope of the manufacturing technology possible to minimize (<< 1). In other words, the absolute spread of the resistance values of the additional resistors R 5 , R 6 or R ' 5 , R' 6 caused by manufacturing tolerances must be much smaller than their nominal resistance value.

Der Rauschspannungsanteil bei der Brückenspannung V1 – V3 hängt außerdem von den absoluten Widerstandswerten der zusätzlichen Widerstände R5, R6 bzw. R'5, R'6 ab. Dieser ist umso kleiner, je kleiner diese Widerstandswerte sind. Um jedoch die Verlustleistung der Brückenschaltung durch den zusätzlich dritten Brückenzweig 23 bzw. 23' zu begrenzen, ist es zweckmäßig, den Widerstandswert der Widerstände R5 und R6 bzw. R'5, R'6 nicht zu klein zu wählen. Vorzugsweise ist dieser Widerstandswert gleich dem nominellen Widerstandswert der magnetoresistiven Widerstände R1, R2 und R3, R4 im ersten bzw. zweiten Brückenzweig 22 bzw. 24. Die Widerstände R1 – R6 haben somit vorzugsweise alle denselben nominellen Wert R, d. h. sind im Rahmen der fertigungstechnischen Toleranzen in Abwesenheit eines Magnetfeldes praktisch gleich groß. Bei einer solchen Dimensionierung der Widerstände R5 und R6 bzw. R'5, R'6 nimmt zwar die Verlustleistung der Brückenschaltung 2 um den Faktor 1,5 gegenüber einer herkömmlichen Brückenschaltung zu. Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem ein erster Sensor zur Messung der Magnetfeldstärke und ein zweiter Sensor zur Messung des Gradienten des Magnetfeldes vorgesehen sind, wird jedoch um den Faktor 0,75 weniger Leistung aufgenommen.The noise voltage component at the bridge voltage V 1 -V 3 also depends on the absolute resistance values of the additional resistors R 5 , R 6 and R ' 5 , R' 6 . This is the smaller, the smaller these resistance values are. However, to the power loss of the bridge circuit through the additional third bridge branch 23 respectively. 23 ' to limit, it is appropriate not to select the resistance value of the resistors R 5 and R 6 or R ' 5 , R' 6 too small. This resistance value is preferably equal to the nominal resistance value of the magnetoresistive resistors R 1 , R 2 and R 3 , R 4 in the first and second bridge branch, respectively 22 respectively. 24 , The resistors R 1 - R 6 thus preferably all have the same nominal value R, ie are virtually equal in the context of manufacturing tolerances in the absence of a magnetic field. In such a dimensioning of the resistors R 5 and R 6 or R ' 5 , R' 6 , although takes the power loss of the bridge circuit 2 by a factor of 1.5 compared to a conventional bridge circuit. Compared to the prior art, in which a first sensor for measuring the magnetic field strength and a second sensor for measuring the gradient of the magnetic field are provided, however, the power is reduced by a factor of 0.75.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, in denen als magnetoresistive Widerstände AMR-Widerstände gezeigt sind. Als magnetoresistive Widerstände sind jedoch grundsätzlich auch Widerstände geeignet, deren magnetoresistive Eigenschaften auf anderen physikalischen Effekten beruhen, beispielsweise TMR- oder GMR-Widerstände, und bei de nen der ohmsche Widerstand von der Richtung und der Stärke des Magnetfeldes abhängt.The Invention is based on embodiments explains in which AMR resistors are shown as magnetoresistive resistors are. As magnetoresistive resistors, however, are basically also resistors suitable, their magnetoresistive properties on other physical effects based, for example, TMR or GMR resistors, and de the ohmic Resistance depends on the direction and strength of the magnetic field.

Darüber hinaus ist es – wenngleich aufgrund der verringerten Empfindlichkeit wenig vorteilhaft – auch prinzipiell ausreichend, wenn der erste und zweite Brückenzweig 22 bzw. 24 und gegebenenfalls auch der dritte Brückenzweig jeweils nur einen einzigen magnetoresistiven Widerstand aufweisen.In addition, it is - albeit due the reduced sensitivity is less advantageous - also sufficient in principle, if the first and second bridge branch 22 respectively. 24 and optionally also the third bridge branch each having only a single magnetoresistive resistance.

Claims (6)

Magnetfeldsensor zum Messen eines magnetischen Feldes (B) mit einer Brückenschaltung (2) mit zumindest einem ersten und einem zweiten Brückenzweig (22 bzw. 24), die jeweils zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R1, R2 bzw. R3, R4) enthalten, von denen jeweils zumindest einer magnetoresistiv ist, wobei die zumindest zwei magnetoresistiven, zu verschiedenen Brückenzweigen (22, 24) gehörenden Widerstände (R1, R3 und R2, R4) zur Messung des Gradienten des magnetischen Feldes (B) in Richtung einer Basisachse (x) eine Basislänge (b) voneinander beabstandet angeordnet sind, sowie mit einem in die Brückenschaltung (2) geschalteten dritten Brückenzweig (23, 23'), der gemeinsam mit dem ersten oder zweiten Brückenzweig (22 bzw. 24) zur Messung der Magnetfeldstärke dient.Magnetic field sensor for measuring a magnetic field (B) with a bridge circuit ( 2 ) having at least a first and a second bridge branch ( 22 respectively. 24 ), each of which contains at least two series-connected resistors (R 1 , R 2 or R 3 , R 4 ), of which at least one magnetoresistive in each case, wherein the at least two magnetoresistive, to different bridge branches ( 22 . 24 ) belonging to resistors (R 1 , R 3 and R 2 , R 4 ) for measuring the gradient of the magnetic field (B) in the direction of a base axis (x) a base length (b) are arranged spaced from each other, and with a in the bridge circuit ( 2 ) connected third bridge branch ( 23 . 23 ' ), which together with the first or second bridge branch ( 22 respectively. 24 ) is used to measure the magnetic field strength. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, bei dem der dritte Brückenzweig (23) zumindest zwei in Reihe geschaltete Widerstände (R5, R6) enthält, die magnetfeldunabhängig sind.Magnetic field sensor according to Claim 1, in which the third bridge branch ( 23 ) contains at least two series-connected resistors (R 5 , R 6 ) which are magnetic field independent. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle Widerstände (R1, R2, R3, R4 und R5, R6 bzw. R'5, R'6) der Brückenschaltung (2) denselben nominellen Widerstandswert haben.Magnetic field sensor according to one of the preceding claims, in which all the resistors (R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 , R 6 or R ' 5 , R' 6 ) of the bridge circuit ( 2 ) have the same nominal resistance. Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, bei dem im dritten Brückenzweig (23') zumindest zwei in Reihe geschaltete magnetoresistive Widerstände (R'5, R'6) angeordnet sind.Magnetic field sensor according to Claim 2, in which in the third bridge branch ( 23 ' ) at least two series-connected magnetoresistive resistors (R ' 5 , R' 6 ) are arranged. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die magnetoresistiven Widerstände (R1, R2 und R3, R4) des ersten und des zweiten Brückenzweiges (22 bzw. 24) AMR-Widerstände sind, die in jedem Brückenzweig (22, 24) mit ihrer Längsrichtung senkrecht zur Basisachse (x) mit unter 45° zu dieser Längsrichtung orientierten Barberpolen (4) angeordnet sind.Magnetic field sensor according to one of the preceding claims, in which the magnetoresistive resistors (R 1 , R 2 and R 3 , R 4 ) of the first and the second bridge branch ( 22 respectively. 24 ) AMR resistors are in each bridge branch ( 22 . 24 ) with its longitudinal direction perpendicular to the base axis (x) with at 45 ° to this longitudinal direction oriented Barber poles ( 4 ) are arranged. Magnetfeldsensor nach Anspruch 5, bei dem die magnetoresistiven Widerstände (R'5, R'6) des dritten Brückenzweiges (23') AMR-Widerstände sind und in diesem mit ihrer Längsrichtung senkrecht zur Basisachse (x) mit unter 45° zu dieser Längsrichtung orientierten Barberpolen (4) angeordnet sind.Magnetic field sensor according to Claim 5, in which the magnetoresistive resistors (R ' 5 , R' 6 ) of the third bridge branch (R ' 5 , R' 6 ) 23 ' ) Are AMR resistors and in this with their longitudinal direction perpendicular to the base axis (x) with at 45 ° to this longitudinal direction oriented Barber poles ( 4 ) are arranged.
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