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WO2008040659A2 - Method for operating a magnetic field sensor and associated magnetic field sensor - Google Patents

Method for operating a magnetic field sensor and associated magnetic field sensor Download PDF

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Publication number
WO2008040659A2
WO2008040659A2 PCT/EP2007/060160 EP2007060160W WO2008040659A2 WO 2008040659 A2 WO2008040659 A2 WO 2008040659A2 EP 2007060160 W EP2007060160 W EP 2007060160W WO 2008040659 A2 WO2008040659 A2 WO 2008040659A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic field
hysteresis
current
field sensor
characteristic
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/060160
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2008040659A3 (en
Inventor
Gotthard Rieger
Richard Schmidt
Roland Weiss
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2008040659A2 publication Critical patent/WO2008040659A2/en
Publication of WO2008040659A3 publication Critical patent/WO2008040659A3/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a magnetic field sensor from at least one magnetoresistive element according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to an associated magnetic field sensor.
  • the magnetic field sensor preferably four magnetoresistive elements in bridge circuit are present.
  • Magnetic field sensors working according to the magnetoresistive effect are known in particular as so-called GMR (Giant Magneto Resistance) and TMR (Tunnel Magneto Resistance), which operate according to the so-called “spin-valve” principle
  • GMR Global Magneto Resistance
  • TMR Tunnelnel Magneto Resistance
  • Position, speed, speed, field or current sensors are an alternative to the Hall sensors commonly used in practice.
  • MR-based sensors have become increasingly known in recent years.
  • the main advantages are compared to
  • Hall sensors in the simpler system structure, the greater immunity to interference - due to the possibility of a design with greatly reduced external field sensitivity - and the lower noise.
  • fully integrated solutions are suitable for MR-based sensors, since the magnetoresistive elements can be applied as a back-end process, for example in CMOS technology, and thus no additional chip area is required.
  • each four elements are connected to a known from electrical engineering Wheatstone bridge to a more accurate, of temperature fluctuations, Foreign fields or other disturbances to achieve more independent measurement.
  • the effect on the output signal of the sensitive element or the sensitive elements for magnetic field / current measurement depends strongly on the history of the magnetic field and the temperature at the location of the sensor, the influence can not practically be numerically excluded. In addition to the reduced accuracy over temperature and current range, therefore, the possible offset calibration is difficult.
  • MR sensors achieve high accuracies, i. ⁇ 1% error at room temperature, only in the temperature range up to 85 ° C.
  • MR sensors with increased effort and cost can be achieved via a continuous closed-loop control, so-called “closed loop” or compensation circuit but the disadvantage of a very high power consumption (1 W at a measuring current of 25 A).
  • the measuring range is limited to approximately 150 A.
  • Devices for measuring the magnetic field are known from the prior art in a wide variety of designs, including, for example, DE 43 43 686 B4, DE 10 2004 056 38 A1, DE 43 19 149 A1, DE 198 34 183 A1, US 2005 / 0150295 Al and DE 29 44 490 Al is referenced.
  • elements with two preferred magnetic directions are used which, when used as intended, "fringe" in one of the two directions, the hysteresis behavior occurring being reduced by suitable measures, but in particular only the offset behavior being minimized.
  • a compensated magnetic field sensor which is constructed with respect to a sensor plane of thin film strips, known with means for compensation, in which the compensation is carried out by trained in specific geometry layer strip conductor on both sides of the sensor plane.
  • the invention relates to the reduction and in particular the minimization of the hysteresis properties in magnetic field sensor with magnetoresistive elements which are subject to hysteresis.
  • a high-frequency magnetic field pulse on the measuring current - preferably with decaying amplitude - which is generated by means of a particular integrated current-carrying conductor, a current-carrying conductor loop or a current-carrying coil arrangement, the hysteresis of a single magnetoresistive element or a bridge constructed thereof be significantly reduced.
  • the final magnetization field is chosen so that a maximum effect of hysteresis reduction is achieved with reasonable energy expenditure.
  • GMR and TMR elements are advantageously constructed in thin-film construction and operate according to the "spin-valve" principle, which is described by way of example in “Physics in our time” 2002, page 210 et seq.
  • the hysteresis is no longer subject to the influence of the random sequence of values of the measuring field.
  • the magnetic memory of the individual magnetoresistive element is reduced or overwritten by the temporarily superimposed Entmagnetleitersfeider and thus minimized.
  • a hysteresis-reduced characteristic can be obtained.
  • the alternating field or the current pulse superimposed on the measuring field, in particular with decreasing amplitude can be generated by an internal conductor loop.
  • a superposition of a high-frequency pulse which may be undamped or decaying, results in a significant reduction of the hysteresis in an internal conductor loop.
  • FIG. 1 shows a diagram with magnetic hysteresis curves
  • FIG. 2 shows a diagram for clarifying the invention
  • FIG. 3 shows a diagram for determining the hysteresis as a function of the current amplitude and the measuring method
  • FIG. 5 shows the plan view of the magnetic field sensor according to FIG. 4.
  • a reduction of the hysteresis can be done by superimposing a demagnetizing pulse.
  • the reduction of the hysteresis or the remanent magnetization of ferromagnetic materials is expediently carried out with an alternating field of decreasing amplitude.
  • the current I is shown on the abscissa and the sensor signal V on the ordinate.
  • the result is a hysteresis characteristic 21 or 21 'and the ideal, hysteresis-free characteristic 22. Due to the high-frequency superimposition of the alternating field, a hysteresis-reduced characteristic can be obtained in the magnetic system. It is advantageous in the case of magneto-resistive elements that the alternating field superimposed on the measuring field or the current pulse with decreasing amplitude can be generated by an internal conductor loop.
  • FIG. 3 it can be seen from FIG. 3 that a significant reduction of the hysteresis is achieved in an internal conductor loop by superposition of a high-frequency pulse, which may be unattenuated or decaying.
  • Graphs 31 to 33 show that with a typical design of an output amplitude of about 1 A, an effective reduction of hysteresis by a factor of 3 can be achieved.
  • a substrate is designated 40.
  • magnetoresistive elements 41, 42 43 and 44 are arranged, which together form a Wheatstone bridge.
  • Such bridge circuits for magnetic field sensors made of magnetoresistive elements 41, 42 43 and 44 are known from the prior art.
  • a loop with a current-carrying conductor 45 is present, which is designed as a rectangular current loop with several turns so that in each case two magnetoresistive elements 41, 42 and 43 are arranged in pairs in the longitudinal leg of the loop. This results in a U-shaped arrangement. It can be seen from FIG. 4 that the magnetoresistive elements 41, 42, 43 and 44 are incorporated in the substrate 40 itself, wherein the substrate 40 is covered by a non-conductive layer 46 for electrical insulation of the conductor loop 45.
  • an arrangement 50 for pulse current generation which forms a discrete circuit of a filter 51, an A / D converter 52, a computing unit 53 and a control unit 54 or an integrated chip topography with these functions ,
  • the chip topography can also directly form the substrate for the magnetoresistive elements.
  • the voltage signal U B passes through the filter 51 with associated A / D converter 52 to the arithmetic unit 53 and control unit 54 to the subsequent pulse current source 55.
  • the current signal I 3 feeds the conductor loop 45 and generates the alternating field or the pulses with decreasing amplitude.
  • Substrate and chip topography is advantageously realized in CMOS technology, which offers the possibility of a maximum miniaturization.
  • the conductor loop 45 is applied, I 3 can be removed from the IC integrated on the substrate 40.
  • the demagnetizing pulses are thus generated when an alternating field is impressed. These act as a control field, which is designated in Figure 5 by 47, which acts on the measuring field, which is designated in Figure 4 at 48.
  • the hysteresis error can thus be reduced, whereby the resolution and accuracy of the arrangement is markedly increased.
  • a reduction of up to a factor of 4 can be achieved. Since the Abmagnet Deutschensphasen can be very short, already A comparatively low amplitude is sufficient, the power consumption in the arrangement according to Figure 4/5 is significantly lower than in the known "close loop" method .No control is needed, so that the sensor maintains its quasi-passive character.
  • demagnetization phases can also be targeted in a so-called "power on reset” procedure or after particularly critical operating states, for example short circuit with very high magnetic fields, to create a defined, reproducible Initial state of the traces are used.

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Abstract

Magnetic field sensors made of magnetoresistive elements are known, wherein four such elements are used in a bridge circuit. As is known, such magnetoresistive elements, in which a measuring current can be detected as the magnetic field signal, have a characteristic curve affected by hysteresis. In order to reduce or minimize hysteresis, at least one high frequency end magnetization pulse is superimposed on the measuring current, thus significantly improving the measuring properties. For this purpose, a conductor loop (45), preferably with magnetoresistive sensor elements (41m -44) switched in a bridge circuit, is connected into the sensor (40).

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors und zugehöriger MagnetfeldsensorMethod for operating a magnetic field sensor and associated magnetic field sensor
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors aus wenigstens einem magnetoresisti- ven Element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auf einen zugehörigen Mag- netfeldsensor . Für eine praxisgerechte Realisierung des Magnetfeldsensors sind dabei vorzugsweise vier magnetoresistive Elemente in Brückenschaltung vorhanden.The invention relates to a method for operating a magnetic field sensor from at least one magnetoresistive element according to the preamble of claim 1. In addition, the invention relates to an associated magnetic field sensor. For a practical realization of the magnetic field sensor preferably four magnetoresistive elements in bridge circuit are present.
Nach dem magnetoresistiven Effekt arbeitende Magnetfeldsenso- ren sind insbesondere als so genannte GMR (Giant Magneto Resistance) und TMR (Tunnel Magneto Resistance) bekannt, die nach dem sog. „Spin-Valve"-Prinzip arbeiten. Solche Sensoren stellen in der Magnetfeld-basierten Positions-, Geschwindig- keits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik eine Alter- native zu den in der Praxis häufig verwendeten Hallsensoren dar .Magnetic field sensors working according to the magnetoresistive effect are known in particular as so-called GMR (Giant Magneto Resistance) and TMR (Tunnel Magneto Resistance), which operate according to the so-called "spin-valve" principle Position, speed, speed, field or current sensors are an alternative to the Hall sensors commonly used in practice.
Vor allem im Bereich der Positions- und Stromsensorik sind während der letzten Jahre verstärkt MR-basierte Sensoren be- kannt geworden. Die Hauptvorteile liegen im Vergleich zuParticularly in the field of position and current sensors, MR-based sensors have become increasingly known in recent years. The main advantages are compared to
Hall-Sensoren im einfacheren Systemaufbau, der größeren Störsicherheit - bedingt durch die Möglichkeit eines Designs mit stark reduzierter Fremdfeldempfindlichkeit - und dem geringeren Rauschen. Es bieten sich bei MR-basierten Sensoren vor allem voll integrierte Lösungen an, da die magnetoresistiven Elemente als Backend-Prozess beispielsweise in CMOS-Technolo- gie aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chipfläche beansprucht wird.Hall sensors in the simpler system structure, the greater immunity to interference - due to the possibility of a design with greatly reduced external field sensitivity - and the lower noise. Above all, fully integrated solutions are suitable for MR-based sensors, since the magnetoresistive elements can be applied as a back-end process, for example in CMOS technology, and thus no additional chip area is required.
Für praxisrelevante Anwendungen, vor allem in der Positions-, Drehzahl- und Stromsensorik, werden jeweils vier Elemente zu einer aus der Elektrotechnik bekannten Wheatstone-Brücke verschaltet, um eine genauere, von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern oder anderer Störeinflüsse unabhängigere Messung zu erreichen.For practical applications, especially in the position, speed and current sensors, each four elements are connected to a known from electrical engineering Wheatstone bridge to a more accurate, of temperature fluctuations, Foreign fields or other disturbances to achieve more independent measurement.
Allerdings kommt es vor allem bei gegenüber Raumtemperatur (T = 200C) erhöhten Temperaturen (T > 700C) - bedingt durch die Temperaturabhängigkeit der intrinsischen Materialeigenschaften, z.B. Koerzitivfeld, Remanenzmagnetisierung, auch zu Änderungen der Hysterese - zu teilweise ganz erheblichen Un- genauigkeiten bei der magnetischen Feldmessung. Vor allem die in der Stromsensorik geforderte Toleranz gegenüber Überströmen, d.h. Strömen, die um den Faktor 5 bis 12 größer sind als der nominale Maximalwert des zu messenden Stromes, stellt ein großes Problem bei der Reproduzierbarkeit der Kennlinie dar.However, especially at temperatures higher than room temperature (T = 20 ° C.) (T> 70 ° C.), partly due to the temperature dependence of the intrinsic material properties, eg coercive field, remanence magnetization, also changes in the hysteresis, sometimes quite considerable. accuracies in the magnetic field measurement. Above all, the required in the current sensor tolerance to overcurrents, ie currents which are greater by a factor of 5 to 12 than the nominal maximum value of the current to be measured, represents a major problem in the reproducibility of the characteristic.
Die gesamte Vorgeschichte des Magnetfeldsensors, insbesondere Überströme, können, wenn sie gleichzeitig mit hohen Temperaturen auftreten, was durchsetzt Erwärmungseffekte infolge des Überstromes häufig der Fall ist, über die Eigenschaft der Hysterese zu in vielen Anwendungsfällen nicht mehr tolerier- baren Messfehlern führen.The entire history of the magnetic field sensor, in particular overcurrents, when they occur simultaneously with high temperatures, which is often the case due to heating effects due to the overcurrent, can lead to hysteresis characteristics that are no longer tolerable in many applications.
Bekanntermaßen hängt die Auswirkung auf das Ausgangssignal des sensitiven Elementes oder der sensitiven Elemente zur Magnetfeld-/Strommessung stark von der Historie des magneti- sehen Feldes und der Temperatur am Ort des Sensors ab, kann der Einfluss praktisch nicht numerisch herausgerechnet werden. Neben der reduzierten Genauigkeit über Temperatur- und Strombereich wird daher auch die mögliche Offset-Kalibrierung erschwert .As is known, the effect on the output signal of the sensitive element or the sensitive elements for magnetic field / current measurement depends strongly on the history of the magnetic field and the temperature at the location of the sensor, the influence can not practically be numerically excluded. In addition to the reduced accuracy over temperature and current range, therefore, the possible offset calibration is difficult.
In der Praxis erzielen MR-Sensoren hohe Genauigkeiten, d.h. ± 1 % Fehler bei Raumtemperatur, nur im Temperaturbereich bis 85°C. Eine Erhöhung der spezifizierten Maximaltemperatur auf z. B. 150°C, die z.B. für Automobilanwendungen erwünscht wird, bei gleichzeitig hoher Bandbreite kann beiIn practice, MR sensors achieve high accuracies, i. ± 1% error at room temperature, only in the temperature range up to 85 ° C. An increase of the specified maximum temperature to z. 150 ° C, e.g. For automotive applications is desired, while high bandwidth can at
MR-Sensoren mit erhöhtem Aufwand und Kosten über eine kontinuierliche Regelung, so genannte „closed loop"- oder Kompensations-Schaltung, erreicht werden. Eine solche Schaltung hat aber den Nachteil einer sehr hohen Leistungsaufnahme (1 W bei einem Messstrom von 25 A) . Darüber hinaus ist bei einem „clo- sed loop"-Verfahren ohne Verwendung eines teuren Flusskon- zentrators der Messbereich auf ca. 150 A begrenzt.MR sensors with increased effort and cost can be achieved via a continuous closed-loop control, so-called "closed loop" or compensation circuit but the disadvantage of a very high power consumption (1 W at a measuring current of 25 A). In addition, in a closed-loop method without the use of an expensive flux concentrator, the measuring range is limited to approximately 150 A.
Eine andere Lösung besteht in der Verwendung von Hall-Effekt- Sensoren, die, um hohe Genauigkeit zu erzielen, immer einen teuren und ebenfalls Hystereseeffekten unterworfenen Flusskonzentrator benötigen und weitere Nachteile, insbeson- dere Piezoeffekt und starkes thermisches bzw. Halbleiterrauschen, aufweisen.Another solution consists in the use of Hall effect sensors, which always require an expensive flux concentrator, which is also subject to hysteresis effects, in order to achieve high accuracy and have further disadvantages, in particular piezo effect and strong thermal or semiconductor noise.
Einrichtungen zur Magnetfeldmessung sind vom Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausbildungen bekannt, wozu bei- spielhaft auf die DE 43 43 686 B4, die DE 10 2004 056 38 Al die DE 43 19 149 Al, die DE 198 34 183 Al, die US 2005/0150295 Al und die DE 29 44 490 Al verwiesen wird. Bei diesen Einrichtungen sind jeweils Elemente mit zwei magnetischen Vorzugsrichtungen verwendet, die bei bestimmungsge- mäßer Verwendung in eine der beiden Richtungen „einflippen". Das dabei auftretende Hystereseverhalten soll dabei durch geeignete Maßnahmen zwar verringert werden, wobei aber insbesondere nur das Offsetverhalten minimiert wird.Devices for measuring the magnetic field are known from the prior art in a wide variety of designs, including, for example, DE 43 43 686 B4, DE 10 2004 056 38 A1, DE 43 19 149 A1, DE 198 34 183 A1, US 2005 / 0150295 Al and DE 29 44 490 Al is referenced. In these devices, in each case elements with two preferred magnetic directions are used which, when used as intended, "fringe" in one of the two directions, the hysteresis behavior occurring being reduced by suitable measures, but in particular only the offset behavior being minimized.
Weiterhin ist aus der DE 41 21 374 Cl ein kompensierter Magnetfeldsensor, der bezüglich einer Sensorebene aus Dünnschichtstreifen aufgebaut ist, mit Mitteln zur Kompensation bekannt, bei dem die Kompensation durch in spezifischer Geometrie ausgebildete Schichtstreifenleiter zu beiden Seiten der Sensorebene erfolgt.Furthermore, from DE 41 21 374 Cl a compensated magnetic field sensor, which is constructed with respect to a sensor plane of thin film strips, known with means for compensation, in which the compensation is carried out by trained in specific geometry layer strip conductor on both sides of the sensor plane.
Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem der Einfluss der Hysterese reduziert bzw. eliminiert werden kann, sowie einen verbesserten Magnetfeldsensor zu schaffen.Starting from the above prior art, it is an object of the invention to propose a method with which the influence of the hysteresis can be reduced or eliminated, as well as to provide an improved magnetic field sensor.
Die Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 und bezüglich des Magnetfeldsensors durch die Merkmale des Patentanspruches 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.The object is with respect to the method according to the invention by the measures of claim 1 and with respect to Magnetic field sensor solved by the features of claim 8. Advantageous developments are specified in the respective subclaims.
Gegenstand der Erfindung ist die Reduzierung und insbesondere die Minimierung der Hysterese-Eigenschaften beim Magnetfeldsensor mit magnetoresistiven Elementen, die einer Hysterese unterliegen. Vorteilhafterweise kann durch Überlagerung eines hochfrequenten Magnetfeldpulses über den Messstrom - bevor- zugt mit abklingender Amplitude - , das mit Hilfe eines insbesondere integrierten stromdurchflossenen Leiters, einer stromdurchflossenen Leiterschleife oder einer stromführenden Spulenanordnung erzeugt wird, die Hysterese eines einzelnen magnetoresistiven Elementes bzw. einer daraus aufgebauten Brücke erheblich reduziert werden. Das Endmagnetisierungsfeld ist dabei so gewählt, dass ein maximaler Effekt der Hysteresereduktion bei vertretbarem Energieaufwand erreicht wird.The invention relates to the reduction and in particular the minimization of the hysteresis properties in magnetic field sensor with magnetoresistive elements which are subject to hysteresis. Advantageously, by superimposing a high-frequency magnetic field pulse on the measuring current - preferably with decaying amplitude - which is generated by means of a particular integrated current-carrying conductor, a current-carrying conductor loop or a current-carrying coil arrangement, the hysteresis of a single magnetoresistive element or a bridge constructed thereof be significantly reduced. The final magnetization field is chosen so that a maximum effect of hysteresis reduction is achieved with reasonable energy expenditure.
Bei der Erfindung wird ausgenutzt, dass GMR- und TMR-Elemente vorteilhafterweise in Dünnnschichtbauweise aufgebaut sind und nach dem „Spin-Valve"-Prinzip arbeiten, das beispielhaft in „Physik in unserer Zeit" 2002, Seite 210 ff beschrieben ist.In the invention it is exploited that GMR and TMR elements are advantageously constructed in thin-film construction and operate according to the "spin-valve" principle, which is described by way of example in "Physics in our time" 2002, page 210 et seq.
Beim erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor unterliegt die Hyste- rese nicht mehr so stark dem Einfluss der zufälligen Abfolge von Werten des Messfeldes. Damit wird das magnetische Gedächtnis des einzelnen magnetoresistiven Elementes durch die temporär überlagerten Entmagnetisierungsfeider reduziert bzw. überschrieben und damit minimiert.In the case of the magnetic field sensor according to the invention, the hysteresis is no longer subject to the influence of the random sequence of values of the measuring field. Thus, the magnetic memory of the individual magnetoresistive element is reduced or overwritten by the temporarily superimposed Entmagnetisierungsfeider and thus minimized.
Mit der Erfindung kann insbesondere durch hochfrequente Überlagerung eines Wechselfeldes im magnetischen System eine Hysterese-reduzierte Kennlinie gewonnen werden. In MR-basier- ten Stromsensoren kann das dem Messfeld überlagerte Wechsel- feld bzw. der Strompuls, insbesondere mit abnehmender Amplitude, durch eine interne Leiterschleife erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass durch Überlagerung eines hochfrequenten Pulses, der ungedämpft oder abklingend sein kann, in einer internen Leiterschleife zu einer signifikanten Reduktion der Hysterese erreicht wird.With the invention, in particular by high-frequency superimposition of an alternating field in the magnetic system, a hysteresis-reduced characteristic can be obtained. In MR-based current sensors, the alternating field or the current pulse superimposed on the measuring field, in particular with decreasing amplitude, can be generated by an internal conductor loop. In the invention, it is particularly advantageous that a superposition of a high-frequency pulse, which may be undamped or decaying, results in a significant reduction of the hysteresis in an internal conductor loop.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigenShow it
Figur 1 ein Diagramm mit magnetischen Hysteresekurven, Figur 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Erfindung, Figur 3 ein Diagramm zur Bestimmung der Hysterese in Abhän- gigkeit von der Stromamplitude und dem Messverfahren,1 shows a diagram with magnetic hysteresis curves, FIG. 2 shows a diagram for clarifying the invention, FIG. 3 shows a diagram for determining the hysteresis as a function of the current amplitude and the measuring method,
Figur 4 in Schnittdarstellung den Aufbau eines verbesserten4 shows a sectional view of the structure of an improved
Magnetfeldsensors undMagnetic field sensor and
Figur 5 die Draufsicht auf den Magnetfeldsensor gemäß Figur 4.FIG. 5 shows the plan view of the magnetic field sensor according to FIG. 4.
In Figur 1 ist auf der Abszisse das Magnetfeld H und auf der Ordinate die magnetische Induktion B aufgetragen. Für magnetische Werkstoffe ergibt sich in bekannter Weise eine Kennlinie 1 als so genannte Neukurve nach der Wechselfeldentmagne- tisierung, wobei nach einzelnen Zyklen jeweils eine Remanenz verbleibt, wodurch die bekannten Hysteresekurven realisiert werden. Dieser Effekt ist vom Stand der Technik bekannt.In Figure 1, the magnetic field H is plotted on the abscissa and the magnetic induction B is plotted on the ordinate. For magnetic materials results in a known manner a characteristic curve 1 as a so-called new curve after the Wechselfeldentmagne- tisierung, wherein after each cycle remains a remanence, whereby the known hysteresis curves are realized. This effect is known from the prior art.
Eine Verringerung der Hysterese kann durch Überlagerung eines Entmagnetisierungspulses erfolgen. Dabei wird die Verminderung der Hysterese bzw. der remanenten Magnetisierung von ferromagnetischen Materialien zweckmäßigerweise mit einem Wechselfeld abnehmender Amplitude durchgeführt.A reduction of the hysteresis can be done by superimposing a demagnetizing pulse. The reduction of the hysteresis or the remanent magnetization of ferromagnetic materials is expediently carried out with an alternating field of decreasing amplitude.
In Figur 2 ist hierzu auf der Abszisse die Stromstärke I und auf der Ordinate das Sensorsignal V dargestellt. Es ergibt sich eine hysteresebehaftete Kennlinie 21 bzw. 21' und die ideale, hysteresefreie Kennlinie 22. Durch die hochfrequente Überlagerung des Wechselfeldes kann im magnetischen System eine hysteresereduzierte Kennlinie gewonnen werden. Vorteilhaft ist dabei, dass bei magnetore- sistiven Elementen das dem Messfeld überlagerte Wechselfeld bzw. der Stromimpuls mit abnehmender Amplitude durch eine interne Leiterschleife erzeugt werden kann.In FIG. 2, the current I is shown on the abscissa and the sensor signal V on the ordinate. The result is a hysteresis characteristic 21 or 21 'and the ideal, hysteresis-free characteristic 22. Due to the high-frequency superimposition of the alternating field, a hysteresis-reduced characteristic can be obtained in the magnetic system. It is advantageous in the case of magneto-resistive elements that the alternating field superimposed on the measuring field or the current pulse with decreasing amplitude can be generated by an internal conductor loop.
Experimentelle Ergebnisse dazu sind in Figur 3 wiedergegeben, bei der auf der Abszisse die Stromhöhe aufgetragen ist und auf der Ordinate die jeweils ermittelte Hysterese in mV. Es sind Graphen 31 bis 33 für verschiedene Methoden zur Hysterese-Reduzierung dargestellt.Experimental results are given in Figure 3, in which the current level is plotted on the abscissa and on the ordinate the respectively determined hysteresis in mV. Graphs 31 through 33 are shown for various methods of hysteresis reduction.
Aus der Figur 3 ergibt sich im Einzelnen, dass durch Überlagerung eines hochfrequenten Pulses, der ungedämpft oder abklingend ausgebildet sein kann, in einer internen Leiterschleife eine signifikante Reduktion der Hysterese erreicht wird. Die Graphen 31 bis 33 zeigen, dass bei einem üblichen Aufbau von einer Ausgangsamplitude von etwa 1 A eine effektive Reduktion der Hysterese um den Faktor 3 erreicht werden kann .In detail, it can be seen from FIG. 3 that a significant reduction of the hysteresis is achieved in an internal conductor loop by superposition of a high-frequency pulse, which may be unattenuated or decaying. Graphs 31 to 33 show that with a typical design of an output amplitude of about 1 A, an effective reduction of hysteresis by a factor of 3 can be achieved.
In Figur 4 und Figur 5 ist ein Substrat mit 40 bezeichnet. Auf dem Substrat sind vier gleich aufgebaute, magnetoresisti- ve Elemente 41, 42 43 und 44 angeordnet, die insgesamt eine Wheatstone-Brücke bilden. Derartige Brückenschaltungen für Magnetfeldsensoren aus magnetoresistiven Elementen 41, 42 43 und 44 sind vom Stand der Technik bekannt.In FIG. 4 and FIG. 5, a substrate is designated 40. On the substrate four identically constructed, magnetoresistive elements 41, 42 43 and 44 are arranged, which together form a Wheatstone bridge. Such bridge circuits for magnetic field sensors made of magnetoresistive elements 41, 42 43 and 44 are known from the prior art.
In Figur 4/5 ist eine Schleife mit einem stromdurchflossenen Leiter 45 vorhanden, der als rechteckförmige Stromschleife mit jeweils mehreren Windungen so ausgelegt ist, dass jeweils zwei magnetoresistive Elemente 41, 42 43 und 44 paarweise im Längsschenkel der Schleife angeordnet sind. Es ergibt sich somit eine U-förmige Anordnung. Aus Figur 4 ist ersichtlich, dass die magnetoresistiven Elemente 41, 42 43 und 44 im Substrat 40 selbst eingebracht sind, wobei das Substrat 40 von einer nicht leitenden Schicht 46 zur elektrischen Isolierung der Leiterschleife 45 abge- deckt ist.In Figure 4/5 a loop with a current-carrying conductor 45 is present, which is designed as a rectangular current loop with several turns so that in each case two magnetoresistive elements 41, 42 and 43 are arranged in pairs in the longitudinal leg of the loop. This results in a U-shaped arrangement. It can be seen from FIG. 4 that the magnetoresistive elements 41, 42, 43 and 44 are incorporated in the substrate 40 itself, wherein the substrate 40 is covered by a non-conductive layer 46 for electrical insulation of the conductor loop 45.
Auf oder im Substrat 40 ist weiterhin eine Anordnung 50 zur Impulsstromgenerierung vorhanden, die eine diskrete Schaltung aus einem Filter 51, einem A/D-Wandler 52, einer Rechenein- heit 53 und einer Steuereinheit 54 oder eine integrierte Chip-Topographie mit diesen Funktionen bildet. Die Chip- Topographie kann auch unmittelbar das Substrat für die magne- toresitiven Elemente bilden. Das Spannungssignal UB gelangt über das Filter 51 mit zugeordnetem A/D-Wandler 52 auf die Recheneinheit 53 und Steuereinheit 54 auf die nachfolgende Impulsstromquelle 55. Das Stromsignal I3 speist die Leiterschleife 45 und generiert das Wechselfeld bzw. die Pulse mit abnehmender Amplitude.On or in the substrate 40 there is also an arrangement 50 for pulse current generation, which forms a discrete circuit of a filter 51, an A / D converter 52, a computing unit 53 and a control unit 54 or an integrated chip topography with these functions , The chip topography can also directly form the substrate for the magnetoresistive elements. The voltage signal U B passes through the filter 51 with associated A / D converter 52 to the arithmetic unit 53 and control unit 54 to the subsequent pulse current source 55. The current signal I 3 feeds the conductor loop 45 and generates the alternating field or the pulses with decreasing amplitude.
Substrat und Chip-Topographie ist vorteilhafterweise in CMOS- Technologie realisiert, welche die Möglichkeit einer wei- testgehenden Miniaturisierung bietet.Substrate and chip topography is advantageously realized in CMOS technology, which offers the possibility of a maximum miniaturization.
Da die magnetoresistiven Elemente 41, 42 43 und 44 in die CMOS-Strukturen eines Chips eingebracht sind und darauf als Abschluss die Leiterschleife 45 aufgebracht ist, kann I3 vom IC, der auf dem Substrat 40 integriert ist, abgenommen werden. Im stromdurchflossenen Leiter 45 werden somit bei Einprägung eines Wechselfeldes die Abmagnetisierungspulse gene- riert. Diese wirken als Steuerfeld, das in Figur 5 mit 47 bezeichnet ist, welches auf das Messfeld, das in Figur 4 mit 48 bezeichnet ist, einwirkt.Since the magnetoresistive elements 41, 42, 43 and 44 are incorporated in the CMOS structures of a chip and terminated thereon, the conductor loop 45 is applied, I 3 can be removed from the IC integrated on the substrate 40. In the current-carrying conductor 45, the demagnetizing pulses are thus generated when an alternating field is impressed. These act as a control field, which is designated in Figure 5 by 47, which acts on the measuring field, which is designated in Figure 4 at 48.
Mit einer Anordnung gemäß Figur 4/5 kann also der Hysterese- fehler gesenkt werden, womit die Auflösung und Genauigkeit der Anordnung deutlich gesteigert ist. Bei geeigneter Auslegung kann eine Reduktion bis um den Faktor 4 erreicht werden. Da die Abmagnetisierungsphasen sehr kurz sein können, bereits eine vergleichsweise geringe Amplitude ausreicht, ist die Leistungsaufnahme bei der Anordnung gemäß Figur 4/5 deutlich geringer als beim bekannten „close loop"-Verfahren . Zudem wird keine Regelung benötigt, so dass der Sensor seinen quasi passiven Charakter beibehält.With an arrangement according to FIG. 4/5, the hysteresis error can thus be reduced, whereby the resolution and accuracy of the arrangement is markedly increased. With a suitable design, a reduction of up to a factor of 4 can be achieved. Since the Abmagnetisierungsphasen can be very short, already A comparatively low amplitude is sufficient, the power consumption in the arrangement according to Figure 4/5 is significantly lower than in the known "close loop" method .No control is needed, so that the sensor maintains its quasi-passive character.
Es können bei der Anordnung gemäß Figur 4/5 auch Abmagneti- sierungsphasen gezielt bei einer so genannten „power on re- set"-Vorgehensweise oder nach besonders kritischen Betriebs- zuständen, beispielsweise Kurzschluss mit sehr hohen magnetischen Feldern, zur Schaffung eines definierten, reproduzierbaren Anfangszustandes der Messkurven eingesetzt werden. In the case of the arrangement according to FIG. 4/5, demagnetization phases can also be targeted in a so-called "power on reset" procedure or after particularly critical operating states, for example short circuit with very high magnetic fields, to create a defined, reproducible Initial state of the traces are used.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors aus wenigstens einem GMR-, einem TMR- bzw. einem anderen Spin- Valve-basierten magnetoresistiven Element, wobei GMR-, TMR- oder Spin-Valve-basierte Elemente eine Hysterese-behaftete Kennlinie aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten bei der Magnetfeldmessung:A method of operating a magnetic field sensor from at least one GMR, TMR, or other spin valve-based magnetoresistive element, wherein GMR, TMR, or spin valve-based elements have a hysteresis-related characteristic, with the following Process steps in magnetic field measurement:
- die hysteresebehaftete Kennlinie wird beim bestimmungsgemä- ßen Gebrauch des Sensors beeinflusst,the hysteresis-characteristic is influenced during the intended use of the sensor,
- die Beeinflussung der Kennlinie erfolgt durch eine Abmagne- tisierung zwischen den Messungen,- the characteristic is influenced by a demagnification between the measurements,
- durch Messung des Magnetfeldsignals und geeignete Weiterverarbeitung wird ein von materialintrinsischen Eigenschaf- ten der Hysterese befreiten Signale gewonnen,by measuring the magnetic field signal and suitable further processing, a signal freed of material intrinsic properties of the hysteresis is obtained,
- womit die Magnetfeldmessung weitgehend hystereseunabhängig erfolgt .- Which makes the magnetic field measurement largely hysteresis independent.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysterese der Kennlinie (21, 22, 22') durch Überlagerung von wenigstens einen hochfrequenten Entmagnetisierungspuls über den Messstrom reduzierbar wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the hysteresis of the characteristic (21, 22, 22 ') is reduced by superposition of at least one high-frequency Entmagnetisierungspuls on the measuring current.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung durch der Hysterese durch mehrere nacheinander eingeprägte Entmagnetisierungspul- se erfolgt, wodurch eine Minimierung der Hysterese-Eigenschaften erreichbar ist.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the reduction by the hysteresis is effected by a plurality of successively embossed demagnetization pulse, whereby a minimization of the hysteresis properties can be achieved.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Magnetfeldpulse mit abklingender Amplitude eingeprägt werden.4. The method according to claim 2 or claim 3, characterized in that individual magnetic field pulses are impressed with decaying amplitude.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Wechselfeld mit abnehmender Amplitude eingeprägt wird. 5. The method according to claim 2 or claim 3, characterized in that an alternating field is impressed with decreasing amplitude.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysterese um den Faktor 3 bis 5 verringert wird.6. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the hysteresis is reduced by a factor of 3 to 5.
7. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Magnetfeldpuls/e mit Hilfe eines stromdurchflossenen Leiters, einer stromdurchflossenen Leiterschleife (45) oder einer stromführenden Spulenanordnung erzeugt wird/werden.7. The method according to claim 3 or claim 4, characterized in that the / the magnetic field pulse / e by means of a current-carrying conductor, a current-carrying conductor loop (45) or a current-carrying coil assembly is / are generated.
8. Magnetfeldsensor zur Anwendung bei einem Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 7, mit wenigstens einem magnetoresistiven Element, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine magnetoresistive Element (41, 42, 43, 44) Mittel (45, 47) enthält, mit denen die Kennlinie (21, 22, 22') des wenigstens einen magnetoresistiven Elementes (41, 42, 43, 44) verbesserbar und die Hysterese reduzierbar ist.8. magnetic field sensor for use in a method according to claim 1 or one of claims 2 to 7, comprising at least one magnetoresistive element, characterized in that the at least one magnetoresistive element (41, 42, 43, 44) means (45, 47) with which the characteristic (21, 22, 22 ') of the at least one magnetoresistive element (41, 42, 43, 44) can be improved and the hysteresis can be reduced.
9. Magnetfeldsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als stromdurchflossener Leiter eine Leiterschleife (45) auf oder in dem Substrat (40) für das wenigstens eine magnetoresistive Element (41 - 44) integriert ist, wobei der Leiterschleife (45) eine Pulsstromquelle (55) zur Erzeugung hochfrequenter Stromsignale zugeordnet ist.9. magnetic field sensor according to claim 8, characterized in that as a current-carrying conductor, a conductor loop (45) on or in the substrate (40) for the at least one magnetoresistive element (41 - 44) is integrated, wherein the conductor loop (45) is a pulse current source ( 55) is assigned to generate high-frequency current signals.
10. Magnetfeldsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsstromquelle (55) mit den zugehörigen Versorgungseinheiten (51 - 54) auf einem Chip (50) integriert ist.10. magnetic field sensor according to claim 9, characterized in that the pulse current source (55) with the associated supply units (51 - 54) on a chip (50) is integrated.
11. Magnetfeldsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip (50) auf dem Substrat (40) angeordnet ist oder selbst das Substrat (40) bildet.11. Magnetic field sensor according to claim 10, characterized in that the chip (50) is arranged on the substrate (40) or itself forms the substrate (40).
12. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei vier magnetoresistive Elemente in Brückenschaltung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der stromdurchflossener Leiter (45) mehrere rechteckförmige Leiterschleifen (45, 45', 45'') bildet, in deren längs gegenüberliegenden Leiterbe- reichen jeweils zwei magnetoresistive Elemente (41, 41; 43, 44) der Brückenschaltung paarweise hintereinander angeordnet sind.12. Magnetic field sensor according to one of claims 8 to 11, wherein four magnetoresistive elements are provided in bridge circuit, characterized in that the current-carrying conductor (45) a plurality of rectangular conductor loops (45, 45 ', 45'') forms, in the longitudinally opposite Leiterbe - each two magnetoresistive elements (41, 41, 43, 44) of the bridge circuit are arranged in pairs one behind the other.
13. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch eine Integration im Chip (50), insbesondere in CMOS-Technologie .13. Magnetic field sensor according to one of claims 8 to 12, characterized by an integration in the chip (50), in particular in CMOS technology.
14. Magnetfeldsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich- net, dass zur Stromversorgung der Leiterschleife (45) bzw. Spule der im Chip (50) erzeugte Strom (I) verwendbar ist 14. Magnetic field sensor according to claim 13, characterized in that the power supply of the conductor loop (45) or coil of the chip (50) generated current (I) can be used
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