DE102012208404A1

DE102012208404A1 - Differential magnetic field sensor arrangement

Info

Publication number: DE102012208404A1
Application number: DE102012208404A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Welsch; Hartmut Kittel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-11-21
Also published as: WO2013174542A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetische Differenzfeldsensoranordnung (10) mit mindestens zwei magnetoresistiven Widerständen (R1, R2, R3, R4), welche jeweils als magnetoresistive Schichtanordnungen mit vorgegebenen Streifenbreiten (b1, b2, b3) und einem vorgebbaren Abstand (d) zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die einzelnen magnetoresistiven Widerstände (R1, R2, R3, R4) jeweils mit mindestens zwei Bereichen (R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3) mit unterschiedlich starken Formanisotropien ausgeführt, welche unterschiedliche Sättigungsfeldstärken und Magnetfeldempfindlichkeiten aufweisen.The invention relates to a magnetic differential field sensor arrangement (10) having at least two magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) which are arranged in each case as magnetoresistive layer arrangements with predetermined strip widths (b1, b2, b3) and a predeterminable distance (d) from one another. According to the invention, the individual magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) are each provided with at least two regions (R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3 .2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3) with differently strong shape anisotropies, which have different saturation field strengths and magnetic field sensitivities.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer magnetischen Differenzfeldsensoranordnung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.The invention is based on a magnetic differential field sensor arrangement according to the preamble of independent claim 1.

Magnetische Differenzfeldsensoranordnungen, wie beispielsweise der in der Patentschrift EP 1 348 974 B1 beschriebene magnetoresistive Differenzfeldsensor, bieten aufgrund von mehreren magnetfeldempfindlichen Sensorelementen den Vorteil einer Unempfindlichkeit gegenüber homogenen magnetischen Störfeldern. Die magnetfeldempfindlichen Sensorelemente sind in einem definierten räumlichen Abstand zueinander angeordnet und derart verschaltet, dass diese Schaltung ein elektrisches Signal liefert, welches zwar von der Differenz des Magnetfeldes an den beiden Sensierungspositionen nicht aber von einem an diesen Sensorpositionen identischen Magnetfeld abhängig ist. Im Idealfall ist das Sensorsignal dieses Differenzfeldsensors proportional zur Magnetfelddifferenz und liefert ein Signal mit der Größe Null, wenn an beiden Sensierungspositionen dasselbe Magnetfeld vorliegt. Bei GMR- oder TMR-Schichtsystemen entspricht der Abstand der Sensorelemente, welcher nachfolgend als Sondenabstand bezeichnet wird, idealerweise einer halben Periodenlänge des abzutastenden Geberrades (Encoders), d.h. der Polbreite oder dem Polabstand (magnetischer Encoder) bzw. dem Zahn-Lücke-Abstand (ferromagnetisches Zahn- oder Stanzrad). Bei einem AMR-Schichtsystem entspricht der Abstand der Sensorelemente idealerweise einer viertel Periodenlänge des abzutastenden Geberrades (Encoders). Bei einer Abweichung von diesen Idealfällen, d.h. bei einer Fehlanpassung von Sondenabstand und Encoder, kann es zu einem Signal- bzw. Empfindlichkeitsverlust und damit zu einer Reduktion des maximal möglichen Luftspaltes zwischen dem Sensor und dem Encoder kommen. Die beschriebene Differenzfeldsensoranordnung umfasst wenigstens zwei auf einem gemeinsamen Substrat angeordnete Vollmessbrücken, welche jeweils vier nach Art einer Wheatstone-Brücke verschaltete magnetoresistive Schichtanordnungen aufweisen. Die magnetoresistiven Schichtanordnungen sind in Draufsicht zumindest bereichsweise als Streifen mit einer jeweils innerhalb einer Vollmessbrücke gleichen Streifenbreite ausgebildet, wobei die Schichtanordnungen von Vollmessbrücke zu Vollmessbrücke jeweils unterschiedlich Streifenbreiten aufweisen.Magnetic differential field sensor arrangements, such as those in the patent EP 1 348 974 B1 described magnetoresistive differential field sensor, offer the advantage of insensitivity to homogeneous magnetic interference fields due to several magnetic field sensitive sensor elements. The magnetic field-sensitive sensor elements are arranged at a defined spatial distance from each other and connected such that this circuit provides an electrical signal, which is not dependent on the difference of the magnetic field at the two Sensierungspositionen but of a magnetic field identical to these sensor positions. Ideally, the sensor signal of this differential field sensor is proportional to the magnetic field difference and provides a signal of zero magnitude when the same magnetic field is present at both sensing positions. In the case of GMR or TMR layer systems, the distance of the sensor elements, which is referred to below as the probe spacing, ideally corresponds to half the period length of the encoder wheel to be scanned, ie the pole width or the pole spacing (magnetic encoder) or the tooth-gap distance (FIG. ferromagnetic tooth or punching wheel). In the case of an AMR layer system, the distance between the sensor elements ideally corresponds to a quarter of a period of the encoder wheel (encoder) to be scanned. A deviation from these ideal cases, ie a mismatch of probe spacing and encoder, can lead to a signal or sensitivity loss and thus to a reduction of the maximum possible air gap between the sensor and the encoder. The differential field sensor arrangement described comprises at least two full measuring bridges arranged on a common substrate, each of which has four magnetoresistive layer arrangements connected in the manner of a Wheatstone bridge. The magnetoresistive layer arrangements are in plan view at least partially formed as a strip with a strip width equal in each case within a full measuring bridge, wherein the layer arrangements of full measuring bridge to Vollmessbrücke each have different strip widths.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße magnetische Differenzfeldsensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Unempfindlichkeit von magnetoresistiven Differenzfeldsensoren gegenüber homogenen magnetischen Störfeldfeldern mit der hohen Schaltgenauigkeit (Low-Jitter) und der hohen magnetischen Empfindlichkeit (große Luftspalte) von magnetoresistiven Absolutfeldsensoren (Sondenabstand ca. 0mm, keine Differenzfeldsensierung) in einer Low-Jitter magnetoresistiven Differenzfeldsensoranordnung vereint sind. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung stellen ein Differenzsignal zur Verfügung, welches über einen großen Encoder-Feldstärkebereich von beispielsweise 0 bis 30kA/m und über einen großen Sensor-Encoder-Anpassungsbereich (Sondenabstand/Encoderpolbreite) von beispielsweise 60 bis 130% keine flachen Nulldurchgänge mit eine Steigung von Null aufweist, und zwar ohne, dass hierfür eine erhebliche Einbuße an Magnetfeldempfindlichkeit hingenommen werden muss. Zudem können Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung die obengenannte Kombination aus magnetischer Robustheit, hoher Empfindlichkeit und Fehlanpassungstoleranz mit nur einer Vollbrücke darstellen.The differential magnetic field sensor arrangement according to the invention with the features of independent claim 1 has the advantage that the insensitivity of magnetoresistive differential field sensors to homogeneous magnetic interference field fields with the high switching accuracy (low jitter) and the high magnetic sensitivity (large air gaps) of magnetoresistive absolute field sensors (probe distance approx 0mm, no difference field sensing) are combined in a low jitter magnetoresistive differential field sensor array. Embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention provide a differential signal which, over a large encoder field strength range of, for example, 0 to 30 kA / m and over a large sensor-encoder adaptation range (probe pitch / encoder pole width) of, for example, 60 to 130%, no shallow zero crossings with a slope has zero, and without, that for this a significant loss of magnetic field sensitivity must be accepted. In addition, embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention can represent the above-mentioned combination of magnetic robustness, high sensitivity and mismatch tolerance with only one full bridge.

Den Kern der Erfindung stellt die Kombination von mehreren Bereichen bzw. Abschnitten unterschiedlicher Sättigungsfeldstärke und Magnetfeldempfindlichkeit innerhalb eines jeden einzelnen der magnetoresistiven Widerstände einer Vollbrücke dar. Innerhalb jedes Brückenwiderstands gibt es also einen oder mehrere Bereiche mit hoher Magnetfeldempfindlichkeit und folglich geringer magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke so wie auch einen oder mehrere Bereiche mit geringerer Magnetfeldempfindlichkeit dafür aber höherer magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke. Dadurch wird erreicht, dass jeder Brückenwiderstand bei kleinen Encoderfeldstärken eine hohe Empfindlichkeit aufweist, aber selbst bei hohen Encoderfeldstärken noch nicht ganz gesättigt ist und noch immer eine gewisse Magnetfeldempfindlichkeit besitzt. Die Brückenwiderstandsbereiche mit hoher Magnetfeldempfindlichkeit ermöglichen somit Applikationen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung bei großen Luftspalten zum Encoder mit entsprechend kleinen Encoder-Feldstärken, und die Brückenwiderstandsbereiche mit großer magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke, wenn auch kleiner Magnetfeldempfindlichkeit, ermöglichen darüber hinaus auch Applikationen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung bei kleinen Luftspalten mit entsprechend großen Encoder-Feldstärken. Auf diese Weise werden selbst bei kleinen Luftspalten bzw. großen Encoder-Feldamplituden extrem flache Nulldurchgänge des Differenzsensorsignals und somit ein Auftreten von Signalflankenjitter am Ausgabesignal der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung vermieden. Die Bereiche unterschiedlicher Magnetfeldempfindlichkeit und magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke innerhalb eines jeden der einzelnen Brückenwiderstände werden erfindungsgemäß durch Bereiche unterschiedlich starker Formanisotropien dargestellt. Die Unterschiede in der Formanisotropie werden dabei durch Unterschiede in der Streifenbreite einzelner Abschnitte eines jeden einzelnen magnetoresistiven Brückenwiderstands erzeugt.The core of the invention is the combination of multiple areas of different saturation field strength and magnetic field sensitivity within each one of the full bridge magnetoresistive resistors. Thus, within each bridge resistance there are one or more areas of high magnetic field sensitivity and hence low saturation saturation field strength as well as one or more areas of lower magnetic field sensitivity but higher magnetoresistive saturation field strength. This ensures that each bridge resistor has a high sensitivity at low encoder field strengths, but is not quite saturated even at high encoder field strengths and still has a certain magnetic field sensitivity. The bridge resistance regions with high magnetic field sensitivity thus enable applications of the differential field sensor arrangement according to the invention for large air gaps to the encoder with correspondingly small encoder field strengths, and the bridge resistance regions with large magnetoresistive saturation field strength, albeit small magnetic field sensitivity, also allow applications of the differential field sensor arrangement according to the invention with small air gaps with correspondingly large encoder field strengths. In this way, even with small air gaps or large encoder field amplitudes, extremely shallow zero crossings of the differential sensor signal and thus an occurrence of signal edge jitter on the output signal of the differential field sensor arrangement according to the invention are avoided. The ranges of different magnetic field sensitivity and saturation magnetoresistive field strength within each of the individual bridge resistors become According to the invention represented by regions of different strong form anisotropies. The differences in shape anisotropy are thereby produced by differences in the stripe width of individual sections of each individual magnetoresistive bridge resistor.

Somit ermöglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung eine hohe Schaltgenauigkeit, d.h. einen geringen Signalflankenjitter, selbst bei hoher Encoder-Feldamplitude und hoher Fehlanpassung von Sondenabstand zu Encoder-Polbreite, eine hohe magnetische Robustheit, d.h. Unempfindlichkeit gegenüber magnetischen Fremd- bzw. Störfeldern, welche über den Sondenabstand homogen sind, eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit, d.h. Zulässigkeit auch von großen Luftspalten zwischen Sensor und Encoder.Thus, embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention enable a high switching accuracy, i. low signal edge jitter, even at high encoder field amplitude and high mismatch of probe pitch to encoder pole width, high magnetic robustness, i. Insensitivity to magnetic fields, which are homogeneous over the probe distance, a high magnetic field sensitivity, i. Admissibility also of large air gaps between sensor and encoder.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung eignen sich besonders zur Anwendung bei Raddrehzahlfühlern, welche in Kraftfahrzeugen als sicherheitsrelevante Komponenten in ABS- und ESP-Systemen (ABS: Antiblockiersystem, ESP: elektronisches Stabilitätsprogramm) eingesetzt werden und in vorteilhafter Weise einerseits die erforderliche Robustheit gegen magnetische Fremdfelder aufweisen, und andererseits mit einer Vielzahl von Encodern unterschiedlicher Polbreite einsetzbar sind sowie über ihre hohe Empfindlichkeit auch große Luftspaltforderungen abdecken können und durch den geringen Jitter der Signalflanken zusätzlich auch für die frequenzbasierte Reifendrucksensierung (TPM-F) verwendet werden können.Embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention are particularly suitable for use in wheel speed sensors which are used in motor vehicles as safety-relevant components in ABS and ESP systems (ABS: Antilock Braking System, ESP: Electronic Stability Program) and advantageously have on the one hand the required robustness against foreign magnetic fields. and on the other hand can be used with a variety of encoders of different Polbreite and can cover their high sensitivity and large Luftspaltforderungen and in addition by the low jitter of the signal edges also for the frequency-based tire pressure sensing (TPM-F) can be used.

Des Weiteren können Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung beispielsweise nur als eine Vollbrücke implementiert werden. Darüber hinaus ist eine Realisierung mit nur zwei magnetoresistiven Sensorelementen möglich, welche bevorzugt zu einer Halbbrücke verschaltet werden, wobei jeweils ein erstes magnetoresistives Sensorelement an einer ersten Sondenposition und ein zweites magnetoresistives Sensorelement an einer zweiten Sondenposition angeordnet ist.Furthermore, embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention can be implemented, for example, only as a full bridge. In addition, a realization with only two magnetoresistive sensor elements is possible, which are preferably connected to a half-bridge, wherein in each case a first magnetoresistive sensor element is arranged at a first probe position and a second magnetoresistive sensor element at a second probe position.

Zudem besteht für Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung aufgrund der Verwendbarkeit der bekannten magnetoresistiven Effekte wie z.B. des Riesen-Magnetoresistiven-Effekts (GMR: Giant-Magneto-Resistance), des Tunnel-Magnetoresistiven-Effekts (TMR: Tunneling-Magneto-Resistance) oder des Anisotropen-Magnetoresistiven-Effekts (AMR: Anisotropic-Magneto-Resistance) eine breite technologische Realisierbarkeit. Technologisch bieten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung gegenüber einer Single-Magnetoresistiven-Absolutfeldsensoranordnung mit einem Sondenabstand von ca. Null, den Vorteil einer einheitlichen Referenzrichtung in allen Brückenwiderständen. Diese ist, insbesondere im Fall von GMRoder TMR-Differenzfeldsensoranordnungen, technisch leichter darstellbar als bei Single-Magnetoresistiven-Absolutfeldsensoranordnungen. Denn letztere erfordern in den Brückenwiderständen einer Halbbrücke unterschiedliche Referenzrichtungen. Bei der GMR- oder TMR-Differenzfeldsensoranordnung entspricht die Referenzrichtung einer Referenzmagnetisierungsrichtung, und bei einer AMR-Differenzfeldsensoranordnung entspricht die Referenzrichtung einer Referenzstromrichtung.In addition, for embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention, due to the usability of the known magnetoresistive effects, e.g. Giant Magneto-Resistance (GMR), Tunneling Magneto-Resistance (TMR), or Anisotropic Magneto-Resistance (AMR) effects are broad technologies Feasibility. Technologically, embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention offer the advantage of a uniform reference direction in all bridge resistors compared to a single-magnetoresistive absolute field sensor arrangement with a probe spacing of approximately zero. This is technically easier to represent, in particular in the case of GMR or TMR differential field sensor arrangements, than in the case of single-magnetoresistive absolute field sensor arrangements. Because the latter require different reference directions in the bridge resistors of a half-bridge. In the GMR or TMR differential field sensor arrangement, the reference direction corresponds to a reference magnetization direction, and in the case of an AMR differential field sensor arrangement, the reference direction corresponds to a reference current direction.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine magnetische Differenzfeldsensoranordnung mit mindestens zwei magnetoresistiven Widerständen zur Verfügung, welche jeweils als magnetoresistive Schichtanordnungen mit vorgegebenen Streifenbreiten und einem vorgebbaren Abstand zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die einzelnen magnetoresistiven Widerstände jeweils mit mindestens zwei Bereichen mit unterschiedlich starker Formanisotropie ausgeführt, welche unterschiedliche Sättigungsfeldstärken und Magnetfeldempfindlichkeiten aufweisen.Embodiments of the present invention provide a magnetic differential field sensor arrangement with at least two magnetoresistive resistors, which are each arranged as magnetoresistive layer arrangements with predetermined strip widths and a predeterminable distance from each other. According to the invention, the individual magnetoresistive resistors are each designed with at least two regions with different degrees of shape anisotropy, which have different saturation field strengths and magnetic field sensitivities.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Differenzfeldsensoranordnung möglich.The measures and refinements recited in the dependent claims advantageous improvements of the independent claim 1 differential field sensor arrangement are possible.

Besonders vorteilhaft ist, dass die unterschiedlich starke Formanisotropie der mindestens zwei Bereiche der magnetoresistiven Widerstände über den Entmagnetisierungsfaktor der magnetoresistiven Widerstandsgeometrie bestimmt ist. welcher vorzugsweise über die Streifenbreite der magnetoresistiven Widerstände vorgegeben werden kann.It is particularly advantageous that the different degrees of shape anisotropy of the at least two regions of the magnetoresistive resistors is determined by the demagnetization factor of the magnetoresistive resistance geometry. which can preferably be preset via the strip width of the magnetoresistive resistors.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung ist mindestens eine Vollbrückenschaltung vorgesehen, welche jeweils vier magnetoresistive Widerstände umfasst. Die mindestens eine Vollbrückenschaltung kann beispielsweise als GMR-Schichtsystem oder als TMR-Schichtsystem oder als AMR-Schichtsystem aufgebaut werden. Das GMR-Schichtsystem ist vorzugsweise als GMR-Spinvalve-Schichtsystem ausgeführt und umfasst zumindest eine natürliche antiferromagnetische Schicht (z.B. PtMn, IrMn, FeMn), eine ferromagnetische Referenzschicht (z.B. NiFe, CoFe), deren Magnetisierungsrichtung durch die benachbarte antiferromagnetische Schicht fixiert (gepinnt) ist, eine nichtmagnetische Zwischenschicht (z.B. Cu) und eine ferromagnetische freie Schicht (z.B. NiFe, CoFe). Der GMR-Schichtstapel kann aber auch deutlich komplexer aufgebaut sein und beispielsweise zusätzlich einen künstlichen Antiferromagnet aufweisen. Bevorzugt haben alle vier magnetoresistiven Brückenwiderstände des GMR-Spinvalve-Schichtsystems dieselbe Referenzrichtung, welche einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht. Diese lässt sich somit technisch einfach in einem Prozessschritt gleichzeitig für alle Sensorchips eines oder gar mehrerer Wafer einprägen. Bei einem TMR-Schichtsystem ist der Aufbau ähnlich, außer dass die nichtmagnetische Zwischenschicht durch eine isolierende Schicht (z.B. MgO) ersetzt ist. Auch bei einem TMR-Schichtsystem weisen alle vier magnetoresistiven Brückenwiderstände bevorzugt dieselbe Referenzrichtung auf, welche einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht. Das AMR-Schichtsystem umfasst insbesondere eine ferromagnetische Schicht (z.B. NiFe, CoFe), welche typischerweise eine um den Faktor zwei bis fünf größere Schichtdicke als die ferromagnetische freie Schicht des GMR-Spinnvalve-Schichtsystems oder des TMR-Schichtsystems aufweist. Auch bei dem AMR-Schichtsystem weisen alle vier magnetoresistiven Brückenwiderstände bevorzugt dieselbe Referenzrichtung auf, welche einer Referenzstromrichtung entspricht. Die Referenzstromrichtung kann durch die Streifengeometrie und bevorzugt durch zusätzliche Barberpol-Strukturen eingestellt werden.In an advantageous embodiment of the differential field sensor arrangement according to the invention, at least one full bridge circuit is provided which comprises four magnetoresistive resistors in each case. The at least one full bridge circuit can be constructed, for example, as a GMR layer system or as a TMR layer system or as an AMR layer system. The GMR layer system is preferably designed as a GMR Spinvalve layer system and comprises at least one natural antiferromagnetic layer (eg PtMn, IrMn, FeMn), a ferromagnetic reference layer (eg NiFe, CoFe) whose magnetization direction is fixed (pinned) by the adjacent antiferromagnetic layer is a non-magnetic intermediate layer (eg Cu) and a ferromagnetic free layer (eg NiFe, CoFe). The GMR layer stack can also be constructed much more complex and for example, additionally having an artificial antiferromagnet. Preferably, all four magnetoresistive bridge resistors of the GMR spinvalve layer system have the same reference direction, which corresponds to a reference magnetization direction. This can thus be memorized technically in one process step simultaneously for all sensor chips of one or more wafers. In a TMR layer system, the structure is similar except that the non-magnetic intermediate layer is replaced by an insulating layer (eg, MgO). Even with a TMR layer system, all four magnetoresistive bridge resistors preferably have the same reference direction, which corresponds to a reference magnetization direction. In particular, the AMR layer system comprises a ferromagnetic layer (eg NiFe, CoFe), which typically has a layer thickness that is larger by a factor of two to five than the ferromagnetic free layer of the GMR spinning valve layer system or the TMR layer system. Even with the AMR layer system, all four magnetoresistive bridge resistors preferably have the same reference direction, which corresponds to a reference current direction. The reference current direction can be adjusted by the strip geometry and preferably by additional Barberpol structures.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung können die einzelnen magnetoresistiven Widerstände beispielsweise jeweils mindestens zwei Widerstandsstreifen mit unterschiedlicher Breite umfassen, welche mit einem vorgegebenen Abstand direkt nebeneinander angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Alternativ können die einzelnen magnetoresistiven Widerstände beispielsweise als Widerstandsstreifen ausgeführt werden, welche mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Breite aufweisen. Als weitere Alternative können die einzelnen magnetoresistiven Widerstände als Widerstandsstreifen ausgeführt werden, deren Breite sich zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert kontinuierlich ändert. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine beliebig feine Abstufung der Streifenbreiten innerhalb jedes einzelnen magnetoresistiven Widerstands.In a further advantageous embodiment of the differential field sensor arrangement according to the invention, the individual magnetoresistive resistors may comprise, for example, at least two resistance strips of different width, which are arranged directly adjacent to each other at a predetermined distance and electrically connected in series. Alternatively, the individual magnetoresistive resistors can be designed, for example, as resistance strips which have at least two sections with different widths. As a further alternative, the individual magnetoresistive resistors may be implemented as resistance strips whose width varies continuously between a minimum value and a maximum value. This advantageously allows any fine gradation of the strip widths within each individual magnetoresistive resistor.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung können die Widerstandsstreifen der einzelnen magnetoresistiven Widerstände einer Vollbrückenschaltung gleich lang ausgeführt werden.In a further advantageous embodiment of the differential field sensor arrangement according to the invention, the resistance strips of the individual magnetoresistive resistors of a full-bridge circuit can be designed to be of equal length.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. In the drawings, like reference numerals designate components that perform the same or analog functions.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Differenzfeldsensoranordnung gemäß dem Stand der Technik mit vier GMR-Widerständen mit jeweils einheitlicher und gleichbleibender Streifenbreite. 1 shows a schematic representation of a differential field sensor arrangement according to the prior art with four GMR resistors each having a uniform and constant strip width.

2 zeigt ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild einer Differenzfeldsensoranordnung. 2 shows a schematic electrical equivalent circuit diagram of a differential field sensor arrangement.

3 zeigt eine Spannungskennlinie der GMR-Differenzfeldsensoranordnung aus 1 und 2 bei einer 67% Anpassung des GMR-Sondenabstands an die Encoder-Polbreite und 30mT Encoder-Feldamplitude. 3 shows a voltage characteristic of the GMR differential field sensor array 1 and 2 with a 67% adaptation of the GMR probe pitch to the encoder pole width and 30mT encoder field amplitude.

4 zeigt verschiedene Spannungskennlinien bei unterschiedlich starker Formanisotropie (FA) für die bekannte Differenzfeldsensoranordnung aus 1 und 2 mit einheitlicher Streifenbreite bei allen Brückenwiderständen einer Vollbrücke. 4 shows different voltage characteristics with different degrees of shape anisotropy (FA) for the known differential field sensor arrangement 1 and 2 with uniform stripe width for all bridge resistors of a full bridge.

5 zeigt einen Verlauf des Brückensignals und des Ausgangssignals einer nachgeschalteten Signalverarbeitung (ASIC) der Differenzfeldsensoranordnung aus 1 und 2 mit einheitlicher Streifenbreite der Brückenwiderstände und einer 67% Anpassung von Sondenabstand zu Encoder-Polbreite und 30mT Encoder-Feldamplitude. 5 FIG. 12 shows a profile of the bridge signal and the output signal of a downstream signal processing unit (ASIC) of the differential field sensor arrangement 1 and 2 with uniform stripe width of the bridge resistors and a 67% adjustment of probe distance to encoder pole width and 30mT encoder field amplitude.

6 zeigt eine Detaildarstellung aus 5. 6 shows a detailed view 5 ,

7 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung mit drei benachbart angeordneten Dünnschichtwiderstandsstreifen mit unterschiedlicher Breite für jeden Brückenwiderstand. 7 shows a schematic representation of a first embodiment of a differential field sensor arrangement according to the invention with three adjacent arranged thin film resistor strips with different widths for each bridge resistance.

8 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung mit einem Dünnschichtwiderstandsstreifen für jeden Brückenwiderstand, welche jeweils abschnittsweise drei unterschiedliche Breiten aufweist. 8th shows a schematic representation of a second embodiment of a differential field sensor arrangement according to the invention with a thin film resistor strip for each bridge resistance, which has sections three different widths.

9 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung mit einem Dünnschichtwiderstandsstreifen für jeden Brückenwiderstand, welcher jeweils eine kontinuierlich sich ändernde Streifenbreite aufweist. 9 shows a schematic representation of a third embodiment of a differential field sensor arrangement according to the invention with a thin film resistor strip for each bridge resistor, which respectively has a continuously changing stripe width.

10 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung mit zwei Vollbrücken und einem Dünnschichtwiderstandsstreifen für jeden Brückenwiderstand, welcher jeweils eine kontinuierlich sich ändernde Streifenbreite aufweist. 10 shows a schematic representation of a fourth embodiment of a differential field sensor arrangement according to the invention with two full bridges and a thin film resistor strip for each bridge resistance, each having a continuously changing strip width.

11 zeigt eine exemplarische Kennlinie für die erfindungsgemäße Differenzfeldsensoranordnung aus 7 bei einer Encoder Feldamplitude von 30mT sowie einer 67% Sensor-Encoder-Anpassung. 11 shows an exemplary characteristic for the differential field sensor arrangement according to the invention 7 with an encoder field amplitude of 30mT and a 67% sensor-encoder adjustment.

12 zeigt eine exemplarische Kennlinie für die erfindungsgemäße Differenzfeldsensoranordnung aus 7 bei einer Encoder Feldamplitude von 3mT sowie einer 67% Sensor-Encoder-Anpassung. 12 shows an exemplary characteristic for the differential field sensor arrangement according to the invention 7 with an encoder field amplitude of 3mT and a 67% sensor-encoder adjustment.

13 zeigt einen Verlauf des Brückensignals und des Ausgangssignals einer nachgeschalteten Signalverarbeitung (ASIC) der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung aus 7 mit drei unterschiedlichen Streifenbreiten von 0,4µm, 1µm und 4µm innerhalb eines Brückenwiderstands bei einer Encoder Feldamplitude von 30mT sowie einer 67% Sensor-Encoder-Anpassung. 13 shows a profile of the bridge signal and the output signal of a downstream signal processing (ASIC) of the differential field sensor arrangement according to the invention 7 with three different stripe widths of 0.4μm, 1μm and 4μm within a bridge resistor with an encoder field amplitude of 30mT and a 67% sensor-encoder adjustment.

14 zeigt eine Detaildarstellung aus 13. 14 shows a detailed view 13 ,

15 zeigt eine Nulldurchgangsbreite des Brückensignals in Abhängigkeit der Sensor-Encoder-Anpassung bei einer Feldamplitude von 37mT. 15 shows a zero-crossing width of the bridge signal as a function of the sensor-encoder adaptation at a field amplitude of 37mT.

16 zeigt eine Nulldurchgangsbreite des Brückensignals in Abhängigkeit der Encoder-Feldamplitude bei einer Sensor-Encoder-Anpassung von 67% 16 shows a zero crossing width of the bridge signal as a function of the encoder field amplitude with a sensor encoder adjustment of 67%

Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst die Differenzfeldsensoranordnung 1 gemäß Patentschrift EP 1 348 974 B1 vier magnetoresistive Widerstände R1, R2, R3, R4, welche jeweils eine einheitliche und gleichbleibende Streifenbreite b aufweisen. Die Widerstände R1, R2, R3, R4 sind paarweise in einem Sondenabstand d angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die Widerstände R1, R2, R3, R4 gemäß dem dargestellten Ersatzschaltbild derart zu einer Vollbrücke 2 verschaltet, dass ein korrespondierendes Brückensignal bzw. ein Differenzsignal Usig = U+ – U– proportional zur Differenz des Magnetfeldes von der linken zur rechten Sondenposition ist.How out 1 and 2 is apparent, the differential field sensor arrangement comprises 1 according to patent EP 1 348 974 B1 four magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, which each have a uniform and constant strip width b. The resistors R1, R2, R3, R4 are arranged in pairs in a probe distance d. How out 2 can be seen, the resistors R1, R2, R3, R4 in accordance with the equivalent circuit diagram shown in such a way to a full bridge 2 interconnects that a corresponding bridge signal or a differential signal Usig = U + - U- is proportional to the difference of the magnetic field from the left to the right probe position.

Magnetoresistive Differenzfeldsensoranordnungen, wie die exemplarisch in 1 dargestellte GMR-Differenzfeldsensoranordnung 1 (GMR: Giant Magneto Resistance) haben das Problem, dass aufgrund des Sättigungsverhaltens des magnetoresistiven Effekts oberhalb einer bestimmten Magnetfeldstärke jedes der einzelnen als magnetoresistive Widerstände R1, R2, R3, R4 ausgeführten Sensorelemente keine Magnetfeldempfindlichkeit mehr aufweist. Das bedeutet, dass eine Zunahme einer magnetischen Differenzflussdichte B_diff oberhalb dieser Sättigungsfeldstärke zu keiner weiteren Erhöhung des Differenzsignals Usig führt. Dies verdeutlicht die in 3 dargestellte exemplarische Kennlinie FA0 des Differenzsignals Usig der GMR-Differenzfeldsensoranordnung 1, welche bei einer Sonden-Encoder-Anpassung von 67% und einer Encoder-Feldamplitude von 30mT aufgenommen wurde. Eine weitere Folge ist, dass ab einer bestimmten Fehlanpassung von Sondenabstand und Encoder-Polbreite und hoher Encoder-Feldamplitude der Nulldurchgang des Differenzsignals Usig nicht mehr steil, sondern extrem flach mit eine Steigung von ungefähr Null, d.h. mit einer Empfindlichkeit von Null verläuft. Diesen extrem flachen Nulldurchgang wie auch das Sättigungsverhalten bei einer großen Differenzflussdichte B_diff zeigt beispielhaft die Kennlinie FA0 der fehlangepassten GMR-Differenzfeldsensoranordnung 1 in 3. Die Breite dieses flachen Nulldurchgangs nimmt mit der Fehlanpassung und der Amplitude der Geberradfeldstärke zu. Für Raddrehzahl- und Positionssensoren, welche im Nulldurchgang des Differenzsignals Usig ein korrespondierendes Ausgabesignal I_A schalten, und bei denen es auf einen scharf reproduzierbaren Schaltzeitpunkt ankommt, sind solche extrem flachen Nulldurchgänge unbrauchbar. Denn der Schaltzeitpunkt ist entsprechend der Breite des Nulldurchgangs undefiniert und der Jitter der Signalflanken des Ausgabesignal I_A dementsprechend erhöht. Dies ist in 5 und 6 dadurch veranschaulicht, dass die Schaltflanken des Ausgabesignal I_A der Differenzfeldsensoranordnung 1, welches beispielsweise von einem mit der Vollbrücke 2 verbundenen nicht dargestellten ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) erzeugt und ausgegeben wird, an unterschiedlichen Stellen im Bereich des flachen Nulldurchgangs auftreten können. Das Differenzsignal Usig und das Ausgabesignal I_A wurden bei einer Sonden-Encoder-Anpassung von 67% und einer Encoder-Feldamplitude von 30mT aufgenommen.Magnetoresistive differential field sensor arrangements, as exemplified in 1 illustrated GMR differential field sensor arrangement 1 (GMR: Giant Magneto Resistance) have the problem that due to the saturation behavior of the magnetoresistive effect above a certain magnetic field strength of each of the individual magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 executed sensor elements has no more magnetic field sensitivity. This means that an increase in a differential magnetic flux density B _diff above this saturation field strength does not lead to any further increase in the difference signal Usig. This clarifies the in 3 illustrated exemplary characteristic FA0 of the difference signal Usig the GMR differential field sensor arrangement 1 , which was recorded with a probe encoder adjustment of 67% and an encoder field amplitude of 30mT. Another consequence is that from a certain mismatch of probe pitch and encoder pole width and high encoder field amplitude of the zero crossing of the differential signal Usig no longer steep, but extremely flat with a slope of about zero, ie with a sensitivity of zero. This extremely shallow zero crossing as well as the saturation behavior with a large differential flux density B _diff shows, by way of example, the characteristic FA0 of the mismatched GMR differential field sensor arrangement 1 in 3 , The width of this shallow zero crossing increases with the mismatch and the amplitude of the encoder wheel field strength. For Raddrehzahl- and position sensors, which switch a corresponding output signal I _A in the zero crossing of the differential signal Usig, and where it depends on a sharp reproducible switching time, such extremely shallow zero crossings are useless. Because the switching time is undefined according to the width of the zero crossing and the jitter of the signal edges of the output signal I _A increases accordingly. This is in 5 and 6 characterized in that the switching edges of the output signal I _{A of} the differential field sensor arrangement 1 which, for example, from one with the full bridge 2 connected ASIC (application specific integrated circuit), not shown, may occur at different locations in the area of the flat zero crossing. The difference signal Usig and the output signal I _A were recorded with a probe encoder adaptation of 67% and an encoder field amplitude of 30mT.

Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Differenzfeldsensoranordnung 1 aus 1, bei welcher die magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 einheitliche Streifenbreiten b aufweisen, kann durch eine Reduktion dieser Streifenbreite b die magnetoresistive Sättigungsfeldstärke erhöht werden. Das ist aber direkt mit einer Einbuße an magnetischer Empfindlichkeit verbunden und reduziert folglich den maximal zulässigen Luftspalt der Differenzfeldsensoranordnung 1, so dass die flachen Nulldurchgänge nur durch Verzicht auf Magnetfeldempfindlichkeit vermieden werden können.In the known from the prior art differential field sensor arrangement 1 out 1 in which the magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 have uniform strip widths b, the magnetoresistive saturation field strength can be increased by reducing this strip width b. However, this is directly associated with a loss of magnetic sensitivity and thus reduces the maximum allowable air gap of the differential field sensor array 1 , so that the shallow zero crossings can be avoided only by dispensing with magnetic field sensitivity.

Die in 4 dargestellten Kennlinien FA1, FA2, FA3, welche bei einer Sonden-Encoder-Anpassung von 100% und einer Encoder-Feldamplitude von 30mT aufgenommen wurden, zeigen unterschiedlich starke Formanisotropien für bekannte Differenzfeldsensoranordnungen mit einheitlicher Streifenbreite bei allen Brückenwiderständen R1, R2, R3, R4 der Vollbrücke 2. Hierbei repräsentiert eine erste Kennlinie FA1 beispielsweise eine mittlere Formanisotropie für eine mittlere Streifenbreite von b = 1µm für alle Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 der Vollbrücke 2. Eine abgeflachte zweite Kennlinie FA2 repräsentiert eine erhöhte Formanisotropie durch eine reduzierte Streifenbreite von beispielsweise b = 0,4µm für alle Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 der Vollbrücke 2. Eine steilere dritte Kennlinie FA3 repräsentiert eine reduzierte Formanisotropie durch eine erhöhte Streifenbreite von beispielsweise b = 4µm für alle Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4 der Vollbrücke 2.In the 4 shown characteristic curves FA1, FA2, FA3, which were taken at a probe encoder adjustment of 100% and an encoder field amplitude of 30mT show different strong form anisotropies for known differential field sensor arrangements with uniform stripe width at all bridge resistors R1, R2, R3, R4 of the full bridge 2 , In this case, a first characteristic FA1 represents, for example, a mean shape anisotropy for a mean strip width of b = 1 μm for all bridge resistances R1, R2, R3, R4 of the full bridge 2 , A flattened second characteristic FA2 represents an increased shape anisotropy due to a reduced stripe width of, for example, b = 0.4 μm for all bridge resistors R1, R2, R3, R4 of the full bridge 2 , A steeper third characteristic FA3 represents a reduced shape anisotropy due to an increased stripe width of, for example, b = 4 μm for all bridge resistors R1, R2, R3, R4 of the full bridge 2 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Wie aus 7 bis 10 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen magnetischen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20, 30, 40 jeweils mindestens zwei magnetoresistive Widerständen R1, R2, R3, R4, welche jeweils als magnetoresistive Schichtanordnungen mit vorgegebenen Streifenbreiten b und einem vorgebbaren Abstand d zueinander angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die einzelnen magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 jeweils mit mindestens zwei Bereichen R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V mit unterschiedlich starken Formanisotropien ausgeführt, welche unterschiedliche Sättigungsfeldstärken und Magnetfeldempfindlichkeiten aufweisen.How out 7 to 10 can be seen, the illustrated embodiments include a differential magnetic field sensor arrangement according to the invention 10 . 20 . 30 . 40 in each case at least two magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, which are each arranged as magnetoresistive layer arrangements with predetermined strip widths b and a predeterminable distance d from each other. According to the invention, the individual magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 are each provided with at least two regions R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3- 3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V are designed with different strong shape anisotropies, which have different saturation field strengths and magnetic field sensitivities.

Die flachen Nulldurchgänge des Differenzsignals Usig der bekannten Differenzfeldsensoranordnung 1 mit einer Steigung 0 treten dann auf, wenn aufgrund einer großen Fehlanpassung zwischen Sondenabstand d und Encoder-Polbreite bei hoher Encoder-Feldstärkeamplitude, d.h. bei einem geringen Luftspalt, zwar das Differenzsignal Usig = 0 ist, die einzelnen magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 aber magnetisch gesättigt sind und auf eine Veränderung der externen magnetischen Feldstärke nicht mehr reagieren können. Hierbei entspricht der Sondenabstand d einem mittleren Abstand zwischen den magnetoresistiven Widerständen R1 und R4, welche an einer ersten Sondenposition angeordnet sind, und den magnetoresistiven Widerständen R2 und R3, welche an einer zweiten Sondenposition angeordnet sind, bzw. einem mittleren Abstand zwischen den einzelnen magnetoresistiven Widerständen 1-R1, 1-R2, 1-R3, 1-R4, 2-R1, 2-R2, 2-R3, 2-R4 der beiden Vollbrücken 42, 44, welche jeweils an einer Sondenposition angeordnet sind.The shallow zero crossings of the differential signal Usig of the known differential field sensor arrangement 1 with a slope 0 occur when due to a large mismatch between probe distance d and encoder pole width at high encoder Feldstärkeamplitude, ie at a small air gap, although the difference signal Usig = 0, the individual magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 are magnetically saturated and can not react to a change in the external magnetic field strength. Here, the probe distance d corresponds to a mean distance between the magnetoresistive resistors R1 and R4, which are arranged at a first probe position, and the magnetoresistive resistors R2 and R3, which are arranged at a second probe position, and a mean distance between the individual magnetoresistive resistors 1-R1, 1-R2, 1-R3, 1-R4, 2-R1, 2-R2, 2-R3, 2-R4 of the two full bridges 42 . 44 , which are each arranged at a probe position.

Um zu vermeiden, dass bei großer Fehlanpassung von Sondenabstand d und Encoder-Polbreite die einzelnen magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 durch eine lokal an den Sondenpositionen vorliegende große magnetische Feldstärke gesättigt werden, wird erfindungsgemäß die Sättigungsfeldstärke in einem Teilabschnitt eines jeden magnetoresistiven Widerstands R1, R2, R3, R4 so weit vergrößert, dass bei der zu spezifizierenden maximalen Encoder-Feldamplitude und maximalen Sensor-Encoder-Fehlanpassung noch keine magnetische Sättigung auftritt. Diese bereichsweise Erhöhung der magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke innerhalb eines jeden Widerstands R1, R2, R3, R4 wird dadurch erreicht, dass die magnetisch bedingte Widerstandsänderung dieser Widerstands-Teilbereiche R1.1, R2.1, R3.1, R4.1, R1-1, R2-1, R3-1, R4-1, R1V, R2V, R3V, R4V in ihrer Steilheit (Empfindlichkeit) reduziert und dadurch der magnetische Arbeitsbereich erweitert wird. Dies verdeutlicht die abgeflachte GMR-Charakteristik FA3 in 4. Um dennoch bei kleinen Encoder-Feldamplituden, d.h. großen Luftspalten, eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit zu erreichen, wird in einem anderen Teilabschnitt R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V eines jeden magnetoresistiven Widerstands R1, R2, R3, R4 die Magnetfeldempfindlichkeit erhöht. Diesen Fall zeigt die steile GMR-Charakteristik FA1 in 4. Diese bereichsweise unterschiedlichen magnetoresistiven Charakteristiken innerhalb eines jeden einzelnen Widerstands R1, R2, R3, R4 werden durch eine bereichsweise unterschiedlich starke Formanisotropie der einzelnen Brückenwiderstandsstruktur erreicht. Die Widerstandsabschnitte R1.1, R2.1, R3.1, R4.1, R1-1, R2-1, R3-1, R4-1, R1V, R2V, R3V, R4V mit großer Sättigungsfeldstärke also breitem magnetischen Arbeitsbereich erfordern eine erhöhte Formanisotropie, die Widerstandsabschnitte R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V mit großer Magnetfeldempfindlichkeit erfordern eine reduzierte Formanisotropie. Die Stärke der Formanisotropie wird über den Entmagnetisierungsfaktor N der magnetoresistiven Widerstandsgeometrie bestimmt und eingestellt. Bei magnetoresistiven Dünnschichtstrukturen ist dieser Entmagnetisierungsfaktor N näherungsweise durch das Verhältnis von Schichtdicke zu Streifenbreite b gegeben. Dementsprechend wird die erhöhte Formanisotropie der Widerstandsabschnitte R1.1, R2.1, R3.1, R4.1, R1-1, R2-1, R3-1, R4-1, R1V, R2V, R3V, R4V mit großer Sättigungsfeldstärke durch eine dort reduzierte Streifenbreite b1 erreicht. Entsprechend wird die reduzierte Formanisotropie der Widerstandsabschnitte R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V mit hoher Magnetfeldempfindlichkeit durch eine in diesen Widerstandsabschnitten R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V erhöhte Streifenbreite b3 erreicht. In order to avoid saturating the individual magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 by a large magnetic field strength present locally at the probe positions in the event of a large mismatch of probe spacing d and encoder pole width, the saturation field strength in a subsection of each magnetoresistive resistor is inventively saturated R1, R2, R3, R4 are enlarged to such an extent that no magnetic saturation occurs at the maximum encoder field amplitude to be specified and the maximum sensor-encoder mismatch. This region-wise increase in the magnetoresistive saturation field strength within each resistor R1, R2, R3, R4 is achieved by virtue of the fact that the magnetically induced change in resistance of these resistor subregions R1.1, R2.1, R3.1, R4.1, R1-1, R2-1, R3-1, R4-1, R1V, R2V, R3V, R4V are reduced in their steepness (sensitivity), thereby expanding the magnetic working range. This illustrates the flattened GMR characteristic FA3 in FIG 4 , Nevertheless, in order to achieve a high magnetic field sensitivity at small encoder field amplitudes, ie large air gaps, in another subsection R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3 , R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V of each magnetoresistive resistor R1, R2, R3, R4 increases the magnetic field sensitivity. This case shows the steep GMR characteristic FA1 in FIG 4 , These region-wise different magnetoresistive characteristics within each individual resistor R1, R2, R3, R4 are achieved by an area-wise different shape anisotropy of the individual bridge resistance structure. The resistor sections R1.1, R2.1, R3.1, R4.1, R1-1, R2-1, R3-1, R4-1, R1V, R2V, R3V, R4V with a high saturation field strength, ie a wide magnetic working range, require one increased shape anisotropy, the resistor sections R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V with high magnetic field sensitivity require a reduced anisotropy. The strength of the shape anisotropy is determined and set by the demagnetization factor N of the magnetoresistive resistance geometry. In magnetoresistive thin-film structures, this demagnetization factor N is approximately given by the ratio of layer thickness to strip width b. Accordingly, the increased shape anisotropy of the resistive sections R1.1, R2.1, R3.1, R4.1, R1-1, R2-1, R3-1, R4-1, R1V, R2V, R3V, R4V with high saturation field strength achieved there a reduced stripe width b1. Accordingly, the reduced shape anisotropy of the resistance sections R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V with high magnetic field sensitivity by reaches a stripe width b3 increased in these resistor sections R1.3, R2.3, R3.3, R4.3, R1-3, R2-3, R3-3, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V.

Die in 4 dargestellten GMR-Kennlinien FA1, FA2, FA3 erhält man bei jeweils einheitlicher Streifenbreite b aller GMR-Brückenwiderstände R1, R2, R3, R4. Dies entspricht dem Stand der Technik (siehe EP-1348974-A2 ). Zur erfindungsgemäßen Erzielung sowohl einer hohen Magnetfeldempfindlichkeit bei kleinen Encoder-Feldstärken wie auch einer hohen magnetoresistiven Sättigungsfeldstärke bei großen Encoder-Feldstärken mit nur einer Vollbrücke 12, 22, 32, 42 wird jedoch jeder einzelne der magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 als eine Kombination aus Abschnitten R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V unterschiedlicher Formanisotropie und dementsprechend als eine Kombination aus Streifenabschnitten unterschiedlicher Streifenbreite b1, b2, b3, b_min, b_max realisiert.In the 4 shown GMR curves FA1, FA2, FA3 obtained at each uniform strip width b of all GMR bridge resistors R1, R2, R3, R4. This corresponds to the state of the art (see EP-1348974-A2 ). For inventive Achieving both high magnetic field sensitivity at low encoder field strengths and high magnetoresistive saturation field strength at large encoder field strengths with only one full bridge 12 . 22 . 32 . 42 However, each of the magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 as a combination of sections R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2 , R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3 -3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V different shape anisotropy and accordingly, as a combination of strip sections of different stripe width b1, b2, b3, b _min, b _max realized.

Wie aus 7 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10 zur Implementierung einer Vollbrücke 12 vier magnetoresistive Widerstände R1, R2, R3, R4, welche jeweils drei magnetoresistive Widerstandsstreifen R11, R12, R13, R21, R22, R23, R31, R32, R33, R41, R42, R43 mit unterschiedlicher Breite b1, b2, b3 und gleicher Länge aufweisen, welche mit einem vorgegebenen Abstand direkt nebeneinander angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sind. How out 7 can be further seen, comprises the illustrated first embodiment of a differential field sensor arrangement according to the invention 10 to implement a full bridge 12 four magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, which each have three magnetoresistive resistance strips R11, R12, R13, R21, R22, R23, R31, R32, R33, R41, R42, R43 with different widths b1, b2, b3 and the same length have, which are arranged with a predetermined distance directly next to each other and electrically connected in series.

Wie aus 8 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 20 zur Implementierung einer Vollbrücke 22 vier magnetoresistive Widerstände R1, R2, R3, R4, welche jeweils nur einen einzelnen magnetoresistiven Widerstandsstreifen aufweisen, welcher drei Abschnitte R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3 mit unterschiedlicher Breite b1, b2, b3 aufweist.How out 8th can be further seen, comprises the illustrated second embodiment of a differential field sensor arrangement according to the invention 20 to implement a full bridge 22 four magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, each having only a single magnetoresistive resistance strip, which has three sections R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1 , R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3 having different widths b1, b2, b3.

Wie aus 9 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 30 zur Implementierung einer Vollbrücke 32 vier magnetoresistive Widerstände R1, R2, R3, R4, welche jeweils als Widerstandsstreifen R1V, R2V, R3V, R4V ausgeführt sind, deren Breite sich zwischen einem minimalen Wert b_min und einem maximalen Wert b_max kontinuierlich ändert. Hier ist durch eine kontinuierliche Änderung der Streifenbreite zwischen der minimalen Streifenbreite b_min und der maximalen Streifenbreite b_max eine beliebig feine Abstufung der Streifenbreiten innerhalb jedes einzelnen magnetoresistiven Widerstands R1, R2, R3, R4 der Vollbrücke 32 erreicht.How out 9 can be further seen, comprises the illustrated third embodiment of a differential field sensor arrangement according to the invention 30 to implement a full bridge 32 four magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, which are each designed as a resistive strip R1V, R2V, R3V, R4V, whose width b _min and a maximum value b _max changes continuously between a minimum value. Here, by a continuous change of the strip width between the minimum strip width b _min and the maximum strip width b _max, an arbitrarily fine gradation of the strip widths within each individual magnetoresistive resistor R1, R2, R3, R4 of the full bridge 32 reached.

Die in 7 bis 9 jeweils schematisch dargestellte magnetoresistive Vollbrücke 12, 22, 32, deren Ersatzschaltbild in 2 dargestellt ist, wird bevorzugt mit einem GMR-Spinvalve-Schichtsystem aufgebaut. Dieses besteht zumindest aus einer natürlichen antiferromagnetischen Schicht, wie z.B. PtMn, IrMn, FeMn, einer ferromagnetischen Referenzschicht, wie z.B. NiFe, CoFe, deren Magnetisierungsrichtung durch die benachbarte antiferromagnetische Schicht fixiert (gepinnt) ist, einer nichtmagnetischen Zwischenschicht, wie z.B. Cu, und einer ferromagnetischen freien Schicht, wie z.B. NiFe, CoFe. Der GMR-Schichtstapel kann aber auch deutlich komplexer aufgebaut sein und beispielsweise zusätzlich einen künstlichen Antiferromagnet aufweisen. Bevorzugt haben alle vier magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 des GMR-Spinvalve-Schichtsystems dieselbe Referenzrichtung, welche einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht. Diese lässt sich somit technisch einfach in einem Prozessschritt gleichzeitig für alle Sensorchips eines oder gar mehrerer Wafer einprägen. Auch wenn sich die hier beschriebenen möglichen Ausführungsformen auf die Anwendung der GMR-Sensortechnologie beziehen, so ist dennoch die erfindungsgemäße Kombination von Bereichen R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V unterschiedlicher Formanisotropie innerhalb eines jeden MR- Brückenwiderstands auch mittels anderer magnetoresistiver Schichttechnologien realisierbar. So wird beispielsweise bei Anwendung der AMR-Technologie bevorzugt dasselbe Widerstandsstreifenlayout gewählt wie bei Anwendung der GMR-Technologie. Bei einem AMR-Schichtsystem weisen alle vier magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 ebenfalls dieselbe Referenzrichtung auf, welche hier aber einer Referenzstromrichtung entspricht. Zur AMR-Kennlinien-Linearisierung werden aber bevorzugt zusätzliche Barberpol-Strukturen und zur AMR-Kennlinien-Stabilisierung (Vermeidung des Kennlinien-Flippens) ein zusätzliches magnetisches Stützfeld eingesetzt. Entsprechend sind bei Anwendung der TMR-Sensortechnologie zusätzlich deren speziellen Belange wie beispielsweise Stromfluss senkrecht zur Tunnel-Schichtebene zu berücksichtigen. Bevorzugt haben alle vier magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 des TMR-Schichtsystems ebenfalls dieselbe Referenzrichtung, welche hier analog zum GMR-Spinvalve-Schichtsystem einer Referenzmagnetisierungsrichtung entspricht.In the 7 to 9 each schematically illustrated magnetoresistive full bridge 12 . 22 . 32 whose equivalent circuit diagram in 2 is preferably constructed with a GMR Spinvalve layer system. This consists at least of a natural antiferromagnetic layer, such as PtMn, IrMn, FeMn, a ferromagnetic reference layer, such as NiFe, CoFe whose magnetization direction is fixed (pinned) by the adjacent antiferromagnetic layer, a non-magnetic intermediate layer, such as Cu, and a ferromagnetic free layer, such as NiFe, CoFe. However, the GMR layer stack can also be constructed significantly more complex and, for example, additionally have an artificial antiferromagnet. Preferably, all four magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 of the GMR spinvalve layer system have the same reference direction, which corresponds to a reference magnetization direction. This can thus be memorized technically in one process step simultaneously for all sensor chips of one or more wafers. Although the possible embodiments described here relate to the application of the GMR sensor technology, the combination according to the invention of regions R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3 is nevertheless still .1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2- 2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V of different shape anisotropy within each MR bridge resistance also by other magnetoresistive layer technologies realizable. For example, when using the AMR technology, the same resistive strip layout is preferred as when using the GMR technology. In the case of an AMR layer system, all four magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 likewise have the same reference direction, which here, however, corresponds to a reference current direction. For AMR characteristic linearization, however, additional Barberpol structures and for AMR characteristic stabilization (avoidance of characteristic flipping) an additional magnetic support field are preferably used. Accordingly, if TMR sensor technology is used, its special requirements, such as the flow of current perpendicular to the tunnel layer plane, must also be taken into account. Preferably, all four magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 of the TMR layer system also have the same reference direction, which here corresponds to a reference magnetization direction analogous to the GMR spinvalve layer system.

Wie aus 10 ersichtlich ist, ist die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Bereiche bzw. Abschnitte R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V unterschiedlicher Formanisotropie innerhalb eines jeden magnetoresistiven Widerstands R1, R2, R3, R4 nicht auf Ausführungsformen mit einer Vollbrücke 12, 22, 32, wie in 7 bis 9 dargestellt, beschränkt. Die erfindungsgemäße Kombination mehrerer Bereiche bzw. Abschnitte R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V ist beispielsweise auch auf eine erfindungsgemäße Differenzfeldsensoranordnung 40 anwendbar, welche an jeder Sondenposition eine Vollbrücke 42, 44, in Summe also zwei Vollbrücken 42, 44 aufweist.How out 10 it can be seen, the inventive combination of several areas or sections R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4. 1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V different shape anisotropy within each magnetoresistive resistor R1, R2, R3, R4 not on embodiments with a full bridge 12 . 22 . 32 , as in 7 to 9 shown, limited. The inventive combination of several areas or sections R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4. 2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, For example, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V is also based on a differential field sensor arrangement according to the invention 40 applicable, which at each probe position a full bridge 42 . 44 , in total two full bridges 42 . 44 having.

Wie aus 10 weiter ersichtlich ist, sind die einzelnen magnetoresistiven Widerstände 1-R1, 1-R2, 1-R3, 1-R4, 2-R1, 2-R2, 2-R3, 2-R4 analog zum dritten Ausführungsbeispiel jeweils als ein einziger Widerstandsstreifen ausgeführt, dessen Streifenbreite sich entlang des Streifens kontinuierlich von einem maximalen Wert b_max auf einen minimalen Wert b_min und wieder bis zum maximalen Wert b_max ändert. Die Ausführung der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 40 mit zwei Vollbrücken 42, 44 bietet den Vorteil, dass das Gesamtdifferenzsignal Udiff = Usig1a – Usig2a mit Usig1a = U1+ – U1– und Usig2a = U2+ – U2– doppelt so groß ist, als im Fall von nur einer Vollbrücke 32 und somit noch größere Luftspalte ermöglicht und einen noch geringeren Jitter der Signalflanken des Ausgabesignals I_A aufweist. Jede der beiden Vollbrücken 42, 44 stellt für sich allein betrachtet einen Single-Absolutfeldsensor mit einem Sondenabstand von Null dar. Daher sind bei den magnetoresistiven Widerständen 1-R1, 1-R2, 1-R3, 1-R4, 2-R1, 2-R2, 2-R3, 2-R4 einer Halbbrücke unterschiedliche Referenzrichtungen erforderlich. Bei der dargestellten Verwendung von GMR-Spinvalve-Schichtsystemen entsprechen die Referenzrichtungen Referenzmagnetisierungsrichtungen, welche durch schwarze Pfeile in 10 symbolisiert sind.How out 10 2, the individual magnetoresistive resistors 1-R1, 1-R2, 1-R3, 1-R4, 2-R1, 2-R2, 2-R3, 2-R4 are each designed as a single resistance strip in analogy to the third exemplary embodiment whose strip width continuously changes along the strip from a maximum value b _max to a minimum value b _min and again up to the maximum value b _max . The embodiment of the differential field sensor arrangement according to the invention 40 with two full bridges 42 . 44 offers the advantage that the total difference signal Udiff = Usig1a - Usig2a with Usig1a = U1 + - U1- and Usig2a = U2 + - U2- is twice as large as in the case of only one full bridge 32 and thus allows even greater air gaps and even lower jitter of the signal edges of the output signal I _A has. Each of the two full bridges 42 . 44 By itself, this is a single absolute field sensor with zero probe spacing. Therefore, in the magnetoresistive resistors 1-R1, 1-R2, 1-R3, 1-R4, 2-R1, 2-R2, 2-R3, 2-R4 a half bridge different reference directions required. In the illustrated use of GMR Spinvalve layer systems, the reference directions correspond to reference magnetization directions indicated by black arrows in FIG 10 are symbolized.

Für die Ausführungsbeispiele mit drei unterschiedlichen Streifenbreiten b1, b2, b3 innerhalb eines jeden Widerstands R1, R2, R3, R4, siehe 7 und 8 erhält man bei einer Anpassung des Sondenabstands zur Encoder-Polbreite von 67% die in 11 und 12 dargestellten GMR-Differenzsignal-Kennlinien FA10a, FA10b.For the embodiments with three different stripe widths b1, b2, b3 within each resistor R1, R2, R3, R4, see 7 and 8th If the probe gap is adjusted to the encoder pole width of 67%, the in 11 and 12 shown GMR difference signal characteristics FA10a, FA10b.

Die Kennlinie FA10a in 11 ist typisch für den Fall großer Encoder-Feldamplituden. Die Kennlinie FA10a zeigt im Vergleich mit der Kennlinie FA0 aus 3, dass selbst bei einer Absolutfeldamplitude von 30mT die Kennliniensteigung im Nulldurchgang des Differenzsignals Usig1 noch immer deutlich größer als Null ist. Die einzelnen magnetoresistiven Widerstände R1, R2, R3, R4 der Vollbrücke 12, 22 sind also erfindungsgemäß trotz lokal an den Sondenpositionen hoher Feldstärke, bedingt durch die Sensor-Encoder-Fehlanpassung von 33%, noch nicht gesättigt und zeigen im Gegensatz zu der in 3 dargestellten Kennlinie FA0 noch eine ausreichend hohe Magnetfeldempfindlichkeit.The characteristic FA10a in 11 is typical in the case of large encoder field amplitudes. The characteristic FA10a shows in comparison with the characteristic FA0 off 3 in that even with an absolute field amplitude of 30 mT, the characteristic gradient in the zero crossing of the difference signal Usig1 is still significantly greater than zero. The individual magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4 of the full bridge 12 . 22 Thus, according to the invention, despite being locally localized at the probe positions of high field strength, due to the sensor-encoder mismatch of 33%, they are not yet saturated and, in contrast to those in FIG 3 characteristic curve FA0 nor a sufficiently high magnetic field sensitivity.

Die Kennlinie FA10b in 12 ist typisch für den Fall kleiner Encoder-Feldamplituden. Die Kennlinie FA10b zeigt im Vergleich mit der Kennlinie FA0 aus 3, dass bei Encoder-Feldamplituden von 3mT und weniger, die Kennlinien-Steigung d.h. die Magnetfeldempfindlichkeit erfindungsgemäß sehr groß ist und derjenigen bei einer Sensor-Encoder-Anpassung von 100% entspricht.The characteristic FA10b in 12 is typical for the case of small encoder field amplitudes. The characteristic FA10b shows in comparison with the characteristic FA0 3 in that, with encoder field amplitudes of 3mT and less, the characteristic slope, ie the magnetic field sensitivity, is very large according to the invention and corresponds to that with a sensor-encoder adaptation of 100%.

Für den Fall großer Encoder-Feldamplituden zeigen 13 und 14 jeweils exemplarisch den Verlauf des Differenzsignals Usig1 bzw. Brückensignals und des Ausgabesignals I_A der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20, welches beispielsweise von einem mit der Vollbrücke 12, 22 verbundenen nicht dargestellten ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) erzeugt und ausgegeben wird, bei einer Sensor-Encoder-Anpassung von 67% und einer Encoder-Feldamplitude von 30mT. Die dargestellten Signale Usig1, I_A betreffen die in 7 bzw. 8 dargestellten erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnungen 10, 20 mit drei unterschiedlichen Streifenbreiten von b1 = 0.4µm, b2 = 1µm und b3 = 4µm innerhalb eines jeden magnetoresistiven Widerstands R1, R2, R3, R4. Die Nulldurchgänge des Brückensignals Usig1 zeigen die erfindungsgemäße von Null verschiedene Steigung. Folglich sind die Schaltpunkte des Sensorausgabesignals I_A gut definiert. Der Jitter der Signalflanken ist gegenüber den in 5 und 6 dargestellten Signalen der aus dem Stand der Technik bekannte Differenzfeldsensoranordnung 1 stark reduziert.In the case of large encoder field amplitudes show 13 and 14 in each case by way of example the course of the difference signal Usig1 or bridge signal and of the output signal I _A of the differential field sensor arrangement according to the invention 10 . 20 which, for example, from one with the full bridge 12 . 22 connected ASIC (application specific integrated circuit), not shown, with a sensor-encoder adjustment of 67% and an encoder field amplitude of 30mT. The illustrated signals Usig1, I _A relate to in 7 respectively. 8th illustrated differential field sensor arrangements according to the invention 10 . 20 with three different stripe widths of b1 = 0.4μm, b2 = 1μm and b3 = 4μm within each magnetoresistive resistor R1, R2, R3, R4. The zero crossings of the bridge signal Usig1 show the non-zero slope according to the invention. Consequently, the switching points of the sensor output signal I _{A are} well defined. The jitter of the signal edges is opposite to the in 5 and 6 represented signals of the known from the prior art differential field sensor arrangement 1 greatly reduced.

Die Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik verdeutlicht auch die in 15 beispielhaft dargestellte Abhängigkeit der Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usig1 von der Sensor-Encoder-Anpassung SEA bei einer hohen Encoder-Absolutfeldamplitude von 37mT. 15 zeigt eine erste Kennlinie NDB1, welche die auf die Encoder-Polpaarperiode bezogene relative Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usig der aus dem Stand der Technik bekannte Differenzfeldsensoranordnung 1 mit magnetoresistiven Widerständen R1, R2, R3, R4 repräsentiert, welche eine einheitliche Streifenbreite b von 1,4µm aufweisen. Zudem zeigt 15 eine zweite Kennlinie NDB10, welche die auf die Encoder-Polpaarperiode bezogene relative Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usig der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 mit magnetoresistiven Widerständen R1, R2, R3, R4 repräsentiert, welche jeweils drei unterschiedliche Streifenbreiten von b1 = 0.4µm, b2 = 1µm und b3 = 4µm aufweisen. Bei der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 ist der für eine geringe Nulldurchgangsbreite < 0,3% zulässige Sensor-Encoder-Anpassungsbereich wesentlich breiter, und die tolerierbare Fehlanpassung von Sondenabstand zu Encoder-Polbreite also wesentlich größer. Ebenso ist bei der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 bei einer vorgegebenen Sensor-Encoder-Anpassung die für eine geringe Nulldurchgangsbreite zulässige maximale Encoder-Feldamplitude deutlich höher als bei der aus dem Stand der Technik bekannten Differenzfeldsensoranordnung 1 mit nur einer Streifenbreite.The improvement over the prior art also illustrates the in 15 illustrated as a function of the zero crossing width of the difference signal Usig1 of the sensor encoder adaptation SEA at a high encoder absolute field amplitude of 37mT. 15 shows a first characteristic NDB1, which relates to the encoder pole pair period relative zero crossing width of the difference signal Usig of the known from the prior art differential field sensor arrangement 1 with magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, which have a uniform stripe width b of 1.4 μm. In addition shows 15 a second characteristic NDB10, which relates to the encoder pole pair period relative zero crossing width of the difference signal Usig of the differential field sensor arrangement according to the invention 10 . 20 with magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, which each have three different strip widths of b1 = 0.4μm, b2 = 1μm and b3 = 4μm. In the differential field sensor arrangement according to the invention 10 . 20 For example, the sensor-encoder adjustment range permitted for a low zero-crossing width <0.3% is considerably wider, and the tolerable mismatch between probe spacing and encoder pole width is thus significantly greater. Likewise, in the differential field sensor arrangement according to the invention 10 . 20 for a given sensor-encoder-adaptation for a low Zero crossing width permissible maximum encoder field amplitude significantly higher than in the known from the prior art differential field sensor arrangement 1 with only one stripe width.

Analog zu 15 zeigt 16 eine erste Kennlinie NDB1, welche in Abhängigkeit der Amplitude der Absolutflussdichte B_abs die auf die Encoder-Polpaarbreite bezogene relative Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usig der aus dem Stand der Technik bekannte Differenzfeldsensoranordnung 1 mit magnetoresistiven Widerständen R1, R2, R3, R4 repräsentiert, welche eine einheitliche Streifenbreite b von 1,4µm aufweisen, und eine zweite Kennlinie NDB10, welche die auf die Encoder-Polpaarbreite bezogene relative Nulldurchgangsbreite des Differenzsignals Usig der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 mit magnetoresistiven Widerständen R1, R2, R3, R4 repräsentiert, welche jeweils drei unterschiedliche Streifenbreiten von b1 = 0.4µm, b2 = 1µm und b3 = 4µm aufweisen. Wie aus 16 weiter ersichtlich ist, sind beispielsweise für eine bei einer Sensor-Encoder-Anpassung von 67% dargestellten Abhängigkeit der Nulldurchgangsbreite von der Encoder-Feldamplitude bei der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung 10, 20 mit drei Streifenbreiten von b1 = 0.4µm, b2 = 1µm und b3 = 4µm für jeden magnetoresistiven Widerstand R1, R2, R3, R4 für eine Nulldurchgangsbreite von kleiner 0,3%, Encoder-Absolutfeldamplituden von bis ca. 45mT zulässig, d.h. ein um den Faktor 3 höherer Wert als im Fall der aus dem Stand der Technik bekannten Differenzfeldsensoranordnung 1 mit nur einer einheitlichen Streifenbreite b von 1,4µm.Analogous to 15 shows 16 a first characteristic curve NDB1, which, depending on the amplitude of the absolute flux density B _abs, relates to the relative zero crossing width of the difference signal Usig of the differential field sensor arrangement known from the prior art relative to the encoder pole pair width 1 with magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, which have a uniform stripe width b of 1.4 .mu.m, and a second characteristic NDB10, which relates to the encoder pole pair width relative zero crossing width of the difference signal Usig of the differential field sensor arrangement according to the invention 10 . 20 with magnetoresistive resistors R1, R2, R3, R4, which each have three different strip widths of b1 = 0.4μm, b2 = 1μm and b3 = 4μm. How out 16 It can also be seen that, for example, for a dependence of the zero crossing width on the encoder field amplitude shown in the case of a sensor-encoder adaptation of 67% in the case of the differential field sensor arrangement according to the invention 10 . 20 with three stripe widths of b1 = 0.4μm, b2 = 1μm and b3 = 4μm for each magnetoresistive resistor R1, R2, R3, R4 for a zero crossing width of less than 0.3%, encoder absolute field amplitudes of up to approximately 45mT allowed, ie one order 3 factor higher than in the case of the known from the prior art differential field sensor arrangement 1 with only a uniform stripe width b of 1.4μm.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung können vorzugsweise für Drehzahlfühler in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Diese Drehzahlfühler stellen die für die ABS/ESP-Fahrdynamikregelung erforderlichen Geschwindigkeitssignale der vier Räder zur Verfügung. Zusätzlich kann im Rahmen der frequenzbasierten Reifendrucksensierung dieses Drehzahlfühlergeschwindigkeitssignal über eine Frequenzanalyse auch zur Bestimmung des Reifenluftdrucks herangezogen werden. Diese zusätzliche Signalauswertung erfordert eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit der Drehzahlfühlersignalflankenposition, d.h. den Einsatz von Low-Jitter Drehzahlfühlern. Mit den bisherigen Hall-Effekt-basierten Drehzahlfühlern kann diese Anforderung nicht oder nur teilweise erfüllt werden. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung verbindet in vorteilhafter Weise die erforderliche Low-Jitter-Performance mit einer hohen Robustheit gegenüber magnetischen Fremd- bzw. Störfeldern. Dies ist gerade auch im Hinblick auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit großen elektrischen Strömen und damit verbundenen magnetischen Störfeldern von Bedeutung.Embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention can preferably be used for speed sensors in motor vehicles. These speed sensors provide the speed signals of the four wheels required for ABS / ESP vehicle dynamics control. In addition, as part of the frequency-based tire pressure sensing, this speed sensor speed signal can also be used to determine the tire air pressure via a frequency analysis. This additional signal evaluation requires a very high repeatability of the speed sensor signal edge position, i. the use of low jitter speed sensors. With the previous Hall effect-based speed sensors, this requirement can not or only partially be met. Embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention advantageously combines the required low-jitter performance with a high degree of robustness with respect to magnetic foreign or interference fields. This is especially important with regard to hybrid and electric vehicles with large electric currents and associated magnetic interference fields.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung können aufgrund der Low-Jitter-Performance auch sehr vorteilhaft als Drehzahlgeber an einer Kurbelwelle eingesetzt werden. Denn auch die exakte Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs erfordert Positionssignale mit hoher Wiederholgenauigkeit der Signalflanken-Position.Embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention can also be used very advantageously as a speed sensor on a crankshaft due to the low-jitter performance. For even the exact engine control of the motor vehicle requires position signals with high repeatability of the signal edge position.

Darüber hinaus eignen sich Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Differenzfeldsensoranordnung generell zur inkrementalen Positionssensierung (Winkel, Weg) insbesondere bei großen Luftspalten, aufgrund der hohen Magnetfeldempfindlichkeit, bei Gegenwart magnetischer Störfelder, aufgrund der magnetischen Robustheit des eingesetzten Differenzprinzips, und breitem Encoder-Spektrum, aufgrund der Fehlanpassungs-Toleranz.In addition, embodiments of the differential field sensor arrangement according to the invention are generally suitable for incremental position sensing (angle, path), in particular for large air gaps, due to the high magnetic field sensitivity, in the presence of magnetic interference, due to the magnetic robustness of the differential principle used, and wide encoder spectrum, due to the Fehlanpassungs- Tolerance.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1348974 B1 [0002, 0032]
EP 1348974 A2 [0039]

Claims

Magnetic differential field sensor arrangement having at least two magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4), which are arranged in each case as magnetoresistive layer arrangements with predetermined strip widths (b) and a predefinable spacing (d), characterized in that the individual magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) each having at least two regions (R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4. 1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V) are designed with different degrees of shape anisotropies, which have different saturation field strengths and magnetic field sensitivities.

Differential field sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the different degrees of shape anisotropy of the at least two regions (R1.1, R1.2, R1.3, R2.1, R2.2, R2.3, R3.1, R3.2, R3.3, R4.1, R4.2, R4.3, R1-1, R1-2, R1-3, R2-1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3- 3, R4-1, R4-2, R4-3, R1V, R2V, R3V, R4V) of the magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) is determined by the demagnetization factor (N) of the magnetoresistive resistance geometry, which is preferably determined by the Strip width (b) of the magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) can be specified.

Differential field sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized by at least one full bridge circuit ( 12 . 22 . 32 . 42 . 44 ), each comprising four magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4).

Differential field sensor arrangement according to claim 3, characterized in that the at least one full bridge circuit ( 12 . 22 . 32 . 42 . 44 ) is constructed as a GMR layer system or as a TMR layer system or as an AMR layer system.

Differential field sensor arrangement according to claim 3, characterized in that the GMR layer system is designed as GMR Spinvalve layer system and at least one natural antiferromagnetic layer, a ferromagnetic reference layer whose magnetization direction is fixed by the adjacent antiferromagnetic layer, a non-magnetic intermediate layer and a ferromagnetic free layer includes.

Differential field sensor arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that the individual magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) of a full bridge circuit ( 12 . 22 . 32 ) have the same reference direction, wherein the reference direction of the GMR layer system and / or the TMR layer system corresponds to a reference magnetization direction, and wherein the reference direction of the AMR layer system corresponds to a reference current direction.

Differential field sensor arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that two full bridge circuits ( 42 . 44 ), wherein the individual bridge resistors (1-R1, 1-R2, 1-R3, 1-R4, 2-R1, 2-R2, 2-R3, 2-R4) of each half bridge have different reference directions, wherein the Reference direction of the GMR layer system and / or the TMR layer system corresponds to a reference magnetization direction, and wherein the reference direction of the AMR layer system corresponds to a reference current direction.

Differential field sensor arrangement according to claim 7, characterized in that a first full bridge circuit ( 42 ) at a first probe position and a second full bridge circuit ( 44 ) is disposed at a second probe position.

Differential field sensor arrangement according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the individual magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) each have at least two resistance strips (R11, R12, R13, R21, R22, R23, R31, R32, R33, R41 , R42, R43) with different widths (b1, b2, b3), which are arranged at a predetermined distance directly next to each other and are electrically connected in series.

Differential field sensor arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the individual magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) are designed as resistance strips which comprise at least two sections (R1-1, R1-2, R1-3, R2- 1, R2-2, R2-3, R3-1, R3-2, R3-3, R4-1, R4-2, R4-3) having different widths (b1, b2, b3).

Differential field sensor arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the individual magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) are designed as resistance strips (R1V, R2V, R3V, R4V) whose width is between a minimum value (b _min ) and a maximum value (b _max ) changes continuously.

Differential field sensor arrangement according to one of claims 9 to 11, characterized in that the resistance strips of the individual magnetoresistive resistors (R1, R2, R3, R4) of a full bridge circuit ( 12 . 22 . 32 . 42 . 44 ) are executed the same length.