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KR20050109506A - 각도 또는 위치를 결정하기 위한 자기저항 센서 - Google Patents

각도 또는 위치를 결정하기 위한 자기저항 센서 Download PDF

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Publication number
KR20050109506A
KR20050109506A KR1020057015610A KR20057015610A KR20050109506A KR 20050109506 A KR20050109506 A KR 20050109506A KR 1020057015610 A KR1020057015610 A KR 1020057015610A KR 20057015610 A KR20057015610 A KR 20057015610A KR 20050109506 A KR20050109506 A KR 20050109506A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
strips
sensor
magnetoresistive
strip
magnetic field
Prior art date
Application number
KR1020057015610A
Other languages
English (en)
Inventor
아셀 바르토스
아르민 메이센베르그
프리츠 데트만
Original Assignee
에이치엘-플라나 테크닉 게엠베하
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 에이치엘-플라나 테크닉 게엠베하 filed Critical 에이치엘-플라나 테크닉 게엠베하
Publication of KR20050109506A publication Critical patent/KR20050109506A/ko

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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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
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Abstract

AMR 또는 GMR 효과를 사용하고 각도측정시에 회전가능한 영구자석의 균질 자기장의 방향 또는 측정을 위하여 교번방향으로 주기적으로 자화되는 스케일에 대한 센서의 위치를 지시하는 자기저항 센서는 출력신호들이 작은 고조파 성분들 및 히스테리시스 영역들을 가지는 경우에 작은 측정 에러들을 허용한다. 또한, 상기 자기저항 센서들에서는 각도 또는 위치값이 아크탄젠트 보간법을 이용하여 두개의 브리지들 또는 절반 브리지들로부터의 출력신호들의 몫으로부터 획득된다. 본 발명에 따른 구성들에서, 상기와 같은 것은 스트립들로 구성된 저항기들에 의하여 달성되며, 또한 스트립들에 작용하는 각각의 일정한 자기장에 대하여 종축을 따라 저항-결정 각도를 연속적으로 변화시킴으로서 달성된다. 저항-결정 각도는 AMR 센서들의 경우에 전류 및 자화방향사이에 있으며 GMR 센서들의 경우에 두개의 층 성분의 자화방향들사이에 있다.

Description

각도 또는 위치를 결정하기 위한 자기저항 센서{MAGNETORESISTIVE SENSOR FOR DETERMINING AN ANGLE OR A POSITION}
본 발명은 센서에 대하여 회전가능 자석이 가정한 각도들 또는 자기 스케일에 대향하여 배치되고 주기적인 자기 패턴을 가진 센서의 위치들을 결정하는 자기저항 센서들에 관한 것이다. 이러한 각도 및 위치 측정 구조들은 여러 분야에, 예컨대 머신 구성, 자동차 공학 및 정밀기계에 사용된다.
각도들 또는 위치들을 결정하기 위한 자기저항 센서들은 공지되어 있다. 문헌 WO 02/06845 A1는 비등방성 자기저항(AMR) 효과, 거대 자기저항(GMR) 효과 및 자기저항층(TMR)들간의 터널 효과를 기초로하여 자기저항 센서들에 의한 각도들의 아날로그 결정에 관한 종래기술의 요약을 제공한다. AMR 효과의 경우에, 층 스트립의 저항은 전류방향 및 자화방향간의 각도 α에 의하여 관리된다. 이는 관계식 R(α)=R0+(ΔR/2)(1-cos(2α))에 의하여 정의될 수 있다. 이로부터 알 수 있는 바와같이, 저항의 변화는 각도 α 내지 180°로 변화한후에 하나의 완전한 주기를 통과한다. 만일 근방에서 회전할 수 있도록 장착된 영구자석의 층 스트립의 작용으로 인하여 자화방향이 전계방향과 매칭되면, 영구자석의 하나의 완전한 회전동안 저항변화의 두개의 완전한 주기 사이클들이 발생된다. 이는 전류가 층 스트립을 흐를때 전압변화로서 측정될 수 있다.
GMR 효과 및 TMR 효과의 경우에, 층 스트립 또는 터널 전이의 저항은 두개의 층 또는 자기저항 재료의 층 부분들의 자화방향간의 각도 β에 따른다. 만일 하나의 층 부분에서의 자화방향이 직접 접촉상태에 있는 자연 또는 인공 반페로자석에 의하여 고정되고 제 2부분의 자화방향만이 회전할 수 있는 영구자석의 공급된 전계를 따르면, 저항 변화는 관계식 R(β)=R0+(ΔR/2)(1-cos(2β))에 의하여 정의된다. 이러한 경우에는 영구자석의 일 회전동안 저항변화의 단지 하나의 완전한 주기를 야기하거나 또는 층 스트립 또는 터널 접합상에서 신호로서 사용될 수 있는 전압의 단지 하나의 완전한 주기를 야기한다.
언급된 공식에 따르면, 이는 각도를 코사인 함수로 이상적으로 변환시킨다. 그러나, 실제로는 상기 변환이 에러없이 수행될 수 없다는 것을 알았다. 각각의 기본의 고조파가 신호에서 발생하며 이들 고주파의 주기 길이들은 앞서 언급된 180° 또는 360°의 정수분수이다. 에러의 원인은 층들의 자화방향 및 공급된 자기장의 방향간의 가정된 매칭이 충분히 정확하지 않기 때문이다. AMR 각도 센서들의 경우에, 언급된 방향들간의 매칭이 높은 지속적인 자기장의 세기에 의하여 개선될 수 있다. 그러나, 이는 고가의 보자력 영구자석 재료를 사용함으로써 또는 센서에 바로 근접한 영구자석의 기계적 복합 피팅에 의하여 달성될 수 있다. GMR 또는 TMR 센서들의 경우에, 매우 높은 자기장의 세기를 사용하면 신호의 사인 성질의 개선되지 않는다. 왜냐하면, 이들 자기장의 세기가 반페로자석에 접속된 자기저항층의 자화를 회전시키기 때문이다. 공급된 자기장의 방향과 자유 및 AMR 층 스트립들의 자화방향이 매칭되지 않는 두가지 가능한 원인이 존재한다. 제 1원인은 기본적으로 물리적 성질이며, 자화 및 스트립 종방향간의 각도 φ가 만족되어야 하고 다음과 같은 수식으로 주어지는 방정식을 가진 공개명세서 DE 198 39 450 A1에 개시되어 있다.
Hx/H0 tan(φ) + sin(φ) - Hy/H0=0.
여기서 Hx는 스트립 종방향의 자기장 성분이며, Hy는 이에 직각인 성분이다. 방정식 tan(α)=Hy/Hx을 적용하는 각도 α과 각도 φ간의 매칭은 높은 자기장 세기를 사용해야 하는 조건에 대응하는 Hx/H0 및 Hy/H0가 매우 큰 값을 가진다고 가정한 상황에서만 달성된다. 제 2원인은 제한된 각도 범위들과 영구 자석으로부터의 비교적 약한 자기장에 대하여 자화방향이 특히 스트립 단부들 및 에지들에서 영역들로 분할되어 이상적인 것과 다른 저항들을 유발할뿐만아니라 각도 범위들내에서 히스테리시스를 유발한다는 점이다.
두개의 인용된 문헌들 WO 02/06845 A1 및 DE 198 39 450 A1은 자기저항 각도 센서들에 의하여 달성될 수 있는 측정의 정확성을 개선하기 위하여 자기저항 저항기들을 각각 형성하는 층 스트립들의 특정 구조들을 개시하고 있으며, 이들 구조들은 센서들로부터 출력되는 신호들로부터 고조파를 필터링하는데 적합하다. 이러한 필터링은 비교적 낮은 자기장의 세기에 효과적이다. 이는 AMR 센서들의 경우에 스트립들의 종방향들간에 정밀하게 한정된 각도들을 가진 평행 직선 스트립들의 두개 이상의 그룹이 긴 직선 자기저항 스트립들 대신에 사용된다는 점에서 달성되며, 긴 직선 자기저항 스트립들은 고조파 필터링없이 센서들중 하나의 다른 센서와 평행한다. 사용되는 스트립 그룹의 수가 많으면 많을 수록 신호로부터 고조파가 필터링되는 고조파의 차수가 높다. 그러나, 하나의 단점은 각도가 측정되어야 하고 영역들로의 분할 및 히스테리시스가 발생하는 공급된 자기장의 새로운 각도 범위들에서 기존 스트립들에 대하여 고정된 새로운 경사각도를 가진 각각의 새로운 스트립 그룹이 발생한다는 점이다. 이는 스트립들의 비등방성 자기장 세기보다 훨씬 크지 않는 자기장의 세기에 적용한다.
GMR 및 TMR 센서들의 경우에 긴 평행 자기저항 스트립들을 사용하는 것이 명백히 가능하다. 그러나, 다양한 스트립 그룹의 각각의 반페로자석에 접속되는 층들의 자화방향은 층들사이에서 정밀하게 한정된 각도들을 형성해야 한다. 따라서, 스트립 종방향에 직각으로 정렬된 자화성분들을 방지하는 것이 기본적으로 불가능하며, 이러한 경우에 특히 경제적으로 제조될 수 있는 비교적 약한 자기장 세기일때 히스테리시스를 발생시키는 스트립 그룹의 수와 함께 증가하는 다수의 각도 범위들이 형성된다.
자기 스케일들이 측정방향으로 이동하도록 자기 스케일의 표면에 근접하게 배열된 위치결정 센서들은 자기장이 센서의 위치에서 스트립 방향으로 형성되는 각도로부터 각각의 위치값을 결정한다. 만일 자기 스케일이 교번방향으로 주기적으로 자화되는 영구자석 재료로 구성되면, 이러한 각도는 측정 방향에 대하여 대략 선형적으로 변화한다. 높은 측정 정확성을 달성하기 위하여 해결되어야 하는 문제들은 본질적으로 각도 센서들의 경우에 발생하는 문제들에 상응한다. 이는 주로 고조파를 필터링하기 위하여 적용한다.
도 1은 AMR 효과를 위한 저항-결정 각도들을 도시한 도면.
도 2는 GMR 효과를 위한 저항-결정 각도들을 도시한 도면.
도 3은 AMR 센서들에 대한 스트립 에지들에 의하여 설정된 전류방향을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 AMR 길이 센서 브리지를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 AMR 각도 센서 브리지를 도시한 도면.
도 6은 AMR 센서들에 대한 이발소 간판 기 구조에 의하여 설정된 전류방향을 도시한 도면.
도 7은 이발소 간판 기 구조를 가진 본 발명에 따른 AMR 길이 센서를 도시한 도면.
도 8은 GMR 센서들에 대한 자기장-독립 자화방향의 연속적 가변 프로파일을 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 GMR 각도 센서 브리지를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: AMR 스트립 2: 제 1에지
3: 제 2에지 4: 칩 표면
5: 동작전압 접속점 6: 동작전압 접속점
7: 브리지 출력 전압 접속점 8: 브리지 출력 전압 접속점
9: 스케일 10: 스케일의 극 길이
11: 도전층 스트립 12: GMR 스트립
13: 에지 곡선의 주기 길이 14: 스트립의 폭
α: 저항 결정 각도 β: 저항 결정 각도
Hh: 균질 자기장 M: AMR 층의 자화
M1: GMR 층의 제1 성분의 자화 M2: GMR 층의 제2 성분의 자화
I: 전류 x,y: 좌표
본 발명의 목적은 자기저항 효과에 기초한 위치 및 각도 센서들을 제공하는데 있으며, 이 위치 및 각도 센서들은 비교적 약한 자기장의 세기에서 측정된 값들을 왜곡시키는 히스테리시스를 발생시키는 임의의 영역없이 신호들로부터 고주파 성분들을 필터링하여 측정의 정확성을 향상시킨다.
이러한 목적은 청구항 제1항 또는 청구항 제18항의 특징들에 대응하는 센서 엘리먼트들을 생성함으로서 달성된다. 이러한 경우에 있어서 주요한 본질적인 특징은 센서 저항기들이 형성되는 자기저항 스트립들에서 저항-결정 각도에 대한 급격한 변화가 존재하지 않는다는 점이다. AMR 효과가 사용될때, 전류방향 및 자화방향간의 각도는 저항-결정 각도이다. 자기저항 저항기들에서 고조파의 필터링을 달성하기 위하여, 스트립들에서 다른 저항-결정 각도들이 요구된다. 이들은 스트립들의 에지형상에 의한 저항-결정 각도들의 임의의 급격한 변화없이 달성될 수 있다. 만일 예로서 양쪽 스트립 에지들이 평행 진행 사인곡선들로서 표현될 수 있으면, 스트립들에서의 전류방향은 상기 스트립의 형상에 매칭될 것이며, 그들의 종점들사이에서 직선 접속에 의하여 형성되는 스트립의 종방향에 대한 전류방향의 각도는 사인함수의 형태로 진행한다. 자기장의 세기가 비교적 약할때 스트립들의 자기저항 재료에 대한 자화방향은 스트립들에 공급된 자기장의 세기, 재료의 결정 비등방성 자기장 세기 및 형상 비등방성 자기장 세기에 의하여 관리된다. 재료의 결정 비등방성은 센서 칩의 영역의 모든 위치에서 동일한 세기 및 방향을 가진다. 마찬가지로, 형상 비등방성은 인용된 예에서 에지에 평행하게 진행한다. 따라서, 스트립을 따르는 자화방향은 단지 연속적으로 변화한다. 따라서, 자화방향의 급격한 변화가 일어나지 않으며 이는 영역들로의 분할 문제점을 방지한다.
스트립 에지의 구성외에, AMR 재료로 구성된 스트립들에서 전류의 방향을 변화시키는 제 2방식이 존재한다. 이는 공개 명세서 DE 35 14 457에 개시되어 있으나 각도 및 길이 측정을 위하여 고조파를 필터링하기 위한 임의의 참조문헌이 없는 이발소의 간판 기 구조를 사용하는 것이다. 이발소의 간판 기 구조의 경우에, 자기저항 스트립들의 폭과 거의 동일한 크기인 거리에서 자기저항 재료의 스트립상에 다수의 도전층 스트립들이 존재하며, 도전층 스트립들의 종방향들은 자기저항 스트립들의 종방향들과 함께 중간 각도를 형성한다. 도전층 스트립들의 비교적 높은 도전성 때문에, 전류방향은 종방향에 대하여 대략 직각이다. 따라서, 다른 전류방향은 다른 중간각도들을 선택함으로서 직선 및 평행 에지들을 가진 자기저항 스트립들로 설정될 수 있으며, 이에 따라 요구된 다른 저항-결정 각도들은 동일한 자화방향으로 설정될 수 있다. 따라서, 서로 다른 각도들로 경사진 다수의 자기저항 스트립들에 대한 필요성이 존재하지 않으며, 이는 각도 측정에서 히스테리시스의 영향을 받는 영역들의 발생을 감소시킨다.
GMR 효과의 경우에, 제 1성분이 자석의 자기장에 영향을 받을 수 있는 자화방향을 가지고 제 2성분의 자화방향이 추가 자기성분의 결합에 의하여 작용하는 자기장의 방향과 무관하게 유지되는 층 시스템들은 특히 각도 측정에 적합하다. 저항-결정 각도는 제 1 및 제 2성분의 자화방향간의 각도이다. 다른 저항-결정 각도들은 고조파 필터링을 위하여 필요하다. 본 발명에 따르면, 제 2성분의 자화방향은 자기저항 스트립들의 종방향에 따라 연속적으로 변화한다. 이러한 연속 변화는 예컨대 대향 스트립 에지들이 동일하게 연속적으로 변화하는 함수들에 의하여 표현될 수 있는 방식으로 수행되며, 이에 따라 추가 성분은 축방향에서 제 2성분의 자화가 결합되는 반페로자석이 되며 또한 축 방향은 자기저항 스트립들을 통해 흐르는 전류의 자기장에 의하여 조절된다. 결과적으로, 제 2성분의 자화방향은 에지에 대하여 항상 직각이며, 스트립들의 종방향에서 연속적으로 변화한다. 제 2성분의 자화방향의 연속적 변화는 제 2성분 및 (제 1성분 및 제 2성분간의 피할 수 없는 약한 결합으로 인하여) 제 1성분에서 영역들의 형성을 방지하며 이에 따라 히스테리시스 영역들의 발생이 증가한다. 제 2성분의 자화방향은 스트립들을 통해 흐르는 전류의 자기장과 관련하여 일정 자기장의 사용을 통해 유리하게 조절될 수 있다. 따라서, 종방향에 따라 저항-결정 각도의 프로파일에 대한 다른 연속 함수들을 생성하는 것이 가능하다.
자기저항 스트립 에지들의 프로파일에 대한 특정 함수들은 AMR 센서들 및 GMR 센서들의 사용과 관련하여 종속항들에 기술된다. 주기적 에지 함수들의 진폭 및 주기 길이간의 최적 관계는 신호들의 진폭 및 고조파 성분들을 평가하는 계산의 결과로서 유리하게 선택된다.
본 발명은 전형적인 실시예들을 참조로하여 설명될 것이다.
도 1은 AMR 스트립의 x-y 층 평면을 기술한다. 이러한 경우에, 스트립 종방향은 x축과 일치하도록 한다. 스트립상의 하나의 점에 대한 전류 I의 방향이 도시된다. 일반적으로, 이러한 방향은 스트립 종방향 x과 매칭되지 않는다. 외부 자기장의 영향하에서, 방향의 고려대상인 점들 아래의 점에서 자화 M이 도시된다. 전류 I의 방향 및 자화 M의 방향간의 각도는 α이다. 자기저항 층의 저항도 ρa는 이하의 수식과 같이 상기 각도에 의하여 관리된다.
ρa(α)=ρa0 + (Δρa/2)(1-cos(2α))
여기서, ρa0는 비-자기장 종속 성분을 나타내며, Δρa는 저항도에서 자기장-종속 변화의 진폭을 나타낸다. 스트립상의 임의의 점에서 저항-결정 각도는 α이다. 저항도는 전류 I 및 자화 M의 방향이 스트립 종방향 x로 변화할때 x의 함수이다.
도 2는 x-y 층 평면상의 하나의 점에서 GMR 층 시스템을 도시한다. 층 시스템으로부터 형성된 스트립의 종방향은 x 축과 매칭된다. GMR 층 시스템은 두개의 성분들을 포함하며, 이 성분들의 자화 M1 및 M2는 서로 무관하게 다른 방향들로 설정될 수 있다. 이 경우에, M1은 제 1성분의 자화하며, 제 1성분의 방향은 고려대상인 점에서 공급된 외부 자기장의 방향과 매칭된다. M2은 제 3 반페로자기 성분의 정렬되도록 결합되는 제 2성분의 자화이다. 자화 M1 및 M2의 방향간의 각도는 β이다. 고려대상인 점에서 GMR 층의 저항도 ρｑ는 다음과 같은 수식으로 주어진다.
ρｑ(β) = ρｑ0 +(Δρｑ/2)(1-cos(β)).
여기서, β는 스트립상의 임의의 점에서 저항-결정 각도이다. 저항도는 마찬가지로 자화 M1 및 자화 M2의 방향이 스트립 종방향 x로 변화할때 x의 함수이다.
도 3은 종방향이 x 방향으로 연장되는 AMR 스트립(1)을 도시한다. AMR 스트립(1)은 제 1에지(2) 및 제 2에지(3)에 의하여 한정된다. 일반적으로, 본 발명에 따르면, x 방향으로 연속적으로 변화하는 임의의 적정 함수들에 의하여 에지들(2,3)을 표현하는 것이 가능하다. 이와같은 경우에, 양 에지들(2,3)은 평행하게 진행하며 사인파 형태를 가진다. 사인함수의 주기 길이(13)는 AMR 스트립(1)의 폭(14)보다 상당히 크다. 따라서, AMR 스트립의 전류 I는 에지(2;3)로 평행하게 흐르며 이의 방향은 x가 전진할때 연속적으로 변화한다. 균질 자기장 Hh는 AMR 스트립(1)의 비등방성 자기장 세기보다 큰 자기장 세기를 가진 AMR 스트립(1)의 평면상에 작용한다. 따라서, AMR 스트립(1)사의 임의의 점에서 자화 M의 방향은 균질 자기장 Hh의 방향으로 제공되며, 저항-결정 각도 α는 마찬가지로 x 방향으로의 전진과 함께 연속적으로 변화한다. 각도, 위치 또는 길이 결정을 위하여 AMR 스트립 1을 사용할때, 도시된 균질 자기장 Hh는 x-y 평면상에서 회전한다. 균질 자기장 Hh이 x축과 함께 형성하는 각도의 함수로서 AMR 스트립(1)의 저항은 최소비율의 고조파를 가진다. 이를 위하여, x축에 대한 전류 방향의 각도범위는 0° 및 적어도 15°사이의 값들을 포함해야 한다. 전류 및 x 방향사이의 가장 큰 각도 크기에 대한 상부치는 45°이다.
이러한 각도에 대하여 언급된 값들은 AMR 스트립들의 에지들이 사인파 곡선들에 의하여 표현될 수 없는 상황들에 따라야 한다. 에지(2;3)는 원형 아크들 형태의 곡선들에 의하여 또는 제 2 및 제 4차 포물선 곡선들의 합에 의하여 유리하게 형성될 수 있다.
스케일(9)에 대한 위치를 결정하기 위하여 칩 표면(4)상에서 도 3에 도시된 AMR 스트립(1)의 기저에 형성된 센서 브리지는 도 4에 기술된다. 스케일(9)은 단면의 형태로 기술되며, 칩 표면(4)의 평면은 단면 표면과 매칭된다. 스케일(9)은 일정 극 길이(10)을 가지고 단면 표면상에서 윗방향 및 아래방향으로 교번하여 주기적으로 자화된다. 도면에서 크기 관계들은 실제크기로 도시되지 않는다. 예컨대, 스트립 폭들은 확대하여 기술된다. 각각의 경우에서 두개의 AMR 스트립(1)은 휘트스톤 브리지의 하나의 브랜치를 형성한다. AMR 스트립(1)은 비자기 도전층 스트립들을 통해 서로 전기적으로 접속된다. 브리지의 동작전압에 대한 양극은 접속점(6)에 접속되며, 음극은 접속점(5)에 접속된다. 브리지의 출력전압은 출력 접속점(7,8)에서 탭-오프될 수 있다. 도 4로부터 알 수 있는 바와같이, AMR 스트립(1)은 서로 나란히 극 길이(10)의 절반 거리에 배열된다. 전류 I 및 자화 M의 방향들은 이들이 기술된 위치에서 자기 스케일(9)의 자기장의 영향하에서 발생하기 때문에 모든 AMR 스트립들에 대한 하부 스트립 단부로부터 동일한 거리에 있는 점에서 지시된다. 상기 위치로부터 AMR 스트립들(1)의 저항들에 대한 함수로서 고조파 선분들의 억제는 브리지로부터의 출력 신호가 위치에 따라 주기적으로 변화하는 전압이라는 것을 의미하며, 주기길이는 극 길이(10)에 대응한다. 이러한 전압은 단순한 사인함수에 의하여 표현될 수 있다.
완전한 위치 센서는 극 길이(10) ×(n+1/4)를 통해 서로에 대하여 편이된 두개의 휘트스톤 브리지를 포함하며, 여기서 n은 정수(즉, n=0;1;2;3;...)이다. 위치는 이미 이동된 다수의 극 길이(10)와 아크탄젠트 보간법을 사용하여 두개의 브리지 신호들의 몫으로부터 공지된 방식으로 결정된다. 브리지 신호들에서 고조파 성분을 억제하기 때문에, 위치 지시 에러는 작다.
위치 센서에 대하 브리지들의 저항을 증가시키고 칩 영역(4)을 보다 양호하게 사용하기 위하여, 다수의 동일하게 지정된 AMR 스트립들은 병행하게 배열될 수 있고 각각의 개별 AMR 스트립(1) 대신에 구불구불한 형상으로 접속된다.
본 발명의 다른 실시예로서, 도 5는 각도 센서의 일부분인 칩 표면(4)상의 브리지 구조를 도시한다. 접속점들(5;6) 및 출력 접속점들(7;8)의 사용은 도 4에 도시된 것과 대응한다. AMR 스트립들(1)은 미러-이미징으로 서로로부터 시작하는 에지들(2;3)에 의하여 한정된다. 전류 방향은 AMR 스트립들(1)의 종축상에만 그것의 방향을 매칭시킨다. 그러나, 전류방향은 고려대상인 점이 각각의 에지(2 또는 3)에 근접하면 할수록 에지(2;3)의 방향에 평행하게 진행할 것이다. 따라서, 이러한 경우에, 전류방향은 AMR 스트립들(1)의 종방향으로 연속적으로 변화한다. 만일 AMR 스트립들(1)의 자화방향이 균질 자기장 Hh에서 동일하면, 저항-결정 각도 α는 마찬가지로 연속적으로 변화한다. 저항-결정 각도 α는 AMR 스트립들(1)에서 고조파를 필터링하는 사전조건이다. 이들 각도의 연속적 변화는 히스테리시스의 발생을 막는다. 저항-결정 각도들 α은 AMR 스트립들의 단부로부터 그리고 AMR 스트립들의 종축으로부터 동일한 거리에 있는 점들에서 도 5에 도시된다. 하나의 브리지 암을 각각 형성하는 두개의 AMR 스트립들(1)의 종축방향은 서로 직각이다. 저항은 균질 자기장 Hh의 회전동안 각각의 브리지 암의 AMR 스트립들(1)에 있는 대향 센서들에서 변화하며, 균질 자기장 Hh의 방향은 각도 센서에 의하여 결정된다. 균질 자기장 Hh이 180° 회전할때, 출력 신호로서 발생된 사인파 출력 전압은 하나의 전체 주기를 통해 변화한다. 기술된 브리지외에, 완전한 각도 센서는 기술된 것에 대하여 45° 회전하는 동일한 브리지를 포함한다. 각도 값은 공지된 아크탄젠트 보간법 프로세스를 사용하여 두개의 브리지들로부터 출력신호들의 몫으로부터 결정된다.
다수의 동일한 AMR은 각도 센서에서 브리지들의 저항을 증가시키고 칩 영역(4)을 양호하게 사용하기 위하여 각각의 개별 AMR 스트립(1) 대신에 평행하게 구불구불한 형상으로 접속될 수 있다.
도 6은 AMR 스트립들(1)에서 다른 전류 방향들에 대한 추가 구현 옵션을 기술한다. AMR 스트립(1)은 직선 및 평행 에지들(2;3)을 가진다. 종방향에 대하여 경사진 도전층 스트립들(11)은 AMR 스트립(1)상에 배열된다. 이들의 도전성은 AMR 층의 크기보다 높은 크기를 가진다. 따라서, 전류는 하나의 도전층 스트립(11)으로부터 다음 스트립으로의 짧은 경로를 통해 흐르며, 전류방향은 도전층 스트립(11)의 종방향에 직각이다. 전류 I의 방향은 도전층 스트립들(11)의 기울기에 의하여 상기와 같은 방식으로 조절될 수 있다. 도 6은 단지 두개의 다른 전류 방향을 도시한다. 그러나, 전류방향의 연속 변화는 그것의 전임자에 대한 각각의 다음 도전층 스트립(11)의 경사 각도의 변화에 의하여 이루어질 수 있다. AMR 스트립의 길이는 주로 약 폭의 1000배이다. 도전층 스트립들간의 거리는 상기 폭과 거의 동일한 크기이어야 한다. 따라서, 필요한 다수의 도전층 스트립들(11)에 대하여, 하나의 도전층 스트립(11)으로부터 다음 스트립까지 요구되는 경사 각도의 변화는 연속적 변화가 가정될 수 있는 경우보다 작다. 그 다음에, 자화는 또한 상기 방향을 향하게 된다. 도전층 스트립들의 두개의 경사 각도들에 대한 결과적인 저항-결정 각도 α가 도시된다.
도 7은 도전층 스트립들(11)을 가진 4개의 동일한 AMR 스트립로부터 형성되고 위치 측정에 사용되는 칩 표면(4)상의 휘트스톤 브리지를 도시한다. 칩 표면(4)은 단면 표면이 도면에 기술되는 스케일(9)의 표면위에 수직하게 배치된다. 스케일(9)은 동일한 길이를 가진 극 길이들(10)로 교번방향으로 자화된다. AMR 스트립들(1) 및 이들의 접속부 및 회로소자에 대한 위치는 도 4에 도시된 것들에 대응한다. 특별히 기술된 경우에, 도전층 스트립들(11)은 AMR 스트립들(1)에 제공되며, 이에 따라 전류 I는 AMR 스트립들(11)의 4개의 길이 엘리먼트들(동일한 길이를 가짐)에서 동일한 방향으로 흐른다. 전류방향들이 AMR 스트립들(1)의 종방향과 함께 형성하는 각도들은 ±6° 및 ±24°이다. 따라서, 제 3 및 제 5 차 고조파는 AMR 스트립들(1)의 저항에 대한 위치 종속성으로부터 제거되었다. 짝수차 고조파는 브리지에서의 감산에 의하여 제거된다. 따라서, 7차 차수까지의 고조파는 브리지 출력 신호로부터 제거된다. 이러한 경우에, 극 길이(10) ×(1+1/4)정도 편이된 두개의 브리지들은 완전한 위치 센서를 위하여 다시 한번 요구된다. 이러한 경우에, 각각의 AMR 스트립(1)은 브리지 저항을 증가시키기 위하여 구불구불한 형상으로 접속된 다수의 평행한 동일 AMR 스트립들로 대체될 수 있다.
도 7에 기술된 상황과 대조적으로, AMR 스트립들(1)의 종방향에 대한 전류방향의 각도는 도전층 스트립들(11)간의 하나의 거리로부터 다른 거리까지 연속적으로 변화될 수 있다. 위치값을 위하여 필요한 측정 정확성에 대한 최적 매칭은 브리지 출력 신호들의 계산에 의하여 가능하다.
본 발명에 따르면, 각도 센서들은 그들위에 배열된 도전층 스트립들(11)을 가진 AMR 스트립들(1)로 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 도전층 스트립들(11)의 종방향 및 AMR 스트립들의 종방향간의 각도를 적절하게 선택함으로서, 하나의 브리지 암의 저항기들에서 AMR 스트립들(1)의 종방향은 서로 평행하게 정렬되거나, 또는 서로 90°로 경사지거나 또는 그들사이에서 0° 내지 90°의 임의의 각도값을 포함할 수 있다.
고조파를 필터링하는 모든 자기저항 센서 구조들에서, 고조파 필터링없는 자기저항 센서 구조와 비교하여 각도 또는 위치의 함수로서 출력신호의 진폭감소를 방지하는 것은 불가능하다. 도전층 스트립들(11)을 가진 AMR 스트립들(1)의 경우에, 상기 진폭감소는 최소값을 가진다. 이는 각각의 AMR 스트립들(1)에서 다른 자화 각도가 아니라 스트립들의 각각의 저항에서 다른 전류 각도들에 대하여 평균화가 수행될 필요가 있기 때문이다. 직선 AMR 스트립들에서 자화방향은 모든 위치에서 동일하다.
GMR 센서들에 대한 본 발명의 사용은 도 8 및 도 9를 참조로하여 추가 예를 사용하여 설명된다. 도 8은 층 평면이 x-y 평면상에서 한정되고 종방향이 x방향과 매칭되는 GMR 스트립(12)을 도시한다. 외부 자기장의 방향에 영향을 받는, GMR 층의 제 1성분에 대한 자화 M1(도 2) 방향은 여기에 도시되지 않는다. GMR 스트립(12)은 에지들(2,3)에 의하여 한정된다. 에지(2;3)는 동일한 사인파 곡선들에 의하여 도면에 표현될 수 있으며 각각의 x 방향에 대하여 평행하게 진행한다. 도면으로부터 알 수 있는 바와같이, GMR 층의 제 2성분에 대한 자화 M2 방향은 모든 경우에 에지들(2;3)에 대하여 직각이다. 이러한 자화 M2의 분포는 GMR 스트립(12)이 고온으로부터 넬 온도 이하로 냉각되는 시간에 제공되는 GMR 스트립을 통해 흐르는 전류의 자기장의 결과이다. 이러한 자화 설정 프로세스의 상세한 설명은 공지되어 있으며 본 발명의 요지가 아니다. x 값 진행으로서의 자화 M2의 연속 변화는 외부 자기장이 공급되고 제 1성분의 자화 M1 방향이 일정할때(도 2) 저항-결정 각도 β의 연속 변화를 야기한다.
도 9는 도 8에 도시된 GMR 스트립들로 형성된 각도 센서 브리지를 도시한다. 4개의 GMR 스트립들(14)은 칩 표면(4)상에 배치되며, 휘트스톤 브리지를 형성하기 위하여 도 4와 관련한 상세한 설명에 대응하는 도전 비자기 접속점들에 의하여 보충된다. 칩 표면(4)은 칩 표면(4)의 평면에 대하여 방향이 회전될 수 있고 칩 표면(4)의 하부 에지에 관한 각도가 결정되는 균질 자기장 Hh에 영향을 받는다. 4개의 GMR 스트립들(12)의 종방향들은 평행하며, 각각의 브리지 암의 두개의 GMR 스트립들은 미러-이미징에 의하여 서로부터 시작된다. 이는 GMR 층의 제 2성분에 대한 자화 M2 방향들에 적용한다. 이는 또한 각각의 브리지 암의 저항기들에 대한 저항이 자기장 Hh의 회전동안 반대의미로 변화하도록 한다. GMR층(M1)의 제 1성분에 대한 자화는 자기장 Hh의 방향을 지시한다. 따라서, 저항-결정 각도 β는 임의의 공급된 자기장 Hh에 대하여 각각의 GMR 스트립(12)을 따라 연속적으로 변화하며, 이에 따라 히스테리시스 영역들의 형성이 방지된다. 각각의 브리지 저항기의 다른 저항-결정 각도들을 사용하면 고조파가 필터링된다. 실제적으로 중요한 고조파 성분의 억제 레벨을 달성하기 위하여, 에지 곡선들의 최대 경사각의 크기는 30° 내지 90°의 범위내에서 선택되어야 한다. 에지 곡선들의 최대 경사각도 및 주기 길이간의 최적 관계는 브리지 출력신호의 계산에 의하여 이루어진다.
이러한 경우에, 완전한 각도 센서는 도시된 것에 대하여 90° 회전되도록 배열되는 동일한 설계의 제 2브리지를 포함한다. 결정될 각도값은 아크탄젠트 보간 프로세스를 사용함으로서 두개의 브리지 신호들의 몫으로부터 획득된다.
GMR 스트립들의 에지들(2;3)은 연속 프로파일를 가진 다른 곡선들에 의형 재현될 수 있다. 2차 및 4차 포물선의 합 또는 원형 아크 형태를 가진 곡선 단면들이 유리하다.
브리지의 저항값들은 각각의 개별 GMR 스트립(12) 대신에 구불구불한 접속점을 포함하면서 서로 동일한 평행 GMR 스트립들을 사용함으로서 증가될 수 있다.
GMR 층의 제 2성분에 대한 자화 M2 방향은 GMR 스트립들(12)이 넬 온도 이하로 냉각되는 동안 GMR 스트립들을 통해 흐르는 전류로부터의 자기장 그리고 외부에서 공급된 자기장으로부터의 자기장의 결합에 의하여 유리하게 정렬된다.
GMR 스트립들(12)에 기초한 위치 센서들의 구성은 여기에서 상세히 기술되지 않으나 본 발명의 일부분으로서 구현되며 여기에 기술된 전형적인 실시예들로부터 용이하게 유도될 수 있다.

Claims (28)

  1. 센서에 대하여 회전될 수 있는 자기장(Hh)에 관한 센서정렬 각도를 결정하고 상기 센서에 대하여 이동될 수 있고 이동방향에 대하여 주기적인 자기장에 관한 센서의 위치를 결정하기 위한 자기저항 센서로서,
    상기 센서는 위상 편이된 주기 신호들을 발생시키는 적어도 두개의 절반 브리지들 또는 전체 브리지들을 포함하며;
    상기 브리지의 저항기들은 전류방향(I) 및 자화(M) 방향간의 저항-결정 각도(α)에 의하여 저항이 관리되는 비등방성 자기저항(AMR) 효과 또는 자기저항 재료의 다른 성분들에 대한 자화들(M1;M2)간의 저항-결정 각도(β)에 의하여 저항이 관리되는 거대 자기저항(GMR) 효과중 하나를 가지는 자기저항 재료의 스트립에 의하여 형성되는 자기저항 센서에 있어서,
    상기 저항-결정 각도(α; β)는 상기 각각의 스트립(1;12)에 작용하는 임의의 주어진 자기장(Hh)에 대하여 상기 스트립들의 종축(x)을 따라 연속적으로 변화되는, 자기저항 센서.
  2. 센서에 대하여 회전될 수 있는 자기장(Hh)에 관한 센서정렬 각도를 결정하고 상기 센서에 대하여 이동될 수 있고 이동방향에 대하여 주기적인 자기장에 관한 센서의 위치를 결정하기 위한 자기저항 센서로서,
    상기 센서는 위상 편이된 주기 신호들을 발생시키는 적어도 두개의 절반 브리지들 또는 전체 브리지들을 포함하며;
    상기 브리지의 저항기들은 전류방향(I) 및 자화방향(M)간의 저항-결정 각도(α)에 의하여 저항이 관리되는 비등방성 자기저항(AMR) 효과 또는 자기저항 재료의 다른 성분들에 대한 자화들(M1;M2)간의 저항-결정 각도(β)에 의하여 저항이 관리되는 거대 자기저항(GMR) 효과중 하나를 가지는 자기저항 재료의 스트립에 의하여 형성되는 자기저항 센서에 있어서,
    상기 저항-결정 각도(α; β)는 상기 각각의 스트립(1;12)에 작용하는 각각의 자기장(Hh)에 대하여 상기 스트립들의 종축(x)을 따라 연속적으로 변화되는, 자기저항 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 저항-결정 각도(α; β)는 상기 스트립 종방향에 평행하게 정렬되는 자기장(Hh)에 대한 상기 스트립들(1;12)의 각각의 단부에서 동일한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 저항-결정 각도(α; β)는 상기 스트립 길이 이상에서 스트립 중심에 대하여 대칭적으로 진행하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  5. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항-결정 각도(α; β)는 상기 스트립들의 종방향을 따라 주기적으로 진행하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  6. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 저항기는 동일한 형상의 다수의 평행 스트립들(1;12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 절반 브리지들 또는 상기 전체 브리지들의 모든 저항기들은 서로에 대하여 평행하고 서로 동일한 형상을 가진 스트립들(1;12)에 의하여 형성되며, 상기 스트립들(1;12)의 종방향은 상기 주기적 자기장의 이동방향에 대하여 직각으로 연장하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 절반 브리지들 또는 상기 전체 브리지들의 각각의 저항기들은 서로에 대하여 평행하고 서로 동일한 형상을 가진 스트립들(1;12)에 의하여 형성되며, 상기 다른 저항기들의 상기 스트립들(1;12)에 대한 종방향은 특정 편이 각도들을 통한 회전만큼 서로 수렴하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 저항기들의 스트립들(1)은 상기 AMR 효과를 가진 재료로 구성되며, 상기 각각의 절반 브리지내의 편이 각도는 90°이며, 상기 두개의 절반 브리지들 또는 상기 전체 브리지들의 상호 대응 저항기들간의 편이 각도는 45°인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 저항기들의 스트립들(12)은 상기 GMR 효과를 가진 재료로 구성되며, 상기 각각의 절반 브리지내의 편이 각도는 180°이며, 상기 두개의 절반 브리지들 또는 상기 전체 브리지들의 상호 대응 저항기들은 90°인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 저항기들의 스트립들(1)은 상기 AMR 효과를 가진 재료로 구성되며, 상기 스트립 에지들(2;3)은 스트립 종방향으로 연속적으로 변화하는 함수들로 표현될 수 있으며 이에 따라 상기 스트립들의 전류방향은 적어도 상기 에지에 근접한 영역들에서 상기 에지(2;3)에 평행하게 정렬되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 각각의 스트립(1)의 양 에지들(2;3)은 연속적으로 변화하는 동일한 함수에 의하여 표현될 수 있으며 이에 따라 상기 스트립 종방향으로 각각의 점에서 평행하게 진행하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 연속적으로 변화하는 함수는 주기함수인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 연속 주기함수는 상기 스트립들(1)의 폭(14)보다 상당히 큰 주기길이(13)를 가지는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 주기함수는 사인함수로서 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 주기함수는 교번 곡률의 원형 아크들에 대한 시퀀스로서 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 주기함수는 교번곡률의 2차 및 4차 포물선의 합의 시퀀스로서 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  18. 제 14항에 있어서, 상기 주기함수의 진폭은 저고조파 내용을 가진 상기 절반 브리지 또는 상기 전체 브리지들로부터의 출력전압과 관련한 최적화에 의하여 결정되며, 상기 출력전압은 상기 센서에 대한 자기장(Hh)의 회전동안 가능한 높은 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  19. 센서에 대하여 회전될 수 있는 자기장(Hh)에 관한 각도를 결정하고 상기 센서에 대하여 이동될 수 있고 상기 이동방향에 대하여 주기적인 자기장에 관한 센서의 위치를 결정하기 위한 자기저항 센서로서,
    상기 센서는 위상 편이된 주기 신호들을 발생시키는 적어도 두개의 절반 브리지들 또는 전체 브리지들을 포함하며;
    상기 브리지의 저항기들은 자기저항 재료의 스트립들(1)로 형성되고 상기 스트립들(1)은 전류방향(I) 및 자화방향(M)간의 저항-결정 각도(α)에 의하여 저항이 관리되는 비등방성 자기저항(AMR) 효과를 가지는 자기저항 센서에 있어서,
    상기 스트립들(1)은 직선 에지들(2;3)에 의하여 한정되고 일정 폭(14)을 가지며, 상기 스트립들(1)에서의 전류방향들(I)은 상기 스트립들(1)의 에지들(2;3)과 함께 다른 각도들을 형성하는, 자기저항 센서.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 자기저항 재료의 스트립들(1)은 서로로부터의 일정 거리에서 다수의 도전층 스트립들(11)과 함께 제공되며, 상기 스트립들의 종방향은 상기 자기저항 스트립들(1)의 종방향과 정렬되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 중간각도들은 상기 전류방향(I)이 상기 자기저항 스트립들(1)의 종방향과 함께 사인 함수에 의하여 표현될 수 있는 각도들을 형성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 중간 각도들은 상기 전류 방향(I)이 상기 자기저항 스트립들(1)의 종방향과 함께 교번 곡률의 2차 및 4차 포물선의 합의 시퀀스로서 표현될 수 있는 각도들을 형성하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  23. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 저항기들의 스트립(12)은 GMR 효과를 가진 재료로 구성되며, 상기 하나의 성분의 자화방향(M1)은 공급된 자기장의 방향에 영향을 받으며, 추가 자기성분에 대한 자기결합에 의하여 한정되는 제 2성분의 자화방향(M2)은 상기 스트립들(12)의 종방향을 따라 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 대향 스트립 에지들(2;3)은 상기 스트립 종방향으로 연속적으로 변화하는 동일한 함수들에 의하여 표현될 수 있으며, 상기 제 2성분의 자화방향(M2)은 스트립들을 통해 흐르는 전류(I)의 자기장에 의하여 조절되며 이에 따라 자화방향(M2)은 항상 각각의 에지(2;3)에 대하여 직각인 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 연속적으로 변화하는 함수들은 사인 곡선으로 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  26. 제 23항에 있어서, 상기 연속적으로 변화하는 함수는 교번 곡률의 원형 아크들의 시퀀스로서 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  27. 제 23항에 있어서, 상기 연속적으로 변화하는 함수는 교번 곡률의 2차 및 4차 포물선의 합에 대한 시퀀스를 포함하는 주기함수로서 표현될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  28. 제 23항에 있어서, 상기 대향 스트립 에지들(2;3)은 스트립 종방향으로 연속적으로 변화하는 동일한 함수들에 의하여 표현될 수 있으며, 상기 제 2성분의 상기 자화방향(M2)은 외부에서 공급된 균질 자기장(Hh)과 관련하여 상기 스트립들(12)을 통해 흐르는 전류의 자기장에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
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