Beschreibung

Anordnung zur Magnetfeldmessung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Magnetfeldmessung mit einer Messbrücke aus MR-Sensoren.

Magnetoresistive Sensoren, sog. MR-Sensoren, basieren auf so genannten XMR-Effekten . Die elektrischen Eigenschaften eines derartigen Sensors ändern sich je nach an dem Sensor anliegendem Magnetfeld. XMR-Effekte bezeichnen eine ganze Klasse ähnlicher Effekte, z. B. MR, Giant MR (GMR), Colossal MR (CMR), AMR usw. Insbesondere GMR-Sensoren stellen heute eine Alternative zu Hallsensoren dar. MR-Sensoren dienen stets der Magnetfeldmessung und finden Einsatz in der Positions-, Ge- schwindigkeits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik . Insbesondere im Bereich der Positions- und Stromsensorik sind am Markt während der letzten Jahre verstärkt auf den XMR- Effekten basierte Sensoren zu finden.

Im Vergleich zu Hallsensoren weisen MR-Sensoren hauptsächlich die Vorteile eines einfacheren Systemaufbaus, einer größeren Störsicherheit, bedingt durch die stärker reduzierte Fremd ^¬ feldempfindlichkeit im System, und eines geringeren Rauschens auf. Durch die höhere Empfindlichkeit werden zusätzliche, bisher notwendige Flusskonzentratoren am Sensor unnötig, was zu weiteren Vorteilen des Gesamtsensors führt, wie geringerem Gewicht und weniger Sättigungsproblemen.

Bei MR-basierten Sensoren bieten sich vor allem vollintegrierte Lösungen an, da die MR-Elemente als Back-End-Prozess auf einer bereits auf einem Chipsubstrat aufgebrachten Elektronik oben aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chipfläche beanspruchen.

In vielen Anwendungen, vor allem in der Positions-, Drehzahl- und Stromsensorik werden jeweils vier MR-Elemente zu einer so genannten Wheatstone-Brücke verschaltet, um eine genauere,

von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern usw. unabhängigere Messung zu erreichen.

Aus der DE 34 26 784 Al ist beispielsweise ein Magnetfeldsen- sor bekannt, wie er im speziellen Beschreibungsteil insbeson ^¬ dere in Figur 1 gezeigt wird. Im Einzelnen zeigt Figur 1 eine Magnetfeldmessanordnung 100 gemäß Stand der Technik in der Ausführung als Wheatstone-Brücke . Der Magnetfeldsensor 100 weist zwei elektrische Anschlüsse 102a und 102b auf, mit wel- chen er über Anschlussleitungen 104a und 104b an einer nicht dargestellten Spannungsquelle angeschlossen ist. Zwischen den Anschlüssen 102a und 102b sind zwei elektrische Zweige 106a und 106b parallel geschaltet. Jeder der Zweige 106aun 106b besteht aus der Reihenschaltung zweier MR-Widerstände 108 und einem jeweils zwischen den beiden MR-Widerständen 108 eines Zweiges 106a und 106b liegenden Spannungsabgriff 110a und 106b. Von jedem Spannungsabgriff 110a und 106b führt eine Messleitung 112 zu einer separaten, in Figur 1 nicht dargestellten Auswerteelektronik.

Die Messanordnung 100 als Wheatstone-Messbrücke liefert also zwischen den Spannungsabgriffen 110a und 100b die Brückenspannung U _BE , die über die Messleitungen 112 abgegriffen und in der Auswerteelektronik weiter verarbeitet wird. Werden die MR-Widerstände 108 von einem Magnetfeld 114 durchsetzt, so ändern sie ihren elektrischen Widerstand. Durch entsprechende Dimensionierung der MR-Widerstände 108 bzw. der gesamten Messbrücke wird dann erreicht, dass sich die Brückenspannung ü _BE ändert. Die Brückenspannung U _BE stellt damit ein Maß für das Magnetfeld 114 dar.

Weiterhin ist aus der DE 34 26 784 Al ein magnetoresistiver Sensor zur Abgabe von elektrischen Signalen in Abhängigkeit von der Lage oder der Drehzahl eines ferromagnetischen Kör- pers bekannt, bei dem ferromagnetische Messstreifen auf einem Substrat von einem stationären magnetischen Gleichfeld durchsetzt sind. Dabei kann eine Brücke gebildet sein, der Leiter-

bahnen in spezifischer Weise zugeordnet sind. Ein als Brü ^¬ ckenschaltung ausgebildeter Magnetfeldsensor ist aus der DE 10 2004 040 079 B3 bekannt, wobei ein erster und ein zwei ^¬ ter Brückenzweig mit jeweils zumindest zwei in Reihe geschal- tete Widerstände, von denen jeweils zumindest einer magneto- resistiv ist, vorhanden sind. Dabei sind zur Messung eines Feldgradienten in Richtung einer Basisachse die einzelnen Widerstände voneinander beabstandet angeordnet und ist ein dritter Brückenzweig geschaltet, der gemeinsam mit dem ersten oder zweiten Brückenzweig zur Messung der Magnetfeldstärke dient. Eine Zweifach-Wheatstone-Brücke ist schließlich aus der US 6 100 686 A bekannt Zur Bildung eines magnetischen Feldsensors sind auf einem Substrat eine Mehrzahl von magne- toresistiven Elementen angeordnet, die eine Zweifach-Wheat- stone-Brücke bilden, wobei zumindest jeweils ein resistives Element magnetfeldempfindlich ist. Die beiden Brücken sind identisch aufgebaut, wobei die Polarität der jeweils entspre ^¬ chenden magnetoresistiven Elemente entgegengesetzt ist. Mit dieser Schaltung soll auf ein Offset-Signal in der Messanord- nung eliminiert werden können.

Bei den bekannten Messandnungen aus MR-Sensoren treten jedoch in der Praxis häufig Probleme auf, wie z. B. ein Offset und eine damit verbundene Offsetdrift und/oder Hystereseeffekte mit Nichtlinearitäten und Temperaturdriften. Diese unerwünschten Erscheinungen sind bedingt durch intrinsische Mate ^¬ rialeigenschaften und prozesstechnische Schwankungen bei der Abscheidung und Strukturierung der MR-Schichten auf einem Substrat. Vor allem die in der Anwendung bei der Stromsenso- rik geforderten überströme bzw. auch generell eine überschreitung der zu messenden Sollfeldstärke können über die materialintrinsischen Eigenschaften der Hysterese zu einer zeitlichen Veränderung des Offsets führen und damit die Messgenauigkeit der Messanordnung deutlich reduzieren.

Die Ursache des Offsets, also der Spannung des MR-Sensors bei verschwindender Feldstärke, und zum Teil auch der Nichtlinea- rität liegt in der mangelnden Paargenauigkeit der MR-Brücken-

widerstände. Diese ist durch prozesstechnische Schwankungen verursacht, welche heute im Prozentbereich liegt; angestrebt ist hier eine Genauigkeit im Promillebereich.

Ziel bei der Entwicklung von MR-Sensoren ist es, eine Kompensation von Offset und Nichtlinearität in der den MR-Element nachgeschalteten Elektronik, also z. B. eine rein digitale Kompensation, zu erreichen. Hierzu allerdings darf der Offset ein gewisses Maß nicht überschreiten.

Bisher werden MR-Sensoren z. B. nach Qualität aussortiert, was jedoch einen hohen Ausschuss bei der Produktion bedeutet. Auch werden die MR-Sensoren mit dem Laser getrimmt, was jedoch aufwendig und teuer ist. MR-Sensoren können auch in ei- ner so genannten Closed-Loop-Schaltung verwendet werden, bei der ein künstliches Feld zur Kompensation des Messfeldes er ^¬ zeugt wird, um am Ort des Sensors das resultierende Feld auf Null abzugleichen.

Die Closed-Loop-Schaltung hat damit den Nachteil einer sehr hohen Leistungsaufnahme und teurerer diskreter elektronischer Verstärkerbauelemente bzw. eines sehr teueren BiCMOS-Prozes- ses zur Realisierung der Elektronik. Das oben genannte Lasertrimmen und aussortieren, also eine stark reduzierte Ausbeu- te, verursachen immense Kosten bei der Herstellung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vom Stand der Technik bekannte Anordnung aus MR-Sensoren und damit gebildeter gebildeten Messbrücke zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa ^¬ tentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist eine Messanordnung aus Magnet ^¬ feldsensoren mit elektrischen Anschlüssen zur Spannungsversorgung, mit mindestens drei zwischen den Anschlüssen parallel geschalteten, eine Messbrücke bildenden Zweigen, wobei

jeder Zweig mindestens zwei in Reihe geschaltete MR-Sensoren mit einem dazwischen liegenden Spannungsabgriff für eine Brückenspannung enthält und wobei von den Zweigen jeweils we ^¬ nigstens zwei Zweiggruppen gebildet sind. Die Zweige einer Zweiggruppe können direkt nebeneinander liegen oder auch einander verschachtelt zugeordnet sein. Dabei sind die einzelnen Zweiggruppen im Rahmen technischer Toleranzen vorteilhafterweise Spiegel- oder punktsymmetrisch zum gleichen Symmetrieelement .

Jeweils zwei der mindestens drei zwischen den Anschlüssen pa ^¬ rallel geschalteten Zweige bilden somit eine Messbrücke nach Art einer Wheatstone' sehen Messbrücke. Zwischen je zwei Zweigen ist jeweils zwischen deren Spannungsabgriffen eine sepa- rate Brückenspannung abnehmbar. Da erfindungsgemäß jedoch mindestens ein dritter Zweig mit einem zusätzlichen Spannungsabgriff vorgesehen ist, stehen zumindest drei verschiedene unabhängige Brückenspannungen zwischen den drei Spannungsabgriffen der drei Zweige zur Verfügung.

Durch die mindestens drei Spannungsabgriffe kann während ei ^¬ nes einzigen Messzyklus also nicht nur eine einzige Brücken ^¬ spannung wie bisher, sondern mindestens drei Brückenspannungen erfasst werden. Die pro Messzyklus gewonnene Informati- onsmenge ist daher deutlich erhöht.

Durch eine anschließende Weiterverarbeitung der im Allgemeinen verschiedenen, voneinander unabhängigen Brückenspannungen können z. B. statistische Fehler, welche durch die Prozessie- rung der MR-Sensoren hervorgerufen werden, ausgeglichen werden .

Mit den zwei elektrischen Anschlüssen zur Spannungsversorgung kann natürlich auch eine Stromversorgung der Messbrücke, z. B. mit konstantem Versorgungsstrom, bewerkstelligt werden, falls diese in einem anderen Messbetrieb arbeiten soll.

Das durch einen ohmschen Widerstandes bedingte Rauschen der Spannung U _r in einem Net zwerk mit Widerstand R i st in bekann ^¬ ter Wei se def iniert al s :

U _r = ^4KTRAf , ( 1 ) mit K = Boltzmann-Konstante T = abs . Temperatur R = ohmscher Widerstand δf = Frequenzdifferenz

Bezeichnet U _rBE das Widerstandsrauschen in der Messbrücke mit 2p = z = 2 , also zwei Zweigen nach Figur 1, und U _rBP das Wider ^¬ standsrauschen in einer Messbrücke mit mehreren Zweigen 2p = z , welche 2p-l-z-l unabhängige Werte für Brückenspannungen U _BP liefert, so gilt:

Durch eine entsprechende Mitteilung der verschiedenen 2p-l

Brückenspannungen kann so z. B. eine geringere Schwankung des Ausgangssignals des Magnetfeldsensors aufgrund prozesstechni ^¬ scher Schwankungen, d.h. der Exemplarstreuung einzelner MR- Sensoren, erreicht werden.

Bezeichnet AR die Standardabweichung des ohmschen Widerstandes R eines einzelnen MR-Sensors auf dem Sensorchip, so kann die Brückenspannung am Magnetfeldsensor unter Berücksichtigung der Fehlerfortpflanzung berechnet werden. Für den Span- nungsfehler der Brückenspannung, also die Offsetspannung ^AU _BMr,P ' ergibt sich:

m ist hierbei ein Faktor für den mäanderförmigen Aufbau ei- nes einzelnen MR-Sensors aus m Mäandern von Teilsensoren,

wie weiter unten noch erläutert wird.

In einem Magnetfeldsensor mit mehreren Zweiggruppen müssen natürlich nicht alle Zweiggruppen mehrere Zweige enthalten. Es sind auch Einzelzweige - mit anderen Worten zu Einzelzwei ^¬ gen entartete Zweiggruppen - möglich.

Mindestens einer der MR-Sensoren kann eine Reihenschaltung mehrerer MR-Teilsensoren enthalten. Diese können insbesondere mäanderförmig aneinandergereiht sein.

Durch letztere Maßnahme findet bereits innerhalb eines einzi ^¬ gen MR-Sensors eine Kompensation von Fertigungsschwankungen bei der Herstellung der einzelnen MR-Teilsensoren statt. Die statistischen Schwankungen, z. B. des Widerstandswertes der MR-Teilsensoren mittein sich hierbei innerhalb eines einzel ^¬ nen MR-Sensors durch die x-fache Reihenschaltung teilweise aus, so dass mehrere gesamte MR-Sensoren gegeneinander weniger Schwankungen aufweisen.

Hierbei können die MR-Teilsensoren mäanderförmig zu einem MR- Sensor verschaltet sein. Die mäanderförmige Anordnung von MR- Teilsensoren ist hinreichend bekannt, ebenso wie die daraus resultierenden Vorteile, wie beispielsweise der geringe Platzbedarf zur Herstellung eines MR-Sensors. Die Rauschspannung bei Mäanderung von m MR-Teilsensoren steigt zwar nach der Formel

etwa wurzeiförmig an, jedoch wird dies durch die erwähnte Rauschspannungsänderung bei Parallelschaltung von 2p Zweigen, wie oben ausgeführt, kompensiert.

Zusätzlich wird die Offset-Spannung, wie oben erläutert, durch Mäanderung mit dem Faktor m weiter verringert, jedoch weniger stark als durch Parallelschaltung.

Durch die Kombination aus m Mäander- und 2p Parallelelementen, also Zweigen beim Aufbau eines Magnetfeldsensors stehen zwei Freiheitsgrade zur Verfügung, um diesen bei vorgegebenen Design-Rules an existierende Vorgaben bestmöglich anzupassen.

Der Magnetfeldsensor kann mindestens zwei Zweiggruppen aus je mindestens zwei Zweigen enthalten. Dies bietet mehrere Kombi ^¬ nationsmöglichkeiten für Magnetfeldsensoren mit verschiedenen messtechnischen Anwendungen, wie im Folgenden ausgeführt wird.

Dies gilt insbesondere, wenn die Zweige innerhalb einer Zweiggruppe identisch aufgebaut sind. „Identisch" meint hier ^¬ bei nicht zwingenderweise vollständige Identität, sondern auch, dass sich die Zweige z. B. lediglich durch Fertigungstoleranzen der MR-Sensoren, jedoch nicht in der Dimensionierung und dem auf sie einwirkenden lokalen Magnetfeld unterscheiden .

Für in Relation zum Ortsverhalten des Magnetfeldes eng beieinander liegenden Zweige innerhalb einer Zweiggruppe herrschen dann im allgemeinen die gleichen magnetischen Felder vor, so dass innerhalb der Zweiggruppe, wiederum abgesehen von den Fertigungsschwankungen, sich nahezu gleiche Potentia- Ie am Spannungsabgriff in jedem Zweig einstellen.

Genau diese Unterschiede können dann z. B. durch die oben ge ^¬ nannte Fehlerverminderung durch Mittelung kompensiert werden.

Der Abstand einzelner Zweige innerhalb der Zweiggruppe kann kleiner als der Abstand der Zweiggruppen zueinander sein.

Mit anderen Worten ist der Magnetfeldsensor dann aus mindestens zwei, verhältnismäßig weit voneinander beabstandeten Zweiggruppen gebildet, wobei jede Zweiggruppe aus mindestens zwei Einzelzweigen besteht, die im Gegensatz hierzu verhält ^¬ nismäßig eng zueinander beanstandet sind.

Im einfachsten Fall, also mit zwei Zweiggruppen aus je zwei Zweigen entsteht ein Gebilde ähnlich einer Wheatstone-Brücke, wobei jeder der beiden Brückenzweige der Brücke zwei paralle ^¬ le Zweige mit je einem Spannungsabgriff aufweist. Im Ver- gleich zur klassischen Wheatstone-Brücke, welche nur eine einzige Brückenspannung liefert, liefert dann die erfindungs ^¬ gemäße Anordnung insgesamt vier Brückenspannungen, nämlich von der zwei Spannungsabgriffen der einen Zweiggruppe zu den zwei Spannungsabgriffen der zweiten Zweiggruppe.

Von den vier Brückenspannungen sind drei voneinander unabhängig und können, wie oben beschrieben, vorteilhafterweise wei ^¬ ter verarbeitet, beispielsweise gemittelt, werden.

Alternativ zu oben können auch die Abstände einzelner Zweige innerhalb der Zweiggruppe für verschiedene Zweiggruppen un ^¬ terschiedlich sein. Mit verschiedenen Zweiggruppen lassen sich somit lokal verschiedene Feldstärken oder Felder, nämlich entsprechend dem jeweiligen unterschiedlichen Abstand ihrer Zweige, zur Magnetfeldmessung realisieren. Dies ist insbesondere bei der Messung von Gradientenfeldern hilfreich.

Die Zweiggruppen können dabei verschachtelt angeordnet sein. Zwischen den Zweigen einer ersten Zweiggruppe liegen dann z. B. sämtliche Zeige einer oder mehrerer anderer Zweiggruppen. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein Stromsensor nach dem Prinzip einer Gradientenbrücke aufbauen. Bei diesem Prinzip sind die weiter innen liegenden einer Zweiggruppe zugehörigen MR-Elemente, also z. B. die in der Verschachtelung zu innerste liegende Zweiggruppe, paarweise einer geringeren magnetischen Feldstärke ausgesetzt. Diese MR-Elemente gehen damit erst bei größeren Strömen und damit einem größeren Feldgradienten in Sättigung. Die außen, also weit voneinander liegenden MR-Elemente sind dann einem größeren Feldgradienten ausgesetzt und gehen früher in Sättigung. Die MR-Elemente von inneren und äußeren Zweiggruppen können hierbei geometrisch unterschiedlich sein.

Bei schwachen Feldstärken hingegen ist der Feldgradient gering, eventuell von der innersten Zweiggruppe nicht mehr erfassbar, da zu klein bzw. unterhalb des Arbeitsbereiches ei ^¬ nes MR-Sensors, kann jedoch dann von der äußersten Zweiggrup- pe, also den relativ weit voneinander entfernten MR-Elementen in deren Arbeitsbereich erfasst werden.

Je nach Höhe der Formanisotropie, Streufeldkopplung usw., welche durch das Layout, also die Anordnung der Zweige, Zweiggruppen und die Geometrie der MR-Elemente vorgegeben ist, lässt sich dieser Effekt verstärken.

Der Magnetfeldsensor weist hierdurch einen erheblich erweiterten Messbereich auf. Durch eine Erweiterung des Messberei- ches ist es z. B. möglich, den Hystereseanteil am Offset durch eine geeignete Signalnachbearbeitung der Brückenspannung besser vorherzusagen. Dieser Hystereseanteil am Offset wird durch überströme bzw. hohe Magnetfelder verursacht, wel ^¬ che jenseits des geforderten Messbereiches z. B. bei besonde- ren Betriebszuständen oder im Fehlerfall auftreten können.

Ein derartiger Magnetfeldsensor ist grundsätzlich „open-loop" und/oder „closed-loop"-fähig.

Der Magnetfeldsensor kann als integrierter Magnetfeldsensor zusammen mit einer Auswerteelektronik auf einem einzigen Chip angeordnet sein. Bei einer geometrischen Anordnung der Messzweige auf dem Chip steigt der Flächenbedarf an Chipfläche bei Vorhandensein mehrere Spannungsabgriffe stark an, da je ^¬ der Spannungsabgriff zur späteren Kontaktierung auf ein Bond- Päd geführt werden muss. Die Bond-Pads sind hierbei in der

Regel deutlich größer als ein MR-Sensor selbst bzw. die Auswerteelektronik .

Durch die Integration des Magnetfeldsensors zusammen mit der Auswerteelektronik auf einem einzigen Chip werden die Bond- Pads vermieden, da die Spannungsabgriffe direkt auf die Aus ^¬ werteelektronik geführt werden können. Die Kontaktierung von Spannungsabgriffen der Auswerteelektronik kann z. B. durch

Durchkontaktierungen, so genannte „Vias" hergestellt werden. Hierdurch wird z. B. eine zwischen Auswerteelektronik und MR- Sensor liegende elektrische Isolationsschicht überwunden.

Jedem Spannungsabgriff in einem Zweig kann eine Verstärkerstufe zugeordnet sein. Auch dies ist bei der Integration auf einer Chipfläche unkritisch, da auch eine Verstärkerstufe auf deutlich geringerem Raum als ein Bond-Pad bzw. MR-Element realisiert werden kann. Durch die Verstärkerstufe an jedem Spannungsabgriff erfolgt wegen der hohen Eingangsimpedanz der Verstärkerstufe eine besonders gute Spannungsmessung zwischen den einzelnen Zweigen bezüglich der Brückenspannungen.

Die MR-Sensoren einzelner Zweige können unterschiedlich sein. So kann z. B. durch die Integration von MR-Sensoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten für Magnetfelder große Bereiche zu messender Feldstärke abgedeckt werden. Entsprechende MR-Sensoren weisen daher einen stark vergrößerten Dynamikbereich gegenüber solchen auf, die aus gleichen MR-Sensoren aufgebaut sind.

Einzelne Zweige können zwischen sich vorgegebene Winkel ein ^¬ schließen. Hierdurch entstehen so genannte MR-Winkelsensoren, mit denen Feldwinkel im zu messenden Magnetfeld ermittelt werden können. Durch den Einsatz von um bestimmte Winkel versetzte Zweige innerhalb einer Zweiggruppe bzw. zwischen zwei Zweiggruppen kann wieder die Informationsmenge pro Messzyklus erhöht werden. So können auch bezüglich der Feldwinkel Messfehler bzw. Messungenauigkeiten, wie oben erläutert, redu- ziert werden.

Die Winkel können z. B. insbesondere 30°, 45°, 60° oder 90° betragen. Dies sind übliche Winkel zur Feldbestimmung, bei denen besonders einfache geometrische Winkelbeziehungen gel- ten. Die Nachbearbeitung von gemessenen Werten wird dadurch erheblich vereinfacht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen .

Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:

Figur 1 einen Magnetfeldsensor in Form einer Wheatstonschen

Messbrücke gemäß Stand der Technik Figur 2 einen Magnetfeldsensor mit drei Zweiggruppen aus je zwei Zweigen, Figur 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung Der Empfindlichkeit und es Messbereiches

Figur 4 einen alternativen Magnetfeldsensor mit zwei Zwei- gruppen aus je zwei Zweigen,

Figur 5 eine alternative Ausführung für einen Zweig aus Figur

4 mit zwei mäanderförmigen MR-Sensoren, Figur 6 das Layout eines Magnetfeldsensors gemäß Figur 4 und

Figur 5, Figur 7das Layout eines Magnetfeldsensors gemäß Figur 2 und

Figur 4 und,

Figur 6 das Layout eines Magnetfeldsensors in einer alterna ^¬ tiven Ausführungsform zur Feldwinkelmessung.

Figur 1 wurde eingangs bei der Darstellung des Standes der Technik bereits ausführlich beschrieben. Bei der dort beschriebenen Messanordnung mit MR-Sensoren sind zwei Zweige vorhanden. Zweiggruppen sind dort nicht gebildet.

Figur 2 zeigt einen Magnetfeldsensor 2 mit drei Zweiggruppen 10a, 10b, 10c aus jeweils zwei Zweigen 8a, 8b sowie 8c, 8d und 8e, 8f, die symmetrisch zu einer Symmetrieebene SE ange ^¬ ordnet sind und paarweise jeweils ein Messbrücke bilden.

In Figur 2 sind alle Zweiggruppen 10a bis 10c mit parallel zueinander verlaufenden Zweigen 8a bis 8f ausgeführt, wobei die Abstände a, b, c der Zweige innerhalb der Zweiggruppen 10a bis 10c für jede dieser Zweiggruppenvoneinander verschie-

den sind. Die Zweige 8a, 8b der Zweiggruppe 10a weisen den kleinsten Abstand 30a, die der Zweiggruppe 10b einen größeren Abstand 30b und die der Zweiggruppe 10d den größten Abstand 30c auf.

Außerdem schließt die Zweiggruppe 10c die beiden Zweiggruppen 10a und 10b zwischen ihren Zweigen 8e und 8f ein. Die Zweig ^¬ gruppe 10b wiederum schließt zwischen ihren Zweigen 8c und 8d die Zweiggruppe 10a ein. Die Zweiggruppen 10a bis 10c sind also ineinander verschachtelt angeordnet.

Die Anordnung in Figur 2 wird als MR-Gradientenmessbrücke be ^¬ zeichnet, da das zu messende Magnetfeld 21 eine Gradienten ^¬ komponente in oder entgegen der Richtung des Pfeils 32 auf- weist, dargestellt auch durch das lokal unterschiedliche Mag ^¬ netfeld 21. Dies führt zu verschieden großen Feldstärkeunterschieden zwischen den einzelnen Zweigen 8a bis 8f der verschiedenen Zweiggruppen 10a bis 10c. So erfahren die Zweige 8a, 8b der Zweiggruppe 10a bei einem vorgegebenen Feldgra- dienten in Richtung des Pfeils 32 einen deutlich kleineren

Feldstärkeunterschied an ihren MR-Widerständen 16 als die MR- Widerstände 16 der Zeige 8e und 8f der Zweiggruppe 10c.

über die Zuleitungen 20 werden deshalb auch nicht, wie in Fi- gur 4, als Brückenspannungen die Spannungen zwischen unterschiedlichen Zweiggruppen 10a bis 10c, sondern die drei innerhalb der Zweiggruppen 10a-c auftretenden Spannungen U _ab , Ucd und U _e f abgegriffen, also die Spannungen zwischen den Zweigen 8a, 8b sowie 8c, 8d und 8e, 8f.

Die einzelnen MR-Sensoren in Figur 2 und den nachfolgenden Figuren haben die Bezugszeichen 16^, wobei (i = 1, 2) für die beiden hintereinander geschalteten Sensoren eines Messzweiges und k für die einzelnen Messzweige steht. Jeder Zweig 10a - 10c besteht also aus mindestens zwei in Reihe geschal ^¬ tete MR-Sensoren 16i _D und 1ö2 _D mit einem dazwischen liegenden Spannungsabgriff 18a -18d für eine Brückenspannung U _ac , U _ad ,

übe oder U _b d- Von diesen vier Brückenspannungen sind drei von ^¬ einander unabhängig.

Die MR-Sensoren 16^ der Zweiggruppen 10a bis 10c haben in Fi- gur 2 jeweils paarweise unterschiedliche Geometrien (Breite der Streifen) . Die unterschiedlichen Geometrien (Breite der Streifen) bzw. Sensorflächen bewirken einen unterschiedlichen Messbereich der einzelnen Teilmessbrücken.

Die Messempfindlichkeit einer Messanordnung gemäß Figur 2 er ^¬ gibt sich aus Figur 3. In Figur 3 sind die Kennlinien der einzelnen Messzweige wiedergegeben. Im Einzelnen ist auf der Abszisse der Messstrom I _M und ist auf der Ordinate die Mess ^¬ spannung U _B aufgetragen. Die Graphen 26, 27 und 28 kenn- zeichnen die Kennlinien der einzelnen Brücken aus den Zweiggruppen 1O ₁ .

In der Figur 3 stellt A den Arbeitsbereich und ü den über- strombereich dar. Die Steilheit der Graphen der den einzelnen Brücken 10 a, 10b und 10c aus Figur 2 zugeordneten Graphen

26, 27 und 28 zeigt, dass die Messempfindlichkeit mit den Ab ^¬ ständen a, b und c der die jeweilige Brücke bildenden Mess ^¬ zweige ansteigt.

Figur 4 zeigt einen alternative Ausführungsform eines Magnet ^¬ feldsensor 2 mit zwei elektrischen Anschlüssen 4a und 4b, an welchen wiederum Versorgungsleitungen 6a und 6b angeschlossen sind, welche vom Magnetfeldmessanordnung 2 zu einer in der Figur 1 nicht dargestellten Spannungsversorgung führen. Im Magnetfeldsensor 2 sind zwischen den Anschlüssen 4a und 4b insgesamt vier elektrische Zweige 8a bis 8d parallel geschal ^¬ tet. Die Zweige 8a und 8b bilden eine erste Zweiggruppe 10a und die Zweige 8c und 8d eine zweite Zeiggruppe 10b. Inner ^¬ halb der Zweiggruppen 10a und 10b weisen die Zweige 8a und 8b bzw. 8c und 8d zueinander einen Abstand d von 100 μm auf, wo ^¬ hingegen die Zweiggruppen 10a und 10b einen Abstand e von 1500μm zueinander aufweisen. Der Abstand d ist also erheblich

kleiner als der Abstand d der Zweiggruppen (d << e) .

Jeder Zweig 8a bis 8d beinhaltet wiederum die Reihenschaltung zweier MR-Widerstände 16ik und 162k mit einem jeweils zwischen diesen angeordneten Spannungsabgriff 18a bis 18d. Sämtliche Spannungsabgriffe 18a bis 18d sind über Zuleitungen 20 mit einer nicht dargestellten Auswerteelektronik verbunden.

über die Zuleitungen 20 bzw. die Spannungsabgriffe 18a bis 18d werden von der Auswerteelektronik vier Brückenspannungen Uac, U _ad , übe und Ubcu jeweils zwischen den Zweigen 8a und 8c, 8a und 8d, 8b und 8c sowie zischen den Zweigen 8b und 8d er- fasst. Anstelle einer einzigen Brückenspannung U _BE bei der

Wheatstone-Messbrücke nach Figur 1 gemäß Stand der Technik werden also hier vier voneinander unabhängige Spannungen U _ac , Uacu übe und Ubd erfasst.

Mit dem Magnetfeldmessanordnung 2 soll ein Magnetfeld 21 „in plane", d.h. in der Ebene des Magnetfeldsensors 2, gemessen werden: Das Magnetfeld 21 hat eine bekannte Ortscharakteris ^¬ tik, die jeweils alle Elemente innerhalb der Zweiggruppen 10a und 10b der gleichen Feldstärke und Feldrichtung aussetzt. Diese unterscheiden sich lediglich zwischen den Zweiggruppen 10a und 10b.

Da die Zweige 8a und 8b bzw. 8c und 8d jeweils identisch zu ^¬ einander dimensioniert sind, sich jedoch durch Fertigungsto ^¬ leranzen voneinander unterscheiden, sind die vier gemessenen Spannungen gerade von diesen Fertigungstoleranzen abhängig. Die Messgenauigkeit des Magnetfeldsensors 2 wird deshalb ge ^¬ steigert, wenn anstelle einer einzelnen Brückenspannung gemäß dem Stand der Technik sämtliche vier Brückenspannungen verarbeitet, z. B. gemittelt werden. Von diesen vier Brückenspannungen sind nämlich drei linear unabhängig.

Die Zahl der Brückenspannungen kann durch weitere Paralleli- sierung der Magnetfeldmessanordnung 2, d.h. durch die Einfügung zusätzlicher Zweige in den Zweiggruppen 10a und/oder 10b

weiter erhöht und somit die Messgenauigkeit zur Magnetfeld ^¬ messung weiter verbessert werden.

Figur 5 zeigt eine spezifische Ausführungsform eines der Zweige 8a bis 8d am Beispiel des Zweiges 8a. Die beiden, den Spannungsabgriff 18a einschließenden MR-Widerstände 16 _lk sind hier nicht einstückig ausgeführt, sondern jeweils aus drei MR-Teilwiderständen 22i, 22 ₂ und 22 ₃ aufgebaut, welche paral ^¬ lel und beabstandet zueinander auf einem nicht dargestellten Substrat hergestellt sind. Zur Bildung des eigentlichen bzw. gesamten MR-Widerstandes 16 _lk sind die MR-Teilwiderstände 22 _k über elektrisch leitende Brücken 24 _X jeweils an ihren Enden mäanderförmig in Reihe geschaltet. Auch die Brücken 24 _k können alternativ aus MR-Material hergestellt sein.

Die beiden endseitigen MR-Teilwiderstände 22i und 22 ₃ des oberen MR-Widerstandes 16i _k in Figur 5 sind dabei über die Zuleitungen 26 und 28 mit dem Anschluss 4a einerseits und dem Spannungsabgriff 18a andererseits verbunden

Figur 6 zeigt den Aufbau nach Figur 4, bei der die MR-Widerstände 16 _lk mäanderförmig gemäß Figur 2 ausgeführt sind, in einer Realisierung als integrierte Schaltung. Auf einem Trägermaterial oder Substrat 40 sind die oben erwähnte Auswerte- elektronik 42 sowie die Zuleitungen 20 und zusätzliche Sig ^¬ nalleitungen 44 in Form von Leiterbahnen aufgebracht. Die Zuleitungen 20 und Signalleitungen 44 sind an der Auswerteelektronik 42 angeschlossen. Jeder Zuleitung 20 ist hierbei eine Verstärkerstufe 43 zugeordnet, die die am entsprechenden Spannungsabgriff, der hier den Bond-Pads 52b entspricht, anstehende Spannung mit hoher Eingangsimpedanz verstärkt.

Das gesamte Substrat 40 ist zusammen mit der Auswerteelektro ^¬ nik 42 und den eben genannten Leiterbahnen von einer Zwi- schenschicht 46 bedeckt, welche im Bereich der Auswerteelek ^¬ tronik 42 in Figur 4 aufgeschnitten dargestellt ist.

Auf der Zwischenschicht 46 wiederum sind die acht MR-Wider- stände 16, sowie vier Bond-Pads 48a-d und Leiterbahnen 50 aufgebracht. Die MR-Widerstände 16 sind in Mäandertechnik ge ^¬ mäß Figur 2, jedoch mit fünf statt der in Figur 2 gezeigten drei Mäander ausgebildet. Jeder MR-Widerstand 16 _lk weist an seinen beiden Enden je Kontaktbereiche 52a und 52b auf. Die Kontaktbereiche 52a sind hierbei oberhalb der Zwischenschicht 46 über die Leiterbahnen 50 mit den Bond-Pads 48a bzw. 48b verbunden, welche somit den Anschlüssen 4a, 4b aus Figur 1 entsprechen.

Die Kontaktbereiche 52b sind zum einen oberhalb der Zwischen ^¬ schicht 46 ebenfalls durch Leiterbahnen 50 je paarweise ver ^¬ bunden um so die vier Zweige 8a bis 8d aus Figur 1 zu bilden. Zum anderen sind in vier der der Kontaktbereiche 52b, nämlich einem pro Zweig 8a bis 8d, vier so genannte „Vias" bzw. Durchkontaktierungen 54 angeordnet. Diese stellen eine elektrische Verbindung zwischen den entsprechenden Kontaktbereichen 52b durch die Zwischenschicht 46 zu den darunter liegen- den Zuleitungen 20 her.

Wie bereits oben beschrieben, führt die Auswerteelektronik 42 die Auswertung der vier Spannungen U _ac , U _ad , U _bc und U _b d aus Figur 4 durch. über die Signalleitungen 44, welche die Aus- werteelektronik 42 elektrisch mit den Bond-Pads 48c und 48d verbinden, wird das Messergebnis ausgegeben. Hierfür sind unterschiedliche Varianten möglich: Z. B. kann analog eine ge- mittelte Brückenspannung an den Bond-Pads 48c und 48d abgege ^¬ ben werden. Alternativ kann eine digital codierte Spannung bzw. ein Spannungsverlauf als digitalisiertes Messergebnis abgegeben werden. Dies kann z. B. die gemessene magnetische Feldstärke oder codierte Binärwerte der vier eben genannten Spannungen oder anderweitig weiter verarbeitete Daten enthal ^¬ ten .

Figur 7 zeigt entsprechend Figur 6 die Realisierung eines nach dem Prinzip von Figur 3 arbeitenden Magnetfeldsensors. Im Unterscheid zu Figur 3 sind hier jedoch nur zwei Zweig-

gruppen 10a und 10b verschachtelt zueinander angeordnet, um so verschiedene Magnetfeldgradienten, wie oben beschrieben zu erfassen. Jeder den Einzelzweigen 8a bis 8d aus Figur 5 entsprechende Zweig ist hierbei jedoch wiederum gemäß Figur 2 bzw. Figur 4 aus der Parallelschaltung zweier Einzelzweige aufgebaut und die MR-Widerstände 16 mäandriert . Innerhalb je ^¬ des der vier Zweige 8a bis 8d gemäß Figur 3 findet so z. B. eine Mittelung der Fertigungstoleranzen der MR-Widerstände 16 _1D gemäß Figur 2 und Figur 4/5 statt.

Auch in Figur 7 ist wieder eine nicht dargestellte Auswerte ^¬ elektronik unterhalb der Zwischenschicht 46 vorhanden, welche an den beiden Bond-Pads 48c und 48d gemäß der Beschreibung zu Figur 6 Ausgangsinformationen liefert.

Figur 8 zeigt das Layout einer weiteren Ausführungsform einer Magnetfeldmessanordnung 2, hier mit vier parallelen Winkelsensorbrücken 60a bis 6Od. Durch die vier Paare aus jeweils zwei um 90° kreuzförmig zueinander angeordneten Zweigen 62a bis 62h werden paarweise jeweils um 90° versetzte Feldkompo ^¬ nenten eines Magnetfeldes, angedeutet durch den Pfeil 64, er- fasst. Die einzelnen Winkelsensorbrücken 60a bis 6Od sind punktsymmetrisch zu einem zentrischen Symmetriepunkt SP angeordnet .

Die Bond-Pads 48a bis 48d dienen wiederum sowohl der Stromversorgung der Messanordnung 2 als auch der Abgabe der Messinformation, wie bereits ausführlich beschrieben wurde.

Durch den symmetrischen Aufbau der Zweige bzw. Zweiggruppen ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Lehre eine optimale Ge ^¬ nauigkeit der Messanordnung - verbunden mit maximaler Empfindlichkeit und erweitertem Messbereich.