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Die Erfindung betrifft einen magnetischen Umdrehungszähler, welcher in vielfältigen Gebieten der Technik, insbesondere im Automobil- und Getriebebau vorteilhaft Anwendung finden kann, da solche Umdrehungszähler miniaturisiert ausgebildet und stromlos betrieben werden können.
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Den in vorstehenden Schriften offenbarten Umdrehungszählern ist gemeinsam:
Die zum Einsatz gelangenden Sensorsysteme bestehen aus mindestens einem Sensorelement und mindestens einem äußeren Magnetfeld, wobei berührungsfrei entweder das Sensorelement am Magnetfeld, bzw. das Magnetfeld am Sensorelement vorbeibewegt oder gedreht wird. Das Sensorelement weist zumindest lokal einen Schichtaufbau, bestehend aus mindestens einer hartmagnetischen und mindestens einer weichmagnetischen Schicht, getrennt von einer unmagnetischen Schicht, auf. Im Betrieb des Sensorsystems kann das Drehen oder Vorbeibewegen des Magnetfeldes am Sensorelement (oder umgekehrt) nur die Magnetisierung der durchgehenden weichmagnetischen Schicht und nicht die Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht ändern. Hierdurch wird die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht im Sensorelement ganz oder teilweise eher parallel oder eher antiparallel zur Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht orientiert sein. Diese unterschiedliche Ausrichtung der Magnetisierungen führt zu einem Unterschied des elektrischen Widerstands in unterschiedlichen Leitbahnabschnitten, der mittels GMR- oder TMR-Effekt auslesbar ist.
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Innerhalb der weichmagnetischen Schicht sind zwei verschieden magnetisierte Bereiche durch eine magnetische Domänenwand (Dw) voneinander getrennt. Im Betrieb des Sensorsystems führt eine Lageveränderung des äußeren Magnetfelds, bspw. durch Rotation, im Sensorelement zur leistungslosen Bewegung der im Sensorelement existierenden magnetischen Domänenwände. Die ausgelesenen Dw-Positionen sind eineindeutig bestimmten, mit dem konkreten Umdrehungszähler ermittelbaren Umdrehungen (Umdrehungszahlen) zugeordnet und werden mit Hilfe einer Auswerteelektronik ermittelt. In bevorzugten Ausführungsformen sind mehrere Sensorelemente oder mehrere Teile eines Sensorelementes in Wheatstone-Brücken respektive Wheatstone-Halbbrücken elektrisch miteinander verschaltet, wodurch der Einfluss der Temperatur auf das magnetoresistive Signal unterdrückt wird.
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Die Umdrehungszähler nach der
DE 10 2008 063 226 A1 sind geometrisch durch eine rautenförmige Spirale gebildet, die an einem Ende in einer großen Fläche endet. Diese große, bevorzugt kreisförmige Fläche fungiert als Domänenwandgenerator (DWG) und ist aus derselben Materialschichtkombination wie die Spirale gebildet. Nach jeder 180° Magnetfelddrehung oder 180° Sensorelementdrehung wird in diesem Domänenwandgenerator eine sogenannte 180°-Domänenwand am Übergang Fläche-Spirale erzeugt. Diese 180°-Dw wandert in die Spirale hinein. Die erzeugten 180°-Domänenwände werden bei Drehrichtung des Magnetfeldes im Spiralendrehsinn zum Spiralenende transportiert, bzw. bei Drehrichtung entgegen des Spiralendrehsinns werden die Dw zum DWG hin transportiert. Dabei annihiliert die aus der Spirale zuerst am DWG ankommende 180°-Dw mit der zugleich im DWG erzeugten 1800 W Dw. Die Spirale kann durch sukzessives Drehen des Magnetfeldes somit schrittweise von Domänenwänden gelöscht werden. Äquivalent zur Drehung des Magnetfeldes am ortsfesten Sensorelement ist die Bewegung des Sensorelementes zum ortsfest montierten Magnetsystem.
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Umdrehungszähler nach der
DE 10 2011 075 306 A1 bestehen aus zwei rautenförmigen Spiralen mit je einem DWG an einem Ende mit entgegen gerichtetem Drehsinn, bzw. aus einer Kombination dieser zwei Spiralen mit nur einem DWG an einem Ende oder in der Mitte.
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Gemeinsam ist diesen Umdrehungszählern nach der
DE 10 2008 063 226 A1 und
DE 10 2011 075 306 A1 , dass sich bei jeder detektierten halben Umdrehung die Anzahl der 180°-Domänenwände in jeder Spirale um 1 ändert.
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Dies ist anders bei den Umdrehungszählern, die mindestens eine geschlossene Schleife mit mindestens einer Kreuzung (
DE 10 2013 018 680 A1 ) oder mindestens eine geschlossene Schleife mit mindestens einer Brücke (
DE 10 2010 022 611 A1 ) aufweisen. Bei diesen Umdrehungszählern wurden die beiden Enden einer Spirale zu einer geschlossenen Schleife miteinander verbunden. Bei n Windungen kreuzt die direkte Verbindung (n – 1) Windungen. Eine zweiwindige Spirale wird somit zu einer Schleife mit einer Kreuzung und eine dreiwindige Spirale zu einer Schleife mit zwei Kreuzungen. Jede Windung kann maximal zwei Domänenwände aufnehmen, so dass bei einer Schleife mit n Windungen maximal 2n Domänenwände existieren können.
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Gemeinsam ist diesen Umdrehungszählern ebenfalls, dass die Richtung der Referenzmagnetisierung, die für die Nutzung des GMR- oder TMR-Effektes zwingend erforderlich ist, überall einen Winkel von +45° oder –45° gegenüber allen geraden Stegen beträgt. In einer geschlossenen Schleife wird im regulären Zähl-Betrieb keine Dw erzeugt oder vernichtet. Eine Vernichtung oder Erzeugung von Domänenwänden würde zu einem Zählfehler führen und muss ausgeschlossen sein. Umdrehungszähler mit mindestens einer geschlossenen Schleife erfordern, dass in einem Initialisierungsprozess eine genaue Anzahl an Domänenwänden in das Sensorelement geschrieben wird. Die Initialisierung geschieht z. B. durch komplettes Füllen der geschlossenen Schleife mit Domänenwänden mit Hilfe eines Magnetfeldpulses, dessen Stärke über der Nukleationsfeldstärke HNuk der Schleife liegt, und anschließendes Löschen von Domänenwänden. Die Löschung von Domänenwänden erfolgt durch Annihilation von jeweils zwei benachbarten Domänenwänden. Hierfür wird während einer Magnetfelddrehung eine Dw unter einer auf die Schleife zusätzlich aufgebrachten Leiterbahn durch ein strominduziertes Feld, dem sogenannten Oersted-Feld HOerstedt, festgehalten (gepinnt) und eine weitere Dw aufgrund der Felddrehung an die gepinnte Dw heran transportiert, so dass die beiden Domänenwände annihilieren. Wenn z. B. die Dw durch ein nach links zeigendes Magnetfeld zur Leiterbahn transportiert wird, so muss das strominduzierte Magnetfeld nach rechts zeigen, um der Dw-Bewegung entgegen gerichtet zu sein. Bei ausreichend großem Gegenfeld stoppt die Dw-Bewegung an der Leiterbahn und die Dw ist gepinnt. Wird das Oerstedtfeld für die nächsten mindestens 180° der Magnetfelddrehung aufrechterhalten, so wird hierdurch eine zweite Dw zur Leiterbahn transportiert. Diese zweite Dw annihiliert mit der ersten, gepinnten Dw. Durch sukzessives Weiterdrehen des einwirkenden äußeren Magnetfeldes und strominduziertes Dw-Pinnen können so nacheinander immer zwei Dw aus einer geschlossen Schleife gelöscht werden bis die gewünschte vorgebbare Zahl an Domänenwänden zum Betrieb des Sensorsystems erreicht ist.
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Allen vorstehend beschriebenen Umdrehungszählern ist gemeinsam, dass das Zählen von Umdrehungen leistungslos durch das Transportieren von Domänenwänden in geschlossenen Schleifen, bzw. das Transportieren mit Erzeugung oder Vernichtung von Domänenwänden in offenen Spiralen erfolgt. Leistungslos erfolgt auch die Speicherung der gezählten Umdrehungen durch eineindeutige Dw-Positionen und/oder Dw-Anzahlen im Sensorelement. Leistung wird hingegen benötigt zum Auslesen des Sensorelementes. In bevorzugten Ausführungsformen wird hierzu der Giant Magneto Resistance-(GMR-)Effekt genutzt, wobei mehrere Sensorelemente oder Teile eines Sensorelementes gemäß des bekannten Standes der Technik in Wheatstone-Halbbrücken respektive Wheatstone-Brücken verschaltet sind. Je nach Magnetisierung weist ein Sensorelement in unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche elektrische Widerstände, bzw. unterschiedliche Potentiale auf, die, wenn das Sensorelement oder ein Teil eines Sensorelementes in Wheatstone-Halbbrücken respektive Wheatstone-Brücken verschaltet ist, auslesbar sind. Zum Auslesen des Magnetisierungszustandes wird ein Messstrom durch das Sensorelement (bzw. die Wheatstone-(Halb-)Brücke) geleitet und das Messergebnis mit definierten Schwellenwerten verglichen. Je nachdem, ob ein Schwellenwert unterschritten oder überschritten ist, kann entschieden werden, ob das Messergebnis z. B. dem Zustand „eine Dw ist in dieser Wheatstone-Halbbrücke vorhanden” entspricht oder nicht.
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In allen vorstehend beschriebenen Umdrehungszählern nach dem bekannten Stand der Technik haben die mit einem Wheatstone-Halbbrücken-Mittenkontakt kontaktierten Dw-Lagen einen Winkelabstand von 180°. Ein großer Nachteil dieser Art von Sensorsystemen ist die benötigte große Chipfläche pro Sensorelement, um die erforderlichen Bondkontakte unterzubringen, wobei insbesondere bei Umdrehungszählern für Umdrehungszahlen größer 10 die Bondkontaktanzahl die Chipfläche und damit die Kosten pro Chip maßgeblich bestimmt. Die Bondkontakt-Anzahl ist durch eine ebenfalls bekannte gemultiplexte Spannungsversorgung reduzierbar. Bei einer Spirale mit einem Domänenwandgenerator (DWG) und 16 Windungen werden bei einer gemeinsamen Spannungsversorgung aller 16 Windungen insgesamt 34 Kontakte benötigt: Ein Vcc-Kontakt, ein gnd-Kontakt und 16 × 2 Mittelkontakte für 32 Wheatstone-Halbbrücken. Bei einem Vierfach-Multiplexing werden dagegen insgesamt nur noch 16 Kontakte benötigt: Vier Paare von Vcc- und gnd-Kontakten und 4 × 2 Mittelkontakte, wobei jeder Kontakt jeweils vier Windungen kontaktiert. Durch rasches Hintereinanderbeschalten der vier Vcc-gnd-Paare sind an einem Mittelkontakt somit hintereinander die Potentiale der vier kontaktierten Windungen einzeln auslesbar. In Ausgestaltungen mit gemultiplexter Spannungsversorgung sind nicht alle Wheatstone-Halbbrücken auf dem gleichen Potential, so dass bei der Messung einer Wheatstone-Halbbrücke die parallel geschalteten Potentiale das Messergebnis beeinflussen können. In der
DE 10 2010 010 893 B4 wurden Umdrehungszähler mit elektrischen Schaltungen kombiniert, die mittels Referenzbrücken die Effekte, die durch parallel geschalteten Potentiale entstehen, kompensieren. Die vorteilhafte Beschaltung mit Referenzbrücken erfordert einen zusätzlichen 17. Kontakt bei einer Spirale mit einem Domänenwandgenerator (DWG) und 16 Windungen.
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Die Widerstandsänderungen durch Änderung der Richtung der Magnetisierung nach Durchgang einer magnetischen Domäne, die die Sensoren mit GMR-Effekt aufweisen, ist in der Größenordnung von 3–4% und damit etwa so groß, wie sich der Widerstand durch Änderung der Temperatur um rund 100 K ändert. Deshalb ist für den Einsatz als Umdrehungszählern die Ausbildung einer Wheatstone-Brücke (WB) oder zumindest -halbbrücke auf dem Chip zwingend.
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Im Patent
EP 1 740 909 B1 sind, entsprechend vorstehend genannter Maßgabe, dazu rennbahnähnliche Strukturen so verschaltet, dass der Drehsinn benachbarter Rennbahnen entgegengesetzt ist. Dies hat zur Folge, dass sich im Betrieb benachbarte Elemente der WB entgegengesetzt verhalten: nimmt in einer Rennbahn die Anzahl zu, so sinkt sie in der anderen Rennbahn um den gleichen Betrag. Man benötigt nach diesem Vorschlag demzufolge immer vier Rennbahnen zur Ausbildung einer WB. Um Fehlinterpretationen bei der Bestimmung der Anzahl der Domänenwände zu vermeiden, die durch die intrinsisch vorhandene Hysterese beim Transport der Domänenwände auftreten, müssen bei Verwendung dieser rennbahnähnlichen Strukturen immer zwei um 90° gedrehte Systeme zur Auslesung genutzt werden. Welches der beiden ein nicht verfälschtes Resultat liefert, muss mit Hilfe eine Winkelsensors oder eines Quadrantendetektors bestimmt werden. Würde man also eine Lösung nach
EP 1 740 909 B1 zur eineindeutigen Auswertung der Wheatstonebrückensignale nutzen wollen, müsste man bereits zwei aus je vier Rennbahnen bestehende WB kombiniert werden, die jeweils um 90° gegeneinander gedreht angeordnet sind. Da man somit bereits acht Rennbahnen benötigen würde, erhöht sich das Risiko einer erhöhten Ausschussrate erheblich, da die fehlerfreie Herstellung der Rennbahnen eine technologische Herausforderung darstellt.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen magnetischen Umdrehungszähler anzugeben, die neben einer weitergehend verringerten Anzahl von Bondkontakten vor allem einen deutlich kleineren Flächenbedarf für die eigentliche Sensorstruktur ermöglicht und der Umdrehungszähler somit auf deutlich kleineren Chipflächen und damit kostengünstiger und mit erhöhter Gutausbeute herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung gelöst.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass zunächst ein magnetischer Umdrehungszähler zur Bestimmung einer vorgebbaren Anzahl zu bestimmender Umdrehungen eines äußeren Magnetfelds, erzeugt durch ein rotierendes Element, respektive ein Polrad, respektive einen linearen magnetischen Maßstab vorgesehen ist, bei dem ein Sensor vorgesehen ist, der magnetische Domänenwandleitbahnen beinhaltet, die aus offenen Spiralen oder in sich geschlossenen mehrfach verwundenen Schleifen bestehen, die durch einen GMR-Schichtstapel gebildet sind und in die magnetische 180°-Domänenwände einbringbar und – durch Messung des elektrischen Widerstands vorgebbarer Spiralen- oder Schleifenabschnitteentsprechend des bekannten Standes der Technik lokalisierbar sind, wobei erfindungsgemäß hier jedoch in die Domänenwandleitbahnen eine einzige Domänenwand oder mindestens zwei magnetische Domänenwände derart eingebracht sind, dass sie durch Mittel zum Erzeugen, Pinnen oder definierten Löschen von Domänenwänden in einen definierten Abstand von größer als 360° zueinander – bezogen auf ihre Ortsveränderung von erster zu zweiter Position, bei Drehung des rotierenden Magnetfeldes um den Winkel von größer als 360° – gebracht und dauerhaft so zueinander beabstandet sind und auf den Domänenwandleitbahnen elektrische Kontakte derart vorgesehen sind, dass diese die Bestimmung der Richtung der Magnetisierung der Teile des Sensors erlauben, die parallel zur Richtung der Referenzschichtmagnetisierung verlaufen, wobei erfindungsgemäß lediglich eine einzige Rennbahn erforderlich ist.
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Für diese vorgeschlagene Ausbildung des Sensorelements nebst vorgeschlagener neuer Art der Kontaktanbindung und ist die Widerstandsänderung und damit auch die Änderung der Brückenspannung maximal und um den Faktor größer als dies bei den rautenförmig orientierten Wheastone-Brücken gemäß des Standes der Technik (vgl.
DE 10 2010 010 893 B4 ,
DE 10 2008 063 226 A1 und
DE 10 2011 075 306 A1 ) der Fall ist. Bei Verwendung des GMR-Effektes erlaubt dieser Umstand, dass diese zur Richtungsbestimmung der Magnetisierung genutzten Bereiche der Rennbahn auf einen Wert
1/√2 verkürzt werden, um den gleichen Spannungshub der Wheatstonehalbbrücke zu erreichen, was eine Verringerung der Chipfläche erlaubt. Weitere geometrische Besonderheiten bei Nutzung des GMR-Effektes, die ebenfalls eine deutliche Verringerung der Chipfläche erlauben, werden im Folgenden beschrieben. Die neue Sensorstruktur ist dadurch charakterisiert, dass sie bei Verwendung des GMR-Effektes ausschließlich eine einzige rennbahnähnliche Struktur verwendet, anstatt der nach oben genannter
EP 1 740 909 B1 erwähnten acht erforderlichen rennbahnähnlichen Strukturen. Diese Reduktion in der Fläche auf 1/8 der erforderlichen Sensorstrukturen ist nur durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung der Domänenwände (entweder nur eine Domänenwand in der Struktur oder zwei mit einem Abstand > 360°) möglich. Durch die rennbahnähnliche Struktur sinkt auch der Flächenbedarf im Vergleich zu den rautenförmigen Strukturen der Spirale (vgl.
DE 10 2010 010 893 B4 ,
DE 10 2008 063 226 A1 und
DE 10 2011 075 306 A1 ) oder geschlossenen Schleife nach dem Stand der Technik, die bisher zum Zählen verwendet wurden, um ca. 70%. Diese geometrischen Änderungen der Erfindung haben neben der Reduzierung der Chipfläche noch einen weiteren für die technische Umsetzung positiven Effekt. Die Länge der Spirale bzw. der geschlossenen Schleife wird durch diese neue Geometrie gegenüber der Rautenstruktur um mehr als 25% kürzer. Damit steigt die Gut-Ausbeute bei der Produktion, da die Ausbeute der Sensorstruktur praktisch nur von der Länge der kritischen, die magnetischen Domänen tragenden Struktur, die typischerweise 200 nm bis 450 nm breit ist, abhängt.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß die definierte Beabstandung bei Einsatz zweier benachbarter Domänenwände bevorzugt zu 540° festgelegt.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Magnetisierungsmuster MM besteht aus nur einer einzigen Dw, welche in ebenfalls erfindungsgemäße Spiralen mit zwei angespitzten offenen Enden eingeschrieben wird, wie in der nachfolgenden speziellen Beschreibung zu dieser Ausführungsform detaillierter beschrieben wird.
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Zur näheren Erläuterung des Vorstehenden und der Erfindung sollen nachstehende vorteilhafte, die Erfindung aber nicht beschränkende Ausführungsbeispiele und Figuren dienen. Es zeigen:
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1 die wesentlichen Bestandteile eines Umdrehungszählers;
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2 ein erstes prinzipielles Beispiel für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements;
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3 das Sensorelement nach 2 mit erfindungsgemäßen Kontaktanordnungen am Sensorelement;
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4 das Sensorelement nach 2 und 3, versehen mit das Sensorelement kontaktieren Bondpads;
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5 das Sensorelement nach 2 mit einer Ausgangsdomänenwandbesetzung;
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6 das Sensorelement nach 5 mit einer Besetzung mit zwei Domänenwänden;
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7 das Sensorelement nach 6 mit einer Besetzung mit zwei Domänenwänden, die in einen erfindungsgemäßen Abstand zueinander gebracht sind;
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8 das Sensorelement nach 2 mit einer Besetzung mit nur einer erfindungsgemäßen Domänenwand;
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9 ein zweites prinzipielles Beispiel für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements in Form einer in sich geschlossenen Schleife mit einer speziellen Art der Kontaktanbindung und besetzt mit zwei Domänenwänden und
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10 eine Ausbildung eines Sensorelements analog 9 und einer Kontaktanbindung analog zu 3.
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Nachfolgend werden anhand beiliegender Figuren erfindungsgemäße Ausgestaltungen von Umdrehungszählern mit der erfindungsgemäßen Kontaktierung beschrieben, die bei jedem Feldwinkel eine eindeutige Auslesung der Umdrehungszahl bei Einsatz nur einer einzigen rennbahnartig ausgebildeten Sensorstruktur ermöglichen.
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Zunächst zeigt 1 die wesentlichen Bestandteile eines solchen üblichen Umdrehungszähler-Systems 1 mit einem Umdrehungszähler 1a und einem beispielhaften Magnetsystem 4 mit Nordpol (N) und Südpol (S) montiert an einer drehenden Welle 5. Der Umdrehungszähler 1a besteht aus den Hauptkomponenten: Umdrehungssensor US 2 und einer Elektronik 6. Der Sensor 2 ist ortsfest montiert und detektiert die Anzahl der Umdrehungen des rotierenden Magnetfeldes. Die Elektronik 6 beinhaltet eine Spannungsversorgungen 7 für den Sensor 2 und einen Winkel- oder Quadrantensensor 3, die Verarbeitung der Messwerte und eine Verarbeitungseinheit 8, die das Ergebnis jeder Messung ausgibt.
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Die erste Besonderheit vorliegender Erfindung besteht in der erfindungsgemäßen Ausbildung des Umdrehungssensors 2, der anhand einer beispielhaften und vereinfachten Darstellung in 2 für den hier vorliegenden Fall der Nutzung des GMR-Effektes erläutert werden soll. Hier soll insbesondere die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzgl. der erfindungsgemäßen Art der Kontaktanbindung dargestellt werden. In diesem Beispiel ist das Sensorelement 2 durch eine sechswindige, rennbahnartige Spirale 20, deren Enden angespitzt sind, gebildet. Die Spitzen 21 und 22 bilden das äußere und innere Ende der Rennbahn. Die Spirale besteht im Beispiel, entsprechend des bekannten Standes der Technik, aus einem magnetischen Schichtstapel, der den GMR-Effekt zeigt. Die Referenzrichtung 28 liegt parallel zu der Längsausdehnung der Rennbahn. Dabei sind sechs gerade Spiralenabschnitte 31–36 über halbkreisförmige Bögen Hkl1–Hkl7 auf der in 2 linken Seite und über halbkreisförmige Bögen Hkr1–Hkr6 auf der rechten Seite mit den parallel dazu liegenden geraden Spiralenabschnitten 41–46 verbunden. Die Spirale enthält im dargestellten Zustand noch keine Domänenwände, ist also homogen magnetisiert. Die Richtung der Magnetisierung ist durch schwarze, auf der Spirale liegende Pfeile symbolisiert. Erfindungswesentlich ist, dass die halbkreisförmigen Bögen zumindest an einer Seite der Spirale voneinander deutlich weiter beabstandet sind, als die geraden Spiralenabschnitte zueinander.
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Weiterhin ist die beispielhafte rennbahnähnliche Spirale, wie aus 3 ersichtlich, mit elektrischen Kontakten versehen, und zwar einem gemeinsamen gnd-Kontakt 70 links für die Halbkreise Hkl1, Hkl3, Hkl5, Hkl7 einen gemeinsamen Vcc-Kontakt 80 links für die Halbkreise Hkl2, Hkl4, Hkl6 und den erfindungsgemäßen sechs Mittelkontakten 91–96 gegenüberliegend auf den Halbkreisen Hkr1–Hkr6 in 3 rechts. Die elektrischen Kontakte auf den Halbkreisen sind dabei so gestaltet, dass die nicht von den elektrischen Kontakten bedeckten Bereiche der geraden Stege 31–36 und 41–46 gleich lang sind.
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Der Magnetisierungszustand des Sensorelementes wird in diesem Beispiel durch Verschaltung zu sechs Wheatstone-Halbbrücken und entsprechender Potentialmessung ausgelesen:
Die im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Wheatstone-Halbbrücken WHB1 bis WHB6 bilden dabei die Stege 31 bis 36 mit den Stegen 41 bis 46 mit den Mittelkontakten 91 bis 96. Diese sind, wie in 4 dargestellt, an den Kontaktpads 291 bis 296 angeschlossen. Die beiden Kontaktpads 270 und 280 versorgen die Brücke (Vcc und gnd-Kontakt). Die beiden Pads 225a und 225b sind die Außenanschlüsse für eine elektrische, weiter nachstehend beschriebene Zusatzleitbahn 26. Die Größe und Anzahl der zum Bonden erforderlichen Kontaktpads bestimmt im Wesentlichen die Chipgröße. Durch die erfindungsgemäße Kontaktierung werden in diesem Beispiel vier Bondkontakte eingespart. Deutlicher wird dieser Effekt beim Vorsehen einer höheren Windungszahl im Sensor 2 zur Zählung größerer Umdrehungszahlen. Bei einem Umdrehungszähler für 30 Umdrehungen werden bei der neuen Art der Kontaktierung nur noch maximal 32 (Vcc + gnd + 30 Mittelkontakte) statt 62 Bondkontakte, wie nach dem Stand der Technik bislang erforderlich (nämlich: Vcc + gnd + 60 Mittelkontakte), bzw. bei einem 5x-Multiplexing nur noch 16 (nämlich: 5 Vcc + 5 gnd + 6 Mittelkontakte) statt 22 Bondkontakte (nämlich: 5 Vcc + 5 gnd + 12 Mittelkontakte), benötigt. Das hier nicht näher beschriebene multiplexe Auslesen der Wheatstone-Halbbrückensignale erfolgt hintereinander mit einer Taktfrequenz im MHz-Bereich, während die Messintervalle im kHz-Bereich liegen, und somit quasi gleichzeitig. Dies geht einher mit einer Reduzierung der Bondkontakte auf 48% (ohne Multiplexing) bzw. 27% (mit Multiplexing). Da die Chipfläche wesentlich von der Größe und der Anzahl der Bondkontakte bestimmt wird, die mit den Spiralen-Kontakten verbunden sind, minimiert dies die Chipfläche pro Sensorelement um 25% (ohne Multiplexing) bzw. 10% (mit Multiplexing), wie anhand von Layout-Simulationen beispielhaft ermittelt wurde. Zusätzlich reduziert sich die Fläche des die Domänenwände tragenden Teils des Sensors 2, nämlich die langgestreckte Rennbahnspirale 20 auch noch erheblich, was zu einer weiteren Einsparung von benötigter Chipfläche führt. Die vorstehend beschriebene neue Art der Kontaktanbindung und Verschaltungsmöglichkeit zu Wheatstone-Brücken korreliert dabei mit der erfindungsgemäßen Art der weiter nachstehend beschriebenen Domänenwandbesetzung.
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Weiterhin zeigt 4 die beispielhafte Spirale nach 2 mit einer Leiterbahn 25 mit einer Verengung 26 zum Initialisieren des Sensorelementes in einem Zustand ohne Domänenwände, auf deren Bedeutung in 5 näher eingegangen wird.
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Das Sensorelement 20 nach 2, dargestellt in 5, soll zunächst komplett gefüllt sein mit dreizehn Domänenwänden (schwarze Kreise), die z. B. nach einem Feldpuls 29 mit einer Feldstärke über der Nukleationsfeldstärke des Sensorelementes 20 entgegengesetzt der Richtung der Magnetisierung der Referenzrichtung 28 erzeugt wurden. Dabei werden dreizehn Domänenwände DW101 bis. DW113 erzeugt, die jeweils in der Mitte der Halbkreise Hkl1–Hkl7 und Hkr1–Hkr6 im Beispiel lokalisiert sind. Durch diese Domänenwandkonfiguration ist die Richtung der Magnetisierung in allen Bereichen, die parallel zur Referenzmagnetiserung 28 ausgerichtet sind, gleich. Damit sind auch die Widerstände der hier nicht dargestellten Wheatstone-Halbbrücken jeweils gleich und alle Halbbrücken befinden sich im Mittelpotential. Die Referenzrichtung 28 des GMR-Schichtstapels zeigt im Beispiel von links nach rechts. In jedem geraden Steg ist die Magnetisierungsrichtung mit einem Pfeil symbolisiert. Um die vorliegender Erfindung zugrundeliegende Maßgabe der definierten Beabstandung zweier benachbarter Domänenwände von > 360° zu realisieren, müssen also mindestens zwei Dw gelöscht werden. Dies wird nachstehend anhand der 6 und 7 näher erläutert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit weist die in den vorliegenden Figuren gezeigte Spirale nur sechs Windungen auf. Reale Sensorelemente weisen typischerweise sechszehn bis vierzig solcher Windungen auf.
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Mit Bezug auf 2 zeigt 7 das Sensorelement 20, bei dem ein Magnetisierungsmuster mit 540° Winkelabstand zwischen zwei benachbarten Domänenwänden initialisiert wurde, was eine Kontaktierung gemäß 3 für eine eineindeutige Umdrehungszählung ermöglicht. Während die vollständige Besetzung der Spirale mit Domänenwänden nicht für eine eineindeutige Umdrehungszählung bei der vorgesehenen neuen Art der Kontaktierung geeignet ist, soll anhand von 5–7 eine Möglichkeit zur Initialisierung eines erfindungsgemäß erzeugten Magnetisierungsmusters einmal etwas ausführlicher beschrieben werden, die in sechs Schritten erfolgt:
- 1. Nachdem die Spirale, wie in 5 dargestellt, durch einen äußeren Magnetfeldimpuls mit einer Stärke oberhalb des Nukleationsfeldes komplett mit Domänenwänden (im Beispiel dreizehn) gefüllt ist, wird das äußere Magnetfeld auf ca. 70% des Nukleationsfeldes abgesenkt und n + 1 Umdrehungen (im Beispiel sieben) in ccw-Richtung gedreht, wodurch alle eventuell vorhandenen Domänenwände, respektive die in 5 dargestellten dreizehn Domänenwände (DW101–DW113), die Spirale über die Spitze 21 verlassen. Der dann erreichte domänenwandfreie Zustand ist in 2 bereits dargestellt.
- 2. Durch einen Stromimpuls über die Leiterbahn 25 wird in der Spiralenwindung unter der Verengung 26 ein Bereich erzeugt, dessen Magnetisierungsrichtung antiparallel zur Ausgangsmagnetisierung gerichtet ist (vgl. 6 Pfeilrichtung auf der vierten Spiralenwindung von unten) und wodurch zwei Domänenwände DW111 und DW112 entstehen, die voneinander um 180° beabstandet sind. Das strominduzierte Oerstedtfeld 27 unter der Verengung 26 plus das von außen wirkende und in die gleiche Richtung zeigende Magnetfeld 29 liegt über der Nukleationsfeldstärke des Sensorelementes 20. Der durch die lokale Einwirkung des Magnetfeldes nukleierte ummagnetisierte Bereich hat zwei Domänenwände. Diese werden durch das antiparallel zur Referenzrichtung 28 zeigende Magnetfeld 29 des Magneten 4 (vgl. 1) in die beiden Halbkreise Hkl4 und Hkr5 bewegt, wie in 6 gezeigt.
- 3. Bei weiter fließendem Strom durch die Leiterbahn 25 und damit konstantem Magnetfeld 27 wird das äußere Magnetfeld 29 um 360° in cw gedreht, wodurch die DW111 aus dem Hkl4 über den Hkr4 in den Hkl5 transportiert wird, wohingegen die DW112 in die ursprüngliche Position, wie in 6 gezeigt, gemäß 7 zurückkehrt.
- 4. Anschließend wird der Strom durch die Leitbahn 25 abgeschaltet.
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Wie im Rahmen der Erfindung gefordert, haben die in diesem Beispiel in 7 dargestellte Konfiguration vorgesehenen zwei Domänenwände DW111 und DW112 einen Abstand zueinander von > 360°, hier die bevorzugten 540°, bezogen auf eine einzige cw-Drehung des äußeren Magnetfeldes 29, eingenommen. Die in den einzelnen geraden Spiralenabschnitten nunmehr geänderte Richtung der Magnetisierung ist in 7 wiederum durch schwarze, auf der Spirale liegende Pfeile symbolisiert. Es liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, wenn bei Einstellung vorstehend genannten Abstandes zwischen zwei benachbarten Domänenwänden, die zur eigentlichen Umdrehungszählung genutzt werden, die übrigen Schleifenbereiche vollständig mit Domänenwänden zu besetzen, was durch beidseits anstelle der Spitzen 21 und 22 positionierte, hier nicht dargestellte Domänenwandgeneratoren gemäß des Standes der Technik bewerkstelligt werden kann.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung zeigt 8 das Sensorelement gemäß 2, das ein Magnetisierungsmuster mit nur einer einzigen Domänenwand aufweist. Die in 8 gezeigte Domänenwandleitbahn der Spirale 20 ist identisch mit der in 2 dargestellten Domänenwandleitbahn. Im Gegensatz zu den Ausführungen nach den 4–7 wird in dem Beispiel nach 8 die Leiterbahn 25 mit der Verengung 26 zur Initialisierung eines Zustands mit einer einzigen Dw nicht benötigt. Die Initialisierung erfolgt in diesem Beispiel z. B. in vier Schritten:
- 1. Ausgehend von einer komplett mit Domänenwänden gefüllten Spirale (vgl. 5) wird im Beispiel das äußere Magnetfeld 29 sechsmal in ccw-Richtung gedreht. Dabei verlassen die Domänenwände DW101–DW106 und DW108–DW113 die Spirale am zugespitzten Ende 21 (vgl. 2) und die Domänenwand DW107 sitzt auf der Position, auf der vor den, sechs ccw-Umdrehungen die Domänenwand DW101 gesessen hat im Hkl1. Diese Konfiguration ist in 8 dargestellt.
- 2. Durch drei weitere cw-Drehungen des äußeren Magnetfeldes wird die DW107 aus dem HKl1 in die Position im HKl4 bewegt (nicht dargestellt).
Damit ist eine Domänenwand-Konfiguration eingestellt, die es ermöglicht, aus dieser Position drei Umdrehungen in cw oder in ccw zu zählen.
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Vorteil der Ausgestaltung nach 8 ist der Verzicht auf die Leiterbahn 25 und somit der zugehörigen zwei Bondkontakte. Diese rein mechanische Initialisierung muss jedoch mit einer hinreichenden Winkelpräzision erfolgen.
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Zugleich, was für alle dargestellten Ausführungsbeispiele gilt, sind in
8 beispielhafte Dimensionen angegeben (200 μm·50 μm), die für die dargestellten Schleifen und in sich geschlossenen Spiralen auch höherer Windungszahlen als der dargestellten sechs repräsentativ sind, da die Dimensionen der eigentlichen Domänenwandleitbahnbreiten eine untergeordnete Rolle spielen. Im Vergleich zu rautenartigen Ausbildungen der Schleifenstrukturen gemäß des Standes der Technik, die, bei gleicher Länge, dazu noch eine um den Faktor niedrigere Brückenspannung liefern, nehmen diese bei vergleichbarer Windungszahl eine nicht zu unterschreitende Fläche von ca. 300·300 μm ein. Diesen Dimensionen gegenüber ist die erfindungsgemäße Spiralenstruktur zumindest in einer Dimension, im Beispiel nach
8 mit 50 μm, deutlich verkleinert ausführbar. Zugleich sinkt demgegenüber die Zahl der zur Bildung von Wheatstone-Brücken respektive – Halbbrücken erforderliche Kontaktzahl und damit die Zahl erforderlicher Bondpads um 50% bei gleicher Beschaltungsweise, wenn die erfindungsgemäßen Domänenwandmuster in die Schleifen eingeschrieben sind. Auch gegenüber einer Ausbildung der Rennbahn vergleichbar zu
EP 1 740 909 B1 verringert sich nicht nur die Anzahl der Kontakte erheblich, weil nach vorliegender Erfindung statt acht nur noch eine einzige Schleife oder in sich geschlossene Spirale zur eineindeutigen Zählung ganzer Umdrehungen erforderlich ist.
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Zur Demonstration der Multivalenz der im Rahmen der Erfindung zum Einsatz gelangenden Ausbildungen des Umdrehungssensors 2 bzgl. zum Einsatz gelangender Domänenwandleitbahnkonfigurationen soll ein zweites prinzipielles Ausführungsbeispiel dienen, dargestellt in 9.
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9 zeigt eine weitere prinzipielle erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Umdrehungssensors
2, hier bestehend aus einer beispielhaften, wiederum sechswindigen, in sich geschlossenen Schleife
23. Initialisiert wurde hier wiederum, wie vorstehend bereits beschrieben, mittels der Leiterbahn
25 mit der Verengung
26, ein Magnetisierungsmuster mit zwei Domänenwänden DW111 und DW112 mit einem Winkelabstand von 540°. Die Referenzrichtung
28 des die Schleife
23 bildenden GMR-Schichtstapels verläuft wieder parallel zur Längserstreckung der rennbahnartigen Spirale
23 und zeigt von links nach rechts. Elektrisch kontaktiert wird diese Schleife
23 in diesem Beispiel mit einem gemeinsamen gnd-Kontakt
70 in der Mitte der Stege
41–
46, einem gemeinsamen Vcc-Kontakt
80 in der Mitte der Stege
31–
36 und sechs Mittelkontakten
91 bis
96 (analog zu
3), die mittig in den Halbkreisen Hkr1–Hkr6 lokalisiert sind. Eine Verschiebung der Kontakte
70 und
80 von den linken Halbkreisen (vgl.
3 und
10) ist hier erforderlich, da sonst die sich kreuzenden GMR-Streifen in den linken Schleifenbereichen eine sehr niederohmige Verbindung (nahezu einen Kurzschluss) zwischen dem gnd-Kontakt
70 und dem Vcc-Kontakt
80 verursachen würden. Ist die geschlossene Schleife
23 jedoch so ausgeführt wie im Patent
DE 10 2010 022 611 B4 beschrieben, dass die die Halbkreise Hkl1–Hkl6 „kreuzende” GMR-Leitbahn als Brücke B50 (vgl.
10) ausgeführt ist, so kann die Kontaktierung mit dem Vcc-Kontakt
80 und gnd-Kontakt
70 so ausgeführt werden, wie in
10 dargestellt. Dies hat den Vorteil, dass die waagerechten Teile der Schleife (
31–
36 und
41–
46) gegenüber der Ausführung nach
9 um 50% gekürzt werden können, was eine weitere Flächenersparnis der von der Schleife vereinnahmten Fläche um knapp 50% ermöglicht.
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Der Magnetisierungszustand des Sensorelementes nach 9 und 10 wird auch hier durch Potentialmessung mit sechs Wheatstone-Halbbrücken analog zur Beschreibung zu 4 ausgelesen. Die zu schaltenden Wheatstone-Halbbrücken WHB1 bis WHB6 werden versorgt durch den gemeinsamen gnd-Kontakt 70 und Vcc-Kontakt 80 und werden jeweils gebildet durch die Stege 31 und 41 mit dem Mittelkontakt 91 bis zu den Stegen 36 und 46 mit dem Mittelkontakt 96. Auch in diesen Beispielen nach den 9 und 10 beträgt der erfindungsgemäße Abstand zwischen den zwei benachbarten Domänenwänden Dw 111 und Dw 112 540° in cw-Richtung betrachtet. Generiert werden kann ein derartiges Domänenwandbesetzungsmuster durch die folgende Prozedur:
- 1. Füllen der geschlossenen Schleife mit zwölf Domänenwänden mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldimpulses parallel zur Richtung der Referenzmagnetisierung 28.
- 2. Anlegen eines Stromflusses durch den Kontakt 25 respektive die Verjüngung 26 in einer Richtung, dass dadurch das unter der Verengung 26 erzeugte Magnetfeld in Richtung der Referenzmagnetisierung zeigt und eine Größe von z. B. 75% der Nukleationsfeldstärke aufweist.
- 3. Anschließende Rotation des äußeren Magnetfeldes, ebenfalls in der Größe von 75% der Nukleationsfeldstärke, zweieinhalb mal (900°) in cw Richtung. Dabei werden im Beispiel vier Domänen an diese Stelle herantransportiert und je zwei annihilieren sich.
- 4. Abschalten des Stromes durch die Leitbahn 25 und eine weitere Vierteldrehung des äußeren Magnetfeldes. Dadurch befinden sich je eine Domänenwand auf der in den 9 und 10 dargestellten linken Seite und eine Domänewand auf der rechten Seite der Verjüngung 26.
- 5. Einschalten des Stromes durch die Verjüngung 26 mit entgegengesetzter Polarität als unter Punkt 2 beschrieben.
- 6. Drehen des äußeren Magnetfeldes um 360° in cw-Richtung. Danach Abschalten des Stromes.
Danach ist eine Konfiguration erreicht, in der zwei Domänen in der geschlossenen Schleife in einem Winkelabstand von 540° vorhanden sind, wie erfindungsgemäß vorgegeben.
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Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, dass das nach 1 vorgesehene, auf einer Welle installierte Magnetsystem 4 durch ein Polrad mit wechselseitig angeordneten Magnetpolen gebildet sein kann. Ein derart ausgebildeter Umdrehungszähler zählt die Anzahl der am Sensorelement vorbei bewegten Magnetpol-Paare. Dies ist analog zum Zählen von Umdrehungen des Magneten 4 gemäß 1. In gleicher Weise kann das Sensorelement kombiniert werden mit einem Linear-Maßstab mit mehreren Magnetpolen. Jede Maßstab-Position entspricht somit einem Winkelsensor-Messwert und einem Umdrehungszähler-Messwert. Der Umdrehungszähler zählt bei einer solchen Ausbildung die Anzahl der vorbei bewegten Magnetpol-Paare. Auch dies ist analog zum Zählen von Umdrehungen des Magneten 4 gemäß 1.
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Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und/oder den nachfolgenden Zeichnungen erkennbaren Merkmale können einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umdrehungszähler-System
- 1a
- Umdrehungszähler
- 2
- Umdrehungssensor US
- 3
- Winkel- oder Quadrantensensor WS
- 4
- Magnetsystem
- 5
- Welle
- 6
- Elektronik
- 7
- Spannungsversorgung
- 8
- Verarbeitungseinheit
- 20
- Sensorelement
- 21
- Spitze
- 22
- Spitzen
- 23
- Sensorelement
- 25
- Leiterbahn 25 zum Initialisieren
- 26
- Verengung zum Initialisieren
- 28
- Referenzrichtung
- 29
- Feldpuls
- 31–36
- gerade Schleifenabschnitte
- 41–46
- gerade Schleifenabschnitte
- 70
- gnd-Kontakt
- 270
- Kontaktpad für gnd-Kontakt
- 80
- Vcc-Kontakt
- 280
- Kontaktpad für Vcc-Kontakt
- 91–96
- Mittelkontakte
- 225a, 225b
- Bondpads für Leiterbahnen 25 und 26
- 291–296
- Bondpads
- B50
- Brücke
- Dw..
- Domänenwände
- Hkl1-7
- links liegende gekrümmte Schleifenabschnitte
- Hkr1-6
- rechts liegende gekrümmte Schleifenabschnitte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008063226 A1 [0002, 0005, 0007, 0017, 0017]
- DE 102010022611 A1 [0002, 0008]
- DE 102011075306 A1 [0002, 0006, 0007, 0017, 0017]
- DE 102013018680 A1 [0002, 0008]
- DE 102010010893 B4 [0011, 0017, 0017]
- EP 1740909 B1 [0013, 0013, 0017, 0042]
- DE 102010022611 B4 [0044]