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Die vorliegende Erfindung stellt eine magnetoresistive Erfassungsvorrichtung bereit.
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Stand der Technik
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Diese Erfindung betrifft das Feld integrierter Magnetometer und insbesondere eine Vorrichtung basierend auf magnetoresistiven Technologien (MR-Technologien), wie MR-Tunneling-Technologien.
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Magnetische Erfassungsvorrichtungen ermöglichen die Messung eines Magnetfelds von einer Vielzahl von Quellen, z. B. eines biomagnetischen Felds, des Erdmagnetfelds, eines elektrischen Stroms und von Magnetfeldern von Permanentmagneten. Magnetometer, die 3D-Erdmagnetfeldmessungen durchführen können, können einen absoluten Kurs bereitstellen und sind daher zu Schlüsselkomponenten für die Anwendung heutiger Außen-/Innennavigation und AR/VR-Vorrichtungen geworden.
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Eine der Designherausforderungen für Magnetsensoren zur 3D-Magnetfelderfassung liegt in dessen Fähigkeit, In-Plane-Magnetfelder und Out-of-Plane-Magnetfelder gleichzeitig zu messen. Typische MR-Sensoren wie anisotrope MR-Sensoren, Riesen-MR-Sensoren und Tunneling-MR-Sensoren können entweder In-Plane- oder Out-of-Plane-Komponenten eines an ein MR-Erfassungselement angelegten Magnetfelds detektieren.
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Es wurden verschiedene Technologien vorgeschlagen, um 3-Achsen-Erfassungselemente in einem einzigen Gehäuse zu integrieren. Ein Ansatz eines geneigten Substrats zur Umsetzung einer 3D-Magnetfeldmessung hat besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Strukturen, die als Hügel bezeichnet werden, sind im Grunde „hügelartige“ Strukturen, die auf einem planaren Substrat integriert sind, auf dessen Seiten die magnetempfindlichen Elemente konstruiert sind.
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Durch Konstruieren von MR-Erfassungselementen auf einem planaren und einem geneigten Substrat kann das In-Plane-Magnetfeld, d. h. entlang der X- und Y-Achse, durch Erfassungselemente, die auf sowohl dem planaren Substrat als auch dem geneigten Substrat konstruiert sind, gemessen werden, während das Out-of-Plane-Feld, d. h. entlang der Z-Achse, nur durch die Erfassungselemente, die auf dem geneigten Substrat konstruiert sind, gemessen werden kann. Daher bestimmt die Entkopplung des Übersprechens zwischen der gemessenen In-Plane- und Out-of-Plane-Komponente eines Magnetfelds die Genauigkeit eines Magnetsensors.
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Zum Erzielen einer 3-Achsen-Erfassung für ein 3D-Magnetfeld wurden MR-Magnetsensoren mit mindestens 3 Brückenschaltungen realisiert.
US 11,493,567 B2 beschreibt eine Magnetsensorvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten Chip, wobei der erste Chip einen ersten Magnetsensor aufweist und der zweite Chip einen zweiten und einen dritten Magnetsensor aufweist.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt eine magnetoresistive Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 bereit.
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Gemäß der Erfindung wird eine magnetoresistive Erfassungsvorrichtung bereitgestellt. Die magnetoresistive Erfassungsvorrichtung umfasst ein Substrat mit einer Referenzoberfläche; wobei die Referenzoberfläche eine erste Mehrzahl geneigter Oberflächen und eine zweite Mehrzahl geneigter Oberflächen umfasst, die sich jeweils entlang einer ersten Richtung orthogonal zu einer Normalenrichtung, die orthogonal zu den Referenzoberflächen ist, erstrecken, wobei jede Oberfläche in der ersten Mehrzahl geneigter Oberflächen einer Oberfläche in der zweiten Mehrzahl geneigter Oberflächen gegenüberliegt, wobei die erste Mehrzahl geneigter Oberflächen und die zweite Mehrzahl geneigter Oberflächen Neigungen relativ zu der Referenzoberfläche aufweisen; eine Mehrzahl von MR-Elementen mit einem Widerstand, wobei die Mehrzahl von MR-Elementen erste, zweite, dritte und vierte Arten von MR-Elementen umfassen, wobei für ein Magnetfeld in einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung und der Normalenrichtung der Widerstand der ersten und vierten Art von MR-Elementen zunimmt und der Widerstand der zweiten und dritten Art von MR-Elementen abnimmt, wobei für ein Magnetfeld in der Normalenrichtung der Widerstand der dritten und vierten Art von MR-Elementen zunimmt und der Widerstand der ersten und zweiten Art von MR-Elementen abnimmt; eine erste Brückenschaltung mit einem ersten Zweig und einem zweiten Zweig, wobei sowohl der erste Zweig als auch der zweite Zweig eine Reihenschaltung eines ersten Widerstands, eines zweiten Widerstands, eines dritten Widerstands und eines vierten Widerstands in dieser Reihenfolge aufweist, wobei für jeden der zwei Zweige eine erste Spannung zwischen dem ersten Widerstand und dem zweiten Widerstand bereitgestellt wird, eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Widerstand und dem dritten Widerstand bereitgestellt wird und eine dritte Spannung zwischen dem dritten Widerstand und dem vierten Widerstand bereitgestellt wird, wobei jeder der Widerstände mindestens eines der Mehrzahl von MR-Elementen derselben Art, angeordnet auf derselben der ersten und zweiten geneigten Oberflächen, umfasst, wobei MR-Elemente von mindestens zwei des ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstands auf gegenüberliegenden geneigten Oberflächen angeordnet sind.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung finden sich in den untergeordneten Ansprüchen.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine dritte Brücke durch eine intelligente Verbindung und Verteilung von MR-Elementen in Form einer Brückenschaltung zu ersetzen. Daher wird hier eine Wandlerlösung mit zwei Brücken mit gutem SNR und drei Frontend-Schaltungen beschrieben.
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Es versteht sich, dass die Neigung der ersten bis vierten geneigten Oberfläche eine ähnliche Neigung zu der Referenzfläche aufweisen, was bedeutet, dass ihr Neigungswinkel innerhalb von etwa 10 Grad gleich ist. Die erste bis vierte geneigte Oberfläche unterscheiden sich voneinander hinsichtlich ihrer Ausrichtung, wie oben beschrieben. Des Weiteren können die geneigten Oberflächen einen Hügel oder ein Tal bezüglich der Referenzoberfläche des Substrats bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Substrat eine dritte Mehrzahl geneigter Oberflächen und eine vierte Mehrzahl geneigter Oberflächen, die sich jeweils entlang einer zweiten Richtung orthogonal zu der ersten Richtung und der Normalenrichtung erstrecken, wobei die dritte Mehrzahl geneigter Oberflächen der vierten Mehrzahl geneigter Oberflächen gegenüberliegt, wobei die dritte Mehrzahl geneigter Oberflächen und die vierte Mehrzahl geneigter Oberflächen Neigungen relativ zu der Referenzoberfläche aufweisen; ferner umfassend: eine zweite Brücke mit einem ersten Zweig und dem zweiten Zweig, wobei sowohl der erste Zweig als auch der zweite Zweig eine Reihenschaltung eines ersten Widerstands, eines zweiten Widerstands, eines dritten Widerstands und eines vierten Widerstands in dieser Reihenfolge aufweisen, wobei für jeden der zwei Zweige eine erste Spannung zwischen dem ersten Widerstand und dem zweiten Widerstand bereitgestellt wird, eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Widerstand und dem dritten Widerstand bereitgestellt wird und eine dritte Spannung zwischen dem dritten Widerstand und dem vierten Widerstand bereitgestellt wird, wobei jeder der Widerstände mindestens eines der Mehrzahl von MR-Elementen derselben Art, angeordnet auf derselben der ersten und zweiten geneigten Oberflächen, umfasst, wobei MR-Elemente von mindestens zwei des ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstands auf gegenüberliegenden geneigten Oberflächen angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine Messung des Magnetfelds in der ersten Richtung mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mehrzahl von MR-Elementen als TMR-Elemente konfiguriert, wobei jedes TMR-Element eine magnetisierte Schicht mit einer festen Referenzmagnetisierungsrichtung und eine freie Schicht mit einer durch ein externes elektrisches Feld veränderbaren Magnetisierungsrichtung umfasst, wobei TMR-Elemente der ersten Art mit ihrer jeweiligen Referenzmagnetisierung parallel aufwärts eines Gradienten der Neigung der jeweiligen ersten oder dritten Mehrzahl geneigter Oberflächen magnetisiert sind, wobei TMR-Elemente der zweiten Art mit ihrer jeweiligen Referenzmagnetisierung parallel aufwärts eines Gradienten der Neigung der jeweiligen zweiten oder vierten Mehrzahl geneigter Oberflächen magnetisiert sind, und wobei TMR-Elemente einer dritten Art parallel abwärts des Gradienten der Neigung der jeweiligen ersten oder dritten Mehrzahl geneigter Oberflächen magnetisiert sind, wobei TMR-Elemente einer vierten Art mit ihrer jeweiligen Referenzmagnetisierung parallel abwärts eines Gradienten der Neigung der jeweiligen zweiten und vierten Mehrzahl geneigter Oberflächen magnetisiert sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind MR-Elemente jedes des ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstands auf derselben ersten, zweiten, dritten oder vierten Mehrzahl geneigter Oberflächen angeordnet, und wobei MR-Elemente von zwei des ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstands auf gegenüberliegenden geneigten Oberflächen angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet für jede der ersten Brückenschaltung die erste Spannung des ersten Zweigs eine positive Polarität eines ersten Differenzspannungssignals, wobei die erste Spannung des zweiten Zweigs eine negative Polarität des ersten Differenzspannungssignals bildet, wobei die dritte Spannung des ersten Zweigs eine negative Polarität eines zweiten Differenzspannungssignals bildet und die dritte Spannung des zweiten Zweigs eine positive Polarität des zweiten Differenzspannungssignals bildet, wobei die zweite Spannung des ersten Zweigs eine positive Polarität eines dritten Differenzspannungssignals bildet und die zweite Spannung des zweiten Zweigs eine negative Polarität des dritten Differenzspannungssignals bildet, wobei für jede der zweiten Brückenschaltung die erste Spannung des ersten Zweigs eine positive Polarität eines vierten Differenzspannungssignals bildet und die erste Spannung des zweiten Zweigs eine negative Polarität des vierten Differenzspannungssignals bildet und die dritte Spannung des ersten Zweigs eine negative Polarität eines fünften Differenzspannungssignals bildet und die dritte Spannung des zweiten Zweigs eine positive Polarität des fünften Differenzspannungssignals bildet,
wobei die zweite Spannung des ersten Zweigs eine positive Polarität eines sechsten Differenzspannungssignals bildet und die zweite Spannung des zweiten Zweigs eine negative Polarität des sechsten Differenzspannungssignals bildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind für die ersten und zweiten Brückenschaltungen MR-Elemente des zweiten Widerstands des ersten Zweigs und des vierten Widerstands des zweiten Zweigs von der ersten Art, MR-Elemente des ersten Widerstands des ersten Zweigs und des dritten Widerstands des zweiten Zweigs sind von der zweiten Art, MR-Elemente des vierten Widerstands des ersten Zweigs und des zweiten Widerstands des zweiten Zweigs sind von der dritten Art und MR-Elemente des dritten Widerstands des ersten Zweigs und des ersten Widerstands des zweiten Zweigs sind von der vierten Art.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das zweite Differenzspannungssignal zu dem ersten Differenzspannungssignal addiert, um eine Differenzspannungs-X-Ausgabe bereitzustellen; wobei das fünfte Differenzspannungssignal zu dem vierten Differenzspannungssignal addiert wird, um eine Differenzspannungs-Y-Ausgabe bereitzustellen; wobei das sechste Differenzspannungssignal zu dem dritten Differenzspannungssignal addiert wird, um eine erste Z-Differenzausgabe zu bilden. Auf diese Weise lässt sich ein Wert des Magnetfelds in der ersten und zweiten Richtung ableiten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das erste und zweite Differenzspannungssignal parallel durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern verstärkt, um jeweilige erste und zweite Differenzstromsignale bereitzustellen, wobei das erste Differenzstromsignal zu dem zweiten Differenzstromsignal addiert wird, um eine Differenzstrom-X-Ausgabe bereitzustellen, wobei die Differenzstrom-X-Ausgabe durch einen Transwiderstandverstärker verstärkt wird, um die Differenzspannungs-X-Ausgabe bereitzustellen. Addieren der Ströme anstelle der Spannungen ist einfacher zuverlässiger und liefert regelmäßig genauere addierte Signale.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das vierte und fünfte Differenzspannungssignal parallel durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern verstärkt, um jeweilige vierte und fünfte Differenzstromsignale bereitzustellen, wobei das vierte Differenzstromsignal zu dem fünften Differenzstromsignal addiert wird, um eine Differenzstrom-Y-Ausgabe bereitzustellen, wobei die Differenzstrom-Y-Ausgabe durch einen Transwiderstandverstärker verstärkt wird, um die Differenzspannungs-Y-Ausgabe bereitzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das dritte und sechste Differenzspannungssignal durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern verstärkt, um jeweilige dritte und sechste Differenzstromsignale bereitzustellen, wobei das dritte Differenzstromsignal zu dem sechsten Differenzstromsignal addiert wird, um eine erste Differenzstrom-Z-Ausgabe bereitzustellen, wobei die Differenzstrom-Z-Ausgabe durch einen Transwiderstandverstärker verstärkt wird, um die erste Differenzspannungs-Z-Ausgabe bereitzustellen. Auf diese Weise lässt sich ein Wert des Magnetfelds in der Normalenrichtung ableiten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die magnetoresistive Erfassungsvorrichtung ferner einen ersten Schalter, ausgelegt zum Schalten zwischen dem ersten, dritten und vierten Differenzspannungssignal, einen zweiten Schalter, ausgelegt zum Schalten zwischen dem zweiten, fünften und sechsten Signal und eine Steuerung, ausgelegt zum Steuern des ersten und zweiten Schalters zum Zeitmultiplexen zwischen der Differenzspannungs-X-Ausgabe, der Differenzspannungs-Y-Ausgabe und der ersten Differenzspannungs-Z-Ausgabe über dasselbe Paar von Transkonduktanzverstärkern und Transwiderstandverstärkern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das zweite Differenzspannungssignal von dem ersten Signal subtrahiert, um eine zweite Differenzspannungs-Z-Ausgabe bereitzustellen, wobei das dritte Differenzspannungssignal von dem vierten Differenzspannungssignal subtrahiert wird, um eine dritte Differenzspannungs-Z-Ausgabe bereitzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das erste und zweite Differenzspannungssignal parallel durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern verstärkt, um jeweilige erste und zweite Differenzstromsignale bereitzustellen, wobei das zweite Differenzstromsignal von dem ersten Differenzstromsignal subtrahiert wird, um eine zweite Differenzstrom-Z-Ausgabe bereitzustellen, wobei die zweite Differenzstrom-Z-Ausgabe durch einen Transwiderstandverstärker verstärkt wird, um die zweite Differenzspannungs-Z-Ausgabe bereitzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das vierte und fünfte Differenzspannungssignal parallel durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern verstärkt, um jeweilige vierte und fünfte Differenzstromsignale bereitzustellen, wobei das fünfte Differenzstromsignal von dem vierten Differenzstromsignal subtrahiert wird, um eine dritte Differenzstrom-Z-Ausgabe bereitzustellen, wobei die dritte Differenzstrom-Z-Ausgabe durch einen Transwiderstandverstärker verstärkt wird, um die dritte Differenzspannungs-Z-Ausgabe bereitzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind für die erste Brückenschaltung MR-Elemente des vierten Widerstands des ersten Zweigs und MR-Elemente des zweiten Widerstands des zweiten Zweigs von der ersten Art, MR-Elemente des ersten Widerstands des ersten Zweigs und MR-Elemente des dritten Widerstands des zweiten Zweigs sind von der zweiten Art, MR-Elemente des vierten Widerstands des ersten Zweigs und MR-Elemente des vierten Widerstands des zweiten Zweigs sind von der dritten Art und MR-Elemente des dritten Widerstands des ersten Zweigs und MR-Elemente des ersten Widerstands des zweiten Zweigs sind von der vierten Art, wobei für die zweite Brückenschaltung MR-Elemente des dritten Widerstands des ersten Zweigs und MR-Elemente des ersten Widerstands des zweiten Zweigs von der ersten Art sind, MR-Elemente des zweiten Widerstands des ersten Zweigs und MR-Elemente des vierten Widerstands des zweiten Zweigs von der zweiten Art sind, MR-Elemente des ersten Widerstands des ersten Zweigs und MR-Elemente des dritten Widerstands des zweiten Zweigs von der dritten Art sind und MR-Elemente des vierten Widerstands des ersten Zweigs und MR-Elemente des zweiten Widerstands des zweiten Zweigs von der vierten Art sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das dritte Differenzspannungssignal durch einen Transkonduktanzverstärker verstärkt, um ein drittes Differenzstromsignal bereitzustellen, wobei das dritte Differenzstromsignal durch einen Transwiderstandverstärker verstärkt wird, um eine Differenzspannungs-X-Ausgabe bereitzustellen, wobei das sechste Differenzspannungssignal parallel durch einen Transkonduktanzverstärker verstärkt wird, um ein sechstes Differenzstromsignal bereitzustellen, wobei das sechste Differenzstromsignal durch einen Transwiderstandverstärker verstärkt wird, um eine Differenzspannungs-Y-Ausgabe bereitzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das zweite Differenzspannungssignal zu dem ersten Differenzspannungssignal addiert, und das vierte und fünfte Differenzspannungssignal werden von den ersten Spannungssignalen subtrahiert, um eine Differenzspannungs-Z-Ausgabe bereitzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden das erste, zweite, vierte und fünfte Differenzspannungssignal parallel durch jeweilige Transkonduktanzverstärker verstärkt, um jeweilige erste, zweite, vierte und fünfte Differenzstromsignale bereitzustellen, wobei das zweite Differenzstromsignal zu dem ersten Differenzstromsignal addiert wird und das vierte und fünfte Differenzspannungssignal von dem ersten Differenzstromsignal subtrahiert werden, um eine Differenzstrom-Z-Ausgabe bereitzustellen, wobei die Differenzstrom-Z-Ausgabe durch einen Transwiderstandverstärker verstärkt wird, um die Differenzspannungs-Z-Ausgabe bereitzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens einer der ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstände des ersten und zweiten Zweigs der ersten und zweiten Brückenschaltungen eine Mehrzahl von MR-Elementen, wobei die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht einer abgerundeten Hälfte der MR-Elemente desselben Widerstands der Richtung der Magnetisierung der freien Schicht der anderen abgerundeten Hälfte der MR-Elemente desselben Widerstands entgegengesetzt ist. Dadurch nimmt die Genauigkeit der Messung zu, da ein von den freien Schichten stammendes Rauschen kompensiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die magnetoresistive Erfassungsvorrichtung ferner eine dritte Brückenschaltung und eine vierte Brückenschaltung, wobei die dritte Brückenschaltung identisch mit der ersten Brückenschaltung ist, jedoch MR-Elemente mit entgegengesetzter Magnetisierung der freien Schicht der jeweiligen TMR-Elemente aufweist, wobei die vierte Brückenschaltung identisch mit der zweiten Brückenschaltung ist, jedoch MR-Elemente mit entgegengesetzter Magnetisierung der freien Schicht der jeweiligen MR-Elemente aufweist. Dadurch nimmt die Genauigkeit der Messung zu, da ein von den freien Schichten stammendes Rauschen kompensiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Substrat eine Mehrzahl von Hügeln oder Tälern einschließlich einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, oder einer dritten Oberfläche und einer vierten Oberfläche, die einander gegenüberliegen, wobei MR-Elemente benachbarter Widerstände auf demselben Hügel oder Tal angeordnet sind. Dadurch wird die Flexibilität der Vorrichtung, auf verschiedene Arten von Substraten angewendet zu werden, erhöht.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und weitere Entwicklungen ergeben sich aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es folgt eine spezifischere Erläuterung der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der Ausführungsbeispiele, die in den schematischen Figuren angegeben sind, in denen Folgendes gilt:
- 1A-B zeigen eine schematische Darstellung von MR-Elementen einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2A-D zeigen eine schematische Darstellung von MR-Elementen einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4A-B zeigen eine schematische Darstellung von Brückenschaltungen einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 10A-B zeigen eine schematische Darstellung von Brückenschaltungen einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
- 12 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnung sind Elemente, Merkmale und Komponenten, die gleich sind, die gleiche Funktion haben und die gleiche Wirkung haben, jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen - sofern nichts anderes erläutert wird.
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1A-B zeigen eine schematische Darstellung von MR-Elementen einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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in 1A ist ein Substrat 2 mit einer Referenzoberfläche 2a gezeigt. Die Referenzoberfläche 2a umfasst eine erste Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1 und eine zweite Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a2, die sich jeweils entlang einer ersten Richtung Y orthogonal zu einer Normalenrichtung Z, die orthogonal zu der Referenzoberfläche 2a ist, erstrecken, wie in 1B zu sehen ist. Jede Oberfläche in der ersten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1 liegt einer Oberfläche in der zweiten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a2 gegenüber.Die erste Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1 und die zweite Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a2 weisen Neigungen I relativ zu der Referenzoberfläche 2a auf.
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Es versteht sich, dass die erste und zweite geneigte Oberfläche 2a1, 2a2 eine ähnliche Neigung I zu der Referenzfläche 2a aufweisen, was bedeutet, dass ihr Neigungswinkel θ innerhalb von etwa 10 Grad gleich ist. Der Neigungswinkel θ kann einen beliebigen Wert zwischen etwa 10° und 80° aufweisen und beträgt vorzugsweise etwa 30°. Die erste und zweite geneigte Oberfläche 2a1, 2a2 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Ausrichtung, da diese einander gegenüberliegen, wie oben beschrieben. Obgleich die erste und zweite geneigte Oberfläche 2a1, 2a2 als Hügel in Bezug auf die Referenzoberfläche 2a gezeigt sind, können erste und zweite geneigte Oberfläche 2a1, 2a2 in weiteren Ausführungsformen ein Tal in Bezug auf die Referenzoberfläche 2a bilden. Diese Eigenschaften gelten auch für die dritte und vierte geneigte Oberfläche 2a3, 2a4, die in der folgenden 2A vorgestellt werden.
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in 1B ist ferner gezeigt, dass magnetoresistive bzw. MR-Elemente 3 auf der ersten und zweiten geneigten Oberfläche 2a, 2b angeordnet sind.
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2A-D zeigen eine schematische Darstellung von MR-Elementen einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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in 2A und 2B ist gezeigt, dass das Substrat 2 eine dritte Mehrzahl geneigter Oberflächen 3a3 und eine vierte Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a4 umfasst, die sich jeweils entlang einer zweiten Richtung X orthogonal zur ersten Richtung Y und der Normalenrichtung Z erstrecken. Die dritte Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a3 liegt der vierten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a4 gegenüber, wobei die dritte Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a3 und die vierte Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a4 Neigungen I relativ zur Referenzoberfläche 2a aufweisen.
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in 2C und 2D ist gezeigt, dass das Substrat 2 eine erste Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1 und eine zweite Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a2 umfasst, die sich jeweils entlang einer ersten Richtung Y orthogonal zur zweiten Richtung X und der Normalenrichtung Z erstrecken. Die erste Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1 liegt der zweiten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a2 gegenüber. Die erste Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1 und die zweite Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a2 weisen Neigungen I relativ zu der Referenzoberfläche 2a auf.
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Eine Mehrzahl von MR-Elementen 3 mit einem Widerstand umfasst erste, zweite, dritte und vierte Arten von MR-Elementen. Für ein Magnetfeld in einer zweiten Richtung X orthogonal zu der ersten Richtung Y und der Normalenrichtung Z nimmt der Widerstand der ersten bis vierten Art 3a1, 3b2 von MR-Elementen 3 zu, und der Widerstand der zweiten und dritten Art 3a1, 3b2 von MR-Elementen 3 nimmt ab. Für ein Magnetfeld in der Normalenrichtung Z nimmt der Widerstand der dritten und vierten Art 3b1, 3b2 von MR-Elementen 3 zu, und der Widerstand der ersten und zweiten Art 3a1, 3b2 von MR-Elementen 3 nimmt ab.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Mehrzahl von MR-Elementen 3 als TMR-Elemente konfiguriert. Jedes TMR-Element 3 umfasst eine magnetisierte Schicht mit einer festen Referenzmagnetisierungsrichtung Mref und einer freien Schicht mit einer durch ein externes elektrisches Feld veränderbaren Magnetisierungsrichtung.
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TMR-Elemente der ersten Art 3a1 sind mit ihrer jeweiligen Referenzmagnetisierung Mref parallel aufwärts eines Gradienten der Neigung I der jeweiligen ersten oder dritten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1, 2a3 magnetisiert, wobei TMR-Elemente der zweiten Art 3a2 mit ihrer jeweiligen Referenzmagnetisierung Mref parallel aufwärts eines Gradienten der Neigung I der jeweiligen zweiten oder vierten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a2, 2a4 magnetisiert sind, und wobei TMR-Elemente einer dritten Art 3b1 parallel abwärts des Gradienten der Neigung I der jeweiligen ersten oder dritten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1, 2a3 magnetisiert sind, wobei TMR-Elemente einer vierten Art 3b2 mit ihrer jeweiligen Referenzmagnetisierung Mref parallel abwärts eines Gradienten der Neigung I der jeweiligen zweiten und vierten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a2, 2a4 magnetisiert sind.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine erste Brückenschaltung 4, die einen ersten Zweig 4a und einen zweiten Zweig 4b aufweist. Sowohl der erste Zweig 4a als auch der zweite Zweig 4b weist eine Reihenschaltung eines ersten Widerstands 4a1, 4b1, eines zweiten Widerstands 4a2, 4b2, eines dritten Widerstands 4a3, 4b3 und eines vierten Widerstands 4a4, 4b4 in dieser Reihenfolge auf.
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MR-Elemente 3 jedes der ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstände 4a1-4a4, 4b1-4b4, 5a1-5a4, 5b1-5b4 sind auf derselben der ersten, zweiten, dritten und vierten Mehrzahl geneigter Oberflächen 2a1-2a4 angeordnet. MR-Elemente von zwei der ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstände 4a1-4, 4b1-4, 5a1-4, 5b1-5 sind auf einer gegenüberliegenden geneigten Oberfläche 2a1-2a4 angeordnet.
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Der erste Widerstand 4a1, 4b1 jedes Zweigs 4a, 4b ist mit der Stromversorgung VTMR verbunden. Der vierte Widerstand 4a4, 4b4 jedes Zweigs ist mit Masse GND verbunden.
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4A-B zeigen eine schematische Darstellung von Brückenschaltungen einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In 4A sind MR-Elemente 3 von mindestens zwei der ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstände 4a1-4a4, 4b1-4b4 auf gegenüberliegenden geneigten Oberflächen 2a3, 2a4 angeordnet.
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Jeder der Widerstände 4a1-4a4, 4b1-4b4 umfasst mindestens eines der Mehrzahl von MR-Elementen 3 derselben Art 3a1, 3a2, 3b1, 3b2, angeordnet auf derselben der ersten und zweiten geneigten Oberfläche 2a1-2a2.
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Für jeden der zwei Zweige 4a, 4b wird eine erste Spannung 4aV1, 4bV1 zwischen dem ersten Widerstand 4a1, 4b1 und dem zweiten Widerstand 4a2, 4b2 bereitgestellt, eine zweite Spannung 4aV2, 4bV2 zwischen dem zweiten Widerstand 4a2, 4b2 und dem dritten Widerstand 4a3, 4b3 bereitgestellt und eine dritte Spannung 4aV3, 4bV3 zwischen dem dritten Widerstand 4a3, 4b3 und dem vierten Widerstand 4a4, 4b4 bereitgestellt.
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Für jede erste Brückenschaltung 4 ist der erste Widerstand 4a1, 4b1 jedes Zweigs 4a, 4b mit der Stromversorgung VTMR verbunden, wobei der vierte Widerstand 4a4, 4b4 jedes Zweigs mit Masse GND verbunden ist.
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In 4B, eine zweite Brückenschaltung 5 mit einem ersten Zweig 5a und einem zweiten Zweig 5b, wobei sowohl der erste Zweig 5a als auch der zweite Zweig 5b eine Reihenschaltung eines ersten Widerstands 5a1, 5b1, eines zweiten Widerstands 5a2, 5b2, eines dritten Widerstands 5a3, 5b3 und eines vierten Widerstands 5a4, 5b4 in dieser Reihenfolge aufweist.
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Für die in 4B gezeigte zweite Brückenschaltung 5 sind MR-Elemente 3 von mindestens zwei der ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstände 5a1-5a4, 5b1-5b4 auf gegenüberliegenden geneigten Oberflächen 2a1, 2a2 angeordnet.
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Für jeden der zwei Zweige 5a, 5b wird eine erste Spannung 5aV1, 5bV1 zwischen dem ersten Widerstand 5a1, 5b1 und dem zweiten Widerstand 5a2, 5b2 bereitgestellt, eine zweite Spannung 5aV2, 5bV2 zwischen dem zweiten Widerstand 5a2, 5b2 und dem dritten Widerstand 5a3, 5b3 bereitgestellt und eine dritte Spannung 5aV3, 5bV3 zwischen dem dritten Widerstand 5a3, 5b3 und dem vierten Widerstand 5a4, 5b4 bereitgestellt.
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Jeder der Widerstände 5a1-5a4, 5b1-5b4 umfasst mindestens eines der Mehrzahl von MR-Elementen 3 derselben Art 3a1, 3a2, 3b1, 3b2, angeordnet auf derselben der dritten und vierten Mehrzahl geneigter Oberfläche 2a3-2a4.
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Für jede zweite Brückenschaltung 5 ist der erste Widerstand 5a1, 5b1 jedes Zweigs 4a, 4b mit der Stromversorgung VTMR verbunden, wobei der vierte Widerstand 4a4, 4b4 jedes Zweigs mit Masse GND verbunden ist.
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Für sowohl die erste als auch die zweite Brückenschaltung 4, 5 sind MR-Elemente des zweiten Widerstands 4a2, 5a2 des ersten Zweigs 4a, 5a und des vierten Widerstands 4b4, 5b4 des zweiten Zweigs 4b, 5b von der ersten Art 3a, MR-Elemente des ersten Widerstands 4a1, 5a1 des ersten Zweigs 4a, 5a und des dritten Widerstands 4b3, 5b3 des zweiten Zweigs 4b, 5b sind von der zweiten Art 3a2, MR-Elemente des vierten Widerstands 4a4, 5a4 des ersten Zweigs 4a, 5a und des zweiten Widerstands 4b2, 5b2 des zweiten Zweigs 4b, 5b sind von der dritten Art 3b1 und MR-Elemente des dritten Widerstands 4a1, 5a1 des ersten Zweigs 4a, 5a und des ersten Widerstands 4b3, 5b3 des zweiten Zweigs 4b, 5b sind von der vierten Art 3b2.
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Insbesondere sind für die erste und zweite Brückenschaltung 4, 5 MR-Elemente des zweiten Widerstands 4a2, 5a2 des ersten Zweigs 4a, 5a und des vierten Widerstands 4b4, 5b4 des zweiten Zweigs 4b, 5b von der ersten Art 3a1, MR-Elemente des ersten Widerstands 4a1, 5a1 des ersten Zweigs 4a, 5a und des dritten Widerstands 4b3, 5b3 des zweiten Zweigs 4b, 5b sind von der zweiten Art 3a2, MR-Elemente des vierten Widerstands 4a4, 5a4 des ersten Zweigs 4a, 5a und des zweiten Widerstands 4b2, 5b2 des zweiten Zweigs 4b, 5b sind von der dritten Art 3b1 und MR-Elemente des dritten Widerstands 4a1, 5a1 des ersten Zweigs 4a, 5a und des ersten Widerstands 4b3, 5b3 des zweiten Zweigs 4b, 5b sind von der vierten Art 3b2.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Für jede der ersten Brückenschaltung 4 bildet die erste Spannung 4aV1 des ersten Zweigs 4a eine positive Polarität eines ersten Differenzspannungssignals SV1. Die erste Spannung 4bV1 des zweiten Zweigs 4a bildet eine negative Polarität des ersten Differenzspannungssignals SV1. Die dritte Spannung 4aV3 des ersten Zweigs 4a bildet eine negative Polarität eines zweiten Differenzspannungssignals SV2 und die dritte Spannung 4bV3 des zweiten Zweigs 4b bildet eine positive Polarität des zweiten Differenzspannungssignals SV2.
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In dieser Ausführungsform wird das zweite Differenzspannungssignal SV2 zu dem ersten Differenzspannungssignal SV1 addiert, um eine Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX bereitzustellen.
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Insbesondere werden das erste und zweite Differenzspannungssignal SV1, SV2 parallel durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern A1, A2 verstärkt, um jeweilige erste und zweite Differenzstromsignale SI1, SI2 bereitzustellen. Das erste Differenzstromsignal SI1 wird zu dem zweiten Differenzstromsignal SI2 addiert, um eine Differenzstrom-X-Ausgabe DIX bereitzustellen, wobei die Differenzstrom-X-Ausgabe DIX durch einen Transwiderstandverstärker B verstärkt wird, um die Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX bereitzustellen.
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Für den ersten Verstärkungsschritt werden die Spannungen somit in Ströme zur Addition umgewandelt. Dafür wird die erste Spannung 4aV1 des ersten Zweigs 4a der ersten Brückenschaltung 4 als die positive Polarität des ersten Differenzspannungssignals SV1 durch eine positive Polarität eines ersten Transkonduktanzverstärkers A1 des Paars von Transkonduktanzverstärkern A1, A2 verstärkt, um einen verstärkten ersten Strom 4al1 bereitzustellen. Die erste Spannung 4baV1 des zweiten Zweigs 4b der ersten Brückenschaltung 4 wird als die negative Polarität des ersten Differenzspannungssignals SV1 durch eine negative Polarität des ersten Transkonduktanzverstärkers A1 verstärkt, um einen verstärkten ersten Strom 4bI1 bereitzustellen. Die ersten verstärkten Ströme 4al1, 4bI1 bilden somit das erste Differenzstromsignal SI1.
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Gleichermaßen wird die dritte Spannung 4aV3 des zweiten Zweigs 4b der ersten Brückenschaltung 4 als die positive Polarität des zweiten Differenzspannungssignals SV2 durch eine positive Polarität eines zweiten Transkonduktanzverstärkers A2 des Paars von Transkonduktanzverstärkern A1, A2 verstärkt, um einen verstärkten dritten Strom 4bl3 bereitzustellen. Die dritte Spannung 4baV3 des ersten Zweigs 4a der ersten Brückenschaltung 4 wird als die negative Polarität des zweiten Differenzspannungssignals SV2 durch eine negative Polarität des zweiten Transkonduktanzverstärkers A2 verstärkt, um einen verstärkten dritten Strom 4bl3 bereitzustellen. Die dritten verstärkten Ströme 4aI3, 4bl3 bilden somit das zweite Differenzstromsignal SI2.
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Die Addition des ersten und zweiten Differenzstromsignals SI1, SI2 wird dadurch erreicht, dass ihre positiven Polaritäten, d. h. der erste verstärkte Strom 4al1 und der dritte verstärkt Strom 4bI3, in Knoten NXa addiert werden, um einen ersten addierten Strom DIXa bereitzustellen, und der erste verstärkte Strom 4bI1 und der dritte verstärkt Strom 4al3 in Knoten NXb addiert werden, um einen zweiten addierten Strom DIXb bereitzustellen. Der erste und zweite Strom DIXa, DIXb bilden somit die Differenzstrom-X-Ausgabe DIX.
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Im zweiten Verstärkungsschritt werden die addierten Ströme DIXa, DIXb der Differenzstrom-X-Ausgabe DIX zurück in eine Differenzspannung umgewandelt. Dafür wird der erste addierte Strom DIXa durch eine positive Polarität des Transwiderstandverstärkers B, der einen ersten Widerstand Ra umfasst, verstärkt, um eine erste verstärkte X-Spannung DVXa bereitzustellen. Der zweite addierte Strom DIXb durch eine negative Polarität des Transwiderstandverstärkers B, der einen zweiten Widerstand Rb umfasst, verstärkt, um eine zweite verstärkte X-Spannung DVXb bereitzustellen. Die erste und zweite verstärkte X-Spannung DVXa und DVXb bilden die Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX.
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Es versteht sich, dass eine Differenz einer jeweiligen Verstärkung des ersten und zweiten Transkonduktanzverstärkers A1, A2 sehr klein ist, vorzugsweise kleiner als 1 %. Des Weiteren wird die Verstärkung des Transwiderstandverstärkers B in beiden Polaritäten durch den ersten und zweiten Widerstand Ra und Rb bestimmt und ist sehr klein, vorzugsweise jeweils kleiner als 1 %.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Für die zweite Brückenschaltung 5 bildet die erste Spannung 5aV1 des ersten Zweigs 5a eine positive Polarität eines vierten Differenzspannungssignals SV4 und die erste Spannung 5bV1 des zweiten Zweigs 5b bildet eine negative Polarität des vierten Differenzspannungssignals SV4. Des Weiteren bildet die dritte Spannung 5aV3 des ersten Zweigs 5a eine negative Polarität eines fünften Differenzspannungssignals SV5, und die dritte Spannung 5bV3 des zweiten Zweigs 5b bildet eine positive Polarität des fünften Differenzspannungssignals SV5.
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Das fünfte Differenzspannungssignal SV5 wird zu dem vierten Differenzspannungssignal SV4 addiert, um eine Differenzspannungs-Y-Ausgabe DVY bereitzustellen.
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Insbesondere werden das vierte und fünfte Differenzspannungssignal SV4, SV5 parallel durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern A1, A2 verstärkt, um jeweilige vierte und fünfte Differenzstromsignale SI4, SI5 bereitzustellen, wobei das vierte Differenzstromsignal SI4 zu dem fünften Differenzstromsignal SI5 addiert wird, um eine Differenzstrom-Y-Ausgabe DIY bereitzustellen, wobei die Differenzstrom-Y-Ausgabe DIY durch einen Transwiderstandverstärker B verstärkt wird, um die Differenzspannungs-Y-Ausgabe DVY bereitzustellen.
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Die Verstärkung und Addition des vierten und fünften Differenzspannungssignals SV4, SV5 zum Erreichen der Differenzspannungs-Y-Ausgabe DVY erfolgt analog zu der Verstärkung und Addition des ersten und zweiten Differenzspannungssignals SV1, SV2 zum Erreichen der Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX, wie oben in Bezug auf 5 beschrieben. Die einbezogenen Spannungen und Ströme lassen sich direkt von 6 abziehen.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Die zweite Spannung 4aV2 des ersten Zweigs 4a bildet eine positive Polarität eines dritten Differenzspannungssignals SV3 und die zweite Spannung 4bV2 des zweiten Zweigs 5b bildet eine negative Polarität des dritten Differenzspannungssignals SV3.
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Für jede der zweiten Brückenschaltung 5 bildet die zweite Spannung 5aV2 des ersten Zweigs 5b eine positive Polarität eines sechsten Differenzspannungssignals SV6, und die zweite Spannung 5bV2 des zweiten Zweigs 5b bildet eine negative Polarität des vierten Differenzspannungssignals SV6.
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Das sechste Differenzspannungssignal SV6 wird zu dem dritten Differenzspannungssignal SV6 addiert, um eine erste Differenzspannungs-Z-Ausgabe DZ1 bereitzustellen.
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Das dritte und sechste Differenzspannungssignal SV3, SV6 werden durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern A1, A2 verstärkt, um jeweilige dritte und sechste Differenzstromsignale SI3, SI6 bereitzustellen, wobei das dritte Differenzstromsignal SI3 zu dem sechsten Differenzstromsignal SI6 addiert wird, um eine erste Differenzstrom-Z-Ausgabe DIZ1 bereitzustellen, wobei die erste Differenzstrom-Z-Ausgabe DIZ1 durch einen Transwiderstandverstärker B verstärkt wird, um die erste Differenzspannungs-Z-Ausgabe DZ1 bereitzustellen.
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Die Verstärkung und Addition des dritten und sechsten Differenzspannungssignals SV3, SV6 zum Erreichen der Differenzspannungs-Z-Ausgabe DVZ1 erfolgt analog zu der Verstärkung und Addition des ersten und zweiten Differenzspannungssignals SV1, SV2 zum Erreichen der Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX, wie oben in Bezug auf 5 beschrieben. Die einbezogenen Spannungen und Ströme lassen sich direkt von 7 abziehen.
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Obgleich die Ausführungsformen von 5 bis 7 unter Verwendung separater Schaltungen und Geräte beschrieben wurden, lassen sich die Frontends zum Bereitstellen der Differenzspannungs-X-, Y- und Z-Ausgabe mit nur einer Verstärkungsschaltung erreichen. In diesen Ausführungsformen umfasst das Frontend der magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung ferner einen ersten Schalter (nicht gezeigt), ausgelegt zum Schalten zwischen dem ersten, vierten und dritten Differenzspannungssignal SV1, SV4, SV3, einen zweiten Schalter (nicht gezeigt), ausgelegt zum Schalten zwischen dem zweiten, fünften und sechsten Signal SV2, SV5, SV6, und eine Steuerung, ausgelegt zum Steuern des ersten und zweiten Schalters zum Zeitmultiplexen zwischen der Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX, der Differenzspannungs-Y-Ausgabe DVY und der ersten Differenzspannungs-Z-Ausgabe DVZ1 über dasselbe Paar von Transkonduktanzverstärkern A1, A2 und Transwiderstandverstärkern B.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In dieser Ausführungsform wird das zweite Differenzspannungssignal SV2 von dem ersten Signal SV1 subtrahiert, um eine zweite Differenzspannungs- Z-Ausgabe DZ2 bereitzustellen.
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Dafür werden das erste und zweite Differenzspannungssignal SV1, SV2 durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern A1, A2 parallel verstärkt, um jeweilige erste und zweite Differenzstromsignale SI1, SI2 bereitzustellen, wobei das zweite Differenzstromsignal SI2 von dem ersten Differenzstromsignal SI1 subtrahiert wird, um eine zweite Differenzstrom-Z-Ausgabe DIZ2 bereitzustellen, wobei die zweite Differenzstrom-Z-Ausgabe DIZ2 durch einen Transwiderstandverstärker B verstärkt wird, um die zweite Differenzspannungs-Z-Ausgabe DZ2 bereitzustellen.
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Die Verstärkung und Addition des ersten und zweiten Differenzspannungssignals SV1, SV2 zum Erreichen der zweiten Differenzspannungs-Z-Ausgabe DVZ2 erfolgt analog zu der Verstärkung und Addition des ersten und zweiten Differenzspannungssignals SV1, SV2 zum Erreichen der Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX, wie oben in Bezug auf 5 beschrieben, mit der Ausnahme, dass für die Subtraktion der erste verstärkte Strom 4aI1 und der dritte verstärkte Strom 4al3 in Knoten NZ2a addiert werden, um einen ersten addierten Strom DIZ2a bereitzustellen, und der erste verstärkte Strom 4bI1 und der dritte verstärkte Strom 4bI3 in Knoten NZ2b addiert werden, um einen zweiten addierten Strom DIZ2b bereitzustellen. Die verbleibenden einbezogenen Spannungen und Ströme lassen sich direkt von 8 abziehen.
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9 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In dieser Ausführungsform wird das dritte Differenzspannungssignal SV3 von dem vierten Differenzspannungssignal SV4 subtrahiert, um eine dritte Differenzspannungs- Z-Ausgabe DZ3 bereitzustellen.
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Das vierte und fünfte Differenzspannungssignal SV4, SV5 werden durch ein Paar von Transkonduktanzverstärkern A1, A2 parallel verstärkt, um jeweilige vierte und fünfte Differenzstromsignale SI4, SI5 bereitzustellen, wobei das fünfte Differenzstromsignal SI5 von dem vierten Differenzstromsignal SI4 subtrahiert wird, um eine dritte Differenzstrom-Z-Ausgabe DIZ3 bereitzustellen, wobei die dritte Differenzstrom-Z-Ausgabe DIZ3 durch einen Transwiderstandverstärker B verstärkt wird, um die dritte Differenzspannungs-Z-Ausgabe DZ3 bereitzustellen.
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Die Verstärkung und Subtraktion des vierten und fünften Differenzspannungssignals SV4, SV5 zum Erreichen der dritten Differenzspannungs-Z-Ausgabe DZ3 erfolgt analog zu der Verstärkung und Subtraktion des ersten und zweiten Differenzspannungssignals SV1, SV2 zum Erreichen der zweiten Differenzspannungs-Z-Ausgabe DZ2 wie oben in Bezug auf 8 beschrieben. Die einbezogenen Spannungen und Ströme lassen sich direkt von 9 abziehen.
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10A-B zeigen eine schematische Darstellung von Brückenschaltungen einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Diese Ausführungsform einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung basiert auf den unter Bezugnahme auf 4 und 5 gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen. In dieser alternativen Ausführungsform unterscheidet sich jedoch die Anordnung der MR-Elemente von der unter Bezugnahme auf 4 und 5 beschriebenen Ausführungsform.
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in 10 A ist die erste Brückenschaltung 5 dieser alternativen Ausführungsform gezeigt. Für die erste Brückenschaltung 4 sind MR-Elemente des vierten Widerstands 4a4 des ersten Zweigs 4a und MR-Elemente des zweiten Widerstands 4b2 des zweiten Zweigs 4b von der ersten Art 3a1, MR-Elemente des ersten Widerstands 4a1 des ersten Zweigs 4a und MR-Elemente des dritten Widerstands 4b3 des zweiten Zweigs 4b sind von der zweiten Art 3a2, MR-Elemente des zweiten Widerstands 4a2 des ersten Zweigs 4a und MR-Elemente des vierten Widerstands 4b4 des zweiten Zweigs 4b sind von der dritten Art 3b1 und MR-Elemente des dritten Widerstands 4a3 des ersten Zweigs 4a und MR-Elemente des ersten Widerstands 4b1 des zweiten Zweigs 4b sind von der vierten Art 3b2.
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In 10B ist die zweite Brückenschaltung 5 gezeigt. Für die zweite Brückenschaltung 5 sind MR-Elemente des dritten Widerstands 5a3 des ersten Zweigs 5a und MR-Elemente des ersten Widerstands 5b1 des zweiten Zweigs 5b von der ersten Art 3a1, MR-Elemente des zweiten Widerstands 5a2 des ersten Zweigs 5a und MR-Elemente des vierten Widerstands 5b4 des zweiten Zweigs 5b sind von der zweiten Art 3a2, MR-Elemente des ersten Widerstands 5a1 des ersten Zweigs 5a und MR-Elemente des dritten Widerstands 5b3 des zweiten Zweigs 5b sind von der dritten Art 3b1 und MR-Elemente des vierten Widerstands 5a4 des ersten Zweigs 5a und MR-Elemente des zweiten Widerstands 5b3 des zweiten Zweigs 5b sind von der vierten Art 3b2.
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11 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Das dritte Differenzspannungssignal SV3 wird durch einen Transkonduktanzverstärker A verstärkt, um ein drittes Differenzstromsignal SI3 bereitzustellen, wobei das dritte Differenzstromsignal SI3 durch einen Transwiderstandverstärker B verstärkt wird, um eine Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX bereitzustellen, wobei das sechste Differenzspannungssignal SV6 parallel durch einen Transkonduktanzverstärker A verstärkt wird, um ein sechstes Differenzstromsignal SI6 bereitzustellen, wobei das sechste Differenzstromsignal SI6 durch einen Transwiderstandverstärker B verstärkt wird, um eine Differenzspannungs-Y-Ausgabe DVY bereitzustellen.
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Die Verstärkung des dritten und sechsten Differenzspannungssignals SV3, SV6 zum Erreichen der Differenzspannungs-X- und Y-Ausgaben DVX, DVY in dieser alternativen Ausführungsform erfolgt analog zu der Verstärkung des jeweiligen ersten bis sechsten Signals SV1 bis SV6, wie zuvor in 5 bis 9 beschrieben. Die einbezogenen Spannungen und Ströme lassen sich direkt von 11 abziehen.
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12 zeigt eine schematische Darstellung eines Frontend einer magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Das zweite Differenzspannungssignal SV2 wird zu dem ersten Differenzspannungssignal SV1 addiert und das vierte und fünfte Differenzspannungssignal SV4, SV5 werden von den ersten Spannungssignalen SV1 subtrahiert eine Differenzspannungs-Z-Ausgabe DVZ bereitzustellen.
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Das erste, zweite, vierte und fünfte Differenzspannungssignal SV1, SV2, SV4, SV5 werden parallel durch jeweilige Transkonduktanzverstärker A1-A4 verstärkt, um jeweilige erste, zweite, vierte und fünfte Differenzstromsignale SI1, SI2, SI4, SI5 bereitzustellen, wobei das zweite Differenzstromsignal SI2 zu dem ersten Differenzstromsignal SI1 addiert wird und das vierte und fünfte Differenzspannungssignal SI4, SI5 von dem ersten Differenzstromsignal SI1 subtrahiert werden, um eine Differenzstrom-Z-Ausgabe DIZ bereitzustellen, wobei die Differenzstrom-Z-Ausgabe DIZ durch einen Transwiderstandverstärker B verstärkt wird, um die Differenzspannungs-Z-Ausgabe DVZ1 bereitzustellen.
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Die Verstärkung, Addition und Subtraktion des ersten, zweiten, vierten und fünften Differenzspannungssignals SV1, SV2, SV4, SV5 zum Erreichen der Differenzspannungs-Z-Ausgabe DVZ in dieser alternativen Ausführungsform erfolgt analog zu der Verstärkung und Addition z. B. des ersten und zweiten Differenzspannungssignals SV1, SV2 zum Erreichen der Differenzspannungs-X-Ausgabe DVX, wie oben in Bezug auf 5 beschrieben, und der Verstärkung und Subtraktion des ersten und zweiten Differenzspannungssignals SV1, SV2 zum Erreichen der ersten Differenzspannungs-Z-Ausgabe DVZ1, wie oben in Bezug auf 7 beschrieben. Die einbezogenen Spannungen und Ströme lassen sich direkt von 12 abziehen.
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Die Ausführungsbeispiele wurden gewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Als Ergebnis können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele bezüglich des beabsichtigten Verwendungszwecks optimal modifizieren und nutzen.
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Zum Beispiel:
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung umfasst mindestens einer der ersten, zweiten, dritten und vierten Widerstände 4a1-4a4, 4b1-4b4, 5a1-5a4, 5b1-5b4 des ersten und zweiten Zweigs 4a, 4b, 5a, 5b der ersten und zweiten Brückenschaltung 4, 5 eine Mehrzahl von MR-Elementen 3. In diesen Ausführungsformen ist die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht M einer abgerundeten Hälfte des MR-Elements 3 desselben Widerstands 4a1-4a4, 4b1-4b4, 5a1-5a4, 5b1-5b4 der Magnetisierungsrichtung M der freien Schicht der anderen abgerundeten Hälfte des MR-Elements 3 desselben Widerstands 4a1-4a4, 4b1-4b4, 5a1-5a4, 5b1-5b4 entgegengesetzt.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst die magnetoresistive Erfassungsvorrichtung ferner eine dritte Brückenschaltung und eine vierte Brückenschaltung. Die dritte Brückenschaltung ist allgemein identisch mit der ersten Brückenschaltung 4, mit der Ausnahme, dass sie MR-Elemente 3 mit entgegengesetzter Magnetisierung M der freien Schicht der jeweiligen TMR-Elemente 3 aufweist. Die vierte Brückenschaltung 4 ist identisch mit der zweiten Brückenschaltung 5, mit der Ausnahme, dass sie MR-Elemente 3 mit entgegengesetzter Magnetisierung M der freien Schicht der jeweiligen MR-Elemente 3 aufweist.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen der magnetoresistiven Erfassungsvorrichtung umfasst das Substrat 2 eine Mehrzahl von Hügeln und Tälern einschließlich einer ersten Oberfläche 2a1 und einer zweiten Oberfläche 2a2, die einander gegenüberliegen, oder einer dritten Oberfläche 2a3 und einer vierten Oberfläche 2a4, die einander gegenüberliegen. In solchen Ausführungsformen sind die MR-Elemente 3 benachbarter Widerstände 4a1-4a4, 4b1-4b4, 5a1-5a4, 5b1-5b4 auf demselben Hügel oder Tal angeordnet.
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Obgleich das Frontend auf Transkonduktanzverstärkern und Transwiderstandverstärkern basiert, sind die Transkonduktanzverstärker und Transwiderstandverstärker in weiteren Ausführungsformen durch Schaltkondensatorschaltungen ersetzt, die eine ähnliche Funktion auf ähnliche Weise implementieren, ohne die Bedeutung des vorgeschlagenen Prinzips und der vorgeschlagenen Ideen zu ändern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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