[发明专利]磁阻式惠斯通电桥和具有至少两个这种电桥的角度传感器

说明书

本发明涉及一种磁阻式惠斯通电桥(10，12，14，16，18，20，22，24)，该磁阻式惠斯通电桥包括并联连接在电源电势Vb之间的两个电桥支路，其中，两个串联连接的电阻器装置R1和R3、或R2和R4被布置在各个电桥支路中并且具有居间的测量电势Vout。这两个电桥支路的电阻器装置R1和R3、或R2和R4采用彼此对角相对的布置，至少两个磁阻式电阻器装置R1和R3或R2和R4具有磁敏优选方向。这些电桥支路的彼此对角相对布置的电阻器装置R1和R3，或R2和R4的优选方向彼此相差一角度，所述角度不为0°或180°。另一个方面，提出了一种角度传感器(30)，所述角度传感器(30)包括偏移预定角度尤其是90°的至少两个该磁阻式惠斯通电桥(10，12，14，16，18，20，22，24)，用于通过第一和第二传感器电桥(40，42)尤其是正弦电桥和余弦电桥确定磁场的角定向。通过根据本发明的测量电桥，使得能减少谐波并且实现最优电阻值，由此提高角度发射器信号的准确度和传感器分辨率。

本发明涉及一种磁阻式惠斯通电桥以及一种用于测量磁场的角定向的磁阻式角度传感器，所述磁阻式角度传感器包括根据权利要求1的教导所述的至少一个惠斯通电桥、优选地包括彼此偏置预定角度的两个或更多个惠斯通电桥。

为此，惠斯通电桥的两个并联的电桥支路(也被称为半电桥)分别包括两个串联连接的磁阻式电阻器装置R1和R3、R2和R4。两个电桥支路中的电阻器装置R1和R4、R2和R3均采用彼此对角相对的布置，两个电桥支路中的电阻器装置R1和R2(或R3和R4)成对地彼此相对布置。每一个电阻器装置具有磁敏优选方向，该方向也被称为灵敏度方向，可以在该方向上用最大可能灵敏度测量磁场。

本发明通过磁角度传感器改善了角度检测准确度。

技术领域

磁阻效应是描述通过施加外部磁场引起的材料的电阻变化的所有效应。对于具有优选方向(关于待测量的磁场的矢量方向)的磁阻效应特别是指各向异性磁阻效应(AMR效应)、巨磁阻效应(GMR效应)、CMR效应和TMR效应。

在现有技术中，磁阻式角度传感器经常被配置成惠斯通电桥，其中，在每一个电桥支路中使用相同的磁阻式电阻材料，这些材料仅在其形状或磁定向上彼此不同。通过这种布置，实现了输出信号的温度无关性，因为每一个电桥支路中的电阻随温度的变化是完全相同的，以至于随温度的变化对传感器信号没有任何影响。

为了获得明确的角度信息，通常需要磁灵敏度方向彼此不同的两个惠斯通电桥。例如，在待检测的磁场以旋转角旋转的情况下，将这两个电桥旋转90°，在电桥输出中获得正弦函数和余弦函数。这两个信号用于例如通过ARCTAN函数计算明确的角位置如果这两个电桥具有不同的角偏移，可以同样使用合适的三角测量函数计算待检测的磁场的明确的角定向。

因为在AMR(各向异性磁阻效应)的情况下周期性相当于180°，AMR电阻器的电阻与电流方向和磁化方向之间的角度有关。

因此，用于角度测量的AMR电桥包含位于不同方向的磁阻带。为了通过AMR获得相移信号，使用两个电桥，这两个电桥例如相对于彼此旋转45°。

GMR和TMR(巨磁阻效应和隧道磁阻效应)电阻器的电阻与自由层的磁化方向和钉扎层(pinnedlayers)的磁化方向之间的角度有关。在TMR和/或GMR电阻器的情况下，磁场方向相关性的周期性相当于360°。钉扎层包括磁预磁化作为钉扎方向，该钉扎方向限定了优选方向。自由层和钉扎层是由非磁性层分隔的磁性层，在TMR的情况下该非磁性层是薄的绝缘体，例如Al₂O₃或MgO，在GMR的情况下该非磁性层是薄的导电层，例如Cu或Ru。自由层被配置成使得其磁化方向跟随外部磁场，而钉扎层被配置成使得其磁化方向在施加外部磁场时尽可能地保持稳定。