INTEGRATED NUMBER OF REVOLUTIONS SENSOR WITH MAGNETIC-FIELD-DEPENDENT SENSOR RESISTORS

Abstract: 1. Integrated rotational-speed sensor with magnetic-field-dependent sensor resistors in a bridge circuit, with are constructed as thin-film resistors and which consist of a temperature-dependent resistance material, preferably permalloy, and a differential amplifier, which amplifies the bridge voltage, with a feedback resistor characterized in that the feedback resistors (Rk ) also consists of a resistance material, which, like the sensor resistors (R1 to R4) is temperature-dependent, and that the ratio between film thickness (t) and track width (w) is much greater in the feedback resistor (Rk ) than in the sensor resistors (R1 to R4).

Description: Integrierter Drehzahlsensor mit magnetfeldabhängigen Sensorwiderständen Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem integrierten Drehzahlsensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits Drehzahlsensoren bekannt, die aus vier in Brückenschaltung angeordneten magnetoresistiven Sensorelementen bestehen und bei denen die Brückenspannung einem Differenzverstärker zugeführt wird, dessen Ausgangssignal das Messsignal darstellt. Ein solcher Drehzahlsensor kann zusammen mit einem Permanentmagneten beispielsweise im Bereich der Zähne eines Zahnkranzes angeordnet werden, so dass bei Rotation des Zahnkranzes die am Drehzahlsensor vorbeigeführten Zähne eine periodische Verstimmung der Brückenschaltung bewirken. Es wird dadurch ein Messsignal erzeugt, dessen Frequenz von der pro Zeiteinheit am Drehzahlsensor vorbeigeführten Anzahl von Zähnen abhängt. Die bekannten Drehzahlsensoren haben jedoch den Nachteil, dass ihre Messsignalamplitude stark temperaturabhängig ist. Die üblicherweise als Sensorwiderstände verwendeten Permalloy-Dünnschichtwiderstände zeigen einen mit zunehmender Temperatur abnehmenden Messeffekt. Ausserdem verkleinert sich der Verstärkungsfaktor der Messanordnung auf Grund des PTC-Verhaltens der Sensor widerstände mit zunehmender Temperatur (PTC = positiver Temperaturkoeffizient). Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemässe Drehzahlsensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass auf einfache Weise eine weitgehende Temperaturkompensation erreicht werden kann. Der Rückkopplungswiderstand des Differenzverstärkers kann zu diesem Zweck ebenfalls wie die Sensorwiderstände als Permalloy-Dünnschichtwiderstand ausgebildet sein. Der Rückkopplungswiderstand besitzt somit gleichermassen wie die Sensorwiderstände einen temperaturabhängigen Widerstandsverlauf, wodurch für die gesamte Anordnung zumindest eine teilweise Temperaturkompensation erzielt werden kann. Damit der Widerstandswert des magnetoresistiven Rückkopplungswiderstandes möglichst nicht magnetfeldabhängig ist, wird bei ihm das Verhältnis Schichtdicke zu Bahnbreite möglichst gross gewählt. Die Temperaturkompensation kann noct dadurch verbessert werden, dass einem Eingang des Differenzverstärkers ein temperaturunabhängiger Vorwiderstand vorgeschaltet wird, dessen Widerstandswert wesentlich grösser ist als der der Parallelschaltung der beiden mit ihm verbundenen Sensorwiderstände. Auf diese Weise wird der Verstärkungsfaktor der Messanordnung temperaturabhängig, und zwar mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, so dass die mit zunehmender Temperatur auftretende Abnahme des Sensorsignals (Brückenspannung) kompensiert wird. Um den Widerstandswert des Rückkopplungswiderstandes möglichst weitgehend magnetfeldunabhängig zu machen, kann der Verlauf seiner Widerstandsbahnen beispielsweise in zwei gleich grosse Bereiche unterteilt werden, die um einen Winkel von 900 gegeneinander gedreht sind. Der Verlauf der Widerstandsbahnen kann aber auch in mehr als zwei Bereiche unterteilt werden, die gegeneinander so gedreht sind, dass deren Magnetfeldabhängigkeit sich gegenseitig aufhebt. Zeichnung Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 die räumliche Anordnung eines integrierten Drehzahlsensors in der Nähe eines Zahnrades, Figur 2 das elektrische Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels, Figur 3 das elektrische Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels und Figur 4 die Draufsicht auf einen Permalloysensor stark vergrössert. In Figur 1 ist ein integrierter Drehzahlsensor 1 im Magnetfeld eines Permanentmagneten 2 angeordnet. Über dem Drehzahlsensor 1 sind zwei Zähne 3 eines nur teilweise gezeichneten Zahnrades 4 dargestellt. Dreht sich das Zahnrad 4 beispielsweise in der angegebenen Pfeilrichtung a, so erfolgt dadurch eine periodische Änderung des vom Permanentmagneten 2 erzeugten Magnetfeldes, wodurch eine periodische Beeinflussung der hier nicht näher dargestellten Sensorelemente erfolgt. Werden als Sensorelemente magnetfeldabhängige Widerstände in Brückenschaltung verwendet, so erfolgt durch die peri odische Beeinflussung des Magnetfeldes eine periodische Verstimmung der Brückenschaltung. In Figur 2 ist das Schaltbild eines integrierten Drehzahlsensors angegeben, der vier magnetfeldabhängige Sensorwiderstände Rl bis R4 besitzt, die in Brückenschaltung angeordnet sind. In die Brückenschaltung ist ein zusätzlicher Trimmwiderstand RT eingesetzt, mit dem ein Nullabgleich der Brückenspannung UB erfolgen kann. Die Brückenspannung UB wird dem positiven und dem negativen Eingang eines Differenzverstärkers VI zugeführt. Der Ausgang des Differenzverstärkers Vl, an dem das Messsignal Us auftritt, ist über einen Rückkopplungswiderstand RK auf seinen negativen Eingang rückgekoppelt. Als Versorgungsspannung dient eine positive Spannung U +, an der die Brückenschaltung und der Differenzverstärker Vl angeschlosssen sind Die in Figur 3 dargestellte Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in Figur 2 dadurch, dass dem negativen Eingang des Differenzverstärkers Vl ein Vorwiderstand RV vorgeschaltet ist. Die Sensorwiderstände Rl bis R4 können aus einer Nickel Eisen-Legierung (Permalloy) bestehen, so dass die Widerstandswerte der Sensorwiderstände magnetfeldabhängig sind. Der Rückkopplungswiderstand RK kann aus dem gleichen Material bestehen, damit der Rückkopplungswiderstand das gleiche Temperaturverhalten zeigt wie die Sensorwiderstände Rl bis R4. Auf diese Weise kann der temperaturbedingte Amplitudenverlust wenigstens teilweise kompensiert werden. Damit die Magnetfeldempfindlichkeit des Rückkopplungswiderstandes RK möglichst klein wird, wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich die magnetische Sensitivität eines Permalloywiderstandes über seine geometrischen Abmessungen variieren lässt. Die magnetische Sensitivität wird nämlich durch das Verhältnis seiner Schichtdicke t zur Bahnbreite w bestimmt. Die Magnetfeldempfindlichkeit ist um so höher, je kleiner dieses Verhältnis gewählt wird. Eine typische Auslegung magnetoresistiver Elemente stellen die Werte t = 0,03 pm und w = 20 pm dar. Für einen derartigen Sensorwiderstand erhält man somit: t/w = 0,03/20 = 0,0015 (für Sensorwiderstand) Man erreicht hiermit eine relative Widerstandsänderung von typisch AR = l...2 %/20 oe Wählt man zur Realisierung des Rückkopplungswiderstandes eine Schichtdicke von t = 0,3 pm und eine Bahnbreite von w = 5 ym, so erhält man: t/w = 0,3/5 = 0,06 (für Rückkopplungswiderstand) Man erreicht hiermit eine relative Widerstandsänderung von ungefähr: < 0,05 %/20 oe Die Magnetfeldempfindlichkeit wird also gegenüber den Sensorwiderständen ungefähr im gleichen Masse verringert wie das Verhältnis t/w vergrössert wird, so dass der Rückkopplungswiderstand RK gegenüber den Sensorwiderständen Rl bis R4 eine vernachlässigbare Magnetfeldempfindlichkeit besitzt, jedoch mindestens gleiche Temperaturempfindlichkeit aufweist. Mit zunehmender Schichtdicke t wird der Te#mperaturkoeffizient grösser und dem Vollmateri al ähnlicher, da bei dünnen Schichten Randeffekte auftreten. Die volle Kompensation des Temperaturganges kann durch den Vorwiderstand RV erreicht werden, der temperaturunabhängig ist. Für den Verstärkungsfaktor gilt somit: EMI6.1 Der Verstärkungsfaktor besitzt somit einen positiven Temperaturkoeffizienten, so dass die temperaturabhängige Änderung der Brückenspannung UB kompensiert wird. Durch geeignete Wahl des Widerstandswertes des Vorwiderstandes Rv lässt sich die erforderliche Temperaturabhängigkeit einstellen. Wählt man RV sehr viel grösser als R4JR4, so wird der Verstärkungsfaktor v temperaturabhängig wie der Rückkopplungswiderstand RK ( ) Würde man dagegen den Vorwiderstand RV sehr viel kleiner als R2\1R4 wählen, wäre der Verstärkungsfaktor v temperaturunabhängig. Eine Realisierung des Rückkopplungswiderstandes RK aus Permalloy hätte gegenüber anderen denkbaren Materialien wie Nickel, Platin, ect. den Vorteil, dass sich die Vielfalt der im Beschichtungsprozess zur Herstellung des Drehzahlsensors verwendeten Materialien verringert, was zur Verminderung der Herstellungskosten beiträgt. Zur Verringerung der Magnetfeldempfindlichkeit des Rückkopplungswiderstandes RK kann noch zusätzlich eine weitere Massnahme getroffen werden, die anhand von Figur 4 erläutert wird. Ausser der Variation des Verhältnisses von Schichtdicke t zu Bahnbreite w lässt sich die Magnetfeldempfindlichkeit auch dadurch reduzieren, dass jeweils die Hälfte der Widerstandsbahnen des Rückkopplungswiderstandes RK um 900 zueinander gedreht sind. In Figur 4 verlaufen die Bahnen der ersten Hälfte Hl des Rückkopplungswiderstandes RK senkrecht, während die Bahnen der zweiten Hälfte H2 waagerecht verlaufen. Dadurch besitzt bei Einwirkung eines äusseren Magnetfeldes die eine Hälfte maximalen Widerstand, die andere Hälfte jedoch minimalen Widerstand. Durch Hintereinanderschalten der beiden Bereiche ergibt sich somit für den Gesamtwiderstand unabhängig vom Magnetfeld immer ein gleicher mittlerer Widerstandswert. Um so öfter sich die Richtung der Bahnen auf kleinem Raum ändert, desto umempfindlicher gegen äussere, inhomogene Magnetfelder wird der Rückkopplungswiderstand RK. In Figur 4 ist auch noch die Anordnung der Sensorwiderstände Rl bis R4 andeutungsweise dargestellt. Die gezeigte Draufsicht ist stark vergrössert und aus Gründen der leichteren Darstellung stark vereinfacht. Der Rückkopplungswiderstand RK kann aus einem Material, beispielsweise aus Titan, bestehen, welches einen grösseren Temperaturkoeffizienten besitzt als das Material der Sensorwiderstände R2, R4. Durch diese Massnahme erhält man einen positiven Temperaturkoeffizienten für den Verstärkungsfaktor, wodurch ebenfalls eine Kompensation der temperaturabhängigen Abnahme des Sensorsignals (Brückenspannung) erreicht werden kann.

Claims: Ansprüche 1. Integrierter Drehzahlsensor mit als Dünnschichtwiderstände ausgebildeten magnetfeldabhängigen sensorwider- ständen in Brückenschaltung, die vorzugsweise aus Permalloy bestehen, und einem die Brückenspannung verstärkenden Differenzverstärker mit einem Rückkopplungswiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungswiderstand (RK) aus einem gleichermassen wie die Sensorwiderstände (Rl bis R4) temperaturabhängigen Widerstandsmaterial besteht, und dass das Verhältnis von Schichtdicke (t) und Bahnbreite (w) beim Rückkopplungswiderstand (RK) wesentlich grösser als bei den Sensorwiderständen (Rl bis R4) ist. 2. Drehzahlsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Schichtdicke zu Bahnbreite (t/w) beim Rückkopplungswiderstand (\} grösser als 0,05 ist und ungefähr um den Faktor 40 grösser ist als bei den Sensorwiderständen (Rl bis R4). 3. Drehzahlsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungswiderstand (RK) aus Permalloy oder Titan besteht. 4. Drehzahlsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Eingang des Differenzverstärkers (Vl), an dem der Rückkopplungswiderstand (RK) anliegt, und der Brückenschaltung ein temperaturunabhängiger Vorwiderstand (Rv) eingefügt ist, dessen Widerstandswert wesentlich grösser ist als der Widerstandswert der Parallelschaltung der beiden mit ihm verbundenen Sensorwiderstände (R2, R4). 5. Drehzahlsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungswiderstand < RK) in wenigstens zwei gleich grosse Bereiche (Hl, H2) von Widerstandsbahnen aufgeteilt ist, und dass der Verlauf der Widerstandsbahn in den verschiedenen Bereichen zueinander gedreht ist. 6. Drehzahlsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Aufteilung der Widerstandsbahn in zwei Hälften (Hl, H2) deren Verlauf jeweils um 900 gedreht ist. 7. Drehzahlsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungswiderstand (RK) aus einem Material besteht, das einen höheren Temperaturkoeffizienten als das der Sensorwiderstände (R2, R4) hat.

Inventors: HOLFELDER, GERHARD, DR. RER. NAT., REINHART, KARL-FRANZ, DR. RER. NAT., ZABLER, ERICH, DR. DIPL.-ING.
Applicants: ROBERT BOSCH GMBH
Application year: 1986
Main classification: G01P1
IPC codes: G01P1, H01L27, G01P3, G01D5