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    • 专利摘要:
    In einer temperaturkompensierten Meßschaltungsanordnung mit einer magnetoresistiven Sensorbrücke (5), deren Signalausgang (6) mit einem Eingang eines Ausleseverstärkers (7) verbunden ist, steht ein Verstärkerausgang (8) über einen Kompensationsleiter (9) mit einem Shuntwiderstand (10) in Verbindung, an dem eine Meßspannung abfällt. Der Kompensationsleiter (9) ist an der Sensorbrücke (5) so angeordnet, daß er ein einem Meßfeld entgegengesetztes Kompensationsfeld erzeugt. Damit der Temperaturkoeffizient der Meßschaltungsanordnung weiter verringert ist, wird die Sensorbrücke (5) aus einer Stromquelle gespeist und ein Kompensationswiderstand (24) ist einerseits mit dem Signalausgang (6) und der Sensorbrücke (5) und andererseits mit einer Hilfspotentialquelle (15) verbunden.
    公开号:DE102004026460A1
    申请号:DE200410026460
    申请日:2004-05-29
    公开日:2005-12-22
    发明作者:Jochen Schmitt
    申请人:Sensitec GmbH；
    IPC主号:G01R17-10
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine temperaturkompensierte Meßschaltungsanordnungmit einer magnetoresistiven Sensorbrücke nach dem Oberbegriff desAnspruchs 1.
    [0002] Derartigeaus der Praxis bekannte temperaturkompensierte Meßschaltungsanordnungenweisen magnetoresistive Sensoren, die abgekürzt als MR-Sensoren bezeichnetwerden, in einer Brückenschaltungauf, mit der allein sich jedoch der Temperatur- und Offseteinfluß nichtvollkommen eliminieren lassen. Daher wird zur Kompensation einesSteilheitstemperaturkoeffizienten das Ausgangssignal der Brücke verstärkt undals Kompensationsstrom in einen Kompensationsleiter eingespeist,der so an den MR-Sensoren angeordnet ist, daß er an diesen ein dem Meßfeld oderMeßfeldgradientenentgegengesetztes Feld durch den Kompensationsstrom erzeugt. DerKompensationsstrom stellt sich dabei proportional zum Primärfeld oderPrimärfeldgradientenein. An einem Shuntwiderstand, der mit dem Kompensationsleiter inReihe verbunden ist, wird der Kompensationsstrom in eine proportionaleSpannung gewandelt, welche die mit der Meßschaltungsanordnung erzeugteMeßspannungdarstellt. Ein Offset dieser Meßspannungwird üblicherweiseentweder am Brückenausgangdurch Einkoppeln von Strömenverringert oder in Signalflußrichtunghinter dem Shuntwiderstand eliminiert. – Ein Offsettemperaturkoeffizientbzw. Temperaturkoeffizient des Offset dieser temperaturkompensiertenMeßschaltungsanordnungist Null, wenn der Temperaturkoeffizient des Sensoroffsets und derTemperaturkoeffizient der Steilheit gleich groß sind. Vorausgesetzt wirddabei, daß beideTemperaturkoeffizienten linear sind, was in einem üblichenEinsatzbereich von ca. – 40°C bis + 125°C der Meßschaltungsanordnungin der Regel zutrifft. Da jedoch die genannten Temperaturkoeffizientenin der Praxis nicht gleich groß sind,verbleibt ein oft unerwünschtgroßerTemperaturkoeffizient des Offset der gesamten Meßschaltungsanordnung bzw. der mitihr erzeugten Meßspannung.
    [0003] ZumStand der Technik gehörtauch, den Temperatur- und Offseteinfluß einer magnetoresistiven Sensorbrückenschaltungin integrierter Technik schalttechnisch zu kompensieren (Wolf-JoachimFischer, Mikrosystemtechnik, Würzburg:Vogel, 2000, S. 259). Dabei wird die Sensorbrücke mit einer Brückenspannungaus einer Temperaturkompensationselektronik beaufschlagt. Die Signalspannungder Sensorbrückewird in einen programmierbaren Ausleseverstärker mit Offsetkompensationeingespeist, dessen Ausgang die Meßspannung entnommen werdenkann. Die Temperaturkompensationselektronik in Verbindung mit einerReferenzspannungsquelle und der programmierbare Ausleseverstärker werdenmit einem Taktgenerator getaktet betrieben. Der schaltungstechnischeAufwand dieser Kompensation ist somit erheblich.
    [0004] Esist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Temperaturkoeffizientender Meßschaltungsanordnungmit möglichstgeringem Aufwand weiter zu verringern, insbesondere für den Fall,daß dieTemperaturkoeffizienten der Sensorspannung der magnetoresistivenSensorbrückeund der Temperaturkoeffizient deren Steilheit nicht gleich sind.
    [0005] Erfindungsgemäß wird zurLösungder obigen Aufgabe ein zusätzlicherTemperaturkoeffizient, mit dem ungleichen Temperaturkoeffizientendes Sensoroffsets und deren Steilheit Rechnung getragen wird, durchdie in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen unkompliziertenschaltungstechnischen Mittel erzeugt. Zu diesen Mitteln gehört ein anden Ausgang der Sensorbrückebzw. einen mit diesem verbundenen Eingang des Ausleseverstärkers angekoppelterKompensationswiderstand, dessen der Koppelseite entgegengesetztesEnde auf einem – nachEinstellung – festenHilfspotential liegt. Fürdie Versorgung der Sensorbrücke istan Stelle einer Spannungsquelle eine Stromquelle vorgesehen. Daherverändertsich die Spannung an der Sensorbrücke, wenn sich deren Widerstandabhängigvon der Temperatur ändert.Abhängigvon dieser Temperatur, der Umgebungstemperatur, ist damit auch derStrom durch den Kompensationswiderstand. Da der Kompensationswiderstanddas Ausgangssignal der Sensorbrückebeeinflußt,wird damit ein zusätzlicherTemperaturkoeffizient erzeugt.
    [0006] Durchdie Größe des Hilfspotentials – Anspruch2 – oderdurch die Größe des Kompensationswiderstands – Anspruch3 – kannder zusätzlicheTemperaturkoeffizient so eingestellt werden, daß der resultierende Temperaturkoeffizientdes Offset der gesamten Meßschaltungsanordnungpraktisch vollständigkompensiert ist.
    [0007] Inder erfindungsgemäß temperaturkompensiertenMeßschaltanordnungwird ein Kompensationsstrom Ioff(komp) nachfolgender Beziehung erzeugt:
    [0008] Umdie voranstehende Gleichung fürdie individuellen Exemplare der Sensorbrükke zu erfüllen, wird zweckmäßig einAbgleichverfahren gemäß Anspruch6 durchgeführt.Demgemäß wird beieiner ersten Temperatur, zweckmäßig der Raumtemperatur,der Verlauf des Offset der Meßspannungder Meßschaltungsanordnungabhängigvon dem Hilfspotential ermittelt. Desgleichen wird der Verlauf desOffset der Meßspannung beieiner zweiten, weitgehend beliebigen Temperatur, die nur unterschiedlichzur ersten Temperatur, der Raumtemperatur, sein muß, ermittelt.Es wird dann aus den ermittelten Werten ein Wert des Hilfspotentials ausgewählt, beidem der Offset der Meßspannungjeweils bei beiden Temperaturen gleich ist. Auf diesen Wert wirdalso das Hilfspotential fest eingestellt.
    [0009] Derverbleibende statische Offset der Meßspannung kann nach obigemAbgleich des Temperaturkoeffizienten gemäß Anspruch 4 in einer dem Shuntwiderstandnachgeschalteten Stufe ausgeglichen werden, so daß jedenfallsin den Kompensationskreis, in dem der Kompensationsleiter liegt,nicht eingegriffen wird.
    [0010] Esist statt dessen aber auch möglich,gemäß Anspruch5 die Hilfspotentialquelle und den Kompensationswiderstand so auszuwählen bzw.einzustellen, daß sowohlder statische Offset der Meßspannungder Meßschaltungsanordnungals auch deren Temperaturkoeffizient kompensiert werden.
    [0011] Gemäß Anspruch6 ist die Hilfspotentialquelle vorteilhaft durch einen Digital-Analog-Umsetzer verwirklicht,der insbesondere füreinen automatischen Abgleich einfach und präzise mit einem durch einenRechner generierten Digitalwert beaufschlagt werden kann.
    [0012] Mit ähnlichemZiel kann der Kompensationswiderstand vorteilhaft in Switched-Capacitor-Technikgemäß Anspruch7 realisiert sein, es braucht sich also nicht um einen ohmschenWiderstand zu handeln.
    [0013] Ebenfallsbesonders geeignet füreinen automatischen Abgleich, aber auch kompakt und robust ist eineRealisierung der Hilfsspannungsquelle, der Stromquelle und des Kompensationswiderstandesin mindestens einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß Anspruch8.
    [0014] ZurKompensation des statischen Offset der Meßspannung der Meßschaltanordnungsowie deren Temperaturkoeffizienten erfolgt der Abgleich für die individuelleSensorbrückeausgehend von dem in Anspruch 9 definierten Abgleichverfahren gemäß Anspruch10 dadurch, daß eineAuswahl des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands erfolgt,bei dem der statische Offset der Meßspannung minimiert ist, derfür zweiTemperaturen mit dem Hilfspotential auf einen gleichen Wert einstellbarist.
    [0015] EinAusführungsbeispielder Erfindung und die Abgleichverfahren werden im folgenden anhandeiner Zeichnung mit 3 Figuren beschrieben. Es zeigen:
    [0016] 1 einetemperaturkompensierte Meßschaltungsanordnungin einer schematischen Darstellung,
    [0017] 2 denVerlauf des statischen Offset der Meßschaltungsanordnung entsprechendder MeßspannungUa bei fehlendem Meßfeldabhängigvon einem Hilfspotential Uh fürzwei verschiedene Temperaturen der Meßschaltungsanordnung und
    [0018] 3 denVerlauf des statischen Offset der Meßschaltungsanordnung für drei Kompensationswiderstände jeweilsbei zwei verschiedenen Temperaturen der Meßschaltungsanordnung abhängig vondem Hilfspotential Uh.
    [0019] In 1 sindmagnetoresistive Sensoren 1–4 in einer Wheatstone'schen Brücke angeordnet,die als magnetoresistive Sensorbrücke 5 bezeichnet wird.Ein Signalausgang 6 dieser Brücke steht mit Eingängen einesAusleseverstärkers 7 inVerbindung, dessen Verstärkerausgang 8 über einenKompensationsleiter 9 mit einem Shuntwiderstand 10 inReihe geschaltet ist. Von einer Klemme 11 an dem Shuntwiderstandkann die mit der Meßschaltungsanordnungerzeugte MeßspannungUa abgegriffen werden.
    [0020] DerKompensationsleiter 9 ist bezüglich den Sensoren 1–4 soauf einem gemeinsamen Chip 12 angeordnet, daß er eineinem magnetischen Meßfeldoder Meßfeldgradientenentgegengesetztes magnetisches Feld erzeugt, wenn in dem Kompensationsleiterein Kompensationsstrom/fließt,der in dem Shuntwiderstand 10 in die Meßspannung Ua gewandelt wird.
    [0021] DieSensorbrücke 5 istan Punkten 17, 18 mit einer Stromquelle 13 verbunden,die einen konstanten Brückenstromin die Sensorbrücke 5 einspeist.
    [0022] ZurzusätzlichenKompensation des Temperaturkoeffizienten des Offset der von derKlemme 11 abnehmbaren Meßspannung ist weiterhin eineReihenschaltung eines Kompensationswiderstands 14 mit einer Hilfspotentialquelle 15 miteinem Eingang 16 des Ausleseverstärkers 7 verbunden.
    [0023] ImBetrieb der Meßschaltungsanordnung ändert sichdie Brückenspannungzwischen den Punkten 17 und 18 und damit an demEingang 16 des Ausleseverstärkers 7, wenn sichdie Temperatur der Sensorbrücke 5 unddamit deren Widerstand ändert.Damit ändertsich auch der Strom temperaturabhängig, der durch den Kompensationswiderstand 14 fließt und denSignalausgang 6 der Brückebeeinflußt,was einen zusätzlichen temperaturabhängigen Offsetdarstellt.
    [0024] ZurEinstellung des Temperaturkoeffizienten des Offset der Meßspannungwird bevorzugt das Potential bzw. die Spannung Uh der Hilfpotentialquelle 15 verwendet,die somit zum Abgleich einstellbar bzw. auswählbar ist. Der Vorzug der Einstellungdes Temperaturkoeffizienten mit der Hilfspotentialquelle bestehtdarin, daß mitdieser sowohl ein negativer als auch ein positiver Temperaturkoeffizienterzeugt werden kann.
    [0025] Gemäß 2 wirdabhängigvon der Einstellung der Hilfspotentialquelle 15 mit demPotential bzw. der Spannung Uh die Ausgangsspannung bzw. MeßspannungUa gleich dem Offset der Meßschaltungsanordnung verändert, wobeidiese Meßspannungangenähertals Gerade verläuft.Die Variation des Hilfspotentials Uh erfolgt jeweils bei einer erstenTemperatur der Sensorbrücke,beispielsweise der Raumtemperatur von ca. 25°C entlang einer ersten Geradeneines Geradenpaars und bei einer zweiten Temperatur von ca. 85°C entlangder zweiten, steileren Gerade des Geradenpaars. Wie ersichtlichschneiden sich die beiden Geraden bei einem Hilfspotential Uh vonetwas größer als3 V. Auf diesem Wert bleibt die Hilfspotentialquelle 15 für den Meßbetriebder somit temperaturkompensierten Meßschaltungsanordnung für den vorliegendenWert des Kompensationswiderstands 14 optimal eingestellt.
    [0026] Mit 3 wirddas Abgleichverfahren zum zusätzlichenAbgleich des statischen Offset der Meßspannung der Schaltungsanordnunggemäß 1 durchgeeignete Wahl des Kompensationswiderstands 14 erläutert. Aus 3 sinddrei sich jeweils kreuzende Geradenpaare ersichtlich, die für einenKompensationswiderstand 14 bzw. R1 von 400 kΩ, 600 kΩ und 800kΩ realisiertwerden, wenn fürjedes Geradenpaar wie oben zu 2 beschriebendas Hilfspotential Ua variiert wird und für die beiden Geraden einesPaars jeweils die unterschiedlichen Temperaturen wie zu 2 eingestelltwerden. Es ist ersichtlich, daß derSchnittpunkt des Geradenpaars fürR1 = 600 kΩ dengeringsten statischen Offset in der Nähe von Null einnimmt, so daß dieser Wertdes Kompensationswiderstands, wenn nicht ein noch etwas größerer Wert,der zwischen 600 kΩ und800 kΩ interpoliertwerden kann, ausgewähltwird, um auch den statischen Offset zu minimieren.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Temperaturkompensierte Meßschaltungsanordnung mit einermagnetoresistiven Sensorbrücke(5), deren Signalausgang (6) mit einem Eingangeines Ausleseverstärkers(7) verbunden ist, wobei ein Verstärkerausgang (8) über einenKompensationsleiter (9) mit einem Shuntwiderstand (10)in Verbindung steht, an dem eine Meßspannung abfällt, undwobei der Kompensationsleiter (9) an der Sensorbrücke (5)ein einem Meßfeld entgegengesetztesKompensationsfeld erzeugend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorbrücke (5)aus einer Stromquelle gespeist ist und daß ein Kompensationswiderstand(14) einerseits mit dem Signalausgang (6) derSensorbrücke(5) und andererseits mit einer Hilfspotentialquelle (15)verbunden ist.
    [2] Meßschaltungsanordnungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspotentialquelle(15) so ausgewähltbzw. eingestellt ist, daß derTemperaturkoeffizient eines Offset der Meßspannung (Ua) der Meßschaltungsanordnungkompensiert ist.
    [3] Meßschaltanordnungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationswiderstand (14)so ausgewähltbzw. eingestellt ist, daß derTemperaturkoeffizient des Offset der Meßspannung (Ua) der Meßschaltungsanordnungkompensiert ist.
    [4] Meßschaltungnach wenigstens einem der Ansprüche1-3, dadurch gekennzeichnet, daß eineKompensation des statischen Offset der Meßspannung (Ua) in einer demShuntwiderstand (10), an dem die mit dem statischen Offsetbehaftete Meßspannungabfällt,nachgeschalteten Stufe erfolgt.
    [5] Meßschaltungsanordnungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspotentialquelle(15) und der Kompensationswiderstand (14) so ausgewählt bzw.eingestellt sind, daß sowohlein statischer Offset der Meßspannung(Ua) der Meßschaltungsanordnungals auch deren Temperaturkoeffizient kompensiert sind.
    [6] Meßschaltungsanordnungnach wenigstens einem der Ansprüche1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfspotentialquelle(15) durch einen Digital-Analog-Umsetzer realisiert ist.
    [7] Meßschaltungsanordnungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationswiderstand(14) in Switched-Capacitor-Technik realisiert ist.
    [8] Meßschaltungsanordnungnach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß dieHilfsspannungsquelle (15), die Stromquelle (13)und der Kompensationsleiterwiderstand (14) in mindestenseiner integrierten Halbleiterschaltung realisiert sind.
    [9] Abgleichverfahren zum Abgleich der Temperaturkompensationder Meßschaltungsanordnungnach wenigstens einem der Ansprüche1-8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ersten Temperaturder Verlauf des Offset der Meßspannung(Ua) der Meßschaltungsanordnung abhängig vondem Hilfspotential (Uh) ermittelt wird, daß bei wenigstens einer zweitenTemperatur der Verlauf des Offset der Meßspannung (Ua) der Meßschaltungsanordnungabhängigvon dem Hilfspotential (Uh) ermittelt wird und daß ein Hilfspotential(Uh) ausgewähltwird, bei dem der Offset der Meßspannung(Ua) jeweils bei beiden Temperaturen gleich ist.
    [10] Abgleichverfahren nach Anspruch 9 zum zusätzlichenAbgleich des statischen Offset der Meßspannung der Meßschaltungsanordnungnach wenigstens einem der Ansprüche1-8, dadurch gekennzeichnet, daß einWiderstandswert des Kompensationswiderstands (14) ausgewählt wird,bei dem der statische Offset der Meßspannung (Ua), der für wenigstenszwei Temperaturen durch Auswahl des Hilfspotentials (Uh) gleicheingestellt ist, minimiert ist.
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    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-12-22| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-11-30| 8364| No opposition during term of opposition|
    2017-08-01| R082| Change of representative|Representative=s name: STUMPF PATENTANWAELTE PARTGMBB, DE |
    2020-12-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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