AT407803B - Magnetfeldsensor - Google Patents

Description

AT 407 803 B

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Magnetoresistive Sensoren dieser Art, wie sie z.B. aus der US 5,485,334 A oder der JP-8-203032 A bekannt sind, werden zur Messung schwacher bis mittlerer Magnetfelder eingesetzt. In Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung bezüglich der Stromflußrichtung in einem dünnen Film wird dessen ohmscher Widerstand von einem äußeren Magnetfeld beeinflußt, was zur Bestimmung dieses äußeren Feldes genutzt wird.

Durch geeignete Schaltung der aus dünnen Magnetfilmen gebildeten Widerstände kann eine Vielzahl von Störgrößen eliminiert werden. Dies geschieht beispielsweise mittels Wheatstone-Brük-kenschaltung von vier Widerstandsgruppen, wobei die spontane Magnetisierung der Filme periodisch umgekehrt (geflipt) wird (dies bewirkt eine stromdurchflossene Leiterschleife, die aus einem dünnen Flipleiter gebildet wird) und die vom zu messenden Magnetfeld bewirkte Widerstandsänderung wird als Wechselsignal am Brückenausgang abgegriffen.

Weiters ist es bekannt, das zu messende Magnetfeld am Ort des Sensors mittels Kompensationsleitern auszugleichen, wodurch der Sensor als Nullindikator arbeitet und das Ergebnis von der Sensorkennlinie in erster Näherung unabhängig ist. Flip- und Kompensationsleiter lassen sich auf einem Sensorchip integrieren und durch die Nähe der stromdurchflossenen Leiterschichten zu den Widerstandsfilmen genügen für diese Hilfsfelder bereits schwache Ströme.

Ein entscheidender Nachteil dieser Aufbauten ist aber die Tatsache, daß das im Inneren des magnetoresistiven Filmes wirkende Feld im allgemeinen geringer ist als das äußere, zu messende Magnetfeld. Dies soll im folgenden verdeutlicht werden. Die Raumlage der spontanen Magnetisierung hängt wesentlich von der geometrischen Form der Schicht ab. An der geometrischen Begrenzung des Films können freie Magnetpole auftreten, die ein Streufeld mit nicht vernachlässigbarer Energie hervorrufen. Durch geschlossene Flußringe könnten Streufelder vollkommen vermieden werden. Diese Flußringe führen aber beispielsweise bei nicht magnetostriktionsfreien Legierungszusammensetzungen zu erheblichen magnetostriktiven Verspannungen des Kristalls, sodaß im allgemeinen gänzliche Streufeldfreiheit energetisch nicht optimal ist. Darüber hinaus ist eine Domänenstruktur in magnetoresistiven Schichten wegen des schlecht reproduzierbaren Magnetisierungsprozesses ohnehin unerwünscht.

Das effektiv in der Schicht wirksame Feld Hi ergibt sich im äußeren Feld Ha mit dem entmagnetisierenden Feld He zufolge des Entmagnetisierungstensors Ne und der Magnetisierung

Mzu H, = Ha +He = Ha -Ne-M.

MdV

Ne kann man als Summe aus dem geometrischen Entmagnetisierungstensor NeG und einem Tensor Ne, darstellen, der von Inhomogenitäten in der Schicht herrührt und innerer Entmagnetisierungstensor genannt wird. Ne, kann nur statistisch berücksichtigt werden. Für die Energie im Streufeld ergibt sich:

Genaugenommen gelten diese Gleichungen nur unter der Voraussetzung, daß ein homogenes äußeres Feld eine homogene Magnetisierung in der Schicht, und diese Magnetisierung wiederum ein homogenes entmagnetisierendes Feld zur Folge hat. Exakt gilt das lediglich für homogene, ellipsoidförmige Proben. Für ein allgemeines Ellipsoid mit den Hauptachsen A, B und C in Hauptlage wird der Entmagnetisierungstensor zur Diagonalmatrix mit den Elementen Na, Nb und N0. Diese geometrischen Entmagnetisierungsfaktoren können für die drei Achsenrichtungen mittels elliptischer Integrale berechnet werden. Es gilt

Na+Nb + Nc=1. Für die Energie EF im Streufeld ergibt sich dann in Abhängigkeit von den Richtungscosinus axyz der Magnetisierung bezüglich der Ellipsoidachsen:

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Um diese sogenannte Formanisotropieenergie EF zu überwinden, muß vom äußeren Feld Arbeit geleistet werden, wodurch schließlich die Magnetisierung in Feldrichtung gedreht wird. In den Randbereichen einer beispielsweise rechteckförmigen Schicht wird darüber hinaus das innere Feld nicht homogen sein und die kohärente Rotation der Magnetisierung gestört werden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei einem Magnetfeldsensor der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gelöst. Es ergeben sich Verbesserungen der Empfindlichkeit und des Störsignalabstandes, das entmagnetisierende Feld wird minimiert und durch die homogenen Feidverhältnisse erfolgt die Drehung der spontanen Magnetisierung bis in die Randbereiche kohärent. Diese Verbesserungen werden unterstützt, wenn gemäß den Merkmalen des Anspruches 2 vorgegangen wird. Die Wirkung der Gesamtanordnung der Widerstände wird mit den Merkmalen des Anspruches 5 erhöht.

Die die Widerstände ausbildenden Schichten bzw. Filme können in mehreren Schritten aufgebracht werden, um annähernd die Raumform eines Ellipsoids oder Halbellipsoids für das Sensorfeld zu erreichen, wodurch die Feldverhältnisse im Inneren homogen sind und die Magnetisierungsdrehung auch in den Randbereichen kohärent wird. Beispielsweise kann mittels Aufdampftechnologie und verschiedener elliptischer Masken in einfacher Weise eine annähernd ellipsoid-oder halbellipsoidförmige Struktur des Sensorfeldes hergestellt werden.

Insbesondere bei der hochauflösenden Messung sehr schwacher Felder kann Sensorrauschen auftreten und erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 3 bzw. 4 vorzugehen. Vorteilhaft zur Verbesserung der Auflösung und Empfindlichkeit ist die Anwendung der Merkmale gemäß Anspruch 6.

Es ist nicht nur besonders vorteilhaft, das Sensorfeld in zumindest einer Ebene parallel zur Unterlage bzw. zum Träger elliptisch bzw. einer Ellipse angenähert auszubilden und gegebenenfalls in Folge die Raumform des Sensorfeldes insgesamt in Form eines Ellipsoides bzw. eines Halbellipsoides auszubilden, sondern es kann auch erfindungsgemäß vorgesehen sein, die einzelnen, das Sensorfeld ausbildenden Widerstände, die beabstandet auf der Unterlage angeordnet sind, in zumindest einer Ebene parallel zur Unterlage bzw. einer Ellipse angenähert auszubilden. Vorteiihafterweise wird dabei gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 vorgegangen.

Besonders einfach ist es, die ellipsoidförmige bzw. halbellipsoidförmige Struktur eines Sensor-feides aufzubauen, wenn die einzelnen, das Sensorfeld ausbildenden Widerstände aus Schichten aufgebäut sind, wobei die im Sensorfeld außen liegenden Widerstände aus weniger Schichten aufgebaut sind bzw. aus dünneren Schichten aufgebaut sind als die näher zum Mittelpunkt des Sensorfeldes gelegenen Schichten. Durch entsprechende Aufdampftechniken kann die Schichtdicke bzw. die Anzahl der Schichten, von denen ein Widerstand aufgebaut wird, nach Wunsch variiert werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 und 1a zeigen schematisch in Draufsicht und in Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor. Fig. 2 zeigt das Zusammenwirken einzelner magnetischer Größen in einem magnetisierten Eliipsoid. Fig. 3 zeigt den Betrag des entmagnetisierenden Magnetfeldes. Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau eines ellipsoidförmigen Sensorfeldes. Fig. 5 zeigt schematisch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors. Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau eines einzelnen, ellipsoidförmigen Widerstandes. Fig. 7a und 7b zeigen schematisch einen Längsund einen Querschnitt durch einen halbeliipsoiden Widerstand. Fig. 8 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Ausführungsform eines magnetoresistiven Widerstandes. Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch eine Reihe von Widerständen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Magnetfeldsensor mit prinzipiell bekanntem Aufbau. Die in Serie geschalteten, magnetischen Widerstandsfilme bzw. Widerstände 10 sind mit gut leitfähigen Barberpolstrukturen 11 mit Streifen 11a versehen, um zur Optimierung des Arbeitspunktes einen Stromfluß in etwa 45° zur spontanen Magnetisierung zu erreichen. Die Barberpolstrukturen 11 können auf der Unter- und/oder auf der Oberseite der Widerstände 10 aufgebracht sein; zumindest reicht das Aufbringen einer Barberpolstruktur auf der dem Träger bzw. der Unterlage 30 abgewandten Seite des Widerstandes 10 aus.

Ein kurzer Stromimpuls im Flipleiter bzw. in der Ummagnetisierungsleitung 12 definiert die 3

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Richtung der Magnetisierung M in den Widerständen 10. Das Feld der Kompensationsleitung 13, die aus dem Schnitt gemäß Fig. 1a ersichtlich ist, wird verwendet, um das zu messende Feld Ha am Ort der Widerstände 10 zu kompensieren. Gemäß dem schematischen Schnitt in Fig. 1a wird zwischen der Ummagnetisierungsleitung 12 und der Kompensationsleitung 13 und/oder zwischen der Kompensationsleitung 13 und dem Widerstand 10 jeweils zumindest eine Abschirmschicht 15 bzw. 18 vorgesehen bzw. ausgebildet. Diese Abschirmschicht 15 bzw. 18 kann durch eine oder mehrere elektrisch leitfähige, gegebenenfalls voneinander isolierten Filmschichten gebildet sein. Die Abschirmschichten 15 bzw. 18 sind vorteilhafterweise wechselstrommäßig geerdet. Zweckmäßig wird zumindest auf einer Seite der Abschirmschicht 15 bzw. 18 eine Isolationsschicht J ausgebildet, sodaß die Kompensationsleitung 13 und die Ummagnetisierungsleitung 12 durch die Abschirmschichten 15 bzw. 18 und die Isolationsschichten J getrennt bzw. von den Widerständen bzw. Widerstandsschichten 10 elektrisch abgeschirmt sind. Gegebenenfalls kann auch nur eine der beiden Abschirmschichten 15 oder 18 vorgesehen sein, insbesondere, wenn die wechselseitige Beeinflussung von Ummagnetisierungsleitung 12 und Kompensationsleitung 13 für das Meßergebnis ohne Bedeutung ist.

Die vorgesehenen Widerstände 10 können in Serie oder als Potentiometer oder als Brücke geschaltet werden; die Schaltung hängt von dem jeweiligen Einsatzzweck des Magnetfeldsensors ab.

Bemerkt wird, daß die Darstellungen nicht maßstabsgetreu sind.

Die erfindungsgemäße Vorgangsweise ist vorteilhafterweise auch für einfache Magnetfeldsensoren anwendbar, die lediglich aus einer magnetisch aktiven Schicht bzw. einem magnetoresisti-ven Widerstand bestehen (beispielsweise Kerne von Fluxgates, einfache magnetoresistive Widerstände, Flußleitschichten für Hallsonden...).

Fig. 2 zeigt das Zusammenwirken der Felder Ha, Hh He und M in einem magnetisierten Elli-psoid. In der langen Hauptachse wird das entmagnetisierende Feld minimal und damit die Empfindlichkeit des Sensors gesteigert.

Fig. 3 zeigt den Betrag des entmagnetisierenden Feldes He einer stabförmigen (langes Elli-psoid) und einer scheibenförmigen Probe (flaches Ellipsoid).

Sowohl längs der Stabachse als auch in der Scheibenebene wird Ha minimal.

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau eines ellipsoidförmigen Sensorfeldes 40. Das Sensorfeld 40 besitzt einen elliptischen Umriß 41 in einer zum Träger 30 parallelen Ebene. Diese Ellipse besitzt eine große Achse A und eine kleine Achse B. Innerhalb dieses ellipsenförmigen Umrisses 41 sind eine Vielzahl von Widerständen 10 angeordnet und insgesamt angenähert die Fläche einer Ellipse ausfüllen. Die ellipsenförmigen Widerstände 10 liegen dabei mit ihrer längeren Achse A senkrecht zur langen Achse A der Ellipse 41 bzw. verläuft die lange Achse A der beabstandet angeordneten Widerstände 10 parallel zur kurzen Achse B des Sensorfeldes 40. Wie schematisch dargestellt, besitzt das Sensorfeld 40 in einem Schnitt parallel zur Achse A und parallel zur Achse B vorteilhaft ebenfalls elliptische Querschnittsform bzw. eine einer Ellipse möglichst angenäherte Querschnittsform. In diesem Zusammenhang wird bemerkt, daß das Sensorfeld 40 auch die Form eines Halbellipsoides aufweisen kann bzw. daß in diesem Fall die Schnittebenen längs den Achsen A und B die Umrißform einer Halbellipse aufweisen bzw. dieser Umrißform möglichst angenähert sind.

Durch entsprechende Variation der Dicken bzw. Höhen h der einzelnen Widerstände 10 auf dem Träger 30 oder Aufbau von Eliipsoiden in einer Trägerschicht wird die gewünschte Querschnittsform des Sensorfeldes 40 in Ebenen parallel zu den Achsen A und B erreicht.

Bei der Herstellung eines derartigen Sensorfeldes 40 wird auf einer Unterlage 30 vorerst eine Anzahl von vorzugsweise ellipsenförmigen oder angenähert ellipsenförmigen Umfang aufweisenden magnetoresistiven Widerstände 10 aufgebracht und zwar derart, daß diese Widerstände in den Richtungen der Achsen A und B des Sensorfeldes 40 parallel bzw. zueinander senkrecht ausgerichtet sind.

Wie in Fig. 9 dargestellt, wird auf einem Träger 30 zuerst die unterste Schicht 21 eines Widerstandes 10 aufgebracht, wobei auf diese Schicht 21 jeweils weitere Schichten 23, 25 usw. aufgebracht werden. Diese weiteren Schichten 23, 25, 27 weisen insbesondere bezüglich der Halbachsen geringere Abmessungen auf. Die Dicke und die Länge der Halbachsen der Schichten 21, 23, 25, 27 werden so aufeinander abgestimmt, daß sich in den jeweiligen Seiten- bzw. Schnittansichten für die Widerstände 10 elliptische Querschnittsformen ergeben, wie dies insbesondere in 4

AT 407 803 B den Fig. 7a und 7b näher dargestellt ist. Es ist vorteilhaft, wenn nicht nur das Sensorfeld 40 elli-psoide bzw. halbellipsoide Form aufweist, sondern auch die einzelnen das Sensorfeld ausbildenden Widerstände 10 ellipsoide oder halbellipsoide Form aufweisen. Fig. 9 zeigt einen Schnitt längs der Achse B eines Sensorfeldes 40 gemäß Fig. 4, wobei die außenliegenden Widerstände 10 aus zwei Schichten 21, 23 aufgebaut sind; die weiter innenliegende Reihe von Widerständen besteht aus drei Schichten 21, 23 und 25; die innenliegende Schicht besteht aus vier Schichten 21, 23, 25 und 27; von dieser mittleren Schicht nimmt die Zahl der Schichten der einzelnen Widerstände 10 nach außen zu wieder ab. Ein ähnlicher Aufbau der Widerstände kann auch längs der einzelnen Reihen von Widerständen parallel zur Achse A vorgenommen werden. Da die Dicke der einzelnen Schichten ebenfalls variiert werden kann, können bei der Vielzahl der längs der Achse A vorhandenen Widerstände 10 die Schichten der in den äußeren Bereichen des Sensorfeldes 40 liegenden Widerstände dünner sein bzw. geringere Höhe h aufweisen bzw. kann der Dickenzuwachs in Richtung der Achse B anders als in Richtung der Achse A sein. Letztlich sollten jedoch die am äußeren Umfang des elliptischen Sensorfeldes gelegenen Widerstände untereinander in etwa gleiche Höhe aufweisen bzw. die im mittleren Bereich der Ellipse gelegenen Widerstände 10 untereinander im wesentlichen vergleichbare Höhe aufweisen.

Die Annäherung an die Form eines Halbeilipsoides ist für das Sensorfeld einfacher zu realisieren, denn bei der Herstellung der unteren Hälfte eines Eliipsoides werden an die magnetoresistive Schicht angrenzende Stützschichten notwendig, um ellipsenförmige Schichten mit ansteigenden Halbachsen planar aufbringen zu können. Wesentlich ist jedenfalls, daß die Widerstände 10 in der Mitte des Sensorfeldes dicker als jene in den Randzonen sind, wodurch der annähernd ellipsoide Aufbau des Sensorfeldes gewährleistet ist und gleichzeitig eine annähernd homogene Feldverteilung innerhalb des Sensors erreicht wird.

Die Anzahl der die Widerstände 10 ausbildenden Schichten ist von der geforderten Genauigkeit und vom Herstellungsaufwand abhängig. Das Achsenverhäitnis bzw. die Achsen A, B und C des Sensorfeldes 40 sind in Fig. 4 nicht maßstabsgetreu, sondern übertrieben dargestellt. Um einen geringen Entmagnetisierungsfaktor in der Ebene des Sensorfeldes 40 zu erreichen, wird das Ellipsoid vorteilhafterweise sehr flach gestaltet. Aus diesem Grund wird man in vielen Fällen bereits mit drei Schichten für die Widerstände 10 das Auslangen finden.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor ähnlich Fig. 1a, in dem zwischen den dünnen Schichten 10, 18, 13, 15 und 12 jeweils Passivierungsschichten P und/oder Haftschichten H und/oder Isolationsschichten J, letztere, insbesondere zur Isolation der Abschirmschichten 15, 18 angeordnet sind. Je nach der gewünschten Abschirmwirkung werden ein oder zwei Abschirmschichten 15 bzw. 18 vorgesehen. Je nach den eingesetzten Materialien und Art der Herstellung werden diese Schichten durch entsprechende Haftvermittlerschichten H und/oder Passivierungsschichten P miteinander verbunden, um einen kompakten und die jeweils vorhandenen Schichten gegeneinander elektrisch isolierenden Aufbau zu erreichen.

Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau eines ellipsoidförmigen Widerstandes 10. Auf der vorgesehenen Unterlage 30 bzw. dem Träger wird eine unterste magnetoresistive Schicht 21 vorzugsweise mit elliptischem Umriß aufgebracht, wobei durch Vornahme entsprechender Maskierungen und Beschichtungen eine nichtmagnetische Schicht 22 gleicher Stärken um diese Schicht 21 herum angeordnet wird. Im nächsten Beschichtungsschritt wird auf diese aufgebrachten Schichten 21, 22 direkt oberhalb der ersten Schicht 21 eine weitere Schicht 23, vorzugsweise elliptische Schicht mit größeren Halbachsen, aufgebracht, an deren Berandung eine weitere, nichtmagnetische Schicht 24 anschließt, usw. Auf diese Weise ist es möglich, einen zumindest senkrecht und quer zur Unterlage 30 ellipsoidförmigen Widerstand 10 herzustellen. Vorteilhaft werden die Dicke der einzelnen Schichten und die Länge der Halbachsen der vorzugsweise auch parallel zur Unterlage 30 ellipsenförmigen Schichten 21, 23,.....dabei so aufeinander abgestimmt, daß sich in allen

Seitenansichten ein annähernd elliptischer Querschnitt ergibt und damit die Raumform eines Ellipsoids möglichst gut angenähert ist.

Der Aufbau eines Halbellipsoids erfolgt in der gleichen Weise, nur daß mit der den größten elliptischen Umriß aufweisenden Schicht als Basisschicht begonnen wird und darauf jeweils bezüglich der Halbachsen a bzw. b kleinere Schichten aufgebracht werden.

Die Anzahl der Schichten wird von der geforderten Genauigkeit und vom Herstellungsaufwand bestimmt. Das Achsenverhältnis der Ellipsen ist in Fig. 2 und 4a bzw. 4b übertrieben dargestellt. 5

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Um einen geringen Entmagnetisierungsfaktor in der Filmebene zu erreichen, wird das Ellipsoid vorteilhafterweise sehr flach ausgestaltet. In den meisten Fällen wird man bereits mit nur drei Schichten ausreichend homogene Felder in der Widerstandsschicht 10 erreichen.

Der Aufbau des Sensorfeldes 40 erfolgt derart, daß gleichzeitig eine Mehrzahl von Widerständen 10 auf einem Träger in entsprechender Weise ellipsoidförmig oder halbellipsoidförmig ausgebildet wird.

In den Fig. 7a und 7b sind ein Längsschnitt und ein Querschnitt durch einen, einem Halbellisoid angenäherten, von drei Schichten aufgebauten Widerstand 10 dargestellt. Man erkennt, daß man mit bereits drei Schichten, die allenfalls auch bezüglich ihrer Höhe bzw. Dicke h variiert bzw. abgestuft werden können, ein flaches Halbellipsoid gut hersteilen bzw. annähern kann.

Fig. 8 zeigt schematisch in einer Seitenansicht den Aufbau einer Widerstandsschicht bzw. eines Widerstandes 10, der auf einer Unterlage 30 aufgebaut ist. An die unterste Schicht 21 des Widerstandes 10 sind in beiden Endbereichen Stromzuführungen 31, 32 angeschlossen, welche die Widerstandsschicht 21 im Endbereich unten und oben übergreifen. Zwischenschichten wie z.B. Passivierungs- und/oder Haftvermittlerschichten wurden zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Auch die Schichtdicken sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. Auf dem elektrisch isolierenden Substrat bzw. der Unterlage 30 können die unteren Stromzuführungen 31 beispielsweise mittels Sputtern aufgebracht werden, wobei im vorliegenden Fall auf die unteren Barberpolstruktu-ren verzichtet wurde. Auf der oberen Fläche des magnetoresistiven Filmes der untersten Schicht 21 sind die Barberpolstreifen 11a und in den Endbereichen die obere Stromzuführung 32 aufgebracht.

In die durch die Erhebung bzw. Stufe 34 für den Anschluß der Stromzu- bzw. -abführungen 31, 32 ausgebildete Vertiefung 35 in der untersten Schicht 21 kann zur Homogenisierung des inneren Feldes die nächstfolgende magnetoresistive Schicht 23 teilweise eingebracht werden, womit die gewünschte Form des Ellipsoids bzw. Halbeliipsoids angenähert wird. Da diese Schicht 23 auf ihrer Außenseite die Struktur der Streifen 11a wiedergibt, wird die Annäherung an einen elliptischen Umrißverlauf verbessert. Auch die Abstufung in der Schicht 21 durch die untere Stromzuführung 31 trägt dazu bei. Bereits diese zwei Schichten 21, 23 ergeben einen relativ guten, einem Ellipsoid angenäherten Aufbau, über dem die Isolationsschicht J aufgebracht wird, auf welche Isolationsschicht J die weiteren Schichten, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 und 5 dargestellt, folgen.

Wenn die Schicht 23 weggelassen wird, bzw. keine weiteren Schichten aufgebracht werden, dann ergibt die magnetfeldkompensierende Stromzuführung 31, 32 auch für nicht ellipsoide Widerstände 10 Vorteile.

In Fig. 1 sind die Widerstände 10 in Längsrichtung rechteckförmig dargestellt; dies erfolgt aus zeichnerischen Gründen. Vorteilhafterweise zeigen die Widerstände 10 in einer Ebene parallel zur Unterlage 30 elliptischen Querschnitt. Man erkennt, daß die Stromzuführungen 31, 32 bezüglich der Längsachse LA durch die einzelnen Widerstände 10 seitlich versetzt angeordnet sind. Dabei erfolgt diese seitlich versetzte Anordnung bei einander gegenüberliegenden Endbereichen der Widerstände 10 jeweils auf die gleiche Seite dieser Widerstände 10 bzw. auf die gleiche Seite der Längsachse LA. Die Stromzuführungen 31 und 32 sind somit dem mittleren Bereich des jeweils ersten Barberpolstreifens 11a angenähert. Der Strom durch den bzw. jeden Widerstand 10 soll möglichst einen Winkel von 40 - 50°, insbesondere von 45° mit der Magnetisierung (die parallel zur Längsachse liegt) einschließen. Dies wird durch die in Fig. 1 dargestellte Anschlußgeometrie der Stromzu- bzw. -ableitungen 31, 32 erreicht.

Durch diese erfinderischen Maßnahmen ist es möglich, die durch den Stromfluß entstehenden Magnetfelder optimal zu kompensieren und es werden insgesamt Verbesserungen des Störsignal-Abstandes von magnetoresistiven Magnetfeldsensoren erreicht. Die ohm’schen und kapazitiven Rückwirkungen der Kompensationsleitung 13 und der Ummagnetisierungsleitung 12 aufeinander und auf die Widerstandsfilme 10 wird durch die Abschirmschichten 15, 18 vermieden, die zwischen diesen Ebenen angeordnet sind. Das Sensorrauschen wird insbesondere durch die ellipsoid- bzw. halbellipsoidförmige Form der Widerstände 10 herabgesetzt, da in diesem Fall die Drehung der spontanen Magnetisierung bis in die Randbereiche kohärent erfolgt. Die durch die Stromzuführungen 31 und 32 und die Barberpolstrukturen 11 erzeugten störenden Magnetfelder im Bereich der Widerstände 10 werden durch den doppelseitigen Anschluß und durch eine zu den Barberpol- 6

Claims (16)

1. AT 407 803 B Strukturen 11 parallele Einkopplung des Stromflusses vermieden. Es wird festgehalten, daß durch die ellipsoidförmige bzw. halbellipsoidförmige Ausbildung der Widerstände der Effekt bzw. die Wirkung unterstützt wird, welche durch die Anordnung der einzelnen Widerstände in Form eines ellipsoidförmigen oder halbellipsoidförmigen Sensorfeldes 40 er-5 reicht wird. In einem erfindungsgemäß ausgebildeten Sensorfeld 40 werden etwa 100 bis 1000 Widerstände 10 angeordnet. Die Widerstände 10 sind in gleichen bzw. regelmäßigen, gegenseitigen Abständen insbesondere in Form eines regelmäßigen Netzes im Sensorfeld 40 angeordnet. 10PATENTANSPRÜCHE: 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Magnetfeldsensor mit einer Vielzahl von auf einem Träger oder einer Unterlage (30) zur Ausbildung eines Sensorfeldes angeordneten magnetoresistiven Widerständen (10), die mit einer Ummagnetisierungsleitung (12) und/oder einer Kompensationsleitung (13) ausgestattet und gegebenenfalls mit zueinander parallel verlaufende Streifen (11a) aufweisenden Barberpolstrukturen (11) auf der der Unterlage (30) zugewandten und der abgewandten Seite des jeweiligen Widerstandes (10) ausgebildet sind, wobei vorzugsweise zwischen der Kompensationsleitung (13) und den jeweiligen Widerständen (10) und/oder zwischen der Ummagnetisierungsleitung (12) und den jeweiligen Widerständen (10) zumindest eine elektrisch leitfähige, gegenüber den anderen Schichten elektrisch isoliert angeordnete, insbesondere wechselstrommäßig geerdete Abschirmschicht (15) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtumriß (21) des von einer Vielzahl von magnetoresistiven Widerständen (10) gebildeten Sensorfeldes (40) bzw. der von der Vielzahl der Widerstände (10) eingenommene magnetisch aktive Bereich des Sensors (40) in einer Ebene parallel zum Träger oder zur Unterlage (30) den Umriß bzw. die Umfangsform (41) einer Ellipse aufweist oder dem Umriß bzw. der Umfangsform einer Ellipse angenähert ist.
2. 2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der spontanen Magnetisierung (M) bzw. die große Achse (a) der einzelnen Widerstände (10) senkrecht zur Längsrichtung des Sensorfeldes (40) bzw. senkrecht zur großen Achse (A) des ellipsenförmigen Umrisses (41) des Sensorfeldes (40) verläuft.
3. 3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umriß bzw. die Dicke des von einzelnen räumlich beabstandet angeordneten Widerständen (10) gebildeten Sensorfeldes (40), zumindest in einer zum Träger (30) senkrechten Ebene ellipsenförmigen oder halbellipsenförmigen Verlauf besitzt oder dem Verlauf einer Ellipse oder Halbellipse angenähert ist.
4. 4. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umriß bzw. die Dicke des von einzelnen räumlich beabstandet angeordneten Widerständen (10) gebildeten Sensorfeldes (40) in zwei zueinander orthogonalen, jeweils zum Träger (30) senkrechten Ebenen, und zwar in einer Ebene senkrecht zum Träger (30) und senkrecht zur Magnetisierung (M) und/oder in einer Ebene senkrecht zum Träger (30) und parallel zur Magnetisierung (M) ellipsenförmigen oder halbellipsenförmigen Verlauf besitzt oder dem Verlauf einer Ellipse oder Halbellipse angenähert ist.
5. 5. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Sensorfeld (40) bildenden Widerstände (10) in ihrer Gesamtheit zumindest angenähert ein Ellipsoid oder Halbellipsoid ausbilden.
6. 6. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Achsen (A, B) der Ellipse in einem Bereich von A:B = 1,5:1 bis A:B = 10:1 liegt und daß das Verhältnis der beiden in einer Ebene parallel zur Unterlage (30) gelegenen Achsen (A, B) zur senkrecht zur Ebene des Trägers (30) stehenden dritten Achse (C) im Bereich von A:C bzw. B:C = 500:1 bis 5000:1 beträgt.
7. 7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, magnetoresistiven Widerstände (10) in Ebenen parallel zur Unterlage rechteckförmigein) oder elliptische(n) oder angenähert elliptische(n) Umriß bzw. Umfangsform besitzen. 7 55 AT 407 803 B
8. 8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Widerstande (10) aus mehreren, insbesondere zumindest zwei oder drei, aufeinander aufgebrachten magnetoresistiven Schichten (21,12, 25) bestehen.
9. 9. Magnetfeldsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Widerstand (10) ausbildenden, aufeinanderfolgend aufgebrachten dünnen Schichten (23, 25) bezüglich der Länge ihrer Halbachsen (a, b) und/oder bezüglich ihrer Dicke (h) gegenüber der jeweils unmittelbar vorangehend aufgebrachten bzw. darunterliegenden Schicht (21, 23) verringert sind.
10. 10. Magnetfeldsensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander aufgebrachten Schichten (21, 23,.....) der Widerstände (10) in einer senkrecht zu der Unterlage und in Längsrichtung der Schichten (21,23......) erstreckenden Ebene und/oder in einer senkrecht zu der Unterlage (30) und quer zur Längsrichtung der Schichten (21, 23......) verlaufenden Ebene die Querschnittsform (35) einer Ellipse oder einer Halbellipse oder eine einer Ellipse oder Halbellipse angenäherte Querschnittsform aufweisen.
11. 11. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem jeweiligen Widerstand (10) ausgebildete oder angenäherte Ellipsoid oder Halb-ellipsoid mit Halbachsen (a, b) in einer Ebene parallel zur Unterlage (30) und einer dritten senkrecht zur Unterlage (30) stehenden Halbachse (c) ein Achsenverhältnis a:c von größer als 200:1, vorzugsweise von größer als 1000:1, insbesondere von etwa 2000:1, und ein Achsenverhältnis b:c von größer als 100:1, vorzugsweise von größer als 500:1, insbesondere von etwa 1000:1 aufweist.
12. 12. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Endbereiche der jeweiligen Widerstände (10) angeschlossene Stromzuführungen (31, 32) den Widerstand (10) in dem jeweiligen Endbereich von oben und von unten umfassen bzw. an die Ober- und Unterseite des jeweiligen Endbereiches angeschlossen sind.
13. 13. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Endbereiche der jeweiligen Widerstände (10) angeschlossene Stromzuführungen (21, 32) bezüglich der Längsachse (LA) des Widerstandes (10) auf unterschiedliche Seiten der Längsachse (LA) hin versetzt angeschlossen sind.
14. 14. Magnetfeldsensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußenden der an die beiden Endbereiche des jeweiligen Widerstandes (10) angeschlossenen Stromzuführungen (31, 32) jeweils parallel zu den Streifen (11a) der Barberpolstruktur (11) verlaufend ausgebildet sind.
15. 15. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Widerstände (10) im Sensorfeld (40) in Längs- und/oder in Querrichtung in parallelen Reihen angeordnet sind.
16. 16. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die im äußeren Bereich des Sensorfeldes (40) gelegenen Widerstände (10) mit einer geringeren Anzahl von Schichten (21, 23......) aufgebaut sind als die im Zentrum gelegenen Widerstände (10). HIEZU 9 BLATT ZEICHNUNGEN 8