DD260773A1 - Magnetfeldsensor aus mindestens zwei sich im magnetfeld gegenlaeufig aendernden widerstandselementen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Sensor, der zur Magnetfeldmessung, zur potentialfreien Strom- und Spannungsmessung, zur Positions- und Winkelmessung sowie als Schalt- und Regelelement benutzt werden kann. Der Sensor besteht aus mindestens zwei sich im Magnetfeld gegenlaeufig aendernden Widerstandselementen, die jeweils aus mehreren magnetoresistiven Duennschichtstreifen aufgebaut sind. Zur Vergroesserung des linearen Aussteuerbereiches enthaelt erfindungsgemaess jedes Widerstandselement mindestens einen Duennschichtstreifen, der eine gegenlaeufige Widerstandsaenderung und eine leichtere Drehbarkeit seiner Magnetisierungsrichtung gegenueber den anderen Streifen desselben Widerstandselementes aufweist. Das Wesen der Erfindung ist am besten der Figur 1 zu entnehmen. Fig. 1

Description

möglichen Ausgangsspannung des Sensors. So wird durch die beschriebene Anordnung zwar erreicht, daß ein relativ größerer Bereich des Meßbereiches linear mit dem verursachenden Magnetfeld zusammenhängt, eine absolute Vergrößerung des linearen Aussteuerbereiches liegt aber trotzdem nicht vor.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Anordnung eines magnetoresistiven Sensors anzugeben, der bei hohem Widerstand durch einen linearen Zusammenhang zwischen dem zu messenden Magnetfeld und dem Sensorausgangssignal charakterisiert ist und der das durch das magnetoresistive Material bedingte maximale Ausgangssignal aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetoresistiven Sensor mit linearer Magnetfeld-Ausgangsspannungs-Kennlinie zu schaffen, für dessen Herstellung keine zusätzlichen Fertigungsschritte erforderlich sind und bei dem durch die Linearisierung keine Verminderung des maximalen Ausgangssignales verursacht wird. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Magnetfeldsensor aus mindestens zwei sich im Magnetfeld gegenläufig ändernden Widerstandselementen, die jeweils aus einer Gruppe in Reihe geschalteter magnetoresistiver Dünnschichtstreifen bestehen, erfindungsgemäß in jeder Gruppe mindestens einer der Dünnschichtstreifen eine gegenläufige Widerstandsänderung und eine leichter drehbare Magnetisierungsrichtung gegenüber den anderen Dünnschichtstreifen derselben Gruppe aufweist.

Durch die Verwendung von mindestens zwei sich im Magnetfeld gegenläufig ändernden Widerstandselementen für den Sensor und einer entsprechenden Differenzspannungsmessung wird die Wirkung des nichtlinearen Restanteils gleichsinniger Widerstandsänderung der magnetoresistiven Dünnschichtstreifen eliminiert.

Bei den einzelnen Dünnschichtstreifen besteht ohne Anlegen eines äußeren Magnetfeldes ein Winkel von etwa 45° zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung. Bei einem Winkel von 0° ist der Streifenwiderstand maximal, bei 90° minimal. In der ersten Gruppe von Dünnschichtstreifen wird mit Ausnahme mindestens eines Dünnschichtstreifens durch das angelegte Magnetfeld der Winkel von etwa 45° aus verkleinert, was zu einer Widerstandszunahme mit nichtlinearem Anteil führt. Bei mindestens einem Dünnschichtstreifen der Gruppe wird durch das angelegte Magnetfeld der Winkel von etwa 45° aus vergrößert, was zu einer Widerstandsabnahme führt. Dieser Dünnschichtstreifen hat einen wesentlich geringeren Widerstand als die übrigen Dünnschichtstreifen der Gruppe zusammen und seine Magnetisierungsrichtung ist im Magnetfeld leichter drehbar als die der übrigen. Infolge der geeigneten Dimensionierung seines Widerstandsanteiles und der Drehbarkeit seiner Magnetisierungsrichtung wird durch seine Widerstandsänderung gerade der nichtlineare Anteil der Widerstandsänderung der übrigen Dünnschichtstreifen derselben Gruppe aufgehoben. Die Dimensionierung kann nach bekannten Berechnungsverfahren erfolgen, deren Grundlagen zum Beispiel in U. Dibbern „Magneticfield sensors using the magnetoresistive effects" Sensors and Actuators 10(1986) 127-140 beschrieben werden. Die Drehbarkeit der Magnetisierung muß etwa um soviel leichter erfolgen, daß bei einer angelegten Feldstärke, die in der Mehrzahl der Streifen der Gruppe eine Drehung der Magnetisierung um etwa hervorruft, in dem sich gegenläufig ändernden Streifen die Magnetisierungsrichtung bereits um etwa 90° gedreht ist. Das angelegte Feld kann den Winkel nicht über 90° hinaus vergrößern, und so tritt kaum noch eine Widerstandsänderung gegenüber dem Zustand ohne angelegtes Magnetfeld auf. Dadurch wird die gesamte Widerstandsänderung der Mehrzahl der Dünnschichtstreifen der Gruppe voll wirksam.

In der zweiten Gruppe von Dünnschichtstreifen wird durch das angelegte Magnetfeld in der Mehrzahl der Streifen der Winkel zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung von 45° aus vergrößert, was zu einer Widerstandszunahme führt. Bis auf die gegenläufigen Richtungen der Widerstandsänderungen gilt hier entsprechend die Beschreibung des Verhaltens der ersten . Gruppe. ·

Die leichtere Drehbarkeit der Magnetisierungsrichtung der Dünnschichtstreifen mit gegenläufiger Widerstandsänderung in jeder Gruppe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei gleicher Streifenbreite eine geringere Schichtdicke benutzt wird. In einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung ist für diese Dünnschichtstreifen bei gleicher Schichtdicke eine größere Streifenbreite vorhanden. In beiden Fällen wird durch den Unterschied in der geometrischen Dimensionierung gegenüber den anderen Streifen ein Absinken der Formanisotropie der Streifen erreicht und so die leichtere Drehbarkeit im angelegten Magnetfeld gesichert.

Vorzugsweise sind die hintereinandergeschalteten magnetoresistiven Dünnschichtstreifen jeder Gruppe mit Leitschichtstreifen versehen, deren Längsrichtung mit der der magnetoresistiven Streifen einen bestimmten Winkel bildet. Bei den Dünnschichtstreifen mit gegenläufiger Widerstandsänderung hat dieser Winkel denselben Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen. Die Gegenläufigkeit der Widerstandsänderung der ganzen Gruppe gegen die zweite Gruppe wird ebenso durch das entsprechend entgegengesetzte Vorzeichen des genannten Winkels bewirkt. Der Sensor ist dann aus einer Anzahl vorzugsweise parallel angeordneter magnetoresistiver Dünnschichtstreifen, die mit Leitschichtstreifen des entsprechenden Winkels versehen sind, aufgebaut, wobei die sich widerstandsmäßig gegenläufig ändernden Dünnschichtstreifen jeder Gruppe eine geringere Dicke oder eine größere Breite haben. Diese Anordnung ist ohne zusätzlichen Aufwand an Herstellungsschritten gegenüber nichtlinearisierten magnetoresistiven Sensoren herstellbar.

Ausführungsbeispiel '

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Figur 1 einen Magnetfeldsensor, bestehend aus hintereinandergeschalteten magnetoresistiven Schichtstreifen, die zwei Gruppen bilden, die sich im Magnetfeld widerstandsmäßig gegenläufig ändern. In Figur 2 ist die Widerstandsänderung der verschiedenen Schichtstreifen einer Gruppe dargestellt.

Die erste Gruppe zwischen dem Kontakt zur Stromeinspeisung 3 und dem Kontakt der Ausgangsspannung 5 besteht aus mehreren schmalen magnetoresistiven Schichtstreifen 1 und einem breiten magnetoresistiven Schichtstreifen 2. In der

Zeichnung sind der Einfachheit halber nur drei schmale magnetoresistive Schichtstreifen 1 dargestellt; in wirklichen Anordnungen werden etwa 10 Streifen mit einem Längen-Breiten-Verhältnis von 50 bis lOObenutzt. Auf den magnetoresistiven Schichtstreifen 1,2 befinden sich Leitschichtstreifen 6. Diese bilden mit den schmalen magnetoresistiven Schichtstreifen 1 einen Winkel 7 von etwa 45° und mit den breiten magnetoresistiven Schichtstreifen 2 einen Winkel 8 von —45°. Die Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen 1,2 hat ohne angelegtes Magnetfeld die durch M₀ gekennzeichnete Richtung. Durch Anlegen eines Magnetfeldes H wird die Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen 1,2 nach links gedreht. Dadurch nimmt der Winkel zwischen Stromrichtung und Magnetisierungsrichtung bei den schmalen magnetoresistiven Schichtstreifen 1 ab und ihr Widerstand steigt an. Die Widerstandszunahme AR in Abhängigkeit vom Magnetfeld H ist in Figur 2 als Kurve 9 dargestellt. Beim breiten magnetoresistiven Schichtstreifen 2 der ersten Gruppe wird bei gleichem Feld H der Winkel zwischen Stromrichtung und Magnetisierungsrichtung vergrößert, was zu einer Widerstandsabnahme führt. Diese Widerstandsabnahme AR ist in Figur 2 als Kurve 10 enthalten. Die Breite des breiten magnetoresistiven Schichtsteifens 2 ist dabei so gewählt, daß seine maximale Widerstandsänderung bereits bei einer Feldstärke auftritt, die 70% derjenigen entspricht, bei der auch die schmalen magnetoresistiven Schichtstreifen 1 ihre maximale Widerstandsänderung erreichen. Die Länge des breiten magnetoresistiven Schichtstreifens 2 ist so gewählt, daß seine maximale Widerstandsänderung etwa der Abweichung der Widerstandsänderung aller schmalen magnetoresistiven Schichtstreifen 1 von einer Geraden 11 entspricht, die den Nullpunkt im Diagramm der Figur 2 und das Maximum der Kurve 9 verbindet. Auf diese Weise entsteht für die Widerstandsänderung der ganzen Gruppe zwischen dem Kontakt 3 für Stromeinspeisung und dem Kontakt für die Ausgangsspannung 5 etwa die durch die Gerade 11 dargestellte Abhängigkeit vom Magnetfeld H.

Da die Gruppe von Streifen zwischen dem Kontakt für die Ausgangsspannung 5 und dem Kontakt für Stromeinspeisung 4 dazu spiegelsymmetrisch aufgebaut ist, ergibt sich für diese auch eine etwa lineare Widerstandsänderung mit dem Magnetfeld, die zu der der ersten Gruppe spiegelsymmetrisch ist. Bei Betrieb des Sensors durch Anlegen einer konstanten Spannung an die Kontakte für Stromeinspeisung 3,4 ändert sich so die Spannung am Kontakt für Ausgangsspannung etwa linear mit dem angelegten Magnetfeld H. Der Aussteuerbereich entspricht dabei dem, der bei Vorhandensein der schmalen magnetoresistiven Schichtstreifen 1 allein auch auftreten würde. Da die breiten magnetoresistiven Schichtstreifen denselben Schichtaufbau haben wie die schmalen magnetoresistiven Schichtstreifen 1, ist der linearisierte Magnetfeldersensor ohne zusätzlichen Aufwand an Fertigungsschritten herstellbar.

Claims (4)

- I - £OU I Patentansprüche:

1. Magnetfeldsensor aus mindestens zwei sich im Magnetfeld gegenläufig ändernden Widerstandselementen, die jeweils aus einer Gruppe in Reihe geschalteter magnetoresistor Dünnschichtstreifen (1, 2) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des linearen Aussteuerbereiches in jeder Gruppe mindestens einer der Dünnschichtstreifen (2) eine gegenläufige Widerstandsänderung und eine leichter drehbare Magnetisierungsrichtung gegenüber den anderen Dünnschichtstreifen derselben Gruppe aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen einer leichteren Drehbarkeit der Magnetisierungsrichtung der Dünnschichtstreifen (2) mit gegenläufiger Widerstandsänderung eine kleinere Schichtdicke besitzt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen einer leichteren Drehbarkeit der Magnetisierungsrichtung der Dünnschichtstreifen (2) mit gegenläufiger Widerstandsänderung eine größere Breite als die übrigen Dünnschichtstreifen (1) besitzt.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinandergeschalteten magnetoresistiven Dünnschichtstreifen (1,2) jeder Gruppe mit Leitschichtstreifen (6) versehen sind, deren Längsrichtung mit der der Dünnschichtstreifen (1) einen bestimmten Winkel (7) bildet und bei den Dünnschichtstreifen (2) mit gegenläufiger Widerstandsänderung dieser Winkel (8) denselben Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Magnetoresistive Sensoren werden zur Messung von magnetischen Feldern und deren Gradienten eingesetzt. Sie finden bei der potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselströmen Anwendung. Sie können in Kombination mit billigen Magneten bei der empfindlichen Positions- und Winkelbestimmung benutzt werden. Weiterhin kommen sie als Hauptbestandteil elektronischer Schalt- und Regelelemente zum Einsatz.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Magnetfeldsensoren aus mindestens zwei sich im Magnetfeld gegenläufig ändernden Widerstandselementen sind bekannt (z. B. Patentschrift US 3546579). Dabei wird die Gegenläufigkeit der Widerstandsänderung der magnetoresistiven Widerstandselemente durch entgegengesetzt gerichtete Magnetisierungen derselben sowie durch einen Winkel zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung von 45° ohne angelegtes Magnetfeld realisiert. Anordnungen dieser Art haben den Nachteil, daß bereits sehr geringe Störfelder ausreichen, die entgegengesetzt gerichtete Magnetisierung aufzuheben, daß der Widerstand der magnetoresistiven Elemente wegen des Winkels von.45° zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung auf einen zu geringen Wert beschränkt ist und daß die Linearität des Zusammenhanges zwischen Magnetfeld und Sensorausgangssignal auf kleine Magnetfelder beschränkt ist. Als Sensorausgangssignal wird bei zwei parallelen magnetoresistiven Widerstandselementen die Spannungsdifferenz zwischen den Enden der Widerstandselemente, bei zwei hintereinandergeschalteten Widerstandselementen die Differenz zwischen der Spannung am Verbindungspunkt beider Widerstandselemente zu einer konstanten Vergleichsspannung und bei einer Brückenschaltung die Brückenausgangsspannung verstanden.

Eine wesentliche Verbesserung der Sensoren wird dadurch erreicht, daß die magnetoresistiven Widerstandselemente durch Anordnungen dargestellt werden, wie sie in der Auslegeschrift DD 2512525 beschrieben sind. Danach bestehen die Widerstandselemente aus untereinander gleichen magnetoresistiven Dünnschichtstreifen, die alle dieselbe Magnetisierungsrichtung haben und auf denen unter einem Winkel mit einem Betrag von etwa 45° gegen die Längsrichtung geneigte Schichtstreifen mit hoher Leitfähigkeit in relativ geringem Abstand voneinander angebracht sind, so daß die Stromrichtung ebenfalls um etwa einen Betrag von 45° gegen die Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen gedreht ist. Die Gegenläufigkeit der Widerstandsänderung der Schichtstreifen im Magnetfeld wird dadurch gesichert, daß auf den entsprechenden Widerstandselementen Leitschichtsteifen mit Winkel von gleichem Betrag aber mit entgegengesetztem Vorzeichen vorhanden sind. Sensoren dieser Anordnung weisen die Nachteile der hohen Störanfälligkeit und des geringen Widerstandes nicht mehr auf. Jedoch ist der Bereich des linearen Zusammenhanges zwischen Magnetfeld und Ausgangssignal weiterhin stark begrenzt. So können bei einer Linearitätsabweichung von 1 % nur etwa 30% des Gesamtmeßbereiches und bei 5% auch nur 60% des Gesamtmeßbereiches genutzt werden.

Eine Möglichkeit der Vergrößerung des Bereiches der Linearität wird in den Patentschriften US 4321460 und US 4425593 angegeben. Durch Überdecken der Randgebiete der mit Leitschichtstreifen versehenen magnetoresistiven Streifen mit hochpermeablem Material wird verhindert, daß in diesen Gebieten die widerstandsverändernde Drehung der Magnetisierungsrichtung durch das angelegte Magnetfeld stattfinden kann. Damit entfällt in der Magnetfeld-Ausgangsspannungs-Kennlinie der Anteil der Nichtlinearität, der durch Abweichung der Stromrichtung von einem Winkel von 45° gegen die Streifenlängsrichtung auftritt. Solche Abweichungen sind in den Randbereichen der Schichtstreifen unvermeidlich, am Schichtstreifenrand fließt der Strom stets in Streifenlängsrichtung. Als nachteilig erweist sich neben dem zusätzlichen Herstellungsaufwand hierbei, daß die abgedeckten Randbereiche nun zur Widerstandsänderung nichts mehr beitragen, wohl aber am Gesamtwiderstand wesentlich beteiligt sind. Das führt zu einem erheblichen Absenken der maximal