DD275745A1

DD275745A1 - Magnetisches feldeffekt-bauelement mit vier in einer brueckenschaltung angeordneten magnetfeldabhaengigen widerstaenden

Info

Publication number: DD275745A1
Application number: DD88320120A
Authority: DD
Inventors: Fritz Dettmann; Stephan Linke; Uwe Loreit; Peter Pertsch; Hans-Joerg Fuchs
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1990-01-31
Also published as: DE3931780A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Linearisierung der Uebertragungskennlinie eines magnetischen Feldeffekt-Bauelementes aus magnetoresistiven ferromagnetischen duennen Schichten. Die Linearisierung wird dadurch erreicht, dass jeder Brueckenwiderstand mindestens einen Bereich enthaelt, dessen Widerstandswert sich bei Stromfluss durch einen Steuerleiter gegenlaeufig aendert. In dem genannten Bereich hat der Steuerleiter eine geringere Breite. Zur ueberblicksmaessigen Erlaeuterung der Erfindung ist Figur 1 geeignet. Fig. 1

Description

Charakteristik des bekannten Stande· der Technik

Magnetische Feldeffekt-Bauelement mit viel zu einer Brückenschaltung angeordneten magnetfoldabhängigen Widerständen aus mehreren hintereinandergeschalteten einachslg-forromagnMlschen Schichtstreifen sind bekannt. Eine solche Anordnung wird z. B. in der Patentschrift DD165220 beschrieben. FQr die Mehrzahl der Anwendungen ist für das Feldeffokt-Bauelement eine lineare Übertragungsfunktion erforderlich. Da der Arbeitsbereich von aus olnachsig-ferromagnetischen Schichten aufgebauten Sensoren, deren Widerstandsänderung Im Magnetfeld durch eine Drehung der Magnetisierung in den Schichtstreifen bedingt Ist, prinzipiell eingeschränkt ist und nur ein Bruchteil dieses Arbeitsbereiches, der bei den beschriebenen Anordn· >ig«n bei etwa einem Drittel liegt, einen genügend linearen Zusammenhang zwischen Eingangsstrom und Ausgangsspannung aufweist, Ist diese sehr wichtige Forderung nur sehr unzureichend erfüllt.

In der Patentanmeldung WP QOI R/3037890 wird für Magnetfeldsensoren, bei denen jedjch im Unterschied zu dem hler behandelten Feldeffekt-Bauelement der Stromleiter für den Eingangsstrom nicht vorhanden ist, bereits eine Möglichkeit der Erweiterung des Unoaritätsberelches der Übertragungskennlinie angegeben, die dadurch erreicht wird, daß jeder Elnzolwldorstand der Brücke olnen Bereich mit jeweils gegenläufiger Widerstandsänderung und leichterer DrehbarMt der Magnetisierung enthält. In dor Anordnung wird das durch größere Stroifonbrelte oder kleinere Schichtdicke im sich gegenläufig ändernden Widerstandsborelch gewährleistet. Als Nachteil dieser Anordnung erweist sich jedoch, daß eine gute Linearisierung der Übortragungskennllnle nur für einen ganz bestimmten Wert des zum Betrieb des Sensors als analoges Meßelement notwendigen Hllfsmagnotfoldos In WldorstanüBstrolfonlängsrlchtung möglich ist und daß nur für extreme, schwer realisierbare Verhältnleje der Schichtbreiten oder -dicken dar Wert des Hilfemagnetfeldes so groß gemacht werden kann, daß er zur Stabilisierung dor Magnetisierungsrichtung In den Schichtstreifen und zur Vermeidung von Hysterese in der Übertragungekennlinie ausreichend Ist.

Ziel der Erfindung

Des Ziel der Erfindung besteht darin, die Anordnung eines magnetischen Feldeffekt-Bauelementes mit vier zu einer Brückenschaltung angeordneten magnetfeldabhängigen Widerständen und einem, durch eine spannungsfeste Isolationsschicht potentielfreien, Steuerleiter anzugeben, das einen großen Arbeitsbereich mit linearer Übertragungsfunktion aufweist und dabei In solchen Hilfsfeldern in Längsrichtung der magnetfeldabhängigen Widerstände arbeitet, die für den stabilen und hyste'.esefreien Betrieb des Elementes ausreichend sind.

Darlegung des Wesen» d*r Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein r-.agnetisches Feldeffekt-Bauelement mit vier zu einer Brückenschaltung angeordneten magnetfeldabhängigen Widerotänden und einem Steuerleiter zu schaffen, dessen Linearität in der

Übertragungsfunktion nicht auf den Bereich geringer Aussteuerung beschränkt ist und bei dem die Linearisierung der

Übertragungskennlinie nicht zu Einschränkungen des zur stabilen und hysteresefreien Funktion notwendigen Hilfsfeldes oder zur starken Vergrößerung das Flächenbedarfs pro Bauelement und damit zu einer aufwendigeren Herstellung führt. Die Aufgabe wird dadurch getost, daß die ferromagnetische Schichtstreifen jeden Widerstandes der Brücke erfindungsgemäß einen oder mehrere Bereiche enthalten, deren Widerstandswert sich bei St'omfluß durch den Steuerleiter gegenläufig zu dem der übrigen Schichtstreifen desselben Widerstandes ändert und daß der Steuerleiter über diesen Rereichen schmaler als der über den übrigen Schichtstreifen angeordnet ist.

Die Bauelementekonstruktion der magnetoresistiven Sensoren ist so ausgeführt, daß ohne Stromfluß durch den Steuerleiter zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung der magnetoresistiven Dünnschichtstreifen ein Winkel von 45° besteht. Ein Strom durch den Steuerleiter erzeugt ein Magnetfeld und bewirkt damit eine Veränderung dieses Winkels. Bei einem Winkel von 0° ist der Streifenwiderstand maximal, bei 90° minimal. Für einen der Brückenwiderstände wird mit Ausnahme mindestens eines Bereiches bei Stromfluß durch den Steuerleiter ein Magnetfeld erzeugt, daß dem Winkel zwischen Strom- rnd Magnetisierungsrichtung In den magnetoresistiven Dinnschichtstreifen von 45° aus verkleinert und so zu einer nichtlinearen Widerstandserhöhung diesesTelles des Widerstandes führt. Im ausgenommenen Bereich wird durch den Stromfluß der Winkel vergrößert und damit nimmt hier der Widerstand ab. Der Bereich wird von so einer Größe gewählt, daß eine Widerstandsänderung gerade die Nichtlinearität der Widerstandsänderung des Hauptteiles des Widerstandes aufliebt. Dabei ist jedoch im Bereich der gegenläufigen Widerstandsänderung eine stärkere Drehung der Magnetisierungsrichtung als im Hauptteil des Widerstandes erforderlich. Diese wird dadurch erreicht, daß der Steuerleiter über dem sich gegenläufig ändernden Bereich schmaler ausgebildet ist als über dem Hauptteil der Widerstandsstreifen und so bei gleichem Strom eine höhere Magnetfeldstärke auf den magnetoresistiven Schichtstreifen einwirkt. Da diese stärkere Drehung der Magnetisierung durch das von außen auf den magnetoresistiven Schichtstreifen wirkende Feld und nicht d urch diese Schichtstreifen selbst bewirkt wird, ist sie bei allen Hilfsfeldern in Längsrichtung der Schichtstreifen zur Empfindlichkeitseinstellung und Hystereseunterdrückung gegeben und führt zu keiner Begrenzung für die Stärke des Hilfsfeldes. Die drei weiteren Widerstände der Brücke verhalten sich entsprechend dem beschriebenen und sind in bekannter Weise so verbunden, daß sich das maximal mögliche Brückenausgangsslgnal bei jeweils gleicher Widerstandsänderung aller Widerstände ergibt. Der Ausgangswinkel zwischen Magnetlsiorunpsrichtung und Stromrichtung In den magnetoresistiven Schichtstreifen, der vorzugsweise 45° beträgt, ist dadurch gegeben, daß die ferromagnetischen Schichtstreifen in gleichmäßigen Abständen mit Leitschichtstreifen versehen

sind, deren Längsrichtung mit der der ferromagnetischen Schichtstreifen einen bestimmten Winkel bildet und wobei in den j

Bereichen mit gegenläufiger Widerstandsänderung dieser Winkel den gleichen Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen ' i

hat. _ ! !

Die Linearisierung der Übertragungskennlinlo des Bauelementes erfordert keinen zusätzlichen Herstellungsaufwand, da die ,

Bereiche mit gegenläufiger Widerstandsänderung aus gleichem Material bestehen wie der Hauptteil der ferromagnetischen i

Schichtstreifen und von gleicher Breite und Dicke sind. Die sich gegenläufig ändernden Bereiche sind jedoch von den übrigen

Bereichen durch eine in demselben Herstellungsprozeß einfach realisierbare Unterbrechung magnetisch von dem Hauptteil der j

Schichtstreifen getrennt und elektrisch mittels unmagnetischer Leiterstreifen verbunden, damit die erforderliche : ·

unterschiedliche Drehung der Magnetisierungsrichtung nicht behindert wird.

Vorzugsweise wird die Struktur des Feldeffekt-Bauelementes so gestaltet, daß jeder Widerstand aus einer geradzahligen Anzahl von ferromagnetischen Schichtstreifen bosteht, die jeweils einon Bereich mit gegenläufiger Widerstandsänderung enthalten und die derart verbunden sind, daß eine mäanderförrnige Struktur entsteht. Der Steuerieiter hat ebenfalls eine mäanderförmige

Struktur. So wird es möglich, daß eich alle Anschlüsse für die Widerstandsbrücke an der einen Seite der Struktur befinden und '

die Anschlüsse für den Steuerleiter auf der gegenüberliegenden. So wird eine hohe Durchschlagsspannung zwischen dem Eingangskreis, der den Steuerleiter enthält und dem Ausgangskreis, der die Widerstandsbrücke enthält, gewährleistet.

Gleichzeitig wird durch diese Anordnung erreicht, daß äußere Störfeloor sein Ausgangssignal im Ausgangskreis erzeugen.

Autfuhrungsbtltpiel !

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbelspiol näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ze' jt Fig. 1 die Aufsicht auf QiIn, auf einem Substrat befindlichem, magnetisches Feldeffekt-Bauelement In Brückenschaltung mit Steuerleiter 3 _; ; und Flg. 2 dio Abhängigkeit der Widerstandsänderung vom anr elegten Magnetfeld für einen Brückwlderotand, Die Darstellung \ , In Flg. 11st nicht maßstäblich. Insbesondere Ist das Verhältnis /on Streifenbreite und Streifenlänge In der Zeichnung wesentlich geringer gewählt als In wirklichen Anordnungen. Im Mittelteil der Zeichnung Ist der Steuerleiter 3 weggelassen. Die Isolation j '

zwischen WiderstandsbrOcko und Steuorleiter 3 Ist nicht dargestellt worden, um die darunterliegende Struktur sichtbar zu machen. Jodor zwischen zwei Anschlußkontakten 1 der Brücke liegende Widerstand besteht aus zwei elektrisch hintereinander ' geschalteten ferromagnetischen Schlchütrelfen 2. Jeder ferromagnetische Schichtstreifen 2 enthält einen Bereich 4, In dem die i j Widerstandsänderung durch e'nen Strom Im Stouerleiter gegenläufig zu uar Im übrigen Teil des Schichtstreifens 2 erfolgt. Wie ·

Im mittleren Teil der Darstellung ersichtlich, wird das dadurch erreicht, daß die ferromngnetlschen Schichtstreifen 2 mit j

Leitschichtstreifen 5 versehen sind, die mit der Längsrichtung der Schichtstreifen 2 einen Winkel 6 bilden, der im Bereich 4 von gleichem Betrag ist wie im übrigen Tel! des Schichtstreifens 2, aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Die ihren Widerstandswert gegenläufig ändernden Bereiche 4 der ferromagnetischen Schichtstreifen 2 sind von den übrigen durch eine Unterbrechung derselben getrennt. Die elektrische Verbindung ist durch unmagnetische Leiterstreifen 7 hergestellt. Schichtmaterial, -breite und -dicke sind bei "Ilen ferromagnetischen Schichtstreifen gleich. Im dargestellten Beispiel hat der Winkel 6 einen Betrag von 45°. Die Leitschichtstreifen 5 sorgen dafür, daß die Stromrichtung in den ferromagnetischen Schichtstreifen 2 gegen die Längsrichtung derselben gedreht ist, im dargestellten Beispiel um 45° bzw. -45°. Der durch den Steuerleiter 3 fließende Strom erzeugt am Ort der ferromagnetischen Schichtstreifen 2 ein Magnetfeld in Streifenebene und senkrecht zur Längsrichtung derselben. Dieses bewirkt eine Drehung der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichtstreifen 2 in Feldrichtung. Die dadurch auftretende Widerstandsänderung für einen Brückwiderstand ist in Fig. 2 über dem Strom im Steuerleiter 3 aufgetragen. Im Ha'-ptteil ändert sich der Widerstand entsprechend Kurve 9 mit beträchtlicher NIchtlinearität. Pig Widerstandsänderung des gegenläufigen Bereiches 4 erfolgt gemäß der Kurve 10. Diese erreicht das Maximum ihres Betrages bereits bei einem Strom, der wesentlich unter dem Stromwert liegt, bei dem der übrige Teil des ferromagnetischen Schichtstreifens 2 sein Maximum der Widerstandsänderung erreicht. Das wird dadurch bewirkt, daß der Steuerleiter 3 im Bereich 4 des ferromagnetischen Schichtstreifens 2 eine wesentlich geringere Breite besitzt als im übrigen Teil, wodurch das Magnetfeld im genannten Bereich einen um das Verhältnis der Breiten des Steuerleiters 3 höheren Wer* hat. Als Gesamtänderung eines Widerstandes der Brücke ergibt sich dann die Kurve 11, die einen weitestgehend linearen Verlauf besitzt. Für die übrigen drei Brückenwiderstände gelten entsprechende Kurven, wobei jeweils zwei bei Stromfluß durch den Steuerleiter 3 zunehmen und zwei abnehmen. Bei linear verlaufenden Brückwiderständen verläuft auch das Brückenausgangssignal in Abhängigkeit vom Strom durch den Steuerleiter 3 linear. Zur Schaltung als Brücke werden die beiden äußeren Anschlußkontakte 1 der Brücke zusammen mit olnem Pol der Betriebsspannung und der mittlere Anschlußkontakt 1 der Brücke mit dem anderen Pol verbunden. Die linear mit dem in die Anschlußkontakte 8 des Steuerleiters 3 eingespeisten Strom zusammenhängende Ausgangsspannung wird an dem zweiten und vierten Anschlußkontakt 1 der Brücke abgenommen.

Claims

1. Magnetisches Feldeffekt-Bauelement mit vier zu einer Brückenschaltung angeordneten magnetfetdabhängigon Widerständen aus jeweils einem oder mehreren hintereinandergeschalteten einachsigen ferromagnetischen Schichststreifen (2) und darüber isoliert angeordnetem streifenförmigen Steuerleiter (3), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des linearen Arbeitsbereiches die ferromagnetischen Schichtstreifen (2) jeden Widerstandes einen oder mehrere Bereiche (4) enthalten, deren Widerstandswerte sich beim Stromfluß durch den Steuerleiter (3) gegenläufig zu den übrigen Schichtstreifen (2) ändern und daß der Steuerleiter (3) über diesen Bereichen (4) der Schichtstreifen schmaler als der über der übrigen Schichtstreifen (2) angeordnete ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Schichtstreifen (2) mit Leitschichtstreifen (5) versehen sind, der Längsrichtung mit der der ferromagnetischen Schichtstreifen (2), einen bestimmten Winkol (6) bildet und in den Bereichen (4) mit gegenläufiger Widerstandsänderung dieser Winkel (6) denselben Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Schichtstreifen (2) in den Bereichen (4) mit gegenläufiger Widerstandsänderung mit dem der übrigen Schichtstreifen (2) übereinstimmt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und die Dicke der ferromagnetischen Schichtstreifen (2) und der Leitschichtstreifen (5) in den Bereichen (4) mit gegenläufiger Widerstandsänderung mit denen der übrigen Schichtstreifen (2) übereinstimmt.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Widerstand aus einer geradzahligen Anzahl von ferromagnetischen Schichtstreifen (2) besteht, die jeweils einen Bereich mit gegenläufiger Widerstandsänderung enthalten, una derart verbunden sind, daß eine mäanderförmige Struktur entsteht und daß der Steuerleiter (3) ebenfalls eine mäanderförmige Struktur hat.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Schichtstreifen (2) zwischen den Bereichen (4) mit gegenläufiger Widerstandsänderung und den übrigen Bereichen unterbrochen und mittels unmagnetischer Leitstreifen (7) verbunden sind.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das magnetische Feldeffekt-Bauelement wird zur potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselströmen in einem Frequenzbereich bis zu etwa 10MHz eingesetzt. Wegen der vollständigen galvanischen Trennung zwischen Ein- und Ausgangssignal Ist das Element besonders als Koppler für Signalübertragungsleitungen von Rechnern und Meßgeräten geeignet. Weiterhin ist der Einsatz als Analogmultiplizierer und als Meßelement für die elektrische Leistung verwendbar.