DE102010022611A1

DE102010022611A1 - Magnetischer Umdrehungszähler

Info

Publication number: DE102010022611A1
Application number: DE201010022611
Authority: DE
Inventors: Roland Mattheis
Original assignee: Institut fur Photonische Technologien EV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: DE102010022611B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Umdrehungszähler zur eindeutigen Bestimmung einer vorgebbaren Anzahl zu bestimmender Umdrehungen eines rotierenden Elements. Die Aufgabe, einen derartigen Umdrehungszähler zu schaffen, der eine Bestimmung einer beliebig vorgebbaren Anzahl von Umdrehungen bei gleichzeitig preiswerter und konstruktiv einfacher Ausführung ermöglicht, wobei der Umdrehungszähler auch bei Überschreitung eines Gültigkeitsbereiches, für den er ausgelegt ist, nicht seine Funktionsfähigkeit verliert, wird dadurch gelöst, dass eine Schleifenstruktur vorgesehen ist, die gebildet ist aus wenigstens zwei separaten Schleifen (S3, S4), die jeweils spiralförmig ausgebildet sind, wobei das jeweils erste innere Schleifenende (S33-1, S44-1) mit dem jeweils zweiten äußeren Schleifenende (S31-2, S41-2) der gleichen Schleife alle übrigen Schleifenabschnitte (S31, S32 respektive S41, S4orgebbaren Abstand durch je eine weichmagnetische und damit die jeweilige Spirale magnetisch schließende Brücke (B) überbrückend verbunden ist, wobei in jede der in sich geschlossenen Schleifenstrukturen mindestens eine Domäne eingeschrieben ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Umdrehungszähler zur eindeutigen Bestimmung einer vorgebbaren Anzahl zu bestimmender Umdrehungen, insbesondere größer 10 Umdrehungen, eines rotierenden Elements, der in vielfältigen Gebieten der Technik, insbesondere im Automobilbau vorteilhaft Anwendung finden kann.
Sensoren zur Bestimmung einer Winkellage nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien sind weit verbreitet. Ihnen gemein ist es, dass das Sensorsignal nach 360° periodisch ist, d. h. dass der Sensor nicht zwischen 10° und 370° unterscheiden kann. Deshalb werden derartige Sensoren für Aufgabenstellungen, bei denen über die 360° hinaus der Winkel bestimmt werden muss, wie es z. B. beim Lenkrad im Automobil der Fall ist, kombiniert mit einem weiteren Sensor, der in der Lage sein muss, die Anzahl der Umdrehungen zu detektieren. In Kombination mit einem Umdrehungszähler kann dann zwischen 10° und 370° unterschieden werden. Zur Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen sind Lösungen bekannt, bei denen mechanisch über den Gang einer Spirale mit N Spiralenarmen auf die Anzahl der Umdrehungen (bspw. zwischen 1...5) geschlossen werden kann. Andere Lösungen nutzen mechanische Getriebe in Verbindung mit zwei Winkelsensoren. Aus der Kenntnis des Aufbaus des Getriebes und der Winkellage zweier Magneten, die mit unterschiedlichen Rädern des Getriebes verbunden sind, kann der Winkel auch z. B. von 0 bis 5·360° bestimmt werden. Allen diesen Lösungen ist es gemein, dass sie zur Realisierung eine Mechanik benötigen, sie also nicht berührungs- und damit nicht verschleißfrei sind. Für viele Anwendungen, insbesondere im Automobil, ist jedoch eine berührungsfreie Lösung erforderlich. Dies könnte so realisiert werden, dass man zu jedem Zeitpunkt (permanent) die Winkellage bestimmt und auf diese Art ein Übergang von 359° auf 360° vom Winkel 0° unterschieden werden kann. Dies setzt voraus, dass der Sensor und ein zugehöriges Speicherelement permanent mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies widerspricht der Forderung im Automobilbau, dass die Bestimmung des Absolutwinkels im Bereich von z. B. 0° bis bspw. 5·360° auch dann erfolgreich sein muss, wenn z. B. die Bordelektronik von der Batterie abgeklemmt ist.
Eine berührungsfreie Zählung der Anzahl von Umdrehungen, die diese Forderungen im Prinzip erfüllt, wurde von der Fa. Posital (Firmenmitteilung „Kraftwerk im Encoder...” www.postal.de) entwickelt. Dort wird ein Hallsensor zur Bestimmung des Winkels (0–360°) genutzt. Die Messung der Anzahl der Umdrehungen geschieht dort mit Hilfe eines so genannten Wieganddrahtes. Dieser Draht besitzt spezielle magnetische Eigenschaften, die dafür sorgen, dass nach einer jeden Umdrehung durch die dann ablaufende plötzliche Bewegung einer magnetischen Domänenwand durch einen einige Millimeter langen Draht ein kurzer, aber hinreichend intensiver Spannungsimpuls entsteht, der in ein FeRAM (Ferroelektrisches Random Access Memory) eingeschrieben werden kann, auch ohne dass das FeRAM mit der Batterie verbunden ist. Diese Lösung erfüllt damit die Forderung nach der Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen verschleiß- und berührungsfrei und zählt auch ohne Anliegen der Stromversorgung Umdrehungen bis zur maximalen Speicherkapazität des eingesetzten FeRAMS. Jedoch wird eine solche Lösung von der Automobilindustrie abgelehnt, da auf Grund der makroskopischen Größe des Wieganddrahtes eine kostengünstige Herstellung und Konfektionierung nicht möglich ist und durch den hochohmigen Eingang der FeRAM's Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit bestehen.
Ein weiteres Sensorelement zur Zählung von Umdrehungen, das die oben genannten Anforderungen erfüllt, ist aus der EP 1 740 909 B1 ( WO 2005/106395 ) bekannt. Dieses Sensorelement hat die Form einer lang gestreckten Spirale mit N Windungen und besteht aus einem Schichtstapel, der den „Giant magnetoresistance effect” (GMR) aufweist. Das GMR-Schichtsystem dieses Sensorelementes besteht im Wesentlichen aus einer hartmagnetischen Schicht, welche die Referenzrichtung definiert und einer weichmagnetischen Schicht, getrennt durch eine unmagnetische Zwischenschicht. Das äußere zu detektierende, sich drehende Magnetfeld ist stark genug, um durch Bewegung von Domänenwänden die Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen Schicht zu ändern, aber zu schwach für eine Änderung der Magnetisierungsrichtung der hartmagnetischen Schicht, die parallel zu den geraden Strecken der lang gestreckten Spirale verläuft. Das Sensorelement reagiert somit auf ein sich drehendes Magnetfeld mit einer Widerstandsänderung, wobei innerhalb des zählbaren Bereiches von 0 bis N Umdrehungen ganze und halbe Umdrehungen in Form von 2N + 1 Widerstandswerten registriert werden. Jeder Widerstandswert ist dabei eineindeutig einem halbzahligen oder ganzzahligen Umdrehungswert zugeordnet. Die magnetische Struktur bleibt dabei unverändert, wenn dass Magnetfeld keine Rotation ausführt. Bei Rotation ändern sich die Magnetisierungsrichtungen, unabhängig davon, ob der Widerstandswert ausgelesen wird oder nicht. Dies bedeutet, dass das System auch in einem strom- oder leistungslosen Zustand alle Änderungen des sich drehenden Magnetfeldes registriert und nur zur Auslesung, also Bestimmung des Widerstandes, eine Stromversorgung benötigt.
Nachteil einer solchen Anordnung ist, dass aufgrund der verwendeten Speichergeometrie, jede Umdrehung benötigt eine komplette Spiralwindung, bei Zählung von einer größeren Anzahl von Umdrehungen, die Spirale geometrisch sehr groß werden muss. Damit steigt einerseits die Wahrscheinlichkeit dafür, dass bei der Herstellung der Spirale auftretende Defekte zu einem Ausfall und damit zu einer Verringerung der Ausbeute führen. Andererseits steigen damit die Chipfläche und somit die Kosten für einen derartigen Sensor. Des Weiteren führt das in EP 1 740 909 B1 angegebene Konzept bei einer großen Anzahl von Spiralwindungen automatisch zu Problemen der Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen. Der verwertbare Spannungshub, der sich von einer Umdrehung zur nächsten ergibt, skaliert mit 1/Anzahl der Spiralwindungen. Für N > bis >> 10 wird er für eine sichere Auswertung deutlich zu klein. Eine Alternative, wie sie in genanntem Patent angegeben wurde, erlaubt zwar bei größeren Umdrehungszahlen den vollen Magnetowiderstandshub, hat aber ebenfalls den Nachteil einer langen Spirale und erkauft den Vorteil des großen Hubes dadurch, dass statt zweier elektrischer Kontakte alle einen nicht geschlossenen Kreis bildenden Spiralenteile mit jeweils vier elektrischen Kontakten versehen und elektrisch ausgelesen und verarbeitet werden müssen. Das ergibt schon bei N = 100 vierhundert Kontakte und damit einen großen schaltungstechnischen Aufwand. Hinzu kommt bei vorstehend beschriebener Lösung das Problem, dass nach Erreichen der maximal in der Spiralleitbahn führbaren Domänen die Leitbahn vollständig mit Domänen besetzt ist und bei jeder weiteren Halbumdrehung eine Domäne die Leitbahn verlässt, wobei zugleich eine neue wieder eingespeist wird. Damit ist eine Eindeutigkeit der Umdrehungszählung bei n Windungen und damit 2n Domänen beendet. Eine in der Richtung umgekehrte Umdrehung des äußeren rotierenden Magnetfeldes leert die Spirale letztendlich vollständig von Domänen, so dass auch in der Rückrichtung nach Überschreiten der maximal detektierbaren Umdrehungen keine eindeutige Zählung mehr möglich ist.
Der Behebung vorstehend beschriebener Probleme nahm sich bereits ein Vorschlag gemäß WO 2009/027046 A1 an, bei dem ein magnetischer Umdrehungszähler zur eindeutigen Bestimmung einer vorgebbaren Anzahl zu bestimmender Umdrehungen eines rotierenden Elements vorgeschlagen wurde, bei dem in Abhängigkeit von der Anzahl zu messender Umdrehungen des zu detektierenden Elements, welches mit einem Magnetsystem versehen ist, dessen Magnetfeld alle vorgesehenen Sensorelemente zu erfassen gestattet, mehrere Sensorelemente vorgesehen sind, wobei die Sensorelemente mit magnetischen Domänen einer vorbestimmbaren und fest gehaltenen Anzahl besetzt wurden. Die Domänen werden nach diesem Vorschlag in -in sich jeweils geschlossenen- Schleifen geführt, die wenigstens eine ferromagnetische, respektive weichmagnetische Schicht beinhalten, wobei den Schleifen ins Schleifeninnere gerichtete, spitz zulaufende Ausstülpungen zugeordnet wurden und die Anzahl der pro Schleife vorgesehenen Ausstülpungen von Schleife zu Schleife voneinander abweichend definiert festgelegt ist. Vermittels dort vorgesehener elektrischer Kontaktanordnungen, die Veränderungen des elektrischen Widerstands vorgebbarer Schleifenabschnitte nach erfolgtem Ortswechsel magnetischer Domänen, infolge der Einwirkung des äußeren rotierenden Magnetfeldes des Magnetsystems in den vorgegebenen Schleifenabschnitten zu erfassen gestatten, können diese Widerstandswerte einer Auswerteeinheit zwecks Zuordnung der Anzahl der Umdrehungen des rotierenden Elements zugeführt werden. Die in diesem Vorschlag vorgesehenen, jeweils in sich geschlossenen Schleifen können ineinander geschachtelt oder nebeneinander auf einem Substrat angeordnet sein. Mit dieser Lösung wurden die eingangs geschilderten Probleme des erforderlichen Spannungshubs und der Eineindeutigkeit der Zählung innerhalb der vorgebbaren Grenzen bei gleichzeitig reduzierter Gesamtleiterbahnlänge gelöst. Die im Rahmen dieses Vorschlags erforderlichen spitz zulaufenden Ausstülpungen stellen jedoch erhebliche Anforderungen an die Herstellungstechnologie. Die Spitzen sind nämlich sehr präzise und in einem Winkel kleiner 15° auszuführen. Will man dazu nicht auf sehr aufwändige und damit wiederum teure Technologien, wie FIB (focused ion beam) zurückgreifen, kommt man zumindest bei größeren Spitzenzahlen mit lithografischen Standarttechnologien sehr schnell an Grenzen bezüglich der erzielbaren Gutausbeute. Somit ist dieser Vorschlag für große preiswerte Sensorchargen mit wenig Ausschuss nur bedingt geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein magnetisches Sensorsystem für einen Umdrehungszähler zu schaffen, das eine Bestimmung einer beliebig vorgebbaren Anzahl von Umdrehungen, insbesondere größer zehn, erlaubt und damit, wenn gewünscht, wesentlich über bisher bekannte Lösungen hinausgeht und zugleich eine preiswerte und konstruktiv einfache Ausführung ermöglicht, welcher nicht die Nachteile des eingangs kritisierten Standes der Technik anhaften, wobei es zugleich die Aufgabe der Erfindung ist, bei unverhoffter Überschreitung des vorgebbaren Drehzahlmessbereichs wieder definiert in den eineindeutigen Messbereich zurück zu gelangen.
Im Rahmen der Erfindung kommen dabei an sich bekannte Schichtaufbauten, wie z. B. in EP 1 740 909 B1 oder WO 2009/027046 A1 beschrieben, zum Einsatz, die die Bestimmung einer Domänenkonfiguration unter Ausnutzung des bekannten Effekts, dass der elektrische Widerstand in einem GMR- oder TMR-Stack von der relativen Richtung der Magnetisierung der Schicht abhängt, in der sich die Domänen bewegen, im Vergleich zu einer durch eine hartmagnetische Schicht definierten Referenzrichtung.
Im Rahmen vorliegender Erfindung wird eine neuartige Schleifentopologie vorgeschlagen, die die Aufgabe der Erfindung löst. Diese erfindungsgemäße Topologie besteht dabei im Wesentlichen darin, dass eine magnetische Domänen führende Schleifenstruktur vorgesehen ist, die gebildet ist aus wenigstens zwei separaten Schleifen, die jeweils spiralförmig mit bevorzugt zueinander senkrechten Schleifenabschnitten ausgebildet sind, wobei das jeweils erste innere Schleifenende mit dem jeweils zweiten äußeren Schleifenende der gleichen Schleife alle übrigen Schleifenabschnitte der jeweiligen Spirale in einem vorgebbaren Abstand durch wenigsten eine weichmagnetische und damit die Spirale magnetisch schließende Brücke überbrückend verbunden ist, wobei in jede der in sich geschlossenen Schleifenstrukturen mindestens eine Domäne eingeschrieben ist.
Dabei sollen mit der vorgeschlagenen Lösung wesentliche Nachteile bisheriger Lösungsvorschläge, nämlich die große Anzahl von Kontakten (vgl. EP 1 740 909 B1 ) (mindestens 4·N mit N als der Anzahl der zählbaren Umdrehungen), die also linear mit der Anzahl der gewünschten Zählung von Umdrehungen steigt, und so bei der Bestimmung von 256 Umdrehungen schon bei 1000 Kontakten liegt, sowie die große Länge einer Spirale (2·N·l) mit l Längsausdehnung (typisch 200 μm) der Spirale überwunden werden, wie in vorstehend genannter EP-Schrift dargestellt.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.
Die vorliegender Erfindung zugrunde liegenden Messaufgaben und damit die Anwendung des vorgeschlagenen Umdrehungszählers kommen in der Technik in zwei Grundkonfigurationen vor: Entweder ist die Anzahl der Umdrehungen einer Welle zu bestimmen, die von der Seite zugänglich ist (dezentrale Anordnung oder Hohlwellensensoranordnung) oder der Sensor kann an einem Ende der Welle platziert werden (zentrale Anordnung).
Zur näheren Erläuterung des Vorstehenden und im Weiteren der Erfindung sollen nachstehende Ausführungsbeispiele und Figuren dienen. Es zeigen:
1a das Grundprinzip einer dezentralen Sensoranordnung (Hohlwellensensors);
1b das Grundprinzip einer zentralen Sensoranordnung;
2 einen beispielhaften Schichtstapel, der für die Ausnutzung des GMR- bzw. den TMR-Effekts einsetzbar ist;
3 eine erste beispielhafte erfindungsgemäße Ausführung einer hier vorgesehenen Schleifenausbildung mit zwei Spiralen in Draufsicht;
3a eine beispielhafte Domänenwanderung in einer Schleifenstruktur mit drei Spiralwindungen;
4 ein Teilschnittbild durch die Ausführung nach 3 entlang einer Ebene A-A;
5 eine Vergrößerung des Teilausschnitts gemäß 4;
6 eine zweite beispielhafte erfindungsgemäße Ausführung einer Schleifenausbildung mit vier Spiralen in Draufsicht, wobei hier jede der einzelnen mit einer spitz zulaufenden Innenausstülpung eines Teils der spiralförmigen Domänenleitbahnschicht versehen ist;
6a eine beispielhafte Auswahl von zwei Spiralbahnen aus 6 in Analogie zur Ausführung nach 3;
6b eine beispielhafte Domänenwanderung über eine der Schleifenstrukturen nach 6a in Abhängigkeit von der Richtung der äußeren magnetischen Drehrichtung;
7 eine beispielhafte Anordnung zum Löschen und damit definierten Einschreiben von Domänenwänden in erfindungsgemäße Spiralschleifen.
Die 1a und 1b zeigen zwei grundsätzliche Anordnungen, in denen der weiter unten detaillierter beschriebene erfindungsgemäße Umdrehungszähler Anwendung finden kann. Dabei zeigt 1a einen Querschnitt durch ein Gesamtsystem mit dezentraler Anordnung (Hohlwellensensoranordnung), bestehend aus einer Welle 01 mit einem am Umfang angebrachten Magnetsystem 20, aus je einem Si-Substrat 10 und 10a (vorteilhaft gleich eine Auswerteelektronik beinhaltend), auf dem sich je ein erfindungsgemäßer Umdrehungszähler 11 bzw. 11a befinden. Am Ort des Umdrehungszählers 11 wirkt von außen ein Magnetfeld, hier in Form einer Permanentmagnetkombination 20, die beim Vorbeibewegen eine Rotation der Richtung des Magnetfeldes um 360° am Ort des Umdrehungszählers 11 erzeugt. Die Umdrehungszähler 11 und 11a sind geometrisch so angeordnet, dass das Magnetfeld des Magneten 20 immer nur auf einen der beiden einwirken kann. Im diesem Fall erlebt der Umdrehungszähler 11 bei der Drehung der Welle 01, an dessen Umfang sich an einer Stelle im Beispiel mehrere Permanentmagneten befinden, eine Drehung eines Magnetfeldes am Ort des Umdrehungszählers 11 um 360°. In diesem Fall ist der Sensor nur über einen kleinen Winkelbereich dem Magnetfeld ausgesetzt. Da sich in diesem Winkelbereich der Zustand der unten näher ausgeführten Domänen ändert, muss dieser Winkelbereich bei der Messung „ausgeblendet” werden. Dies kann dadurch geschehen, dass ein zweiter Sensor 11a mit Auswerteelektronik so angebracht ist, dass bei der Drehung der Welle 01 immer nur ein Umdrehungszähler, dem sich drehenden Magnetfeld ausgesetzt ist. Da nach dem bekannten Stand der Technik Umdrehungszähler grundsätzlich in Verbindung mit einem deshalb hier nicht näher dargestellten Winkelsensor betrieben werden, kennt man aus dem Signal des Winkelsensors den Ort des sich drehenden Magnetfeldes und weiß damit, welcher der Umdrehungszähler ein gültiges oder ungültiges Signal liefert, d. h., dass nur das Signal des sich nicht im bewegenden Magnetfeld befindlichen Umdrehungszählers ausgelesen wird.
In einer vorstehend erwähnten zweiten prinzipiellen Ausführungsmöglichkeit ist ein Permanentmagnet 20 an der Stirnfläche einer Welle 01 befestigt. Eine solche Ausführung zeigt 1b im Querschnitt durch ein Gesamtsystem mit zentraler Anordnung, bestehend aus einem Si-Substrat, vorteilhaft mit Auswerteelektronik 10, auf dem sich der erfindungsgemäße Umdrehungszähler 11 befindet. Am Ort des Sensors 11 wirkt von außen ein Magnetfeld eines sich am Ende der Welle 01 befindlichen Permanentmagneten 20, der so ausgeführt ist, dass der gesamte Umdrehungszähler von genanntem Magnetfeld erfasst wird, wie die beispielhaften Feldlinien andeuten sollen. Bei Drehung der Welle 01 um 360° erlebt der Umdrehungszähler 11 ebenfalls ein sich um 360° drehendes Magnetfeld. Auch in dieser Ausführungsform gilt, dass es Winkelbereiche gibt, bei denen die weiter unten beschriebene eingeschriebene Domänenkonfiguration gerade einer Änderung unterworfen wird und die dann ungültige Aussagen bezüglich der Anzahl von Umdrehungen liefert. Wenn dieser Bereich aber kleiner als 90° pro Halbumdrehung ist, dann kann bei Kenntnis des Winkels, bestimmbar z. B. mittels eines Winkelsensors, der gemeinsam mit dem Umdrehungszähler zum Einsatz kommt, oder durch die Verwendung eines Quadrantenzählers, also eines Winkelsensors, der bestimmen kann, in welchem Quadranten sich die Richtung des rotierenden Permanentmagneten befindet, eine eindeutige Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen erreicht werden. Dies ist im Detail erläutert in IEEE Trans. Magn. Vol 45, Heft 10, S. 3792–3795.
Die Domänenwände selbst bewegen sich im erfindungsgemäßen Umdrehungszähler 11 in einer, bspw. durch einen Strukturierungsprozess erzeugten Anordnung von mehreren weiter unten im Detail beschriebenen Schleifen, in denen durch einen ebenfalls weiter unten beschriebenen Initialisierungsprozess jeweils eine definierte Anzahl von Domänenwänden eingeschrieben ist. Die Konfiguration dieser unterschiedlichen Schleifen ist so gestaltet, respektive ausgewählt, dass eine beliebig vorgebare Anzahl von äußeren Umdrehungen immer deren eineindeutige Zählung zulässt.
Die konkret vorliegenden Domänenkonfigurationen können mit Hilfe einer Anzahl von elektrischen Kontakten auf den Schleifen aufgrund von magnetoresistiven Effekten, z. B. dem GMR-Effekt (Giant magneto resistance) oder dem TMR-Effekt (Tunneling magneto resistance) bestimmt werden und dadurch die Anzahl der Umdrehungen eines Magnetfeldes, das die Domänenwände in den geschlossenen Schleifen bewegt, ermittelt werden. Diese Bestimmung der Domänenkonfiguration nutzt den bekannten Effekt aus, dass der Widerstand in einem GMR- oder TMR-Stack von der relativen Richtung der Magnetisierung der Schicht abhängt, in der sich die Domänen bewegen, im Vergleich zu einer durch eine hartmagnetische Schicht definierten Referenzrichtung.
Der Widerstand ist niedrig, wenn die Richtung der Magnetisierung in der Referenz- und der Sensorschicht gleich ist und ersteigt um (6–10)% (im Falle des GMR-Effektes) bzw. um (100–500)% im Falle des TMR-Effektes, wenn die Richtung der beiden Magnetisierungen antiparallel ist.
Die 2 zeigt beispielhaft einen Schichtstapel, der für die Ausnutzung des GMR- bzw. den TMR-Effekts einzusetzen ist. Dabei ist in 2 ein solches, an sich bekanntes Schichtpaket im Querschnitt dargestellt. Der Strom fließt in Richtung der eingezeichneten Magnetisierungspfeile (in der Schichtebene), der elektrische Widerstand wird durch elektrische Kontakte (hier nicht dargestellt), die in großer Entfernung (100–500 μm) voneinander entfernt aufgebracht sind, bestimmt. Im Falle des Einsatzes eines TMR-Stapels bei vorliegender Erfindung ist die in 2 gezeigte 2,5 nm dicke Kupferschicht durch eine 1–2 nm dicke Al₂O₃ oder MgO-Schicht ersetzt. Der Strom fließt dann senkrecht durch den Schichtstapel von unten nach oben oder umgekehrt. Der TMR-Stapel nimmt im Allgemeinen eine Fläche von einigen bis einigen 10 bis 100 μm² ein. Weitere Ausführungen zu speziellen Ausbildungsmöglichkeiten von GMR- oder TMR-Schichtstapeln an dieser Stelle erübrigen sich, weil diese an sich zum bekannten Stand der Technik gehören. Deshalb im Weiteren nur nachstehende Erläuterung:
Als eigentliche Sensorschicht, in der sich die magnetischen Domänen bewegen agiert eine Ni₈₁Fe₁₉ (Permalloy = Py)-Schicht, wobei die 0,5 nm dicke Co-Schicht nur dazu dient, den GMR- oder TMR-Effekt zu vergrößern. Als hartmagnetische Schicht dient eine Kombination aus einem so genannten künstlichen Antiferromagneten (CoFe/0,8 nm Ru/CoFe in Kombination mit einem Antiferromagneten (in 2: IrMn, sonst auch NiMn oder PtMn). Die 0,8 nm dicke Ru-Schicht sorgt dafür, dass die magnetischen Momente der beiden CoFe-Schichten antiparallel ausgerichtet sind und sich idealerweise aufheben. Das IrMn in Kombination mit einer CoFe-Schicht erzeugt eine so genannte unidirektionale Anisotropie. Damit ist die magnetische Vorzugsrichtung definiert. Sie kann im gesamten Wafer und damit auch in den erfindungsgemäß gebildeten Schleifen homogen sein.
Für die sichere Bewegung der Domänen in der Sensorschicht ist ein von der Geometrie (Höhe und Breite der Sensorschicht) und Magnetisierung des Materials der magnetisch weichen Schicht, die in der weiter unten beschriebenen erfindungsgemäße Schleifenform strukturiert ist, abhängiges Mindestfeld H_min nötig. Zugleich erfordert das vorgeschlagene Prinzip, dass sich die Anzahl der Domänen innerhalb der Schleife während der Nutzung des Umdrehungszählers nicht ändert. Das bedeutet, dass das auf den Umdrehungszähler einwirkende Magnetfeld immer kleiner sein muss als ein Magnetfeld H_nuk, bei dem es zur Nukleation eines magnetischen Bereiches und damit zur Generierung zusätzlicher Domänenwände kommt, was allerdings problemlos durch die Wahl des auf den Umdrehungszähler einwirkenden Magnetfeldes des sich drehenden Permanentmagneten 20 (vgl. 1a und 1b) erfüllt werden kann.
Alle vorstehend beschriebenen Maßgaben und Einsatzmöglichkeiten gelten in gleicher Weise für die im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagenen neuartigen Topologien.
Das Grundprinzip vorliegender Erfindung soll anhand von 3 und 3a erläutert werden. Dabei zeigt 3 eine Schleifenstruktur, im Beispiel bestehend aus zwei ausgewählten Spiralschleifen S3 und S4. Beide Spiralschleifen sind vom äußeren, sich drehenden und hier nicht dargestellten Magnetfeld in gleicher Weise erfasst. Mit der in 3 dargestellten linken Spirale S3 können drei und mit der rechten Spirale S4 vier Umdrehungen genannten äußeren Magnetfelds eineindeutig erfasst werden, somit sind, bei Zusammenfassung beider Spiralen zu einer Schleifenstruktur, zwölf Umdrehungen mit dieser einfachen Ausführungsform bestimmbar. Die in der 3 grau dargestellten und hier nicht näher bezeichneten Kontaktflächen dienen zum Auslesen des jeweiligen elektrischen Widerstands in den Domänenführungsbahnen, der sich aufgrund vorstehend beschriebenen Effekts je nach Domänenlage ändert. Zum besseren Verständnis des Vorstehenden soll 3a dienen, bei der in die Spiralstruktur S3 mit drei Spiralwindungen beispielhaft zwei Domänen D, dargestellt als schwarze Kreise, eingeschrieben sein sollen. Dabei soll die linke obere Abbildung in 3a einen möglichen Ausgangszustand darstellen. Der Doppelpfeil deutet hier die Umdrehung des äußeren Magnetfelds in jeweils halben Umdrehungsschritten von U = 0 bis U = 2,5 in Uhrzeigerrichtung an, wobei die dadurch hervorgerufene Wanderung der Domänen D über diese Umdrehungen in den weiteren Abbildungen dieser Figur ersichtlich ist. Bei drei vollständigen Umdrehungen ist der Ausgangszustand (U = 0) wieder erreicht. Da eine einmal eingeschrieben Anzahl von Domänen, bei der hier vorgeschlagenen in sich geschlossenen Schleifenstruktur lebenslang erhalten bleibt, ist auch eine Überschreitung des Gültigkeitsbereiches, im Beispiel der Spiralstruktur S3 eben bei drei vollständigen gleich gerichteten äußeren Umdrehungen, im Gegensatz zum Stand der Technik nach EP 1 740 909 B1 unkritisch, weil jederzeit in den Gültigkeitsbereich zurückgefahren werden kann und man somit wieder in den eineindeutigen Messbereich gelangt. Um dies zu gewährleisten ist die erfindungsgemäße Schleifenstruktur in jedem Fall so ausgeführt, dass das jeweils erste innere Schleifenende S33-1, respektive S44-1 (vgl. 3) mit dem jeweils zweiten äußeren Schleifenende S31-2, respektive S41-2 der gleichen Schleife alle übrigen Schleifenabschnitte S31, S32 respektive S41, S42, S43 der jeweiligen Spirale S3, S4 in einem vorgebbaren Abstand z durch wenigsten eine weichmagnetische und damit die Spirale magnetisch schließende Brücke B überbrückend verbunden ist, wobei in jede der in sich geschlossenen Schleifenstrukturen mindestens eine Domäne D eingeschrieben ist. Aufgrund der in 3 und 3a dargestellten Topologie, ist die hier minimal einschreibbare Domänenzahl zwei. Die Lage dieser Domänen zueinander ist dabei im Rahmen der Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht wesentlich, eine benachbarte Einschreibung wird jedoch bevorzugt.
Was unter dem einzuhaltenden Abstand z für genannte Brücke B zu verstehen ist und wie er eingehalten werden kann, verdeutlicht 4 anhand eines Teilschnitts gemäß 3 der rechten Spirale S4. Maßgabe für den Abstand z ist, dass er so groß bemessen ist, dass magnetische Wechselwirkungen zwischen der Brücke B und den von ihr überbrückten Spiralabschnitten, S41, S42 und S43 unterbunden ist. Dies kann durch Beschichtung der vorstehend genannten Spiralabschnitte mit lochfreien isolierenden Schichten Is, bspw. aus Al₂O₃, SiO₂, deren Schichtdicke mindestens 1 nm beträgt oder auch durch Beschichtung mit lochfreien, nicht ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Schichten, bspw. aus Cu, Ta etc., deren Schichtdicke mindestens 3 nm beträgt, problemlos realisiert werden. Zur Verbindung der zunächst offenen Schleifenenden (S44-1 mit S41-2, um im Beispiel der rechten Abbildung von 3 zu bleiben) wird anschließend mittels bekannter Beschichtungsverfahren eine weichmagnetische Schicht zur Bildung der Brücke B abgeschieden. Eine Detailvergrößerung der des in 4 mit einem Kreis umfassten Gebiets ist in 5 beispielhaft dargestellt. Durch eine geeignete Technologieführung ist im Rahmen der Erfindung lediglich sicherzustellen, dass der Querschnitt der die magnetischen Domänen führenden weichmagnetischen Schicht und damit auch der erfindungsgemäßen Brücke B durchgängig nahezu konstant ausgebildet ist. Typische Querschnitte im Rahmen vorliegender Ausführungsbeispiele betragen dabei 100 nm·20 nm.
Maßgabe für vorstehendes und nachfolgendes spezielles Ausführungsbeispiel nach 6 ist im Rahmen der Erfindung, dass die Anzahl der Spiralwindungen der vorgesehenen einzelnen in sich geschlossenen Spiralschleifen Sx von Schleife zu Schleife unterschiedlich festgelegt ist.
Für Ausführungsformen nach 3 gilt, um eine Eineindeutigkeit der Umdrehungszählung innerhalb des vorgebbaren Gültigkeitsbereiches zu gewährleisten, dass die Anzahl der Spiralwindungen pro Schleife zu denen der weiteren innerhalb der Schleifenstruktur vorgesehenen Schleifen untereinander teilerfremd festgelegt ist. Das heißt, dass eine weitere nach 3 vorzusehende Spirale fünf Windungen aufzuweisen hätte. Während sich nach 3 mit der linken Spirale S3 mit drei Windungen drei Umdrehungen, mit der Spirale S4 mit vier Windungen vier Umdrehungen, insgesamt also zwölf Umdrehungen eineindeutig detektieren lassen, müssten einer weiteren, nicht dargestellten Spirale eben genannte fünf Windungen gegeben sein, womit bereits 60 Umdrehungen eineindeutig detektierbar sind.
Ausgehend vom vorstehenden Lösungsansatz, zeigt 6 eine zweite beispielhafte erfindungsgemäße Ausführung einer Schleifenausbildung mit vier Spiralen S2 bis S5 in Draufsicht, wobei hier jede der einzelnen in sich geschlossenen Spiralen analog zu den Ausführungen nach den 3 und 4, insbesondere betreffend die Brücke ausgeführt sind, jedoch jeweils mit einer spitz zulaufenden Innenausstülpung Sp eines Teils der spiralförmigen Domänenleitbahnschicht versehen sind. Die Lage und Ausrichtung der Innenausstülpung Sp innerhalb der Spirale ist dabei unerheblich und kann von Spirale zu Spirale auch anders ausgerichtet erfolgen. So kann sie auch im nach oben herausgezogen erweiterten Spiralabschnitt vorgesehen sein. Wesentlich ist nur ihre Ausrichtung nach Innen. In 6 sind die Kontaktflächen K ebenso grau dargestellt, wie in 3. Der in den jeweils oberen Spiralabschnitten dargestellte fette Pfeil zeigt die Lage der magnetischen Referenzrichtung an. Mit einer Ausführung nach dem speziellen Beispiel nach 6 sind bereits 3465 Umdrehungen eineindeutig detektierbar. Weshalb dies möglich ist, soll anhand der linken Spirale S2 mit zwei Spiralwindungen aus 6 im Detail anhand von 6b erläutert werden. Aufgrund der vorgesehenen Topologie mit der spitz zulaufenden Innenausstülpung Sp enthält diese Spirale (wie auch die anderen nach 6) grundsätzlich wenigstens eine magnetische Domäne D, die in 6b nur einmal bezeichnet und ansonsten als schwarzer Kreis dargestellt ist. In 6b ist die Bewegung dieser Domänenwand D bei Rotation des äußeren Magnetfeldes (rotierender Doppelpfeil) über unterschiedlich ansteigende Drehwinkel skizziert. Der fette Pfeil in den oberen Schleifenstrukturen zeigt wiederum die Richtung der Referenzmagnetisierung an. Kleine Pfeile entlang der Leitbahn symbolisieren die Richtung der Magnetisierung in den Abschnitten der Schleifenstruktur. Wie man z. B. durch Vergleich von n = 1 und n = 2 erkennt, ändert sich die Richtung der Magnetisierung beim Durchlauf der Domäne D. Nach 2,5 Umdrehungen befindet sich die Domänen D wieder am Ausgangsort (n = 0), jedoch sind die Richtungen aller Magnetisierungen um 180° gedreht. Erst nach nochmaligem Durchlauf der Domäne (von N = 2,5 bis N = 5) liegt wieder die Ausgangsmagnetisierungskonfiguration vor. Es ist somit ersichtlich, dass mit einer im Herstellungsaufwand grundsätzlich vergleichbaren Topologie gemäß 6a, betrachtet in Analogie zu 3, mit der nur zwölf Umdrehungen eineindeutig bestimmbar sind, hier bei einer im Beispiel nach 6a dargestellten Schleifenstruktur, bestehend aus einer ersten Spirale S2 mit zwei Windungen und einer zweiten Spirale S4 mit vier Windungen, bereits 45 Umdrehungen eineindeutig detektierbar sind.
Das Auslesen der Magnetisierungskonfiguration geschieht über die in den Figuren grau dargestellten Kontakte K. In 6b sind davon beispielhaft nur die Kontakte 44–46 hervorgehoben. Diese bilden eine Halbbrücke und gestatten somit die Unterdrückung der Widerstandsänderung bei Änderung der Temperatur. Sei im Beispiel der Kontakt 44 der gnd-(Masse) und der Kontakt 46 der Vcc-Kontakt (Brückenspannung), so misst man für n = 0 bis n = 1 am Kontakt 45 eine Spannung, die etwas kleiner als Vcc/2 ist, da der elektrische Widerstand R zwischen den Kontakten 44 und 45 kleiner ist (Magnetisierungsrichtung und Referenzrichtung haben einen Winkel von 45°) als zwischen den Kontakten 45 und 46 (Magnetisierungsrichtung und Referenzrichtung haben einen Winkel von 135°). Nach dem Durchgang der Domänenwand ist R(44 – 45) > R(45 – 46), demzufolge die Spannung am Kontakt 45 etwas kleiner als Vcc/2. Die vollständige Auswertung aller elektrischen Widerstandswerte über die einzelnen Schleifenabschnitte a ist nicht Gegenstand vorliegender Erfindung, weshalb vorstehende nähere Erläuterung ausreichend ist. Im Rahmen der Erfindung sollte die Topologie jedoch bevorzugt so erfolgen, dass die Leitungsabschnitte a, über denen die einzelnen Widerstandwerte erfasst werden, im Wesentlichen gleich lang ausgeführt sind, wie es in der linken Abbildung von 6 beispielhaft angedeutet ist.
Maßgabe nach vorliegender Erfindung für eine Ausführung nach dem Beispiel der 6 ist, dass die Anzahl der Windungen pro Spiralschleife so festgelegt ist, dass die pro einzelner Spiralwindungsschleife (Sx) maximal eineindeutig zählbare Umdrehungszahl zu denen der anderen Spiralwindungsschleife untereinander teilerfremd festgelegt ist. Je nach vorgegebenem Umdrehungszahlmessbereich lassen sich so geeignete Spiralwindungskombinationen beliebig festlegen. So zeigt 6a eine beispielhafte Möglichkeit zur eineindeutigen Bestimmung von fünfundvierzig Umdrehungen eines äußeren Magnetfeldes unter Verwendung einer Spirale S2 mit zwei Windungen (S21 und S22), zur Zählung von fünf Umdrehungen und einer Spirale S4 mit vier Windungen (S41 bis S44) zur Zählung von bis zu neun Umdrehungen, wenn beide Spiralen mit der in diesem speziellen Beispiel vorzusehenden spitz zulaufenden Innenausstülpung Sp versehen sind.
Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel hat diese Ausführungsvariante den erheblichen Vorteil, dass mit einer im Wesentlichen gleichen Anzahl von Kontakten doppelt so viel Umdrehungen detektierbar sind, einzig unter der Maßgabe, dass in dieser Ausführungsvariante pro Spiralschleife lediglich eine Innenausstülpung Sp vorzusehen ist. Ein zusätzlicher Vorteil einer solchen Topologie nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ergibt sich aus der Tatsache, dass pro Spirale zur eindeutigen Einschreibung nur einer Domäne D hier nur eine Löscheinrichtung erforderlich ist. Eine solche wird beispielhaft anhand von 7 beschrieben.
7 zeigt eine solche beispielhafte Anordnung zum Löschen und damit zahlenmäßig definierter Vorgabe von Domänenwänden in erfindungsgemäße Spiralschleifen. Im Rahmen der Erfindung soll dabei, unabhängig von der gewählten Topologie nach ersten oder zweitem Ausführungsbeispiel, jede der geschlossenen Spiralschleifen Sx mit einer solchen, oder Gleiches bewirkenden, Löschvorrichtung versehen sein, da eine Initialisierung erforderlich ist, die sicherstellt, dass in jeder Schleifenstruktur mindestens eine Domäne enthalten ist. Beispielsweise mit einer in 7 dargestellten Löscheinrichtung lassen sich ggf. überzählige Domänen beseitigen.
Dazu ist eine Zusatzleitbahn 40 vorgesehen, die die Schleife an einer topologisch günstigen Stelle überdeckt, wobei ihr, wie schematisch dargestellt, im Überdeckungsbereich eine geringere Breite gegeben ist. Damit sind, bei Spannungsanlegung an die Kontakte 40, 41, an dieser Stelle der Strom I und damit das durch ihn hervorgerufene Magnetfeld H_Strom, das unterhalb der dünnen Leitbahn am Ort der Schleife wirkt, entsprechend groß.
Der in 7 dargestellte Pfeil auf der Leitbahn zeigt die Richtung des Stromes I an, der das Magnetfeld H_Strom erzeugt, das unterhalb der Leitbahn von links nach rechts zeigt und sich additiv dem Feld des Permanentmagneten H_rot überlagert. Bei hinreichender Stärke des Zusatzmagnetfeldes (H_rot < H_Strom) kann die von links ankommende Domänenwand nicht unter die Zusatzstrombahn wandern und bleibt deshalb direkt davor stehen. Bei weiterer Rotation wird dann die nächste noch vorhandene Domänenwand zu der gleichen Position bewegt. Beide Domänenwände haben naturgemäß eine unterschiedliche Magnetisierungsrichtung im Kern der Domäne und löschen sich beim Kontakt somit aus. Bei einer Anordnung mit N Schleifen muss man also genau N mal den Permanentmagneten um 360° drehen, damit ist gesichert, dass alle eventuell vorhandenen Domänen die Position bei der Zusatzstrombahn erreichen. Für Schleifen ohne spitze Innenausstülpung, wie in 7 dargestellt, befindet sich die Anordnung danach in einem domänenwandfreien Zustand, bei den Schleifen mit einer spitzen Innenausstülpung ist, aufgrund dieser Topologie, genau eine Domänenwand gesichert vorhanden und damit bereits in einem für die Wirkungsweise des Umdrehungszählers geeigneten Zustand.
Erfolgt aus Topologiegründen die Rückleitung der Zusatzleitbahn 40, wie dargestellt über die Kontaktfläche 41, an einer anderen Stelle ebenfalls über den Spiralschleifenabschnitt zurück, ist ihr eine solche Breite zu geben, dass das Magnetfeld, das unterhalb in der Ebene der Schleife wirkt, den Transport der Domänen durch den drehenden Permanentmagneten nicht behindert. Das kann typischerweise dadurch erreicht werden, dass der Rückleiter 41 ca. 5-mal so breit ist wie der schmale, das große Magnetfeld erzeugende Teil der Bahn 40.
Während man bei vorstehend beschriebener Vorgehensweise bei hinreichender Anzahl von Umdrehungen des äußeren Magneten mit dieser Löschvorrichtung bei Spiralschleifen mit Innenausstülpung Sp gleich den gewünschten Domänenzustand von mindestens einer Domäne am Ende des Löschvorgangs erhält, muss bei Spiralschleifen ohne diese Innenausstülpung ggf. erst noch die gewünschte und physikalisch mögliche Mindestdomänenzahl ggf. noch erzeugt werden. Dazu kann auch die beschriebenen Löscheinrichtung verwendet werden, indem durch einen kurzen Stromstoß in entgegen gesetzter Richtung unterhalb der Leitbahn zwei Domänenwände erzeugt werden, wobei der Permanentmagnet 20 in seiner letzten Position verbleibt. Damit ist auch für eine Spiralschleife ohne Innenausstülpung Sp eine erfindungsgemäß erforderliche Domänenausgangskonfiguration eingestellt, nämlich hier zwei Domänen, die bevorzugt eng benachbart sind, welche bei Einsatz der Anordnung unter dem Einfluss des sich drehenden äußeren Magnetfeldes durch die Schleifenanordnung wandern.
Andere Ausführungen zur Einstellung einer gewünschten Domänenzahl liegen selbstverständlich im Ermessen des Durchschnittsfachmanns und beschränken vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebene Möglichkeit.
Für alle vorgenannten Ausführungsbeispiele gilt weiterhin, was u. U. eine weitergehend komprimierte Anordnung mehrerer Spiralschleifen auf einem Substrat ermöglicht, dass der Windungssinn der Domänenleitbahn innerhalb einer Spiralschleife gleich zu halten ist, von Spiralschleife zu Spiralschleife aber unterschiedlich festgelegt sein kann. Weiterhin sind die in 6 beispielhaft bezeichneten Längenabschnitte a der magnetischen Leitbahnen zwischen den jeweiligen Kontaktabschnitten K bevorzugt im Wesentlichen gleich lang auszuführen, was durch entsprechende Gestaltung der Länge der Kontakte K problemlos realisiert werden kann. Diese Maßgabe vereinfacht die nachfolgende, hier nicht weiter beschriebene Signalverarbeitung erheblich.
Die wesentlichen Vorteile vorliegender Erfindung bestehen in:

– einer technologisch wesentlich sicherer führbaren Herstellung, verglichen mit der bekannten Lösung nach WO 2009/027046 A1
– einer erheblich reduzierten Gesamtleiterbahnlänge, verglichen mit einer Lösung nach EP 1 740 909 B1 und damit einer Erhöhung der Gutausbeute
– einer erheblich reduzierten Anzahl der erforderlichen Kontakte, verglichen mit gleichen Drehzahlmessungen nach EP 1 740 909 B1
– einer sicheren Rückführung in den Gültigkeitsbereich der Messvorrichtung, wenn dieser versehentlich überschritten wurde, da die Anzahl der eingeschriebenen Domänen lebenslang konstant bleibt.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, genannte und vorstehend beschriebene Umdrehungszähler gemeinsam oder allein auf einem Substrat mit einer Auswerteelektronik anzuordnen oder mit dieser zu verbinden, als auch ebenso den Eingangs erwähnten Winkelsensor, bspw. in Ausführung eines AMR (anistropic magneto resistance) dort mit vorzusehen. Dabei kann die Auswertelektronik vorteilhaft durch einen CMOS-Schaltkreis gebildet sein, der bereits einen Hall-Winkelsensor enthalten kann.
Da sich alle beispielhaft beschriebenen Arten der Anordnung problemlos bspw. auf einem CMOS-Chip anbringen lassen, wird deutlich, wie klein sich ein Umdrehungszähler nach vorliegender Erfindung herstellen lässt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil vorliegender Erfindung besteht darin, dass Domänenzustände, die sich bei Rotation eines sie in der Lage verändernden äußeren Magnetfeldes verändern, auch bei Unterbrechung der Spannung im Nachgang detektiert werden können und somit auch eine im stromlosen Zustand erfolgte Rotation, bspw. eines Lenkrads, eineindeutig zur Anzeige gebracht werden kann.
Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen erkennbaren Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

01: Welle
10, 10a: Si-Substrat
11, 11a: erfindungsgemäßer Umdrehungszähler
20: Magnetsystem/Permanentmagnet
a
A-A: Schnittebene
B: Brücke
Is: Isolationsschicht
S2–S5: in sich geschlossene spiralförmige Schleifen
S33-1, S44-1: erste innere Schleifenenden
S31-2, S41-2: zweite äußere Schleifenenden
Sx1...4: einzelne Schleifenwindungen
40: Kontaktbahn zum Domänenlöschen
41: Kontakt zur Löscheinrichtung
44, 45, 46: Kontakte
D: Domäne
K: Kontakte
z: Abstand zur Brücke B

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1740909 B1 [0004, 0005, 0008, 0010, 0033, 0048, 0048]
WO 2005/106395 [0004]
WO 2009/027046 A1 [0006, 0008, 0048]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.postal.de [0003]
IEEE Trans. Magn. Vol 45, Heft 10, S. 3792–3795 [0026]

Claims

Magnetischer Umdrehungszähler zur eindeutigen Bestimmung einer vorgebbaren Anzahl zu bestimmender Umdrehungen eines mit einem Magnetsystem (20) verbundenen rotierenden Elements (01), welches ein drehrichtungsabhängiges äußeres magnetisches Feld erzeugt, wobei mit einer vorbestimmbaren Anzahl magnetischer Domänen besetzte weichmagnetische und mit GMR- oder TMR-Schichtpaketen versehene Schleifenstruktur zum Einsatz gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenstruktur gebildet ist aus wenigstens zwei separaten Schleifen (S3, S4), die jeweils spiralförmig ausgebildet sind, wobei das jeweils erste innere Schleifenende (S33-1, S44-1) mit dem jeweils zweiten äußeren Schleifenende (S31-2, S41-2) der gleichen Schleife alle übrigen Schleifenabschnitte (S31, S32 respektive S41, S42, S43) der jeweiligen Spirale (S3, S4) in einem vorgebbaren Abstand (z) durch je eine weichmagnetische und damit die jeweilige Spirale magnetisch schließende Brücke (B) überbrückend verbunden ist, wobei in jede der in sich geschlossenen Schleifenstrukturen (Sx) mindestens eine Domäne (D) eingeschrieben ist.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (z) so groß bemessen ist, dass magnetische Wechselwirkungen zwischen der Brücke (B) und den von ihr überbrückten Spiralabschnitten unterbunden sind.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Einsatzes lochfreier isolierender Schichten (Is), bspw. aus Al₂O₃, SiO₂, als Schichten zur Realisierung des Abstands (z), deren Schichtdicke mindestens 1 nm beträgt.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Einsatzes lochfreier, nicht ferromagnetischer, elektrisch leitfähiger Schichten, bspw. aus Cu, Ta etc., als Schichten zur Erzeugung des Abstands (z), deren Schichtdicke mindestens 3 nm beträgt.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Spiralwindungen der vorgesehenen Schleifen (Sx) von Schleife zu Schleife unterschiedlich festgelegt ist.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Spiralwindungen pro Schleife zu denen der andern Schleifen untereinander teilerfremd festgelegt ist.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede geschlossene Spiralschleife (Sx) mit einer ins Schleifeninnere gerichteten, spitz zulaufenden Ausstülpung (Sp) versehen ist.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 1, 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Windungen pro Spiralschleife so festgelegt ist, dass die pro einzelner Spiralwindungsschleife (Sx) maximal eineindeutig zählbare Umdrehungszahl zu denen der anderen Spiralwindungsschleifen untereinander teilerfremd festgelegt ist.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der ins Schleifeninnere gerichteten, spitz zulaufenden Ausstülpung (Sp) von Spiralschleife zu Spiralschleife unterschiedlich festgelegt sein kann.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Windungssinn der Domänenleitbahn innerhalb einer Spiralschleife gleich zu halten ist, von Spiralschleife zu Spiralschleife aber unterschiedlich festgelegt sein kann.
Magnetischer Umdrehungszähler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenabschnitte (a) der magnetischen Leitbahnen zwischen den jeweiligen Kontaktabschnitten (K) im Wesentlichen gleich lang ausgeführt sind.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der die magnetischen Domänen führenden weichmagnetischen Schicht und damit auch der der Brücke (B) durchgängig nahezu konstant ausgeführt ist.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass pro eingesetzter Spiralschleife (Sx) über einem beliebig wählbaren Leitbahnabschnitt eine Domänenlöscheinrichtung vorgesehen ist.
Magnetischer Umdrehungszähler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Löscheinrichtung einen die weichmagnetische Leitbahnschicht überbrückenden Stromleitpfad enthält, der bei Stromfluss ein Magnetfeld H_Strom erzeugt, dass größer ist als das das Magnetfeld H_rot des die Domänen zur Auslöschstelle transportierenden äußeren Drehmagnetfeldes.