DE10357149A1 - Magnetsensoranordnung - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Magnetsensoranordnung (1) vorgeschlagen, mit mindestens einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht in einem integrierten GMR-Spin-Valve-Mehrschichtsystem, bei der die magnetfeldempfindlichen Sensorelemente (10, 11, 12, 13) zu einere Messbrücke verschaltet sind und deren elektrischen Widerstand (R) in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld veränderbar ist. Die Sensorelemente sind jeweils aus mindestens einem weitgehend linearen Messstreifen (10, 11, 12, 13) gebildet, der sich jeweils senkrecht zur Richtung des zu erfassenden Magnetfeld (H) erstreckt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Magnetsensoranordnung, insbesondere zur Sensierung der Bewegung von linear oder rotatorisch bewegten Elementen, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
- Es ist an sich bakannt, dass sogenannte GMR-Sensoren als magnetfeldempfindliche Bauelemente (GMR= Giant Magneto Resistance), beispielsweise als relativ robuste Sensoren bei der Drehwinkelerfassung in Kraftfahrzeugen, angewendet werden können. Als Giant Magneto Resistance (GMR) wird ein Effekt bezeichnet, der bei geeigneten Schichtsystemen, bestehend aus dünnen, abwechselnd magnetischen und nichtmagnetischen Metallschichten, auftritt. Es handelt sich hierbei um eine starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstands des Schichtsystems von einem angelegten Magnetfeld aufgrund spinabhängiger Elektronenstreuung.
- Beispielsweise ist in der
DE 101 28 135 A1 ein Konzept beschrieben, in dem eine hartmagnetische Schicht in der Nähe, d.h. insbesondere auf und/oder unter einem magnetoresistiven Schichtstapel, deponiert wird. Diese hartmagnetische Schicht koppelt dann vorwiegend durch ihr Streufeld an die magnetosensitiven Schichten und erzeugt dabei ein sogenanntes Bias-Magnetfeld, das als Magnetfeld-Offset wirkt, so dass auch bei einer nur schwachen Variation eines dem internen Magnetfeld überlagerten externen Magnetfelds eine gut messbare und relativ große Veränderung des eigentlichen Messwertes, der als Widerstandsänderung in der Schichtanordnung detektiert wird, erreichbar ist. - Es ist darüber hinaus aus
DE 199 49 714 A1 bekannt, dass solche Sensoren als sogenannte Spin-Valve-Schichtsysteme aufgebaut werden. Hierbei wird die weichmagnetische Detektionsschicht durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht von einer magnetisch härteren Schicht getrennt. Die nichtmagnetische Zwischenschicht weist dabei eine derartige Schichtdicke auf, dass nur eine geringe magnetische Kopplung zwischen den beiden magnetischen Schichten über die nichtmagnetische Zwischenschicht erfolgt. Hiermit wird erreicht, dass die Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Detektionsschicht schon sehr kleinen externen Magnetfeldern folgt. - Als GMR-Spin-Valve werden Schichtstapel bezeichnet, deren Aufbau prinzipiell aus mindestens vier Schichten besteht, wobei die Schichten folgende Rolle einnehmen: 1. eine freie Schicht als eine weitgehend frei einem angelegten Magnetfeld folgende magnetische Schicht; 2. eine nichtmagnetische Zwischenschicht, die zwischen den beiden am GMR-Effekt beteiligten magnetischen Schichten liegt; 3. eine festgehaltene Schicht, die eine magnetische Schicht ist, die dem äußeren Feld bis zu einem Grenzwert nicht folgt und 4. eine oder mehrere Schichten um die festgehaltene Schicht festzuhalten. Letzteres kann ein Antifer romagnet, ein künstlicher Antiferromagnet, eine Kombination von beiden, eine hartmagnetische Schicht oder Anderes sein.
- Die zuvor beschriebenen Sensoren werden in an sich bekannter Weise zur Drehzahlerfassung, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik, oft in einer sogenannten Gradiometeranordnung ausgeführt. Das heißt je zwei Zweige einer Wheatstoneschen Messbrücke sind in vorgegebenem Abstand angeordnet, so dass ein homogenes Magnetfeld kein Brückensignal bewirkt. Eine Variation des Magnetfelds im Bereich des vorgegebenen Abstands hingegen erzeugt ein Brückensignal. Damit misst der Sensor nur das Signal eines magnetischen Polrads, dessen Polpaarabstand in etwa dem vorgegebenen Gradiometerabstand entspricht.
- Entsprechendes gilt bei Verwendung eines geometrisch codierten Stahlrads, das selber nicht ferromagnetisch ist, welches aber das Feld eines in der Nähe des Sensors angebrachten Magneten durch seine Suszeptibilität moduliert. Beispiele für solche Geberräder sind Zahnräder oder Geberräder mit Anordnungen von Vorsprüngen und Aussparungen. Auch hier wird nur eine Modulation des Magnetfelds auf dem Maßstab des Gradiometerabstandes gemessen.
- Um nun ein Gradiometer auf der Basis eines GMR-Spin-Valves auszuführen, werden vier Messstreifen aus dem GMR-Material in Dünnschichttechnik ausgeführt. Um einen für die Auswerteelektronik geeigneten Brückenwiderstand in der Größenordnung von 1 kOhm darzustellen, wird üblicherweise eine mäanderförmige Anordnung der Messstreifen gewählt.
- Die Widerstandsänderung einer solchen GMR-Spin-Valve-Struktur erfolgt dabei üblicherweise in einem sehr schmalen Feldbereich, dadurch ist eine Spin-Valve-Struktur an sich in der Lage, sehr kleine Feldstärkemodulationen zu messen. wird nun ein solcher Drehzahlsensor jedoch bei einem großen Arbeitsabstand eingesetzt, ergibt sich jedoch das Problem, dass ein homogenes Fremdfeld den Arbeitspunkt des GMR- Sensors so verschiebt, dass die Spin-Valve-Struktur die kleine Magnetfeldvariation des Pol- oder Geberrades eventuell nicht mehr detektierten kann.
- Vorteile der Erfindung
- Bei einer Weiterbildung einer Magnetsensoranordnung der eingangs angegebenen Art mit mindestens einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht in einem integrierten Spin-Valve-Mehrschichtsystem, bei der die magnetfeldempfindlichen Sensorelemente in einer Messbrücke verschaltet sind und deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld veränderbar ist, sind erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise die Sensorelemente jeweils aus mindestens einem weitgehend linearen Messstreifen gebildet, der sich jeweils senkrecht zur Richtung des zu erfassenden Magnetfeld erstreckt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind jeweils vier Sensorelemente aus dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten riesenmagnetoresistiven Material (GMR) in Dünnschichttechnik zu einer Wheatstonschen Messbrücke verschaltet. Hierbei können auch in vorteilhafter Weise jeweils mehrere Messstreifen zur Bildung eines Sensorelementes parallel geschaltet werden. Die Messstreifen sollten dabei bevorzugt jeweils eine Breite von ca. 2 bis 10 μm aufweisen.
- Gegenstand der Erfindung ist es somit, die hinsichtlich ihres ohmschen Widerstandes magnetfeldabhängigen Sensorelemente anstelle der im Stand der Technik üblichen Mäan derform als weitgehend lineare Messstreifen mit einer geringen Breite von wenigen μm senkrecht zur Richtung des zu messenden Magnetfeldes auszurichten.
- An sich ist es bekannt, dass das Magnetfeld in einem magnetischen Körper von dem äußeren Feld abweicht. Dies liegt daran, dass jeder magnetische Körper durch seine Magnetisierung dem äußeren Feld entgegenwirkt und bewirkt insbesondere eine Abhängigkeit des im Körper vorliegenden inneren Feldes von der Geometrie des Körpers. Insbesondere dringt das Magnetfeld in einen Körper, dessen Abmessungen in den drei Dimensionen stark unterschiedlich sind, in die Richtung der kleinsten Ausdehnung am schwächsten ein. Dies führt auch dazu, dass die Magnetisierung ohne äußeres Feld vorzugsweise in die Richtung der größten Ausdehnung zeigt. Dadurch ist die Magnetisierungskennlinie eines ansonsten völlig isotropen magnetischen Körpers von der Richtung des Magnetfeldes bezüglich seiner Geometrie abhängig.
- Insbesondere kann man bei dünnen magnetischen Schichten davon ausgehen, dass die Kennlinie bei einem Magnetfeld in der Schichtebene und die Kennlinie bei einem Magnetfeld senkrecht zur Schichtebene sich deutlich unterscheiden. Aus diesem Grunde bewirkt die Reduktion der Breite des Messstreifens senkrecht zur Richtung des zu messenden Magnetfeldes ebenfalls eine Veränderung der Kennlinienform.
- Die Widerstandsänderung einer eingangs beschriebenen GMR-Spin-Valve-Struktur erfolgt, wie erwähnt, in einem sehr schmalen Feldbereich. Dadurch ist eine Spin-Valve-Struktur in der Lage, sehr kleine Feldstärkemodulationen zu messen. Für die Verwendung einer Spin-Valve-Struktur als Drehzahlsensor bedeutet dies eine hohe Empfindlichkeit auf das von Polrad oder Geberrad erzeugte Signal. Insbesondere kann die Magnetfeldmodulation auch bei großen Arbeitsabständen sicher detektiert werden.
- Wird nun ein solcher Drehzahlsensor bei einem großen Arbeitsabstand eingesetzt, ergibt sich jedoch das Problem, dass ein homogenes Fremdfeld den Arbeitspunkt des GMR-Sensors so verschiebt, dass die Spin-Valve-Struktur die kleine Magnetfeldvariation des Pol- oder Geberrades nicht mehr detektiert. Die Anordnung der Messstreifen gemäß der Erfindungen bewirkt nun, dass die Kennlinie gekippt wird, wodurch sich der Bereich hoher Sensitivität vergrößert und wobei gleichzeitig die maximale Sensitivität, entsprechend der geringeren Steigung der Kennlinie, verringert wird.
- Das führt in vorteilhafter Weise dazu, dass der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor auch bei homogenen Störfeldern bis zu einer gewissen Maximalgröße zuverlässig funktioniert. Insbesondere ist die Unempfindlichkeit gegenüber Störfeldern von +/- 1 kA/m gewährleistet.
- Zeichnung
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Prinzipansicht eines Schichtaufbaus einer Messbrückenschaltung für einen Magnetfeldsensor nach dem Stand der Technik mit mäanderförmigen Messstreifen als Sensorelemente, -
2 eine Kennlinie des elektrischen Widerstandes eines Sensorelements in Abhängigkeit vom Magnetfeld mit einem Schema der magnetoelektrischen Wandlung eines modulierten Magnetfeldes in ein elektrisches Signal, -
3 die Verschiebung der Kennlinie nach der2 aufgrund eines äußeren Störfeldes, -
4 einen erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor in Abänderung der1 mit linearen Messstreifen, -
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit mehreren parallelgeschalteten linearen Messstreifen zu einem Sensorelement und -
6 das Schema der Kennlinie eines GMR-Spin-Valve-Messstreifens nach der Erfindung gemäß der4 oder5 mit einer Kennlinie geringerer Steigung und einer Verschiebung der Kennlinie aufgrund eines äußeren Störfeldes. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- In
1 ist eine Prinzipansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten GMR-Magnetfeldsensors1 gezeigt, der in einem Multilagen- oder Multischichtaufbau hergestellt ist. Für die eigentliche Sensierung einer in der Beschreibungseinleitung erwähnten Magnetfeldänderung sind bekannte mäanderförmige Messstreifen2 ,3 ,4 ,5 als Sensorelemente vorhanden, die zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, so dass die magnetfeldabhängigen Widerstandsänderungen der Messstreifen2 ,3 ,4 und5 entsprechend ausgewertet werden können. - In
2 ist eine Kennlinie6 des elektrischen Widerstandes R eines Messstreifens2 ,3 ,4 oder5 in Abhängigkeit vom Magnetfeld H gezeigt. An der Kennlinie6 wird somit ein Signal7 entsprechend eines zu sensierenden modulierten Magnetfeldes in ein elektrisches Signal8 mit einer GMR-Spin-Valve-Struktur nach der1 umgewandelt. - Aus
3 ist zu entnehmen, dass beispielsweise ein zu großer Arbeitsabstand bei einem hier nicht dargestellten Drehzahlsensor dazu führt, dass ein homogenes Fremdfeld die Kennlinie6 und damit den Arbeitspunkt des GMR-Sensors gemäß Pfeil9 so verschiebt, dass die Spin-Valve-Struktur aus der1 die kleine Magnetfeldvariation gemäß dem Signal7 des Pol- oder Geberrades des Drehzahlsensors nicht mehr detektiert. - Eine erfindungsgemäße Anordnung von linearen Messstreifen
10 ,11 ,12 und13 als Sensorelemente ist anhand4 und5 gezeigt, wobei das Ausführungsbeispiel nach der5 im Unterschied zu der4 eine Parallelschaltung von mehreren Einzelmessstreifen zu einem Sensorelement vorsieht. Die Messstreifen10 ,11 ,12 und13 sind aus dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten riesenmagnetoresistiven Material (GMR) in Dünnschichttechnik zu einer Wheatstoneschen Messbrücke in vergleichbarer Weise wie beim Stand der Technik verschaltet. Die einzelnen Messstreifen10 ,11 ,12 und13 sollten dabei bevorzugt jeweils eine Breite von ca. 2 bis 10 μm aufweisen. - Aus einer Kennlinie
14 nach6 , die die Änderung des Widerstands R der Messstreifen10 ,11 ,12 und13 in Abhängigkeit des Magnetfeldes H bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach den4 und5 zeigt, ist zu entnehmen, dass diese Kennlinie14 im Unterschied zu der Kennlinie6 nach den2 und3 eine geringere Steigung aufweist. Durch diesen flacheren Verlauf wird auch bei einer hier ebenfalls angedeuteten Verschiebung15 der Kennlinie14 aufgrund eines äußeren Störfeldes der Bereich hoher Sensitivität vergrößert.
Claims (5)
- Magnetsensoranordnung mit – mindestens einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht in einem integrierten Spin-Valve-Mehrschichtsystem, bei der die magnetfeldempfindlichen Sensorelemente (
2 ,3 ,4 ,5 ;10 ,11 ,12 ,13 ) in einer Messbrücke verschaltet sind und deren elektrischer Widerstand (R) in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld (H) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sensorelemente jeweils aus mindestens einem weitgehend linearen Messstreifen (10 ,11 ,12 ,13 ) gebildet sind, der sich jeweils senkrecht zur Richtung des zu erfassenden Magnetfeld (H) erstreckt. - Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – jeweils vier Messstreifen (
10 ,11 ,12 ,13 ) aus riesenmagnetoresistiven Material (GMR) in Dünnschichttechnik zu einer Wheatstonschen Messbrücke verschaltet sind. - Magnetsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – jeweils mehrere Messstreifen (
10 ,11 ,12 ,13 ) zur Bildung eines Sensorelementes parallelgeschaltet sind. - Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messstreifen (
10 ,11 ,12 ,13 ) jeweils eine Breite von ca. 2 bis 10 μm aufweisen. - Magnetsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Magnetsensoranordnung (
1 ) als Gradiometer zur Drehzahlerfassung an rotierenden Bauteilen in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
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