DE19649265A1

DE19649265A1 - Giant magnetoresistive sensor with new type of Wheatstone bridge

Info

Publication number: DE19649265A1
Application number: DE1996149265
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Phys Dr Mattheis; Torsten Dipl Phys Straser
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fur Photonische Technologien Ev 0 De
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2016-11-29
Also published as: DE19649265C2

Abstract

The GMR sensor uses a new type of Wheatstone bridge. For the individual Wheatstone bridge elements (11,12,13,14) thin layer strip conductors are used which comprise a spin valve layer system. Each pair of bridge elements (11,12;13,14) forming a half bridge are electrically connected together and arranged in such a way that the first element (11) of the first half bridge (11,12) and the second element of the second half bridge adjacent an axis lie opposite the first element of the second bridge and the second element of the first bridge. A parallel magnetisation is impressed on each pair of bridge elements combined to one half side. The magnetisation of the bridge elements of opposing half sides is anti-parallel. The bridge elements are preferably arranged in a mirror symmetrical manner.

Description

Die Erfindung betrifft einen GMR-Sensor mit neuartiger Wheatstonebrücke unter Verwendung von Giant Magnetowiderstands materialien (GMR), die bezüglich ihres magnetoresistiven Effektes isotrope Eigenschaften und einen sehr großen magnetoresistiven Effekt aufweisen. Solche Sensoren werden bevorzugt zur Messung kleiner magnetischer Felder verwendet und als berührungslos messende Winkeldetektoren eingesetzt.The invention relates to a GMR sensor with a new type Wheatstone Bridge using Giant Magnetoresistance materials (GMR) with regard to their magnetoresistive effect isotropic properties and a very large magnetoresistive effect exhibit. Such sensors are preferably smaller for measurement magnetic fields and used as non-contact measuring Angle detectors used.

Zur betrags- und richtungsmäßigen Messung von Magnetfeldern werden nach dem Stand der Technik magnetoresistive Streifenleiter eingesetzt, die anisotrop bzgl. ihrer magnetoresistiven Eigenschaften und i.a. als Wheatstonebrücke verschaltet sind (vgl. z. B. DD 256 628, DE 43 17 512). Die dabei zum Einsatz gelangenden magnetoresistiven Streifenleiter weisen bzgl. eines äußeren Magnetfeldes anisotrope Widerstandsänderungen auf, was für den Verwendungszweck z. B. als Drehwinkelgeber eine wünschenswerte Eigenschaft ist. Solche Streifenleiter, z. B. auf der Basis von Permalloy, zeigen jedoch nur maximale Widerstandsänderungen von ca. 2-3%, weswegen ein relativ hoher elektronischer und herstellungsmäßiger Aufwand betrieben werden muß.For the amount and directional measurement of magnetic fields used magnetoresistive strip conductors according to the prior art, the anisotropic with regard to their magnetoresistive properties and i.a. as Wheatstone bridge are interconnected (see e.g. DD 256 628, DE 43 17 512). The magnetoresistive used here Strip conductors are anisotropic with respect to an external magnetic field Resistance changes on what is used for the purpose z. B. as Angle of rotation encoder is a desirable property. Such Stripline, e.g. B. based on Permalloy, but only show maximum resistance changes of about 2-3%, which is why a relative high electronic and manufacturing costs are operated got to.

Des weiteren sind auch Materialien bzw. Bauformen mit einem sogenannten Giant Magnetowiderstand bekannt geworden (vgl. z. B. S.P.P. Parkin et al., Oscillatory magnetic exchange coupling through thin copper layers, Phys. Rev. Lett., Vol. 66, S. 2152ff., 1991 und R. von Helmolt et al., Giant Negative Magnetoresistance in Perovskitelike La_2/3Ba_1/3MnO_x Ferromagnetic Films, Phys. Rev. Lett., Vol. 71, No. 14, S. 2331ff., 1993). Diese Klasse von Materialien bzw. Bauformen weisen magnetoresistive Widerstandseffekte auf, die die üblicherweise verwendeter magnetoresistiver Materialien um eine bis mehrere Größenordnungen übersteigen. Der Nachteil dieser Materialien für den angestrebten Verwendungszweck besteht jedoch darin, daß sie keinen anisotropen Widerstandseffekt aufweisen. Furthermore, materials or designs with a so-called giant magnetoresistance have also become known (see, for example, BSPP Parkin et al., Oscillatory magnetic exchange coupling through thin copper layers, Phys. Rev. Lett., Vol. 66, pp. 2152ff. , 1991 and R. von Helmolt et al., Giant Negative Magnetoresistance in Perovskitelike La _2/3 Ba _1/3 MnO _x Ferromagnetic Films, Phys. Rev. Lett., Vol. 71, No. 14, pp. 2331ff., 1993 ). This class of materials or designs have magnetoresistive resistance effects that exceed the commonly used magnetoresistive materials by one to several orders of magnitude. The disadvantage of these materials for the intended use, however, is that they have no anisotropic resistance effect.

Magnetoresistive Sensoren werden in bekannter Weise in Form von Wheatstonebrücken ausgebildet, um Umwelteinflüsse wie Temperaturänderungen auf das Meßsignal zu minimieren oder total zu unterdrücken. Der Aufbau derartiger Wheatstonebrücken setzt voraus, daß sich benachbarte Brückenzweige einer Halbbrücke bei Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes bzgl. der magnetoresistiven Widerstandsänderung entgegengesetzt verhalten. Dies ist bei Verwendung von anisotropen magnetischen Materialien, wie bei dem in klassischen MR-Sensoren verwendeten Permalloy (Ni₈₁Fe₁₉) vergleichsweise einfach realisierbar, indem durch zueinander senkrechte Ausrichtung von zwei MR-Streifenleitern innerhalb einer Halbbrücke oder durch die Verwendung von Barberpolen die Richtung des in dem magnetoresistiven Brückenzweigen fließenden Stromes unterschiedlich eingeprägt ist. Im Falle von isotropen Widerstandssystemen, wie z. B. Systemen mit Giant Magnetowiderstandseffekt, führen die bisher verwendeten Lösungsansätze jedoch zu keiner befriedigenden Lösung. Ein möglicher Lösungsansatz wurde für Drehwinkelsensoren für antiferromagnetisch gekoppelte Viellagenschichten oder Schichtsysteme mit einem kolossalen Magnetowiderstandseffekt bspw. in DE 195 32 674 C1 aufgezeigt. Dort wird durch eine geeignet geformte Geometrie von weichmagnetischen, als magnetische Sammler wirksamen Antennengeometrien eine Änderung der auf benachbarte Brückenzweige wirkenden Magnetfelder erreicht. Dieser Lösungsansatz bewirkt zwar den gewünschten Effekt, jedoch ist er mit zusätzlichen Strukturen und diffizilen Strukturierungsprozessen verbunden und nur für eine Drehwinkelmessung geeignet.Magnetoresistive sensors are designed in a known manner in the form of Wheatstone bridges in order to minimize or totally suppress environmental influences such as temperature changes on the measurement signal. The construction of such Wheatstone bridges presupposes that adjacent bridge branches of a half-bridge behave in the opposite direction to the magnetoresistive change in resistance when exposed to an external magnetic field. This is comparatively easy to achieve when using anisotropic magnetic materials, such as the permalloy (Ni ₈₁ Fe ₁₉ ) used in classic MR sensors, by orienting two MR strip conductors perpendicular to one another within a half-bridge or by using barber poles of the current flowing in the magnetoresistive bridge branches is impressed differently. In the case of isotropic resistance systems, such as. B. systems with giant magnetoresistance effect, the approaches used so far, however, do not lead to a satisfactory solution. A possible solution for rotation angle sensors for antiferromagnetically coupled multilayer layers or layer systems with a colossal magnetoresistance effect has been shown, for example, in DE 195 32 674 C1. There a change in the magnetic fields acting on adjacent bridge branches is achieved by a suitably shaped geometry of soft magnetic antenna geometries which act as a magnetic collector. Although this approach has the desired effect, it is associated with additional structures and difficult structuring processes and is only suitable for measuring the angle of rotation.

Weiterhin sind Schichtsysteme mit einem sogenannten Spin-Valve-Effekt bekannt, die vorzugsweise zur Detektion kleiner Felder oder auch zur Winkeldetektion verwendet werden (vgl. z. B. DE 43 01 704 A1) Diesen Schichtsystemen ist gemeinsam, daß sie aus magnetischen Einzelschichten bestehen, bei denen idealerweise eine Sensorschicht magnetisch leicht drehbar und eine Biasschicht magnetisch unbeweglich ist. Diese Schichten können bislang nur als einzelne magnetoresistive Streifensensoren betrieben werden, womit zwar vergleichsweise hohe Signale erhaltbar sind, jedoch auch alle weiteren Störeinflüsse, wie Temperaturschwankungen, das Meßsignal beeinflussen. There are also layer systems with a so-called spin valve effect known, which is preferably for the detection of small fields or for Angle detection can be used (see e.g. DE 43 01 704 A1) Layer systems have in common that they are made of magnetic Individual layers exist, ideally with a sensor layer easily rotated magnetically and a bias layer magnetically immobile is. So far, these layers can only be used as individual magnetoresistive layers Strip sensors are operated, which is relatively high Signals can be obtained, but also all other interferences, such as Temperature fluctuations affect the measurement signal.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetoresistive Wheatstonebrückenschaltung anzugeben, die eine Verwendung von Spin-Valve-Schichtsystemen für die einzelnen Brückenelemente ermöglicht.The present invention has for its object to be a magnetoresistive Wheatstone bridge circuit specifying the use of Spin valve layer systems for the individual bridge elements.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht in einer neuartigen Anordnung der einzelnen Brückenelemente innerhalb einer Wheatstonebrücke zueinander, wobei die gesamte, wenigstens eine Wheatstonebrücke umfassende Anordnung einen einheitlichen magnetischen Formierungsprozeß zwecks Aufprägung definierter Magnetisierungsrichtungen innerhalb der Biasschichten der einzelnen Brückenelemente erfahren hat.The task is characterized by the distinctive features of the first Claim resolved. The essence of the invention is one novel arrangement of the individual bridge elements within one Wheatstone bridge to each other, the entire, at least one Wheatstone bridge comprehensive arrangement a uniform magnetic formation process defined for the purpose of stamping Magnetization directions within the bias layers of the individual Experienced bridge elements.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und schematischer Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on an embodiment and schematic drawings are explained in more detail. Show it:

Fig. 1a den Aufbau eines Spin-Valve-Schichtsystems mit einer hartmagnetischen Biasschicht, gebildet durch eine antiferromagnetische Schicht sowie eine ferromagne tische Schicht, und einer weichmagnetischen Sensor schicht, Fig. 1a the construction of a spin-valve layer system having a hard magnetic bias layer formed by an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer diagram, and a soft magnetic sensor layer,

Fig. 1b den Aufbau eines Spin-Valve-Schichtsystems mit einem künstlichen Antiferromagneten als hartmagne tischer Biasschicht und einer weichmagnetischen Sensorschicht, FIG. 1b, the structure of a spin-valve layer system with an artificial antiferromagnet as hard of magnetic bias layer and a soft magnetic sensor layer,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Wheatstone-Vollbrücke mit vier Brückenzweigen, die je aus einem Spin-Valve-Schicht system nach Fig. 1a oder Fig. 1b gebildet sind, wobei die Pfeile in den Brückenelementen die Magnetisierung der jeweiligen Biasschicht anzeigen, Fig. 2, the arrows in the bridge elements show the basic construction of a full Wheatstone bridge with four bridge arms that are each formed of a spin-valve layer system according to FIG. 1a or FIG. 1b, the magnetization of the respective bias layer,

Fig. 3 zeigt eine mögliche Variante zum Einprägen der gewünschten Magnetisierungsrichtungen in den Biasschichten der einzelnen Brückenelemente, Fig. 3 shows a possible variant for impressing the desired magnetization directions in the bias layers of the individual bridge elements,

Fig. 4 eine mögliche Feldverteilung zur Formierung der unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der Bias schichten, aufgeprägt durch eine Anordnung nach Fig. 3 und Fig. 4 shows a possible field distribution for forming the different magnetization directions of the bias layers, impressed by an arrangement according to Fig. 3 and

Fig. 5 eine Anordnung von zwei zueinander senkrecht ausgerichteten Wheatstonebrücken nach Fig. 2. Fig. 5 shows an arrangement of two mutually perpendicular aligned Wheatstone bridge of FIG. 2.

Fig. 1a zeigt ein Siliziumsubstrat 1, welches bspw. durch thermische Oxidation mit einer SiO₂-Schicht 2 versehen ist. Auf dieses Substrat ist eine antiferromagnetische Schicht 3 aufgebracht, die bspw. aus FeMn oder CoO oder NiO oder einer Mischung aus NiO und CoO bestehen kann. Darauf befindet sich eine weichmagnetische Schicht 4, die durch die antiferromagnetische Schicht 3 gepinnt wird. Die Kombination dieses Doppelschichtsystems 3 und 4 wirkt wie eine hartmagnetische Schicht. Ebenso kann diese hartmagnetische Schichtpaket durch einen künstlichen Antiferromagneten 7 gebildet sein, wie in Fig. 1b schematisch angedeutet, welcher die Funktionen der Schichten 3 und 4 in sich vereinigt. Diesem Schichtpaket folgt weiterhin eine nichtmagnetische, elektrisch leitfähige Zwischenschicht 5 mit einer Dicke von 2 bis 5 nm, welche z. B. aus Kupfer besteht. Auf der Schicht 5 ist schließlich die eigentliche Sensorschicht 6, bestehend aus einem weichmagnetischen Material, wie z. B. Ni₈₁Fe₁₉, aufgebracht. Aus diesem beschriebenen, ganzflächig auf das Substrat aufgebrachten Schichtpaket sind in einem anschließenden Strukturierungsprozeß, der nicht Gegenstand der Erfindung ist, einzelne Brückenelemente für eine danach auszubildende Wheatstonebrücke in geeigneter Weise herausstrukturiert, so daß die Fig. 1a und 1b als seitlicher Schnitt durch ein einzelnes Brückenelement angesehen werden können. Fig. 1a shows a silicon substrate 1, which is for example provided. By thermal oxidation with an SiO ₂ layer 2. An antiferromagnetic layer 3 is applied to this substrate, which can consist, for example, of FeMn or CoO or NiO or a mixture of NiO and CoO. There is a soft magnetic layer 4 which is pinned by the antiferromagnetic layer 3 . The combination of this double-layer system 3 and 4 acts like a hard magnetic layer. This hard magnetic layer package can also be formed by an artificial antiferromagnet 7 , as indicated schematically in FIG. 1b, which combines the functions of layers 3 and 4 . This layer package is also followed by a non-magnetic, electrically conductive intermediate layer 5 with a thickness of 2 to 5 nm, which, for. B. consists of copper. On the layer 5 is the actual sensor layer 6 , consisting of a soft magnetic material, such as. B. Ni ₈₁ Fe ₁₉ applied. In a subsequent structuring process, which is not the subject of the invention, individual bridge elements for a Wheatstone bridge to be formed thereafter are suitably structured from this described layer package applied to the entire surface of the substrate, so that FIGS. 1a and 1b as a lateral section through a single bridge element can be viewed.

Äußere, zu registrierende magnetische Felder, die in der Schichtebene liegen, sollen die Richtung der Magnetisierung der Sensorschicht 6 leicht ändern können, die Richtung der Magnetisierung der an die nichtmagnetische leitfähige Schicht 5 angrenzenden Schicht 4; 7 jedoch unverändert lassen. Der elektrische Widerstand ist dann bestimmt durch den Winkel, den die Richtung der Magnetisierung der Sensorschicht 6 mit der Richtung der Magnetisierung der an die nichtmagnetische leitfähige Schicht angrenzenden Schicht 4; 7 bildet. External magnetic fields to be registered, which lie in the layer plane, should be able to easily change the direction of the magnetization of the sensor layer 6 , the direction of the magnetization of the layer 4 adjoining the non-magnetic conductive layer 5 ; 7, however, leave unchanged. The electrical resistance is then determined by the angle between the direction of magnetization of the sensor layer 6 and the direction of magnetization of the layer 4 adjoining the non-magnetic conductive layer; 7 forms.

Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Anordnung der in Fig. 1a oder 1b dargestellten Widerstandselemente und deren Verschaltung zu einer Wheatstonevollbrücke 10. Dabei zeigen die innerhalb der Brückenelemente dargestellten Pfeile die Richtung der Magnetisierung der Biasschicht 4; 7 an, wie sie gemäß der Erfindung den zu einer Wheatstonevollbrücke gehörigen einzelnen Brückenelementen 11, 12, 13, 14 aufgeprägt ist. Die dünner ausgeführten Pfeile deuten die Richtung der einem äußeren Feld H folgenden Magnetisierung in der Sensorschicht 6 an. Die einzelnen Brückenelemente 10, 11, 12, 14 sind als Streifenleiter ausgeführt, denen im Rahmen der Erfindung beliebige Strukturen, bspw. mäandrierte Strukturen, gegeben sein können. Wesentlich ist lediglich die magnetische Ausrichtung der Biasschichten 4; 7 innerhalb der Streifenleiter. Streifenleiter, denen eine parallele Magnetisierung gegeben ist, sollen bevorzugt räumlich eng zueinander benachbart angeordnet sein. Fig. 2 zeigt dabei die grundsätzliche Anordnung der einzelnen Brückenelemente innerhalb einer Wheatstonebrücke 10, bei der für die einzelnen Wheatstonebrückenelemente 11, 12, 13, 14 Dünnschichtstreifenleiter bestehend aus einem Spin-Valve-Schichtsystem eingesetzt sind, wobei die je eine Halbbrücke bildenden Brückenelemente, im Beispiel sind dies die Brückenelemente 11 und 12, 13 und 14, in solcher Weise miteinander elektrisch verschaltet und angeordnet sind, daß das erste Brückenelement 11 der ersten Halbbrücke 11, 12 mit dem zweiten Brückenelement 14 der zweiten Halbbrücke 13, 14 benachbart zu einer Achse X-X dem ersten Brückenelement 13 der zweiten Halbbrücke 13, 14 und dem zweiten Brückenelement 12 der ersten Halbbrücke 11, 12 gegenübersteht und den auf je einer Halbseite h1, h2 zusammengefaßten Brückenelementen [11 und 14 auf der Halbseite h1, 12 und 13 auf der zweiten Halbseite h2] jeweils eine parallele Magnetisierung aufgeprägt ist, wie es durch innerhalb der Brückenelemente angebrachte dicke Pfeile dargestellt ist, wobei die Magnetisierung der Brückenelemente 11 und 14, 12 und 13 sich gegenüberstehender Halbseiten h1, h2 zueinander antiparallel festgelegt ist. Ein äußeres magnetisches Feld H, dessen Richtung durch einen dicken Pfeil neben der Wheatstonebrücke 10 angedeutet ist, bewirkt eine einheitliche Verdrehung der Magnetisierung innerhalb der Sensorschicht 6 der einzelnen Brückenelemente 11, 12, 13, 14, wie es dünne, den Brückenelementen zugeordnete Pfeile andeuten. Die Spannungs versorgung der Wheatstonebrücke 10 mit einer Spannung U erfolgt zwischen den Kontaktstellen 121 und 122, der Brückenabgriff zwischen den Kontaktstellen 111 und 112. FIG. 2 shows a basic arrangement of the resistance elements shown in FIG. 1a or 1b and their interconnection to form a full Wheatstone bridge 10 . The arrows shown within the bridge elements show the direction of the magnetization of the bias layer 4 ; 7 as it is embossed according to the invention on the individual bridge elements 11 , 12 , 13 , 14 belonging to a Wheatstone full bridge. The thinner arrows indicate the direction of the magnetization following an external field H in the sensor layer 6 . The individual bridge elements 10 , 11 , 12 , 14 are designed as strip conductors, which can be given any structures, for example meandering structures, within the scope of the invention. All that is essential is the magnetic alignment of the bias layers 4 ; 7 inside the stripline. Strip conductors which are given a parallel magnetization should preferably be arranged spatially closely adjacent to one another. Fig. 2 shows the basic arrangement of the individual bridge elements within a Wheatstone bridge 10 , in which thin-film strip conductors consisting of a spin valve layer system are used for the individual Wheatstone bridge elements 11 , 12 , 13 , 14 , the bridge elements forming a half bridge in each case For example, these are the bridge elements 11 and 12 , 13 and 14 , electrically connected and arranged with one another in such a way that the first bridge element 11 of the first half bridge 11 , 12 is adjacent to an axis XX with the second bridge element 14 of the second half bridge 13 , 14 faces the first bridge element 13 of the second half bridge 13 , 14 and the second bridge element 12 of the first half bridge 11 , 12 and the bridge elements [ 11 and 14 on the half side h1, 12 and 13 on the second half side h2 combined on each half side h1, h2 ] a parallel magnetization is impressed, as it is by i thick arrows attached to the bridge elements are shown, the magnetization of the bridge elements 11 and 14 , 12 and 13 of opposing half-sides h1, h2 being fixed antiparallel to one another. An external magnetic field H, the direction of which is indicated by a thick arrow next to the Wheatstone bridge 10 , causes a uniform rotation of the magnetization within the sensor layer 6 of the individual bridge elements 11 , 12 , 13 , 14 , as indicated by thin arrows assigned to the bridge elements. The voltage supply of the Wheatstone bridge 10 with a voltage U takes place between the contact points 121 and 122 , the bridge tap between the contact points 111 and 112 .

Um die nach Fig. 2 angedeuteten antiparallelen Magnetisierungen der einzelnen Brückenelemente zu erzeugen, bedarf es für relativ kleine Flächen, die von einer Wheatstonebrücke eingenommen werden, welche in der Größenordnung von i.a. 1-4 mm² liegen, lokaler hoher und in ihrer Richtung antiparalleler Magnetfelder. Dazu wird zumindest eine nach Fig. 2 ausgebildete Wheatstonebrücke 10, zur Formierung der Magnetisierung innerhalb der Biasschicht(en) in das Feld zweier sich mit gleichnamigen Polen dicht benachbart gegenüberstehender magnetischer oder magnetisierbarer Körper 8 eingebracht, wie es in Fig. 3 schematisch angedeutet ist. Dabei kann beispielsweise eine Magnetanordnung, bestehend aus NdFeB-Hartmagneten Verwendung finden. Besitzen diese Magnete bspw. eine Breite von 8 mm, eine Höhe von 10 mm und eine in Richtung senkrecht zur Zeichenebene beliebige Ausdehnung, sind bei einer Beabstandung d von ca. 1 mm, in Bereichen von 2-3 mm Feldstärken von ≧1 T erreichbar. Der mit wenigstens einer Wheatstonebrücke versehene Chip muß dann so aufgebaut sein, daß sich zwischen den magnetfeldempfindlichen Brückenelementen, mit Bezug auf die Fig. 2 sind dies in Fig. 3 die Brückenelemente 11, 13, hinter denen sich die nicht dargestellten Brückenelemente 14, 12 befinden, ein Abstand von ca. 4 mm verbleibt, in dem bspw. die erforderlichen Leitbahnen zur Verschaltung der Wheatstonebrücke verlegt sein können. Bevorzugt sind natürlich auf dem Chip eine Vielzahl von Wheatstonebrücken hintereinander und in Streifen nebeneinander angeordnet, so daß für jeweils einen Streifen eine Formierung mit einer Anordnung nach Fig. 3 vorgenommen werden kann.In order to generate the antiparallel magnetizations of the individual bridge elements indicated in FIG. 2, relatively high areas, which are in the order of generally 1-4 mm ^2, are required for relatively small areas, which are occupied by a Wheatstone bridge, and magnetic fields that are antiparallel in their direction . For this purpose, at least one Wheatstone bridge 10 designed according to FIG. 2 is introduced into the field of two magnetic or magnetizable bodies 8 that are closely adjacent to one another with poles of the same name, to form the magnetization within the bias layer (s), as is schematically indicated in FIG. 3. For example, a magnet arrangement consisting of NdFeB hard magnets can be used. If, for example, these magnets have a width of 8 mm, a height of 10 mm and an arbitrary extension in the direction perpendicular to the plane of the drawing, they can be reached with a spacing d of approx. 1 mm in areas of 2-3 mm field strengths of von 1 T. . The chip provided with at least one Wheatstone bridge must then be constructed such that between the magnetic field-sensitive bridge elements, with reference to FIG. 2, in FIG. 3 these are the bridge elements 11 , 13 , behind which the bridge elements 14 , 12 , not shown, are located , a distance of approx. 4 mm remains, in which, for example, the necessary interconnects for connecting the Wheatstone bridge can be laid. A plurality of Wheatstone bridges are of course preferably arranged one behind the other and in strips next to one another on the chip, so that for each strip a formation with an arrangement according to FIG. 3 can be carried out.

In Fig. 4 ist die Feldverteilung dargestellt, wie sie sich nach Fig. 3 ergibt. Die im Spalt d markierten fetten Pfeile geben die Richtung des auf den Chip wirkenden Feldes an, wenn es in der Mitte des Spaltes angeordnet wird. Dazu sind schematisch in Fig. 4 die Komponente des Magnetfeldes parallel zum Spalt am Ort der Mitte des Spaltes angegeben. Setzt man eine Mindestfeldstärke von H_min für die Formierung an, so muß der Chip im Spalt so angeordnet werden, daß sich die feldempfindlichen Teile der Wheatstonebrücke in den Bereichen 9a und 9b befinden. FIG. 4 shows the field distribution as it results from FIG. 3. The bold arrows marked in the gap d indicate the direction of the field acting on the chip when it is arranged in the middle of the gap. For this purpose, the component of the magnetic field parallel to the gap at the location of the center of the gap is indicated schematically in FIG. 4. If a minimum field strength of H _{min is used} for the formation, the chip must be arranged in the gap in such a way that the field-sensitive parts of the Wheatstone bridge are in the areas 9 a and 9 b.

Ebenso ist eine Ausbildung der Polschuhe als stabförmige Magneten, wie in Fig. 5 in Kreisform dargestellt, möglich und dann vorteilhaft, wenn eine flächige Verteilung des Formierungsfeldes gewünscht wird, was bspw. zur gleichzeitigen Formierung zweier zueinander senkrecht angeordneter Wheatstonebrücken 10 und 10' erforderlich sein kann.It is also possible to design the pole shoes as rod-shaped magnets, as shown in a circular shape in FIG. 5, and is advantageous if a flat distribution of the formation field is desired, which may be necessary, for example, for the simultaneous formation of two mutually perpendicular Wheatstone bridges 10 and 10 ' can.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the Drawings features can be used both individually and in any combination with each other be essential to the invention.

BezugszeichenlisteReference list

11

Substrat
Substrate

22nd

SiO₂ SiO ₂

-Schicht
-Layer

33rd

antiferromagnetische Schicht
antiferromagnetic layer

44th

ferromagnetische Schicht, gepinnt an ferromagnetic layer, pinned on

33rd

55

leitfähige nichtmagnetische Schicht
conductive non-magnetic layer

66

Weichmagnetische Schicht
Soft magnetic layer

77

Künstlicher Antiferromagnet
Artificial antiferromagnet

88th

Permanentmagnet
Permanent magnet

10,10,

1010th

' Wheatstonebrücke
'Wheatstone Bridge

1111

, ,

1212th

, ,

13,13,

1414

Brückenelemente der Wheatstonebrücke Bridge elements of the Wheatstone Bridge

1010th

111,111,

112112

Abgriff der Wheatstonebrücke
Tap the Wheatstone Bridge

121,121,

122122

Potentialversorgung der Wheatstonebrücke
Potential supply for the Wheatstone bridge

99

a, a,

99

b Lage der magnetfeldempfindlichen Bereiche des Chips
d Spaltbreite.
b Location of the magnetic field sensitive areas of the chip
d gap width.

Claims

1. GMR-Sensor mit neuartiger Wheatstonebrücke, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Wheatstonebrückenelemente (11, 12, 13, 14) Dünnschichtstreifenleiter, bestehend aus einem Spin-Valve-Schichtsystem, eingesetzt sind, wobei die je eine Halbbrücke bildenden Brückenelemente (11 und 12; 13 und 14) in solcher Weise miteinander elektrisch verschaltet und angeordnet sind, daß das erste Brückenelement (11) der ersten Halbbrücke (11, 12) mit dem zweiten Brückenelement (14) der zweiten Halbbrücke (13, 14) benachbart zu einer Achse (X-X) dem ersten Brückenelement (13) der zweiten Halbbrücke (13, 14) und dem zweiten Brückenelement (12) der ersten Halbbrücke (11, 12) gegenübersteht und den auf je einer Halbseite (h1; h2) zusammengefaßten Brückenelementen (11 und 14; 12 und 13) jeweils eine parallele Magnetisierung aufgeprägt ist, wobei die Magnetisierung der Brückenelemente (11 und 14; 12 und 13) sich gegenüberstehender Halbseiten (h1, h2) zueinander antiparallel festgelegt ist.1. GMR sensor with a novel Wheatstone bridge, characterized in that for the individual Wheatstone bridge elements ( 11 , 12 , 13 , 14 ) thin-film strip conductors, consisting of a spin valve layer system, are used, the bridge elements ( 11 and 12 ; 13 and 14 ) are electrically interconnected and arranged in such a way that the first bridge element ( 11 ) of the first half bridge ( 11 , 12 ) is adjacent to an axis with the second bridge element ( 14 ) of the second half bridge ( 13 , 14 ) (XX) faces the first bridge element ( 13 ) of the second half-bridge ( 13 , 14 ) and the second bridge element ( 12 ) of the first half-bridge ( 11 , 12 ) and the bridge elements ( 11 and 14 ) combined on each half side (h1; h2) ; 12 and 13 ) a parallel magnetization is impressed, the magnetization of the bridge elements ( 11 and 14 ; 12 and 13 ) of opposing half sides (h1 , h2) is antiparallel to each other.

2. GMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Brückenelemente (11, 14) und (13, 12) bezüglich der Achse (X-X) einander spiegelsymmetrisch gegenüberstehend angeordnet sind.2. GMR sensor according to claim 1, characterized in that said bridge elements ( 11 , 14 ) and ( 13 , 12 ) with respect to the axis (XX) are arranged opposite one another in mirror symmetry.

3. GMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenelemente (11, 14 und 12, 13), welche eine parallele Magnetisierung aufweisen, räumlich eng benachbart zueinander angeordnet sind.3. GMR sensor according to claim 1, characterized in that the bridge elements ( 11 , 14 and 12 , 13 ), which have a parallel magnetization, are spatially closely adjacent to each other.

4. GMR-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Brückenelementen (11 und 14; 13 und 12) in den Funktionsschichten (4; 7) aufgeprägte Magnetisierung durch zwei sich mit gleichnamigen Polen gegenüberstehende magnetisierte oder magnetisierbare Körper (8), die durch einen schmalen Spalt (d) zueinander beabstandet sind, in den die zu magnetisierenden Brückenelemente (11 bis 14) einbringbar sind, erzeugt ist. 4. GMR sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the bridge elements ( 11 and 14 ; 13 and 12 ) in the functional layers ( 4 ; 7 ) impressed magnetization by two opposing magnetized or magnetizable body with the same name poles ( 8th ), which are spaced apart from one another by a narrow gap (d), into which the bridge elements ( 11 to 14 ) to be magnetized can be introduced.

5. GMR-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisierten oder magnetisierbaren Körper (8) derart dimensioniert sind, daß von dem von ihnen ausgehenden magnetischen Feld wenigstens eine Wheatstonevollbrücke (10), bestehend aus zwei Halbbrücken (11, 14 und 12, 13), erfaßt ist.5. GMR sensor according to claim 4, characterized in that the magnetized or magnetizable body ( 8 ) are dimensioned such that at least one Wheatstone full bridge ( 10 ) consisting of two half bridges ( 11 , 14 and 12 ) from the magnetic field emanating from them , 13 ), is recorded.

6. GMR-Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander senkrecht stehende Wheatstonebrücken (10, 10') von einem Magnetfeld zweier stabförmiger Magneten (8) erfaßbar sind.6. GMR sensor according to one of the preceding claims, characterized in that two mutually perpendicular Wheatstone bridges ( 10 , 10 ') from a magnetic field of two rod-shaped magnets ( 8 ) can be detected.