DE19810838C2 - Sensoreinrichtung mit mindestens einem magnetoresistiven Sensor auf einer Substratschicht eines Sensorsubstrats - Google Patents

Description

Ein solches Substrat wird beispielsweise zur Bildung von magnetoresistiven Winkelsensoren, insbesondere in Form von giant-magnetoresistiven Sensoren verwendet. Bei diesen Senso­ ren ist eine sogenannte Biasschicht vorgesehen, die magne­ tisch härter ist als eine vorhandene möglichst weiche Mess­ schicht. Die einzelnen Schichten können dabei auch durch meh­ rere zu einem Paket gestapelte Schichten ersetzt sein. Die Messschicht und die Biasschicht sind bei den giant-magneto­ resistiven Systemen durch eine nicht-magnetische Zwischen­ schicht gegenseitig magnetisch entkoppelt, bei magnetic- tunnel-junction-Sensoren durch eine Tunnelbarriere. Liegt kein äußeres magnetisches Feld an dem System an, stehen die Magnetisierungen der beiden Schichten in einem beliebigen Winkel zueinander. Unter dem Einfluss eines äußeren Magnet­ feldes richtet sich die Magnetisierung der weichmagnetischen Messschicht entsprechend der Richtung des externen Magnetfel­ des aus, die Ausrichtung der magnetisch härteren Biasschicht bleibt dabei annähernd unverändert. Der Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten bestimmt den Widerstand des Mehrschichtsystems. Dieser Widerstand ist mit Hilfe eines über das System geführten Stromes messbar und dient als Grundlage zur Ermittlung eines mittels des Sensor­ systems erfassbaren Wertes, beispielsweise eines Raumwinkels.

Grundliegend bei diesem System ist u. a. die Biasschicht, die im oben beschriebenen Fall zur Winkelbestimmung dient. Die Magnetisierung der Biasschicht muss vorher eingestellt wer­ den. Da zur Bildung eines Winkelsensors wenigstens zwei Sen­ sorelemente mit unterschiedlich ausgerichteter Biasschicht­ magnetisierung erforderlich sind, und da beide Sensorelemente zweckmäßigerweise auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sein sollen, da ein nachträglicher Zusammenbau problematisch ist und zu unbefriedigenden Messergebnissen führt, ergeben sich hinsichtlich der Ausrichtung der Biasschicht Magnetisie­ rungsschwierigkeiten. Der nicht vorveröffentlichten Patentan­ meldung 197 42 134.2 (veröffentlicht als EP 0 905 523 A2) ist eine Sensoreinrichtung zur Richtungserfassung eines äußeren Magnetfeldes mittels eines magnetoresistiven Sensorelements zu entnehmen, das aus mehreren einzelnen Sensorelementen be­ steht. Die Sensorelemente sind auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Bei dem in dieser Schrift beschriebenen System müssen in den Biasschichten oder den Biasschichtpaketen der einzelnen Sensorelemente auf engstem Raum die Magnetisie­ rungsrichtungen mit verschiedenen Ausrichtungen eingeprägt werden. Dies geschieht mittels eines stromdurchflossenen Streifenleiters, der ein Einstell-Magnetfeld erzeugt und der oberhalb der einzelnen Sensorelemente angeordnet ist. Der Streifenleiter kann entweder direkt und isoliert auf dem je­ weiligen System aufgebracht sein, also mit diesem verbunden sein, oder getrennt von diesem in Form einer Maske oder der gleichen oberhalb positioniert werden. Bei dem in der Patent­ anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht jedes System aus vier Sensorelementen, wobei die Magnetisierungs­ richtung der hintereinandergeschalteten Sensorelemente je­ weils senkrecht aufeinander steht. Die Einstellstreifenlei­ teranordnung ist dabei derart, dass vier großflächige Leiter­ bereiche vorgesehen sind, die zur Unterteilung einzelner Lei­ terbahnen teilweise geschlitzt ausgebildet sind, wobei die Schlitze von Leiterabschnitt zu Leiterabschnitt jeweils senk­ recht aufeinander stehen. Die großflächigen Leiterabschnitte selbst sind im Wesentlichen rechtwinklig ausgebildet. Der Strom wird an einem Ende des Streifenleitersystems einge­ führt, durchläuft infolge der geschlitzten Konfiguration die einzelnen Leiterabschnitte des großflächigen Abschnittes und wird am anderen Ende des Leiterabschnittes mittels einer Kon­ taktbrücke zum jeweiligen nächsten Leiterabschnitt geführt, wo er ebenfalls sämtliche einzelnen Streifenleiterstücke durchläuft. Diese Konfiguration ist deshalb zu wählen, damit das erzeugte Magnetfeld tatsächlich senkrecht zur Längsrichtung der jeweiligen großflächigen Leiterabschnitte erzeugt wird und nicht unter einem Winkel dazu, wie dies bei nichtge­ schlitzter Ausführungsform der Fall wäre, da dann der Strom den kürzesten, nämlich diagonalen Weg wählen würde und folge­ dessen das Magnetfeld unter einem Winkel stehen würde. Neben dem Umstand, dass die Konfiguration äußerst umständlich in ihrer Herstellung und Anwendung ist, ergeben sich Schwierig­ keiten aus den jeweiligen Kontaktbrücken, die relativ schmal sind, über welche jedoch ein verhältnismäßig großer Strom zu führen ist. Denn wie beschrieben, ist die Biasmagnetisierung, also letztlich eine Anisotropie einzuprägen, d. h., es ist ein relativ starkes Magnetfeld zu erzeugen. Diese Stromengpässe kann man umgehen, indem man die Kontaktbrücken vergrößert, was zu einer flächenmäßig schlechten Ausnutzung des Substrats führt, da ersichtlich aufgrund der Anordnung der Streifenlei­ ter die Sensorelemente entsprechend weit von einander beab­ standet angeordnet werden müssen.

Entsprechende Probleme bestehen auch bei einer aus der DE 195 20 172 A1 zu entnehmenden Sensoreinrichtung, der eine spezielle Magnetisierungseinrichtung zugeordnet ist. Die be­ kannte Sensoreinrichtung weist mindestens einen Sensor mit mehreren giant-magnetoresistiven Sensorelementen auf, die auf einer Substratschicht eines Sensorsubstrats in unterschiedli­ chen Bereichen angeordnet sind. In die Sensorelemente bzw. deren magnetisch verhältnismäßig harten Biasschichtteile ist jeweils eine im Wesentlichen eine Vorzugsrichtung der Magne­ tisierung festlegende (magnetische) Anisotropie einzuprägen. Hierzu dient die Magnetisierungseinrichtung, die stromführen­ de Leiterbahnteile aufweist, welche oberhalb ihrer jeweils zuzuordnenden Sensorelemente zu positionieren sind. In diesen Leiterbahnteilen ist dann ein Einstellstrom derart zu führen, dass ein hinreichend starkes Magnetfeld erzeugt wird, um in dem magnetisch härteren Biasschichtteil des jeweils zugeord­ neten Sensorelementes eine vorbestimmte Magnetisierungsver­ teilung einzustellen. Bei der bekannten Sensoreinrichtung werden so jeweils benachbarte Sensorelemente entgegengesetzt magnetisiert; d. h., sie haben jeweils magnetische Anisotro­ pien mit entgegengesetzt verlaufender Vorzugsrichtung der Magnetisierung. Will man eine Vielzahl von Sensorelementen entsprechend magnetisieren, so ist die Anordnung der den ein­ zelnen Sensorelementen zuzuordnenden Leiterbahnteile der Mag­ netisierungsrichtung verhältnismäßig aufwendig und nimmt ver­ hältnismäßig viel Platz ein.

Der Erfindung liegt damit das Problem zu Grunde, eine Sensor­ einrichtung mit magnetoresistiven Sensoren, insbesondere in Form von Winkelsensoren, anzugeben, bei dem die Sensorelemen­ te in ihrer räumlichen Anordnung so platziert sind, dass die Substratfläche weitgehend optimiert ausgenutzt werden kann, und die unter Verwendung einfach ausgebildeter Einstelleiter in ihrer Biasschichtmagnetisierung eingestellt werden können.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art mit mindestens einem magnetore­ sistiven Sensor, insbesondere einem 360°-Winkelsensor vor­ zugsweise als giant-magnetoresistiver, Magnetic-tunnel- junction- oder Spin-valve-transistor-Sensor, erfindungsgemäß vorgesehen, dass deren mehrere Sensorelemente

• - auf einer Substratschicht eines Sensorsubstrats in unter­ schiedlichen Bereichen angeordnet sind,
• - jeweils eine im Wesentlichen eine Vorzugsrichtung der Mag­ netisierung festlegende Anisotropie besitzen,
• - in unterschiedliche Richtungen weisende Vorzugsrichtungen aufweisen

und

• - mit unterschiedlicher Vorzugsrichtung längs mehrerer im We­ sentlichen geradlinig und parallel zueinander verlaufender Reihen unter Bildung von separaten Sensorbrücken in perio­ discher Folge angeordnet sind.

Dabei sollen innerhalb der mindestens zwei Reihen jeweils zwei Sensorelemente gleicher Vorzugsrichtung periodisch wech­ selnd hintereinander angeordnet sein.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung besitzt also vorteil­ haft Sensorelemente mit einer Anisotropie, also leichten Ach­ sen der Magnetisierung, längs welcher bevorzugt und unter An­ wendung geringer Einstellfelder die Magnetisierung ausricht­ bar ist. Infolge der gegebenen Anisotropie ist es vorteilhaft möglich, mit Einstellfeldern zu arbeiten, die nicht parallel zur leichten Achse verlaufen, da die Magnetisierung bevorzugt eben längs der leichten Achse ausgerichtet wird und dort ver­ bleibt. Infolgedessen und bedingt durch die Anordnung der Sensorelemente in Form wenigstens einer Reihe, innerhalb wel­ cher die Sensorelemente geradlinig hintereinander und mit ei­ ner vorbestimmten Periodizität hinsichtlich der Richtung der Anisotropie angeordnet sind, kann im einfachsten Fall auch der Einstellstreifenleiter geradlinig längs der Reihe verlau­ fend ausgebildet sein. Das heißt, die komplizierte Ausbildung gemäß der Patentanmeldung 197 42 134.2 (bzw. EP 0 905 523 A2) ist bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung mit den vor­ handenen Anisotropien ihrer Sensorelemente nicht mehr erfor­ derlich. Hierdurch bedingt ist es auch ohne weiteres möglich, die Sensorelemente hinreichend eng nebeneinander zu ordnen, so dass sich die gegebene Substratfläche noch besser ausnut­ zen lässt. Sind mehrere solcher Reihen nebeneinander geord­ net, kann der Einstellstreifenleiter vorteilhaft als Mäander ausgebildet sein, wobei selbstverständlich die einzelnen län­ geren Leiterabschnitte entsprechend der Reihenanordnung zu­ einander beabstandet vorgesehen sind. Die Anisotropie der Sensorelemente ist erfindungsgemäß eine induzierte Anisotro­ pie, aber eine aufgrund einer Wechselwirkung der Substrat­ schicht mit dem Sensorelement erzeugte Anisotropie.

Wie bereits beschrieben, sind die Sensorelemente der unter­ schiedlichen Anisotropien innerhalb einer Reihe in periodi­ scher Folge angeordnet. Um, wie erfindungsgemäß ferner vorge­ sehen ist, separate Sensorbrücken zu bilden, insbesondere um hieraus 360°-Winkelsensoren zu fertigen, wozu erfindungsgemäß die Sensorelemente unterschiedlicher Anisotropie entsprechend benachbart zueinander angeordnet sind, soll ferner vorgesehen sein, dass mehrere im Wesentlichen parallel zueinander ver­ laufende Reihen vorgesehen sind.

Ferner können gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der er­ findungsgemäßen Sensoreinrichtung die Sensorelemente zusätz­ lich längs mindestens einer weiteren, zur mindestens einen ersten Reihe senkrecht stehenden Reihe in periodischer Folge angeordnet sind. Dies ermöglicht einerseits eine optimierte Raumausnutzung, andererseits auch die Verwendung eines weite­ ren Leiters zur Erzeugung eines Schüttelfeldes oder eines weiteren Einstellfeldes, wobei hierauf noch nachfolgend näher eingegangen wird.

Erfindungsgemäß können die Sensorelemente einer Reihe zwei unterschiedlich gerichtete Anisotropien aufweisen, wobei die­ se Anisotropien für 360°-Winkelsensoren bevorzugt einen Win­ kel von im Wesentlichen 90° zueinander einnehmen. Es gibt a­ ber auch Ausführungsformen, bei denen drei Anisotropierich­ tungen (0°, 60°, 120°) oder noch mehrere zur Bildung von Win­ kelsensoren ausgenützt werden. Man kann auf diese Weise die Genauigkeit der Sensoren weiter steigern. Dabei können die Sensorelemente erfindungsgemäß derart angeordnet sein, dass die erste und die zweite Anisotropie zur jeweiligen Reihen­ achse unter einem Winkel von ungefähr 45° stehen, oder dass die erste Anisotropie zur Reihenachse unter einem Winkel von 0° oder 90° und die zweite Anisotropie unter einem Winkel von 90° oder 0° steht. Besonders vorteilhaft ist hierbei die ers­ te Erfindungsalternative. Wie bereits beschrieben sind infol­ ge der induzierten Anisotropien zur Magnetisierungseinstel­ lung Magnetfelder ausreichend, die nicht exakt in Richtung der leichten Achse ausgerichtet sind, da die Magnetisierung einfach und bevorzugt in Richtung der leichten Achse dreht. Infolgedessen können hier mit besonderem Vorteil einfache, geradlinige Leiter verwendet werden, deren Längsachse eben­ falls unter einem Winkel von 45° zur Anisotropie steht, da die Streifenleiter insoweit parallel zur Reihe laufen. Die Ausgestaltung der Einstelleiter ist somit hier besonders einfach, es wird nur ein einziger Einstellstreifenleiter benö­ tigt. Im zweiten erfindungsgemäßen Beispiel, bei dem die ers­ te und die zweite Anisotropie parallel bzw. senkrecht zur je­ weiligen Reihenachse steht, sind zwei einander überlagerte Einstelleiter erforderlich, wobei die beiden mäanderförmigen Leiter um 90° versetzt angeordnet sind, sofern die jeweiligen Sensorelementreihen senkrecht zueinander stehen. Auch hier können äußerst einfach strukturierte Leiterkonfigurationen verwendet werden, wenngleich bei dieser Ausgestaltung zwei Leiter erforderlich sind.

Wie bereits erwähnt, sollen die Sensorelemente zur Bildung von Sensorbrücken angeordnet sein, wobei insbesondere eine Anordnung gewählt wird, aus der problemlos 360°-Winkelsen­ soren bestehend aus zwei Sensorbrücken gebildet werden kön­ nen. Eine zweckmäßige Anordnung der Sensorelemente für die Bildung einer Vollbrücke sieht zu diesem Zweck vor, dass in­ nerhalb der mindestens einen ersten Reihe jeweils zwei Sen­ sorelemente gleicher Anisotropie periodisch wechselnd hinter­ einander angeordnet sind, ferner können innerhalb der mindes­ tens einen weiteren Reihe Sensorelemente unterschiedlicher Anisotropie abwechselnd hintereinander angeordnet sein.

Die Anisotropiebereiche können zweckmäßigerweise durch Struk­ turieren der Substratschicht gebildet sein, wobei sie zweck­ mäßig durch Ausbilden von erhabenen, jeweils ein Sensorele­ ment tragenden Substratabschnitten gebildet sind, welche er­ findungsgemäß als mäanderförmige Streifen oder dergleichen ausgebildet sein können. Die Induktion von Anisotropien durch Oberflächenstrukturierung ist aus der Patentanmeldung DE 196 33 362 A1 be­ kannt.

Die Sensorelemente können ferner auch als giant- magnetoresistive, magnetic-tunnel-junction oder spin-valve- transistor Schichtsysteme ausgebildet sein.

Ferner kann vorteilhaft die Sensoreinrichtung mindestens ei­ nen magnetoresistiven 360°-Winkelsensor mit zwei jeweils vier Sensorelemente aufweisenden Sensorbrücken enthalten, wobei vier Sensorelemente eine erste Anisotropie und vier Sensor­ elemente eine zur ersten Anisotropie in einem Winkel von vor­ zugsweise 90° stehende zweite Anisotropie aufweisen.

Bevor nachfolgend die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert wird, seien einige Maßnahmen ange­ deutet, die für die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung vor­ teilhaft anzuwenden sind:
So kann ein Verfahren zum Einstellen der Biasschichtmagneti­ sierung von auf einer Substratschicht angeordneten Sensorele­ menten mittels eines magnetischen Einstellfeldes vorgesehen werden, das von einem stromdurchflossenen Leiter nahe der Sensorelemente erzeugt wird. Dieses Verfahren kann so ausges­ taltet sein, dass ein Sensorsubstrat mit in einer oder mehre­ ren im Wesentlichen geradlinigen, ggf. zueinander im Wesent­ lichen parallel verlaufenden Reihen angeordneten Sensorele­ menten, von denen jedes eine Anisotropie aufweist, verwendet wird, wobei ein Teil der Sensorelemente eine erste Anisotro­ pie und die anderen Teile eine zweite, dritte oder vierte A­ nisotropie aufweisen, die unterschiedlich zueinander gerich­ tet sind, sowie mindestens ein entsprechend der Anordnung der Reihe(n) geführter Leiter, der dem Sensorsubstrat zugeordnet ist oder wird und entsprechend der Reihenform geradlinig ge­ führt ist, und der zur Erzeugung des Einstellfeldes für eine vorbestimmte Zeit mit einem vorbestimmten Strom durchflossen wird, so dass alle Sensorelemente eingestellt werden. Der Einstelleiter kann dabei direkt am Sensor in entsprechend i­ solierter Anordnung vorgesehen sein, gleichermaßen kann er eine separate Einrichtung sein. Sind mehrere Reihen vorhan­ den, kann ein mäanderförmig geführter Leiter verwendet wer­ den.

Zweckmäßigerweise wird ein Sensorsubstrat verwendet, bei dem die beiden Anisotropien unter einem Winkel von im Wesentli­ chen 90° zueinander stehen. Ferner sollte ein Sensorsubstrat mit mehreren Reihen verwendet werden, wobei jede Reihe Sen­ sorelemente mit der ersten und der zweiten Anisotropie auf­ weist. Als vorteilhaft zur Bildung von Vollbrücken hat es sich ferner erwiesen, wenn ein Sensorsubstrat mit mehreren Reihen verwendet wird, bei dem die Sensorelemente in Form von jeweils vier Sensorelemente umfassenden Sensorbrücken ange­ ordnet sind, wobei jeweils zwei Sensorelemente einer Sensor­ brücke in einer ersten Reihe und die anderen zwei Sensorele­ mente in der benachbarten Reihe angeordnet sind. Dabei können bei dem verwendeten Substrat die beiden Anisotropien unter einem Winkel von im Wesentlichen 45° zur Reihenachse und da­ mit zum der Reihe zugeordneten Leiterabschnitt stehen.

Zwar wird im idealen Fall von einer sauberen, uniaxialen Ani­ sotropie ohne Hysterese ausgegangen, das heißt, im Idealfall sollte sich die Magnetisierung vollständig und ohne Behinde­ rung in der leichten Achse ausrichten. Dies wird nicht immer erreicht. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass während und/oder nach dem Ein­ stellen unter Verwendung eines weiteren stromdurchflossenen Leiters ein unter einem Winkel, insbesondere von 90° zum Ein­ stellfeld stehendes magnetisches Schüttelfeld erzeugt wird. Während des Schüttelns werden Ströme mit vorbestimmten Ampli­ tuden und Phasen durch die Schüttelstromleiter geschickt. Für den Fall, dass das Schütteln nach dem Einstellen erfolgt, kann der "Schüttelstrom" ebenfalls durch die Einstelleiter geführt werden. Durch dieses Schütteln werden vorteilhafts­ weise die Magnetisierungen nahezu vollständig in Richtung der leichten Achse ausgerichtet.

Ferner kann ein Sensorsubstrat verwendet werden, bei dem die erste und die zweite Anisotropie im wesentlichen parallel bzw. senkrecht zur Reihenachse gerichtet ist, wobei ein zwei­ ter Leiter zur Erzeugung eines zweiten Einstellfeldes verwendet wird, wobei der mäanderförmig geführte zweite Leiter und das von ihm erzeugte Einstellfeld unter einem Winkel von im Wesentlichen 90° zum ersten Leiter bzw. im ersten Einstell­ feld stehen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindungen ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungs­ beispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Darstellung der Anordnung der Sensorelemente auf einem insoweit nicht gezeig­ ten Sensorsubstrat,

Fig. 2 eine Prinzipskizze, die zwei Sensorbrücken zeigt, die um 90° verschobene Signale für 360°- Winkeldetektoren liefern,

Fig. 3 eine Prinzipskizze zweier Sensorbrücken, die unter­ einander zur Bildung eines 360°-Winkeldetektors e­ lektrisch gekoppelt sind, sowie die zugeordneten Schüttelfeld-Leiter, und

Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Darstellung zweier elekt­ risch gekoppelter Sensorbrücken, wobei die Magneti­ sierungen der Biasschicht parallel bzw. senkrecht zu den beiden verwendeten Einstelleitern liegen.

Fig. 1 zeigt in einer Prinzipskizze die Sensoranordnung auf einem insoweit nicht näher gezeigten Sensorsubstrat mit zwei Typen von Sensorbrücken, die zur Bildung eines 360°- Winkeldetektors benötigt werden und um 90° verschobene Signa­ le liefern. Die Brücken 1a, b, c bzw. 2a, b, c bestehen je­ weils aus vier Sensorelementen 3a, b, c, d, bzw. 4a, b, c, d. Ersichtlich sind die Sensorelemente in parallelen, geradlini­ gen Reihen, die in x- und y Richtung laufen, angeordnet. Dies führt zu einer optimalen Ausnutzung der gegebenen Substrat­ fläche. Jedes Sensorelement 3a, b, c, d, bzw. 4a, b, c, d, besitzt eine nicht näher gezeigte Biasschicht oder ein Bias­ schichtsystem mit einer induzierten Anisotropie, wobei die leichte Achse durch die jeweiligen Doppelpfeile 5, 6 darge­ stellt sind. Die leichten Achsen 5, 6 stehen unter einem Win­ kel von 90° zueinander. Bedingt durch die induzierte Ani­ sotropie, die bevorzugt durch entsprechendes Strukturieren des Substrats im Bereich des jeweiligen Sensorelements er­ zeugt wird, dreht sich die Magnetisierung der insoweit nicht näher gezeigten Biasschicht oder des Biasschichtsystemes in Abhängigkeit eines äußeren Einstell-Magnetfelds in Richtung der leichten Achse. In den Figuren sind die jeweiligen Magne­ tisierungsrichtungen durch die Pfeile innerhalb der jeweili­ gen Sensorelemente angegeben. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, weisen jeweils zwei Sensorelemente einer jeweiligen Sen­ sor-Vollbrücke zwei gleiche Anisotropien auf, die im gezeig­ ten Beispiel jeweils senkrecht zueinander stehen. Da jeweils zwei Sensorbrücken 1a, 2a, bzw. 1b, 2b, bzw. 1c, 2c je­ weils einen 360°-Winkelsensor ergeben, sind folglich pro Win­ kelsensor acht Sensorelemente mit insgesamt vier unterschied­ lichen Magnetisierungsrichtungen vorhanden.

Um nun die Magnetisierung der harten Biasschicht in Richtung der leichten Achse auszurichten ist ein äußeres Einstell- Magnetfeld erforderlich. Zu diesem Zweck ist ein längs der Reihen verlaufender, mäanderförmig geführter Leiter 7 vorge­ sehen, welcher stromdurchflossen ist. Die Stromrichtung ist jeweils durch die entsprechenden, in Längsrichtung der Lei­ terabschnitte weisenden Pfeile dargestellt, die Richtungen der jeweils von jedem Einstellabschnitt erzeugten Einstell­ felder sind durch die entsprechenden, zur Stromrichtung senk­ recht weisenden Pfeile wiedergegeben. Ersichtlich sind die Richtungen der Einstellfelder nicht parallel zu den leichten Achsen bzw. den Magnetisierungen, die in Richtung der leich­ ten Achsen verlaufen. Bedingt durch die induzierte Anisotro­ pie jedoch drehen die Magnetisierungen bevorzugt in die leichte Achse, so dass geringere und nicht parallel zu den leichten Achsen ausgerichtete Einstellfelder ausreichend sind, um die Magnetisierung in die leichte Achse zu drehen. Infolgedessen sind bei der gewählten Konfiguration die mit­ tels des einzigen, mäanderförmigen Leiter 7 erzeugbaren Ein­ stellfelder ausreichend, die Biasschichten einzustellen.

Fig. 2 zeigt in einer Prinzipskizze zwei mittels jeweils vier Sensorelementen 8a, b, c, d bzw. 9a, b, c, d realisierte Sen­ sorbrücken 10a, 10b, wobei die jeweiligen brückeneigenen Sen­ sorelemente elektrisch miteinander gekoppelt sind und ent­ sprechende Stromeinspeisungspads C und Spannungsabgriffpads V vorgesehen sind. Bei diesen Sensorelementen ist die magneto­ elastische Anisotropie mittels einer durch Oberflächenstruk­ turierung erzeugten mäanderförmigen Streifenstruktur reali­ siert. Die Erzeugung einer derartigen Struktur ist aus der DE 196 33 362 A bekannt. Dabei ist angenommen, dass das Vor­ zeichen des Magnetostriktionskoeffizienten und der durch die Oberflächenstrukturierung im Bereich der Sensorstreifen er­ zeugten Verspannung derartig ist, dass sich die leichte Achse entlang der Streifenrichtung ausbildet. Wie Fig. 2 zu entneh­ men ist, verlaufen die mäanderförmigen Streifen jedes Sensor­ elements unter einem Winkel von ±45° zur Längsachse des Ein­ stelleiters bzw. zur erzeugten Einstell-/Magnetfeldrichtung. In jeder Sensorbrücke 10a, 10b ist die Streifenorientierung für alle Elemente gleich. Auch hier sind wieder die Richtun­ gen der Einstellströme sowie die Einstellfeldrichtungen in Form der Pfeile angegeben.

Entsprechend der leichten Achsen (siehe die Doppelpfeile 11, 12) richten sich die Biasschichtmagnetisierungen, wie durch die in den Sensorelementen angegebenen Pfeile gezeigt, ent­ sprechend aus. Dabei wird im Idealfall davon ausgegangen, dass die uniaxiale Anisotropie sauber und ohne Hysterese ist. Dies lässt sich jedoch nicht immer erreichen, das heißt, es ist nicht immer der Fall, dass sich die Biasmagnetisierung exakt in der leichten Richtung ausrichten lässt. Um dennoch die Magnetisierung weitestgehend anisotropieparallel auszu­ richten, wird die Magnetisierung "geschüttelt". Zu diesem Zweck ist, vgl. Fig. 3, ein Schüttelfeldleiter 13 vorgesehen, der ebenfalls mäanderförmig ausgebildet ist und senkrecht zum Einstell-Leiter 7 verläuft. Wie Fig. 3 zeigt, ist der Schüt­ telfeldleiter 13 breiter ausgebildet und überdeckt jeweils eine komplette Sensorbrücke, wobei in Fig. 3 ebenfalls zwei Sensorbrücken 14a, 14b gezeigt sind. Angegeben ist auch hier die Richtung des den Leiter 13 durchlaufenden Stromes sowie die Richtung des erzeugten "Schüttelfeldes". Während des Schüttelns wird der Strom mit vorbestimmter Amplitude und Phase durch den Leiter 13 geführt. Dies bewirkt, dass eine Schüttelfeldkomponente parallel zu den Einstelleitern erzeugt wird. Jeder Leiterabschnitt, der einer Sensorbrücke zugeord­ net ist, erzeugt ein Feld, das im Wesentlichen in Richtung der leichten Achsen gerichtet ist, wobei diese auch hier un­ ter einem Winkel von ±45° zur Schüttelfeldrichtung stehen, und auch hier die Sensorelemente mit gleicher Biasmagnetisie­ rungskomponente in horizontalen Reihen angeordnet sind. Wäh­ rend des Schüttelns werden nun Ströme mit vorbestimmten Amp­ lituden und Phasen sowohl durch den Einstelleiter 7 wie durch den Schüttelfeldleiter 13 geschickt. Die bewirkt, dass sich resultierend ein Feld ausbildet, dessen Richtung sich in Fol­ ge der Phasenverschiebung zwischen den Einstellschüttel- und den Schüttelströmen innerhalb eines bestimmten Sektors be­ wegt. In Fig. 3 sind für den Fall einer Phasenverschiebung von 90° die beiden Schüttelfeldsektoren gezeigt, innerhalb welcher das resultierende Schüttelfeld sich bewegt, wobei hier die Polaritäten der Ströme sich nicht ändern.

Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass bevorzugt der Sek­ tor, in dem sich das resultierende Schüttelfeld bewegt, sym­ metrisch bezüglich der Biasmagnetisierungsrichtungen der je­ weiligen "bearbeiteten" Sensorelemente ist.

Schließlich zeigt Fig. 4 eine weitere Möglichkeit der Anord­ nung der Anisotropien innerhalb der Sensorelemente. Gezeigt sind zwei Sensor-Vollbrücken 15a, 15b bestehend aus jeweils vier Sensorelementen 16a, b, c, d bzw. 17a, b, c, d. Ersichtlich stehen hier die durch die entsprechenden Pfeile angege­ benen Magnetisierungsrichtungen der Biasschichten der mäan­ derförmig strukturierten Sensorelemente parallel bzw. senk­ recht zur Achse des Einstellstreifenleiters 7. Bei Stromfluss durch den Leiter 7 wirken nun die erzeugten Magnetfelder ei­ nerseits auf diejenigen Sensorelemente, deren leichte Achse (Doppelpfeil 19) parallel zur Feldrichtung steht, das heißt, die Magnetisierungen dieser Sensorelemente werden ausgerich­ tet. Da die leichten Achsen (Doppelpfeil 20) der anderen Sen­ sorelemente senkrecht zum jeweiligen Einstellfeld steht, er­ fährt die Magnetisierung dieser Sensorelemente keine Ausrich­ tung. Um auch diese Elemente auszurichten, ist ein zweiter Leiter 18 vorgesehen, der ebenfalls mäanderförmig ausgebildet ist und jeweils eine komplette Sensorbrücke belegt. Der zwei­ te Leiter 18 verläuft senkrecht zum ersten Leiter 7, das heißt, in der Gesamtkonfiguration wird eine Art Leiternetz gebildet. Auch hier sind die jeweiligen Einstellstromrichtun­ gen und die jeweiligen Einstellfeldrichtungen angegeben. Wie Fig. 4 zeigt, ist das jeweilige Einstellfeld, das vom Leiter 18 generiert wird, parallel zur in Längsrichtung des Leiters 7 laufenden leichten Achse, so dass die entsprechenden Sen­ sorelemente mittels des zweiten Einstellfeldes eingestellt werden können.

Claims (15)

1. Sensoreinrichtung mit mindestens einem magnetoresistiven Sensor, insbesondere einem 360°-Winkelsensor vorzugsweise als giant-magnetoresistiver, Magnetic-tunnel-junction- oder Spin-valve-transistor-Sensor, der mehrere Sensorelemente (3a-d, 4a-d, 8a-d, 9a-d, 16a-d, 17a-d) umfasst, welche Sen­ sorelemente
auf einer Substratschicht eines Sensorsubstrats in unter­ schiedlichen Bereichen angeordnet sind,
jeweils eine im Wesentlichen eine Vorzugsrichtung der Mag­ netisierung festlegende Anisotropie besitzen,
in unterschiedliche Richtungen weisende Vorzugsrichtungen aufweisen
und
mit unterschiedlicher Vorzugsrichtung längs mehrerer im We­ sentlichen geradlinig und parallel zueinander verlaufender Reihen unter Bildung von separaten Sensorbrücken (1a-c, 2a- c, 10a, b, 14a, b, 15a, b) in periodischer Folge angeordnet sind,
wobei innerhalb der mindestens zwei Reihen jeweils zwei Sen­ sorelemente (3a, c, 3b, d, 4a, c, 4b, d, 8a, c, 8b, d, 9a, c, 9b, d, 16a, c, 16b, d, 17a, c, 17b, d) gleicher Vorzugsrichtung perio­ disch wechselnd hintereinander angeordnet sind.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Anisotropie der Sensor­ elementen (3a-d, 4a-d, 8a-d, 9a-d, 16a-d, 17a-d) eine indu­ zierte Anisotropie ist.

3. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen­ sorelemente zusätzlich längs mindestens einer weiteren, zur mindestens einen ersten Reihe im Wesentlichen senkrecht ste­ henden Reihe in periodischer Folge angeordnet sind.

4. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen­ sorelemente einer Reihe zwei unterschiedlich gerichtete Vor­ zugsrichtungen aufweisen.

5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die unterschiedlich gerich­ teten Vorzugsrichtungen einen Winkel von im Wesentlichen 90° zueinander einnehmen.

6. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen­ sorelemente (3a-d, 4a-d, 8a-d, 9a-d) derart angeordnet sind, dass eine erste und eine zweite Vorzugsrichtung zur jeweili­ gen Reihenachse unter einem Winkel von ungefähr 45° stehen, oder dass die erste Vorzugsrichtung zur Reihenachse unter ei­ nem Winkel von 0° oder 90° und die zweite Vorzugsrichtung un­ ter einem Winkel von 90° oder 0° steht (Sensorelemente 16a-d, 17a-d).

7. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen­ sorbrücken (1a-c, 2a-c, 10a, b, 14a, b, 15a, b) derart angeord­ net sind, dass mittels zweier Sensorbrücken ein 360°-Sensor bildbar ist.

8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der 360°-Sensor ein Sensor auf der Basis eines giant-magnetoresistiven Effekts, eines Magnetic-tunnel-junction-Effekts oder eines Spin-valve- transistor-Effekts ist.

9. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass inner­ halb der mindestens einen weiteren Reihe Sensorelemente (3a, b, 3c, d, 4a, b, 4c, d, 8a, b, 8c, d, 9a, b, 9c, d, 16a, b, 16c, d, 17a, b, 17c, d) unterschiedlicher Vorzugsrichtung ab­ wechselnd hintereinander angeordnet sind.

10. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Be­ reiche durch Strukturieren der Substratschicht gebildet sind.

11. Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche durch Aus­ bilden von erhabenen, jeweils ein Sensorelement tragenden Substratabschnitten gebildet sind.

12. Sensoreinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratabschnitte als mäanderförmiger Streifen ausgebildet sind.

13. Sensoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen­ sorelemente giant-magnetoresistive, Magnetic-tunnel-junction oder spin-valve-transistor Schichtsysteme sind.

14. Sensoreinrichtung mit mindestens einem magnetoresistiven 360°-Winkelsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei jeweils vier Sensor­ elemente aufweisende Sensorbrücken, wobei vier Sensorelemente eine erste Vorzugsrichtung und vier Sensorelemente eine zur ersten Vorzugsrichtung in einem Winkel von vorzugsweise 90° stehende zweite Vorzugsrichtung aufweisen.

15. Sensoreinrichtung nach Anspruch 14, gekenn­ zeichnet durch eine Ausbildung als giant-magneto­ resistiver oder als Magnetic-tunnel-junction- oder als Spin- valve-transistor-Sensor.