DE19933244A1

DE19933244A1 - Potentiometer mit Magnetowiderstandselementen

Info

Publication number: DE19933244A1
Application number: DE19933244A
Authority: DE
Inventors: Ichirou Tokunaga; Seiji Kikuchi; Yoshito Sasaki; Takashi Hatanai
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2019-07-16
Also published as: JP2000035471A; DE19933244C2; US6175296B1; JP3623367B2

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Potentiometer enthält mindestens ein Paar von Magnetowiderstandselementen (26, 27), die paarweise auf einem Substrat in einem solchen Zustand ausgebildet sind, daß die Elemente untereinander so verschaltet sind, daß die Orientierungen der Magnetisierungsachsen von fixierten magnetischen Schichten der Elemente um 180 DEG gegeneinander versetzt sind. Ein magnetisches Codierelement (83) ist drehbar gegenüberliegend den Magnetowiderstandselementen auf dem Substrat derart angeordnet, daß der Drehmittelpunkt des magnetischen Codierelements (83) durch eine Zwischenposition der paarweisen Magnetowiderstandselemente läuft. Das magnetische Codierelement besitzt mindestens zwei Pole entlang seiner Drehrichtung.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Potentiometer, welches mit Riesenmagnetoresistenzeffekt-Elementen, im folgenden verkürzt als Magnetowiderstandselemente bezeichnet, ausgestattet ist, die sehr starke Widerstandsänderungen in Abhängigkeit der Änderung äußerer Magnetfelder zeigen.

Die japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung Hei 8-226960 zeigt einen Magnetfeldsensor mit Magnetowiderstandselementen, wobei vier derartige Magnetowiderstandselemente elektrisch als Brücke verschaltet sind.

Wie in Fig. 17 zu sehen ist, enthält ein in jener Anmeldung dargestellter Magnetfeldsensor A separat angeordnete Magnetowiderstandselemente 1, 2, 3 und 4, von denen die beiden Elemente 1 und 2 über eine Leitung 5, die Elemente 1 und 3 über eine Leitung 6, die Elemente 3 und 4 über eine Leitung 7 und die Elemente 2 und 4 über eine Leitung 8 verbunden sind, wobei an die Leitung 6 ein Eingangsanschluß 10, an die Leitung 8 ein Eingangsanschluß 11, an die Leitung 5 ein Ausgangsanschluß 12 und an die Leitung 7 ein Ausgangsanschluß 13 angekoppelt ist.

Die einzelnen Magnetowiderstandselemente 1, 2, 3 und 4 besitzen einen Sandwich-Aufbau, bei dem eine nicht-magnetische Schicht 15 zwischen einer oberen und einer unteren ferromagnetischen Schicht 16 und 17 liegt und eine anti-ferromagnetische Austausch- Vormagnetisierungsschicht 18 auf der ferromagnetischen Schicht (fixierten magnetischen Schicht) 16 ausgebildet ist, wodurch die von dieser Austausch-Vormagnetisierungsschicht 18 erzeugte Austauschkopplung die Magnetisierungsachse der ferromagnetischen Schicht 16 in eine Richtung festlegt oder fixiert. Außerdem wird dafür gesorgt, daß die Orientierung der Magnetisierungsachse der ferromagnetischen Schicht (der freien magnetischen Schicht) 17 auf der anderen Seite sich abhängig von der Orientierung eines äußeren Magnetfelds frei drehen kann. Beispielsweise wird sie dazu gebracht, sich in der horizontalen Ebene, welche die ferromagnetische Schicht 17 enthält, frei zu drehen.

Bei dem Magnetfeldsensor A gemäß Fig. 17 weist die Orientierung der Magnetisierungsachse der fixierten Magnetschicht 16 des Magnetowiderstandselements 1 in Richtung des Pfeils 20 in Fig. 17, die Magnetisierungsachse der fixierten ferromagnetischen Schicht 16 des Elements 2 weist in Pfeilrichtung 21, die Magnetisierungsachse der fixierten Magnetschicht 16 des Magnetowiderstandselements 13 weist gemäß Pfeil 23 nach hinten, und die Magnetisierungsachse der fixierten magnetischen Schicht 16 des Magnetowiderstandselements 4 weist gemäß Pfeil 22 nach vorne. Die Orientierung der Magnetisierungsachse der freien magnetischen Schicht 17 jedes der Magnetowiderstandselemente 1, 2, 3 und 4 weist gemäß Pfeil 24 in Fig. 17 nach rechts, wenn kein äußeres Magnetfeld einwirkt.

Wenn bei dem in Fig. 17 gezeigten Magnetfeldsensor ein äußeres Magnetfeld H vorhanden ist, dreht sich in dem ersten und dem vierten Magnetowiderstandselement 1 bzw. 4 die Magnetisierungsachse 24 der freien magnetischen Schicht 17 um einen spezifischen Winkel d, wie in Fig. 18 angedeutet ist, abhängig von dem äußeren magnetischen Feld H. Die Winkelbeziehung zu der Magnetisierungsachse 20 der fixierten magnetischen Schicht 16 ändert sich also, wodurch eine Widerstandsänderung hervorgerufen wird. Da die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten 16 des ersten und des zweiten Magnetowiderstandselements 1 und 4 um 180° versetzt sind gegenüber den Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten 16 des zweiten und dritten Magnetowiderstandselements 2 und 3, läßt sich die Widerstandsänderung, die eine Phasendifferenz beinhaltet, erfassen.

Bei dem in Fig. 17 gezeigten Magnetfeldsensor A liegt eine Brückenschaltung vor, die Orientierungen der Magnetisierungsachsen sind jeweils durch Pfeile angegeben. Da das Differenz-Ausgangssignal von den Magnetowiderstandselementen 1, 2, 3 und 4 erhalten wird, wenn sich die Magnetisierungsorientierung der freien magnetischen Schichten 17 abhängig von einem äußeren magnetischen Feld H ändert, und außerdem die Elemente 1, 2, 3 und 4 in Fig. 17 rechts und links bzw. oben und unten angeordnet sind, müssen die Magnetisierungsachsen derart in antiparallelen Richtungen fixiert werden, daß jeweils zwei benachbarte Elemente in um 180° versetzte Richtungen magnetisiert sind.

Um die in Fig. 17 dargestellte Struktur zu erhalten, ist es unerläßlich, die Magnetowiderstandselemente 1, 2, 3 und 4 benachbart auf einem Substrat auszubilden und die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten 16 jeweils zweier benachbarter Magnetowiderstandselemente mit jeweils einer Abweichung von 180° zu fixieren.

Um die Magnetisierungs-Orientierungen der fixierten magnetischen Schichten 16 dieser Art zu steuern und die Magnetisierung der Austausch-Vormagnetisierungsschicht 18 einzustellen, ist es unerläßlich, ein Magnetfeld einer spezifischen Richtung an die Austausch- Vormagnetisierungsschicht 18 anzulegen, während sie auf eine Temperatur oberhalb der sogenannten Sperrtemperatur erwärmt ist, bei der der Ferromagnetismus verschwindet, und außerdem muß die Wärmebehandlung derart erfolgen, daß das Material abkühlt, während das angelegte Magnetfeld erhalten bleibt.

Da aber bei dem in Fig. 17 dargestellten Aufbau die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der Austausch-Vormagnetisierungsschicht 18 gegeneinander um 180° bei jeweils zwei der Magnetowiderstandselemente 1, 2, 3 und 4 verschoben werden müssen, muß man die Magnetfelder individuell für jedes Magnetowiderstandselement, die benachbart auf einem Substrat ausgebildet sind, steuern. Da das Verfahren zum Anlegen eines Magnetfelds von außen mit Hilfe eines Magnetfelderzeugers, beispielsweise mit Hilfe eines Elektromagneten oder dergleichen, das Anlegen eines Magnetfelds in nur einer Richtung ermöglicht, ist es äußerst schwierig, die in Fig. 17 dargestellte Struktur zu erhalten.

Die in der japanischen Veröffentlichung der ungeprüften Patentanmeldung Hei 8-226960 dargestellte Methode sieht vor, daß man die in Fig. 17 dargestellte Struktur dadurch erhalten kann, daß man entlang jedem der Magnetowiderstandselemente 1, 2, 3 und 4, die benachbart zueinander auf einem Substrat ausgebildet sind, leitende Schichten niederschlägt, durch jede dieser leitenden Schichten in verschiedene Richtungen Ströme fließen läßt, um individuell Magnetfelder verschiedener Richtungen aus jeder der leitenden Schichten heraus zu erzeugen, während gleichzeitig damit die vorstehend erwähnte Wärmebehandlung erfolgt. Will man aber starke Magnetfelder erzeugen, so muß man starke Ströme durch die leitenden Schichten führen, um die Gittermagnetisierung der Austausch-Vormagnetisierungsschichten 18 zu steuern. Allerdings ist das Leiten hoher Ströme durch die dünnen leitenden Schichten, die auf den Magnetowiderstandselementen niedergeschlagen wurden, problematisch, und demgemäß ist es schwierig, mit Hilfe der leitenden Schichten Magnetfelder zu erzeugen, die für die anschließenden Prozeßabläufe erforderlich sind. Da die Magnetfelder auf die Magnetowiderstandselemente 1, 2, 3 und 4, die benachbart auf einem Substrat ausgebildet sind, in jeweils verschiedenen Richtungen aus mehreren leitenden Schichten einwirken, ist es äußerst schwierig, individuell die starken Magnetfelder an die einzelnen Austausch-Vormagnetisierungsschichten 18 der Magnetowiderstandselemente 1, 2, 3 und 4 anzulegen.

Wie oben erläutert, besitzt der in Fig. 17 dargestellte Magnetfeldsensor A eine hervorragende Funktion als magnetischer Fühler. In der Praxis jedoch erfordert das Ausbilden der Schichten auf einem Substrat und die Fertigung des Magnetfeldsensors A äußerst diffizile Prozesse, um die Magnetfelder anzulegen und die Wärmebehandlung durchzuführen, so daß die Herstellung insgesamt schwierig wird. Für umfangreichere Anwendungen ist der Aufbau daher problematisch.

Was die Anwendungen des in Fig. 17 dargestellten Magnetfeldsensors A betrifft, so läßt sich der erwähnten japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Hei 8-226960 lediglich entnehmen, den Sensor für lineare oder Dreh-Codierer, Näherungsfühler, geomagnetische Magnetmeßgeräte und dergleichen einzusetzen. Es gibt außerdem keinerlei konkrete Vorschläge bezüglich der Einrichtungen und Gebiete, bei denen der Magnetfeldsensor A angewendet werden könnte.

Als Beispiel für Produkte, die mit Magnetismus arbeiten, sind magnetische Potentiometer mit Hall-Elementen bekannt. Derartige Potentiometer verwenden Hall-Elemente, die auf Änderungen des Magnetfelds ansprechen, um Detektorelemente zu bilden, allerdings sind die von solchen Hall-Elementen gewonnenen Ausgangssignale extrem schwach, und dementsprechend wird ein Aufbau angestrebt, der in der Lage ist, stärkere Ausgangssignale zu liefern.

Angesichts der oben aufgezeigten Umstände wird durch die vorliegende Erfindung angestrebt, die Magnetowiderstandselemente auf der Grundlage neuer Anwendungsideen einzusetzen, die sich von dem herkömmlichen Magnetfeldsensor unterscheiden. Aufgabe der Erfindung ist es daher speziell, ein Potentiometer anzugeben, welches den Drehwinkel eines magnetischen Codierglieds erfaßt und ein vergleichsweise starkes Ausgangssignal liefert, indem von einem einzigartigen Aufbau mit Magnetowiderstandselementen Gebrauch gemacht wird.

Die Erfindung soll außerdem ein Potentiometer schaffen, welches sicher die Orientierungen von Magnetisierungsachsen der Austausch- Vormagnetisierungsschichten von insgesamt vier Magnetowiderstandselementen individuell in bevorzugten Richtungen steuert, außerdem die Herstellung dadurch erleichtert, daß eine Struktur verwendet wird, die eine einfache Steuerung ermöglicht.

Um dies zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung ein Potentiometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Potentiometer kann einen solchen Aufbau haben, daß die Magnetowiderstandselemente paarweise auf dem Substrat abnehmbar ausgebildet werden, wobei die Mittelposition dieser Magnetowiderstandselemente übereinstimmt mit der Drehachse des magnetischen Codierglieds.

Das erfindungsgemäße Potentiometer wird durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Ausgestaltungen bevorzugt weitergebildet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm zum Veranschaulichen einer Verdrahtung der Magnetowiderstandselemente für das erfindungsgemäße Potentiometer;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Potentiometers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Substrat, auf dem die in Fig. 1 gezeigten Magnetowiderstandselemente ausgebildet sind;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des grundlegenden Aufbaus und der Verschaltung der in Fig. 1 gezeigten Magnetowiderstandselemente;

Fig. 4 eine Schnittansicht zum Veranschaulichen der Schichtungsstruktur und der Verbindungsteile in dem Magnetowiderstandselement, welches in dem Potentiometer eingesetzt wird, dessen Grundaufbau in Fig. 3 gezeigt ist;

Fig. 5A ein Schaltungsdiagramm eines zweiten Beispiels für die Verdrahtungsstruktur von Magnetowiderstandselementen in dem erfindungsgemäßen Potentiometer,

Fig. 5B ein Schaltungsdiagramm eines gegenüber dem zweiten Beispiel modifizierten Beispiels;

Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm zum Veranschaulichen des dritten Beispiels der Verbindungsstruktur der Magnetowiderstandselemente für das erfindungsgemäße Potentiometer;

Fig. 7 ein Schaltungsdiagramm des vierten Beispiels der Verbindungsstruktur von Magnetowiderstandselementen in dem erfindungsgemäßen Potentiometer;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Grundaufbaus und der Verschaltung der in Fig. 7 gezeigten Magnetowiderstandselemente;

Fig. 9 eine Draufsicht auf ein Beispiel der Topologie der in Fig. 7 und 8 dargestellten, auf einem Substrat ausgebildeten Magnetowiderstandselemente

Fig. 10 eine grafische Darstellung einer Sinuswelle, die bei dem Aufbau der Magnetowiderstandselemente gemäß Fig. 7 und 8 erhalten wird;

Fig. 11 ein Schaltungsdiagramm des fünften Beispiels des Verbindungsaufbaus der Magnetowiderstandselemente für das erfindungsgemäße Potentiometer;

Fig. 12 eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Verbindungstopologie der Magnetowiderstandselemente gemäß Fig. 11 auf einem Substrat;

Fig. 13 eine grafische Darstellung des Zustands, in welchem die in Fig. 11 gezeigten Magnetowiderstandselemente durch eine Fertigungsvorrichtung polarisiert werden;

Fig. 14 eine Seitenansicht der in Fig. 13 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 15 ein Schaltungsdiagramm der Topologie des sechsten Beispiels des Verbindungsaufbaus der Magnetowiderstandselemente des erfindungsgemäßen Potentiometers;

Fig. 16 eine grafische Darstellung eines Meßergebnisses der Ausgangsspannung, die an dem Potentiometer eines Testbeispiels erhalten wurde;

Fig. 17 eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen konventionellen Magnetsensor; und

Fig. 18 eine Skizze zum Veranschaulichen der Beziehung der Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten bezüglich derjenigen der freien magnetischen Schichten der Magnetowiderstandselemente des in Fig. 17 gezeigten herkömmlichen magnetischen Sensors.

Fig. 1 zeigt die Verschaltung von Magnetowiderstandselementen in dem Potentiometer gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, außerdem ein Schaltungsdiagramm der Konfiguration eines magnetischen Codierglieds, welches den Magnetowiderstandselementen gegenüber liegt, Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des Potentiometers des ersten Ausführungsbeispiels.

In der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind die Enden 26a und 27a zweier Magnetowiderstandselemente 26 und 27, deren elektrische Widerstände sich abhängig von einem äußeren Magnetfeld ändern, durch einen Leiter 28 miteinander verbunden, an dem Leiter 28 ist ein Ausgangsanschluß 28A ausgebildet, und am anderen Ende 26b des Magnetowiderstandselements 26 ist ein Eingangsanschluß 26A ausgebildet. Eine Masseanschluß 27A befindet sich an dem anderen Ende 27b des Magnetowiderstandselements 27. In anderen Worten: der in Fig. 1 gezeigte Schaltungsaufbau besteht aus einem Zwischenanschlußpunkt der in Reihe geschalteten Magnetowiderstandselemente 26 und 27, dem Ausgangsanschluß an dem einen Ende und dem Eingangsanschluß an dem anderen Ende.

In der Praxis wird die in Fig. 1 gezeigte Schaltung auf einer Ebene eines Substrats K ausgebildet, welches in ein in Fig. 2 gezeigtes Potentiometer M1 eingebaut wird, wobei das Magnetowiderstandselement 26 und das Magnetowiderstandselement 27 parallel mit einem spezifischen Zwischenabstand angeordnet sind, und das eine Ende 26a des Magnetowiderstandselements 26 und das andere Ende 27a des Magnetowiderstandselements 27 werden an verschiedenen Stellen in enger Nachbarschaft zueinander angeordnet, wobei die Orientierungen e und h der Magnetisierungsachsen der fixierten Magnetschichten der Magnetowiderstandselemente 26 und 27 mit einem gegenseitigen Versatz von 180° eingestellt werden, was weiter unten noch näher ausgeführt wird.

Das in Fig. 2 gezeigte Potentiometer M1 enthält eine Drehwelle 80, ein diese Drehwelle 80 um eine freie Drehachse lagerndes Scheibenlagerelement 31, ein deckelförmiges Abdeckteil 82, welches hinten auf dem Lagerelement 81 angebracht ist, ein magnetisches Codierelement 83, welches auf der Rückseite des Lagerelements 81 angeordnet ist, die von dem Abdeckteil 82 abgedeckt ist, und ein Substrat K. Das Lagerelement 81 ist zum Beispiel als Messingscheibe ausgebildet, das Abdeckteil 82 ist durch Ziehen aus einer Metallplatte gebildet.

Die Drehwelle 80 besteht aus einem nicht-magnetischem Material, beispielsweise einem Kunstharz, oder aus einem nicht-magnetischen rostfreien Stahl, wobei ein Teil des einen Endes der Drehwelle 80 durch das Lagerelement 81 geführt ist, um auf der Rückseite vorzustehen, während an diesem einen Ende das magnetische Codierelement 83 senkrecht zu der Drehwelle 80 befestigt ist. Das magnetische Codierelement 83 ist ein Magnet, bei dem die eine Seite (die linke Seite in Fig. 1) als S-Pol und die andere Seite (rechts in Fig. 1) als N-Pol magnetisiert ist in Bezug auf eine Mittellinie 84, die durch die Mittelachse O einer Ebene des magnetischen Codierelements 83 als Grenze verläuft.

Das magnetische Codierelement 83 trägt auf seinem Umfang mehrere Magnetpole; da das magnetische Codierelement 83 zwei oder mehr magnetische Pole entlang seinem Umfang tragen muß, ist es nicht notwendig, sich auf nur zwei Magnetpole (S- und N-Pol) wie bei dieser Ausführungsform zu beschränken. Die Drehwelle 80 kann aus einem weichmagnetischen Stoff, beispielsweise Eisen, oder aus einer ferromagnetischen Substanz bestehen, wenn sie ausreichend von dem magnetischen Codierelement 83 und den Magnetowiderstandselementen 26, 27 abgerückt ist.

Eine Halteplatte 86 ist mit einem Lückenabstand parallel zu den magnetischem Codierelement 83 über ein Halteglied 85 auf der Rückseite des Lagerelements 81 angebracht. Das Substrat K ist mittig an der Halteplatte 86 angebracht und steht dem magnetischen Codierelement 83 gegenüber. Auf einer Seite des Substrats K sind die Magnetowiderstandselemente 26 und 27 gemäß Fig. 1 ausgebildet, fixiert sind sie an der Halteplatte 86 in der Weise, daß die Mittellinie 84 des magnetischen Codierelements 83 sich an dem Zwischenteil der Magnetowiderstandselemente 26 und 27 befindet, der dem magnetischen Codierelement 83 gegenübersteht. Wenn außerdem gemäß Fig. 1 die Mittellinie 84 des magnetischen Codierelements 83 in einer Richtung verläuft, daß die Mittellinie 84 mit der Mittellinie der Magnetowiderstandselemente 26 und 27 zusammenfällt, so ist es am meisten bevorzugt, wenn die Magnetowiderstandselemente 26 und 27 derart angeordnet werden, daß sie sich an der Punktsymmetrie-Stelle bezüglich der Mittelachse O der magnetischen Codierelements 83 als Symmetriepunkt befinden.

Der Abstand zwischen dem magnetischen Codierelement 83 und dem Substrat K ist eingestellt auf einen Abstand in einem Bereich, in welchem die Magnetowiderstandselemente 26 und 27 den Punkt der magnetischen Sättigung durch das von dem magnetischen Codierelement 83 erzeugte Magnetfeld erreicht, üblicherweise beträgt der Abstand einige mm bis etwas mehr als 10 mm.

Fig. 3 veranschaulicht einen konkreten Schichtaufbau der Magnetowiderstandselemente 26 und 27 dieser Ausführungsform, außerdem die Orientierungen der Magnetisierungsachsen dieser Schichten, wobei die Magnetowiderstandselemente 26 und 27 gleichen Aufbau besitzen. Jedes Magnetowiderstandselement enthält eine ferromagnetische Schicht (freie magnetische Schicht) a, eine nicht magnetische Schicht b, eine ferromagnetische Schicht (fixierte magnetische Schicht) c und eine Austausch-Vormagnetisierungsschicht (anti-ferromagnetische Schicht) d, die den prinzipiell in Fig. 3 dargestellten Schichtaufbau besitzen. Die Magnetowiderstandselemente 26 und 27 sind vorzugsweise derart ausgeformt, daß sie in der Draufsicht linear und schmal sind. Im Fall der Verschaltung nach Fig. 1, wo die Magnetowiderstandselemente 26 und 27 kompakt durch ein Wellenlinien-Schaltungssymbol dargestellt sind, ist es also zu bevorzugen, die linearen Magnetowiderstandselemente 26 und 27 in der Längsrichtung der Wellenlinie (die vertikale Richtung in Fig. 1 oder die Richtung parallel zu der Mittellinie 84) anzuordnen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Schichtaufbau sind die fixierten magnetischen Schichten c benachbart zu den Austausch- Vormagnetisierungsschichten d durch diese in ihren Orientierungen der Magnetisierungsachsen festgelegt oder fixiert. Genauer gesagt, bei dem Magnetowiderstandselement 26 sind die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der Austausch-Vormagnetisierungsschicht d und der fixierten magnetischen Schicht c so eingestellt, daß sie gemäß Pfeil e nach rechts weisen, und beim Magnetowiderstandselement 27 sind die Magnetisierungsachsen der Austausch-Vormagnetisierungsschicht d und der fixierten magnetischen Schicht c gemäß Pfeil h nach links eingestellt. Folglich sind die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten c der beiden Magnetowiderstandselemente 26 und 27 um 180° gegeneinander versetzt.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines detaillierten Aufbaus, bei dem die Schichten individuell auf dem Substrat K niedergeschlagen sind, um das Magnetowiderstandselement 26 zu bilden.

Das Magnetowiderstandselement 26 dieses Beispiels wird gebildet durch ein gleichschenkliges Trapez, wobei die Austausch- Vormagnetisierungsschicht (die antiferromagnetische Schicht) d, die fixierte magnetische Schicht c, eine sub-ferromagnetische Schicht m, eine nicht-magnetische Schicht b, eine sub-ferromagnetische Schicht n und eine freie magnetische Schicht a in dieser Reihenfolge ausgehend von dem Substrat K als Schichten niedergeschlagen sind. Auf beiden Seiten dieser Schichtanordnung sind Leiter E1 und E2 ausgebildet, um die Schichten zu kontaktieren. Die Leiter E1 und E2 sind so ausgebildet, daß sie die Magnetowiderstandselemente miteinander elektrisch verbinden. In der Querschnittansicht der Fig. 4 kann eine Vormagnetisierungsschicht zum Transformieren der freien magnetischen Schicht a in eine magnetische Einzeldomäne zweckmäßigerweise in dem Verbindungsbereich zwischen den Enden der Schichtanordnung und den Leitern E1 und E2 ausgebildet sein.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau sind die sub-ferromagnetischen Schichten m und n vorgesehen, um den magnetoresistiven Effekt deutlich zum Ausdruck zu bringen. Gebildet sind sie durch ferromagnetische Stoffe wie z. B. Co, eine Co-Legierung oder dgl. Allerdings kann man diese sub-ferromagnetischen Schichten auch weglassen. Außerdem können bei diesem Beispiel die Austausch- Vormagnetisierungsschicht d, die fixierte magnetische Schicht c, die sub ferromagnetische Schicht m, die nicht-magnetische Schicht b, die sub ferromagnetische Schicht n und die freie magnetische Schicht a in umgekehrter Reihenfolge als Schichten niedergeschlagen werden.

Eine konkret ausgebildete Schichtstruktur eines Magnetowiderstandselements enthält z. B.: Eine α-Fe₂O₃-Schicht (Austausch-Vormagnetisierungsschicht)/eine NiFe-Schicht (fixierte magnetische Schicht)/eine Co-Schicht (sub-ferromagnetische Schicht)/ eine Cu-Schicht (nicht-magnetische Schicht)/eine Co-Schicht (sub ferromagnetische Schicht)/NiFe-Schicht (freie magnetische Schicht). Außerdem kann bei Bedarf unter der α-Fe₂O₃-Schicht eine Al₂O₃-Schicht als Strom-Nebenschlußschicht ausgebildet sein. Zusätzlich zu den oben erläuterten Strukturen kann man ein Magnetowiderstandselement auch mit folgendem Schichtaufbau verwenden: eine α-Fe₂O₃-Schicht/eine Co-Schicht/eine Cu-Schicht/eine Co-Schicht/eine NiFe-Schicht/ eine Co-Schicht/eine Cu-Schicht/eine Co-Schicht/α-Fe₂O₃-Schicht. Die Austausch-Vormagnetisierungsschicht kann außerdem aus allen bekannten Werkstoffen bestehen, solange die Orientierung der Magnetisierungsachse der ihr benachbarten fixierten Magnetschicht sich festlegen läßt. Zusätzlich zu der α-Fe₂O₃-Schicht können verwendet werden: eine FeMn-Schicht, eine NiMn-Schicht, eine NiO-Schicht, eine IrMn-Schicht, eine CrPtMn-Schicht, eine PdPtMn-Schicht, eine MnRhRu-Schicht und eine PtMn-Schicht, etc.

In dem Potentiometer M1 mit dem in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Aufbau ergibt sich bei Drehung der Drehwelle 80 und bei Anlegen einer Spannung an die Schaltung über den Eingangsanschluß 26A dann, wenn zwischen dem Ausgangsanschluß 28A und dem Masseanschluß 27A eine Spannung gemessen wird, der elektrische Widerstand des Paares von Magnetowiderstandselementen 26 und 27 mit einer Schwankung aufgrund der Einwirkung des Magnetfelds, wobei die Spannungsänderung am Mittelpunkt entsprechend der Widerstandsschwankung gemessen werden kann. Da diese Spannungsänderung wie eine Sinuswelle verläuft, abhängig vom Drehwinkel der Drehwelle 80, läßt sich der Drehwinkel der Drehwelle 80 durch Rückschluß aus dieser Sinuswelle ermitteln, und die Spannungsänderung kann für das Potentiometer verwendet werden. Da der Aufbau außerdem die Magnetowiderstandselemente 26 und 27 verwendet, kann das Potentiometer für den Nachweis auf einer beträchtlichen Widerstandsschwankung beruhen. Hieraus folgt, daß man ein starkes Sinuswellen-Ausgangssignal erzielt.

Wenn gemäß Fig. 1 die Zwischenstelle zwischen den Magnetowiderstandselementen 26 und 27 mit der Lage der Mittelachse O des magnetischen Codierelements 83 ausgerichtet ist, um das Potentiometer M1 zu bilden, läßt sich auf einfache Weise eine präzise Analyse des Ausgangssignals durchführen, da die gewonnene Ausgangs- Sinuswelle als hinsichtlich Amplitude und Frequenz konstant und geregelt angenommen werden kann.

Fig. 5A zeigt den Schaltungsaufbau der Magnetowiderstandselemente für das Potentiometer einer zweiten Ausführungsform. Bei diesem Schaltungsaufbau sind Magnetowiderstandselemente 88 und 89 auf dem in Fig. 1 gezeigten Substrat K in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform ausgebildet. Der Aufbau dieser Elemente unterscheidet sich nur teilweise.

Ein Eingangsanschluß 90 ist an das eine Ende 88b des Magnetowiderstandselements 88 angeschlossen, dessen anderes Ende 88a mit einem Ende 89a des Magnetowiderstandselements 89 über einen Leiter 91 verbunden ist. Ein Ausgangsanschluß 92 ist mit dem Leiter 91 verbunden, und ein Masseanschluß 93 ist an das andere Ende 89b des Magnetowiderstandselements 89 angeschlossen. Bei diesen Beispielen befinden sich die Magnetowiderstandselemente 88 und 89 auf dem Substrat K in einer Konfiguration, die unter Einbeziehung des Leiters 91 der Ziffer "7" entspricht.

Da die Orientierung der Magnetisierungsachse der fixierten magnetischen Schicht c des Magnetowiderstandselements 88 in Fig. 5A nach links weist und die Orientierung der Magnetisierungsachse der fixierten magnetischen Schicht c des Magnetowiderstandselements 89 in Fig. 5A nach rechts weist, sind die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der Magnetowiderstandselemente 88 und 89 denjenigen der Magnetowiderstandselemente 26 und 27 der ersten Ausführungsform entgegengesetzt. Da allerdings die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten c der Magnetowiderstandselemente 88 und 89 ein gegeneinander um 180° versetztes Paar bilden, ebenso wie bei der ersten Ausführungsform, so wird bei dieser Konfiguration bei einem Potentiometer entsprechend der Drehung der Drehwelle 80 genauso wie bei der ersten Ausführungsform ein sinusförmiges Ausgangssignal erhalten.

Die in Fig. 5A dargestellte Schaltungskonfiguration erzeugt ebenfalls den Effekt als Potentiometer, genauso wie die erste Ausführungsform.

Fig. 5B zeigt ein modifiziertes Beispiel der in Fig. 5 gezeigten Schaltung. Wie in Fig. 5B gezeigt ist, sind die Magnetowiderstandselemente 88 und 89 an Stellen ausgebildet, an denen sie einander gegenüberliegen, wobei ein Ende 88a des Magnetowiderstandselements 88 an ein Ende 89a des Magnetowiderstandselements 89 über einen Leiter 94 angeschlossen ist, der Ausgangsanschluß 92 an dem Leiter 94 ausgebildet ist, der Anschluß 90 an dem anderen Ende des Magnetowiderstandselements 88 ausgebildet ist und der Anschluß 93 an dem anderen Ende des Magnetowiderstandselements 89 ausgebildet ist. Wie bei diesem Beispiel dargestellt ist, können die Magnetowiderstandselemente 88 und 89 so konfiguriert sein, daß sie dem Buchstaben "U" ähneln.

Anstatt die Magnetpole auf beiden Seiten der Mitte des magnetischen Codierelements 83 auszubilden, kann die vorliegende Konstruktion von einem Aufbau Gebrauch machen, bei dem der N-Pol und der S-Pol bezüglich einer Sehne 84 der scheibenähnlichen Fläche des magnetischen Codierelements 83 als Grenze angeordnet sind. In diesem Fall bildet die Sehne 84 in Fig. 5B die Grenze zwischen den beiden Polen und kann so gelegt werden, daß sie durch die Mittelstelle zwischen den Magnetowiderstandselementen 88 und 89 läuft, wenn eine spezielle Drehlage des magnetischen Codierelements 83 gegeben ist.

Mit dem oben erläuterten Aufbau erzeugt die Schaltung kein Ausgangssignal in Form einer exakten Sinuswelle, deren Frequenz und Amplitude einen konstanten Verlauf haben, sondern erzeugt zusammengesetzte Ausgangsgrößen, welche Kurven mit unterschiedlichen Amplituden in Abhängigkeit der Periodenzeitpunkte aufweisen. Da aber auch die zusammengesetzten Ausgangsgrößen die Drehstellung des magnetischen Codierelements 83 spezifizieren können, kann man natürlich auch diese Schaltung für ein Potentiometer verwenden.

Fig. 6 zeigt einen Schaltungsaufbau der für das Potentiometer der dritten Ausführungsform der Erfindung verwendeten Magnetowiderstandselemente. Der Schaltungsaufbau enthält einen Eingangsanschluß 95A, der mit einem Ende 95a des Magnetowiderstandselements 95 verbunden ist, einen an das andere Ende 95b angeschlossenen Widerstand 97, einen Masseanschluß 97A, der an das andere Ende des Widerstands 97 angeschlossen ist, einen Eingangsanschluß 96A am anderen Ende 96b des Magnetowiderstandselements 96, einen Widerstand 98 an dem einen Ende 96a, einen Masseanschluß 98A am anderen Ende des Widerstands 98, einen Verstärker 99, dessen einer Eingang an den Verbindungspunkt oder Zwischenpunkt zwischen dem Magnetowiderstandselement 95 und dem Widerstand 97 angeschlossen ist, und dessen anderer Eingang an den Verbindungspunkt zwischen dem Magnetwiderstandselement 96 und dem Widerstand 98 angeschlossen ist, wodurch die Schaltung in der Lage ist, eine Differenzverstärkung der Ausgangssignale an den zwei Verbindungspunkten durchzuführen.

Mit der Ausbildung der in Fig. 6 gezeigten Schaltung auf dem in Fig. 2 dargestellten Substrat K wird ein Potentiometer gebildet. Bei Anlegen individueller Spannungen an jeden der Anschlüsse 97A, 95A, 96A und 98A erhält man am Ausgang des Verstärkers 99 ein verstärktes Sinuswellen-Ausgangssignal abhängig vom Drehwinkel der Drehwelle 80. Die Schaltung arbeitet also insgesamt als Potentiometer und erzeugt ein Sinuswellen-Ausgangssignal entsprechend der Drehung der Drehspindel 80, genauso wie die erste Ausführungsform. Da bei dieser Ausführungsform der Verstärker 99 das Ausgangssignal verstärken kann, kann die Schaltung ein stärkeres Ausgangssignal erzeugen als die erste Ausführungsform.

Fig. 7 veranschaulicht einen Schaltungsaufbau von Magnetowiderstandselementen, die für ein Potentiometer gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Fig. 8 ist eine schematische Darstellung, die das grundlegende Konzept der Schaltung veranschaulicht, und Fig. 9 ist eine Draufsicht auf eine Struktur zum Veranschaulichen der Topologie der Magnetowiderstandselemente auf einem Substrat K4. Das Substrat K4 in dem Potentiometer der vierten Ausführungsform enthält ein oben links in Fig. 7 gezeigtes erstes Magnetowiderstandselement 31, ein unten links in Fig. 7 dargestelltes zweites Magnetowiderstandselement 32, ein oben rechts in Fig. 7 gezeigtes drittes Magnetowiderstandselement 33 und ein unten rechts in Fig. 7 gezeigtes viertes Magnetowiderstandselement 34.

Sämtliche Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 bestehen aus einem Dünnschichtlaminat, welches unten noch beschrieben wird, und sie sind als schmale lineare Bauteile ausgeführt. Das erste und das zweite Magnetowiderstandselement 31 und 32 liegen auf einer ersten Geraden L1 gemäß Fig. 7, und das dritte und das vierte Magnetowiderstandselement 33 und 34 liegen auf einer zweiten Geraden L2, die parallel von der Geraden L1 beabstandet ist.

Außerdem befinden sich das erste und das dritte Magnetowiderstandselement 31 und 33 an Stellen auf der rechten und der linken Seite, die einander gegenüberliegen. Ebenso liegen das zweite und das vierte Magnetowiderstandselement 32 und 34 einander rechts und links gegenüber.

Bei dieser Ausführungsform liegen das erste und das zweite Magnetowiderstandselement 31 und 32 auf einer Geraden, das gleiche gilt für das dritte und das vierte Magnetowiderstandselement 33 und 34. Allerdings können diese Elemente etwas in Längsrichtung versetzt sein, während ihre Parallelität erhalten bleibt, und sie können auch etwas schräg gestellt sein.

Fig. 8 veranschaulicht einen konkreten Schichtaufbau der Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 dieser Ausführungsform, wobei die Orientierungen von Magnetisierungsachsen der Schichten dargestellt sind. Die Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 haben sämtlich einen äquivalenten Aufbau, jedes Magnetowiderstandselement enthält eine ferromagnetische Schicht (freie magnetische Schicht) a, eine nicht-magnetische Schicht b, eine ferromagnetische Schicht (fixierte magnetische Schicht) c und eine Austausch-Vormagnetisierungsschicht (anti-ferromagnetische Schicht) d, die übereinander geschichtet niedergeschlagen sind, wie es in Fig. 8 prinzipiell dargestellt ist.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Schichtaufbau sind in dem ersten Magnetowiderstandselement 31 die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der Austausch-Vormagnetisierungsschicht d und der fixierten magnetischen Schicht c so eingestellt, daß sie gemäß Pfeil e nach rechts weisen, und beim zweiten Magnetowiderstandselement 32 weisen die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der Austausch- Vormagnetisierungsschicht d und der fixierten magnetischen Schicht c gemäß Pfeil f nach rechts.

In dem dritten Magnetowiderstandselement 33 weisen die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der Austausch-Vormagnetisierungsschicht d und der fixierten magnetischen Schicht c gemäß Pfeil g nach links und in dem vierten Magnetowiderstandselement 34 weisen die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der Austausch-Vormagnetisierungsschicht d und der fixierten magnetischen Schicht c gemäß Pfeil h nach links. Deshalb weisen die Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schicht c in dem ersten und dem zweiten Magnetowiderstandselement 31 und 32 in dieselbe Richtung, und das gleiche gilt für die Orientierungen der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schichten c des dritten und des vierten Magnetowiderstandselements 33 und 34. Die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten c des ersten und des zweiten Magnetowiderstandselements 31 und 32 sind also um 180° versetzt gegenüber den Orientierungen der Magnetisierung der fixierten magnetischen Schichten c des dritten und des vierten Magnetowiderstandselements 33 und 34.

Die Magnetisierungsachsen der freien magnetischen Schichten a sämtlicher vier Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 verlaufen in unspezifizierte Richtungen, wenn kein äußeres Magnetfeld auf die Elemente einwirkt.

Eine Seite 31a des ersten Magnetowiderstandselements 31 ist mit einer Seite 34a des vierten Magnetowiderstandselements 34 über einen Leiter 43 verbunden, der einen Verbindungsteil darstellt, und an den Leiter 42 ist ein Ausgangsanschluß 43 angeschlossen. In gleicher Weise ist eine Seite 32a des zweiten Magnetowiderstandselements 32 über einen einen Verbindungsteil bildenden Leiter 45 mit einer Seite 33a des dritten Magnetowiderstandselements 33 verbunden, und an den Leiter 45 ist ein Ausgangsanschluß 46 angeschlossen. Außerdem ist die andere Seite 31b des ersten Magnetowiderstandselements 31 mit der anderen Seite 33b des dritten Magnetowiderstandselements 33 über einen Leiter 40 verbunden, der einen Verbindungsteil darstellt, an den ein Eingangsanschluß 43 angeschlossen ist. In der gleichen Weise sind die andere Seite 32b des zweiten Magnetowiderstandselements 32 und die andere Seite 34b des vierten Magnetowiderstandselements 34 über einen einen Verbindungsteil bildenden Leiter 47 verbunden, der mit einem Eingangsanschluß 48 gekoppelt ist.

Dementsprechend ist das erste Magnetowiderstandselement 31 zu dem vierten Magnetowiderstandselement 34 in Reihe geschaltet und bildet mit ihm ein erstes Verbindungspaar P1, ein zweites Verbindungspaar P2 wird durch die Serienschaltung aus dem zweiten Magnetowiderstandselement 32 und dem dritten Magnetowiderstandselement 33 gebildet.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel für den Aufbau der Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 gemäß der grundlegenden Struktur nach Fig. 7 und 8, außerdem sind die auf dem Substrat K4 ausgebildeten Leiter 40, 42, 45 und 47 sowie die Anschlüsse 41, 43, 46 und 48 dargestellt.

Bei diesem Aufbau besteht das Substrat K4 aus einem nicht magnetischen Werkstoff, beispielsweise ist es als Si-Substrat oder dergleichen ausgebildet. Normalerweise liegt auf der Oberseite des Substrats K4 ein Substratfilm aus z. B. Al₂O₃, um Flachheit zu gewährleisten und die Isolierung zu verbessern.

Auf dem Substrat K4 sind die linearen Magnetowiderstandselemente 31 bis 34 ausgebildet, die im wesentlichen die in Fig. 8 gezeigte Schichtstruktur besitzen, und zwar sind sie entlang den Geraden L1 und L2 in Fig. 7 ausgebildet. Die aus leitenden Metallwerkstoffen wie z. B. Cr, Cu oder dgl. gebildeten Leiter 40, 42, 45 und 47 verbinden die Elemente, und die Anschlüsse 41, 43, 46 und 48 liegen an den Ecken des Substrats K4. Der detaillierte Querschnitt der Magnetowiderstandselemente 31 dieser Ausführungsform ist identisch mit dem des vorher in Verbindung mit Fig. 4 erläuterten Magnetowiderstandselements 26.

Wenn äußere Magnetfelder H₁, H₂, H₃ und H₄ an die Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 gemäß Fig. 7 und 8 angelegt werden, indem die Drehwelle 80 gedreht wird, drehen sich die Orientierungen der Magnetisierungsachsen sämtlicher freier magnetischer Schichten a der Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 entsprechend diesen Magnetfeldern H₁, H₂, H₃ und H₄, wodurch als Folge elektrische Widerstandsänderungen dieser Elemente entsprechend dem Drehwinkel erfolgen.

Die Messung der elektrischen Widerstandsänderungen kann dadurch geschehen, daß man an die Anschlüsse 41 und 48, die als Eingangsanschlüsse fungieren, eine bestimmte Spannung legt, um die die Widerstandsänderung widerspiegelnde Spannung an den als Ausgangsanschlüssen fungierenden Anschlüssen 43 und 46 zu messen.

Fig. 10 zeigt für das den oben erläuterten Aufbau aufweisenden Potentiometer die Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Drehung der Magnetisierungsachse der freien magnetischen Schicht 8, wenn die Orientierungen e der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten c in eine Richtung (nach rechts) festgelegt sind. Die Widerstandsänderung zeigt ein Minimum, wenn die Orientierung e der Magnetisierungsachse der fixierten magnetischen Schicht c und die Orientierung k der Magnetisierungsachse der freien magnetischen Schicht a in die gleiche Richtung weisen, sie zeigt ein Maximum, wenn die beiden Achsen einander entgegengesetzt sind (antiparallel orientiert sind), und sie zeigt Zwischenwerte, die durch die in Fig. 10 gezeigte Sinuswelle beschrieben werden.

Diese Widerstandsschwankungen resultieren aus dem besonderen Umstand, daß, wenn ein Magnetfeld, welches stärker ist als der Sättigungspegel, an die Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 gelegt wird, deren Widerstandswerte konstant werden, ungeachtet der magnetischen Feldstärke, und zwar abhängig von einem Winkel, der gebildet wird durch die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schicht c und der freien magnetischen Schicht a, wobei der Wert das Maximum annimmt, wenn beide Orientierungen einander entgegengesetzt sind, während der Wert bei spitzen Winkeln abnimmt, um dann einen Minimumwert anzunehmen, wenn die beiden Orientierungen gleiche Richtung haben.

Bezüglich des Zwischenpunkts der Widerstandsänderung ausgehend von dem Ursprung ist die Polarität der Widerstandsänderung (unter der Annahme einer steigenden Richtung als positiv und einer abfallenden Richtung als negativ) zwischen den Magnetowiderstandselementen 31 und 32, deren Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten c die gleichen sind, identisch, und die Polarität ist ebenfalls identisch bei den beiden Magnetowiderstandselementen 33 und 34. Allerdings kehrt sich die Polarität zwischen dem Magnetowiderstandselement 31 und dem Magnetowiderstandselement 33 um und kehrt sich auch zwischen dem Magnetowiderstandselement 32 und dem Magnetowiderstandselement 34 um. Deshalb kann man sagen, daß der in Fig. 7 und 8 dargestellte Verbindungsaufbau eine Wheatstone-Brücke der Magnetowiderstandselemente bildet, die effektiv als Potentiometer arbeitet. Im Vergleich zu den früheren Ausführungsformen mit zwei Magnetowiderstandselementen kann der Aufbau dieser Ausführungsform der Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 in Form einer Wheatstone-Brücke stärkere Ausgangssignale liefern (Zunahme der Geschwindigkeit der Widerstandsänderung) und kann außerdem magnetische Rauschkomponenten beseitigen, die auf Umgebungsänderungen von Magnetfeldern zurückzuführen sind (Rauschkomponenten jedes Magnetowiderstandselements werden beseitigt aufgrund der Richtung des Erdmagnetismus und der magnetischen Störkomponenten).

Fig. 11 und 12 zeigen den Aufbau von Magnetowiderstandselementen zur Verwendung in einem Potentiometer gemäß der Erfindung. Bei dem Aufbau dieser Ausführungsform tragen gleiche Komponenten wie in den Fig. 7 und 9 entsprechende Symbole, eine nochmalige Beschreibung dieser Komponenten erfolgt nicht.

Auch bei dem Potentiometer mit den derart verschalteten Magnetowiderstandselementen, entsprechend dem Potentiometer der anderen Ausführungsformen, sind die Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 auf einem Substrat K5 ausgebildet, und die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten sind gleich, allerdings gibt es einen Unterschied in dem durch die Verbindungsleiter geschaffenen Schaltungsaufbau.

Das andere Ende 31b des ersten Magnetowiderstandselements 31 ist mit dem anderen Ende 33b des dritten Magnetowiderstandselements 33 über den Leiter 40 verbunden, genauso wie bei dem Aufbau nach Fig. 7 und 8. In ähnlicher Weise ist das Ende 31a des ersten Magnetowiderstandselements 31 mit dem einen Ende 34a des vierten Magnetowiderstandselements 34 über den Leiter 42 verbunden. Das eine Ende 32a des zweiten Magnetowiderstandselements 32 ist mit dem anderen Ende 34b des vierten Magnetowiderstandselements 34 über den Leiter 60 verbunden, und das andere Ende 32b des zweiten Magnetowiderstandselements 32 ist mit dem einen Ende 33a des dritten Magnetowiderstandselements 33 über den Leiter 61 verbunden. Ein Teil des Leiters 60 ist zu der Ecke des Substrats K5 herausgeführt, um einen Eingangsanschluß 62 (Masse) zu bilden, ein Ausgangsanschluß 63 befindet sich in der Ecke des Substrats K5 in der Mitte des Leiters 61.

Auch bei dem Potentiometer mit dem Verschaltungsschema der Magnetowiderstandselemente gemäß Fig. 11 und 12 wird, da die Magnetowiderstandselemente 31, 32, 33 und 34 eine Wheatstone-Brücke bilden, ein Sinuswellen-Ausgangssignal abhängig vom Drehwinkel der Drehwelle 80 erhalten, genauso wie bei dem Aufbau der anderen Ausführungsformen. Folglich läßt sich das Bauteil als Potentiometer verwenden.

Im folgenden wird ein Verfahren zum Festlegen oder Fixieren der Magnetisierungsachsen jeder der fixierten Magnetschichten c in den Magnetowiderstandselementen 31, 32, 33 und 34 für die in Fig. 12 dargestellte Struktur erläutert.

Um das Substrat K5 gemäß Fig. 12 herzustellen, wird auf einem Siliziumsubstrat eine Schicht niedergeschlagen, es werden Fotolithografie-Prozesse entsprechend den Laminierprozessen der Schichten ausgeführt, und es erfolgt eine Musterbildung.

Als erstes wird auf dem Substrat entsprechend dem Schichtaufbau der erwünschten Magnetowiderstandselemente eine erforderliche Dünnschicht niedergeschlagen. Wenn das Magnetowiderstandselement eine Fünfschichtstruktur ist, werden fünf Dünnschichten niedergeschlagen, bei einer Sechsschichtstruktur bzw. einer Siebenschichtstruktur werden sechs bzw. sieben Schichten niedergeschlagen.

Sodann wird auf die niedergeschlagenen Schichten ein Fotoresistmaterial aufgetragen, und es erfolgt ein Fotolithografie-Prozeß, so daß nur die benötigten Teile für die linearen Magnetowiderstandselemente stehenbleiben.

Als nächstes wird eine Resistschicht auf diesen Magnetowiderstandselementen ausgebildet, es wird eine Elektrodenschicht gebildet, anschließend wird die Elektrodenschicht fotolithografisch mit dem gewünschten Muster versehen, um das in Fig. 12 dargestellte Leitungsmuster zu erhalten. Dann erfolgt das Anlegen des Magnetfelds, welches weiter unten noch näher erläutert wird, um das mit der Schaltung nach Fig. 12 bestückte Substrat K5 zu erhalten.

Bei der Durchführung des Aufprägens des Magnetfelds wird die in Fig. 13 und Fig. 14 dargestellte Fertigungsvorrichtung Z verwendet. Diese Fertigungsvorrichtung Z besteht hauptsächlich aus einem Unterteil 71, welches mit einer Ausnehmung 70 ausgestattet ist, deren Breite so bemessen ist, daß in ihr das Substrat K5 des Potentiometers aufgenommen werden kann, einem Schleifen-Leiter 72 am Boden dieser Ausnehmung 70 und einer Stromversorgung 73, die an den Leiter 72 angeschlossen ist. Der Leiter 72 enthält einen linearen ersten Leiter 75, einen linearen zweiten Leiter 76 parallel zu dem ersten Leiter 75, einen Verbindungsleiter 77, der den ersten Leiter 75 mit dem zweiten Leiter 76 verbindet, wodurch eine Schleife gebildet wird.

Wenn das Substrat K in der Ausnehmung 70 aufgenommen ist, wird die Fertigungsvorrichtung Z derart betrieben, daß gemäß Fig. 14 die Magnetowiderstandselemente 31 und 32 oberhalb des ersten Leiters 75 und die Magnetowiderstandselemente 33 und 34 oberhalb des zweiten Leiters 76 liegen. Die Stromquelle 73 ist derart beschaffen, daß ein Gleichstrom von dem ersten Leiter 75 zu dem zweiten Leiter 76 geführt werden kann.

Wenn mit der Stromquelle 73 ein Gleichstrom bereitgestellt wird, nachdem das Substrat K in die Ausnehmung 70 eingesetzt wurde, erzeugt ein durch den Leiter 75 fließender Strom bezüglich dieses Leiters gemäß Fig. 14 ein Magnetfeld im Uhrzeigersinn, wobei der Leiter den Mittelpunkt bildet, und ein durch den Leiter 76 fließender Strom erzeugt mit dem Leiter 76 als Mitte ein Magnetfeld im Gegenuhrzeigersinn. Die Austausch-Vormagnetisierungsschichten d des ersten und des zweiten Magnetowiderstandselements 31 und 32 werden dadurch in die Pfeilrichtungen e und f in Fig. 13 polarisiert, und die Austausch-Vormagnetisierungsschichten d des dritten und des vierten Magnetowiderstandselements 33 und 34 werden gemäß Pfeilrichtungen g und h in Fig. 13 polarisiert. Die Austauschkoppelkräfte der Austausch- Vormagnetisierungsschichten d können die individuellen Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten Magnetschichten c in der Nachbarschaft dieser Austausch-Vormagnetisierungsschichten d in die einzelnen Richtungen (Richtungen e, f, g und h) festlegen. Da nach dem Beendigen der Stromzufuhr zu dem Leiter 77 zur Polarisierung diese Polarisierung der Austausch-Vormagnetisierungsschichten d so, wie sie ist, beibehalten wird, bleiben auch die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten Magnetisierungsachsen c festgelegt.

Durch Beendigen sämtlicher Prozesse läßt sich ein Substrat K5 für das Potentiometer erhalten, bei dem die Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten Magnetschichten so gesteuert sind, wie dies in Fig. 13 gezeigt ist.

Wenn Ströme durch den ersten Leiter 75 und den zweiten Leiter 76 zum Erzeugen von Magnetfeldern geleitet werden, so besteht, wenn die durch die beiden Leiter fließenden Ströme auch nur eine Zeitabweichung von 100 µs haben, die Möglichkeit, daß der polarisierte Zustand der Austausch-Vormagnetisierungsschichten d des ersten und des zweiten Magnetowiderstandselements 31 und 32 nicht dem Polarisationszustand der Austausch-Vormagnetisierungsschichten d des dritten und des vierten Magnetowiderstandselements 33 und 34 gleicht. Deshalb ist es äußerst günstig, den ersten Leiter 75 und den zweiten Leiter 76 an ein und dieselbe Stromquelle anzuschließen und die Magnetfelder in einem Zustand zu erzeugen, in dem die Zeitabweichung beim Aufprägen der Magnetfelder möglichst weit beseitigt ist.

Wenn allerdings die beiden Leiter mit Hilfe von zwei Stromquellen polarisiert werden können, die so synchronisiert sind, daß die Zeitabweichung beim Anlegen der Magnetfelder beseitigt ist, so kann man auch solche zwei Stromquellen verwenden, um Ströme durch den ersten und den zweiten Leiter 75 und 76 zu leiten.

Wenn die Austausch-Vormagnetisierungsschichten d aus α-Fe₂O₃ NiO, IrMn, CrPtMn bestehen, können die Austausch- Vormagnetisierungsschichten durch eine solche Magnetfeld- Aufprägeeinrichtung augenblicklich polarisiert werden. Wird allerdings als Baumaterial für die Austausch-Vormagnetisierungsschichten d NiMn, PdPtMn, MnRhRu und PtMn gewählt, so wird, da die Austausch- Vormagnetisierungsschichten polarisiert werden müssen, nachdem sie auf eine Temperatur oberhalb der Sperrtemperatur erwärmt sind, der Polarisationsvorgang kompliziert, allerdings können natürlich diese Stoffe auch im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.

Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Substrats für das erfindungsgemäße Potentiometer. Ein Substrat K6 dieser Ausführungsform gleicht im wesentlichen dem in Fig. 12 gezeigten Substrat K5. Der Unterschied besteht darin, daß das erste Magnetowiderstandselement 31B entlang einer ersten Geraden T1 und das zweite Magnetowiderstandselement 32B entlang einer zweiten Geraden T2 angeordnet ist, während das dritte Magnetowiderstandselement 31B entlang einer dritten Geraden T3 und das vierte Magnetowiderstandselement 34B entlang einer vierten Geraden T4 angeordnet ist. Die erste, zweite, dritte und vierte Gerade T1, T2, T3 bzw. T4 sind zueinander parallel, wobei die Gerade T1 der Geraden T2 eng benachbart ist, was auch für die beiden Geraden T3 und T4 gilt.

Der übrige Aufbau entspricht demjenigen des Substrats K5 in Fig. 12. Das das Substrat K6 enthaltende Potentiometer dieser Ausführungsform hat die gleichen Effekte wie die anderen Ausführungsformen.

Die in den Fig. 13 und 14 dargestellte Fertigungsvorrichtung Z kann nicht ohne Abänderungen zur Herstellung des Substrats K6 verwendet werden. Vielmehr muß die Vorrichtung Z so in ihrer Form abgeändert werden, daß der erste Leiter 75 abgebogen ist, damit er mit der Lage des ersten Magnetowiderstandselements 31B und der Lage des zweiten Magnetowiderstandselements 32B zusammenfällt, außerdem muß der zweite Leiter 76 derart verformt und abgeknickt werden, daß er mit der Lage des dritten und des vierten Magnetowiderstandselements 33B und 34B übereinstimmt.

Was den ersten Leiter 75 angeht, so wird dieser vorzugsweise mit einem abgeknickten Abschnitt zwischen einem geraden Linienabschnitt in der Nähe der Stromquelle 73 und einem geraden Linienabschnitt entfernt von der Stromquelle 73 (unter einem Zwischenbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetowiderstandselement 31B und 32B) ausgestattet, so daß hierdurch der erste Leiter 75 mit dem Magnetowiderstandselement 31B und auch dem Magnetowiderstandselement 32B fluchten kann. Bei dem zweiten Leiter 76 wird ähnlich wie bei dem ersten Leiter 75 vorzugsweise ein abgeknickter Abschnitt unterhalb des Zwischenbereichs zwischen dem dritten und dem vierten Magnetowiderstandselement 33B und 34B vorgesehen, so daß der zweite Leiter 76 sowohl mit dem dritten als auch dem vierten Magnetowiderstandselement 33B bzw. 34B fluchten kann.

Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen ist es unter der Annahme, daß die vier Magnetowiderstandselemente eine Brückenschaltung bilden, zu bevorzugen, das erste und das zweite Magnetowiderstandselement auf einer Geraden und auch das dritte und das vierte Magnetowiderstandselement auf einer weiteren Geraden anzuordnen. Allerdings können die Elemente auch in einem etwas versetzten Zustand gegenüber der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform angeordnet werden. Darüberhinaus können sämtliche Magnetowiderstandselemente so angeordnet werden, daß sie nicht vollständig parallel verlaufen, und natürlich können sie etwas so weit abgeschrägt angeordnet werden, wie dies nicht zu Schwierigkeiten beim Nachweisen der Widerstände führt, deren Phasen sich voneinander unterscheiden, wenn die Brückenschaltung gebildet wird.

BEISPIEL

Es wurde ein Substrat mit dem grundlegenden Aufbau in der Weise ausgebildet, daß vier lineare Magnetowiderstandselemente mit einer Breite von 0,05 mm und einer Länge von 1,75 mm auf einem 3,6 mm langen, 3,6 mm breiten und 0,5 mm dicken Siliziumsubstrat parallel zueinander gemäß Fig. 12 ausgebildet wurden.

Jedes der Magnetowiderstandselemente auf dem Substrat war eine achtlagige Schichtstruktur der Form Al₂O₃-Schicht (1000 Å dick)/α- Fe₂O₃-Schicht (1000 Å dick)/NiFe-Schicht (30 Å dick)/Co-Schicht (10 Å dick)/Cu-Schicht (22 Å dick)/Co-Schicht (10 Å dick)/NiFe- Schicht (77 Å dick)/Ta-Schicht (30 Å dick). Die Leiter zum Verbinden der Endabschnitte der Magnetowiderstandselemente wurden aus Cr- Schichten gebildet, die in der in Fig. 12 gezeigten Weise verschaltet waren.

Dann wurde das Substrat in die in den Fig. 13 und 14 gezeigte Fertigungsvorrichtung Z eingesetzt, und es wurde ein Gleichstrom von 3500 A von ein und derselben Stromquelle 100 µs lang durch den ersten und den zweiten Leiter geschickt, die aus Kupferdraht bei einer Dicke von 0,8 mm-0,9 mm bestanden, um die Austausch- Vormagnetisierungsschichten zu polarisieren und auf diese Weise die Magnetowiderstandselemente zu erhalten.

Dieses Substrat wurde in den in Fig. 2 gezeigten Potentiometeraufbau eingebaut. Ein scheibenförmiges magnetisches Codierelement wurde mit einem Lückenabstand von 1 mm gegenüber der Oberfläche des Substrats angeordnet. Das Substrat wurde fixiert, wobei die Mittelstellung der vier Magnetowiderstandselemente auf dem Substrat in Ausrichtung gebracht wurde mit der Lage der Mittelachse des magnetischen Codierelements. An den Eingangsanschluß des Substrats wurden 5 Volt angelegt, um die Spannung am Ausgangsanschluß zu messen, und beim Drehen des magnetischen Codierelements um die Achse wurden die Ausgangsspannungsänderungen gemessen, die in Fig. 16 durch eine Sinuskurve dargestellt sind, wodurch bestätigt wurde, daß dieser Aufbau tatsächlich als Potentiometer dienen kann.

Im Gegensatz dazu wurde mit dem in Fig. 2 gezeigten Substrat der gleiche Test bei einem Potentiometer mit Hallelementen als Halbleitern des GaAs-Systems durchgeführt, wobei die Ausgangsspannung bei einer Maximalamplitude von 50 mV erhalten wurde, die in Fig. 16 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.

Der Vergleich dieser Beispiele ergab, daß das Potentiometer des erfindungsgemäßen Beispiels eine verstärkte Sinuskurve mit einer Spannungsänderung über 200 mV ergab, also einen um das vierfache höheren Wert als das Potentiometer mit Hall-Elementen. Bei dem erfindungsgemäßen Potentiometer wird also eine viel höhere Empfindlichkeit erreicht.

Wie oben beschrieben, wird bei dem erfindungsgemäßen Potentiometer mindestens ein Paar von Magnetowiderstandselementen mit fixierten magnetischen Schichten, deren magnetische Achsen gegeneinander um 180° versetzt sind, auf einem Substrat ausgebildet, und ein magnetisches Codierelement mit Magnetpolen wird drehbar so angeordnet, daß die Magnetpole den Magnetowiderstandselementen gegenüberstehen. Die Drehung des magnetischen Codierelements läßt sich also nachweisen, indem man die Spannungsänderung des Mittelpunkts des Paares von Magnetowiderstandselementen entsprechend dem Drehwinkel des magnetischen Codierelements mißt. Folglich läßt sich dieser Schaltungsaufbau als Potentiometer verwenden.

Durch die Verwendung von Riesenmagnetoresistenzeffekt-Elementen, die hier durchgehend als Magnetowiderstandselemente bezeichnet wurden, läßt sich also eine starke Widerstandsänderung erreichen.

Außerdem kann man dadurch ein präzises Sinuswellen-Ausgangssignal erhalten, daß man die Mittelposition zwischen den Magnetowiderstandselementen paarweise fluchten läßt mit der Stelle der Drehachse des magnetischen Codierelements, was die Analyse der gewonnenen Ausgangsdaten erleichtert.

Außerdem läßt sich der Schaltungsaufbau in Form der Wheatstone- Brücke durch die vier Magnetowiderstandselemente in einfacher Weise nutzen, um die Änderung der Ausgangsspannung zu steigern, wobei gleichzeitig in einfacher Weise magnetische Störfelder ausgeschaltet werden, wenn magnetische Störfelder aus der Umgebung einwirken, wodurch ein Potentiometer erhalten werden kann, welches einen exakten Drehwinkel nachzuweisen imstande ist.

Der Schaltungsaufbau, bei dem das erste und das zweite Magnetowiderstandselement entlang der ersten Gerade angeordnet und das dritte und das vierte Magnetowiderstandselement entlang der zweiten Geraden angeordnet sind, wobei die Elemente eine Wheatstone-Brücke bilden, kann der Änderungshub der Ausgangsspannung in einfacher Weise gesteigert werden. Weil gleichzeitig durch die Umgebung einwirkende Rauschkomponenten von Magnetfeldern eliminiert werden, kann das Potentiometer eine präzise Winkelerfassung ermöglichen.

Darüberhinaus ermöglicht der Schaltungsaufbau, die Austausch- Vormagnetisierungsschichten des ersten und des zweiten Magnetowiderstandselements in der gleichen Richtung gleichzeitig zu magnetisieren, und außerdem die Austausch- Vormagnetisierungsschichten des dritten und des vierten Magnetowiderstandselements gleichzeitig in der gleichen Richtung zu polarisieren.

Aus diesen Gründen ist der Vorgang der Polarisierung im Zuge der Fertigung einfach im Vergleich zu der herkömmlichen Struktur, welche eine Polarisierung in vier unterschiedlichen Richtungen erfordert. Durch die Erfindung wird also ein Potentiometer mit Magnetowiderstandselementen geschaffen, die als Brücke verschaltet sind, was eine hohe Produktivität zuläßt.

Claims

1. Potentiometer mit Riesenmagnetoresistenzeffekt-Elementen, die im folgenden als Magnetowiderstandselemente bezeichnet werden, umfassend mindestens ein Paar von Magnetowiderstandselementen, die mindestens Austausch-Vormagnetisierungsschichten, fixierte magnetische Schichten, deren Orientierungen der Magnetisierungsachsen durch die Austausch- Vormagnetisierungsschichten in eine Richtung festgelegt sind, nicht magnetische Schichten und freie magnetische Schichten, deren Orientierungen der magnetischen Achsen von einem äußeren Magnetfeld frei drehbar sind, umfassend folgende Merkmale:
die paarweisen Magnetowiderstandselemente sind auf einem Substrat in einem Zustand ausgebildet, in welchem die Elemente untereinander bei Orientierungen der Magnetisierungsachsen der fixierten magnetischen Schichten mit einer gegenseitigen Versetzung von 180° elektrisch verschaltet sind; und
ein magnetisches Codierelement (83) ist drehbar so angeordnet, daß es den Magnetowiderstandselementen (26, 27) auf dem Substrat gegenübersteht, wobei das magnetische Codierelement derart angeordnet ist, daß sein Drehzentrum durch eine Mittelposition (0) der paarweisen Magnetowiderstandselemente läuft, und das magnetische Codierelement mindestens zwei Magnetpole aufweist, die entlang seiner Drehrichtung ausgebildet sind.

2. Potentiometer nach Anspruch 1, bei dem die paarweise anzuordnenden Magnetowiderstandselemente auf dem Substrat mit gegenseitigem Versatz ausgebildet sind, wobei die Mittelposition der Magnetowiderstandselemente übereinstimmt mit der Stelle der Mittel-Drehachse des magnetischen Codierelements.

3. Potentiometer nach Anspruch 1, bei dem ein erstes Magnetowiderstandselement und ein zweites Magnetowiderstandselement entlang einer ersten Geraden angeordnet sind, ein drittes und ein viertes Magnetowiderstandselement entlang einer zweiten Geraden parallel zu der ersten Geraden angeordnet sind, und die Mittelposition dieser vier Magnetowiderstandselemente übereinstimmt mit der Drehachse des magnetischen Codierelements.

4. Potentiometer nach Anspruch 3, bei dem eine Wheatstone-Brücke gebildet wird durch elektrisches Verbinden jener Elemente von dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Magnetowiderstandselement, die fixierte magnetische Schichten mit unterschiedlichen Orientierungen der Magnetisierungsachsen enthalten.

5. Potentiometer nach Anspruch 4, bei dem Eingangsanschlüsse an zwei der Verbindungspunkte von dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Magnetowiderstandselement angeschlossen sind, und an den übrigen beiden Verbindungspunkten Ausgangsanschlüsse ausgebildet sind.